| 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 (2022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 |
マルチスケールでの吸湿特性評価のため、材料試験片及びトラス構造部材の複数の試験片サイズでの吸湿評価を実施した。材料試験では、吸湿過程の材料内の水分子の運動性をNMR（核磁気共鳴）分析を用いて評価することで、CFRPの母材樹脂に官能基に拘束された水分子（Bound water）とクラスター化した自由水（Free water）の存在比を同定することができた。また、試験片内部に埋め込んだ光ファイバセンサを用いて吸湿ひずみのリアルタイム取得と引張試験/動的粘弾性試験による弾性率変化についても評価を行い、吸湿率に比例しない非線形な吸湿ひずみ応答及び、吸湿による弾性率の低下（可塑化）を確認した。これらの分析と試験結果より、吸湿過程中の拘束水と自由水の存在比の時間変化と、吸湿ひずみ、弾性率などの機械特性の変化の相関を評価することで、材料内に存在する拘束水と自由水の機械特性への影響を明らかにした。これによって、吸湿率に比例しない非線形な吸湿ひずみ応答について、二相拡散理論を用いたモデル化が可能となった。材料試験から得られた吸湿特性（拡散係数の異方性、吸湿ひずみの非線形性）を反映した高精度な予測モデルの構築を行い、光ファイバセンサを用いたトラス構造部材の吸湿特性と比較評価を行った。その結果、予測値と実験値は良い一致を示しており、構築したモデルの妥当性が確認できた。
また、フルスケールでの吸湿特性を評価可能なモニタリングシステムの構築のため実機サイズのトラス構造の試作を行い、次年度に開発する吸湿状態の推定のためのアルゴリズムの検証用テストベッドの構築が完了した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
材料分析を含めたマルチスケールでの整合性のある吸湿予測モデルの構築が進んでおり、次年度以降の評価用のテストベッドの構築も完了していることから、当初計画通りに吸湿状態の推定のためのアルゴリズム開発に着手できるため。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでのマルチスケールでの評価結果から構築した予測モデルと複数の試験データを用いて、吸湿状態の推定のための有限要素法のシミュレーションと統合した多層ニューラルネットワークによる学習アルゴリズムを開発を行う。
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