| 研究課題/領域番号 |
18K18888
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| 研究機関 | 東北学院大学 |
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研究代表者 |
中沢 正利 東北学院大学, 工学部, 教授 (20198063)
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| 研究分担者 |
近広 雄希 信州大学, 工学部, 助教(特定雇用) (10778905)
有尾 一郎 広島大学, 工学研究科, 助教 (50249827)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| キーワード | トポロジー最適化 / 周期性構造物 / カンチレバー橋 / 単位モジュール |
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| 研究実績の概要 |
本研究の核となる最適化構造計算プログラムについては、フリーソフトとして入手可能なものを先に導入し、市販のトポロジー最適化ソフトも実装しつつ、例題と予備計算を実施しながら、本研究への協力を依頼した学生に対する数値解析上の専門知識に関する教育を並行して行った。
次に、カンチレバー形式の境界条件を前提とする解析領域について、トポロジー最適化計算を行い、カンチレバー橋として世界的に著名なスコットランドのフォース鉄道橋と類似した最適構造が発現する事を確認した。ただし、最適構造の形状は、初期に設定する解析領域の形状に大きく依存することが注意点として挙げられる。
続いて、本研究のアイデアの根幹に関連する最適構造原理を確認するため、周期性構造物の最適構造解析を行った。すなわち、完成構造物が単位モジュールを横に連結した周期性構造物であるためには、例えば３連の周期性構造物をトポロジー最適化した時の最適構造が、やはり同形式構造が３つ並列した状態として得られることが望ましい。結論として、この解析により、完成構造物の最適構造として単位モジュールを横に連結した状態で考えることができるという確証が得られた。
最後に、３径間連続ばりの周期性構造を３つの単純支持ばりとして分割し、そのトポロジー最適化を行うことにより、単位モジュールの最適形状に関する重要な情報を得ることができた。３つの単純支持ばりであることより、モジュール間はヒンジ結合であることを前提としている。なお、これらの成果を2019年3月の土木学会東北支部の技術研究発表会で「架設橋のトポロジー最適化解」という題目で発表した。
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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
研究計画1年目である2019年度は、市販のトポロジー最適化プログラムの導入等を経て、実質的な活動を9月から行った。まず、フリーソフトとして入手可能ないくつかの最適化ソフトを8月から導入し、予備計算を行いながら、本研究への協力を依頼した学生に対する数値解析上の専門知識に関する教育を並行して行った。
次に、カンチレバー形式の境界条件を前提とする解析領域について、グランドストラクチャー法によるトポロジー最適化計算を行い、カンチレバー橋としてよく知られているスコットランドのフォース鉄道橋と類似した最適構造が発現する事を確認した。ただし、最適構造の形状は、初期に設定する解析領域の形状に大きく依存することが注意点として挙げられる。
続いて、本研究のアイデアの根幹に関連する最適構造原理を確認するため、周期性構造物の最適構造解析を行った。すなわち、完成構造物が単位モジュールを横に連結した周期性構造物であるためには、例えば３連の周期性構造物をトポロジー最適化した時の最適構造が、やはり同形式構造が３つ並列した状態として得られることが望ましい。結論として、この解析により、完成構造物の最適構造として単位モジュールを横に連結した状態で考えてよいという確証が得られた。
上述の結果を基に、３径間連続ばりの周期性構造を３つの単純支持ばりとして分割し、そのトポロジー最適化を行うことにより、単位モジュールの最適形状に関する有力な情報を得ることができた。
なお、モジュール間の接続形式については、先駆的なモジュール橋であるBailey橋やMillenium Girder Bridgeなどの実例及び新形式接合方法を研究分担者の近広が調査しているが、具体的な資料が著しく少ないため2019年度にも継続して検討し、強度解析による確認に基づいて具体的な設計を行う予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究の方針については、当初の研究計画から大きく変更する点は無い。第一になすべきは、周期性構造物内の最適構造を抽出した基本モジュールに求められる要件を整理し、並列に多連結することを念頭において、基本モジュールの骨格形状を2019年度内に決定する事である。同様に、解析領域の境界条件を変化させることにより、カンチレバー橋としての最適構造及び基本モジュールの骨格形状が得られるため、トポロジー最適化解析を継続して実施しながら、共同研究者との議論を通して最終決定する予定である。
また、モジュール間の連結方式についても資料収集及び検討を進め、同様に2019年度内に決定する予定である。先駆的なモジュール橋であるbailey橋やMGBなどはストレイトピンを用いたヒンジ結合を採用しており、その接合部力学特性は理解しているが、その設計方法及び構造細目に関する資料がほとんど無いため、追加的な力学的検討を行う予定である。
さらに、単位モジュールをフロートの上に設置すれば単位浮体モジュールとなり、これを並列に接合すれば、河川上あるいは海上における長大な浮体橋(ポンツーン)を構築することが可能となる。フロートの浮体構造としては種々の材料及び3次元形状のものが考えられるが、まずは一般的に入手可能な転用型浮体構造を想定している。
最後に、本研究で提案するモジュール橋梁の縮小モデルの試作については3Dプリンタの利用を検討しており、3Dプリンタ用のCAD図面データ作成のための情報を収集する予定である。3Dプリンタによる縮小モデルの試作は、まさにプロトタイプ開発における予算の有効活用及び製作の時間短縮などのメリットに直結している。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
中沢及び近広が接合部分検討用に消耗品予算を計上していたが、先駆的なモジュール橋であるBailey橋やMillenium Girder Bridgeなどの図面および設計例に関する具体的な資料が著しく少なかったこと、2019年度9月からトポロジー最適化解析に着手したため接合部分を検討する充分な時間が取れなかったことなどから、検討のための消耗品予算の消化を断念したためである。接合部分の設計検討については構造解析ソフトなどによる強度解析によるものとし、これらの予算については消耗品から解析ソフト等への変更を予定している。
中沢が2019年度に計上していた接合検討用消耗品等(445,875円)は、2020年度のトポロジー最適化計算用ソフト代(税別33万円)＋消耗品に変更する。また、近広が2019年度に計上していた接合検討用消耗品と謝金等の残金(219,913円)は、2019年度以降に謝金や旅費等に変更する。
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