Design Optimization for New Functional Structures Fabricated by FRP-AM

FRP-AM 新型功能结构的设计优化

• 批准号: 21J10589
• 负责人: 神保 康紀
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Meiji University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J10589/
• 关键词: 積層造形法; 材料押出法; Additive Manufacturing; CFRP; 構造最適化

本研究は，CFRPなどの繊維強化材料を使用した材料押出法の積層造形によって，従来の加工方法では実現できない高機能な機械部品を製作するための最適化設計法の確立を目的とした．令和3年度は，母材からなる構造と，その内部の繊維強化材料の配置を同時に，効率的に最適化する方法について研究を行った．まず，従来の構造最適化法における，繊維強化材料の連続性を考慮しつつ構造と繊維配置を同時に最適化することは困難であるという課題に対し，構造と繊維配置を幾何学グラフで表現する最適化法を提案した．また，効率的に最適化を行うため，目的の機能に応じて最適化アルゴリズムを適切に選択する必要があることを示した．提案手法の有用性を評価するため，CFRPを使用した材料押出法を前提とし，次の2つの設計対象について提案手法を適用した．1つ目は自転車のブレーキレバーであり，要求強度を満たしつつ構造を軽量化することを最適化の目的とした．構造と繊維配置を一次元配列の染色体に符号化し，遺伝アルゴリズムを用いて最適化を行った．2つ目はコンプライアントメカニズムを持つグリッパであり，入力荷重下での変形の制御を最適化の目的とした．構造と繊維配置を二分木に符号化し，遺伝プログラミングを用いて最適化を行った．これらについていずれも，構造と繊維配置を同時に，効率的に最適化できることを確認した．また，最適化によって得られた構造はCFRPを使用した材料押出法によって実際に製作できることを確認した．これらの成果は，国際会議での発表および，国際学術雑誌で論文発表を行った．

本研究的目的是建立一种优化设计方法，通过使用CFRP等纤维增强材料的材料挤压方法进行增材制造，制造使用传统加工方法无法实现的高性能机械零件。 2021财年，我们对如何有效优化基材的结构及其内部纤维增强材料的排列进行了研究。首先，为了解决传统的结构优化方法难以在考虑纤维增强材料的连续性的同时同时优化结构和纤维排列的问题，我们提出使用几何图来表达结构和纤维排列。一种优化方法。我们还表明，为了有效地执行优化，有必要根据所需的函数适当地选择优化算法。为了评估所提出方法的实用性，我们将所提出的方法应用于以下两个设计对象，假设使用CFRP的材料挤压方法。第一个是自行车刹车杆，优化的目的是在满足强度要求的同时减轻结构的重量。将结构和纤维排列编码成一维染色体阵列，并使用遗传算法进行优化。第二个是具有柔顺机构的夹具，优化目标是控制输入负载下的变形。将结构和纤维排列编码成二叉树，并使用遗传编程进行优化。在所有这些情况下，我们证实可以同时有效地优化结构和纤维排列。还证实，通过优化获得的结构实际上可以通过使用CFRP的材料挤压方法来制造。这些成果在国际会议上发表并发表在国际学术期刊上。

项目成果

Graph-based Optimization of Continuous Extrusion Path in FRP-AM for Compliant Mechanism Fabrication

基于图形的 FRP-AM 连续挤压路径优化，用于柔性机构制造

• 发表时间: 2021
• 作者: Koki JIMBO;Toshitake TATENO
• 通讯作者: Toshitake TATENO