Mg合金材料の宇宙環境適応構造物への展開

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11225206
• Research Institution: TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY
• Principal Investigator: 古谷 寛 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (00190166)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小木曽 望 大阪府立大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (70295715) ; 松永 三郎 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (00222307)
• Keywords: マグネシウム合金 / 宇宙システム / 環境最適設計 / 複合領域最適設計 / 人工衛星 / 信頼性設計 / 進化的最適化

Research Abstract

軽量・高比強度・高比剛性・高ダンピング性を有するマグネシウム合金材料の宇宙空間を含む広範な応用展開のための軽量構造最適設計の研究と、マグネシウム合金を構造物に適用する際に要求される特性を明らかにすることを目的とし、前年度に引き続き下記の研究課題を実施した。
1.マグネシウム合金翼の超音速フラッタ特性の向上を目的とした最小重量設計ならびに超音速フラッタ限界動圧の向上を実現するための多目的構造最適化手法を感度解析とESO法をベースとして提案し、得られた最適構造解の特性を明らかにした。この結果、フラッタ限界動圧を制約条件とした構造質量の最小化アルゴリズムを用いることにより、同時最適化が実現できることを示した。また、Mg合金を平板翼構造に適用して最適設計することにより、ほぼ比剛性に比例した最適化が可能になることが示された。
2.小型宇宙システムに対してMg合金を実際に使用し、その有効性について検討した。具体的には、1辺10cmの立方体形状、質量1kgに厳しく制限されている超小型衛星CubeSatの開発過程で問題となった質量削減要求に際して、荷重・熱環境を考慮してアルミ合金製部品を再設計し、マグネシウム合金部材に置き換えることで、制約条件を満足できた。同様に、打上げ時に開発を要求された分離機構本体固定部品をMg合金に変更し、質量削減要求に答えることができた。また、質量削減効果だけでなく、CubeSatの振動試験結果より、Mg合金を使用している個所の大幅な振動振幅低減がなされていることを見出した。その効果を利用して、共振個所の部材をMg.合金で置換・補強することで、打上げ時振動環境に耐えうるよう設計製作できる可能性を示した。
3.Mg合金材料を用いた構造物の信頼性を考慮した設計手法の開発を行うために、マグネシウム合金パネルの固有振動数に対する信頼性解析にFORM法を適用し、剛性の変動と構造寸法の影響を考慮した最適設計手法を提案し、その有効性を数値解析により明らかにした。

Research Products

• [Publications] H.Furuya, I.Fukuchi: "Simultaneous Optimization of Plate Wing on Supersonic Flutter Characteristics and Structural Mass"CD-ROM Proc. 43rd AIAA Structures, Structural Dynamics and Material Conference. AIAA 2002-1482. 1-6 (2002)
• [Publications] S.Ozawa, H.Furuya: "Feedback Linearization Technique in Variable Inertia Systems"Transactions of The Japan Society for Aeronautical and Space Sciences. Vol.45,No.147. 1-9 (2002)
• [Publications] H.Furuya, A.Kobori: "Experiments on Vibration Suppression of Flexible Beams with Adaptive Gyroscopic System"International Symposium on Space Technology and Science (ISTS). 2000-c-37. 1-4 (2002)
• [Publications] 仙場淳彦, 古谷 寛: "適応型ジャイロシステムを応用した感度解析に基づく構造同定"日本航空宇宙学会第44回構造強度に関する講演会. 1A13. 36-38 (2002)
• [Publications] 福地勲男, 古谷 寛: "平板翼の超音速フラッタ特性を考慮した構造最適解の力学特性"日本航空宇宙学会第44回構造強度に関する講演会. 3A6. 226-228 (2002)
• [Publications] H.Furuya, I.Fukuchi, N.Kogiso: "Evolutionary Optimization for Simultaneous Design on Supersonic Flutter and Structural Mass"CD-ROM Proc. 9th AIAA/NASA/USAF/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. AIAA2002-5659. 1-6 (2002)
• [Publications] 古谷寛, 福地勲男: "超音速フラッタ特性と構造質量を同時に考慮した平板翼の多目的複合領域構造最適化"日本機械学会最適化シンポジウム. 225. 333-338 (2002)
• [Publications] Hiroshi FURUYA, Atsuhiko SENBA: "Conceptual Study on Gyroscopic Damper System for Structural Identification"IAC-02-I.4.06, 53rd International Astronautical Federation(IAF). 1-7 (2002)
• [Publications] 古谷寛, 福地勲男: "超音速フラッタ特性と構造質量を考慮した平板翼構造の同時最適化のための最適化アルゴリズム"日本機械学会第15回計算力学講演会. 49-50 (2002)
• [Publications] Hiroshi FURUYA, Isao FUKUCHI: "Multi-objective Optimization of Aeroelastic Plate Wing by Evolutionary Optimization Algorithms"The 2nd China-Japan-Korea Joint Symposium on Optimization of Structural and Mechanical Systems (CJK-OSM2). TS22-2. 657-662 (2002)
• [Publications] H.Furuya, S.Matunaga, N.Kogiso: "Requirements and Feasibility of Magnesium Alloys for Aerospace Applications"2nd International Conference on Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloys, PSTAM2003. 261-264 (2003)
• [Publications] H.Furuya, I.Fukuchi, N.Kogiso, S.Matunaga: "Optimum Design of Plate Wing With Magnesium Alloys on Supersonic Flutter Characteristics and Structural Mass"2nd International Conference on Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloys, PSTAM2003. 207-212 (2003)
• [Publications] 松永三郎: "小型衛星用ドッキング機構の落下塔を用いた機能試験"北海道マイクログラビティ研究会ニュースレター. No.25. 3-3 (2002)
• [Publications] 松永三郎: "宇宙用ロボットおよび宇宙用機構の微小重力実験"日本マイクログラビティ応用学会誌. Vol.19. 101-105 (2002)
• [Publications] 松永三郎, 宇井恭一, 中谷幸司, 宮下直己, 居相政史: "小型親子衛星用ドッキング機構の子衛星把持機能実証実験"無重力技術高度利用研究開発委員会報告書,財団法人北海道科学技術総合振興センター,無重力技術高度利用研究開発委員会. 101-120 (2002)
• [Publications] 松永三郎, 古谷 寛, 小木曽 望: "マグネシウムの超小型衛星への応用実例と課題"日本金属学会講演概要(2002年春季大会)S2-23. 77-77 (2002)
• [Publications] K.Ui, K.Nakaya, H.Sawada, N.Miyashita, M.Iai, S.Matunaga: "Small Docking Mechanism with Grasping and Guiding Function for Small Mothership-Daughtership Satellite"23^<rd> International Symposium on Space Technology and Science. 1-6 (2002)
• [Publications] H.Sawada, K.Konoue, K.Nakaya, K.UI, R.Hodoshima, N.Maeda, H.Okada, N.Miyashita, M.Iai, S.Matunaga: "TITech CubeSat Project and Development of CUTE-I"23rd International Symposium on Space Technology and Science. 1-6 (2002)
• [Publications] T.Urabe, K.Nagahama, N.Yamaguchi, M.Iai, N.Miyashita, H.Okada, H.Sawada, K.Ui, S.Matunaga: "Titech ARLISS Project 2001 and Autonomous Flying Experiment"23rd International Symposium on Space Technology and Science. 1-6 (2002)
• [Publications] 澤田弘崇, 松永三郎: "東京工業大学CUTE-Iフライトモデル"第44回構造強度に関する講演会講演集. 3A7. 229-231 (2002)
• [Publications] 松永三郎, 古谷 寛, 澤田弘崇: "小型宇宙システムへのマグネシウム合金の適用効果"黄44回構造強度に開する講演会講演集. 3A8. 232-234 (2002)
• [Publications] S.Matunaga, K.Ui, K.Nakaya, N.Miyashita, M.Iai: "Docking Mechanism for Mothership-Daughtership Nano-Satellite : Microgravity experiments to verify grasping and guiding functions"Proc.12th Workshop on Astrodynamics and Flight Mechanics, ISAS. 1-4 (2002)
• [Publications] K.Ui, K.Nakaya, H.Sawada, N.Miyashita, M.Iai, S.Matunaga: "Small Docking Mechanism for Small Mothership-Daughtership Satellite : On-Ground Experiments"ACMD'02, the First Asian Conference on Multibody Dynamics 2002 JSME. F-6-3-1No.02-202. 558-563 (2002)
• [Publications] 澤田弘崇, 此上一也, 中谷幸司, 宇井恭一, 岡田英人, 宮下直己, 松永三郎: "超小型衛星CUTE-I Flight Modelの開発と最終地上試験"日本機械学会2002年度年次大会講演論文集(I). No.02-1. 325-326 (2002)
• [Publications] H.Okada, N.Miyashita, T.Urabe, M.Kashiwa, T.Tatsukawa, M.Yamaguchi, K.Omagari, I.Morita, K.Konoue, K.Nakaya, H.Sawada, K.Ui, S.Matunaga: "Tokyo Institute of Technology Small Satellite Projects"2002 University Space Systems Symposium. 1-2 (2002)
• [Publications] 松永三郎, 宇井恭一, 中谷幸司, 宮下直己, 居相政史: "小型親子衛星用ドッキング機構の無重力把持機能実験"日本マイクログラビティ応用学会誌. Vol.20. 30-36 (2003)
• [Publications] S.Matunaga, H.Sawada, H.Furuya, N.Kogiso: "Lessons Learned from Small Space Systems Development Using Magnesium Alloys"Magnesium Alloys 2003, Materials Science Forum, Trans Tech Publications, Proc. of the 2nd Osaka Int.Conf. on Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloys 2003 (PSTAM2003). Vols.419-422. 219-224 (2003)
• [Publications] 小木曽, 中川, 室津: "複合材料積層板の信頼性解析へのトンネル法の適用"材料. Vol.51No.1. 74-79 (2002)
• [Publications] N.Kogiso, S.Nakagawa, Y.Murotsu: "Application of Tunneling Algorithm to Reliability Analysis of Laminated Composite Plate"Materials Science Research International. Vol.9No.3. 93-100 (2002)
• [Publications] 小木曽, 古谷, 松永: "マグネシウムによる構造物の信頼性と最適設計"日本金属学会2002年春期(第130回)大会講演論文集S2-24. 77-77 (2002)
• [Publications] 小木曽, 内海, 室津: "低レイノルズ数域で作動するプロペラブレードの形状最適化"日本航空宇宙学会論文集. Vol.50,No.586. 458-465 (2002)
• [Publications] 小木曽, 中川, 室津: "複合材料積層板の信頼性に基づく最適設計への積層パラメータの適用"日本機械学会論文集A編. Vol.68,No.676. 1716-1723 (2002)
• [Publications] N.Kogiso, S.Nakagawa, Y.Murotsu: "Reliability-Based Opimization of Symmetric Laminated Composite Plate Using Lamination Parameters Proc"10th IFIP WG 7.5 Working Conference on Optimization and Reliability of Structural Systems. 157-165 (2002)
• [Publications] 小木曽, 橋本, 泉: "ステレオ視による複数個物体の実時間運動追跡と位置姿勢予測"日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会CD-ROM予稿集. 2A1-I06. (2002)
• [Publications] 小木曽, 中川: "複合材料積層板の信頼性に基づく最適設計への応答曲面法の適用"日本航空宇宙学会・日本機械学会第44回構造強度に関する講演会講演論文集. 11-213 (2002)
• [Publications] N.Kogiso, S.Nakagawa, Y.Murotsu: "Lamination Parameters Applied to Reliability-Based Optimization of Composite Plate"CD-ROM Proc 9th AIAA Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. AIAA 2002-5562. 1-10 (2002)
• [Publications] N.Kogiso, S.Nakagawa, Y.Murotsu: "Application of Response Surface Method to Reliability-Based Optimization of Laminated Composite Plate Subject to In-Plane Strength"Proc. Workshop on Reliability-Based Design and Optimisation : RBO' 02. 166-173 (2002)
• [Publications] 小木曽, 中川: "応答曲面を利用した複合材料の面内強度に関する信頼性に基づく最適設計"日本機械学会第5回最適化シンポジウム講演論文集. 345-350 (2002)
• [Publications] N.Kogiso, S.Nakagawa, K.Higashi, Y.Murotsu: "Response Surface Approximation in Lamination Parameter Space for Reliability-Based Optimization of Laminated Composite Plate, Proc"Second China-Japan-Korea Joint Symposium on Optimization of Structural and Mechanical Systems. 761-766 (2002)
• [Publications] N.Kogiso, S.Matunaga, H.Furuya: "Reliability and Optimum Design of Structures with Magnesium Alloys, Proc"Second Osaka Int.Conf. on Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloys. 213-218 (2003)