航空宇宙機用複合材構造の効率的最適化法の研究

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 05650932
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 福永 久雄 東北大学, 工学部, 助教授 (50134664)
• Keywords: 複合材構造 / 積層材 / 最適設計 / 積層パラメータ / 座屈 / 近似法 / 形状最適化 / 遺伝的アルゴリズム

Research Abstract

本研究では,複合材料の異方性を積極的に利用するために,数理計画法等の最適化手法を用いて航空宇宙機用複合材構造の効率的最適設計法を発展させることを目的とした。本研究により得られた主要な成果は以下の通りである。
1.航空宇宙機翼外板あるいは桁ウェブで使用される対称積層板を対象に,圧縮あるいはせん断荷重下での座屈特性を明らかにするとともに,座屈特性に関する最適化を行った。設計変数として4個の面外積層パラメータを用いることにより,あらゆる積層構成を考慮した最適化を行う手法を確立するとともに,積層板の座屈特性の最適化により大幅な軽量化が達成できることを明らかにした。
2.大規模な複合材構造の効率的最適化のために,積層パラメータを中間的設計変数に用いて,精度よい近似最適化問題を作成する手法を開発した。本手法を面内力を受ける最小重量設計問題および振動数制約を受ける最小重量設計問題に適用し,10回迄の有限要素法解析で最適解が得られた。
3.繊維角・層厚に加え構造形状を最適化する効率的最適化手法を提案した。本手法は,ひずみエネルギ最小化基準に基づく繊維角と層厚決定手法,並びに,古典的最適性規準法とを組合せた手法であり,10回程度の有限要素法解析で最適な形状,繊維角および板厚分布が得られた。
4.遺伝的アルゴリズムによる積層材の各層の繊維角決定法を提案し,面内および面外の弾性係数の要求条件を満たす積層構成を求めた。

Research Products

• [Publications] 福永 久雄: "対称積層板の圧縮座屈特性に及ぼす曲げ・ねじりカップリング効果" 日本機械学会論文集(A編). 59. 2343-2349 (1993)
• [Publications] H.Fukunaga: "Optimum Design of Composite Structures for Shape,Layer Angle and Layer Thickness Distributions" J.Composite Materials. 27. 1479-1492 (1993)
• [Publications] H.Fukunaga: "Stiffness Design of Symmetric Laminates with Coupling" Proc.6th Japan-US Conf.Comp.Mater.6. 625-633 (1993)
• [Publications] 佐藤 正喜: "対称積層板の組合せ荷重下の座屈特性最適化" 日本機械学会論文集(A編). 60(印刷中). (1994)
• [Publications] H.Fukunaga: "A Laminate Design for Elastic Properties of Symmetric Laminates with Extension-Shear or Bending-Twisting Coupling" J.Composite Materials. 28(in press). (1994)
• [Publications] H.Fukunaga: "Simultaneous Optimization of Shape and Laminate Configurations of Laminated Panels under Multiple Loadings" Advanced Composite Materials. 4(in press). (1994)