• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2022 Fiscal Year Research-status Report

超軽量メタポーラス構造創成のためのマルチスケール形状最適化手法の開発

Research Project

Project/Area Number 21K03757
Research InstitutionToyota Technological Institute

Principal Investigator

下田 昌利  豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00350570)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywordsマルチスケール / ポーラス構造 / 形状最適化手法 / 軽量化 / マイクロラチス構造 / 積層シェル / 均質化法 / H1勾配法
Outline of Annual Research Achievements

マクロ構造の形状とマクロ構造内に分布する全ミクロ構造の形状を自由に変動させるマルチスケール同時形状最適化手法の開発が本研究の目的である。初年度(昨年)は基礎となる剛性設計問題を対象に、マルチスケール形状最適化問題の解法の核となる部分を開発したが、今年度はそれを大きく発展させることができた。
その1つは、ミクロ構造としてポーラス構造を用いた固有振動設計問題に対する解法の開発である。そこでは固有振動問題に潜在する重根問題を解決し、2次元と3次元の複数のミクロ構造から成るマクロ構造のミクロ構造分布をトポロジー最適化で決定しながらミクロ構造中のポーラス形状を同時に最適化した。なお、ミクロ構造とマクロ構造は均質化法で接続した。2つめはミクロ構造としてポーラス構造を用いた強度設計問題に対する解法の開発である。そこではミクロのポーラス形状を変動させながら、ミクロ構造中の最大応力の最小化とマクロ構造の最大応力の最小化を行い、両者の効果を比較しながら手法の特徴を示した。3つめは積層シェル構造中のミクロ構造の形状最適化手法の開発である。設計問題としては剛性設計を取り上げ、各層と各領域中のポーラス形状を、体積制約下で同時に最適化する手法を開発した。4つめはミクロ構造としてラチス構造を用いた剛性設計問題の解法の開発である。そこではマクロ構造中に分布するマイクロラチス構造の断面寸法と部材形状を同時に最適化した。5つめは、熱伝導設計問題を対象にしたマクロ構造とミクロ構造の同時トポロジー最適化手法の開発である。
各設計問題は異なる特徴と解決すべき課題を有していたが、プロセスを統一しながら手法とシステム開発を行った。得られた構造の幾つかは3Dプリンターで試作し、性能の評価試験も実施、狙い通りの特性が得られていることを確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画に対して、人員を増やすことでき、一部の内容(積層シェル問題)を前倒して進めることができた。成果の一部は、既に複数の学術雑誌で採択された。
加えて、ポスドク研究員によるマルチスケールのミクロとマクロの同時トポロジー最適化手法の開発も順調に進んだ。

Strategy for Future Research Activity

前述の成果概要以外に、新たに(1)マイクロシェル構造を用いた形状最適化、(2)積層シェル構造の振動問題に対するミクロとマクロの形状最適化、(3)熱応力問題の対するポーラス構造の形状最適化、(4)マイクロラチス構造とマクロ構造の同時最適化、にも既に着手しており、各成果の論文投稿を推進する。また、国際会議が再開されて来ており、参加を行い、成果をアピールする。最終年度になる2023年度は2022年度以上の成果が得られる見込みである。

Causes of Carryover

当初、2022年度の人件費・謝金に全額を当てる予定であったが、研究の進展・拡大により2023年度の研究にも人件費・謝金が必要になったため、両年度に分割した。2023年度分は分割した人件費・謝金、及び消耗品費に使用する計画である。

  • Research Products

    (20 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Concurrent multiscale hybrid topology optimization for light weight porous soft robotic hand with high cellular stiffness2023

    • Author(s)
      Musaddiq Al Ali, Masatoshi Shimoda, Brahim Benaissa, Masakazu Kobayashi
    • Journal Title

      Proceedings of the International Conference of Steel and Composite for Engineering Structures. ICSCES 2022. Lecture Notes in Civil Engineering

      Volume: 317 Pages: -

    • DOI

      10.1007/978-3-031-24041-6_22

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Concurrent shape optimization of a multiscale structure for controlling macrostructural stiffness2022

    • Author(s)
      Minami Fujioka, Masatoshi Shimoda, Musaddiq Al Ali
    • Journal Title

      Structural and Multidisciplinary Optimization

      Volume: 65-211 Pages: -

    • DOI

      10.1007/s00158-022-03304-y

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Investigation of concurrent multiscale topology optimization for designing lightweight macrostructure with high thermal conductivity2022

    • Author(s)
      Musaddiq Al Ali, Masatoshi Shimoda
    • Journal Title

      International Journal of Thermal Sciences

      Volume: 179 Pages: 107653

    • DOI

      10.1016/j.ijthermalsci.2022.107653

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Toward multiphysics multiscale concurrent topology optimization for lightweight structures with high heat conductivity and high stiffness using MATLAB2022

    • Author(s)
      Musaddiq Al Ali, Masatoshi Shimoda
    • Journal Title

      Structural and Multidisciplinary Optimization

      Volume: 65-7 Pages: 26

    • DOI

      10.1007/s00158-022-03291-0

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Shape optimization method for strength design problem of microstructures in a multiscale structure2022

    • Author(s)
      Mihiro Torisaki, Masatoshi Shimoda, Musaddiq Al Ali
    • Journal Title

      International Journal for Numerical Methods in Engineering

      Volume: - Pages: 7186

    • DOI

      10.1002/nme.7186

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] マルチスケール構造設計における骨組ミクロ構造の寸法最適化2022

    • Author(s)
      内匠祐太朗,下田昌利
    • Journal Title

      日本機械学会論文集

      Volume: 88-915 Pages: 21-00240

    • DOI

      10.1299/transjsme.22-00240

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Toward concurrent multiscale topology optimization for high heat conductive and light structure2022

    • Author(s)
      Musaddiq Al Ali, Masatoshi Shimoda
    • Organizer
      the 15th World Congress on Computational Mechanics (WCCM-XV), 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM-VIII)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Concurrent multiscale topology optimization for designing displacement inverter2022

    • Author(s)
      Musaddiq Al Ali, Masatoshi Shimoda
    • Organizer
      the 15th World Congress on Computational Mechanics (WCCM-XV), 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM-VIII)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Concurrent multiscale optimization method for natural vibration design of porous structures2022

    • Author(s)
      Junpei Fujita, Masatoshi Shimoda
    • Organizer
      Asian Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Size optimization of micro-frame structure for designing multiscale structure2022

    • Author(s)
      Yutaro Takumi, Masatoshi Shimoda
    • Organizer
      Asian Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Concurrent multiscale topology optimization for designing light weight heat activated compliant mechanism2022

    • Author(s)
      Musaddiq Al Ali, Masatoshi Shimoda
    • Organizer
      Asian Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マルチスケール構造体の強度設計問題に対するミクロ構造の形状最適設計手法2022

    • Author(s)
      鳥崎海広,下田昌利
    • Organizer
      日本機械学会2022年度年次大会
  • [Presentation] 多孔質積層シェル構造体のミクロ孔構造の形状最適化法2022

    • Author(s)
      日笠求,下田昌利
    • Organizer
      日本機械学会2022年度年次大会
  • [Presentation] 3次元マルチスケール多孔質構造体のマクロ・ミクロ構造の同時形状最適化2022

    • Author(s)
      下田昌利,藤岡みなみ
    • Organizer
      日本機械学会2022年度年次大会
  • [Presentation] 多孔質構造体の固有振動設計を目的とする形状およびトポロジーのマルチスケール同時最適化2022

    • Author(s)
      藤田隼平,下田昌利
    • Organizer
      第32回設計工学・システム部門講演会
  • [Presentation] マルチスケール構造体におけるマイクロラチス構造の形状最適化手法2022

    • Author(s)
      内匠祐太朗,下田昌利
    • Organizer
      第32回設計工学・システム部門講演会
  • [Presentation] マルチスケール構造体の熱応力問題に対する形状最適設計2022

    • Author(s)
      鳥崎海広,下田昌利
    • Organizer
      日本機械学会 第14回最適化シンポジューム(OPTIS2022)
  • [Presentation] 多孔質積層シェル構造体におけるマクロ・ミクロ同時形状最適化法2022

    • Author(s)
      日笠求,下田昌利
    • Organizer
      日本機械学会 第14回最適化シンポジューム(OPTIS2022)
  • [Remarks] 豊田工業大学HOME > 研究・産学連携 > 研究室紹介 > 固体力学

    • URL

      https://www.toyota-ti.ac.jp/research/laboratory/post-3.html

  • [Remarks] TOP > 研究室情報>固体力学研究室

    • URL

      https://ttiweb.toyota-ti.ac.jp/public/labo.php?s=1&id=2644

URL: 

Published: 2023-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi