Topology Optimization of Compliant Constant-Force Mechanisms
| Project/Area Number |
19F19373
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 外国 |
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| Review Section |
Basic Section 18030:Design engineering-related
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
西脇 眞二 京都大学, 工学研究科, 教授 (10346041)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
ZHU BENLIANG 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2019-11-08 – 2021-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2020: ¥200,000 (Direct Cost: ¥200,000)
Fiscal Year 2019: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
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| Keywords | コンプライアントメカニズム / トポロジー最適化 / 構造最適化 / 有限要素法 / CAE / CAE] |
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| Outline of Research at the Start |
荷重一定のコンプライアントメカニズム(Constant-force mechanisms (CFMs))は，機械構造を利用してほぼ一定の荷重を発生するように設計された柔軟性を利用したメカニズムである．CFMsはその機構的な特長により，MEMSや生体医療などへの幅広い応用が期待されている．本研究では，トポロジー最適化に基づきCFMsの体系的な構造創成設計法を構築する．すなわち，まず荷重一定の機能達成に必要となる構造の幾何学的非線形性を考慮可能なトポロジー最適化の方法を開発する．この方法が開発されれば，MEMSやナノ構造，さらには医療分野におけるデバイス設計に広く展開できると考える．
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| Outline of Annual Research Achievements |
荷重一定のコンプライアントメカニズム(Constant-force mechanisms (CFMs))は，ほぼ一定の荷重を発生するように設計された機械構造の柔軟性を利用したメカニズムである．CFMsはその機構的な特長により，MEMSや生体医療などへの幅広い応用が期待されている．本研究では，トポロジー最適化に基づきCFMsの体系的な構造創成設計法を構築する．すなわち，まず荷重一定の機能達成に必要となる構造の幾何学的非線形性を考慮可能なトポロジー最適化の方法を開発する．次に，荷重一定の機能を達成するための最適化問題の定式化を行う．そして，その定式化によりCFMsの構造創成のための最適化アルゴリズムを開発する．さらに，本方法により簡単なCFMsの構造創成設計を行い，構築した方法論の有効性を検証する．
本年度は，自由曲面の描画曲線の一種であるBezier曲線を用いた方法を開発した．すなわち，まず，Bezier曲線で表現した骨組み構造をレベルセット関数で表し，このBezier曲線で表現した骨組み構造の位置と形状はBezier曲線のコントロールポイントをこの骨組み構造の幅を最適化問題の設計変数とする．そして，Bezier曲線で表現した骨組み構造の端を示すコントロールポイントを，荷重負荷位置と拘束箇所との連結を確保するために制約する．そして，多くのBezier曲線で表現した骨組み構造を初期構造として準備しておき，これらのBezier曲線で表現した骨組み構造を移動，変形，重ね合わせることにより，最適構造を求める方法を構築した．なお，Bezier曲線で表現した骨組み構造はレベルセット関数で陰的に表現しているため，骨組み構造の移動，変形，重ね合わせを容易に行うことができる特長をもつ．
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(2 results)
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[Journal Article] An 89-Line Code for Geometrically Nonlinear Topology Optimization Written in FreeFEM2021
Author(s)
Zhu, B., Zhang, X., Li, H., Liang, J., Wang, R., Li, H., and Nishiwaki, S.
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Journal Title
Structural and Multidisciplinary Optimization
Volume: 63
Issue: 2
Pages: 1015-1027
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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