Development of nonlinear topology optimization by CMA-ES and its application to hyperelastic mechanical cloak
| Project/Area Number |
23K20249
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| Project/Area Number (Other) |
20H02053 (2020-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2020-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18030:Design engineering-related
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
藤井 雅留太 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (90569344)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
秋本 洋平 筑波大学, システム情報系, 准教授 (20709654)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
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| Keywords | Mechanical cloak / Topology Optimization / メカニカルアンフィーラビリティクローク / トポロジー最適化 / 応力制御 / メカニカルクローク / 超弾性体 / 非線形有限要素法 / CMA-ES / 超弾性 / 非線形構造解析 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では物体の不可視化を実現する工学クロークの力学におけるアナロジーであるメカニカルクロークを実現するためのトポロジー最適化を開発し，その性能向上と多機能化，および性能のロバスト化を試みる.また，トポロジー最適化により設計されたメカニカルアンフィーラブルデバイスのCADデータなどを作成し，実験による再現可能な状態としてデータを提供する．また．力学的な多機能製を実現するだけでなく，アンフィーラブル機能に加え，内部での自在な応力操作を実現するデバイスの設計を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はトポロジー最適化による弾性体構造の多機能化を実施し，応力の反転が可能かを検証した．クローキングを達成する目的関数の他に，引っ張りを発生させる目的関数と，外からの圧縮荷重に対して垂直方向の応力の発生を抑制する目的関数を設定し，それらの計算を実施するサブルーチンを開発した．また，複数の目的関数と制約に関するペナルティ関数項を同時に適切に最適化を行うため，満足化トレードオフ法を適応し，各目的関数を希求水準まで改善することに成功した．また，計算の高速化を実現するための構造モデリングに関しても大きく進展している．具体的には，スペクトラルレベルセット法，Radius Basis関数に基づいたレベルセット法などの開発が完了し，計算速度として従来の1/10から1/50程度の計算時間で最適化を完了させることが可能となった．
一方で，得られた最適化構造を実際に作成することまで本年度は挑戦したが，こちらが想定していたより，作成が難しい．プリントさせる材料が基盤にうまく付着させることができなかったり，設定した問題の物理的理由から，考えていたよりも材料選択の余地がないことが明らかになった．使用できる材料のうち，最適化計算で良い結果が期待できる材料はすでに判明しているため，3Dプリントの条件をさまざま試行錯誤し，最適化構造の作製を実施中である．
また，開発に関してはかなり進んだものの，それらを成果として論文に掲載することまでは，本年度ではたどり着けなかった．次年度以降，随時論文執筆を行い，成果として取りまとめることが必要である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
クローキングだけでなく他の目的関数を新しく導入することで，さまざまな機能を同時に実現する弾性体構造の最適化が可能となったことと，最適化計算の大幅な時間短縮が可能となった．スペクトラルレベルセット法，Radius Basis関数に基づいたレベルセット法による構造モデリングの開発が完了し，期待以上の計算の高速化が可能となったこと．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度開発したスペクトラルレベルセット法，Radius Basis関数に基づいたレベルセット法などに加えB-splie関数で表現されるレベルセット関数による構造モデリング法を開発すること．また，これら３つのモデリングの論文を執筆すること．また，多機能化された弾性体構造を3Dプリントにより作成し，実験によりその性能を検証すること．実験による計測は非接触ひずみ測定器での実測を予定しており，本学以外の研究施設の機器を使用予定である．すでに一度仮の測定実験を行っているものの，最適化構造の形状が複雑なため，正しい歪測定が可能かどうかは検証が必要である．
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Report
(3 results)
Research Products
(4 results)
