ひとの琴線に触れる,うれしいものづくりのために

 羽根のない扇風機,ロボット掃除機,紙の書き心地をそのまま再現したペンタブレット,文章書きに特化したワープロ,家でも外でも同じ取り回しができるゲーム機などなど・・・.近年の様々なヒット商品には,ひとの多様な感性や価値観,こだわりに基づく,面白さや独創性に基づくものが散見されます.このような「魅力品質」をものづくりでより自由に実現するための設計(デライト設計)手法の構築が有益になります.より自由な思想でのものづくりを実現するには,製品の具体的な設計値が固まっておらずに,自由に作り込める構想段階での設計が重要です.
 そこで,構想設計の段階から,製品の設計に必要な物理現象の本質を抽出・把握し,わかりやすい機能モデルで再現した上で魅力を実現するよう,設計因子を作り込むための手法と,身近なものづくり・ことづくりへの応用法の確立を,1DCAEの概念※に基づき研究しています.

※ 1DCAE:
 上流段階から適用可能な,現象の本質や機能に基づいた設計のプラットフォームのことを表現しています.すなわち,製品の機能を司る,物事の本質や肝を的確に捉え,かつ,見通しのよい形式で表現することを意味しています.
 したがって,”1D” といっても,特に一次元であることを意味するわけではありません.
 重要なことは,製品の肝となる物理現象の理解を踏まえた上で,設計ツール:例えば先人の知恵,知識,知見,機能設計, 1D-CAE (設計のプラットフォームそのものを1DCAE,機能モデルの組み合わせで製品の物理現象を再現し分析するシミュレーションツールを1D-CAEと呼称します.1D-CAEには,熱流体抵抗網法,流体回路網法,熱回路網法,表計算ソフト,Modelicaなどの物理モデリングプログラムなども含まれます),3D-CAE,必要な補間実験を,対象や必要に応じ適切に組み合わせて,機能設計を実現したり設計パラメタを作り込んだりする一連の流れのことを表現している,ということです.
 この1DCAEの概念を踏まえたうえで,研究室では ① 製品の性能を支配する熱流体現象の抽出・可視化・簡易モデル化(リバース1DCAE,~ 次元縮退:Model-Order Reduction)の実現および技術構築,② 設計応用のための1D-CAEへの実装,③ 1D-CAE技術の汎用性拡大や一般化(ツールの適切な利用・応用と,必要な工学教育手法の提案も含む)を目指した研究や取り組みを実施しています.

※ JSME D&S 1DCAE・MBDシンポジウム2019
  大富浩一先生「1DCAE・MBDの目指すところ,現状,課題,そして今後」
  https://www.jsme.or.jp/dsd/1dcaembd/1dcaembd-ohtomi.pdf

※ 1DCAE.jp (日本機械学会 設計工学・システム部門)
  https://1dcae.jp/

具体的な研究テーマ:

1DCAEの概念に基づく,
ものづくり・ことづくりのための熱流体設計手法の構築

新しい価値観や魅力をもったものづくりを行うプロセスの中に,設計の最も上流:すなわち,製品のコンセプトを編み出す段階(構想設計)での設計の作り込みがあります.このとき,どれだけ魅力的なコンセプトを提案しても,それが製品として成り立たなければ(例えば,すぐに壊れたり,頻繁な熱暴走があったり)意味がありません.しかしながら,例えば強度問題も熱問題も物理法則に則るため,肝となる物理現象を機能レベルで捉え,適切にモデル化することで,リスクの小さい構想設計の段階での作り込みや可能性の探索が行えるようになります.そのための熱流体現象の「肝」を捉えることや,「機能」のモデル化の方法や,設計への応用法を,実際のものづくり・ことづくりを事例に突き詰めます.

熱流体に関係した感性指標の定量化と設計応用
~ものづくりの魅力品質を創出するために~

紙コップの狩野モデルに基づく品質設計マップ

二重の紙コップに注がれたお茶を出されたときに,少し嬉しく感じることはありませんか.紙コップを二重にすることで,持ちやすく,保温性がよくなり,またその心遣いに基づくのでしょうか.ひとをワクワクさせる製品の魅力品質の裏には,伝熱や流れに基づく根拠があります.ひとの感性と熱流体現象の関係を明らかにしていくことで,次の嬉しいものづくりのヒントを得ることができる可能性があります.そこで,わたしたちの生活に密着したものづくりを事例に,ひとの感性と伝熱・流体現象の関係の定量化を目指した研究を進めています.

熱流体と電気回路のアナロジーを応用した
機能設計手法の研究 ~熱流体抵抗網法~

伝熱の3形態や,流れの現象は,電気回路とのアナロジー(相似性)を持ちます.例えば伝熱においては,温度差を電位差,流れる熱量を電流と置き換えると,電気抵抗に相当する熱の伝わりにくさ(熱抵抗)がそれぞれの伝熱形態で定義できます.同様に,流体の流れについても,圧力差を電位差,流量を電流と置き換えれば,拡張Bernoulliの式に基づく流体抵抗が定義できます.以上を使うと,製品の中の熱流体現象を電気回路の形に置き換えて,単純な伝熱や流れの機能の組み合わせとして表現できます.これを熱流体抵抗網法と呼びます.熱流体抵抗網法を軸とした,ものづくりにおける熱流体課題の本質の抽出・モデル化と,それを元に,製品設計の上流段階における熱流体設計の徹底した作り込みが行える手法の構築を目指します.

トポロジー最適化に基づく熱流体現象の可視化

持続可能な社会に貢献するものづくりを実現するために,いかに製品の無駄を省くかは変わらない問題です.近年,トポロジー最適化といわれる最適設計手法が脚光を浴びています.この手法は,製品の構造を,ある固定された設計領域の中の材料分布に置き換えます.力学的な性能を変えないまま.この材料分布の不要な部分を削り自在な最適化を図る手法です.本研究室ではトポロジー最適化に着目し,流れや伝熱を最適化できる冷却機器や放熱部品の最適形状の探査を行っています.