ゲルの圧縮横移動時における変位解析とベクトル解析

ゲルの圧縮横移動時における変位解析とベクトル解析

ゲル状物質は、外部から応力を受けた際に複雑な粘弾性挙動を示します。特に圧縮と横移動が同時に発生する動的な変形過程では、内部の歪み分布が不均一になりやすく、そのメカニズムを解明するには時間分解能と空間解像度の双方が不可欠です。本事例では、ハイスピードカメラを用いた可視化と、それに基づくベクトル解析のプロセスを紹介します。

ゲル状物質の動的特性評価において、従来の接触式センサや標準的なビデオカメラでは以下の課題が生じます。

これらの課題を解決するために、ハイスピードカメラ「Phantom」シリーズを用いた高フレームレート撮影と、デジタル画像相関法（DIC）や粒子画像流速計（PIV）のアルゴリズムを用いた画像解析を組み合わせます。

撮影においては、ゲルの表面または内部にトレーサーとなる微細なパターンを付与し、圧縮と横移動が複合的に作用する様子を捉えます。
1,000fpsから10,000fps以上の高速撮影を行うことで、変形開始直後の弾性応答から、その後の粘性流動、あるいは微細な亀裂の進展に至るまで、時間軸に沿った連続的なデータ取得が可能になります。

得られた画像群に対してベクトル解析を行うことで、各サンプリング点における移動量と移動方向を算出します。

変位解析：基準フレームからの各ピクセルの移動距離を算出し、全体系の変形を定量化します。

ベクトル解析：局所的な移動速度と方向を矢印（ベクトル）で可視化し、応力集中部位や回転成分の有無を確認します。

ひずみ分布の算出：変位データから微分計算によりひずみを導出し、ゲル内部の力学的な不均一性をマッピングします。

このような画像ベースの非接触計測は、材料開発における数値シミュレーション（CAE）の妥当性検証（バリデーション）において極めて有効な手段となります。
実測値としてのベクトルデータを提供することで、モデルの精度向上に直結する知見を得ることが可能です。