CFRPのプロダクトライフサイクル予測を可能にするマルチスケール計算科学の創生

本研究の目的は，炭素繊維強化樹脂（CFRP）のプロダクトライフサイクルを一貫したプロセスシミュレーションが可能な解析手法を開発することである．この目標に向けて，2022年度は，CFRPのプロダクトライフサイクルにおける，使用時の力学挙動のシミュレーションを実現するためのデータ駆動型マルチスケール解析手法を開発した．CFRPの巨視的（マクロ）スケールな力学的挙動は，その微視的（ミクロ）スケールにおける材料構成と配置によって決定される．そのため，CFRP製品のシミュレーションでは，ミクロとマクロ両方のスケールにおける力学挙動と，その相互作用を考慮するマルチスケール解析を実施する必要がある．しかし，従来のマルチスケール解析手法で必要とされるマクロ構成則（マクロスケールにおける力学挙動を精確に表現可能な数理モデル）をCFRPに対して定式化することは至難の技である．そこで本研究では，データサイエンス技術に基づいて，マクロ構成則の代理モデルを作成し，マルチスケール解析を実施する手法を開発した．具体的には，まずCFRPのミクロ構造を模した数値解析モデルを変形させる数値実験を実施することで，マクロな力学挙動のデータベースを構築する．このデータベースを用いて機械学習を実施することで，CFRPに変形が与えられた時に発生するマクロ応力を算出可能な連続関数を作成する．得られた連続関数を均質化構成則の代理モデルとして使用してマクロ解析を実施し，直接解析（CFRPのミクロ構造を製品の数値解析モデルに直接反映して解く手法．信頼できる解を得るためには大きな計算資源と計算時間を必要とする．）と同等の結果が得られることを確認した．以上の研究成果について，３件の学術会議にて発表し，原著論文を国際誌に投稿した．

本研究の目的は，炭素繊維強化樹脂（CFRP）のプロダクトライフサイクルを一貫したプロセスシミュレーションが可能な解析手法を開発することである．この目標に向けて，2022年度は，CFRPのプロダクトライフサイクルにおける，使用時の力学挙動のシミュレーションを実現するためのデータ駆動型マルチスケール解析手法を開発した．CFRPの巨視的（マクロ）スケールな力学的挙動は，その微視的（ミクロ）スケールにおける材料構成と配置によって決定される．そのため，CFRP製品のシミュレーションでは，ミクロとマクロ両方のスケールにおける力学挙動と，その相互作用を考慮するマルチスケール解析を実施する必要がある．しかし，従来のマルチスケール解析手法で必要とされるマクロ構成則（マクロスケールにおける力学挙動を精確に表現可能な数理モデル）をCFRPに対して定式化することは至難の技である．そこで本研究では，データサイエンス技術に基づいて，マクロ構成則の代理モデルを作成し，マルチスケール解析を実施する手法を開発した．具体的には，まずCFRPのミクロ構造を模した数値解析モデルを変形させる数値実験を実施することで，マクロな力学挙動のデータベースを構築する．このデータベースを用いて機械学習を実施することで，CFRPに変形が与えられた時に発生するマクロ応力を算出可能な連続関数を作成する．得られた連続関数を均質化構成則の代理モデルとして使用してマクロ解析を実施し，直接解析（CFRPのミクロ構造を製品の数値解析モデルに直接反映して解く手法．信頼できる解を得るためには大きな計算資源と計算時間を必要とする．）と同等の結果が得られることを確認した．以上の研究成果について，３件の学術会議にて発表し，原著論文を国際誌に投稿した．