2023 Fiscal Year Final Research Report

Design methods of elastic wave and electromagnetic metamaterial structures incorporating local resonance phenomena

Research Project

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Project/Area Number	19H00740
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	Matsumoto Toshiro 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (10209645)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	田地宏一名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (00252833) 植田毅東京慈恵会医科大学, 医学部, 教授 (30251185) 山田崇恭東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30598222) 飯盛浩司慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (50638773) 高木賢太郎豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60392007) 高橋徹名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90360578)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2024-03-31
Keywords	topology optimization / phononic material / boundary element method / finite element method
Outline of Final Research Achievements	In this study, new topology optimization methods for open resonators, achieving broad technological advancements including efficient calculation of eigenfrequencies and modes, precise eigenvalue calculations for acoustic resonance problems, smooth representation of microstructures in photonic structures using isogeometric boundary element methods, implementation of special functions in metamaterial slabs, and the development of new optimization schemes for acoustic waveguides. Moreover, strict volume constraints and extended topological derivative formulations to nonlinear boundary conditions are investigated. These results aim to significantly reduce computational costs and strictly adhere to physical constraints, playing a crucial role in the design of advanced materials and devices for realizing new functionalities in phononic structures.
Free Research Field	計算力学、設計工学，材料力学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究で開発した開放型共振器に適用するための革新的なトポロジー最適化手法は，境界要素法と櫻井・杉浦法を組み合わせた新しい計算手法を用いて固有周波数とモードの効率的な計算が可能となり、複素固有値の精密な計算に対応した点が大きな学術的意義を有している。さらに、フォトニック構造やメタマテリアルスラブの設計において、微小構造の滑らかな境界表現やメタマテリアルとしての特殊機能の実装など、新しい物理的現象の理解と利用が進むことが期待される。社会的には、これらの技術的進歩がエネルギー効率の良い素材設計や次世代の電子デバイス、音響導波路，防音材料などの開発に貢献する可能性がある。