Optimum design method for a new smart power generation system utilizing its flexibility

• Project/Area Number: 24760119
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Design engineering/Machine functional elements/Tribology
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: YAMADA Takayuki 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30598222)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2013: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2012: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• 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 / マルチフィジクス解析 / 設計工学 / 粒子法 / 格子ボルツマン法 / 構造最適化 / LBM / 反応拡散方程式

Research Abstract

The objective of the research is maximizing energy efficiency in several fluid devices utilizing optimization method. That is, this research proposes an optimum design method for multi physics fluid devices based on our proposed topology optimization method and level set method. In order to easily extend to complex and large scale problems, the Lattice Boltzmann Method is used as a solver for fluid dynamics problem. The design sensitivity for updating the design variable is derived based on the continuum Boltzmann equation and adjoint variable method. The proposed sensitivity analysis is free from complex matrix calculation. In addition, topology optimization method considering geometrical nonlinearity is constructed using a particle method. Several numerical examples for fluid dynamics problem and multi physics problems are provided to confirm the validity and utility of the proposed topology optimization method.

Research Products

• [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: Vol.13, No.18-131129 Pages: 85-90
  • NAID: 120007101316
  • URL: http://gspsun1.gee.kyoto-u.ac.jp/JASCOME/denshi-journal/13/JA1318.pdf
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Level Set-Based Topology Optimization Using the Lattice-Boltzmann Method (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: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS Series C Volume: 79 Issue: 802 Pages: 2152-2163
  • DOI: 10.1299/kikaic.79.2152
  • NAID: 130003375093
  • ISSN: 0387-5024, 1884-8354
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Topology Optimization Method for Geometrically Nonlinear Problems Incorporating Level Set Boundary Expressions and a Particle Method (2013)
  • Author(s): Yamada, T. Manabe, M. Izui, K. Nishiwaki, S.
  • Journal Title: Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing Volume: 7 Issue: 4 Pages: 630-643
  • DOI: 10.1299/jamdsm.7.630
  • NAID: 130003368577
  • ISSN: 1881-3054
  • 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
  • NAID: 120007101316
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oseen流れにおけるレベルセット法に基づくトポロジー最適化 (2012)
  • Author(s): 矢地謙太郎，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二
  • Journal Title: 計算数理工学論文集 Volume: 12 Pages: 7-12
  • NAID: 40019557356
  • 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, Singapore, (No.1517)
• [Presentation] 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
  • Organizer: 計算数理工学シンポジウム2013,日本計算数理工学会
  • Place of Presentation: 北海道,日本,(No.13-11129)
• [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: 第26回計算力学講演会,日本機械学会
  • Place of Presentation: 佐賀市,日本,(No. 2206)
• [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: 第26回計算力学講演会,日本機械学会
  • Place of Presentation: 佐賀市,日本,(No. 2204)
• [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: 第26回計算力学講演会,日本機械学会
  • Place of Presentation: 佐賀市,日本,(No. 1902)
• [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,日本機械学会
  • Place of Presentation: 読谷村,日本,(No.1114)
• [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,日本機械学会
  • Place of Presentation: 読谷村,日本,(No.1113)
• [Presentation] 格子ボルツマン法を用いた流路設計問題におけるレベルセット法に基づくトポロジー最適化手法の適用 (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: 日本機械学会年次大会,日本機械学会
  • Place of Presentation: 岡山,日本,(J121024)
• [Presentation] 流路設計問題を対象とする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
  • Organizer: 第18回計算工学講演会,日本計算工学会
  • Place of Presentation: 東京,日本,(No.E-4-3)
• [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: 10th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization (WCSMO10)
  • Place of Presentation: Florida, USA, (No.5171)
• [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: 10th World Congress on Structural Multidisciplinary Optimization (WCSMO10)
  • Place of Presentation: Orland FL, USA, (No.5328)
• [Presentation] 流体を対象としたトポロジー最適化問題におけるボルツマン方程式に基づく感度解析手法の考察 (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: 日本応用数理学会2013年研究部会連合発表会,日本応用数理学会
  • Place of Presentation: 東京
• [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
• [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
• [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
• [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
• [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
• [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
• [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
• [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
• [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
• [Presentation] 流体を対象としたトポロジー最適化問題におけるボルツマン方程式に基づく感度解析手法の考察 (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: 日本応用数理学会2013年研究部会連合発表会
  • Place of Presentation: 東洋大学（東京都）
• [Presentation] A Topology Optimization Method Under Oseen Flow Based on the Level Set Method (2012)
  • Author(s): Yaji, K., Yamada, T., Kubo, S., Izui, K., Nishiwaki, S.
  • Organizer: ICOME/JASCOME Symposium
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan, (No.J02)
• [Presentation] 非圧縮性流体を対象としたレベルセット法に基づくトポロジー最適化 (2012)
  • Author(s): 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10回最適化シンポジウム,日本機械学会
  • Place of Presentation: 神戸市,日本,(No.1201)
• [Presentation] 格子ボルツマン法を用いたレベルセット法に基づく構造最適化における一考察 (2012)
  • 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25回計算力学講演会,日本機械学会
  • Place of Presentation: 神戸市,日本,(142-143)
• [Presentation] 格子ボルツマン法を用いた構造最適化における一考察 (2012)
  • 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22回設計工学・システム部門講演会,日本機械学会
  • Place of Presentation: 東広島市,日本,(480-487)
• [Presentation] Topology Optimization Method Using Level Set Boundary Expressions in Navier Stokes Flow (2012)
  • Author(s): Yaji, K., Yamada, T., Izui, K., Nishiwaki, S.
  • Organizer: 14th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference (2012MAO)
  • Place of Presentation: Indianapolis, Indiana, USA, (AIAA2012-5526)
• [Presentation] ポテンシャル問題におけるトポロジー導関数に関する考察 (2012)
  • Author(s): 山田崇恭,泉井一浩,西脇眞二
  • Organizer: 2012年度日本応用数理学会年会,日本応用数理学会
  • Place of Presentation: 稚内市,日本,(117-118)
• [Presentation] 非圧縮性流体を対象としたレベルセット法に基づくトポロジー最適化 (2012)
  • Author(s): 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10回最適化シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸市産業振興センター（兵庫県）