（別紙様式２）

公立小松大学重点研究「みらい」 研究実績報告書
氏名

所属・職名

史 金星

生産システム科学部・准教授

研究課題名
研究期間

助成金額
1,000 千円

振動問題におけるハードルアーの形状最適設計に関する研究
令和 2 年 6 月 1 日 ～ 令和 4 年 3 月 31 日
〔研究開始当初の背景，研究の目的，研究の方法等について記入〕
ルアー設計は，一般に魚種やレンジ（水深）によって，材質・形状・重さを設計者の経験や勘に頼っているのが現状であり，国内外とも学術的な研究はほとんどない．本研究では，数値解析により，ルアーフィッシングの定番品である「バイブレーションルアー」の水中運動（振動）をシミュレーションする．また，CAE（Computer Aided Engineering）に基づき，振動問題対する初期応力を考慮したソリッド構造の形状最適設計手法の開発を目的としている．具体的には，研究の概要(1). 初期形状となる 3 次元バイブレーションルアーにおける忠実な解析モデルの構築および解析条件の検討を行い，流体－構造連成解析によりリアルな水中運動（流体励起振動）を再現す
る．
(2). バイブレーションルアー（またはソリッド構造）の形状や構造などを設計変数とし，重量制約（体積制約）を考慮した振動問題に対する関数空間での定式化を行い，形状勾配関数（感度関数）を理論的に導出する．また，導出された形状勾配関数を利用し，目的汎関数を減少させるための領域変動量を求めるための新たな形状最適設計手法を開発する．
(3). 樹脂製ハードルアーは，樹脂と重りを考慮して異種材料複合構造体となる．そのため，振動問題に対して，CAE に基づく異種材料複合構造体の形状最適設計手法を開発する．開発した形状最適設計手法はバイブレーションルアーの設計のみならず，バイメタルなどの異種材料複合構造体の形状最適設計へ展開する．
本研究では，バイブレーションルアーの設計を目的として，振動問題に対するソリッド構造および異種材料複合構造の形状最適設計手法を開発した．

研究の成果(1)．3 次元線形弾性体となるバイブレーションルアーを設計対象と扱い，水中振動特性を改善するため，初期応力を考慮した固有振動問題に対するフリーフォルム最適化手法を提示している．本手法は分布系最適化手法である力法に基づいており，基本振動固有値最大化問題を取り上げている．重量制約を考慮して，その設計問題に対する形状勾配関数を理論的に導出し，関数空間の勾配法に適用することにより，亜鉛製バイブレーションルアーの最適形状を求めることができている．最適設計例へ応用した結果，体積制約を満たしながら固有振動数の高い，滑らかな最適自由形状が得られた．【研究成果発表 2，6，9】(2)．市販のバイブレーションルアーを 3D スキャナーで読み込み，CAD データから有限要素モデルを作成する．次に，流体－構造連成解析を行い，バイブレーションルアーの水中運動を再現する．つづいて，ボックスベンケル計画法に基づいて，アイの位置および重りの位置についてボックスベンケル計画法を用いて最適化し，1 次流体励起振動数の最大化を行い，最適なバイブレーションルアーの構造を求めた．【研究成果発表 4，11】(3). バイブレーションルアーのみなららず，開発した手法をバイメタル複合構造体やサンドイッチ複合構造体の形状最適設計へ展開し，振動周波数最大化やバンドキャップ最大化などの振動問題において，それらの最適形状を求めた．【研究成果発表 1，3，5，7，8，10】

〔学術誌掲載論文，図書，学会発表，新聞掲載，研究に関連して作成したＷｅｂページ等について記入〕(1). 【国際会議】Jin-Xing Shi, Masatoshi Shimoda, Shinobu Sakai, Maximization of fundamental
frequency of initially stressed dissimilar materials using a free-form optimization method. AsianCongress of Structural and Multidisciplinary Optimization 2020, November 23–25, 2020.
(2). 【国内学会】史 金星，下田 昌利，酒井 忍，フリーフォルム最適化手法を用いてバイブレーションルアー設計における基本的検討．日本機械学会 第 30 回設計工学・システム部門講演会，2020 年 11 月 26 日–28 日．
(3)．【競争的資金】史 金星，振動制御のための初期応力を有するバイメタルからなる自動車
部品における新たな形状最適設計手法の創生，公益財団法人 スズキ財団 令和２年度 一般科学技術研究助成金，研究代表者， 2021 年 4 月– 2022 年 3 月.
(4)．【競争的資金】史 金星，流体励起振動問題における異種材料複合構造体の最適設計法の開発とルアー設計への応用，日本学術振興会 科学研究費補助金 基盤研究(C)，研究代表者， 2021 年 4 月– 2024 年 3 月.

研究成果発表状況(5). 【雑誌論文】Jin-Xing Shi, Kana Yoshizumi, Masatoshi Shimoda, Shinobu Sakai, Free-form
optimization of heteromorphic cores in sandwich structures to enhance their thermal buckling
behavior, Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol. 64 (2021), pp. 1925–1937.（査読有，IF: 4.542）(6). 【国際会議】Jin-Xing Shi, Masatoshi Shimoda, Shinobu Sakai, Free-form optimization ofvibration lures under real loading conditions for maximizing their fundamental frequencies. 14th
World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization, June 13th–18th, 2021.
(7). 【国内学会】史 金星，下田 昌利，酒井 忍．振動制御のためのバイメタル複合構造体における形状最適設計，日本機械学会 第 31 回設計工学・システム部門講演会，2021 年 9 月 15日–17 日．
(8). 【国内学会】中田 涼輔，史 金星，バイメタルの固有振動特性に対して初期応力による影響の解明，日本設計工学会 2021 年度 秋季大会研究発表講演会，2021 年 10 月 1 日–2 日．
(9). 【雑誌論文】史 金星, 下田 昌利, 酒井 忍, バイブレーションルアーのフリーフォルム最適設計における基本的検討, 日本機械学会論文集, Vol. 87, No. 903 (2021). （査読有）(10).【国内学会】中田 涼輔，史 金星，酒井 忍，振動問題におけるバイメタル複合構造体の形状最適設計手法の創生，日本機械学会 北陸信越支部 2022 年合同講演会，2022 年 3 月 4日–5 日．
(11).【国内学会】山田 陸人，史 金星，酒井 忍，流体構造連成解析によるバイブレーションル
アーの水中運動再現，日本機械学会 北陸信越支部 2022 年合同講演会，2022 年 3 月 4 日–5日．

区分

執行額（円）

備考

備品

718859ワークステーション，3D スキャナーなど

図書

16126

消耗品

236641

諸会費

27686（合計 999312 円）

経費の執行状況
ルアー，スプレー，ぞうきんなど
国際会議および国内学会の参加登録費