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Robust topology optimization of innovative porous structures by 3D-printer of continuous fiber reinforced plastics

Research Project

Project/Area Number 19H00781
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 22:Civil engineering and related fields
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

加藤 準治  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00594087)

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)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
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)
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
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.

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.

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.

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.

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Comments on the Screening Results   Annual Research Report

Research Products

(30 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results)

  • [Journal Article] Robust topology optimization based on finite strain considering uncertain loading conditions2020

    • Author(s)
      Takayuki Nishino,Junji Kato
    • Journal Title

      International journal for Numerical Methods in Engineering

      Volume: 122 Pages: 1427-1455

    • DOI

      10.1002/nme.6584

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] トポロジー最適化による構造強度向上を目的とした主応力方向分散制約の提案2020

    • Author(s)
      鎌田浩基,加藤準治,京谷孝史
    • Journal Title

      日本計算工学会論文集

      Volume: No.20200006

    • NAID

      130007836958

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 数理的均質化法に基づく材料微視構造のトポロジー最適2020

    • Author(s)
      加藤準治
    • Journal Title

      日本セラミックス協会誌

      Volume: 55 Pages: 377-382

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] STRESS-CONSTRAINED TOPOLOGY OPTIMIZATION OF INFILL STRUCTURE2019

    • Author(s)
      鎌田浩基,干場大也,加藤準治,京谷孝史
    • Journal Title

      A2

      Volume: 75(1) Issue: 1 Pages: 68-85

    • DOI

      10.2208/jscejam.75.68

    • NAID

      130007748730

    • ISSN
      2185-4661
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Topology optimization with geometrical nonlinearity considering uncertain loading condition2019

    • Author(s)
      西野 崇行 , 加藤 準治 , 京谷 孝史
    • Journal Title

      Transactions of JSCES

      Volume: No.20190004 Issue: 0 Pages: 20190004-20190004

    • DOI

      10.11421/jsces.2019.20190004

    • NAID

      130007630047

    • ISSN
      1347-8826
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      2019 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Study on Optimal Design for Sandwich Beams Based on the Ground Structure Method2019

    • Author(s)
      小池 雄介、牛島 邦晴、加藤 準治
    • Journal Title

      Transactions of JSCES

      Volume: 2019 Issue: 0 Pages: 20190006-20190006

    • DOI

      10.11421/jsces.2019.20190006

    • NAID

      130007636373

    • ISSN
      1347-8826
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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Optimization and additive manufacturing technology for smart materials and structures2021

    • Author(s)
      Kuniharu Ushijima and junji Kato
    • Organizer
      ACMFMS2020+1
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  • [Presentation] Multi-material Topology Optimization Considering Static Fracture of The Interface2021

    • Author(s)
      Daiki Watanabe,Hiroya Hoshiba and Junji Kato
    • Organizer
      ACMFMS2020+1
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] CONDITIONAL EXPLICIT FORMULATION OF SENSITIVITY ANALYSIS FOR NONLINEER TOPOLOGY OPTIMIZATION2021

    • Author(s)
      Hiroya,Hoshiba,Junji Kato
    • Organizer
      WCCM2020(World Congress in Computational Mechanics and ECCOMAS Congres)
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] MULTI-MATERIAL TOPOLOGY OPTIMIZATION WITH STRESS CONSTRAINTS UNDER A HIGH TEMPERETURE ENVIROMENT2021

    • Author(s)
      Daiki Watanabe,Hiroya Hoshiba and Junji Kato
    • Organizer
      WCCM2020(World Congress in Computational Mechanics and ECCOMAS Congres)
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] TOPOLOGY OPTIMIZATION BASED ON A HOMOGENIZATION APPROACH FOR DISTRIBUTION OF SEAMLESS MICROSTRUCTURES2021

    • Author(s)
      Masayoshi Matsui,Hiroki Kamada,Hiroya Hoshiba and Junji Kato
    • Organizer
      WCCM2020(World Congress in Computational Mechanics and ECCOMAS Congres)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topology optimization considering nonlinear behavior of brittle damage material model2020

    • Author(s)
      Hiroya Hoshiba,Junji Kato
    • Organizer
      COMPSAFE2020
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimization of fiber orientation and location for 3D-printing FRP2020

    • Author(s)
      Takahito Moribe,Hiroya Hoshiba,Junji Kato
    • Organizer
      COMPSAFE2020
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Multi-material topology optimization considering strength of materials and interfaces2020

    • Author(s)
      Daiki Watanabe,Hiroya Hoshiba,Junji Kato
    • Organizer
      COMPSAFE2020
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topology optimization to improve structural strength for additive manufacturing2020

    • Author(s)
      Junji Kato
    • Organizer
      ACSMO2020(Asian Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization 2020)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 積層造形を念頭においたトポロジー最適設計2020

    • Author(s)
      加藤準治
    • Organizer
      2020年度 日本機械学会年次大会
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  • [Presentation] 三相材料モデルによるラティス構造のトポロジー最適化設計2020

    • Author(s)
      田邉 雄太, 牛島 邦晴, 加藤 準治
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      第25回計算工学講演会
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  • [Presentation] 建設3Dプリンターを念頭においたトポロジー最適設計法の開発2020

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      干場 大也, 高橋 寛成, 加藤 準治
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      第25回計算工学講演会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 3D-printing FRPの機械的性能評価および数値シミュレーション2020

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      森部 天仁, 干場 大也, 加藤 準治
    • Organizer
      第25回計算工学講演会
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      水鳥智幸, 干場大也, 加藤準治
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  • [Presentation] 3D-printing FRPの機械的性能評価および数値解析モデルの検討2020

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      森部天仁, 干場大也, 加藤準治
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      第23回応用力学シンポジウム
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  • [Presentation] コンクリート補強材を想定した周期的なCFRP構造の最適設計2020

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      松井聖圭, 干場大也, 加藤準治
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  • [Presentation] Robust topology optimization based on finite deformation to uncertain loading conditions2019

    • Author(s)
      Takayuki Nishino, Junji Kato
    • Organizer
      13th Word Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization (WCSMO13)
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      西野 崇行,津嶋 雄大,加藤 準治
    • Organizer
      第24回計算工学講演会
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      鎌田 浩基,加藤 準治,京谷 孝史,魚住 久雄,木皮 和男
    • Organizer
      第24回計算工学講演会
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  • [Presentation] 積層造形時の形状不整を考慮したラティス構造の最適化設計2019

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      小池 雄介,牛島 邦晴,加藤 準治
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      第24回計算工学講演会
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      鎌田 浩基,加藤 準治,京谷 孝史
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      第65回理論応用力学講演会・第22回応用力学シンポジウム
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  • [Presentation] Simplified Approach of Topology Optimization Considering Structural Redundancy2019

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      H.Kamada,J.Kato
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      15th U.S. National Congress on Computational Mechanics
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      H.Kamada,J.Kato
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  • [Presentation] Optimal Design of Lattice Structure Considering Constraints through Additive Manufacturing Process2019

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      Y.Koike,K.Ushijima and J.Kato
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      International Conference on Simulation for Additive Manufacturing (Sim-AM2019)
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2019-04-18   Modified: 2021-12-27  

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