2020 Fiscal Year Research-status Report
極限環境での回転計測システム提案とマルチボディダイナミクスによる運動解析と最適化
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19K04277
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
菅原 佳城 青山学院大学, 理工学部, 准教授 (10422320)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武田 真和 青山学院大学, 理工学部, 助教 (40845640)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 柔軟マルチボディダイナミクス / 接触 / ノンスムース / スティックスリップ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究対象に対し柔軟な梁が偏芯カムに接触する際の定式化を行う必要がある．このような接触問題は偏芯カムと梁に限らず剛体と柔軟構造物の接触問題に帰着することができるものの，そのような問題に対する確立された方法はない．そこで，本研究では基礎的な検討として両端が支持された柔軟梁が梁の中央でたわむ際に平面と接触する運動の定式化を行った．また，柔軟性によって発生する課題は接触点や接触面などの接触領域の決定とその接触力の取り扱いであり，それらにより着目した検討ができるように，梁は十分に柔らかく大きな変形が発生するという前提として，定式化における提案を行った．提案する定式化手法は２つの点「①柔軟梁の接触領域の決定」および「②接触領域に基づく接触力の導出」から構成される．
「①柔軟梁の接触領域の決定」では，接触面がないとした際に柔軟構造部がたわむことでカテナリー曲線を描くという前提のもと，接触面とカテナリー曲線の交点を導出し，その結果得られる平面に貫入している領域を接触面として決定した．近似的な解になるものの，ある精度をもって解析的に領域を決定することが可能である．
「②接触領域に基づく接触力の導出」では，前述の①によって決定した領域に対し，有限個のバネと質量から構成される多自由度系と見なし，各質量に対して接触面とのノンスムースな摩擦モデルの適用を行った．本提案手法によって摩擦によるスティックスリップ現象等の接触面の特有の現象が容易に表現可能となる．
以上の提案手法を用いた数値解析を行った．接触面の法線および接線方向の接触力の影響を評価するために，柔軟梁を支える片端を移動させた際のシステムの運動を評価した．その結果として柔軟体の挙動が定性的に物理的な解釈が可能なものが得られ，さらにスティックスリップ現象も確認することができた．一方，スティックスリップ現象とは異なる高周波の運動も確認された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では3つの項目「① 基礎検討用のプロトタイプの構築と理論解析および基礎実験による特性把握」「② システムのロバスト化と構造のシステムの設計と製作」「③ 離脱と衝突が発生する際の現象把握と解析手法の提案および数値解析」について明らかにすることを計画しており，①については1年目である2019年度に実施している．当初の予定では次の実施項目として②を想定していたが，システムのロバスト化や設計にはそのパラメータ決定が重要な因子となり，理論解析や数値解析による運動を本質的に支配するパラメータの評価が必要となる．このようなパラメータの評価は対象の運動と各パラメータの関係を示す解析が必要となるが，このような解析に関する検討は③の項目に関連したものであることから，2020年度は想定していた実施の順序を変更し②を一時保留として③を実施し，解析手法の提案と数値解析の実施を行った．
その結果として，柔軟梁および偏芯カムから構成される本研究での対象に限定した表現ではなく，より一般的な解析対象に対して解析方法を提案しており，当初の想定よりもより一般性を有する手法が提案することができたと考えられる．さらにその結果として，提案システムに対してもより自由度の高い設計パラメータの検討につながる可能性を有しており，前述の項目②においてもより自由度の高い検討ができる可能性がある．
以上のように，想定していた順序とは異なる流れでの研究の進行となったが，目的とする定式化をより一般性ももって表現できており，それによって一時保留した項目に対する検討の自由度を拡張できる結果が得られたことから概ね順調に進行していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度において提案した解析手法および数値解析ではより一般性をもった対象で検討を行ったため，2021年度はこれまでに試作を行ったプロトタイプに特化した数学モデルと解析環境を構築することで，計測特性とシステムの設計パラメータの関係を明らかにする．また，得られた解析環境を用いて項目「② システムのロバスト化と構造のシステムの設計と製作」の実施を行う．この項目では概念設計レベルでのロバスト化や構造のシステム設計も含まれるものの，解析結果に基づき設計パラメータに対する本システムの特徴的な運動への感度を明らかにすることでロバスト性を評価する．さらにロバスト性を満たすパラメータに対して，「小型化」や「計測対象に対する低負荷」などをはじめとするシステムの特徴付けをすることが可能な制約条件を導入すること解析結果をシステム設計へと反映させる．また，得られた結果をプロトタイプに反映させることで実験検証を行い，提案手法の有効性と設計結果で得られたシステムの有効性を評価する．
また，提案した解析手法では比較的計算時間を要することから，最適化を行うための解析環境としてはまだ改善の余地がある．現在の提案手法における積分方法は時間ステップを一定として進める方法であるが，解析対象は接触と離脱などの異なる状態の遷移が発生するため，その遷移を検知する方法（イベントドリブン方式）を採用することで計算負荷を抑えたより効率的な数値解析を行うことができる可能性がある．そのため，数値積分手法についての見直しの検討も行う．
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| Causes of Carryover |
国際会議（IFAC world congress）や国内会議（日本機械学会D&D2020）への参加を予定していたが，コロナ禍によりオンライン開催となったため旅費が不要となり予定していた経費を使用しなかった．また，研究の進め方の順序を変更し，解析方法の提案を集中的に実施したことから，提案システムのロバスト化やシステム設計に必要となる経費が不要となったこともその理由として挙げられる．2020年度の成果として解析方法の提案を行っており，それを用いた設計パラメータの最適化やシステムのロバスト化を2021年度に実施する予定であり，その結果に基づくプロトタイプの改良と実験的評価も実施予定であるため，それらを目的としたシステムの改修費および装置構成のための費用として使用する予定である．
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Research Products
(2 results)
