Development of multi-scale shape optimization method for creating ultra-lightweight meta-porous structures

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K03757
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
• Research Institution: Toyota Technological Institute
• Principal Investigator: Shimoda Masatoshi 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 / 形状最適化 / 軽量化 / ポーラス構造 / 最適設計 / シェル構造

Outline of Final Research Achievements

With the development of 3D printing technology, innovative weight reduction can be expected by distributing porous materials (microstructures) with voids in appropriate locations in the main body of a structure (macrostructure). In this study, we developed a novel multi-scale shape optimization method that optimizes the shape, material, and cross-sectional dimensions of the microstructures distributed in the macrostructure while optimizing the shape of the macrostructure. We dealt with design problems of rigidity, vibration, and strength, and proposed solutions to them. We freely varied the design variables of the shapes, materials and dimensions of elastic bodies, plate and shell macrostructures, and microstructures consisting of porous and lattice structures without shape design parameterization, and succeeded in obtaining maximum mechanical properties and ultra-lightweight structures.

Free Research Field

計算力学や数理設計に基づく構造最適設計に関する研究

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまでのマルチスケール問題の最適設計に関する研究はトポロジー最適化に関するものであり、形状最適化を対象にした本研究は新たな研究である。トポロジー最適化に比べて設計自由度は少ないが、形状と材料と寸法を設計変数とすることで、同等もしくはそれ以上のミクロ構造の創成が可能となる。更に、トポロジー最適化では得られない明瞭で滑らか、且つ具体的な境界設計やより微細構造が直接求められることを可能にし、3Dプリンティングへのダイレクトな適用も可能とした。
提案手法を設計に利用することにより、設計者にマルチスケールの最適設計の知見を与えると共に、経験の浅い設計者への設計支援システムにもなる。