| Project/Area Number |
22K18755
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
西脇 眞二 京都大学, 工学研究科, 教授 (10346041)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寺田 賢二郎 東北大学, 災害科学国際研究所, 教授 (40282678)
古田 幸三 京都大学, 工学研究科, 特定助教 (20833031)
近藤 継男 京都大学, 工学研究科, 研究員 (90394402)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
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| Keywords | トポロジー最適化 / 構造創成 / 構造メタマテリアル / き裂の発生・進展 / 有限変形 |
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| Outline of Research at the Start |
き裂進展を伴う大変形挙動は，変位制御下でのき裂開口による構造全体の異方的な挙動や，微小変形では達成できない大変位・大回転挙動を利用できる可能性をもち，メゾスケールにおいて，このき裂発生の位置や進展と有限変形挙動を制御できれば，マクロスケールにおいて，新しい機能をもつ材料構造を設計できる可能性がある．本研究では，このような材料構造創成法として，き裂の発生位置と進展過程および有限変形・回転のような構造の不安定挙動をも解析・制御・特定を可能とすることにより，新機能を付加可能な構造創成設計法を，トポロジー最適化に基づき構築する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
き裂進展を伴う大変形挙動は，変位制御下でのき裂開口による構造全体の異方的な挙動や，微小変形では達成できない大変位・大回転挙動を利用できる可能性をもち，メゾスケールにおいて，このき裂発生の位置や進展と有限変形挙動を制御できれば，マクロスケールにおいて，新しい機能をもつ材料構造を設計できる可能性がある．本研究では，このような材料構造創成法として，き裂の発生位置と進展過程および有限変形・回転のような構造の不安定挙動をも解析・制御・特定を可能とすることにより，新機能を付加可能な構造創成設計法を，トポロジー最適化に基づき構築する．
本年度は，その研究開発の一環として，昨年度に引き続きフェーズフィールド法に基づき，き裂の発生・進展と変形を同時に解明可能な方法論を構築し，その改良を進めた．さらに，フェーズフィールド法に基づくトポロジー最適化の方法論についても，設計変数を更新するための反応拡散方程式の改善を行うとともに，変形量と変形モードを特定可能な目的関数について，さらに拡張性が高い一般的な定式化を進めるため，引き続き検討を行った．そして，目的関数を剛性の最大化，すなわち平均コンプライアンスの最小化に設定した場合の，構造創成設計法の検討改良を進め，その方法を簡単な設計問題に適用し，方法論の妥当性の検証を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
フェーズフィールド法に基づき，き裂の発生・進展と変形を同時に解明可能な方法論の改善ができ，さらに，当初2023年度に予定していたフェーズフィールド法に基づくトポロジー最適化の方法論についても，設計変数の反応拡散方程式に基づく改善を行うことができたから．さらに，より一般的な構造設計問題に適用できるように，目的関数を剛性の最大化，すなわち平均コンプライアンスの最小化に設定した場合の定式化を見直し，それにより構造創成設計法を改良し，その方法を簡単な設計問題に適用し，方法論の妥当性の検証を行うことができたから．
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度には，き裂の発生位置と進展過程および有限変形・回転のような構造の不安定挙動をも制御・特定可能な構造設計案を得るための，目的関数の定式化を検討する．そして，その定式化に基づき最適化アルゴリズムを開発し，具体的な数値実装を行う．さらに，構築したトポロジー最適化アルゴリズムにより，構造の不安定挙動の制御・特定を目的とした構造設計問題を対象に最適構造を求め，得られた最適構造の妥当性を，理論解および他の数値解析解と比較することにより検証する．また，必要であればアルゴリズムに改良を行う．さらに，求められた構造の力学的妥当性と工学的有効性を検証し，新機能材料構造設計への展開を探索する．
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