[論文レビュー] The key to the enhanced performance of slab-like topologically interlocked structures with non-planar blocks

Ioannis Koureas, Mohit Pundir+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2023

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、波状面を有する非平面的ブロックを備えたスラブ型トポロジカルインターロック構造（TIS）が、現実的な摩擦係数（µ = 0.23）のもとで飽和したピーク荷重および破壊に至る仕事（work-to-failure）を達成できることを示している。これは、平面的ブロックでは不切実に高いµを要するのとは対照的である。主なメカニズムは、ヒンジ部における局所的傾斜角であり、これは延性破壊を可能にし、ピーク荷重に比して非線形に増加する破壊に至る仕事のスケーリングを実現することで、エネルギー吸収能力と最終たわみ量を顕著に向上させる。

ABSTRACT

Topologically interlocked structures are assemblies of interlocking blocks that hold together solely through contact. Such structures have been shown to exhibit high strength, energy dissipation, and crack arrest properties. Recent studies on topologically interlocked structures have shown that both the peak strength and work-to-failure saturate with increasing friction coefficient. However, this saturated structural response is only achievable with nonphysically high values of the friction coefficient. For beam-like topologically interlocked structures, non-planar blocks provide an alternate approach to reach similar structural response with friction properties of commonly used materials. It remains unknown whether non-planar blocks have similar effects for slab-like assemblies, and what the achievable structural properties are. Here, we consider slab-like topologically interlocked structures and show, using numerical simulations, that non-planar blocks with wave-like surfaces allow for saturated response capacity of the structure with a realistic friction coefficient. We further demonstrate that non-planar morphologies cause a non-linear scaling of the work-to-failure with peak strength and result in significant improvements of the work-to-failure and ultimate deflection - values that cannot be attained with planar-faced blocks. Finally, we show that the key morphology parameter responsible for the enhanced performance of non-planar blocks with wave-like surfaces is the local angle of inclination at the hinging points of the loaded block. These findings shed new light on topologically interlocked structures with non-planar blocks, allowing for a better understanding of their strengths and energy absorption.

研究の動機と目的

• 非平面的ブロックが、現実的な摩擦係数（µ = 0.23）のもとで、スラブ型トポロジカルインターロック構造（TIS）の未開発の破壊に至る仕事の潜在能力を解き放てるかどうかを調査すること。
• 非平面的形状のブロックが、平面的面を有するブロックと比較して、より延性的な破壊モードを示すかどうかを特定すること。
• 非平面的TISにおける機械的性能向上を支配する主要な幾何学的パラメータを同定すること。
• 非平面的TISにおけるピーク荷重と破壊に至る仕事のスケーリング関係を定量し、平面的TISで観察される線形スケーリングと比較すること。

提案手法

• 静的荷重下におけるスラブ型TISをシミュレーションするための有限要素解析を用いた数値的シミュレーション。
• 機械的応答に与える影響を評価するため、波の振幅（A）、振動数（n）、平均界面傾斜角（θ）を体系的に変化させる。
• 平面的面と非平面的ブロックの間で、荷重-たわみ挙動、ピーク荷重（Fmax）、破壊に至る仕事（U）、最終たわみ（δ）を比較する。
• 荷重伝達の非対称性と構造的安定性を理解するため、応力および接触力分布を分析する。
• ヒンジ接触領域における局所的傾斜角を、主要な形態的パラメータとして評価する。
• 異なる構造スケール間での比較を可能にするために、正規化されたパラメータ（Fy/(E·h⁴/L²) および δ/h）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スラブ型TISにおける非平面的ブロックは、現実的な摩擦係数（µ = 0.23）のもとで、平面的ブロックが不切実に高いµ（例：µ = 7.0）を要するのとは異なり、飽和した構造的応答（ピーク荷重および破壊に至る仕事）を達成できるか？
• RQ2 非平面的TISの破壊モードは、平面的TISとどのように異なり、より高い延性性および破壊に至る仕事の向上を可能にするか？
• RQ3 波状面を持つ非平面的ブロックの性能向上を支配する主要な幾何学的パラメータは何か？
• RQ4 非平面的TISにおいて、ピーク荷重と破壊に至る仕事のスケーリング関係は線形から逸脱するか？もしそうならば、その挙動はいかなるものか？
• RQ5 ヒンジ部における局所的傾斜角は、非平面的TISにおける荷重伝達および構造的安定性にどのように影響するか？

主な発見

• 非平面的波状面ブロックは、現実的な摩擦係数（µ = 0.23）のもとで、ピーク荷重および破壊に至る仕事の飽和を実現でき、平面的ブロックが要請する不切実に高いµ値（例：µ = 7.0）を回避できる。
• 非平面的TISにおける破壊に至る仕事はピーク荷重に対して非線形に増加する（非線形スケーリング）ため、平面的TISで観察される線形スケーリングと比較して、顕著に高いエネルギー吸収能力を示す。
• 非平面的TISにおける最終たわみはδ/h ≈ 2.0に達し、同じ条件下で平面的TISの理論的上限δ/h = 3を超えることから、従来未開発であった性能ポテンシャルにアクセスできることを示している。
• ヒンジ接触領域における局所的傾斜角が、性能向上を支配する主要な形態的パラメータである。これは、非対称な荷重伝達を誘発し、主な荷重伝達経路における構造剛性を増加させる。
• 非平面的TISにおける応力および接触力分布は、非対称な荷重伝達を示しており、yz平面における圧縮応力が高くなる傾向にあり、より剛性の高い荷重伝達経路が形成され、構造的レジリエンスが向上していることを示している。
• 高変位域において、ブロックの回転に伴い接触点が減少するため、数値的アーチファクトが荷重-たわみ曲線に観察されたが、振幅および振動数の増加に伴い破壊に至る仕事が増加する傾向は一貫しており、全体的なトレンドに影響を与えない。