柔軟性を利用した新スマート発電システムの最適構造創成設計法の開発

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24760119
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 山田 崇恭 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30598222)
• Keywords: トポロジー最適化 / 最適設計 / 計算力学 / 随伴変数法 / レベルセット法 / 感度解析 / 粒子法 / マルチフィジクス解析

Research Abstract

本研究では，流体力を利用したエネルギー変換器の効率最大化を目的とした最適設計法の構築を目指して，流体問題と非線形構造問題の構造最適化手法の構築を行った．流体場の解析手法として，格子ボツルマン法と粒子法に着目し，その方法論を構築することに成功した．すなわち，流体領域を格子ボルツマン法もしくは粒子法を用いて解析しながら，流れ場に対する所望の特性を最適化可能なトポロジー最適化法の方法論を開発した．通常，離散化した方程式に基づいて感度解析を行う場合が多いが，本研究では，感度解析を連続系で導出する方法を提唱し，行列演算を不要とした方法論を構築した．
基盤となるトポロジー最適化手法は，研究代表者のこれまでの実績に基づき，レベルセット法に基づくトポロジー最適化を用いた．これにより，明瞭で滑らかな最適構造の創成を可能とした．さらには，正則化係数の設定値により，最適構造の幾何学的複雑さの設定を可能としているため，製造性の高い構造を創成可能としている．なお，レベルセット関数は有限要素法による離散化を行っており，各物理領域はレベルセット関数により形状表現方法を統一している．これにより，異なる数値解析手法を連成問題への拡張を可能とした．
また，構造領域の解析手法として，粒子法を採用し，構造の非線形性を考慮しながらトポロジー最適化を行う方法を開発することに成功した．すなわち，構造物の幾何学的変形を積極的に利用しながら最適な構造を創成設計可能な方法論を構築した．

Research Products

• [Journal Article] 格子ボルツマン法を用いたレベルセット法に基づくトポロジー最適化 (2013)
  • Author(s): 矢地謙太郎,山田崇恭,吉野正人,松本敏郎,泉井一浩,西脇眞二
  • Journal Title: 日本機械学会論文集(C編) Volume: 79巻,第802号 Pages: 2138-2163
  • DOI: 10.1299/kikaic.79.2152
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 格子運動論スキームを用いたレベルセット法に基づくトポロジー最適化 (2013)
  • Author(s): 矢地謙太郎，山田崇恭，吉野正人，松本敏郎，泉井一浩，西脇眞二
  • Journal Title: 計算数理工学論文集 Volume: 13 Pages: No.18-131129
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Level set-based topology optimization method for flow channel problem using lattice Boltzmann method (2013)
  • Author(s): Yaji, K., Yamada, T., Yoshino, M., Matsumoto, T., Izui, K., Nishiwaki, S.
  • Organizer: 5th Asia Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM2013)
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 20131211-20131214
• [Presentation] Flow rate constrained topology optimization of manifold with level set-based boundary representation (2013)
  • Author(s): Kubo, S., Yaji, K., Yamada, T., Izui, K., Nishiwaki, S.
  • Organizer: 5th Asia Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM2013)
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 20131211-20131214
• [Presentation] Bounce-back境界条件を用いた格子ボルツマン法による流れ場のトポロジー最適化 (2013)
  • Author(s): 守田拓朗，松本敏郎，山田崇恭，吉野正人，高橋徹，飯盛浩司
  • Organizer: 日本機械学会第26回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 佐賀大学
  • Year and Date: 20131102-20131104
• [Presentation] Lattice Kinetic スキームを用いた最適流路設計におけるレベルセット法に基づくトポロジー最適化 (2013)
  • Author(s): 矢地謙太郎，山田崇恭，吉野正人，松本敏郎，泉井一浩，西脇眞二
  • Organizer: 日本機械学会第26回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 佐賀大学
  • Year and Date: 20131102-20131104
• [Presentation] 最小二乗近似に基づく粒子法を用いたトポロジー最適化に関する考察 (2013)
  • Author(s): 北川晃祥，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二，柴田和也
  • Organizer: 日本機械学会第26回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 佐賀大学
  • Year and Date: 20131102-20131104
• [Presentation] 最適流路設計を目的としたレベルセット法に基づくトポロジー最適化 (2013)
  • Author(s): 矢地謙太郎，山田崇恭，吉野正人，松本敏郎，泉井一浩，西脇眞二
  • Organizer: 日本機械学会第23回設計工学・システム部門講演会
  • Place of Presentation: 沖縄県読谷村
  • Year and Date: 20131023-20131025
• [Presentation] 流量制約を考慮した非圧縮粘性流れのレベルセット法に基づくトポロジー最適化 (2013)
  • Author(s): 久保世志，矢地謙太郎，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二
  • Organizer: 日本機械学会第23回設計工学・システム部門講演会
  • Place of Presentation: 沖縄県読谷村
  • Year and Date: 20131023-20131025
• [Presentation] Level set-based topology optimization method for viscous flow using Lattice Boltzmann Method (2013)
  • Author(s): Yaji, K., Yamada, T., Yoshino, M., Matsumoto, T., Izui, K., Nishiwaki, S.
  • Organizer: The 10th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization (WCSMO10)
  • Place of Presentation: Florida, USA
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Level set based topology optimization of switching fluidic device for incompressible viscous flow (2013)
  • Author(s): Kubo, S., Yaji, K., Yamada, T., Izui, K., Nishiwaki, S.
  • Organizer: The 10th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization (WCSMO10)
  • Place of Presentation: Florida, USA
  • Year and Date: 20130519-20130524