材料力学手法の環境負荷評価技術への応用

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材料力学の代表的手法である構造解析と信頼性工学を取り上げ、機械製品のライフサイクルの環境負荷への適用性の評価を行った。これまでは、ライフサイクル評価手法は、個々のプロセスごとの環境排出物を積算することによって計算が行われてきたが、必ずしも数学的な取り扱いの厳密性は求めて来なかった。本研究では、材力手法の拡張からマテリアルのバランスを検討し、マトリックスを組み立てる定式化を行うことによって、連立一次方程式の解として環境負荷評価を行う枠組みを検討した。マトリックス法としての定式化を完成させた後に、構造解析で確立している有限要素法技術の導入を行った。この結果、計算効率が飛躍的に向上するばかりでなく、境界条件の不足についても見通しを与えることが可能となった。この結果、与えられた境界条件のもとで、解が求まるか否かの判断を純粋に数学的考察から検討することが可能となった。また、リサイクルのようなループが存在する場合に、従来法では繰り返し計算により収束するまで評価を行ってが、本手法の開発によってどのような条件が不足していることが原因であるかの見通しを得ることが実現された。さらに、ループが多重に存在しても容易に解析が実現できる。データやモデルの不確定性の取り扱いに対しては、信頼性工学手法を導入した。この結果、ライフサイクルアセスメント後に最終的に必要となる改善解析の際、感度解析を有効に活用できることを示した。マトリックス法の導入を確立したことにより、確率有限要素法の適用を実現し、感度分析の評価も容易となった。定式化に基づいてエクセル上のワークシート処理により、マトリックス法による環境負荷分析、感度分析、不確定性解析、影響度解析の一連の流れを実現した。開発したシステムを用いて、複写機、製鉄プロセスを例にインベントリ解析を実施し、システムの性能とともに、重要データの抽出まで実現できることを確認した。