| Project/Area Number |
22K04295
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 22020:Structure engineering and earthquake engineering-related
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| Research Institution | Hakodate National College of Technology |
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Principal Investigator |
渡辺 力 函館工業高等専門学校, 社会基盤工学科, 教授 (90249714)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | ハイアラーキ異方性積層要素 / ハイアラーキ複合材料解析モデル / 異方性積層板 / サンドイッチ板 / Reigin-wise ZIG-ZAG理論 / 自由振動解析 / ハイアラーキ要素 / 複合材料 / 剥離解析 / 三次元応力 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，複合材料で補強された鋼ならびにコンクリート構造に対する高精度な構造解析のために，改良ZIG-ZAG理論とRegion-wise ZIG-ZAG理論に基づいたハイアラーキ複合材料要素（改良ZIG-ZAG理論モデル，Region-wise ZIG-ZAG理論モデル，階層型粘着要素）を開発し，このハイアラーキ複合材料要素の精度と適用性を検証する。さらに，連続体要素，RC・PC要素，複合材料要素，粘着要素を用いた階層型モデルよる全体解析法を開発し，接着接合された複合材料の剥離挙動を正確に評価できる効果的な構造解析法に発展させる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者は，これまでに異方性積層構造とその剥離解析に有効な改良ZIG-ZAG理論，Region-wise ZIG-ZAG理論を研究開発している。本研究では，これらの理論（数学モデル）に基づいたハイアラーキ異方性積層要素を開発する。さらに，このハイアラーキ異方性積層要素を用いて，改良ZIG-ZAG理論，Region-wise ZIG-ZAG理論，Layer-wise理論，それぞれの数学モデルと同じ変位場を規定した複合材料解析モデルを構築する。この複合材料解析モデルにより，複合材料で補強された鋼ならびにコンクリート構造に対する高精度な構造解析が可能となる。
本年度には，接着工法の構造解析における複合材料や等方性材料のモデル化のために，ハイアラーキ六面体要素の変位関数にZIG-ZAG項を付加したハイアラーキ異方性積層要素を開発した。ZIG-ZAG分布となる変位を表すためのZIG-ZAG関数には，Region-wise ZIG-ZAG理論の領域ZIG-ZAG関数を用いている。この領域ZIG-ZAG関数を用いる本要素では，要素内に仮想ラミナ（仮想的な数学層）を設けて変位と応力の精度を改善できる。さらに，このハイアラーキ異方性積層要素を用いて，改良ZIG-ZAG理論，Region-wise ZIG-ZAG理論，Layer-wise理論，それぞれの数学モデルと同じ変位場を規定した複合材料解析モデル（改良ZIG-ZAG理論モデル，Region-wise ZIG-ZAG理論モデル，Layer-wise理論モデル）を開発した。異方性積層板とサンドイッチ板の三次元応力解析に適用し，本研究の複合材料解析モデルにより，従来のh法型有限要素法では精密なモデル化が困難な異方性積層構造に対して，粗い要素分割を用いて，各種の数学モデルに基づく変位と応力を高精度かつ効率的に計算できることを明らかにした。
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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
本研究で開発するハイアラーキ異方性積層要素（階層型モデル）は，三次元弾性理論に基づいた階層型ソリッド要素（六面体要素）において，変位関数にZIG-ZAG項を付加した要素である。このハイアラーキ異方性積層要素において，改良ZIG-ZAG理論，Region-wise ZIG-ZAG理論，Layer-wise理論，それぞれの数学モデルと同じ変位場を規定した複合材料解析モデル（改良ZIG-ZAG理論モデル，Region-wise ZIG-ZAG理論モデル，Layer-wise理論モデル）を開発する。さらに，この複合材料解析モデルにより，複合材料で補強された鋼ならびにコンクリート構造に対する高精度な構造解析法を開発する。
本年度は，ハイアラーキ六面体要素の変位関数にZIG-ZAG項を付加したハイアラーキ異方性積層要素を開発した。さらに，このハイアラーキ異方性積層要素を用いて，改良ZIG-ZAG理論，Region-wise ZIG-ZAG理論，Layer-wise理論，それぞれの数学モデルと同じ変位場を規定した複合材料解析モデル（改良ZIG-ZAG理論モデル，Region-wise ZIG-ZAG理論モデル，Layer-wise理論モデル）を開発した。このハイアラーキ異方性積層要素を用いた複合材料解析モデルを，異方性積層板，等方性平板，サンドイッチ板の三次元応力解析に用いて，薄板解析への適用性，精度と収束性を調べ，各解析モデルの適用性を検証した。本研究の複合材料解析モデルにより，従来のh法型有限要素法では精密なモデル化が困難な異方性積層構造に対して，粗い要素分割を用いて，各種の数学モデル（改良ZIG-ZAG理論，Region-wise ZIG-ZAG理論，Layer-wise理論）に基づく変位と応力を高精度かつ効率的に計算できることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究代表者は，これまでに異方性積層構造とその剥離解析に有効な改良ZIG-ZAG理論，Region-wise ZIG-ZAG理論を研究開発している。本年度において，三次元弾性理論に基づいた階層型ソリッド要素（六面体要素）において，変位関数にZIG-ZAG項を付加したハイアラーキ異方性積層要素を開発した。ZIG-ZAG分布となる変位を表すためのZIG-ZAG関数には，Region-wise ZIG-ZAG理論の領域ZIG-ZAG関数を用いている。さらに，このハイアラーキ異方性積層要素において，改良ZIG-ZAG理論，Region-wise ZIG-ZAG理論，Layer-wise理論，それぞれの数学モデルと同じ変位場を規定した複合材料解析モデル（改良ZIG-ZAG理論モデル，Region-wise ZIG-ZAG理論モデル，Layer-wise理論モデル）を開発した。
今後は，ハイアラーキ複合材料解析モデルを用いた構造解析システムを開発する。改良ZIG-ZAG理論モデルはFRPなどの異方性積層板のモデル化に，Region-wise ZIG-ZAG理論モデルとLayer-wise理論モデルは，鋼やコンクリート構造（等方性平板）に複合材料（異方性積層）が接着接合された部材のモデル化に用いる。また，剥離の挙動解析は，ハイアラーキ連続体要素（等方性平板）と改良ZZ理論モデル（異方性積層）を用いて行うが，それらの接着状態と分離状態を評価するために破壊力学に基づいた階層型接着要素を開発する。
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