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皺の生じた薄膜のスパースモデリング:大型膜構造物の詳細形状推定法の構築に向けて

Research Project

Project/Area Number 23K22914
Project/Area Number (Other) 22H01644 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 23010:Building structures and materials-related
Research InstitutionOsaka Metropolitan University

Principal Investigator

岩佐 貴史  大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (90450717)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 藤垣 元治  福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (40273875)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Keywords大型膜構造 / 皺現象 / 形状推定 / 数値シミュレーション / 画像計測 / 皺 / 膜面宇宙構造物 / 形状計測 / 有限要素解析 / スパースモデリング
Outline of Research at the Start

皺現象は薄膜の局所的な座屈現象であり,皺を含む膜面形状を詳細に把握するには細かい要素分割で作成した解析モデルを必要とし大規模構造になるほど計算コストが高くなるといった課題がある.同様の問題は計測技術でも生じ,膜面の局所的な皺形状を計測するには高解像度の計測が必要となり,膨大な計測データを処理する必要があるため計算コストが高くなる.

このような課題を解決するため,本研究は皺の生じた薄膜の形状を粗い要素分割,或いは粗い計測点間隔でも詳細に求めることができる膜面形状推定法を構築する.これにより,次代の大型膜構造物の実現に必要となる高度な設計・開発・運用支援ツールを整備する.

Outline of Annual Research Achievements

本研究は,「空間分解能の粗い計測点」或いは「粗い有限要素モデル」から皺の生じた薄膜の変形形状を復元する方法論を構築するものである.これにより,膜面形状推定に必要なデータ量を大きく削減し,計算コストを抑えた実用的な膜面形状推定技術の確立を目指す.
今年度は,初年度に確認した皺の形状と膜応力をつなぐ計算式を利用して、粗い要素分割の有限要素解析から皺の形状を復元できるか検討した。対象としたモデルは矩形膜のせん断モデルである.その結果、通常のシェル要素では矩形膜を縦方向80分割、横方向160分割以上の要素がないと皺の形状を再現できない膜モデルが、提案する計算式と張力場膜要素による有限要素法とを組みあわせることで,縦方向3分割横方向4分割の極めて簡素な有限要素モデルでも近似的に皺の断面形状を復元できることを確認した。これらの結果はJAXA宇宙科学研究所が主催する構造材料シンポジウムで報告した。また、矩形膜のせん断モデルを対象に構築した推定法が皺発生直後の現象しか適切に対応できない原因を明らかにした。この成果は次年度開催される構造強度に関する講演会にて発表予定である。
これと並行して薄膜に皺を発生させることができる実験装置を設計し一部製作に取りかかった。次年度以降、計測システムの構築も含め実験環境の整備を行い本格的に粗い計測点から皺の断面形状が復元できるか検証していく予定である。今後の課題としては、矩形膜の引張モデルへの適用性の検証、これまでの研究で明らかとなった計算式の適用範囲を取り除くための理論構築、現状では皺の断面形状しか復元できないといった制約があるため,これを3次元形状の復元へ拡張するための方法論の構築,さらには実験による計測技術への応用である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2022年度の異動に伴う環境変化により当初の予定と比べて進捗が遅れていることを昨年度報告したが、今年度もその影響を完全には取り除くことができなかった。具体的には、粗い有限要素モデルで皺の断面形状を復元できることは確認できたものの対象としたモデルは1つだけであり他のモデルへの適用性等は行うことができていない。また、実験装置の設計に数カ月を要してしまい、結果として実験装置の一部は製作できたものの計測システム(ジグを含む)の構築までを終えることができなかった。これらは今後の課題も含め次年度以降引き続き取り組んでいく。

Strategy for Future Research Activity

実験装置(計測システムを含む)を完成させ、皺の生じた薄膜の計測実験を適切に行える環境を整える。その後、これまで数値シミュレーションで妥当性を確認した「粗い要素分割から皺の断面形状を復元する方法」を計測技術に応用することで、限られた計測点で取得したデータから皺の断面形状を復元できるか検証する。そして皺の断面形状しか推定できていない状況を打開し、3次元形状の復元を可能にする方法論の構築に取りかかる。また、現在の計算式に課されている適用範囲を拡張する方法についても新たな力学モデルの構築を含め検討していき、矩形膜のせん断モデル以外のモデルへの適用性も併せて検証していく予定である。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2023 2022

All Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 1 results)

  • [Presentation] 皺領域内における膜応力の簡易測定法2023

    • Author(s)
      岩佐貴史,摂津大嗣,山野彰夫
    • Organizer
      日本航空宇宙学会・第65回構造強度に関する講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] せん断負荷を受ける矩形膜を対象とした張力場理論による皺の形状推定2023

    • Author(s)
      東島直広,岩佐貴史,山野彰夫
    • Organizer
      宇宙航空研究開発機構・第38回宇宙構造材料シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 限られた地連店計測データによる薄膜の構造物の挙動計測2023

    • Author(s)
      岩佐貴史
    • Organizer
      日本鉄鋼協会・計測制御システム工学部会シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] キャリブレーション不要のステレオ式サンプリングモアレ法による変位計測2023

    • Author(s)
      藤垣元治, ジャンウェイ, 田村葵
    • Organizer
      日本実験力学会2023年度光学的手法分科会研究会・第5回・サンプリングモアレ研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ラインLEDデバイスとシリンドリカルレンズアレイを用いた高輝度格子投影装置の試作2023

    • Author(s)
      藤垣元治, 日比野峻介, 朱思研, Daniel JOSEPH, Wei JIANG
    • Organizer
      日本実験力学会講演論文集(2023年度年次講演会)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 現場で使えるキャリブレーションフリーのステレオ式高精度変位計測手法2023

    • Author(s)
      藤垣元治, Jiang Wei, 田村葵
    • Organizer
      電気学会2023年電子・情報・システム部門大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ステレオ式サンプリングモアレ法による大型構造物の時系列3次元変位計測2023

    • Author(s)
      姜偉, 田村葵, 藤垣元治
    • Organizer
      日本鉄鋼協会2023年秋季(第186回)講演大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Investigation of Table Compression Method Used in 3D Shape Measurement Using Whole-Space Tabulation Method2023

    • Author(s)
      Sone, H., Fujigaki, M.
    • Organizer
      Advanced Technology in Experimental Mechanics and International DIC Society Joint Conference 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of High-Brightness and High-Speed Line LED Device for Three-Dimensional Measurement and Evaluation of Its High-Speed Performance2023

    • Author(s)
      Zhu, S., Hibino, S., Joseph, D., Fujigaki, M.
    • Organizer
      Advanced Technology in Experimental Mechanics and International DIC Society Joint Conference
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Deformation Measurement Method Using Mixed Observed Values Obtained from Phase Difference Distribution2023

    • Author(s)
      Fujigaki, M., Jiang W.
    • Organizer
      Advanced Technology in Experimental Mechanics and International DIC Society Joint Conference 2023 (ATEM-iDICs '23)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of a High Speed Three-Dimensional Measurement Device Using Cylindrical Lens Array2023

    • Author(s)
      Zhu, S., Hibino, S., Fujigaki, M.
    • Organizer
      International Workshop on Advanced Experimental Mechanics for Students and Young Researches 2023 (IWAEM'23)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Prototype of High-brightness Fringe Projector Using Line LED Device and Cylindrical Lens Array2023

    • Author(s)
      Fujigaki, M., Hibino, S., Zhu, S., Joseph, D., Jiang, W.
    • Organizer
      International Conference on Optical and Photonic Engineering (icOPEN 2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of Full Color High Speed Three-Dimensional Measurement Device Using Cylindrical Lens Array2023

    • Author(s)
      Fujigaki, M., Zhu, S.
    • Organizer
      International Symposium on Life Mechatronics 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 皺の形状パラメータ―を用いた膜応力の簡易推定法に関する解析的検討2023

    • Author(s)
      攝津大嗣 ,岩佐貴史
    • Organizer
      日本機械学会関西学生会2022年度学生員卒業研究発表講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Efforts to Property Evaluation of Vegetable Leaf in Hydroponic Cultivation Using Optical Sensing Technique2023

    • Author(s)
      Hibino, S., Jiang, W., Fujigaki, M., Fujino, H.
    • Organizer
      Proceedings of International Symposium on Life Mechatronics
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 単一カメラ画像による膜面の皺の振幅計測2022

    • Author(s)
      岩佐貴史,上田裕也
    • Organizer
      日本航空宇宙学会構造部門第64回構造強度に関する講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 全空間テーブル化手法を用いた3次元計測の黒色表面や金属表面を対象とした精度評価2022

    • Author(s)
      曽根一路, 藤垣元治
    • Organizer
      第27回知能メカトロニクスワークショップ講演論文集
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 三次元計測のための格子パターン投影用シリンドリカルレンズアレイの作成方法の提案2022

    • Author(s)
      日比野峻介, 藤垣元治
    • Organizer
      第27回知能メカトロニクスワークショップ講演論文集
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 実験力学における三次元計測手法の研究と今後の展望2022

    • Author(s)
      藤垣元治
    • Organizer
      日本機械学会 M&M2022材料力学カンファレンス
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 三次元計測のための格子パターン投影用シリンドリカルレンズアレイの作成2022

    • Author(s)
      日比野峻介, 藤垣元治
    • Organizer
      動的画像処理実利用化ワークショップ
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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