仮想クラドニ法を含むCFRP積層構造要素の動的解析法
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21K03957
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | Yamato University |
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Principal Investigator |
成田 吉弘 大和大学, 理工学部, 教授 (00137407)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
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| Keywords | 複合材料 / 積層構造 / 振動解析 / 最適設計 / クラドニ法 / CFRP複合材料 / 面内振動 / 組合せ問題 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，種々の形状と境界条件を持つCFRP積層構造板の面内振動に対して，「任意の境界条件を持つ積層長方形板を解析するエネルギー法」を座標変換を用いて拡張する．これにより一般形状(平行四辺形，台形，円形，有孔円板，扇型板)の積層板の面内振動の解法を確立し，数値計算により精度と有効性を示す．以上は，複数の海外専門誌に投稿され，全体像は，総説として日本機械学会のMech. Eng. Reviewsに投稿，さらにモノグラフ「In-plane Vibration of Plates」の出版をする．実験クラドニ法の概念は，計算機上の仮想空間にアルゴリズムと板の面内振動への適用事例を実現する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和3年度は，申請タイトルの基礎的な部分である「複雑な積層構成とそれに伴う機械特性を考慮した構造要素の高精度な解析法」開発の可能性を研究した．このためリッツ法を拡張して，任意の境界条件を組み合わせた対称積層板の面内振動を対象として，とくに実質的に異なる境界条件の組合せ(板を面内や面外に回転すると同じ特性となる場合を除外した組合せ)を算出する組合せ論を適用した．この成果は，海外専門誌(Thin-walled Structures)に1編掲載された[研究成果の雑誌論文.1参照]．さらに領域ごとに異なる繊維配向角度を持つ積層板の曲げ振動について，振動解析方法を開発して適用事例を計算し，その有効性を示した研究成果が専門誌(Composite Structures)に1編掲載された[論文.2]．さらに小さな曲率を持つ偏平シェルの固有振動数について，高精度なデザインデータとしてまとめ報告している[論文.3]．また混合境界条件を有する積層板の面内振動の方法を開発して，2021年の日本機械学会D&D2021講演会に発表した．
以上に加えて申請タイトルにある「仮想クラドニ法」の基礎概念を検討した．実験的なクラドニ法では細かい砂が振動により変位がゼロとなる節線に移動する．これを仮想的に実現するため，1個の粒子が振動変位の一次微分(傾斜)方向に移動すると考え，連続体の変位からグラディエント(傾斜一次微分ベクトル)を計算する手順を検討した．その概念の検証のため，比較的に簡単な解が仮定できる周辺単純支持された長方形版をモデルとして，アルゴリズムを作成している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究費の受領に先立ち，その開始(2121.4)前の3年間に蓄積されていた研究成果が研究の進捗に寄与している．なお，この3年間はJICA高等教育専門家としてインドネシアの大学運営の指導目的で勤務していため，週末に研究を続けていた．その基礎の上，令和3年度は申請タイトルの基礎的な部分である積層構造要素の高精度な面内と曲げの振動解析法については，任意の境界条件を組み合わせた対称積層板の面内振動に関して，研究成果を海外専門誌(IF=4.442のThin-walled Structures)に1編掲載した．また領域ごとに異なる繊維配向角度を持つBlended layer積層板の曲げ振動について，振動解析方法開発して適用事例を計算して，その有効性を示した研究成果を専門誌(IF=5.407のComposite Structures)に1編掲載した．他に，偏平シェルの固有振動数のデザインデータ的な論文を報告している．また，この分野で国内の中心的な発表の場である2021年の機械学会D&D2021講演会にも成果発表した．このように研究成果として最も重要な，高いImpact factorを持つ世界的な専門誌に投稿と掲載を継続しており，本研究テーマに関する研究は，おおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，理論面では混合境界条件を有する積層板，内部に開口部を有する積層板の面内振動解析法を完成させて，計算プログラムを製作する．その数値実験を行い，海外専門誌に投稿を行う．近年は機械振動分野において，日本から国際一流専門誌への論文投稿数が減少する中，欧米と，中国や韓国など他のアジア諸国の研究グループに対抗したい．
また振動モードに関連して，本申請テーマにもある仮想クラドニ法の基礎概念の検討を進めて，次年度終盤までに成果をまとめたい．実験的なクラドニ法では細かい砂が振動により変位がゼロとなる節線に移動する．これを仮想的に実現するため，1個の粒子が振動変位の一次微分(傾斜)方向に移動すると考え，連続体の変位からグラディエント(傾斜一次微分ベクトル)を計算する手順を開発する．概念の検証のため，比較的に簡単な解が仮定できる周辺単純支持された長方形版をモデルとして，アルゴリズムを作成する．これらのプログラムをコードしたのち，与えられた加振振動数に対応する変位モードについて，特定回数の反復後に得られる粒子(例えば100個程度)の散布図を，効果的に表示する方法を検討する．これについては未だ，最終的に市販のグラフィックソフトウェアを活用するか，あるいは自作によるソフト開発になるかは未定であるものの具体的な成果を獲得する．このように次年度は，本概要の前半に説明した基礎的な解析方法の開発と，後半の仮想クラドニ法の研究とを統合化していく．
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
