Robust topology optimization of innovative porous structures by 3D-printer of continuous fiber reinforced plastics
| Project/Area Number |
19H00781
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 22:Civil engineering and related fields
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
加藤 準治 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00594087)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
干場 大也 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80847038)
小橋 真 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (90225483)
北根 安雄 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10444415)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥47,060,000 (Direct Cost: ¥36,200,000、Indirect Cost: ¥10,860,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2020: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
Fiscal Year 2019: ¥33,020,000 (Direct Cost: ¥25,400,000、Indirect Cost: ¥7,620,000)
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| Keywords | トポロジー最適化 / 積層造形 / 3Dプリンター / インフィル構造 / 3D printer / CFRP / 3D purinter / 3Dプリンタ / ３Dプリンター / 繊維補強材料 |
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| Outline of Research at the Start |
近年，様々な分野において積層造形（3Dプリンター）を活かしたものづくりが本格的に導入されている．そして，その先端テクノロジーが生み出したインフィル構造と呼ばれる多孔質性構造体を導入すると従来構造の約5 倍もの耐荷力を発現するという実験結果が示された．しかし，製作上のばらつきなどの不確かな条件下ではその性能を安定的に引き出すことができなくなることがわかってきた．本研究はその優れた性能を安定的かつ最大限に引き出すために実験によるメカニズムの解明とそれを基にロバストな構造見出す新たなトポロジー最適設計法を構築する．最後にFRP製のインフィル構造に導入して極限性能の発現を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの成果として，3D-printing（以下，3DPに略）によるCFRP造形は我々が想定していた以上に造形精度に優れ，また造形方法によっては繊維材の平均的な材料強度が増加するという新たな知見を実験によって得ている．そのため，R2年度は当初計画にはなかったが，3DP‐CFRP材の限界性能を見極めるための基本的な検証を追加で行った．
一方，数値計算に関しては，3DP‐CFRP部材の力学シミュレーションのために，まずは単純なTsai-Wu材料モデルをコード化し，自作の有限要素法プログラムに導入した．そこから実験との差異を確認しながら3DP特有の積層方向の異方性や層間剥離や強度を考慮して3DP-CFRP用の新たな材料モデルを構築した．特に，繊維材の引張りと圧縮方向によって強度が異なることから，それを考慮したものとなっている．
他方，高速フーリエ変換（FFT）を適用したFFT均質化法と呼ばれる特殊な方法を活用して材料微視構造のトポロジーを高速で最適化するアルゴリズムを完成させた．3次元問題で比較すると，開発した手法により，従来の最適設計法に比べて100倍以上の計算スピードを達成した．これについては，無駄を削ぎ落とした，高速化された有限要素法に基づくトポロジー最適化法と本手法の比較によるもので，既に国際ジャーナル用に執筆をはじめた．
さらに，不確かな荷重の変動によって一部の部材が損傷した後でも構造全体の挙動が急激に変化しない，ロバスト性に優れた最適形状を見出すための3次元トポロジー最適設計法の開発に挑戦した．これについては，国際会議ですでに成果発表を行い，また国際学術論文でも発行されている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究は，連続繊維3Dプリンターを考慮した最適設計，多孔質構造体の最適設計，インフィル構造，ロバスト設計等，学銃的にも実用的にも関心の高い研究テーマによって構成されているが，それぞれのテーマが多角的に進められ，いずれも相互に関連できるように全体計画を推し進めている．すなわち，ひとつの手法が完成すれば，他のテーマでも活用できるよう緻密に全体計画を練っており，これが良い方向に進められている理由と思われる．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策としては，R2年度に開発したFFT均質化法にもとづく，高速最適設計法によって，非線形構造問題のマルチスケールトポロジー最適設計の理論構築ならびにプログラム実装を行う．特に弾塑性問題と損傷力学問題についてどの程度の高速化が図れるか検証する予定である．
また，これまでは繊維が理論上は不連続になっていることから，これを完全に連続繊維であることを強要する数学的にストロングな制約関数を見出す．これによって，連続繊維の特性を考慮した最適設計法を成果に先駆けて開発する．
また，最終年度であることから，大規模計算を実施し，複雑な現象も捉えるようにしたい．そのためには，本学が保有するスーパーコンピュータを活用し，その並列性能に着目したコードの実装を行う．
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Report
(3 results)
Research Products
(30 results)
