[論文レビュー] Computational up-scaling of anisotropic swelling and mechanical behavior of hierarchical cellular material

Ahmad Rafsanjani, Dominique Derome+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Composite Material Mechanics参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、個々の木材細胞を周期的境界条件を満たすへきん形単位細胞としてモデル化することで、ソフトウッドの異方性の膨張および機械的挙動を予測する二尺度計算均質化モデルを開発した。この手法により、薄肉の早期材細胞における直交異方性の膨張が異方性の膨張を引き起こすのに対し、厚肉の後期材細胞では細胞壁の性質における異方性が低減されるため、等方性の膨張を示すことが明らかになった。予測結果は実験データと整合していた。

ABSTRACT

The hygro-mechanical behavior of a hierarchical cellular material, i.e. growth rings of softwood is investigated using a two-scale micro-mechanics model based on a computational homogenization technique. The lower scale considers the individual wood cells of varying geometry and dimensions. Honeycomb unit cells with periodic boundary conditions are utilized to calculate the mechanical properties and swelling coefficients of wood cells. Using the cellular scale results, the anisotropy in mechanical and swelling behavior of a growth ring in transverse directions is investigated. Predicted results are found to be comparable to experimental data. It is found that the orthotropic swelling properties of the cell wall in thin-walled earlywood cells produce anisotropic swelling behavior while, in thick latewood cells, this anisotropy vanishes. The proposed approach provides the ability to consider the complex microstructure when predicting the effective mechanical and swelling properties of softwood.

研究の動機と目的

• ソフトウッドのような階層的セルラー材料の水分・機械的挙動を理解すること、特に膨張および機械的異方性に焦点を当てる。
• 複雑な階層的マイクロ構造を有する材料における有効な機械的および膨張特性を予測する課題に取り組む。
• 微細構造の詳細を捉えながらも、マクロスケールの予測を可能にする計算フレームワークを構築すること。
• 細胞の幾何形状および壁の異方性の変動が、ソフトウッドにおける全体的な材料応答に与える影響を調査すること。

提案手法

• 二尺度のマイクロメカニクスモデルを用い、微小スケールではヘキサゴナル単位細胞を用いて個々の木材細胞を解析する。
• 木材細胞の代表体積要素（RVE）に周期的境界条件を適用し、有効な機械的および膨張特性を計算する。
• 薄肉の早期材細胞における方向依存の膨張挙動を捉えるために、細胞壁の異方性を明示的にモデル化する。
• 微小スケールで得られた均質化特性をアップスケーリングし、横方向の成長輪の挙動を予測する。
• 計算による均質化を用いて、細胞の幾何形状、壁材料の異方性、および膨張係数を統合し、現実の水分・機械的応答を再現する。
• 微小スケールの細胞レベル挙動からマクロスケールの成長輪応答へと橋渡しを行うために、計算的均質化を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 早期材細胞の細胞壁における異方性の膨張が、ソフトウッド全体の膨張挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 細胞壁の厚さが、木材における膨張および機械的応答の異方性をどのように調節するか？
• RQ3 二尺度の計算的均質化モデルが、ソフトウッドのような階層的セルラー材料の水分・機械的挙動をどれほど正確に予測できるか？
• RQ4 木材細胞の微細構造的幾何形状が、成長輪スケールにおける有効な機械的および膨張特性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 現実の細胞レベルのパrameterを用いて、モデルが実験的に観察されたソフトウッドの膨張異方性を再現できるか？

主な発見

• 本モデルは、薄肉の早期材細胞における直交異方性の膨張挙動を捉えることで、ソフトウッドにおける異方性の膨張を成功裏に予測した。
• 厚肉の後期材細胞では、細胞壁の異方性の影響が低減されるため、膨張挙動の異方性が減少する。
• 予測された機械的および膨張特性は、実験データと良好に一致しており、計算手法の妥当性が裏付けられた。
• ヘキサゴナル単位細胞の表現は、個々の木材細胞の有効な剛性および膨張係数を効果的に捉えていた。
• 二尺度均質化技術により、細胞レベルのマイクロ構造から成長輪スケールの挙動への正確なアップスケーリングが可能となった。
• 本研究では、細胞壁の異方性や幾何形状といった微細構造的詳細が、マクロスケールの水分・機械的性能予測において極めて重要であることが示された。