電磁波デバイスを対象としたマルチスケールトポロジー最適化

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22360041
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 西脇 眞二 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10346041)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 寺田 賢二郎 東北大学, 学内共同利用施設等, 教授 (40282678) ; 大門 真 株式会社豊田中央研究所, その他部局等, 研究員 (70443819) ; 泉井 一浩 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90314228)
• Project Period (FY): 2010-04-01 – 2014-03-31
• Keywords: 構造最適化 / マルチスケール解析 / メタマテリアル / 電磁波デバイス / 有限要素法

Research Abstract

本研究では，新しい機能をもつ，あるいは高機能をもつ革新的な電磁波デバイスの構造創成を目的に，デバイスを構成する材料構造であるミクロ構造と，デバイス自身の構造であるマクロ構造の構造設計を同時に，かつ有機的に実施することが可能な，両スケールの
構造創成設計を統合化したマルチスケールにおける構造創成設計法を，トポロジー最適化に基づき構築した．
本研究では，まず最初に，ミクロ構造とマクロ構造のトポロジー最適化手法の開発を，それぞれ個々に具体的な構造設計問題を対象に行った．すなわち，ミクロ構造のポロジー最適化手法の開発については，誘電体メタマテリアルの最適構造設計を対象に，負の有効透磁率を示す構造が得られる方法論を構築するとともに，簡単な設計例によりその有効性を検証した．さらに，ミクロ構造のトポロジー最適化手法の開発の展開として，音響メタマテリアルの最適構造設計を構築し，簡単な設計例によりその有効性を検証した．
他方，マクロスケールのトポロジー最適化手法の開発においては，パッチアンテナ，金属導波管，クローキングデバイスなどの電磁波デバイスを対象に方法論を構築し，簡単な設計例により，その有効性を検証するともに，高機能なデバイスが設計可能なことを明らかにした．
そして，これらの検討結果をもとに，ミクロ構造とマクロ構造のトポロジー最適化手法の統合化を進めた．すなわち，ミクロ構造のトポロジー最適化手法から得られる材料構造を用いて，マクロ構造たる電磁波デバイスの最適構造設計を行う，ミクロ構造とマクロ構造の同時最適化の方法について，ハイパーレンズの構造設計を対象に開発を行ってきた．現在，ミクロ構造とマクロ構造の階層性を表現可能な方法の基礎検討は終了しており，具体的なハイパーレンズ構造設計を対象に，同時最適化の方法，アルゴリズムを構築していく予定である．

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Level Set-based Topology Optimization for the Design of Light-Trapping Structures (2014)
  • Author(s): Otomori, M., Yamada, T., Izui, K., Nishiwaki, S., and Kogiso, N.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: 50 Pages: No.018004
  • DOI: 10.1109/TMAG.2013.2282046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] フェライトを装荷した金属導波管のトポロジー最適化 (2013)
  • Author(s): 乙守正樹,山田崇恭,泉井一浩,西脇眞二,小木曽望
  • Journal Title: 日本計算工学会論文集 Volume: Vol.2013,No.20130014
  • DOI: 10.11421/jsces.2013.20130014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Topology Optimization of an Acoustic Metamaterial with Negative Bulk Modulus Using Local Resonance (2013)
  • Author(s): Lu, L., Yamamoto, T., Otomori, M., Yamada, T., Izui, K., and Nishiwaki, S.,
  • Journal Title: Finite Elements in Analysis and Design Volume: 72 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1016/j.finel.2013.04.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] レベルセット法による形状表現を用いた音響メタマテリアルのトポロジー最適化 (2013)
  • Author(s): 乙守正樹，陸麗蓉，山田崇恭，山本崇史，泉井一浩，西脇眞二
  • Journal Title: 日本機械学会論文集(C編) Volume: 79 Pages: 2138-2151
  • DOI: 10.1299/kikaic.79.2138
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 表面インピダーンス法を用いた金属パッチアンテナの構造最適化 (2013)
  • Author(s): 大門真，塚本翔太，乙守正樹，泉井一浩，西脇眞二
  • Journal Title: 日本機械学会論文集(C編) Volume: 79 Pages: 4084-4094
  • DOI: 10.1299/kikaic.79.4084
• [Presentation] ポロジー最適化を用いた音響メタマテリアルの構造最適設計法 (2013)
  • Author(s): 乙守正樹，陸麗容，山田崇恭，山本崇史，泉井一浩，西脇眞二
  • Organizer: Dynamics and Design Conference 2013 -D&D2013-，日本機械学会
  • Place of Presentation: 福岡，日本
  • Year and Date: 20130826-20130830
• [Presentation] Level set-based Topology optimization of acoustic metamaterials (2013)
  • Author(s): Otomori, M., Lu, L., Nishiwaki, S., Yamada, T., Izui, K., and Yamamoto, T.
  • Organizer: the 10th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization
  • Place of Presentation: Orlando, Florida, USA
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Design of a far-infrared lens based on topology optimization, (2013)
  • Author(s): Akatsuchi Y., Yamada, T., Izui, K., Nishiwaki, S., Ohkado, M., and Nomura, T.
  • Organizer: the 10th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization
  • Place of Presentation: Orlando, Florida, USA
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Topology optimization for microstructure design of plasmonic composites (2013)
  • Author(s): Otomori, M., Andkjaer J., Sigmund, O., Yamada, T., Izui, K., and Nishiwaki, S.
  • Organizer: the 10th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization
  • Place of Presentation: Orlando, Florida, USA
  • Year and Date: 20130519-20130524