2013 Fiscal Year Annual Research Report
氷海域における掘削技術の確立のための掘削船および掘削装置の制御システムの開発
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25289316
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
澤村 淳司 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90359670)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木岡 信治 独立行政法人土木研究所, 寒地土木研究所, 主任研究員 (20414154)
金野 祥久 工学院大学, 工学部, 准教授 (60322070)
千賀 英敬 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60432522)
飯島 一博 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50302758)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 船舶工学 / 氷海船舶 / 海底掘削 / 氷荷重 / 模擬氷 / 模型試験 |
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| Research Abstract |
本研究課題の目的は，氷海域での資源開発および地球環境調査のための海底掘削技術の１つである氷海域での掘削船位置保持システムを開発する事である．氷海域海底掘削の位置保持システムを開発する上で最も重要な事は，掘削船が掘削作業中に氷の海から受ける氷荷重を推定する事である．掘削船は砕氷船が氷海中を砕氷航行した後に出来る多数の割れた氷片が密集して浮遊する海面中(アイスチャンネル)で掘削作業を行い，割れた多数の氷片が風や潮流の影響で流され掘削船に衝突する時に発生する氷荷重を受ける．このため，アイスチャンネル中の氷片群分布を明らかにし，多数の氷片から掘削船が受ける氷荷重を明らかにする必要がある．
H25年度は，砕氷船によるアイスチャンネルモデルの作成と氷片群中の氷荷重推定のための模型船実験および数値モデルを開発するため、氷の破壊挙動の解明，数値計算による氷と船の相互作用による氷荷重の推定とアイスチャンネルモデルの作成，そして，常温水槽で氷海中の模型船実験を行うための模擬氷の開発に関する研究を主に行った．さらに，氷荷重下での船体制御シミュレーションの開発に関する研究も進めた．具体的には，砕氷船が板氷中を砕氷航行する時の氷荷重とアイスチャンネルモデルが計算できる数値計算プログラムを作成した．ワックス材を用いた模擬氷を試作し，ワックス材がアイスチャンネル内の氷片群としての氷の性質が模擬可能である事を確認した．実氷海中の氷厚み変動を考慮した船体航行(運動)シミュレーションを行った．また，個別要素法を用いた船との衝突を想定した氷板破壊の数値計算モデルの構築，氷片群中の掘削船の氷荷重推定の為の数値計算方法の開発を試みた．これらの研究成果により，数値計算によって、船体の氷荷重分布とアイスチャンネル分布が推定でき、常温水槽において氷海中の掘削模型船実験を行うためのアイスチャンネルモデルの作成が可能になった．
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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
H25年度の研究計画は，(1)船と氷の接触による氷の破壊挙動を解明し，(2)氷と船の相互作用による氷荷重の推定と砕氷航行によって出来るアイスチャンネルモデルを作成する事であった．H25年度の研究によって，数値計算による連続砕氷時の船体周り氷荷重分布と割れた氷の氷片分布（アイスチャンネル）の推定が可能になった．これに加え，常温水槽での氷海中模型船実験のための模擬氷の作成方法を検討し，ワックス材が模擬氷として使用可能な材料である事が分かった．さらに，氷荷重下での船体制御システム開発のため，実氷海中の氷厚み変動を考慮した船体運動シミュレーションも先行して実施された．しかし，氷の破壊挙動の解明やアイスチャンネルモデルの作成のための数値シミュレーションには計算精度や汎用性の点で改良の余地があるなど問題が残った．また，模擬氷を常温水槽で使用する為には，作成技術（大量生産）とコストの問題がある事が明らかになった．以上のように，H25年度に計画した研究に加えH26年度以降に本格的に実施予定の研究も先行して行う事ができた．しかしながら，開発した数値計算や模型船実験において新たな問題点が明らかになった．以上によりH25年度の本研究課題の進捗状況は，当初の計画より先行して実施できた研究もあるが，一部の研究に問題点が明らかになり，当初計画以上に進んでいるとは言えないが，研究はおおむね順調に進展しており，明るい見通しを得たと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
H26年度は，H25年度の研究で得られた結果を用いてアイスチャンネル内で作業する掘削船に作用する氷荷重の推定を実験と解析の両方から試みる．常温水槽での氷海域模型試験の確立には，模擬氷の作成方法の確立と検証を行う必要があり，まずは，ワックス材およびプレスチック材を用いた模擬氷を作成し常温の2次元水槽において２次元船体モデル試験を実施し，実験方法の確立とこれまでに開発した数値計算モデルの検証を行う．その後，常温の3次元水槽を用いた模型船実験の準備に取りかかる．これと平行して，掘削管モデル船体応答モデルの作成および掘削船の制御の開発も進める．また，氷の破壊挙動の解明と船体－氷の相互影響を考慮した氷荷重推定の数値計算モデルの開発は，不均一性の強い材料の破壊と衝突という非常に複雑な現象であり依然として改良の余地が残っておりH26年度以降も継続して研究を行う．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究計画当初は実験補助（模擬氷の作成）や計算補助の為の人件費・謝金を計上していたが，本年度は模擬氷の材料の選定と数値計算モデルの開発を主に進め，そして，次年度に常温水槽で模擬氷を用いた実験を行うには模擬氷の大量生産，掘削模型船の作成，氷片の運動を計測するための計測装置の購入など，次年度に想定以上の経費が必要となる事が判明したため，本年度経費を次年度に使用する事を考えた．
ワックス材とプラスチック材の２種の材料を用いた模擬氷の作成と検討を行い，常温水槽において実験を行う予定である．常温水槽において氷海模型船試験を実施するには模擬氷の大規模生産が必要になる．そこで模擬氷作成のための材料費と実験補助のための人件費に使用する予定である．
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