| 研究課題/領域番号 |
22K04572
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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24020:船舶海洋工学関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所 |
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研究代表者 |
荒木 元輝 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 主任研究員 (00711350)
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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: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | マルチボディダイナミクス / 数値流体力学 / マリンオペレーション |
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| 研究開始時の研究の概要 |
船舶海洋工学分野においてマリンオペレーションは柔軟なケーブルや曲がりやすい風車のブレード、剛な船体等の様々な挙動・変形を示す構造物とそれらと相互干渉する波や風等の流体力を統一的に取り扱う必要がある。そこで本研究では柔軟な構造物を取り扱うことができる絶対節点座標法と相互に拘束された複数の物体を取り扱うことができるマルチボディダイナミクス、さらに精確な流体力の計算が可能な数値流体力学手法を連成することで様々なマリンオペレーションを統一的に取り扱うことができるシミュレーションモデルを開発し、その精度を検証する。
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| 研究実績の概要 |
本研究は粘性を考慮可能な数値流体力学モデル（CFD）とマルチボディダイナミクスと絶対節点座標法（ANCF）を基にした剛体、線状構造体、3次元構造体の柔剛混在多体系動力学モデルを開発し、様々なマリンイペレーションに応用可能な解析手法を確立することを目標としている。
そこで初年度は線状構造体用のANCFコードを開発した。ANCFはShabanaら（1996）により提案された非線形有限要素法の一種で節点座標として節点の絶対位置および勾配で表現することにより、従来の有限要素法に比べ少ない少ない要素数で大変形を精確に表現することが可能である。本研究においては基本的にBerzeri & Shabana(2000)のモデルを用いることとした。ANCFでは仮想仕事の原理を用いてラグランジュ方程式を導出し、各ケーブル要素の運動方程式が得られるが、その中の剛性行列においては、計算負荷及び精度を考慮し、曲げ剛性行列に関しては軸ひずみが小さい場合を仮定してT1モデル、軸剛性行列にかんしては一般的なひずみ状態を扱えるL2モデルを用いることとした。また今後のマルチボディダイナミクスモデルとの連成を考慮し、微分代数方程式（DAE）となるようラグランジュ未定乗数法を適用し、運動方程式の解法としては一般化アルファ法を用いた。
開発した線状構造体用のANCFコードの検証のために、ANCFコードのベンチマークとしてよく用いられる、原点でピン支持された柔軟な梁を自由落下させた時の変形を計算し、従来の研究結果とほぼ一致することを確認した。
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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
当初計画においては初年度は線状構造物用ANCFコードの開発を目標としており、目標通り線状構造物用ANCFコードの開発を実施することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は開発したANCFとマルチボディダイナミクス、CFDとの連成モデルの開発を行う。線状構造体の流体構造連成に関しては、線状構造体の線径は通常はCFD上で計算される剛体の寸法に対して非常に小さいことからCFDと線状構造体の相互干渉は無視できると考えられ、CFDから線状構造体への片方向の連成とする。3次元構造体の流体・構造連成に関してはCFDで算出される物体表面圧力を3次元梁要素に与える一方で、ANCFで算出された3次元梁要素の変位および変位速度をCFDに与える。時間発展における内部反復計算中にCFDによる表面圧力計算とANCFによる3次元梁要素の変位・変位速度計算を繰り返す強連成とすることにより、CFDとANCFの流体・構造連成を実現する。
現状の流体力学モデルにおいて、流体の粘性成分を取り扱うことができ比較的精度が高く実用的な時間で計算可能な流体力計算モデルとしてはレイノルズ平均モデル（RANS）が一般的である。そこで本研究におけるCFD計算においては研究代表者と同じ所属の海上・港湾・航空技術研究所の海上技術安全研究所CFD研究グループが開発した構造格子用非定常RANSソルバーNAGISAを用いることとする。
本研究において開発したCFDと柔剛混在多体系動力学モデルの統一解析手法を用いて過去に海上技術安全研究所で実施されたVLCCとバンカー船のサイドバイサイドオペレーションの波浪中動揺模型試験等を再現し、サイドバイサイドオペレーション時のVLCCとバンカー船の流体力学的相互作用や防舷材・係船索等の変形やそれらに作用する拘束力の作用、模型と実機の尺度影響について明らかにする予定である。
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