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2020 年度 実績報告書

連続繊維複合材用3Dプリンターで作る革新的多孔質構造のロバスト・トポロジー最適化

研究課題

研究課題/領域番号 19H00781
研究機関名古屋大学

研究代表者

加藤 準治  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00594087)

研究分担者 北根 安雄  京都大学, 工学研究科, 准教授 (10444415)
干場 大也  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80847038)
小橋 真  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (90225483)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワードトポロジー最適化 / 積層造形 / 3D printer / インフィル構造 / CFRP
研究実績の概要

これまでの成果として,3D-printing(以下,3DPに略)によるCFRP造形は我々が想定していた以上に造形精度に優れ,また造形方法によっては繊維材の平均的な材料強度が増加するという新たな知見を実験によって得ている.そのため,R2年度は当初計画にはなかったが,3DP‐CFRP材の限界性能を見極めるための基本的な検証を追加で行った.
一方,数値計算に関しては,3DP‐CFRP部材の力学シミュレーションのために,まずは単純なTsai-Wu材料モデルをコード化し,自作の有限要素法プログラムに導入した.そこから実験との差異を確認しながら3DP特有の積層方向の異方性や層間剥離や強度を考慮して3DP-CFRP用の新たな材料モデルを構築した.特に,繊維材の引張りと圧縮方向によって強度が異なることから,それを考慮したものとなっている.
他方,高速フーリエ変換(FFT)を適用したFFT均質化法と呼ばれる特殊な方法を活用して材料微視構造のトポロジーを高速で最適化するアルゴリズムを完成させた.3次元問題で比較すると,開発した手法により,従来の最適設計法に比べて100倍以上の計算スピードを達成した.これについては,無駄を削ぎ落とした,高速化された有限要素法に基づくトポロジー最適化法と本手法の比較によるもので,既に国際ジャーナル用に執筆をはじめた.
さらに,不確かな荷重の変動によって一部の部材が損傷した後でも構造全体の挙動が急激に変化しない,ロバスト性に優れた最適形状を見出すための3次元トポロジー最適設計法の開発に挑戦した.これについては,国際会議ですでに成果発表を行い,また国際学術論文でも発行されている.

現在までの達成度 (区分)
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

本研究は,連続繊維3Dプリンターを考慮した最適設計,多孔質構造体の最適設計,インフィル構造,ロバスト設計等,学銃的にも実用的にも関心の高い研究テーマによって構成されているが,それぞれのテーマが多角的に進められ,いずれも相互に関連できるように全体計画を推し進めている.すなわち,ひとつの手法が完成すれば,他のテーマでも活用できるよう緻密に全体計画を練っており,これが良い方向に進められている理由と思われる.

今後の研究の推進方策

今後の研究の推進方策としては,R2年度に開発したFFT均質化法にもとづく,高速最適設計法によって,非線形構造問題のマルチスケールトポロジー最適設計の理論構築ならびにプログラム実装を行う.特に弾塑性問題と損傷力学問題についてどの程度の高速化が図れるか検証する予定である.
また,これまでは繊維が理論上は不連続になっていることから,これを完全に連続繊維であることを強要する数学的にストロングな制約関数を見出す.これによって,連続繊維の特性を考慮した最適設計法を成果に先駆けて開発する.
また,最終年度であることから,大規模計算を実施し,複雑な現象も捉えるようにしたい.そのためには,本学が保有するスーパーコンピュータを活用し,その並列性能に着目したコードの実装を行う.

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 9件)

  • [雑誌論文] Robust topology optimization based on finite strain considering uncertain loading conditions2020

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Nishino,Junji Kato
    • 雑誌名

      International journal for Numerical Methods in Engineering

      巻: 122 ページ: 1427, 1455

    • DOI

      10.1002/nme.6584

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] トポロジー最適化による構造強度向上を目的とした主応力方向分散制約の提案2020

    • 著者名/発表者名
      鎌田浩基,加藤準治,京谷孝史
    • 雑誌名

      日本計算工学会論文集

      巻: No.20200006 ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 数理的均質化法に基づく材料微視構造のトポロジー最適2020

    • 著者名/発表者名
      加藤準治
    • 雑誌名

      日本セラミックス協会誌

      巻: 55 ページ: 377-382

  • [学会発表] Optimization and additive manufacturing technology for smart materials and structures2021

    • 著者名/発表者名
      Kuniharu Ushijima and junji Kato
    • 学会等名
      ACMFMS2020+1
    • 国際学会
  • [学会発表] Multi-material Topology Optimization Considering Static Fracture of The Interface2021

    • 著者名/発表者名
      Daiki Watanabe,Hiroya Hoshiba and Junji Kato
    • 学会等名
      ACMFMS2020+1
    • 国際学会
  • [学会発表] CONDITIONAL EXPLICIT FORMULATION OF SENSITIVITY ANALYSIS FOR NONLINEER TOPOLOGY OPTIMIZATION2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroya,Hoshiba,Junji Kato
    • 学会等名
      WCCM2020(World Congress in Computational Mechanics and ECCOMAS Congres)
    • 国際学会
  • [学会発表] MULTI-MATERIAL TOPOLOGY OPTIMIZATION WITH STRESS CONSTRAINTS UNDER A HIGH TEMPERETURE ENVIROMENT2021

    • 著者名/発表者名
      Daiki Watanabe,Hiroya Hoshiba and Junji Kato
    • 学会等名
      WCCM2020(World Congress in Computational Mechanics and ECCOMAS Congres)
    • 国際学会
  • [学会発表] TOPOLOGY OPTIMIZATION BASED ON A HOMOGENIZATION APPROACH FOR DISTRIBUTION OF SEAMLESS MICROSTRUCTURES2021

    • 著者名/発表者名
      Masayoshi Matsui,Hiroki Kamada,Hiroya Hoshiba and Junji Kato
    • 学会等名
      WCCM2020(World Congress in Computational Mechanics and ECCOMAS Congres)
    • 国際学会
  • [学会発表] Topology optimization considering nonlinear behavior of brittle damage material model2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroya Hoshiba,Junji Kato
    • 学会等名
      COMPSAFE2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimization of fiber orientation and location for 3D-printing FRP2020

    • 著者名/発表者名
      Takahito Moribe,Hiroya Hoshiba,Junji Kato
    • 学会等名
      COMPSAFE2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Multi-material topology optimization considering strength of materials and interfaces2020

    • 著者名/発表者名
      Daiki Watanabe,Hiroya Hoshiba,Junji Kato
    • 学会等名
      COMPSAFE2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Topology optimization to improve structural strength for additive manufacturing2020

    • 著者名/発表者名
      Junji Kato
    • 学会等名
      ACSMO2020(Asian Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization 2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] 積層造形を念頭においたトポロジー最適設計2020

    • 著者名/発表者名
      加藤準治
    • 学会等名
      2020年度 日本機械学会年次大会
  • [学会発表] 三相材料モデルによるラティス構造のトポロジー最適化設計2020

    • 著者名/発表者名
      田邉 雄太, 牛島 邦晴, 加藤 準治
    • 学会等名
      第25回計算工学講演会
  • [学会発表] 建設3Dプリンターを念頭においたトポロジー最適設計法の開発2020

    • 著者名/発表者名
      干場 大也, 高橋 寛成, 加藤 準治
    • 学会等名
      第25回計算工学講演会
  • [学会発表] 3D-printing FRPの機械的性能評価および数値シミュレーション2020

    • 著者名/発表者名
      森部 天仁, 干場 大也, 加藤 準治
    • 学会等名
      第25回計算工学講演会
  • [学会発表] コンクリート構造の損傷解析に基づく感度解析アルゴリズムの提案2020

    • 著者名/発表者名
      水鳥智幸, 干場大也, 加藤準治
    • 学会等名
      第23回応用力学シンポジウム
  • [学会発表] 3D-printing FRPの機械的性能評価および数値解析モデルの検討2020

    • 著者名/発表者名
      森部天仁, 干場大也, 加藤準治
    • 学会等名
      第23回応用力学シンポジウム
  • [学会発表] コンクリート補強材を想定した周期的なCFRP構造の最適設計2020

    • 著者名/発表者名
      松井聖圭, 干場大也, 加藤準治
    • 学会等名
      第23回応用力学シンポジウム

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公開日: 2021-12-27  

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