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移動格子有限体積法の展開と応用に関する研究
Get PDF京都工芸繊維大学博士（工学）In this paper, the Moving-Grid Finite-Volume Method (MGFVM) has been developed and has been applied to various flow problems. The MGFVM is the numerical method suitable for simulations of an unsteady flow driven by moving boundary, such as a body moving in a fluid. The MGFVM is a finite-volume method constructed based on a four-dimensional control-volume in the space and time unified domain (x, y, z, t); therefore, the method satisfies automatically both geometric conservation laws (GCL) and physical conservation laws simultaneously. Three kinds of developments of the MGFVM have been performed in this paper. Firstly, the MGFVM has been extended to unstructured grid system. For compressible flows, it has been developed on both structured grid system and unstructured grid system. For incompressible flows, however, it has been developed on only structured grid system. Thus, in this paper, the detailed formulation of the MGFVM for incompressible flows on unstructured grid system has been described and it has been validated using test problems. Secondly, the MGFVM has been applied to the simulation of fluid-body interaction. As is well known, “Digital Flight” is a recent grand challenge in the research field of computational fluid dynamics. In this paper, as a one of the approaches to the Digital Flight, the simulation procedure of fluid-body interaction using the MGFVM is presented. The MGFVM for fluid-flow solver, the Forward-Euler finite-difference scheme for body-motion solver and the Quaternion for representation of body-rotation are combined in order to solve the system of the fluid-body interaction in the procedure. The approach has been applied to a floating motion of “Fukidama”, a flying motion of “Boomerang”, a fall motion of “Parachute” and a swimming motion of “Jelly-fish”. The results have shown excellent agreement with experimental data. Finally, in order to refine a resolution of flow solutions at discontinuity existing in flow field, a “Neural network” approach has been combined with the MGFVM. The neural network is a system of programs that simulates the operation of the human brain. In this paper, an adaptive mesh refinement has been implemented using the information of the flow discontinuities such as shock wave detected by the neural network of spatiotemporal visual processing. The results have shown good improvement of the resolution at the discontinuities
A Method for Reducing Organic Compounds Using Electron-transfer Reactions and its Applications to Organic Synthesis
Get PDF京都工芸繊維大学博士（工学）本論文序論第１章に続く第２章から第５章においては、その高い還元電位のためにこれまで電極還元することが困難であった脂肪族エステル、脂肪族アミド、クロロシラン類、クロロゲルマン類などの有機化合物の電極還元を可能とするマグネシウム電極を用いた電極還元法について述べている。通常電極反応では、電極の役割は電子のドナーもしくはアクセプターであり、反応試薬として反応に関与しないが、申請者が見出したマグネシウム電極を用いる電極還元法では、電極は電子のドナーもしくはアクセプターとして働くだけでなく、反応試薬としても作用する。 上述のマグネシウム電極を用いた電極還元法を用いることにより、様々な反応を見出し、代表例として脂肪族エステル、脂肪族アミドを、プロトン源としてｔ－ブタノール存在下に還元することにより、対応する１級アルコール、アルデヒドを、またアプロティック条件下では１，２－ジケトン、アシロイン縮合物、ならびに他の特異なカップリング化合物を得た。また、クロロシラン類ならびにクロロゲルマン類を電極還元した場合には、機能性ポリマーとして知られているポリシラン、ポリゲルマン、シランゲルマンコポリマーの合成に成功した。 本論文第６章ではポリシランの実用的製法について述べている。申請者は上記電極反応を用いたポリシランの工業化検討を通じて、還元剤として取扱い容易な粒状の金属マグネシウム、触媒として塩化リチウムと塩化亜鉛などのルイス酸触媒、溶媒としてテトラヒドロフランを用いることにより、汎用の化学反応装置を用いて室温程度の温度条件で撹拌するのみでポリシランを合成できる製法を見出した。さらに本反応の反応機構解析を行い、シリルアニオンを活性種とするアニオン機構で進行していると考えるのが妥当であるという結論に至った。本製法を用いることにより様々なタイプのポリシランを合成できることを見出した。本成果を活用してポリシランを工業生産することに成功し、大阪ガスケミカル株式会社にて2001年以降ポリシランを工業生産するに至り、工業的にも学術的にも有意義である。 本論文第７章では、前章で得られたポリシランを用いる用途開発研究について述べている。都市ガス導管に幅広く用いられているポリエチレン管の接合には、融着界面に通電して溶融接合させるＥＦ継手が主に用いられている。屋外で融着作業を行う場合、融着界面に砂などの異物が付着することがあり、融着強度の低下を招く可能性のあることが知られている。本章ではポリシランを融着界面にコーティングすることにより、砂が付着した場合においても融着強度の低下を抑制できることを見出した。また、その機構解明を行った結果、ポリシランがポリエチレン層深くにまで浸透しており、ポリエチレンと相溶することによりポリエチレンの溶融粘度を低下させていることがわかった。その結果、融着界面に砂などの異物が存在した場合であっても空隙を埋め、融着強度の低下を抑制しているものと考えらえる。本成果はポリシランの独創的な新用途として期待される
A NUMERICAL APPROACH FOR THE INJECTION MOLDING PROCESS OF SHORT-FIBER-REINFORCED COMPOSITES WITH CONSIDERING FIBER ORIENTATION
Get PDF京都工芸繊維大学博士（学術）Being able to measure the fiber orientation distribution in the injection-molded composite parts is of considerable importance, since the distribution locally affects the mechanical and physical properties of the final part such as its strength, impact toughness, internal stress, and fatigue properties. In this study, I experimentally measured the fiber orientations in two injection-molded specimens produced from short-glass-fiber-reinforced plastic using plate-shaped cavities with and without a weld-line. As the results, the following technical findings were obtained. (1) The fiber orientation distributions were observed directly using a high-resolution three-dimensional (3D) X-ray computed tomography (CT) system XVA-160α. A simple method based on a series of X-ray CT images was developed to measure the orientation angles of the individual fibers. Thus, precise 3D calculations of the fiber orientations related to the second-order orientation tensor components were performed to obtain a consistent description of the observed behavior. This thesis explored a novel and powerful technique for observing and measuring fiber orientation, which can be used to test fiber orientation predictions. (2) I proposed a developed fiber interaction model that has been introduced a fiber dynamics simulation in order to obtain a global fiber interaction coefficient. This supposed that the coefficient is a function of the fiber concentration, aspect ratio, and angular velocity. This model has been developed and incorporated into simulations of injection molding with the emphasis on predicting final orientation pattern. The simulation was exercised for a variety of cases and showed a good agreement with experimental results. (3) A study on surface properties of embossed decorative injection-molded parts by experimental methods and numerical analysis was carried out. Herein, the behaviour of fountain flow in cavity filling on surface quality was discussed in detail. Finally, an approach to producing a favorable surface quality by considering the fiber orientation prediction of final part was proposed.The thesis includes 6 chapters as follows:Chapter 1 "Introduction" introduces about how interesting Fiber reinforced plastic composite is, how important fiber orientation in FRP is,and about motivation, major findings in this thesis. Chapter 2 "Measurement Of Fiber Orientation Distribution In Injection-Molded Short-Glass-Fiber Composites" explains about experimental method to measure the fiber orientation distribution. Chapter 3 "Fundamental Orientation Theory" gives the information of fiber orientation theory and show how to model the fiber-fiber interaction in fiber-reinforced plastic. Chapter 4 "Numerical Approach For Fiber Orientation In Injection-Molded Short-Fiber/Thermoplastic Composites" introduces a numerical approach for fiber orientation in injection-molded short-fiber/thermoplastic composites using proposed model described in chapter 3. Chapter 5 "A Numerical And Experimental Study On Surface Properties Of Embossed Decorative Injection-Molded Parts" investigates the influence of the fiber orientation on the surface properties. Chapter 6 "Summary And Conclusion" provides general summary and conclusion of this thesis
Study on Regularized Lattice Boltzmann Method for High Reynolds Number and Turbulent Flow Simulations
Get PDF京都工芸繊維大学博士（工学）In this work, regularized lattice Boltzmann method (RLBM) was studied as a novel approach for applications in high Reynolds number and turbulent flow simulations. The effectiveness of the method is demonstrated by conducting simulations of two-dimensional lid-driven cavity flow, flow past two-dimensional circular cylinder, two- and three-dimensional homogeneous isotropic turbulence flows, and three-dimensional turbulent flow past circular cylinder. RLBM is a variation of single-relaxation-time lattice Boltzmann method (LBM) in which the collision term is regularized by using Chapman-Enskog expansion to derive the non-equilibrium part of the distribution function. Since the collision term is regularized, unlike the Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) collision model, RLBM is more closely related to the multi-relaxation-time LBM (MRT-LBM). The advantages of RLBM over the standard LBM are improved numerical stability while maintaining the collision simplicity and lower memory usage. RLBM algorithm is also as simple as LBM. The flexibility of boundary condition implementations similar to the standard LBM, such as bounce-back boundary condition or non-equilibrium extrapolation boundary conditions. An RLBM code was developed for two- and three-dimensional incompressible flow simulations. The code was also written for parallel implementation using OpenMP. For two-dimensional case, simulations were conducted for the lid-driven cavity flow, flow past two-dimensional circular cylinder, flow past two-dimensional square cylinder in a channel and two-dimensional homogeneous isotropic turbulence. Results from these simulations were compared to the traditional finite difference Navier-Stokes solver, entropic lattice Boltzmann method (ELBM) and pseudospectral (PS) method. For three-dimensional case, simulations of three-dimensional homogeneous isotropic turbulence and turbulent ow past a circular cylinder were conducted. For these cases, the effect of under-resolved mesh was studied and compared to the large-eddy simulation based LBM (LES-LBM). Results from RLBM simulations were found to agree very well with the other mentioned methods. Results from two-dimensional flow simulations for all test cases were found to be in good agreement with the standard LBM, ELBM and PS method if the flow is well resolved. For under-resolved simulations, RLBM produced excellent pressure field without unphysical oscillations. A closer observation of the results showed that some form of artificial viscosity is inherent in RLBM. Although the phenomena itself is not necessarily bad, care must be taken when conducting RLBM simulations. The three-dimensional homogeneous isotropic turbulence simulations were conducted specifically to study the behavior of this artificial viscosity. It can be concluded that for well resolved simulations, the damping effect of artificial viscosity is negligible. For under-resolved simulations, the damping effect was found to filter-out high wave number component of the flow simulations. The effect of the artificial viscosity could be beneficial for turbulence simulations. In most engineering applications, the flow simulations cannot be fully resolved due to computational cost and hardware issues. Therefore, the use of turbulent model or modeling the small eddy effect such as in large-eddy simulation is unavoidable. The artificial viscosity effect inherent in RLBM could be valuable for this type of flow simulations. Since turbulent modeling is empirical, fine tuning the parameters can be tedious, whereas large-eddy simulation such as Smagorinsky subgrid model also contains empirical parameters. RLBM's inherent artificial viscosity can alleviate this problem. With no explicit turbulent model, RLBM simulations for under-resolved flow can be considered as implicit large-eddy simulations. The conclusions of this work are that RLBM significantly improves the numerical stability of the standard LBM, it is a feasible method for high Reynolds number flows or turbulence and it is as efficient as the standard LBM while using less memory.This thesis explores the possibility of using regularized lattice Boltzmann method as an implicit large-eddy-simulations tool. The detail development of the method and its related variant is provided in details
組物複合材料シャフトの内部構造および力学的特性に関する研究
Get PDF京都工芸繊維大学博士（学術）本論文では、組物複合材料シャフトの内部構造および力学的特性の設計手法構築に関する研究を行った。スポーツ用品に使われる複合材料の主な製法は「内圧成形」、「シートワインディング(SW)製法」であり、これらは手作業により成形している。スポーツ用品の中でゴルフシャフトは複合材料の代表的な製品であり、それらの殆どはSW製法である。SW製法が労働集約的な製法であるのに対し、組物複合材料は機械化・自動化が可能な製法であり、かつ、長手方向に配向する中央糸と組糸による3軸構造で設計自由度が高いことが特長である。しかし、組物複合材料の設計は、内部構造を決定するパラメータ、繊維束断面形状、繊維束断面積、繊維束間距離、繊維配向角度が相互に影響し変化するために難しく、さらに、シャフトのような製品表面の平滑性が必要な場合は組糸の交差により発生する複合材料表面の凹凸を研磨する必要がある。その問題を解決するため、まず熱硬化製樹脂組物複合材料において、クリンプ構造および研磨量が力学的特性に及ぼす影響について検討した。次に、内部構造予測手法を確立し、ゴルフシャフトの厚さ設計、曲げ剛性設計に適用できることが明らかにした。さらに、生産の自動化、短サイクル化の可能性を有する熱可塑性樹脂組物複合材料において、熱硬化性樹脂複合材料において確立した内部構造予測手法が適用できるか検討した。本論文では全8章で構成されており、以下にその内容を示す。 第1章では、本研究の背景とその必要性を述べ、本研究を行うに至った経緯を述べた。 第2章では、組物複合材料パイプの中央糸の割合および組糸のクリンプ構造が力学的特性に及ぼす影響について検討した。クリンプ角度を変化させた組物複合材料のパイプを作製し、4点曲げ試験およびねじり試験を行った。曲げ強度に関しては組糸のクリンプ角度の影響は見られず、組物パイプの強度低下は中央糸のうねりに起因していることが分かった。ここでは、組糸の構造上形成される上下方向の蛇行に関してはクリンプと称し、構造上直線的に配向している中央糸が組糸構造の影響を受け蛇行したものをうねりと称している。ねじり特性に関しては、せん断強度はクリンプ角度の増加に対し、せん断弾性率の2.5倍の影響を受けることを明らかにした。 第3章では、研磨量が組物複合材料の曲げ特性、横圧縮特性、ねじり特性に及ぼす影響を明らかにした。最外層の研磨量を最大50%程度とした試験片において、曲げ強度は層内の中央糸の破壊に起因し、研磨の影響は低いことが明らかになった。横圧縮強度においては、曲げ応力とせん断応力の関係が変化するため、結果として研磨により横圧縮強度が増加することが明らかになった。また、ねじり試験については、表層の組糸の厚さが研磨により薄くなり、その部分から圧縮による座屈破壊が発生、研磨量が増加することによりせん断強度が下がることが明らかになった。 第4章では、ゴルフシャフト特有の評価手法である片持ち曲げ試験において、研磨量の影響を明らかにした。最外層の組角度をより長さ方向にした組物複合材料シャフトの片持ち曲げ試験においては、研磨量の増加により曲げ強度が低下する傾向であった。それは、最外層の連続した組糸の厚さが研磨により薄くなり、繊維束が破断し、最外層の組糸周りのはく離が発生したためである。 第5章では、熱硬化性樹脂組物複合材料における内部構造予測法の確立を目指した。テーパー状の1層の組物を設計、作製し、予測値と比較を行った。中央糸の有無による厚さ係数を求め、周期的に変化する厚さ係数を求めることにより正確な剛性予測可能であることを明らかにした。 第6章では、熱可塑性樹脂組物複合材料を対象とし、成形時間に対する樹脂の含浸メカニズムと内部構造の変化を検討した。2種類の中間材料を使用し、加圧加熱プレス製法によって試験片を作製した。その結果、熱硬化性樹脂複合材料において確立した内部構造予測手法が熱可塑性樹脂組物複合材料にも適用可能であることが示唆された。 第7章では、熱可塑性樹脂組物複合材料の引抜成形法における含浸メカニズムと内部構造の変化を検討した。その結果、第6章で提案した熱可塑樹脂組物複合材料の内部構造予測手法が異なった成形方法においても適用可能であることが明らかになった。 第8章では、本研究で得られた知見をまとめた
ディジタルホログラフィを用いた分光推定イメージング
Get PDF京都工芸繊維大学博士（工学）ディジタルホログラフィは現像処理が不要であり，計算機上で物体の3次元像を再生できる技術である。分光推定技術をディジタルホログラフィに導入し，動く物体の３次元空間情報と分光情報を同時に取得することが可能な分光推定ディジタルホログラフィを提案した。提案技術の有効性を確認するために，まず，R, G, B の色に対応する3波長レーザを利用し，分光反射率が既知であるX-Rite社製 Mini Color Checker Chart (Macbeth Color Checker 24色 小型サイズ)を被測定物体として用い，広範囲，高精度で撮影可能な位相シフト分光推定ディジタルホログラフィシステムを試作し，本システムにより提案技術の有効性を示した。次に， off-axisディジタルホログラフィによるシングルショット分光推定ディジタルホログラフィシステムを試作し，レモンを被検物体の一例として，本技術によるシングルショットでの3次元形状と分光情報の取得を実証し，食品への応用可能性を示した。その後，高速に動く物体を記録できる並列位相シフト分光推定ディジタルホログラフィシステムを提案し，カラーフィルタアレイと偏光イメージングカメラを用いる本技術の実現の一例を示した。また，本システムの性能を確認するために，広範囲，高精度で撮影可能な位相シフト分光推定ディジタルホログラフィの実証実験と同じの被測定物体を用いて原理実験を行った。原理実験により提案システムの有効性をした。また，並列位相シフトディジタルホログラフィの機能を向上できる視野拡大アルゴリズム及び残留0次回折光アルゴリズムを提案し，それぞれ実験と原理実験により有効性を示した
Development of Novel Bioabsorbable Sol-gel Systems Based on Enantiomeric Block Copolymers of Polylactide and Poly(oxyethylene)
Get PDF京都工芸繊維大学博士（工学）This dissertation deals with the temperature-dependent sol-gel transition of the mixed micelle solutions consisting of enantiomeric block copolymers of poly(ethylene glycol) (PEG) and polylactide (PLA: denoting either poly(L-lactide) (PLLA) or poly(D-lactide) (PDLA) depending on the enantiomeric block chain). On mixing the micelle solutions of the enantiomeric block copolymers, stereocomplex formation takes place between the enantiomeric block chains to cause sol-gel transition around the body temperature. The sol-gel transition can be tuned not only by changing the PEG/PLA composition and molecular weight but also by using enantiomeric diblock/triblock copolymer mixtures such as F-PEG-PLA/PLA-PEG-PLA for which the PEG terminals of the diblock copolymers are modified with furanyl group. Furthermore, the gel strength can be highly increased when the mixed micelle solution of the enantiomeric diblock/triblock copolymer mixtures is allowed to undergo chain-extending Diels-Alder reaction with 1,8-bis(maleimido) diethylene glycol (BMG). The content of each chapter is summarized as follows: Chapter 1 deals with the sol-gel transition systems consisting of enantiomeric tri-block copolymers of PLLA-PEG-PLLA and PDLA-PEG-PDLA. It was found out that the composition window of the copolymers for allowing the spontaneous sol-gel transition around the body temperature is considerably narrow, being affected by how easily the PLLA and PDLA blocks of the copolymers can form the stereocomplex in the mixed micelle solutions. Chapter 2 describes the synthesis and properties of the diblock/triblock copolymer mixtures of F-PEG-PLA/PLA-PEG-PLA for which the PEG terminals of the diblock copolymers were modified with furanyl (F) group. The sol-gel transition behavior was found to depend on the diblock/triblock copolymer ratio. The strength of the resulting gel was highly improved by the increased stereocomplexation of the enantiomeric block chains. Chapter 3 describes the mixed micelle solution of diblock copolymers MePEG-PLLA-F and MePEG-PDLA-F for which the PLA terminals were modified with furanyl (F) groups. When BMG was added to the mixed micelle solution, the gel strength was highly enhanced by the terminal of the copolymers driven by the Diels-Alder reaction with BMG. The chain coupling was effective not only for increasing the number of crosslinks between the micelles but also for enhancing the ability of stereocomplex formation of the enantiomeric block chains. Chapter 4 deals with the mixed micelle solutions of the copolymer mixtures of F-PEG-PLA/PLA-PEG-PLA identical to those of Chapter 2, and to which BMG was added for inducing the chain-extending Diels-Alder reaction. On addition of BMG, Diels-Alder coupling was induced at hydrophilic terminals in the mixed micelle solutions to increase the crosslinks between the micelle particles with the gel strength enhanced to a level of 11 kPa in storage modulus
金属組織試料の研磨技能における暗黙知の抽出および獲得に関する基礎的研究
Get PDF京都工芸繊維大学博士（学術）鋼に炭素を拡散させる浸炭熱処理は、金属部品になくてはならない表面硬化法で、部品表面の疲労強度や耐摩耗性向上のために使用される。浸炭された部品は、自動車の変速機や航空機の主翼構成部品など輸送用機械の重要部位に使用される。このような浸炭熱処理の良否は外観では判断できず、組織判定により品質評価される。浸炭熱処理された金属部品の評価は、試料の切断、包埋、研磨を経て作製された試料を用い、顕微鏡により表面近傍の断面組織を評価する。金属組織試料の作製方法はASTM E3規格等により定められている。しかしながら、顕微鏡評価に耐えうる平坦・平滑な研磨面を有する試料に研磨するためには、技術者の長年の経験が必要となる。特に品質評価に必要な樹脂との境界面において、試料の淵ダレが生じると顕微鏡評価において焦点距離が合わず正しい品質評価が不可能となる。試料の淵ダレの原因として、樹脂の硬度が浸炭硬化された金属表面部よりも極端に低く磨耗しやすいことが挙げられる。 本研究では金属組織試料の研磨技能における暗黙知に焦点を当て、工学的手法を用いて、その抽出および獲得を意図した基礎的検討を展開している。それらの検討結果に基づいた研磨技能を教育マニュアルに追記することが目的とされている。本論文は全7章で構成される。 第一章では、本研究の目的として、金属組織試料の研磨技能を対象とした暗黙知を抽出および獲得して次世代のものづくり技能者の効果的な育成に資することと定めている。そこで、本研究の方法として熟練者と非熟練者の所作を様々な観点から比較することにより、熟練者の暗黙知が獲得されるという考え方を提示している。 第二章では、本研究の技術的基盤と先行研究の調査結果を考察し、本研究の社会的および学術的な位置付けと意義を明らかにしている。 第三章では、半自動研磨機および手研磨機の各研磨工程における被験者の相違について分析し、熟練者の研磨技能が優れた顕鏡面にどのように寄与しているのか明らかにしている。その結果、熟練者は経験から得た技量に基づき研磨工程を調整している。また、熟練者は経験から得た感覚的な状況判断を行い手技に優れ、研磨工程を下支えしていることを示している。 第四章では、手研磨中における熟練者の体の使い方と把持方法が優れた顕鏡面にどのように寄与しているか、ビデオ撮影・筋電分析・把持力分析により明らかにしている。その結果、熟練者は体幹を直立に保持し、手関節は掌屈位、手内在筋優位の肢位という持久筋を働かせた肢位により、状況に応じて細かな調整を加えながら試料を押し付けていることを明らかにした。また、平常時と最大試行時の差が大きく、研磨圧力に対する調整能力が高いことを明らかにした。 第五章では、研磨作業における被験者の眼球運動と研磨音の識別能力を定量的に比較している。その結果、熟練者の視線は研磨圧力調整の際、回転盤と圧力調整ハンドルに交互に位置していた。研磨面観察の際、熟練者の視線は、焦点距離を離した状態で研磨面全体を俯瞰し、研磨傷の分布を確認していた。また、熟練者の視線は、視線移動速度が遅く、注視時間が長くなることを明らかにした。研磨音の識別能力は熟練者の方が高く、聴覚から得られる情報の認識について敏感かつ的確になっていることを明らかにしている。 第六章では、熟練者と非熟練者の研磨の各段階における研磨面を比較し、品質と技能の関係を分析している。分析方法として、研磨粒度ごとの研磨面品質を光学顕微鏡・SEM・微細形状測定装置・マイクロビッカース硬度計を用い、研磨粒度ごとの研磨面品質を定量的に比較および検討している。その結果、熟練者による研磨は前の番手の傷を消すことだけでなく、研磨面全体に均一な傷をつけることを目標にしていた。その際、研磨開始直後は研磨圧力を低く、研磨紙の消耗度に合わせて研磨圧力を徐々に上げることが、平坦・平滑な研磨面を得るために有効であることを明らかにした。 第七章では本研究の全体を総括し、今後の展望について述べた
ポスターが映す世相 サイケデリック
Get PDF京都工芸繊維大学広報誌KIT・NEWS, Vol.39, 2015.7, 美術工芸資料館収蔵品紹介32, pp.15-16著作権保護期間中のため、文中のポスターは掲載を見合わせております。悪しからずご了承ください