2018 Fiscal Year Research-status Report
Optimum Design Considering Risk Scenario Based on Resilience Engineering for Smart Structural Systems
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18K18812
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
小木曽 望 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70295715)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | 最適設計 / レジリエンス工学 / スマート構造システム / リスクシナリオ / 不確定性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レジリエンス工学は，事故や災害への対策には「想定外に対処する」ことが必要という立場から，防災の分野で普及してきた概念である．そこでは安全余裕だけでなく，リスクに対してシステムが柔軟に対応すること，想定外の大きな環境変化に対して機能劣化が緩やかであることなどの基本特性である．平たく言えば，信頼性，ロバスト性，冗長性に，適応的な機能分担を統合した考え方である．そこで，本研究では，航空宇宙で用いるスマート構造として，申請者がこれまでに取り組んでいるモーフィング翼と宇宙スマートリフレクターを主な対象として，目的に関連する下記の研究を行った．
想定外の環境変化を模擬するとき，事例の少なさの影響を考慮する必要がある．そこで，宇宙で用いる半導体シングルイベント事象を例に，サンプル数不足に起因する不確定性である統計的不確定性の影響を考慮する手法を確立した．
ロバスト性と冗長性に関連して，モーフィング翼を例として，モーフィング変形をさせる入力荷重であるアクチュエータの一部が故障しても，モーフィング機能が「ある程度」回復できるようにするための方策を提案した．これについてはまだ考察が不十分ではあるが，冗長性と適応的な機能分担とを組み合わせることの有用性を示すことができる目途を立てることができた．詳細な考察は次年度に行うこととする．
宇宙スマートリフレクターの主要部品である変位拡大機構については，機能劣化を緩やかにすることを目的とした多目的最適設計問題として定式化した．数値計算例を通して，その効果を明確にすることができる目途を立てることができた．しかし，多様なパレート解候補から実験に用いる候補の確定までは進めることができていないため，次年度に行うこととする．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2019年度は，航空宇宙に関する3つの設計例を対象として研究を進めてきた．
半導体シングルイベント事象を例に，ベイズ統計学手法に基づいて，統計的不確定性の影響を評価する手法を確立した．この課題については概ね予定通りに進めることができたが，以下の2つのテーマに関しては，予定より遅れることとなった．以下にその状況を示す．
モーフィング翼に対して「安全確保のリスクシナリオ構築」のうち，アクチュエータの一部が故障した場合の機能回復シナリオの構築を行った．レジリエンスを確保するには，冗長性と適応的な機能分担との組み合わせが必要となることまでは明らかにできた．その有用性を最大化するために，最適設計問題の定式化を行う必要がある．ただし，その前に，機能および考慮する環境の不確定性の絞り込みが必要となる．その不確定性モデル構築に，当初想定していなかった問題があることがわかった．その結果，最適設計問題の定式化が遅れてしまうこととなった．
変位拡大機構は，リフレクターを変形させる入力変形量を確保するために，アクチュエータの変形量を拡大する機械部品であり，振動数制約と強度制約を満たす必要がある．これまでの研究成果から形状は一つに定まると考えていたが，大域的最適解を求める手法を採用したところ，これまでと大きく異なる形状でも性能が確保でき，さらに機能劣化を緩やかにできる可能性もあることがわかった．そちらへの考察を進めるために，環境の変動に関する考察を次年度に回すこととした．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終目標は，スマート構造システムに対して「暴走したらどうするか？」という懸念に対して，「○○と△△を考慮すれば，リスクと合理的にうまくつきあうことができるようになる」という回答を示すために，レジリエンス工学に基づくスマート構造の最適設計法を構築することである．
変位拡大機構に対して，これまでとは異なる最適形態についての考察を進めて，まずは遅れを取り戻すとともに，従来よりもレジリエンスの高い設計解を求める．そして，検証試験を行うための試作部品の設計を進める，この段階では過去の経験を活かし，寸法の不確定性に対する統計的不確定性の影響も考察する．これにより，半導体シングルイベントで構築した手法の検証も進める．
モーフィング翼に対しては，まずは2018年度に構築したアクチュエータの一部が故障した場合の機能回復シナリオの高度化を進め，冗長性と適応的な機能分担との組み合わせ効果を明確にする．その後，空力荷重の変動の影響を最適設計問題に取り入れる．そのために，計算効率と計算精度を考え，変動をモデル化する確率モデルに確率過程を採用する．そして，機能回復のためのアクチュエー配置に空力荷重の変動がおよぼす影響を定量的に評価する．
これらを統括して，レジリエンス工学に基づく設計法の有効性をまとめ，スマート構造システム以外の設計問題へ展開する可能性を探る．
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| Causes of Carryover |
残額は41,314円であり，今年度の予算額110万円に対しては5%以下である．
宇宙アンテナに対して，想定外環境におけるシステム機能劣化の緩和に対するリスクシナリオ構築や，環境条件が戻った時の機能回復に対するリスクシナリオ構築に役立てるために，当初の計画には入っていなかった宇宙アンテナに関する国際会議に参加した．その旅費捻出のために，予定していた高性能ワークステーションの並列処理機能を犠牲にした．その際，想定したよりも高スペックのワークステーションが予想よりも低価格で購入できたために残額が生じた．
この残額は，次年度に計画している「スマート構造システムの消耗品」購入に利用する．
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