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熱・流体システムを対象とした大規模マルチフィジックストポロジー最適化

研究課題

研究課題/領域番号 21J13418
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分18030:設計工学関連
研究機関京都大学

研究代表者

李 昊  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2021-04-28 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワードlift-drag / feature rich design / h-adaptation / length scale control / local volume constraint / distributed computing / topology optimizaion / parallel computing / mesh adaptation / thermal fluid problem / distributed elements / body-fitted mesh / level set method
研究開始時の研究の概要

Topology optimization (TO) is well-known as an efficient computational method for structural design due to its high degree of flexibility. We propose a new framework for the large-scale TO method for the thermo-fluid-structure system design which is efficient, open-source and easy-to-use. The cornerstone of our methodology is the reaction-diffusion equation (RDE) based level-set method. We use efficient mesh evolution strategy, preconditioner techniques for solving large-scale finite element system. We show a variety of engineering examples: architecture, fluid-structure-interation, heat sink.

研究実績の概要

Continuing last year's work, we further introduce the distributed unstructured mesh adaptation into the fluid-related topology optimization which is a first step in that direction. A lift-drag optimization problem and a classical minimal power dissipation problem are formulated for comparison and for accessing the constructed framework. Furthermore, motivated by the need for porous structures in the design of biodegradable implants, as well as for the diverse and competitive designs in architecture, we build upon the recent advances in the single-scale (macroscopic) topology optimization (TO) approach and propose a level-set method (LSM) for the design of lattice structures. The key idea is to introduce the maximum length-scale constraint, realized by a PDE filter, into the reaction-diffusion equation (RDE)-based LSM which can end up with a feature-rich shape, starting from scratch.

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (35件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (21件) (うち国際共著 17件、 査読あり 21件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Sorbonne Universite/LIP6(フランス)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Southern Denmark(デンマーク)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] China Academy of Engineering Physics(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Shanghai/for Science and Technology(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Shanghai Jiaotong University(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Reaction-diffusion equation driven topology optimization of high-resolution and feature-rich structures using unstructured meshes2023

    • 著者名/発表者名
      Li, H., Yu, M., Jolivet, P., Alexandersen, J., Kondoh, T., Hu, T., Furuta, K., Izui, K., Nishiwaki, S.
    • 雑誌名

      Advances in Engineering Software

      巻: 108 ページ: 103457-103457

    • DOI

      10.1016/j.advengsoft.2023.103457

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Maximization of the fundamental eigenfrequency using topology optimization based on multi-material level set method2023

    • 著者名/発表者名
      Nakayama, N., Li, H., Furuta, K., Nishiwaki, S., Izui, K.,
    • 雑誌名

      Mechanical Engineering Journal

      巻: 10 号: 2 ページ: 22-00353-22-00353

    • DOI

      10.1299/mej.22-00353

    • ISSN
      2187-9745
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Multiscale topology optimization of biodegradable metal matrix composite structures for additive manufacturing2023

    • 著者名/発表者名
      Zhang, H., Ding, X., Guo, H., Xu, S., Li, H., Nishiwaki, S., Chen, Y., Takezawa, A.
    • 雑誌名

      Applied Mathematical Modelling

      巻: 114 ページ: 799-822

    • DOI

      10.1016/j.apm.2022.10.019

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Improved thermal performance of a serpentine cooling channel by topology optimization infilled with triply periodic minimal surfaces2022

    • 著者名/発表者名
      Yeranee, K., Rao, Y., Li, Y., Li, H.
    • 雑誌名

      Energies

      巻: 15 号: 23 ページ: 8924-8924

    • DOI

      10.3390/en15238924

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Topology optimization for lift-drag problems incorporated with distributed unstructured mesh adaptation2022

    • 著者名/発表者名
      Li, H., Kondoh, T., Jolivet, P., Nakayama, N., Furuta, K., Zhang, H., Zhu, B., Izui, K., Nishiwaki, S.
    • 雑誌名

      Structural and Multidisciplinary Optimization

      巻: 65 号: 8 ページ: 222-222

    • DOI

      10.1007/s00158-022-03314-w

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Topology optimization for maximizing linear buckling load based on level set method2022

    • 著者名/発表者名
      Ishida, N., Kondoh, T., Furuta, K., Li, H., Izui, K., Nishiwaki, S.
    • 雑誌名

      Mechanical Engineering Journal

      巻: 9 号: 4 ページ: 21-00425-21-00425

    • DOI

      10.1299/mej.21-00425

    • ISSN
      2187-9745
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Topology optimization of coated structures with layer-wise graded lattice infill for maximizing the fundamental eigenfrequency2022

    • 著者名/発表者名
      Hu, T., Wang, Y., Zhang, H., Li, H., Ding, X., Izui, K., Nishiwaki, S.
    • 雑誌名

      Computers & Structures

      巻: 271 ページ: 106861-106861

    • DOI

      10.1016/j.compstruc.2022.106861

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Enhanced thermal performance of a pin-fin cooling channel for gas turbine blade by density-based topology optimization2022

    • 著者名/発表者名
      Yeranee, K., Rao, Y., Li, Y., Li, H.
    • 雑誌名

      International Journal of Thermal Sciences

      巻: 181 ページ: 107783-107783

    • DOI

      10.1016/j.ijthermalsci.2022.107783

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] An integrated two-step strategy for an optimal design of liquid–cooled channel layout based on the MMC-Density approach2022

    • 著者名/発表者名
      Pan, S., Yu, M., Li, H., Li, Z., Reng, M., Gu, J., Shen, C.
    • 雑誌名

      Structural and Multidisciplinary Optimization

      巻: 65 号: 8 ページ: 221-221

    • DOI

      10.1007/s00158-022-03315-9

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Robust topology optimization of biodegradable composite structures under uncertain degradation rates2022

    • 著者名/発表者名
      Zhang, H., Takezawa, A., Ding, D., Zhang, X., Xu, S., Li, H., Nozawa, S., Nishiwaki, S.
    • 雑誌名

      Composite Structures

      巻: 291 ページ: 115593-115593

    • DOI

      10.1016/j.compstruct.2022.115593

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optimal design of liquid-cooled uniform-temperature plate with hierarchical vein structure2022

    • 著者名/発表者名
      Meng, F., Ding, X., Li, H., and Xiong, M.
    • 雑誌名

      Journal of Mechanical Engineering

      巻: 58 号: 22 ページ: 426-437

    • DOI

      10.3901/jme.2022.22.426

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Three-dimensional topology optimization of a fluid-structure system using body-fitted mesh adaption based on the level-set method2022

    • 著者名/発表者名
      Li Hao、Kondoh Tsuguo、Jolivet Pierre、Furuta Kozo、Yamada Takayuki、Zhu Benliang、Izui Kazuhiro、Nishiwaki Shinji
    • 雑誌名

      Applied Mathematical Modelling

      巻: 101 ページ: 276-308

    • DOI

      10.1016/j.apm.2021.08.021

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optimum design and thermal modeling for 2D and 3D natural convection problems incorporating level set‐based topology optimization with body‐fitted mesh2022

    • 著者名/発表者名
      Li Hao、Kondoh Tsuguo、Jolivet Pierre、Furuta Kozo、Yamada Takayuki、Zhu Benliang、Zhang Heng、Izui Kazuhiro、Nishiwaki Shinji
    • 雑誌名

      International Journal for Numerical Methods in Engineering

      巻: 123 号: 9 ページ: 1954-1990

    • DOI

      10.1002/nme.6923

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Concurrent Topology Optimization of Composite Plates for Minimum Dynamic Compliance2022

    • 著者名/発表者名
      Zhang Heng、Ding Xiaohong、Ni Weiyu、Chen Yanyu、Zhang Xiaopeng、Li Hao
    • 雑誌名

      Materials

      巻: 15 号: 2 ページ: 538-538

    • DOI

      10.3390/ma15020538

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Design of compliant mechanisms: An explicit topology optimization method using end-constrained spline curves with variable width2022

    • 著者名/発表者名
      Zhu Benliang、Wang Rixin、Liang Junwen、Lai Jianhao、Zhang Hongchuan、Li Hai、Li Hao、Nishiwaki Shinji、Zhang Xianmin
    • 雑誌名

      Mechanism and Machine Theory

      巻: 171 ページ: 104713-104713

    • DOI

      10.1016/j.mechmachtheory.2021.104713

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Full-scale 3D structural topology optimization using adaptive mesh refinement based on the level-set method2021

    • 著者名/発表者名
      Li Hao、Yamada Takayuki、Jolivet Pierre、Furuta Kozo、Kondoh Tsuguo、Izui Kazuhiro、Nishiwaki Shinji
    • 雑誌名

      Finite Elements in Analysis and Design

      巻: 194 ページ: 103561-103561

    • DOI

      10.1016/j.finel.2021.103561

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Explicit structural topology optimization using moving wide Bezier components with constrained ends2021

    • 著者名/発表者名
      Zhu Benliang、Wang Rixin、Wang Nianfeng、Li Hao、Zhang Xianmin、Nishiwaki Shinji
    • 雑誌名

      Structural and Multidisciplinary Optimization

      巻: N/A 号: 1 ページ: 53-70

    • DOI

      10.1007/s00158-021-02853-y

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Topology Optimization of Multi-material Compliant Mechanisms Using Node-density Interpolation Scheme2021

    • 著者名/発表者名
      Benliang Zhu, Xianmin Zhang, Hai Li, Rixin Wang, Min Liu, Hao Li
    • 雑誌名

      Journal of Mechanical Engineering

      巻: 57 号: 15 ページ: 53-53

    • DOI

      10.3901/jme.2021.15.053

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Topology optimization of degradable composite structures with time‐changeable stiffness2021

    • 著者名/発表者名
      Zhang Heng、Takezawa Akihiro、Ding Xiaohong、Xu Shipeng、Li Hao、Guo Honghu
    • 雑誌名

      International Journal for Numerical Methods in Engineering

      巻: 122 号: 17 ページ: 4751-4773

    • DOI

      10.1002/nme.6745

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Bi-material microstructural design of biodegradable composites using topology optimization2021

    • 著者名/発表者名
      Zhang Heng、Takezawa Akihiro、Ding Xiaohong、Xu Shipeng、Duan Pengyun、Li Hao、Guo Honghu
    • 雑誌名

      Materials & Design

      巻: 209 ページ: 109973-109973

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2021.109973

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] An Approach for Geometrically Nonlinear Topology Optimization Using Moving Wide-B?zier Components With Constrained Ends2021

    • 著者名/発表者名
      Zhu Benliang、Wang Rixin、Zhang Hongchuan、Li Hai、Liang Junwen、Zhang Xianmin、Li Hao、Nishiwaki Shinji
    • 雑誌名

      Journal of Mechanical Design

      巻: 144 号: 1 ページ: 53-61

    • DOI

      10.1115/1.4051872

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Optimum design and thermal modeling for 2D and 3D natural convection problems incorporating level set-based topology optimization with body-fitted mesh2022

    • 著者名/発表者名
      Li, H., Kondoh, T., Jolivet, P., et al.
    • 学会等名
      The 23rd Top Webinar
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Level-set based topology optimization of large-scale multiphysics systems incorporating mesh adaptation2022

    • 著者名/発表者名
      Li, H., Zhang, H., Ding, X., Hu, T., Nakayama, N., Kondoh, T., Jolivet, P., Yamada, T., Nishiwaki, S.
    • 学会等名
      Chinese Congress of Theoretical and Applied Mechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Topology optimization of high resolution lattice structures using a PDE-filter2022

    • 著者名/発表者名
      Li, H., Yu, M., Alexandersen, J., Ishida, N., Kondoh, T., Furuta, K., Izui, K., Nishiwaki, S.
    • 学会等名
      32th Conference of Design & Systems
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Topology optimization of thermal fluid-structure systems2022

    • 著者名/発表者名
      Li, H., Kondoh, T., Jolivet, P., Furuta, K., Zhang, H., Izui, K., Nishiwaki, S.
    • 学会等名
      15th World Congress on Computational Mechanics & 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Level-set based topology optimization of multi-physics systems incorporating mesh adaptation2022

    • 著者名/発表者名
      Li, H., Kondoh, T., Jolivet, P., Furuta, K., Zhang, H., Yamada, T., Izui, K., Nishiwaki, S.
    • 学会等名
      Asian Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Reaction-Diffusion Equation-based Topology Optimization: a novel framework for 2D and 3D Thermal Fluid-Structure System Design2021

    • 著者名/発表者名
      Hao Li, Tsuguo Kondoh, Pierre Jolivet, Kozo Furuta, Takayuki Yamada, Kazuhiro Izui, and Shinji Nishiwaki
    • 学会等名
      14th World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topology optimization of a thermo-fluid system and an eigenfrequency problem2021

    • 著者名/発表者名
      Hao Li, Nari Nakayama, Pierre Jolivet, Naoyuki Ishida, Kousei Wano, Tsuguo Kondoh, Kozo Furuta, and Shinji Nishiwaki
    • 学会等名
      FreeFEM Days
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Body-fitted topology optimization: a novel framework for optimal design and thermal modeling of full-scale 3D natural convection problems2021

    • 著者名/発表者名
      Hao Li, Tsuguo Kondoh, Pierre Jolivet, Kousei Wano, Kozo Furuta, Takayuki Yamada, Heng Zhang, Kazuhiro Izui, and Shinji Nishiwaki
    • 学会等名
      Annual meeting of the Japan Society for Industrial and Applied Mathematics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] Homepage of Hao Li

    • URL

      https://www.x-mol.com/groups/lihao_kyotouni

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-03-26  

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