久保 光徳

オートバイのフレーム構造は,軽量かつ高剛性であることが要求される。本研究では有限要素モデルを使用したフレームの形態設計を,寸法最適化問題として定式化した。最適化過程において,断面積が0となる部材を数値計算上取り除くことによって,構造物の形状を変化させることによる形態設計を行った。そのために,有限要素法による構造解析および非線形計画中の罰金関数法と可変計算量を利用し,様々なフレーム形態のバリエーションを抽出することができる形態最適化システムを開発した。代表的な形態であるクレードル型フレームを初期形状とし,その比ねじり剛性を初期設計値に維持しつつ重量を最小とするシミュレーションにより,本システムの妥当性を検証した。さらに,このシステムを,エンジンブロック剛性を考慮したクレードル型フレームの形態最適化設計に応用し,異なる位相形状である高剛性・軽量のダイヤモンド型フレーム形状を得た。

代表的な生物学的形状の一つである骨形状について,力学的な観点からの形状解釈を試みた。形状解釈対象の骨として,豚の上腕骨を使用し,その骨が外界から受ける最も支配的な荷重である圧縮荷重に対する力学的挙動を,圧縮破壊実験および有限要素モデルによるシミュレーションによって解析した。これらの検討の結果,骨は,最小重量を維持しつつも任意の圧縮荷重に効率よく対抗することができる構造物であることが明らかとなった。また,この形状は,圧縮および引張を受ける部分を一定に維持することで無駄のない材料配置を可能にするS字形状,および圧縮荷重を曲げ力とねじれ力に分力して,骨全体で均等に荷重を受けることを可能にする骨軸方向のらせん形状の二形状によって特徴づけられることが明らかとなった。以上の結果より,局所的な検討や二次元的な解析では得ることのできない新しい骨形状の力学的解釈を提案することができた。

感覚的かつ個人差の大きな主観的評価の定量化を目的として,加法性・独立性を前提としない最適評価システムの構築を行った。構築した最適評価システムは,ファジィ測度とファジィ積分を応用した階層化ファジィ積分モデルであり,非線形計画法の中の罰金関数法と可変計量法により構成した。そして,自動車走行時における乗り心地評価にこのシステムを適用し,評価構造の定量化を試みた。その結果,(1)乗り心地評価には振動刺激要因が最も大きく関与し,次いで生理的要因と心理的要因が影響を及ぼし,これら三要因によって評価の大部分が説明できること,(2)各評価要因に関する評価基準の重要度を,ファジィ測度を検討することにより明らかにした。

歴史的所産の代表格とされる漆椀には,多くの優れた特性が秘められている。本研究は,これらのなかでも特に重要とされる熱伝導現象に着目し,形状と材質の両観点からその秘密を解き明かすことを試みた。形状に関しては,椀が有する温度変化を目的変数,形状を説明変数として重回帰分析法により,材質に由来する熱伝導特性に関しては,熱伝導有限要素解析法を用いて検討した。その結果,(1)湯温の低下は薄手な椀の方が少なく,椀温度(胴温)の上昇が大きくなる。これとは逆に,厚手な椀は湯温の低下が大きくなる反面,胴温の上昇は少ない(物理的保温性)。(2)人の温度感覚を反映した感覚的保温性の観点から検討すると,物理的保温性とは逆に,厚手な椀の方が保温性が高いと体感されていることが明らかとなった。得られた結果を総合すると,厚手な椀は中味がさめにくいとされる一般認識や椀の使用法に関する伝承は,相反する物理的保温性と感覚的保温性を,科学的視点に立脚した高い次元で融合させていると判断できる。

Ni-Ti alloys which have large recovery strains and recovery stresses, are used as a functional material. In this study the shape memory effect of clamped Ni-Ti alloys (50.20 and 50.85 at%Ni) has been investigated by tensile tests with heating. Then simulation with a finite element method (FEM) have been carried out to estimate the behavior of the alloys.<BR>The results obtained are summarized as follows:<BR>(1) Dislocation would be generated by slip when a clamped specimen is heated, then it induces internal stress. As a result, on the first heating recovery stress appeared unstable, while on the second heating it became stable and could exceed the first one relatively.<BR>(2) The generation of recovery stress played an important role in obtaining a high apparent Young&rsquo;s modulus.<BR>(3) FEM analysis proved that the apparent Young&rsquo;s modulus and the stress generated inside the structure could be controlled by the recovery stress.

ある力学的条件下における適応形状の多様性を明らかにするために,節点の座標値のみで形状を表すことができる二次元トラス構造の有限要素モデルを定義し,力学的適応形状シミュレーションを実施した。シミュレーションでは,設計変数の変化量を乱数により決定するランダム探索法を,形状探索に応用することを試みた。まず,折線状構造の節点間最短距離問題にランダム探索法を適用し,本形状探索アルゴリズムの妥当性の検討を行った。さらに,この形状探索法を用いて基礎的トラス構造の形状を〔応力分岐値〕〔総重量〕の観点から検討し,力学的適応形状探索の可能性を確認するとともに,この適応形状の多様性を示した。また,本探索法の実用性を示すために,可変形状トラス構造の形状制御を試み,多様性に起因する様々な形状変化プロセスを確認した。本研究で構築した形状探索法により,基礎的トラス構造物や可変形状トラス構造のような動的構造物における,力学条件下での形状多様性を示唆することができた。

居住環境を構成する建材23種類(有機質材料20種類・無機質材料3種類),植物精油8種類,芳香剤2種類の計33種類の有香物質が有するニオイを対象として,官能評価実験を行った。得られた結果を因子分析法を適用して解析した結果,ニオイの評価構造は[認容性・嗅質性・力量性]の3因子により構成されていることが判明した(累積寄与率:89%)。建材のニオイは,認容性と嗅質性の2軸で構成される平面により,[天然有機質材料,無機質材料,人工有機材料]の3種類に分類することができた。また,木材や畳は建材のなかでは最も快く,素朴で自然なニオイを有している。木材精油のニオイは,木材と同程度に自然であると体感され,ジャスミン精油や樹葉精油に比較して素朴で自然なニオイを有していることが明らかとなった。これは,モノテルペン類の含有量が少ないことに起因している。一方,ニオイ評価に視覚情報を与えることにより,嗅質性や力量性の評価において評価差が現れることが判明した。なお,男女間のニオイ評価には有為な評価差は認められなかった。

Ni-Ti is known as one of the most excellent shape memory alloys because it has large recovery strain and recovery stress. However, shape memory effect (SME) is much affected by its composition, heat treatment and strain at heat treatment.<br>Five compositions of Ni-Ti alloys [50.0-52.0 (at%Ni)] were chosen and treated at various temperatures [573-873(K)] and for various times [15min-4hr]. Then the measurements of shape change, transformation temperature and tensile mechanical properties were carried out.<br>Moreover, the all-round shape memory effect (ARSM) of Ni-rich specimen [51.0 at%Ni] was examined after thermal cycle, strain cycle and exposure to high temperature.<br>The results obtained are summarized as follows:<br>(1) Ti-50.0 at%Ni alloy could induce good SME.<br>(2) Pseudo-elasticity (PE) was much affected by the composition of alloy and heat treatment.<br>(3) Compositions in a range from 51.0 at%Ni to 51.5 at%Ni and heat treatment at a range from 673K to 723K were most effective in increasing reversible shape memory effect (RSM). While PE declined with increasing strain, strain below 1% was effective in enhancing ARSM. Moreover, heat treatment below 623K for a short time made RSM opposite.<br>(4) Thermal cycle was effective in enhancing ARSM because it increased shape change and hysteresis. Exposure above 473K induced abnormal ARSM.

ハイブリッド複合材料を自動車用サスペンションに応用することを目的として、最適バネ形状の探索とそれに要求される材料物性値との関係を比較、検討した。検討に際しては、乗り心地が良いと体感されるサスペンション仕様について考察を加え、[固有振動数、バネ定数、たわみ量、ストローク]に対する規定値を設定することにより実施した。そして、第一段階として、これら規定値を満足する基本形状を定め、有限要素法による応力解析を併用して形状の修正を行った。修正に当たっては、荷重負荷時に発生する圧縮側応力・引張側応力・せん断応力の分散状況やこれら応力値が最大となる部位、およびたわみ量を検討した。その結果、せん断応力の低減化が問題解決の最優先課題であることが判明した。そこで、このせん断応力低減化に有利な楕円形状を設定し、第二段階として、この楕円形状に対する詳細設計を実施して最適形状を決定した。最後に、これらの検討結果を踏まえて、本ハイブリッド複合材料を使用した楕円形状バネの懸架方法を提案した。

Ni-Ti is known as one of the most excellent shape memory alloys because it has large recovery strain and recovery stress. However, shape memory effect (SME) is much affected by its composition, heat treatment and strain at heat treatment.<br>Five compositions of Ni-Ti alloys [50.0-52.0 (at%Ni)] were chosen and treated at various temperatures [573-873(K)] and for various times [15min-4hr]. Then the measurements of shape change, transformation temperature and tensile mechanical properties were carried out.<br>Moreover, the all-round shape memory effect (ARSM) of Ni-rich specimen [51.0 at%Ni] was examined after thermal cycle, strain cycle and exposure to high temperature.<br>The results obtained are summarized as follows:<br>(1) Ti-50.0 at%Ni alloy could induce good SME.<br>(2) Pseudo-elasticity (PE) was much affected by the composition of alloy and heat treatment.<br>(3) Compositions in a range from 51.0 at%Ni to 51.5 at%Ni and heat treatment at a range from 673K to 723K were most effective in increasing reversible shape memory effect (RSM). While PE declined with increasing strain, strain below 1% was effective in enhancing ARSM. Moreover, heat treatment below 623K for a short time made RSM opposite.<br>(4) Thermal cycle was effective in enhancing ARSM because it increased shape change and hysteresis. Exposure above 473K induced abnormal ARSM.

エレクトリックギター用材料に適した新しい材料選択基準を求めるため、音色に強い影響を与えるヤング率、振動損失、密度、そして周波数スペクトル分布に代表される物理特性と、エレクトリックギターの音色としての「ふさわしさ」に対する評価尺度である感覚特性との相関関係について検討した。木材、プラスチック、金属に対する打撃振動、および振動音測定実験を行い、物理特性および音響特性の解析を行った。感覚特性は、これらの振動音の、エレクトリックギターに対する、相対的な「ふさわしさ」であるため、一対比較法を用いた官能評価実験により解析を行った。本研究によって解析された物理特性と感覚特性との関係を明確にするため、典型的な楽器用材料選択基準による評価を行うと同時に、これらの特性の相関式を、重回帰分析法に従って求め、エレクトリックギター用材料選択基準の検討を行った。これらの検討より、選択基準の説明因子である密度、特にその値の対数値とヤング率の影響が重要であることが明らかとなった。さらに、密度やヤング率を操作できる材料である繊維強化複合材料(GFRP、CFRP)の、エレクトリックギター用材料としての有効性について検討し、高剛性、低密度であるCFRPの利用可能性を確認した。

様々な事象において,適切な認知を与える信号音の開発を目的として,音に対する人間の感覚特性とその音の物理特性との相関関係を検討した。実験は,音色を決定するスペクトル分布を直接操作することにより評価標本としての信号音を合成し,これらの信号音に対する官能評価実験を行い,主成分分析・双対尺度法を用いて,信号音の音色イメージや終了音,警告音,呼出音としての用途別適性を考察,検討した。一方,数量化理論I類を用いて,信号音の音色イメージや用途別適性と音の物理特性および音のスペクトル分布操作によるイメージへの影響を示す操作特性との相関関係の解明を試みた。その結果,各周波数に対応したパワースペクトルの相対的な大小関係や倍音構成などが,音に対する透明感,重厚感そしてこれらの感覚に起因する快適感を有効に操作する要因であることが明らかとなり,この操作法に従って,よりふさわしい終了音,警告音,呼出音,呼出音の提案を行った。