システム融合設計による自動車用知的構造要素の開発

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12555061
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 谷 順二 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30006192)
• 研究分担者: 林 直義 (株)本田技術研究所, 栃木研究所, 主幹研究員(研究職) ; 裘 進浩 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (60241585) ; 高木 敏行 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (20197065) ; 漆山 雄太 (株)本田技術研究所, 栃木研究所, 主幹研究員(研究職)
• キーワード: 圧電アクチュエータ / 同時最適設計法 / 圧電ファイバー / ハンドル / ロボットアーム / スマートボード

研究概要

本研究では、圧電フィルムセンサと圧電セラミックアクチュエータや圧電ファイバーアクチュエータを用いて、自動車の構造部品を振動の起こさない知的複合材料に置き換え自動車の軽量化を実現することを目指した。即ちドアパネル、ステアリングホイールなどの部品の一部を制御・構造・材料の三者同時最適設計(システム融合設計)に基づき、知的複合材料で置き換え、その有効性を明らかにした。
即ち圧電フィルムセンサと圧電セラミックアクチュエータや圧電ファイバーアクチュエータを用いて、自動車の構造部材を知的複合化する実用化研究を3年計画で行った。
これまでに、圧電素子を埋め込んだCFRPとGFRPスマートボードを作製し、圧電素子によるヘルスモニタリングと振動制御を行った。圧電素子のインピーダンスの変化とニューラルネットワークを用いて、スマートボードの付加質量と穴の位置同定に成功した。また、複数の内蔵圧電素子を用いて、セルフセンシングアクチュエータによるスーマトボードの高次モードの制御に成功した。アクチュエータについては、厚み方向に材料の成分を傾斜させることによって、屈曲型圧電素子を作製した。従来のバイモルフアクチュエータと比較して、材料特性の不連続による応力集中を緩和させ、10倍以上の耐久性を得た。設計方法について、今までの構造系と制御系の同時最適化設計に加えて、構造のトポロジーと制御系の同時最適の手法を提案し、板状部品に適用することによって、その有効性を確認した。
本年度は知的複合ドアパネルに相当するスマートボードの振動制御性能、遮音制御性能確認実験を行い、その信頼性と耐久性を調べ、実用に十分適応できる性能を有することを明らかにした。
またステアリングホイールの振動制御性能の確認実験より、その信頼性と耐久性を調べ、実用可能性を有することを明らかにした。
これらから、自動車用知的構造要素のシステム融合設計が有用であることを明らかにし、設計基準を作成した。

研究成果

• [文献書誌] 漆山雄太, David Lewinnek, 裘 進浩, 谷 順二: "形状記憶合金で作られた柱の座屈現象について(第2報,直柱の座屈と座屈抑制効果)"日本機械学会論文集(A編). 68巻675号. 148-154 (2002)
• [文献書誌] 漆山雄太, 裘 進浩, 長内 大介, 谷 順二: "SMAによるフレームの座屈抑制効果に関する研究"日本機械学会論文集. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] Jinhao Qiu, Junji tani, Toshiyuki Ueno, Teppei Morita, Hirofumi Takahashi, Hejun Du: "Fabrication and high durability of functionally graded piezoelectric bending actuators"Smart Materials and Structures. 12. 115-121 (2003)
• [文献書誌] 裘 進浩, 谷 順二, 北野 善久, 越河 和男, 朱 曄: "ねじり・圧縮複合荷重によるSMAの座屈特性"日本機械学会2002年度年次大会講演論文集(vi). 191-192 (2002)
• [文献書誌] Hirofumi Takahashi, Jinhao Qiu, Junji Tani, Kunihiro Nagata, Koji Hirose: "Fabrication of high-performance PNN-PZT ceramic using microwave and hot-press hybrid sintering process"Proceedings of SPIE. Vol.4699. 96-102 (2002)
• [文献書誌] Jinhao Qin, Junji Tani, Hirofumi Takahashi: "High-Performance PZT and PNN-PZT Actuator"IUTAM Symposium on Dynamics of Advanced Materials and Smart Structures. 20-21 (2002)