新機能複合材料の力学解析法と最適設計法の開発

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新機能複合材料を開発するにあたって,これまでに短繊維を理想的に分布し,局所異方性を実現した材料の最適設計手法を提案した.これは遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithm;GA)と層別最適化(Layerwise Optimization;LO)法を組合せた手法であり,膨大な設計候補を有する多層最適化問題を単層の探索問題の繰り返しに帰着する手法である.一度に全層を探索するよりも探索時間は長くなるが,より正確に解の探索を行え,多層板に対しても精度の良い解が得られることが特長である.本手法により求めた短繊維を理想的に分布した板は,従来の板よりも高い固有振動数を与えた.また,短繊維はある程度傾向を持って配向することがわかったため,連続した曲線状の繊維によって強化し,局所異方性を実現した板も均質異方性板より優れた性能を有する可能性があることを確認できた.短繊維を最適に分布する材料は実現不可能な理想的な材料であるが,曲線状繊維により複合材を強化することは可能である.そのため,曲線状の繊維形状を最適に設計する手法を提案した.曲線状の繊維形状はスプライン関数を用いて表現し,振動解析手法としてはリッツ法を用いた.リッツ法は有限要素法(FEM)に比べて板形状の自由度には劣るが,計算速度の面で有利である.最適化には汎用性が高い単純遺伝的アルゴリズムを用いた.繊維配向角度が連続に変化するという制約があるため,従来の平行繊維板からの基本振動数の改善量は,短繊維を理想的に分布した場合よりも劣るが,平行繊維によって強化された均質異方性板よりも高い固有振動数を与えることが確認できた.しかしながら,連続繊維の場合は,平行繊維が有利である条件が存在することもがわかった.