CMA-ESを用いたマルチフェーズトポロジー最適化法の開発と光デバイス応用

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K17778
• 研究機関: 信州大学
• 研究代表者: 藤井 雅留太 信州大学, 学術研究院工学系, 助教 (90569344)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: トポロジー最適化 / CMA-ES

研究実績の概要

平成30年度において研究の進捗状況が大きく進んだ．
トポロジー最適化におけるCMA-ESの使用を前提とした，矩形制約の実装法を従来提案された手法から新たに改善を加えることで，比較的大きい次元においても高速な最適設計が可能となった．
また，設計変数間の空間的に局所的な依存性を考慮することにより，高い学習率と幾何的制約項を優先した最適化が可能になり，CMA-ESを用いたトポロジー最適化の高速化が実現できた．
さらに，開発したトポロジー最適化を利用し，特に電流クローク，サーマルカーペットクローク，電流カーペットクロークのトポロジー最適化を開発し，論文の出版までたどりつくことができた．共分散行列適応進化戦略（CMA-ES）による解探索はトポロジー最適化において極めて有効であり，総合的な計算時間の大幅な短縮と，世界に先駆けた設計結果を出すことが可能となった．これらの設計結果は従来の解析的な設計手法と実験の組み合わせによるデバイス開発よりも高性能なデバイスを設計することが可能であり，今後は実験によるシミュレーションに近い状況の実装やデバイスの実現性の検討が期待される．

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

トップレベルの論文誌に新しいデバイスのトポロジー最適化に関する論文を出版できた．

今後の研究の推進方策

さらなるデバイス設計への展開と応用，そして論文誌への出版を目指す．

研究成果

• [雑誌論文] Topology-optimized thermal carpet cloak expressed by an immersed-boundary level-set method via a covariance matrix adaptation evolution strategy (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujii Garuda、Akimoto Youhei
  • 雑誌名: International Journal of Heat and Mass Transfer 巻: 137 ページ: 1312～1322
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.03.162
  • 査読あり
• [雑誌論文] DC carpet cloak designed by topology optimization based on covariance matrix adaptation evolution strategy (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujii Garuda、Akimoto Youhei
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 44 ページ: 2057～2057
  • DOI: 10.1364/OL.44.002057
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct-current electric invisibility through topology optimization (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujii Garuda、Akimoto Youhei、Takahashi Masayuki
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 123 ページ: 233102～233102
  • DOI: 10.1063/1.5022881
  • 査読あり
• [学会発表] ラプラス方程式におけるクロークの CMA-ES によるトポロジー最適化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井 雅留太, 秋本 洋平
  • 学会等名: 日本機械学会第 31 回計算力学講演会(CMD2018)
• [学会発表] 設計変数間の依存性を考慮した Sparse CMA-ES とトポロジー最適化への応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井 雅留太, 秋本 洋平
  • 学会等名: 日本機械学会 第 28 回設計工学・システム部門講演会
• [備考] Garuda Fujii Research Group
  • URL: http://www.kankyo.shinshu-u.ac.jp/~garudalab/html/index.html