【研究分野】スポーツ科学

【研究領域課題番号】25750305 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / スポーツ工学 / 有限要素解析 / 接地 / 足部内挙動 / 医用画像 / 形状抽出 / シミュレーション / X線撮影

【研究成果の概要】

本研究では，医用画像から抽出した足部表面，骨，アキレス腱の3次元形状データを用いて，足部の内部構造を考慮した有限要素モデルの作成を進めた．また，モーションキャプチャシステムを用いて着地および走行動作の接地中における足部の動きを計測し，有限要素モデルの妥当性検証に用いるための各変量を算出した．
今後は，有限要素モデルの作成をさらに進め，モデルの妥当性を確認する．その後，材料特性などを変化させて接地のシミュレーションを行い，骨の挙動とそこで生じる力学現象に及ぼす影響を明らかにする．

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】地盤工学

【研究領域課題番号】09045048 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

開削 / 土圧 / 軟弱粘土 / 遠心模型実験 / 変形 / 施工過程 / 3次元効果 / 軟弱粘土地盤 / 掘削 / シミュレーション / 有限要素解析

【研究成果の概要】

本研究よって以下のような結論が得れた.
(1) 正規圧密粘土の場合,背面側の粘土は極めて小さな歪み(浅い掘削深さ)でピーク強度に達する.一方,掘削側の粘土も最終掘削深さの半分程度で破壊状態に達しする.これ以降の土留めの変形は,下部の砂層の特性と支保によって決まる.
(2) 著しい沈下や変形の進行は支保の設置によって抑えることはできるが,一旦生じてしまった変形を戻すことは難しい.この非可逆的な挙動は,土の応力歪み関係における非線形性とヒステリシス的特性によるものと考えられる.
(3) 施工過程の違いによって背面の沈下形状に差が生じるが,その差は主に壁近傍に現れる.従って,合理的な予測法の確立においては,施工過程の考慮は極めて重要な要素となりうる.
(4) 山留め壁の変形は最も重要な計測項目であるが,これを実験では直接測定できないため山留め上端の変形(水平変位とたわみ角)および山留め壁の歪みにより算出した.しかし,その算出結果は特に深部で上端の計測精度の影響を受けるため,精度の高い壁変形の計測のためにはこの部分の計測の信頼性を上げることが不可欠である.
(5) 上記のような計測精度の問題はあるが,掘削底面地盤における壁変位と強度発現(水平反力)関係の非線形性を確認することができた.
(6) 連続地中壁のように土留壁剛性が大きく,しかも掘削幅に対して掘削深が相対的に大きくなると,壁や地盤の変形に3次元的な挙動が強く現れるようになり,従来の設計で用いられる2次元的な評価では変形をかなり過大に見積もる可能性がある.
(7) 連壁掘削においてコーナー部の曲剛性による拘束が周辺地盤の3次元変形挙動に大きく影響を及ぼし、コーナーから離れるほど壁変形地盤変形とも大きくなる。
(8) 連壁剛性が大きくなるほど3次元性が顕著となり、2次元条件での変形に比べ変位は著しく小さくなる。

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】1,700千円 (直接経費: 1,700千円)

【研究分野】船舶工学

【研究領域課題番号】08405064 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シミュレーション / CAE / CIM / FEM / 船体運動解析 / 解析モデル / 製品モデル / Design by Analysis / CAD / システム部品 / ストリップ法 / Desgn by Analysis

【研究成果の概要】

本研究は,製品情報を生成する設計システムと解析システムとを統合化する必要があると考え,情報伝達を円滑に可能とする統合化手法に関して研究を行ったものである。この際に,製品情報を統合的に管理する「製品モデル」に着目し,製品モデルの生成を支援する製品定義システムとCAEとを,製品モデルを中核として統合化することを検討した。以下に本研究で得られた成果を整理する。
(1)基本設計支援システムの構築基本設計支援システムの構築
基本設計における船のトリム計算や,スタビリティ計算などを支援するために,研究代表者らが提案している製品モデルの情報を有効に利用した解析システムを構築した。この際に,製品モデルとして荷物の情報の表現方法に関して検討することの重要性を確認した。このシステムで得られる情報は,船体運動の解析システムに必要な情報となることも理解できた。
(2)構造解析支援システムの構築と統合化
船体構造の構造解析を支援するために,製品モデルの情報を有効に利用した構造解析支援システムを構築した。具体的内容は,製品モデルの情報として定義されている構造部材の形状情報と板厚や材質などの属性情報を利用して,有限要素法解析で必要な有限要素データを自動生成し,設計者の情報作成の効率化を支援するシステムを構築した。
(3)利用しやすい統合化システムの枠組みの提案とプロトタイプ・システムの構築
複数の解析システムを製品モデルを中核に統合化する際に有効と思われるシステムの基本構成に関して考察した。目的に応じたシステム統合をプログラム的に実現する形態を変更し,将来の統合化の拡張,全く別の解析システムとの統合化問題への対応などを検討する必要があると判断し,総合化手法に有効であると考えられるシステムの部品化とその組み合わせ環境の整備に関して検討した。その結果,柔軟に統合化を検討できるシステムのプロトタイプを構築することができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1999

【配分額】21,300千円 (直接経費: 21,300千円)

【研究分野】海洋工学

【研究領域課題番号】06555303 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

精度管理 / 製品モデル / CIM / シミュレーション / 変形予測 / 溶接変形 / FEM / 三次元計測 / ブロック搭載 / 工作精度 / 計測 / 三次元形状 / 三次元計測器 / 計測モデル / 計測システム

【研究成果の概要】

製造工程における製品の精度管理は,製品の品質を保証するために重要である。しかし,船舶,橋梁,鉄鋼,海洋構造物,プラントなどのような大型溶接構造物では,溶接作業による熱変形が生じてしまい,さらに,正確に構造物の大きさを計測することは容易でないといった問題がある。そこで本研究では,新しい精度管理の概念および精度管理システムを構築することを試み,以下に示す知見を得,システムを構築した。
(1)三次元計測技術を利用した精度評価システムの構築
大型構造物の形状把握に対して,レーザーを用いた三次元距離計測器による計測技術の有効性を確認した。さらに,三次元座標情報として得られる計測情報を計算機内に取り込むために計測モデルを提案し,精度管理者が認識しやすい情報に変換した。この計測モデルには製品モデルが有効に利用されており,三次元的な形状を容易に認識することができ,設計によって生成されている製品モデルをノミナルなブロックとして利用することによって,溶接による変形量を把握できる精度評価システムを構築した。
(2)溶接変形の予測を利用した精度計画システムの構築
精度管理における精度計画を立案するために,構造解析システムを利用して溶接変形を予測し,変形状態を表示し精度管理のための情報として利用することを検討した。溶接変形のモデル化では,溶接による収縮量と変形量を起こさせるための等価な荷重として圧縮荷重,曲げ荷重を仮定し,構造解析によって変形を推定する精度計画システムを構築した。
(3)精度管理システムの構築
精度評価システムと精度計画システムとを併せて利用することにより,製造途中の溶接構造物の変形状態を把握し,制御することが可能なシステムを構築した。このシステムによって,溶接構造物の総組工程の省略を検討することを可能とした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1994 - 1996

【配分額】16,600千円 (直接経費: 16,600千円)

【研究分野】船舶工学

【研究領域課題番号】05302053 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

FEM / 製品モデル / シミュレーション / 構造解析 / 構造設計 / CIM / CAE / CAD / 有限要素解析(FEM) / プリ・プロセッサ / 有限要素モデル / 解析モデル / メッシュ分割 / 有限要素法モデル / ポスト・プロセッサ / プロダクト・モデル

【研究成果の概要】

汎用の有限要素解析用システムの周辺システムとして,既に多くのソフトウェアが開発されているが,それらは解析に必要な解析データ生成用のプリ・プロセッサや解析結果を可視化するポスト・プロセッサなどが殆どである。これらのプリ/ポスト・プロセッサは,単なるインターフェースのみに重点が置かれており,情報の共有という観点からの研究が不足している。
本研究では,著者らが既に開発している「造船CIM」用製品定義システム(SODAS)をベースに,鋼構造物である船体構造のFEM解析モデラ-に関する研究を行った。有限要素解析システムとしてNASTRANとMARCを選定し(以下,汎用FEMソフトと呼ぶ),製品定義システムから自由かつ容易に解析用データの生成を可能とするシステムの構築を目的とした。
本研究では,製品定義システムによって定義される製品モデルの情報を有効に利用し,汎用FEMソフトにける有限要素モデルの情報を生成することを検討した。この際に,製品モデルの情報として定義されている形状情報は当然のこと,鋼構造物を構成する部品がどのように構成しているかといった情報を表現する接合関係情報が重要な役割を果たすことを理解することができた。また,様々な解析目的に応じた有限要素の要素タイプを選択する必要があるが,製品モデルに記述される部品の種類の情報を利用することによって,解析に必要となる有限要素の要素タイプを自動的に選定することができた。15EA04:さらに,本研究によって構築したシステムはベースとした製品定義システムに柔軟に対応しているので,単に設計における構造解析ステージだけでなく,生産ステージにおける構造解析に利用を可能とした。その一例として,造船における搭載ブロックの吊り作業における構造解析を支援する概念をシステムとして実現することができた。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】4,900千円 (直接経費: 4,900千円)

【研究分野】船舶構造・建造

【研究領域課題番号】04402036 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

線状加熱 / 板曲げ加工 / シミュレーション / 構造解析 / FEM / CIM / 面内収縮 / 面外変形 / 撓鉄(ぎょうてつ)作業 / シミュレータ / 有限要素解析 / 熱収縮 / 非線形大撓み解析 / 高周波誘導加熱 / 撓鉄 / 曲がり板 / モデル / アイリパラメトリック要素 / 厚板 / 大たわみシェル解析

【研究成果の概要】

造船業では、船体の独特な曲がり形状を実現するために、ガスバーナーを用いて鋼鈑を曲げ加工する技術が不可欠である。この曲げ加工技術は撓鉄(ぎょうてつ)作業と呼ばれ、造船業における固有技能の一つである。本研究では、この撓鉄作業に着目し、計算機を利用したシミュレータを作成することによって、撓鉄作業の技術の伝承、さらに装置化や自動化を実現可能とすることを目的とする基礎研究である。
線上加状は熱加工であるから熱弾塑性解析法が最も有効な解析法であると考えられ易いが、シミュレーションには適すものではないと判断した。そこで本研究では、非線形大暁み解析法である有限要素法による板曲げ問題のための弾性解析法を用いることとした。
先ず、撓鉄作業のシミュレーションを念頭に、撓鉄作業のモデリングについて研究した。特に、線状加熱による面外変形と熱収縮をモデル化するために、外力と拘束条件を検討した。実験結果を用いて、面外変形における荷重条件として、焼き線から一定距離だけ離れた接点に上記の曲げモーメントを付加することとした。さらに熱収縮における荷重条件として、熱収縮を起こす等価な圧縮加重を焼き線から一定距離だけ離れた接点に対してかける外力のモデル化を行った。また、拘束条件としては焼き線の中点に相当する接点を全自由度拘束した。そして、以上のモデル化を考慮した板曲げ加工の実用シミュレータをワークステーション上に構築した。
さらに、構築したシミュレータの有効性を確認するために、シミュレータによって得られる結果と、実験値との比較を行うことによって、曲げ加工シミュレータ用に構築した有限要素プログラムの有効性、および面外変形・熱収縮のモデル化を検証した。その結果としては、シミュレータとしての定性的な変形挙動は充分満足しているものと確認することができた。

【研究種目】一般研究(A)

【研究期間】1992 - 1994

【配分額】15,500千円 (直接経費: 15,500千円)

【研究分野】機械工作

【研究領域課題番号】03452111 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

切削 / 2次元切削 / 切削加工層 / 表面特性 / FEM / シミュレーション / 残留応力 / 残留ひずみ / 形状精度 / 切削加工 / 材質予測 / 組織予測 / 流動応力

【研究成果の概要】

本研究は切削加工により製造される製品または部品の品質,特に加工表面層の状況と切削条件の関係を理論的に予測し,さらにその改善方法を検討するために行われた.前年度までに得られた成果をもとに本年度(最終年度)では以下の成果が得られた.
まず,切削過程をその開始から定常状態まで加工層の状況も含めて,計算機にてシミュレートする際,最も大きな障害である工具刃先前方での工作物の分離条件とその方法を提案・開発し,その妥当性と汎用性について検討した.すなわち提案した分離手法と工作物の具体的な流動応力特性,工具面の摩擦特性を導入し,低速での切削過程をシミュレートし,工作物加工層の残留応力と同ひずみ分布を解析的に求め,切削実験の結果と比較し,提案した方法の妥当性を確認した.
ついで切削中の工作物表面層の残留応力の再配列による工作物の変形量を予測する方法を確した.これを実験と比較しその妥当性を実証し,製品の精度の予測が可能なことを示した.
さらに,工作物表面層内の残留応力の大きさと分布を制御する方法をシミュレーションにより検討した.すなわち加工表面の引張りの残留応力を減少または圧縮応力とするためには,工具切れ刃逃げ面部に垂直応力が作用すれば良いことを示し,残留応力とその分布の制御が可能であり,加工層の品質の改善を示した.
以上により,本研究の目的はほぼ達成されたものと考えられる.

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1993

【配分額】7,000千円 (直接経費: 7,000千円)

【研究分野】機械工作

【研究領域課題番号】63460080 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超精密切削 / 単結晶 / シュミット因子 / 流動応力特性 / 摩擦特性 / 異方性 / 異方性塑性理論 / FEM / 単結晶の流動応力 / 工具すくい面摩擦特性 / 直交異方性 / 異方性塑性体 / シミュレ-ション / 微細切削 / 切削機構 / 切削厚さ / 結晶粒 / 結晶方位

【研究成果の概要】

本研究は、エレクトロニクス、レ-ザ-工学、極短波長光学機器の分野で要求されている超高精度機器を切削加工により安定して得る、いわゆる超精密切削に関するものである。超精密切削は同時に微細切削であり、切削厚さは工作物の結晶粒サイズ以下となり、したがって各瞬間で、面、方位の異なる単結晶の切削が基本となる。
1)微細切削装置の試作と切削状況の観察:理論解析のための切削モデルを確立するために、微細切削時の切り屑生成機構を安定して連続的にSEM内で観察可能な切削装置を試作した。切削厚さ数ミクロンでの切削過程の観察と計測を行い、切り屑生成が連続的であり連続体力学としての取扱いが可能なこと、変形が単純剪断面モデルに近いことを確認した。
2)単純剪断面モデルによる検討:切削方位により剪断角、すくい面摩擦角が変動すること、結晶のすべり理論にシュミット因子を導入することによりすくい面上の摩擦角が既知ならば剪断角が予測可能なこと、さらに単結晶を異方性体と見做いても摩擦角を基礎デ-タとして剪断角の予測が可能なことを示した。
3)単結晶の流動応力特性と摩擦特性の検討:単結晶の剪断試験とすべり理論を基にその流動応力特性を導き、これを基礎とし、摩擦特性式を提案して、その妥当性を確認した。
4)単結晶切削過程のシミュレ-ション:切り屑生成過程を剪断面前後で異なる異方性体の結合と見做し、異方性塑性理論に流動応力特性、摩擦特性を導入した切削過程のシミュレ-ション法を確立し、その妥当性を示した。これにより、切削時の変形場、応力場が理論的に予測可能となり、切削面の定量的評価が期待できる。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1988 - 1989

【配分額】7,300千円 (直接経費: 7,300千円)