超軽量メタポーラス構造創成のためのマルチスケール形状最適化手法の開発

开发用于创建超轻异孔结构的多尺度形状优化方法

基本信息

批准号：
21K03757
负责人：
下田昌利
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Toyota Technological Institute
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

マクロ構造の形状とマクロ構造内に分布する全ミクロ構造の形状を自由に変動させるマルチスケール同時形状最適化手法の開発が本研究の目的である。初年度（昨年）は基礎となる剛性設計問題を対象に、マルチスケール形状最適化問題の解法の核となる部分を開発したが、今年度はそれを大きく発展させることができた。その１つは、ミクロ構造としてポーラス構造を用いた固有振動設計問題に対する解法の開発である。そこでは固有振動問題に潜在する重根問題を解決し、２次元と３次元の複数のミクロ構造から成るマクロ構造のミクロ構造分布をトポロジー最適化で決定しながらミクロ構造中のポーラス形状を同時に最適化した。なお、ミクロ構造とマクロ構造は均質化法で接続した。２つめはミクロ構造としてポーラス構造を用いた強度設計問題に対する解法の開発である。そこではミクロのポーラス形状を変動させながら、ミクロ構造中の最大応力の最小化とマクロ構造の最大応力の最小化を行い、両者の効果を比較しながら手法の特徴を示した。３つめは積層シェル構造中のミクロ構造の形状最適化手法の開発である。設計問題としては剛性設計を取り上げ、各層と各領域中のポーラス形状を、体積制約下で同時に最適化する手法を開発した。４つめはミクロ構造としてラチス構造を用いた剛性設計問題の解法の開発である。そこではマクロ構造中に分布するマイクロラチス構造の断面寸法と部材形状を同時に最適化した。５つめは、熱伝導設計問題を対象にしたマクロ構造とミクロ構造の同時トポロジー最適化手法の開発である。各設計問題は異なる特徴と解決すべき課題を有していたが、プロセスを統一しながら手法とシステム開発を行った。得られた構造の幾つかは３Dプリンターで試作し、性能の評価試験も実施、狙い通りの特性が得られていることを確認した。

本研究的目的是开发一种多尺度同时形状优化方法，该方法可以自由改变宏观结构的形状以及分布在宏观结构内的所有微观结构的形状。第一年（去年），我们专注于基本的刚度设计问题，开发了多尺度形状优化问题求解方法的核心部分，今年我们在这方面取得了重大进展。其中之一是开发一种使用多孔结构作为微结构的自然振动设计问题的解决方法。在这里，我们解决了固有振动问题中潜在的多根问题，通过拓扑优化确定了由多个二维和三维微观结构组成的宏观结构的微观结构分布，同时优化了微观结构中的多孔形状。请注意，微观结构和宏观结构通过均质化方法连接。第二个项目是开发一种使用多孔结构作为微观结构的强度设计问题的解决方法。在本文中，我们在改变微孔形状的同时最小化微观结构中的最大应力和宏观结构中的最大应力，并通过比较两种方法的效果来展示该方法的特点。第三步是开发一种优化层压壳结构中微观结构形状的方法。将刚性设计作为设计问题，我们开发了一种在体积约束下同时优化各层和区域的多孔形状的方法。第四步是开发使用晶格结构作为微观结构的刚度设计问题的解决方法。在本研究中，我们同时优化了分布在宏观结构内的微晶格结构的横截面尺寸和构件形状。第五个项目是开发用于热传导设计问题的宏观结构和微观结构的同步拓扑优化方法。虽然每个设计问题都有不同的特点和需要解决的问题，但我们在统一流程的同时开发了方法和系统。使用 3D 打印机制作一些所得结构的原型，并进行性能评估测试，确认获得了所需的特性。