Design and prototype of cantilever-type module bridge based on shape optimization approach

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 18K18888
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 22:Civil engineering and related fields
• Research Institution: Tohoku Gakuin University
• Principal Investigator: Nakazawa Masatoshi 東北学院大学, 工学部, 教授 (20198063)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 近広 雄希 信州大学, 学術研究院工学系, 助教 (10778905) ; 有尾 一郎 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (50249827)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Keywords: トポロジー最適化 / カンチレバー橋 / 周期性構造 / 基本モジュール / 寸法最適化 / 試作

Outline of Final Research Achievements

We can get a optimum structure of X-shaped configuration analogous to Forth Railway Bridge, by carrying out the topology optimization analysis for trapezoidal region modelling the cantilever.
Next, by summarizing the results of parametric analysis for optimum shape of simply-supported beam isolated from periodic structure, we can propose two types of fundamental module. Moreover, shape optimization analysis is carried out for T-shaped elements which compose the fundamental module and is suitable for the connectivity between modules. As a results, 2 types of prototype model which have constant and variable cross section in the longitudinal beam direction can be designed. Finally, prototype of fundamental module is produced by 3D Printer.

Free Research Field

構造工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

周期性構造の場合、発生する断面力および応力度分布も周期性を有するが、トポロジー最適化理論による最適構造も周期性を有するのかという学術的命題でもあった。結果として、最適形状もほぼ周期性を示すが、予想されたように異なる新しい形状も得ることができた。
基本モジュールを模した単純ばりの最適形状に関するパラメトリック解析より、単純ばりの2次元最適形状の特性が得られたことは、実橋形式との相関の観点から技術的意義が大きい。また、この結果より基本モジュールを構成する2つの基本モジュールを作成したが、これらは横方向に1/4周期ずれた形状で関連性もあることより、学術的意義も認められる。