複合材料から成るシェル構造の形状·板厚の2段階最適化

摘要

シェル構造は薄板を3次元的に加工して得られる構造体であり，近年では複合材料の使用も増加している．それにより単一材料では得られない新たな特性を得ることができ，シェル構造の高性能化や軽量化への寄与が大である．使用材料の決定下でシェル構造の最適設計を考えた場合，構造特性の改善や軽量化に対する影響が最も大きいものは形状を変数とする場合である．著者らはこれまでの研究でシェル用のフリーフォルム最適化手法を提案しているが，等方性材料に限られていた．本研究では，新たに複合材料を想定した直交異方性材料からなるシェル構造に対し，フリーフォルム最適化手法を適用し，異方性が最適形状に与える影響を調べた．更に，板厚を設計変数にした寸法最適化を追加した2段階最適化も行った．形状最適化では板厚一定が仮定されるが，形状最適化に続き，板厚最適化を行うことにより，より力学特性の優れた複合材料から成るシェル構造の設計が可能となる．なお，最適設計問題としては，コンプライアンス最小化問題を対象とした．直交異方性材料の影響は，ヤング率比と材料方向をパラメータとしながら比較検討した．