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製造変動を含む自動車および航空宇宙複合材構造の設計および解析方法

本論文概要は、[‘ResearchGate’発行の「製造変動を含む自動車および航空宇宙複合材構造の設計および解析方法」]論文に基づいて作成されました。 1. 概要： 2. 抄録 本論文では、複合材自動車構造およびサブシステムの設計段階における製造および形状誘起変動（MV, Manufacturing and geometry-induced variations）の潜在的な相互作用をモデル化するためのアプローチを提示します。最初に、製造変動の取り扱いを中心に、一般的な設計プロセスについて議論します。次に、高度な複合材自動車サイドフレームを用いて、そのような変動の影響を実証します。自動車サイドフレームの耐衝撃性実証に適用される一般的な方法は、典型的な航空宇宙構造の強度予測に拡張できます。面外波状性（out-of-plane waviness）のような実際の製造変動は、部品内の位置とともに破壊試験によって記録され、その後、Abaqus Explicit [1] で設定されたFE（有限要素）モデルに導入されました。可変領域はノックダウン係数（knockdown factors）に関連付けられ、その一部は補完論文 [2] で導き出されました。異なるMVマップを持つ2つのFEモデルが実験結果に対して検証されました。 複数のMV特性のレベルは、確率的に同時に変化させられ、インパクタ侵入への影響が記録されました。これから、応答曲面モデル（RSM, Response Surface Model）が生成されました。すべてのノックダウン係数を分離し、MVの影響を個別に評価することを可能にする新しい最適化手法も使用されました。その結果は、各MVに対する最大許容特性です。この方法論は、スクラップ率の低減、高価な資格試験プログラムの削減、および未知の製造変動を考慮するための過剰な安全係数の使用の排除によって部品重量の削減を可能にするため、大量複合材製造および設計に大きな利点をもたらします。 3. 研究背景： 研究テーマの背景： 複合材の設計と製造は、部品製造の過程で必然的に製造変動（MV, Manufacturing Variations）を伴います。これらのMVは、部品の形状、レイアップシーケンス、および加工条件に依存し、剛性や強度などの複合材構造物の機械的特性に大きな影響を与える可能性があります。平板試験片から得られた機械的特性とは異なり、実際の部品はMVを示すため、保守的でない設計許容値につながる可能性があります。 既存研究の現状： 現在の航空宇宙産業の実践では、MVを考慮するために、設計プロセスにいくつかの要素を組み込んで、ロバスト性を確保しています。重要な要素は、ノックダウン係数（knockdown factors）を公称材料特性に適用して導き出された許容値（allowables）の使用です。「ビルディングブロックアプローチ（Building Block Approach）」に基づいたこの方法は、広範な試験と非破壊検査（NDI, Non-Destructive Inspection）に依存しています。しかし、大量生産の自動車製造環境では、NDIは時間とコストの制約のために非現実的な場合が多くあります。既存の方法では、MVを考慮するために構造強度を全体的に減少させる方法を使用していますが、これは過度に保守的である可能性があります。 研究の必要性： 航空宇宙産業のアプローチは効果的ですが、生産量とコストの考慮事項から、大量生産の自動車複合材製造に直接適用することは困難です。製品開発プロセスにおいてMVを考慮し、設計プロセスと製造プロセスの両方に情報を提供する方法論が必要です。これには、重要なMVを特定し、ダイカストアルミニウム部品の設計で多孔性を明示的に考慮するアプローチと同様に、MVの影響を軽減するために製造プロセスを最適化することが含まれます。 4. 研究目的と研究課題： 研究目的： 本研究の主な目的は、複合材自動車および航空宇宙構造物の設計段階において、製造変動（MV, Manufacturing Variations）を明示的に組み込む設計および解析方法論を開発し、実証することです。この方法論は、構造的性能を維持しながら製造プロセスを最適化し、過度に保守的な安全係数への依存を減らすために、MVに対する許容限界を定義することを目的としています。 主要な研究課題： 研究仮説： 本研究は、以下の仮説を暗黙的に含んでいます。 5. 研究方法論 研究デザイン： 本研究では、実験的試験と数値シミュレーションを組み合わせたアプローチを採用しています。複合材自動車サイドフレームのケーススタディを使用して、方法論を実証します。設計は、複合材車両に合わせて調整された「ビルディングブロックアプローチ（Building Block Approach）」を使用して反復されます。 データ収集方法： 分析方法： 研究対象と範囲： 本研究は、自動車および航空宇宙用途の複合材構造に焦点を当てており、特に自動車サイドフレームをケーススタディとして使用しています。範囲には、面内および面外波状性（in-plane

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