複合材料のエネルギー吸収性能最大化―マルチスケール構造最適化法の新導入

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23560561
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 構造工学・地震工学・維持管理工学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 加藤 準治 東北大学, 災害科学国際研究所, 助教 (00594087)
• 研究分担者: 京谷 孝史 東北大学, 大学院工学研究科, 教授 (00186347) ; 寺田 賢二郎 東北大学, 災害科学国際研究所, 教授 (40282678)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• キーワード: 応用力学 / 構造最適化 / トポロジー / 制震 / シミュレーション工学

研究概要

本研究は，複合材料のミクロレベルにおける材料の種類や配置を最適化する，マルチスケール構造最適化手法を確立することを目的としたものであった．本研究では，「マルチスケールトポロジー最適化手法」という新しい方法を確立し，国内外の学会や学術論文にて発表した．この手法は，今後の数値材料設計をやる上で，非常に有効な手法であり，有限要素法を基本としものである．また，本研究では上記の目的に加え，新たな方法として，複合材料の弾塑性挙動を考慮したトポロジー最適化法およびフェーズフィールド法によるトポロジー最適化手法の開発に成功した．これらの成果は，学術論文ならびに国内外の学会で積極的に発表された．

研究成果

• [雑誌論文] Multiphase topology optimization of composites under elastoplastic behavior (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Kato, H. Hoshiba, S. Takase, K. Terada, T. Kyoya
  • 雑誌名: Structural and Multidisciplinary Optimization 巻: (投稿済)
  • 査読あり
• [雑誌論文] 複合材料の塑性変形挙動を考慮したトポロジー最適化と解析的感度手法の精度検証 (2014)
  • 著者名/発表者名: 加藤準治,干場大也,高瀬慎介,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 雑誌名: 日本計算工学会論文集 巻: (投稿済)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topology optimization of micro-structure for composites applying a decoupling multi-scale analysis (2014)
  • 著者名/発表者名: Junji Kato, Daishun Yachi, Kenjiro Terada, Takashi Kyoya
  • 雑誌名: Structural and Multidisciplinary Optimization 巻: 49 ページ: 595-608
  • 査読あり
• [雑誌論文] マルチスケールトポロジー最適化手法と解析的感度導出法の提案 (2013)
  • 著者名/発表者名: 谷地大舜,加藤準治,高瀬慎介,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 雑誌名: 日本計算工学会論文集(Transactions of JSCE) 巻: Paper No.20130022
  • 査読あり
• [雑誌論文] A method of two-scale analysis with micro-macro decoupling scheme : application to hyperelastic composite materials (2013)
  • 著者名/発表者名: Kenjiro Terada, Junji Kato, Norio Hirayama, Masanori Inugai, Koji Yamamoto
  • 雑誌名: Computational Mechanics 巻: 52 ページ: 1199-1219
  • 査読あり
• [雑誌論文] マルチスケールトポロジー最適化手法の3次元構造問題への拡張 (2013)
  • 著者名/発表者名: 加藤準治,谷地大舜,高瀬慎介,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 雑誌名: 土木学会論文集A2(応用力学) 巻: Vol. 69, No. 2 (応用力学論文集Vol. 16) ページ: I_133-I_144
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiphase layout optimization for fiber reinforced composites considering a damage model (2013)
  • 著者名/発表者名: Junji Kato, Ekkehard Ramm
  • 雑誌名: Engineering Structures 巻: 49 ページ: 202–220
  • 査読あり
• [雑誌論文] 複合材料のマクロ構造挙動を考慮したミクロ構造トポロジー最適化 (2012)
  • 著者名/発表者名: 加藤準治,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 雑誌名: 土木学会論文集A2(応用力学) 巻: Vol. 68, No. 2 (応用力学論文集Vol. 15) ページ: I_279-I_287
  • 査読あり
• [雑誌論文] 繊維複合材料のひずみ軟化を考慮した多層材料最適化手法の提案 (2011)
  • 著者名/発表者名: 加藤準治,Ramm Ekkehard,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 雑誌名: 土木学会論文集A2 巻: 67(1) ページ: 39-53
• [雑誌論文] 損傷を受ける繊維複合材料の繊維形状最適化 (2011)
  • 著者名/発表者名: 加藤準治,Ramm Ekkehard,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 雑誌名: 土木学会論文集A2 巻: 67(1) ページ: 54-68
  • 査読あり
• [学会発表] Topological Design Considering Elastoplasticitic Behavior for Structural Toughness (2014)
  • 著者名/発表者名: Junji Kato, Hiroya Hoshiba, Shinsuke Takase, Kenjiro Terada, Takashi Kyoya
  • 学会等名: Proc. of 1st C o m p u t a t i o n a l E n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e f o r S a f e t y a n d E n v i r o n m e n t a l P r o b l e m (COMPSAFE2014)
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 20140413-16
• [学会発表] Numerical Design for Rubber Materials toward High Performance in Energy Absorption (2014)
  • 著者名/発表者名: Daishun Yachi, Junji Kato, Shinsuke Takase, Kenjiro Terada, Takashi Kyoya
  • 学会等名: Proc. of 1st C o m p u t a t i o n a l E n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e f o r S a f e t y a n d E n v i r o n m e n t a l P r o b l e m (COMPSAFE2014)
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 20140413-16
• [学会発表] Phase-field法を用いたマルチスケールトポロジー最適化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 加茂純宜,加藤準治,高瀬慎介,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 学会等名: 土木学会東北支部技術研究発表会
  • 発表場所: 八戸
  • 年月日: 2014-03-08
• [学会発表] 複合材料の塑性挙動を考慮したトポロジー最適化の実装 (2014)
  • 著者名/発表者名: 干場大也,加藤準治,高瀬慎介,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 学会等名: 土木学会東北支部技術研究発表会
  • 発表場所: 八戸
  • 年月日: 2014-03-08
• [学会発表] マルチスケールトポロジー最適化を用いた材料設計 (2013)
  • 著者名/発表者名: 加藤準治,谷地大舜,寺田賢二郎,高瀬慎介,京谷孝史
  • 学会等名: 日本機会学会第26回計算力学講演会(CMD2013)
  • 発表場所: 佐賀
  • 年月日: 20131002-04
• [学会発表] 3次元マルチスケールトポロジー最適化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 谷地大舜,加藤準治,寺田賢二郎,高瀬慎介,京谷孝史
  • 学会等名: 土木学会第68回年次学術講演会
  • 発表場所: 千葉
  • 年月日: 20130904-06
• [学会発表] 複合材料のマルチスケールトポロジー最適化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 谷地大舜,加藤準治,高瀬慎介,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 学会等名: 第18回日本計算工学会講演会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20130619-21
• [学会発表] 複合材料の分離型マルチスケール解析手法を適用した3次元ミクロ構造トポロジー最適化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 谷地大舜,加藤準治,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 学会等名: 第62回理論応用力学講演会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20130306-08
• [学会発表] 複合材料の分離型マルチスケール解析手法を適用した3次元ミクロ構造トポロジー最適化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 谷地大舜,加藤準治,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 学会等名: 土木学会東北支部技術研究発表会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2013-03-09
• [学会発表] Topology optimization of microstructures for inelastic composite materials applying decoupling multi-scale analysis (2012)
  • 著者名/発表者名: Junji Kato, Kenjiro Terada, Takashi Kyoya
  • 学会等名: the 6th European congress on computational methods in applied sciences and engineering (ECCOMAS 2012)
  • 発表場所: Wien, Austria(keynote lecture)
  • 年月日: 20120910-14
• [学会発表] 分離型マルチスケール解析法によるミクロ構造トポロジー最適化の提案 (2012)
  • 著者名/発表者名: 加藤準治,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 学会等名: 第17回日本計算工学会講演会,第17回日本計算工学会講演会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20120529-31
• [学会発表] 損傷モデルを考慮した繊維複合材料のエネルギー吸収性能最大化 (2011)
  • 著者名/発表者名: 加藤準治,寺田賢二郎,京谷孝史
  • 学会等名: 第16回日本計算工学会講演会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20110525-27
• [学会発表] Material Layout Optimization for Fiber Reinforced Composites considering Material Nonlinearity (2011)
  • 著者名/発表者名: Junji Kato, Ekkehard Ramm
  • 学会等名: Proc. of 9th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization WCSMO09
  • 発表場所: Shizuoka, Japan
  • 年月日: 20110513-17