耐熱性インテリジェント構造材料の最適設計に関する基礎的研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11650112
• Research Institution: Shimane University
• Principal Investigator: 芦田 文博 島根大学, 総合理工学部, 教授 (60149961)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 坂田 誠一郎 島根大学, 総合理工学部, 助手 (80325042)
• Keywords: インテリジェント材料 / 圧電セラミックス / 耐熱性構造材料 / 多層複合平板 / 最適設計 / ニューラルネットワーク / 準ニュートン法 / 三次元熱弾性解析

Research Abstract

1.インテリジェント機能の発現に関する研究 1つの耐熱性構造材料層の上に2つの圧電セラミックス層が接着された3層複合平板を対象に,構造材料層に作用した熱負荷に対して適応的に構造材料層の熱弾性変位を制御するインテリジェント機能について研究を行った.このとき,中間の圧電セラミックス層をセンサ,上の圧電セラミックス層をアクチュエータとした.時間変数に関する差分法を用いて理論解析し,順問題の解析解に基づく数値結果をセンサの出力値として数値シミュレーションを行ったところ,構造材料層の熱弾性変位は熱負荷に対して適応的に規定された分布状態に制御されており,3層複合平板モデルでインテリジェント機能を発現できることが示された.また,初期状態から時間がわずかに経過したところでセンサ用圧電セラミックス層の応力状態が圧縮から引張に変り,その付近で誤差がやや大きくなったが,概ね良好な近似精度の差分解が得られた.
2.多層複合平板の最適設計に関する研究 1つの耐熱性構造材料層と多くの圧電セラミックス層で構成された多層複合平板をモデルに,構造材料層に熱負荷が作用した場合に構造材料層の熱弾性変位を直接制御する定常問題について最適設計を行った.最適化には教師データの正規化範囲を狭くした準ニュートン法に基づくニューラルネットワークを用い,引張応力,圧縮応力及びせん断応力に制約条件を設けて,印可電位の最大値を最小化したところ,妥当な設計結果が得られ,複合平板の最適設計法を確立できた.ところで,学習済みニューラルネットワークを利用すると,簡単な積和計算のみで最適解を探索できる.そこで,ニューラルネットワークを適用した多層複合平板の再設計についても検討したところ,初期設計に比べると再設計の計算コストはごくわずかで,再設計が容易なことや,再設計を繰り返すことによって適切な制約条件を決定できること等が明らかになった.

Research Products

• [Publications] F.Ashida: "Inverse Transient Thermoelastie Problem for a Compositc Circular Disk"Journal of Thermal Stresses. 25・5. 431-455 (2002)
• [Publications] F.Ashida: "Transient Plane-Stress Response of a Piezothermoelastic Circular Disk"Journal of Thermal Stresses. 25・7. 627-646 (2002)
• [Publications] F.Ashida: "Analysis of Transient Plane Thermoelastic Field in a Piezoceramic Circular Plate"Theoretical and Applied Mechanics. 51. 259-266 (2002)