| 研究課題/領域番号 |
22K04546
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分24010:航空宇宙工学関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 |
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研究代表者 |
北本 和也 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (80869834)
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| 研究分担者 |
水口 周 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70512359)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
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| キーワード | 複合材料 / 吸湿 / 膨潤 / 吸湿変形 / 機械学習 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
樹脂複合材構造の寸法安定性の課題である吸湿/脱湿に起因した変形挙動を明らかにし、次世代宇宙望遠鏡など超精密構造体の実現に不可欠な変形予測技術の確立を目指す。本研究は光計測技術を融合した独自の構造モニタリングシステムによりマルチスケールに対応した精緻な物理モデルを構築する。加えて、ひずみのその場計測と機械学習を援用した逆解析から吸湿状態の推定を行い、従来モデルの不確かさ要因を極限まで低減した物理モデルと状態推定により軌道上の高精度な変形予測を行う。寸法安定化と吸湿状態の定量把握は樹脂材料の品質管理の重要課題であり、他分野においても状態推定を含む提案技術は有効な手法となる。
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| 研究実績の概要 |
CFRPの吸湿特性の物理モデルを用いたPhysics-informed Neural Network（PINN）により、吸湿によるひずみ応答から吸湿状態を逆解析するアルゴリズムの開発を進めた。吸湿特性の物理モデルは、昨年度構築した異方性や非線形応答に加えて、吸湿・脱湿のサイクルによるひずみのヒステリシス挙動や不可逆性による影響まで考慮したモデルに発展させた。具体的には、分子スケールの材料分析として核磁気共鳴（NMR）分析と陽電子消滅法（PALS）測定を吸湿過程とその後の脱湿過程の双方で実施して、CFRPに吸水された水分子の振る舞いと母材であるエポキシネットワーク構造（自由体積）への吸湿による影響を評価した。その結果、昨年度に明らかにした拘束水と自由水による水分輸送が吸湿過程と脱湿過程では異なる順序で生じること、エポキシネットワーク構造の変化は吸湿・脱湿過程によらないことが示唆された。さらに光ファイバセンシングによるマクロスコピックなひずみ挙動を評価することでAnit-plasticization効果とplasticization効果による収縮・膨張が生じている可能性が示唆された。これらの分析結果からヒステリシス挙動や不可逆性を示すメカニズムを示した。また、その吸湿・脱湿過程での水分輸送・膨潤挙動を合理的に説明可能なメカニズムに基づいて、修正された二相拡散理論による水分輸送と区分的な線形関数を用いたひずみ応答モデルを組み合わせることで吸湿-ひずみ特性のモデルを構築した。これにより吸湿・脱湿の複数過程における吸湿率の推定精度の向上が期待される。新たに構築した物理モデルを搭載したPINNのアルゴリズムの開発を進めている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
当初計画ではCFRPの吸湿特性の物理モデルを用いたPINNにより、吸湿によるひずみ応答から吸湿状態を逆解析するアルゴリズム開発が完了する予定であったが、材料試験・材料分析の結果から、昨年度構築した物理モデルを更に発展可能なデータが得られたため、吸湿メカニズムの解明とその物理モデルの発展に注力した。
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| 今後の研究の推進方策 |
新たに構築した物理モデルを搭載したPINNのアルゴリズムの開発を進め、その妥当性の検証を行うことで研究目的である「吸湿状態の推定手法」の実証に注力する。
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