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各種電波利用機器に対する植込み型医療機器（植込み型心臓ペースメーカ/植え込み型除細動器）の電磁干渉（EMI：Electromagnetic Interference）特性について，電磁界シミュレーションを用いた評価法の構築を目的として検討を行っている．本論文では，EMI評価試験で用いられる疑似人体に組み込んだペースメーカ数値モデルを用い，第5世代移動通信システムSub-6 GHz周波数帯(3.7 GHz, 4.5 GHz)において，ペースメーカコネクタ部への電界結合及び磁界結合に着目し，ダイポールアンテナ近傍における干渉誘起電圧についてシミュレーションを用いて評価する．有限要素法に基づく干渉誘起電圧のシミュレーション結果について，磁界型アンテナであるスロットアンテナの場合と比較して電界と磁界のどちらが干渉誘起電圧に支配的に作用するか議論する．また，ペースメーカ実機を用いた電波ばく露及び干渉誘起電圧測定を行い，シミュレーション結果の妥当性検証を行う．

In recent years, with the rapid deterioration of existing civil engineering structures, research and development of concrete materials having high durability and long life has emerged as a crucial concern. For the above reasons, technologies capable of producing ultra-high-strength concrete have been developed. Consequently, secondary products using such ultra-high-strength polyvinyl alcohol fiber-reinforced concrete (hereinafter, referred to as PVA-UFC) are now in practical use. In this study, RC beams consisting of PVA-UFC and ultra-high-strength reinforcing bars with or without joints as parameters were prepared and fatigue loading tests were conducted to calculate the fatigue load capacity. These tests were simulated using the finite element method based on continuum damage mechanics.

近年，Navier-Stokes方程式に対してマルチスケール変分法が発展してきた．マルチスケール変分法の特徴として，非構造格子（例えば三角形メッシュ）で解像できないスケールの物理現象を近似問題として取り扱うことができるとされている．本報では，波動問題の保存系力学方程式（浅水波方程式）に対するマルチスケール変分法の定式化について概略を報告する．

近年，世界的な環境規制によりエネルギーの高効率化が求められ，自動車，鉄道，船舶や航空機等の輸送機器や産業機器のエンジン機構及び油圧機構の電動化が図られている．電動機器の多くはモータを有しており，機器全体に占めるモータの消費電力が大きく，高効率化が求められる．また，機器の軽量化や小型化の要求も強く，高効率，高出力密度を両立した限界設計が必須となってきている．しかし，複数の因子を考慮しながらの設計は容易ではない．特に埋込型同期磁石(IPM:Interior Permanent Magnetic) モータは設計の自由度が高く，より効率的な設計手法の確立が望まれている．また，計算機技術の向上により，大規模計算が広く盛んに用いられている．それに伴い，数値シミュレーション技術に関する研究が盛んとなり，電磁界設計分野においても様々な解析技術が開発されている．特に有限要素法(FEM: Finite Element Method) はコンピュータ支援設計(CAD: Computer aided design) との親和性も高く，広く普及している．さらに，最適化技術をFEM と連成することで，より効率的に適切な磁気構造を探索する手法が研究，開発されている．最適化手法として設計パラメータを変数とし，遺伝的アルゴリズム(GA: Genetic Algorithm) を用いて所望の特性を有する形状を探索するパラメータ最適化が主流である．本手法は製品開発の下流である詳細設計において有効な手段であるが，上流である概念設計ではパラメータを設置できず，適用しにくい．そこで，設計パラメータを用いず，適切な材料分布を物性の増減も考慮しながら最適化するトポロジー最適化が注目されている．しかし，本手法は探索空間が多次元となり複雑になる場合が多い．そのため，探索に必要なFEM による解析回数が膨大となり，現実的な最適化時間で解が得られない場合がある． そこで，電気機器磁気特性を同定するためにFEMの代わりに深層学習(DL: Deep Learning)を用い，トポロジー最適化時間を短縮することに着目している．DL は自動的に特徴量を抽出することができ，特徴量設計が困難なデータに対して有効である. 特に畳込みニューラルネットワーク(CNN: Convolutional Neural Network) は画像の特徴量抽出能力に優れており，機械学習(ML: Machine Learning) における物体認識精度向上の突破口となる技術で注目されている．しかし，回転機の二次元断面材料分布とトルク特性の関係をCNN に学習させた場合の推定値はFEM をはじめとした電磁界解析に代わる推定精度を有してはおらず，更なる推定精度向上が求められる．また，様々な回転機への適用が望まれるが，形状汎化に関する検討は少ない．さらに，CNN を設計に適用するにあたり，推定結果に対する根拠が明確ではないため，最適化結果に対する信頼性が失われてしまう課題がある．以上の背景から，以下の三点に関して検討を行った． 1. CNN のモータ磁気特性推定精度向上とトポロジー最適化への影響 本検討として磁束密度分布を入力とした学習手法を提案した．特に回転機の磁気特性は電磁鋼板の磁気的非線形特性が大きく影響される．磁束密度を用いることで磁気的非線形特性をCNN に学習させることが可能となり，二次元断面材料分布を学習させた場合よりも磁気特性の推定精度が向上することを示した．さらに，トポロジー最適化にCNN を用いる場合，推定精度の高いCNN を用いたほうが高い探索性能を持つことを示した. 2. CNN による推定可能形状汎化手法の提案 本検討として異なる磁石配置に対する汎化手法に関する検討を行った．IPM モータの場合，磁石配置が異なると磁気特性が大きく異なるため，同一CNN へさせた際にトルク特性に対する特徴量抽出可能か不明である．そこで，様々な仕様のモータを同一CNN へ学習し，形状汎化させる学習手法を提案した．その結果，同時学習によって異なる磁石配置を持つ形状の磁気特性を学習することが可能であることを示し，さらにその推定器を用いて複数磁石配置を考慮した新たなモータ形状トポロジー最適化手法の提案を行った． 3. CNN 推定根拠可視化技術のモータへの適用と新たな局所探索手法の提案 説明可能なCNN の磁気特性への適用に関する検討を行った．説明根拠を可視化する技術としてCNN へ入力した画像の推定要因となる領域を可視化するGrad-CAM が提案されている．本手法によりトルク特性に寄与する領域の可視化が可能であることを示した．さらにトポロジー最適化に本手法を適用した二段階最適化手法の開発を行い，従来の最適化に比べ有用性があることを示した．, This paper propose some new topology optimization method using convolutional neural network (CNN) and discuss search performance of the proposed methods. Since the environmental regulations are required, actively developments of highly efficient electrical equipment has been important topics in manufacturing industries. There is a strong demand for lighter and smaller devices, and it is becoming essential to design limits with both high efficiency and high power density. Therefore, it is hard to design the equipment which satisfies required specification. Topology optimization based on genetic algorithm has attracted significant attention and is becoming used for design and development, It is a breakthrough method to find novel shapes. However, if the analytical model has a fine mesh, the optimization time will increase because of analysis time of finite element method(FEM). Therefore, the method of cleating a surrogate model for FEM and using it for optimization has been proposed. In particular, CNN can extract shape features from images by convolutional processing, which is considered to be compatible with topology optimization without shape parameters. However, there are several issues that need to be addressed for the general use CNNs within topology optimization. From the above, this paper discuss the following three topics. 1. Improving the accuracy of CNN for motor magnetic property estimation and impact on topology optimization 2. Generalization methods for shapes which CNN can estimate 3. Local search method using explainable deep neural network for design of electric motors, (主査) 教授 五十嵐 一, 教授 小笠原 悟司, 教授 北 裕幸, 准教授 野口 聡, 情報科学院(情報科学専攻)

電磁機器産業における電磁機器の設計開発においては電磁界解析が幅広く用いられている．電磁界解析を用いることは電磁機器の試作前の特性評価が容易となることから，電磁機器の性能向上のための有効な手段である．近年，電磁機器は市場の拡大に伴うプレイヤーの増加によって，競争が激化しており，高性能，高品質な製品をいち早く市場に投入する必要がある．電磁機器の高性能・高品質化のためには，膨大な繰り返し計算が必要な最適化計算や電磁界と制御，熱，振動などを考慮した連成解析が必要不可欠となっており，電磁界解析の計算時間を削減する需要が増加している．電気自動車用モータの開発・設計において，広い駆動範囲における高効率性や高信頼性，静粛性が求められることから，開発においては，複数の物理量を含み，制御系の検討を行うことが必要となっている．その中で，動作シミュレーションは重要な役割を担っている．動作シミュレーションはいわゆるビヘイビアモデルで実施されることが多い．この解析では，FEM を用いて作成した参照テーブルや応答局面から回転子位置に対応する磁束やインダクタンスなどを取得し，回路方程式を求める．この回路方程式を解くことで電流を決定し，トルクを求め，トルクを入力とした運動方程式を解くことで，回転子の新たな位置を決定する．このように決まる回転子の回転速度が目標に近づくように，入力電圧が制御される．このアプローチによりモータの動的な振る舞いを近似的に求めることができる．ただし，モータを集中定数回路として扱うため，空間的に分布する加振力や磁界の分布から求められる高調波損失のような場の特性を求めることが難しく，電磁振動解析などに用いることは困難である．FEM の計算時間を短縮するアプローチとして，固有直交分解（POD：Proper Orthogonal Decomposition）に基づくモデル縮約（MOR：Model Order Reduction）がある．磁界の分布のスナップショットから正規直交基底を作成することにより，磁界を少数の基底で表し，有限要素方程式を基底の係数についての小さな方程式に変換することによって行列計算の計算コストを削減することができる．しかしながら，回転機の解析においては一般に電磁鋼板の磁気飽和を考慮する必要がある．このとき縮約方程式の成分は機械角，電流振幅や電流位相角に依存することなる．このため，状態変化毎に縮約方程式を構成し直すとともに，非線形の縮約方程式を解き直す必要がある．このことから，実時間処理で特性の算出が求められるビヘイビアモデルへは適応が難しいと考えられる．これらの課題を解決するために本研究では回転機の電磁界解析手法として補間型モデル縮約を提案した．本手法は，POD に基づき磁界分布を圧縮して保存し，電流空間を有限要素に基づき補間する．機械角空間においては，近年流体解析など分野で注目されている動的モード分解を用いて補間を行うことによって，任意の電流，機械角に対応する磁界分布を復元することができる．本手法は，連立方程式を解くことなく，磁界分布の計算が可能であるため，有限要素法と比較して計算負荷を大幅に削減することが期待できる．また，磁界分布を復元するという特徴から，分布定数である，加振力や高調波鉄損についても計算が可能である．本手法を回転機の解析に適用し，数値実験を行うことによってトルク，トルクリプル, 高調波鉄損などの集中定数，分布定数を問わず任意のモータ特性を高速かつ高精度に復元できることを示した．また，回転機の動的解析に適用するために電圧方程式との連成手法について検討し，数値検討を行い，実際に連成可能であることを示し，本手法の有効性を確認した．, Currently, in the development and design of electric motors for electric vehicles,electromagnetic field analysis using finite element method (FEM) has widely been used. Fast dynamic simulation of a motor and control system including inverters and gears has been required for such processes. It is difficult to perform the dynamic FE analysis for this purpose due to its large computing cost. Instead of the direct use of FEM, fast simulation has been performed based on the simplified approach referred to as behavior model. Although this approach is fast enough to simulate the dynamic behavior of the motor and control system, it is difficult to evaluate iron and copper losses and electromagnetic forces acting on the stator during the simulation because magnetic fields would have to be re-computed by FEM.This paper proposes a simplified model order reduction for fast dynamic simulation of electric motors. In this method, magnetic fields expressed by reduced variables are stored into memory and restored using interpolation in the current-state space to make fast computation the properties of an electric motor. It is shown that torque, flux, electromagnetic force and the iron losses considering higher harmonics are computed by the proposed method accurately and effectively. Moreover, the proposed method is successfully coupled with the flux-based circuit equations., (主査) 教授 五十嵐 一, 教授 小笠原 悟司, 教授 北 裕幸, 准教授 野口 聡, 情報科学研究科(システム情報科学専攻)

A high fidelity solid element mesh of a 31 -story super-highrise building frame is generated. A concept of a mesh generator for steel frames using a database of solid element component meshes is proposed. The seismic response analysis is conducted for the 31-story super-highrise frame subjected to a simulated ground motion of great Nankai Trough earthquakes that continues more than two minutes. The analysis is performed on K computer using a parallel finite element structural analysis system, E-Simulator. Both local behaviors such as spreads of equivalent plastic strain and global behaviors such as plastic deformation of the entire structure are simulated.

熱間薄板圧延（熱延）は，金属の鋼片を高温に加熱し，薄板を製造してコイルに巻取る圧延方法である．熱延で製造される薄板は，自動車や船舶・車両・産業機械等の製造業や，橋・ビル等の建築物の材料等，社会を支える用途として用いられる．また，下流工程にあたる冷間圧延（金属材料を再結晶温度以下で圧延する加工法）の母材となり，家電や飲料缶等の身の回りの生活用品の材料として用いられる等，我々の生活に欠かせないものとなっている． 熱延プロセスにおいて，製品品質の向上および，安定操業の観点から，圧延材の温度制御が非常に重要である．近年では多くの熱延設備で，高効率で急速・局所加熱に秀でた誘導加熱装置(Induction Heater : IH)を用いた温度制御が導入され，熱延ラインの付加価値の向上に貢献している．しかし，IH は装置規模の大きさや使用環境の特殊性から，実機からの特性データの採取が難しく，オンライン制御に耐える厳密な数理モデルが構築されていないのが現状である．そのため IH の実運用においては，簡易な計算式を用いた設定計算・制御が行われているに留まり，より正確な数理モデルの構築が望まれていた． これに関連して，近年の計算機の演算能力向上に伴い，数値解析の産業応用が普及している．中でも有限要素法( Finite element method : FEM )は，その汎用性の高さから電磁界分野でも広く普及し，電磁機器の設計・開発への応用に向けた研究・開発が盛んに行われている．一般に FEM の解析精度と解析時間はトレードオフの関係にあり，特に 3 次元 FEM の場合は解析時間の長大化が問題となる．そのため，大規模問題の解析縮約手法であるモデル縮約法の適用や，FEM から等価回路を生成する手法が研究されている．また，近年の AI・IoT 技術の発展と普及に伴い，熱延プロセス制御において，多様な因子を考慮できる数理モデルとして，従来の理論ベースの数理モデルに代わり，深層学習などの機械学習を用いたデータ駆動型のモデルが注目されている．上記の背景から，本研究では，IH の高精度な数理モデル構築を目的とし，FEM をベースとした以下の検討を行った． 1) 固有直交分解法を用いた誘導加熱装置の解析縮約 2) 誘導加熱装置の等価回路生成 3) 機械学習を用いた誘導加熱装置の制御モデル構築 (1)では， FEM による IH の特性解析高速化のため，まず，IH に特化した準静磁場-熱伝導解析の効率的な連成解析手法を提案した．また，モデル縮約法の一種である固有直交分解法(Proper orthogonal decomposition: POD を用いて，IH の準静磁場の特性解析高速化について検証した．その結果，POD を用いることで，IH の周波数特性および，圧延材（被加熱材）の導電率特性を FEM と同等の精度で解析でき，計算時間を大幅に短縮できることを示した． (2)では，準静磁場を精度よく表現できる等価回路として注目されている，Cauer 回路と呼ばれる梯子回路を用いた IH の等価回路生成を行った．従来の Cauer 回路は解析対象に導電性材料が複数ある場合，各導電性材料のジュール損失を分離して評価できないという問題があった．そこで本研究では，複数の導電性材料に生じるジュール損失を分離して考慮できる修正 Cauer 回路の生成手法を提案した．提案手法で生成した回路により，IH の周波数特性および，過渡応答解析を高速かつ精度良く計算できることを示した．(3)では，実際の熱延において，IH の加熱に影響を与える種々の条件を考慮し，IH による被加熱材の加熱昇温をするため，機械学習を用いたデータ駆動型の制御モデルを構築した．提案した制御モデルにより，任意時間の被加熱材の板厚方向温度分布や，被加熱材を所望の温度分布とするのに必要な IH の電力を，繰り返し計算を必要とせず，FEMと同等の精度で求められることを示した．, In the hot strip mill (HSM) process, hot rolled thin steel strip is rolled and coiled. This hot rolled strip is widely utilized to make products which our daily life better, for example, for cars, ships, trains, industrial machines and buildings. Cold rolled steel produced from the hot rolled strip is used for products such as, home appliances and beverage cans. Temperature control is one of the most important factors to make high-quality steel sheets because mechanical properties of the steel highly depend on its temperature. Induction Heaters (IH) have been widely adopted in HSM plants to provide stable temperature control in order to produce steel sheets with higher quality. Because an IH provides fast and efficient heating for steel plate with rapid control response, it can improve the performance of the HSM process. For these reasons, it is strongly desired to develop an accurate and fast IH mathematical model capable of being applied online HSM process control. In recent times the Finite Element Method (FEM) has been widely used for mathematical modeling because of its versatility. Generally, computational accuracy and time are in a trade-off relationship. Especially, it is well known that 3-dimentional FEM needs long computational time. In order to overcome this, several numerical technique such as model order reduction and, equivalent circuit synthesis has been developed. In addition, recently, data-driven model using machine learning have been developed for HSM process-control in order to construct the mathematical model which take complex phenomena into account. From the above background, in this study, the following topics are considered in order to construct mathematical models for online control of IH. 1) Fast numerical analysis of IH using proper orthogonal decomposition 2) Synthesis of equivalent circuit of IH 3) Construction of a control model for IH using machine learning, (主査) 教授 五十嵐 一, 教授 小笠原 悟司, 教授 北 裕幸, 准教授 野口 聡, 情報科学研究科（システム情報科学専攻）

学位記番号：理工博乙17

光導波路突合せ接続の効率的な解析方法として，横方向の界の離散化に有限要素法を用いた伝搬演算子法についての検討を行っている．伝搬演算子法では接続断面のみの解析で良いために計算を効率化でき，有限要素法を用いることで不均一メッシュを用いて解析の効率化を図ることができる．伝搬演算子法の導出には行列の平方根を求める必要があるが，ここではDBI法に基づく反復法を用いている．

This study proposes two indices for the damage evaluation of concrete structures.One is for concrete in compression and the other reflects the yielding and plasticization of steel. Both indices are calculated based on the plastic strain energy and represent the degree of damage of concrete and steel respectively. To investigate the applicability of the proposed damage indices, nonlinear finite element analyses were conducted for several types of reinforced concrete members and a steel-embedded concrete column specimen subjected to monotonic or reversed cyclic loading. Results show that the damage index of steel is almost 1.0 when the specimen reaches its yielding load and the damage index of concrete is almost 1.0 when the specimen reaches its maximum load or temporary load drop point.

モード多重伝送に対応した光ファイバとして少数モードファイバ(Few-mode fiber: FMF) が注目されている．FMF ではMIMO 技術を用いることで長距離伝送時にモード間結合があったとしても，各モードに載せられた情報を分離することが可能になり，モード間群遅延時間差(DMGD) を低減するための様々なファイバ構造が報告されている．本論文では，DMGD が小さなFMF を実現するため，コアの屈折率分布を感度解析に基づき最適化する方法について検討している．伝搬定数に対する感度は固有値方程式を微分することにより得られ，設計パラメータの数によらず一度の固有モード解析により全パラメータに対する感度が得られる．ここでは，マルチステップインデックス(MSI) 型の構造をもつ4 モードFMF の最適設計を例に検討を行っている．

近年，スマートフォンなどの情報端末の普及による情報通信技術の急激な発展に伴い，通信の高速大容量化が求められている．通信の大容量化には基幹となる光通信の大容量化は必須であり，そのための高性能な光デバイスの開発が盛んに進められている．光デバイスの開発では，現在は，計算機及びシミュレーション技術の発展により計算機シミュレーションが広く用いられているが，デバイスの開発においては既存の構造の改良であったり発見的な方法であるなど，設計者の経験に依るところも大きい．既存の概念を超えたより高性能な光デバイスの開発には，設計者の経験に頼らない最適設計手法もまた有効である．近年，光デバイスの最適設計技術も発展し，寸法や形状のみならず，トポロジーまでを含めた最適設計法が開発されており，様々な興味深いデバイスが提案されている．中でも関数展開法に基づくトポロジー最適設計法は，通常の密度法で現れるグレイ領域の問題を回避することができ，選択する関数系により構造の自由度を制限することも比較的容易である．しかしながら，関数展開法に基づくトポロジー最適化の二次元光回路設計への適用はこれまで主にTE 波のみに対して検討されている．近年，強導波路を用いたデバイスの小型化が盛んに検討されるなか，偏波無依存化や偏波分離といった偏波の違いを考慮した設計もまた重要になっている．本研究では，関数展開法に基づくトポロジー最適設計法をTE，TM 両方の偏波に対して適用し，小型な偏波分離素子の設計について検討を行っている．本検討では，数値解析に有限要素法，感度解析に随伴変数法を用いている．

【目的】頸椎後縦靱帯骨化症(OPLL)は進行すれば重篤な障害をもたらす.脊髄症発症のリスクとして,有効脊柱管前後径が減少するような静的圧迫が存在すると脊髄症を発症するリスクが高く,脊柱管径が広くとも椎間可動性を伴うような動的因子を伴う症例においても脊髄症が発症すると言われている.今回頸椎OPLLの静的圧迫と椎間可動性による動的圧迫を伴う頸椎OPLLに関して有限要素モデルを作成し,力学的に検討した.【方法】有限要素解析ソフトAbaqus /CAE を使用し,3次元脊髄モデルを作成した.脊髄前方に頚椎OPLLモデル,後方に頚椎椎弓モデルを設置,OPLLで脊髄に前後径10%,20%及び30%の圧迫を加えた.また,圧迫レベルでOPLLに不安定性があると想定し,OPLLを10%の圧迫を加えている状態で5°,10°及び15°屈曲方向に回旋変位を加えた.【結果】30%圧迫モデルでは,脊髄全体に応力上昇を認めたが,10,20%圧迫モデルでは脊髄内の応力上昇は軽度であった.また,軽度の静的圧迫であっても5°,10°,15°と屈曲が大きくなるにつれ脊髄内応力が上昇し,10°以上の可動性で30%圧迫モデルと同等の脊髄全体への応力上昇を示した.【考察】頸椎OPLLにおいて,静的因子と動的因子による症状発現が指摘されている.今回の解析から,脊髄径30%の圧迫で脊髄内への応力上昇を認めたことから,脊髄の静的圧迫が強くなれば症状が発現する可能性が示唆された.一方動的因子を伴う10%の静的圧迫により脊髄内応力が上昇したことから,静的因子と動的因子が症状の発現に関与することが示唆された.静的圧迫が脊髄の10%以上で10°以上の椎間可動性を伴う症例では注意深い経過観察が必要であると考えられた., Cervical myelopathy of ossification of the posterior longitudinal ligament(OPLL)is induced by static factors, dynamic factors or a combination of both. We used a 3-dimensional finite element method to analyze the stress distributions of spinal cord of compression by OPLL. Experimental condition for spinal cord, lamina and OPLL with ossification. To simulate static compression, 10%, 20% and 30% anterior static compression of the AP diameter of the spinal cord was applied to the spinal cord by OPLL. To simulate dynamic compression, OPLL is rotationed 5°, 10°and 15°to the flexion direction. To simulate static and dynamic compression, under 10% and 20% anterior static compression, OPLL is rotationed 5°, 10°and 15°to the flexion direction. The stress distribution in the spinal cord increased following static compression and dynamic compression. In both of static compression and dynamic compression, more than static compression increases, more than stress distribution increases even mild range of motion. There is possibility that the symptoms appear just static compression and dynamic compression only. However, under static compression, the stress distribution increases with ROM of the responsibility level and this makes it very likely that symptoms will worsen.

application/pdf, 学位論文(Thesis)

本論文では，関数展開法に基づくトポロジー最適化を用いて，深さ方向にも光の閉じ込めを有する3 次元光導波路の最適設計を効率的に行う方法について検討を行っている．ここでは，等価屈折率法に基づき初期設計を行い，得られた構造を初期構造とし，深さ方向の閉じ込めを考慮した 3 次元解析に基づく設計を行う．トポロジー最適化においてはしばしば構造が複雑化することが問題となるため，展開関数として局所化された関数を使用し，最適化の反復において構造平滑化フィルタを用いることで，より単純な構造で目的とする特性を実現するための検討を行っている．

本論文では，モード間群遅延時間差(DMGD) が小さなフューモードファイバ(FMF) を実現するため，コアの屈折率分布を関数展開法に基づき最適設計を行っている．マルチステップインデックス(MSI) 型のFMF は，コアを多層分割することでグレーデッドインデックス(GI) 型のような滑らかな屈折率分布を表現できるが，設計パラメータを増やすと収束が遅くなったり，複雑な構造が現れることが問題になる．関数展開法を用いるとより少ない設計パラメータで滑らかな構造を表現できるため，より効率的な設計が可能になると考えられる．ここでは，4 モードFMF の最適設計を例に検討を行っている．, In this paper, we study on optimization design of refractive index profile to realize few-mode fibers(FMFs) with low differential mode group delay (DMGD) using function expansion method. The FMFs with mul-ti-step index (MSI) profiles can express graded index (GI) profile by dividing core region finely, but, this approach increase the design parameters. As a result, the convergence of the solution may degraded and complicated refractive index may be obtained. On the other hand, the function expansion method can express a continuous index profile with less number of design parameters and the design efficiency may be improved by utilizing it. In this approach,we demonstrate the design example of FMFs with four guided modes to confirm the validity of this optimization method.

光通信の高速大容量化を目指して，小型で高性能な光デバイスの開発が活発に行われている．目的とする特性を実現する構造のデバイスを自動最適設計できれば設計者の経験に依存せずに高性能な光デバイスを実現できる可能性がある．本研究では，関数展開法に基づくトポロジー最適化をTE，TM 両方の偏波に対して適用し，偏波無依存化素子，偏波分離素子の最適設計について検討を行っている．数値解析に有限要素法，感度解析に随伴変数法を用い，設計領域内の構造の表現には関数展開法を用いたトポロジー自動最適設計法の検討を行なっている．, In recent years, high performance and compact photonic devices are intensively developed to realize large capacity photonic network. In order to develop novel photonic devices, several kinds of optimial design method using numerical simulation have been developed. Among them, topology optimization is the most flexible optimization method and has potential to find out unconventional photonic devices. In this report, we study on the function-ex-pansion-based topology optimization method considering both TE and TM wave and a compact polarization splitter is actually optimized. In our approach, finite element method (FEM) is employed to numerically analyze photonic devices and adjoint variable method (AVM) is utilize for sensitivity analysis.

伝搬方向への構造変化が緩やかで反射波を無視できる光導波路の解析にはビーム伝搬法(BPM) が有効であり，様々なビーム伝搬法が開発されてきた．その中で，横方向の界の離散化に有限要素法(FEM) を用いる有限要素ビーム伝搬法(FE-BPM) は任意形状導波路への適用性に優れているが，伝搬方向に有限要素メッシュを更新する必要があることに加えて一般に連立一次方程式を解く必要があるため，伝搬方向に構造が連続的に変化する導波路に対して必ずしも計算が効率的とは言えない．本研究では，横方向の離散化に用いるFEM 解析を領域分割法を用いて並列化することでFE-BPM 解析を高速化するための検討を行なっている．領域分割法では，境界成分を厳密に求める方法と，領域同士を重ねることにより境界成分の計算を省略する方法の2 通りについて検討している．, Beam Propagation Method (BPM) is effective for the analysis of the waveguide which is longitudinally varying and could ignore the reflection wave. Therefore various BPM had developed now. Finite Element Beam Propagation Method (FE-BPM) which use Finite Element Method (FEM) has applicability for arbitrary shape of waveguides. However, FE-BPM is not enough efficient for the waveguides which is longitudinally varying, because Finite Element mesh need to be updated and generally, this method need to solve the primary simultaneous equa-tions. In this study, FEM analysis which is used for discretization waveguides to transverse direction is parallelized by domain decomposition method to speed up FE-BPM analysis. In domain decomposition method, two approaches are concerned, one way is strict calculating the boundary fields, another is omitting the strict calculation boundary fields by iterating between domains.

Reuse of existing foundations can be economical and ecologically beneficial when a structure is rebuilt. However, old underground piles are not reused because the new foundation plan is different or the piles lack sufficient bearing capacity. In this study, a numerical analysis is performed to determine the foundation input motion during an earthquake for new pile foundations in the case where old piles have been left underground. Dynamic soil-pile interactions and pile group effects such as wave propagation from adjacent piles are taken into consideration. The analysis is carried out with the aim of revealing the influences of the diameter, number and layout of the unused piles on the foundation input motion. The results indicate that when the diameter of the existing piles is large, and the new pile foundation is constructed in close proximity to them, the foundation input motion is larger than in the case where there are no existing piles by frequency. Furthermore, when the existing piles have a nonuniform layout, twisting of the new foundation can occur.

本論文では，放射性廃棄物を保管対象としたRC製容器の落下抵抗性を確認するために実施した衝撃実験を対象に，三次元弾塑性衝撃応答解析を実施し，実験結果との比較によって解析手法の妥当性を検証した。その結果，提案の数値解析モデルを用いることにより，1) 衝突後のRC製容器の動的挙動をほぼ適切に再現可能であること，2) RC製容器に発生したひび割れ状況に関しては，実験結果と比較して衝突部や蓋隅部に多く生じているものの，全体的にはほぼ適切に評価可能であることが明らかとなった。

In this paper, in order to establish a rational impact response analysis method of the RC rockfall protection galleries, elasto-plastic response analyses of a full-scale gallery with sand cushion under falling weight impact loading were conducted. Here, a new constitutive model for sand cushion was proposed, which was modified by adding the initial stiffness and yield plateau to a previous model. An applicability of the proposed model and analysis method were investigated comparing with the experimental results. From this study, it was seen that applying the proposed cushion model and analysis method, the dynamic response behavior of the gallery can be accurately predicted irrespective of the magnitude of the impact energy.

CTスキャンデータを基にSolidWorksを用いて、鼓膜、耳小骨、靭帯等から構成される健常者の中耳形状モデルを構築し、三次元有限要素法による調和振動解析を行って伝音時のアブミ骨の変位－周波数応答特性を明らかにした。次に、耳小骨の一部が欠損した場合を想定し、キヌタ骨の代わりにコルメラと呼ばれる柱状部品を用いた耳小骨再建モデルの振動解析を行った。そして、アブミ骨の周波数応答特性を健常者のものと比較することにより聴力改善効果を手術の前に予測する方法を提案した。本報では予測法の妥当性を検証するために、輪状靭帯の形状を種々変更して振動解析を行い、輪状靭帯の形状に違いによる周波数応答特性の違いを明らかにした。また、鼓膜を実際と同様に３つの領域に分割してモデル化した場合と簡単化のために単一部品としてモデル化した場合の差異を比較した。臨床応用例として、慢性中耳炎により耳小骨連鎖が損傷した中耳のCTスキャンデータを基に、数種類の耳小骨再建モデルを構築した。これらのモデルの振動解析結果から、有効な耳小骨再建法の提案とその臨床応用の可能性を検証し、手術前の聴力改善効果の予測が可能であることを明らかにした。

本論文では，緩衝材として砕石を用いた実規模 RC 製ロックシェッドの重錘落下衝撃実験を対象に，三次元弾塑性衝撃応答解析を実施し，実験結果との比較によって解析手法の妥当性を検討した。その結果，提案の数値解析モデルを用いることにより，1) 入力エネルギーが小さい弾性範囲内の場合には重錘衝撃力を大きく評価しているものの，提案の緩衝モデルおよび解析手法を用いることによって，動的応答性状をほぼ適切に再現可能である。2) 一方，入力エネルギーが大きい弾塑性応答を示す場合には，載荷履歴の影響を考慮していないことから，実験結果における変位を過小評価する傾向にあることが明らかとなった。

In order to investigate the structural health of an existed three-span continuous steel girder bridge suffered the forced vibration due to some earthquakes, a static loading test and finite element analysis were conducted. Here the deflection and strain distribution of the bridge girder obtained from the test were compared with those from numerical analysis to investigate the damage level of the bridge. It is seen that since the strain and deflection distributions of the main girder of the bridge obtained from experimental results are similar to those obtained from finite element analysis, the damage level of the main girder due to earthquake may be slightly small.

様々な自然現象は非線形偏微分方程式により数理モデル化される。現時点では非線形偏微分方程式に対する万能な方法はない。従って, 数値計算は非線形偏微分方程式の解の様相を理解する手段として有効な方法の一つである。本稿では, 有限要素法による数値解析の為のオープンソフトウェアFreeFem++ を用いた非線形偏微分方程式の数値計算と可視化ソフトウェアParaview を用いた数値解の可視化について述べる。

Tsunami debris attacked and destroyed many buildings in the 2011 off the Pacific coast of Tohuku Earthquake. Steel tubular members are popularly used for the beam-columns of buildings in Japan, so that an evaluation method of the resistant capacity of the member against Tsunami debris becomes the urgent problem. One of the difficulties to develop the evaluation method is that the local deformation caused by the collision object degrades the overall strength of a steel tubular member which degrading rate may be changed by the contact tip shape of the object. In order to investigate the effects, we conducted a static nonlinear analysis of steel tubular members subjected to concentrated lateral loads by using the finite element analysis (FEM) program MSC Marc. The accuracy of the FEM analysis model is verified by the experiment. Being based on the parametric numerical study, it is discussed the degrading effect of loading tip shapes on the lateral load-deflection relations and the collapse modes of steel tubular members.

アコーディオン音の音響学的特徴について考察する。世界中にアコーディオンメーカーがあるものの、コンサートやコンクールでは特定の楽器メーカーのものが使用されているのが現状である。設計の段階から音響的特徴を記述できるようになれば、品質の向上が期待できる。本論文では、その基礎段階として有限要素法によりアコーディオン共鳴部の数値シミュレーションを行う。低音域では蛇腹の状態による大きな変化は見られないが、比較的高い音域で空気の影響が現れる。有限要素法の結果と実際の録音結果を比較したところ、高次の部分音で内部の空気の共鳴モードに影響が見られ、蛇腹の状態によって変化することが判明した。

The software which converted from three dimensional model of woven fabric structures to STL file was developed. STL file is a general-purpose three-dimensional CAD data format and loaded by CAE (Computer Aided Engineering) system. The three dimensional modeler of woven fabric structures was applied as preprocessor of CAE for analysis of woven fabric properties. The analysis by FEM (Finite Eement Method) and MPS (Moving Particle Simulation) using three dimensional model of woven fabric structures was enabled by applying this software. This analysis allows the various physical properties designs of woven fabric.