テラメカニックス,計算力学,接触問題

有限要素―離散要素法(FE-DEM)によるオフロードタイヤのけん引性能解析

オフロード車両用のタイヤの走行性能は,路面の土とタイヤのトレッドパターンの接触状態に左右されます。したがって,性能予測は,典型的な非線形問題の一種であり,近似解法である数値解析を援用することになります。本研究では,タイヤならびに走行には直接関与しない深層土部分を有限要素モデル,タイヤの接触を受ける表層土を離散要素モデルとしてタイヤの走行性能解析を試みています。既に2次元問題として有限要素ー離散要素法(FE-DEM)解析プログラムを開発し,空気圧の比較的高い状態かつタイヤのたわみが無視できる条件での解析に適用して成果を上げています[資料1][資料2]
現在は,オフロードタイヤに典型的に見られる低圧状態でのタイヤの大たわみを想定した高精度なモデル手法の開発ならびに解析の3次元化についての研究を行っています。

月惑星のテラメカニックス

「かぐや」に次ぐ新たな月探査計画として,月面着陸ならびに無人探査ミッション(SELENE-2)が2010年代半ばをメドにJAXAで計画されています。本研究においては,NASDA(現JAXA)時代の共同研究成果を踏まえて,離散要素法(DEM)を適用して,将来の探査車両用が走行する月面でのラグを有する剛性車輪の各種走行性能を数値シミュレーションにより予測できることを既に発表しています。デモ:ラグ付き剛性車輪の斜面走行解析
また,月面のような低重力場での月面模擬土(レゴリスシミュラント)のせん断抵抗を予想するために,低重力条件で2次元DEMによる回転刃を用いた切削解析より比掘削抵抗を求め,低重力航空機実験結果と検証することで,各種低重力条件に対して,比掘削抵抗は線形近似で表わせることを示しています[資料3]
さらに,同様の航空機実験結果をもとに,低重力時の砂(豊浦砂)の安息角生成について数値解析的な検討を行ない,DEMの転がり摩擦係数ならびに粒子間摩擦係数について安息角への影響を明らかにしました。 デモ:砂の安息角生成のDEM解析

離散要素法(DEM)の高精度化に関する基礎的研究

テラメカニックスにおいては,土や岩などが機械の作用対象となります。このような粒状体からなる物体の挙動を解析する手法としてよく用いられる離散要素法(DEM)について,合理的なモデルパラメータの決定方法という観点から,単純な土の状態測定手法であるコーン貫入抵抗試験を援用し,DEMの要素半径と密度を制御しやすい市販粒状材料を用いた貫入抵抗測定と2次元DEM解析や3次元DEM解析により,数値解析の精度とパラメータの関係,さらには実際の土(豊浦砂)とDEMモデルにおける貫入抵抗挙動の意味を研究しています。
また,土槽実験やタイヤのけん引性能解析で重要になる土のパラメータ計測方法として欧米でよく用いられているBekker法について,高精度測定の観点から検討しています。さらに,3次元DEM解析プログラムの高速化についても検討しています。

土の切削に関する基礎的研究

土の切削は,農業機械や建設機械の作業において特徴的な力学現象です。この問題への離散要素法(DEM)や粒状要素法(GEM)の適用にあたって,簡単な切削条件として平刃を対象とした高精度な切削実験計測を行っています。 また,将来の各種切削条件についての数値解析的な検討に向けた切削解析のプログラム開発ならびに実験結果との比較検討によるアルゴリズムの検証を行っています。

根の伸長肥大のモデリング

生物反応の数理モデル化の一環として植物根の伸長肥大に着目し,根の伸長の形は主として根圏に存在する周辺土との物理的接触に支配されるとの立場からモデリングを行っています。具体的には,根と土を離散要素で表現し,根と土に2次元DEMを適用するとともに,根の伸長を,圧縮バネをもつ根要素が旧ステップ時のバネ伸長が止まると適宜配置することで表現して力学問題として解析する手法を開発しています[資料4]
現在は根の肥大成長のモデリングについて研究しています。

車体屈折式操舵車両の旋回性能の向上

重要な建設機械の一つであるホイールローダーは,車体屈折という独特の操舵機構を有しています。この車両の旋回性能の高精度解析と機構上の限界操舵範囲を拡大するために,テラメカニックスを考慮したタイヤモデルの開発と旋回シミュレーション手法を検討しています。また,車両の片側前後タイヤにブレーキ制動を与えたときの車両の運動を計算機上で解析しています。さらに,実機を用いた旋回実験結果により数値解析の妥当性を評価するとともに,実際の旋回半径を計測し,制動による旋回半径の変化を実測することで効果を確認しました。
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