【研究領域課題番号】19K12432 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分散ヒートポンプ / CO2 / 最適化 / 再生可能エネルギー / エネルギー貯蔵 / 地域熱供給 / CO2ネットワーク / システム最適化 / ヒートポンプ / 最適設計 / 未利用エネルギー

【研究成果の概要】

本研究では，フロア単位から，建物，そして地域全体に適用可能な，CO2を熱輸送媒体とする分散ヒートポンプシステムである第5世代地域熱供給システムの最適設計基盤を構築し，運用時CO2排出量を大幅に削減することを明らかにした．
すなわち，地域内の離れた場所で同時期に発生している冷・温熱需要地を熱輸送媒体で接続することで局所的な不均一性を平準化し，同時に熱輸送媒体を余剰エネルギーの蓄積に利用することで運用最適化へ大きく寄与することを明らかにした．熱需要特性と未利用エネルギーや再生可能エネルギーのポテンシャルを最大限利用する最適な組み合わせを見出すことで，運用時CO2排出量を最小化する設計指針を導出した．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】計算科学

【研究領域課題番号】16K13736 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

熱輻射 / トポロジー最適化 / 設計工学 / 熱光起電力発電 / 構造最適化 / 最適設計 / 最適化 / 設計

【研究成果の概要】

高温の物体から発せられる熱エネルギーである熱輻射は，一般には非常に幅広いスペクトル分布をもっている．そのスペクトルを自在に制御することができれば，熱エネルギーをより高効率に利用することが可能となる．本研究では，熱物体の表面に微細形状を設けることで，限定的なスペクトル分布をもった熱輻射を行うことのできるメタサーフェイスの設計の方法論を，構造最適化の考えに基づいて構築した．この設計手法を確立することで，数学的および力学的見地に基づき，極めて高性能な熱輻射デバイスの構造の自在な設計を可能にすることができるようになった．

【研究の社会的意義】

太陽電池で用いられる光起電力セルの感度は，波長依存性が高く，特定の波長の光のみに対して高い感度を示す．本研究の成果により，光起電力セルに応じた熱輻射の波長を放射するメタサーフェイスを設計することが可能とする高効率な熱光起電力発電システムの開発に応用できる期待が高まった，また，熱エネルギーの移動を対象とした構造最適化法として，これまで熱伝導と熱伝達を対象としてトポロジー最適化法の構築を行った例はこれまで幾つかの報告がなされていた．しかしながら，熱輻射を対象とした方法は世界的に見ても全く議論が行われておらず，全く未踏の領域となっていたため，本研究の成果は学術界へのインパクトが極めて大きい．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】スポーツ科学

【研究領域課題番号】15H01824 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スポーツ工学 / 連成問題 / 飛行力学 / 用具最適化 / スキル最適化 / 連成最適化 / 筋骨格シミュレーション / 用具とスキル / 同時最適化 / EI値 / 最適化 / 空力 / 筋骨格モデル / 風洞試験 / 多目的最適化 / CFD / MSBS / 最適設計

【研究成果の概要】

人とモノが連成して，最高のパフォーマンスを発揮するような最適用具と最適スキルを提案できる手法を確立した．すなわち筋骨格シミュレーションと飛翔軌跡シミュレーションを同時に行い，遺伝的アルゴリズムによりパレート解（多目的最適化の最適解群）を得る方法の確立である．
具体的な成果は，安全性，改修費，面白いゲームの演出を目的としたクラレ蔵王シャンツェ（ジャンプ台）の最適設計，飛距離最大を目的とした円盤形状の最適設計，競技用車いすの最適設計等である．ジャンプ台や円盤は，提案した形状が実際に採用された．前者では，毎年，世界最高峰のワールドカップ大会が開催されている．後者では，14年ぶりに日本記録が更新された．

【研究の社会的意義】

本研究成果の学術的意義は，スポーツ関連分野ながら、これまで交流の少なかった異なる学問分野間の連成問題をモデル化し，最適解を求める手法を確立したことである．本研究では，真の意味での学際的融合をはかった．つまり，人間の筋活性度と関節角度等の関係を記述する連立微分方程式と飛翔等を記述する連立微分方程式を一挙に解く連成問題としてモデル化した．本手法は，スポーツ連成問題一般に適用可能で，「研究成果の概要」欄に上記した通り，全く別種のスポーツへ適応可能である．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】40,430千円 (直接経費: 31,100千円、間接経費: 9,330千円)

【研究分野】計算科学

【研究領域課題番号】26246047 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

熱電素子 / 構造最適化 / ナノ複合構造 / フォノン / 電子 / 最適設計 / トポロジー最適化 / 最適化 / 設計 / 設計工学

【研究成果の概要】

本研究では，熱電素子のナノ構造に着目し，抜本的に高性能な素子材料を設計するための，構造最適化法の開発を行った．熱電素子のナノ複合構造の特性は格子振動（フォノン）と電子の挙動の両者に依存するため，その複雑な挙動を解明するための，ボルツマン輸送方程式に基づいた数値解析法の開発と，その数値解析法を利用した形状最適化法の開発を行った．これらの方法を用いることで，物理的，及び，数学的な根拠に基づいて最適なナノ複合構造の設計を行う可能性を示した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】40,820千円 (直接経費: 31,400千円、間接経費: 9,420千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】19760062 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

最適化 / システム工学 / 最適設計 / 大域的最適化 / 機械学習 / 機械材料・材料力学 / 逐次近似最適化

【研究成果の概要】

本研究では, RBFネットワークを用いた応答曲面法と大域的最適化法を組み合わせた最適設計支援システムに関する研究を行った. 応答曲面近似に用いるRBFネットワークでは, 近似精度に大きな影響を与えるパラメータについて, 十分条件を導きだし, パラメータを決定する指針を与えた. RBFネットワークによる応答曲面近似と多点同時探索型手法の一つであるParticle Swarm Optimization(PSO)による応答曲面の最適解探索を組み合わせた統合的最適設計支援システムを開発した.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】3,290千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 390千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】12450097 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

構造物 / 振動抑制 / 軽量化 / 最適化 / 制御理論 / H_∞ノルム / 振動制御 / 最適設計 / 制御理論応用 / 精密機器

【研究成果の概要】

本研究では,振動伝達を抑制するように構造物を設計する方法論を確立することを目標とし,全体の質量が一定という制約のもとで最も振動の伝達を抑制する最適構造を求める方法や,振動伝達の抑制と質量の減少2目的を実現するような構造を求める方法を開発した.周波数の異なる振動源が多数存在する場合や,可動部の動作開始時や終了時のように広帯域の周波数成分をもつ過渡的状態の振動抑制のために,振動伝達の指標として,制御理論における周波数応答の評価であるH_∞ノルムを採用した.設計変数は,構造物の部材の断面積や長さである.これら設計変数は,精密機器を積載するなどの構造物の目的に従って,制約された変化しか許されない.
設計変数である部材の断面積や長さは,評価項目の一つである質量と線形の関係にあるが,もう一つの評価項目であるH_∞ノルムとは複雑な非線形関係になっている.そのため,一般に高次元である構造物に対しては,H_∞ノルムの計算時間は非常に長い.そこで,モデルの低次元化が必要となるが,本研究ではモード分解により周波数応答のピークを簡単に求める方法を提案し,大幅な低次元化を実現している.
最適化に関しては,種々の方法を試み,数値的な微分計算を工夫して,勾配法や逐次2次計画法が有用であるという結論に至った.低次元化との組み合わせにより,設計変数が12程度,構造体の振動モードが120程度の最適化問題を30分以内(たとえば,ワークステーション東芝Ultra SPARC II, AS7000,U60使用)で解くことが可能となった.
そうして設計された構造物を試作し,その振動伝達特性を実験によって測定することにより,本研究の構造設計法の有効性を確認した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】14,900千円 (直接経費: 14,900千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】11555028 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高速多重極境界要素法 / 複雑構造物 / カソード防食 / 効率的最適化 / 最適設計 / 最適実施条件 / 初期値設定 / 逆解析 / 多重極境界要素法 / 大規模問題 / 最適化 / 非線形境界条件 / 分極曲線 / 腐食解析

【研究成果の概要】

以下に示すように,高速多重極境界要素法を用いることにより,通常の境界要素法では腐食解析が不可能な程複雑な構造物のカソード防食の最適設計および最適実施条件を決定することのできる解析システムを開発した.
まず,原理的には境界要素法による腐食解析が可能であっても,要素数が膨大となり解析不可能となる程複雑な構造物に対処する特別な方法について展望した.環境の違いや時間の経過による分極特性の変化を考慮した実際の海水ポンプに対する解析結果の実験的検証,真鍮製の管板に固定された数千本のステンレス管に海水を流す熱交換機に対する巨視的分極特性の利用,大型船舶のペイント欠陥の同定やカソード防食用供給電流の最適化手法など様々な研究・工夫を,本研究の位置付けとともに再確認した.展望結果をNACE-Corrosion'99のTopical Symposiumで発表した.
いっぽう,一般に境界要素法においては密行列を係数とする代数方程式を解かなければならないので,大規模な問題を取り扱うためには特別の工夫が必要となる.これに対処するために,ポテンシャル問題や弾性問題などの境界要素解析に対して,計算量をおよび記憶量を減少することのできる高速多重極展開法を利用するための研究が活発に行われている.そこで,この高速多重極境界要素法を腐食解析に利用する方法を開発し,材料学会誌に発表した.
さらに,高速多重極境界要素法をカソード防食の最適化に利用する方法について研究を行った.当初は,等価境界条件法を開発し,これと高速速多重極境界要素法を併用してカソード防食の最適化を行う計画であったが,高速速多重極境界要素法の特徴を生かして逆解析により初期値を設定すれば,等価境界条件法と併用しなくても最適化が効率的に行えることに気付き,この考え方に従って効率的最適化プログラムを開発した.この結果を機械学会計算力学部門で講演発表し,現在,本論文を機械学会論文集に投稿中である.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】12,500千円 (直接経費: 12,500千円)