ホーム / 研究・教育 / 研究紹介 / 機能構造力学分野

機能構造力学分野

従来、機械・構造物の強度・剛性設計が主な目的であった固体・構造力学の役割は、科学技術の進歩とともに大きく広がっています。すなわち、材料の複合化・傾斜組成化による高機能化や、動的環境に適応できるスマート材料・構造システム構築への期待の中で、そのカバーすべき範囲も、(1)巨視スケールからマイクロ・ナノを含むマルチスケール解析へ、(2)静的・線形解析から動的・非線形挙動解析へ、(3)力学解析から電磁気・熱・反応現象との連成解析へ、と広がっており、より精密な材料挙動のモデル化と、材料・構造システムの機能・信頼性の向上に資する力学学理の構築が求められています。

このような流れを踏まえて、本研究室では、先進複合材料をはじめとする、複雑な微視構造を有する材料の動的かつ非線形な力学挙動および波動伝搬挙動を明らかにするとともに、航空宇宙工学を含む幅広い分野における高機能材料・構造システムの基礎学理を築くための理論的、数値的ならびに実験的研究を行っています。

また、我国の伝統文化の一つである折紙に着目して、宇宙空間で用いられるソーラーセイルの帆や、血管中に入れる医療用マイクロステントなどのほか、マイクロからマクロまで広がる応用の可能性について、多方面から研究しています。

最近の主な研究テーマ

  • 先進複合材料における弾性波伝搬挙動の解析と数値シミュレーション
  • 高分子系複合材料における超音波減衰挙動の解明
  • 接触部を有する機械・構造システムの機能・健全性の評価
  • 折紙工学に関する研究
  • 教育用折紙モデルの開発

教員

琵琶 志朗 ( Shiro BIWA )

琵琶 志朗教授(工学研究科)

研究テーマ

固体微視力学、非線形固体力学をベースに、弾性波(超音波)伝搬挙動に及ぼす複雑微視構造の影響、微視構造制御による材料の音響特性設計、超音波による機械・構造システムの機能・健全性評価、複合材料・機能材料のマイクロメカニクスなどに関する研究を進めています。

連絡先

〒615-8540 京都市西京区京都大学桂
(桂キャンパス Cクラスター) C3棟 c3S01室
TEL: 075-383-3796
E-mail: biwa (at) kuaero.kyoto-u.ac.jp

担当科目

学部大学院

航空宇宙工学セミナー(全学共通)
材料力学2(2年後期)
固体力学(3年前期)
航空宇宙工学実験2(3年後期)
航空宇宙工学演義(4年)

動的固体力学(後期)
航空宇宙工学特別実験及び演習第一/第二

 

林 高弘 ( Takahiro HAYASHI )

林 高弘准教授(工学研究科)

研究テーマ

超音波を用いた材料の非破壊評価に関する以下の研究を進めています。

  1. 波動伝搬シミュレーションによる超音波伝搬解析。
  2. レーザや空中超音波といった非接触超音波計測手法の開発。
  3. 薄板構造中を伝搬する超音波モード(ガイド波)を用いた非破壊評価法の開発。
  4. 材料の劣化や損傷に起因する超音波非線形効果を利用した非破壊評価法の開発。

連絡先

〒615-8540 京都市西京区京都大学桂
(桂キャンパス Cクラスター) C3棟 c3S02室
TEL: 075-383-3797
E-mail: hayashi (at) kuaero.kyoto-u.ac.jp

担当科目

学部大学院

材料力学2(2年後期)
航空宇宙工学実験2(3年前期)
航空宇宙工学演義(4年)

動的固体力学(後期)
航空宇宙工学特別実験及び演習第一/第二

杉山 文子 ( Fumiko SUGIYAMA )

助教(工学研究科)

研究テーマ

我国の伝統文化の一つである折紙の手法を数理的に洗練することで折りたたみの機能特性や構造強化特性を持つ製品をデザインしています。また、折畳みモデルや、幾何学モデルを用いたエデュテインメント性を持つ教材などの開発を行っています。

連絡先

〒615-8540 京都市西京区京都大学桂
(桂キャンパス Cクラスター) C3棟 c3S03室
TEL: 075-383-3798
E-mail: sugiyama (at) kuaero.kyoto-u.ac.jp

担当科目

学部大学院

航空宇宙工学実験2(3年後期)

航空宇宙工学特別実験及び演習第一/第二

所在地

〒615-8540 京都市西京区京都大学桂
(桂キャンパス Cクラスター) C3棟 c3S01室
TEL: 075-383-3796

研究テーマ紹介

先進複合材料における弾性波伝搬挙動の解析と数値シミュレーション

複合材料における繊維配置は、炭素繊維強化プラスチックス(CFRP)におけるランダムな配置から、金属基複合材料に見られるような規則的に近いものまで多様です。本研究では、異なる繊維配置が弾性波伝搬挙動に及ぼす影響を、固有関数展開/選点法による数値解析法や有限要素解析によって明らかにしています。このようなアプローチは、周期構造による波動伝搬特性制御や、骨などの生体材料組織における超音波伝搬挙動解明の観点からも注目されています。

fig1

金属基複合材料における弾性波伝搬挙動のシミュレーション結果ならびに透過特性に及ぼす繊維配置の影響

高分子系複合材料における超音波減衰挙動の解明

種々の高分子系複合材料に対して超音波減衰挙動の実験的評価を行うとともに、マイクロメカニクスモデルに基づく理論解析を行っています。これらの知見は複合材料の特性を超音波を用いて評価する際の基礎データとなります。また、従来、高分子系マトリックスへの強化材導入は主に剛性・強度向上のために行われてきましたが、本研究によれば、強化材の材質・寸法を適切に選択することにより、超音波周波数領域での減衰(制振)特性を最適化あるいは抑制できる可能性が期待され、各種超音波デバイス用材料設計への応用も見込まれます。

fig1

代表的複合材料に対する超音波減衰係数の実測値と理論計算結果

接触部を有する機械・構造システムの機能・健全性の評価

各種の機械・構造システムにおける接触部・締結部、またコーティング・積層構造などにおける不完全結合部は、界面接触に起因する特徴的な超音波特性を示します。このような超音波特性に基づいて、システムの機能や構造健全性をモニタリングすることが可能となります。そのための学術基盤構築のため、固体同士の接触部における超音波反射・透過特性や界面波伝搬特性を実験的、理論的に調べています。また、近年では各種の輸送機構造やエネルギープラントにおいて、閉じたき裂の検出・評価が重要な課題となっています。本研究では、閉じたき裂のき裂面接触に起因する非線形超音波特性を明らかにすることにより、安心・安全に寄与する新しい非破壊評価技術の確立を目指しています。

fig3

接触界面に沿って伝わる弾性波(界面波)の数値シミュレーション結果

折紙工学に関する研究

折紙は我国の伝統文化の一つであり、小さい頃に折紙に触れなかったものはいないと言っても過言ではありません。しかし、我国では折紙や切紙を伝統的に遊びとして捉え、学術的観点から折紙の本質を解明する努力を怠ってきました。我国の先端技術の一つであるロボット工学は江戸期のからくり技術がその基になると言われます。伝統技術は一見、ローテクのように見えるが、これに学術的な手が加わることで先端技術に変貌する場合が少なくありません。

宇宙工学の分野では、1996年にNASAがSpartan207衛星(レンズアンテナ)を打ち上げました。これはinflatable(膨張/ふうせん)構造からなるものです。今後、宇宙構造はローコスト化実現のため、この構造様式によるものが主流になると言われています。また数年を目処にsolar pressure(光圧)を受けて航行させるlight craft(ソーラーセイル)の打上げが日米欧で計画されています。このソーラーセイルの帆は最終的に100~300m径のものが必要と言われています。これらの構造をロケットの先端部(フェアリング)に効率よく収納し、確実に宇宙空間で展開するためには、優れた折りたたみ収納法の開発が不可避です。このような巨大膜構造の折りたたみと展開方法の難題を解決する手立てが折紙技術に隠されています。

fig4

巻取り型折紙モデル(円錐形状へ転換可能)

ダイアコア: 図に示すコアモデルは、プレス加工された2枚の平板を接合することで作成される新しいコアモデル、ダイアコアの基本モデルを示しています。形状はフレームだけ取り出すとフラーのOctet-trussと同じ構造です。このコアはプレス加工によって従来のコア材料にくらべて容易に製作できるうえ、ハニカムに匹敵する剛性とそれをしのぐ構造安定性を有しています。

fig5

ダイアコア試作パネル

教育用折紙モデルの開発

数理に基づく工学用の折り紙モデルや動植物の形態を模擬した折り紙モデルを数多く開発してきました。これらの研究で定式化した折りたたみの基礎理論とこれに基づき設計された膨大なモデルの蓄積を基本に、エデュテインメント性に富む折り紙教材を開発するとともに、幾何学モデルを教育用に改良して数学教材用のモデルを系統的に構築することを目的として研究を行っています。

fig6