マルチマテリアル3D-printerでつくる未来の社会インフラ設計法の開発

使用多材料3D打印机开发未来社会基础设施设计方法

基本信息

批准号：
20J20977
负责人：
渡邉大貴
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

複数の異なる材料を適材適所で用いるマルチマテリアル化と，複雑な形状でも容易に造形できる３Ｄ－ｐｒｉｎｔｅｒによるものづくりは，これからの新しい製造・生産システムを担う革新的な技術であり，これを社会インフラ構造物の施工にも応用する試みが世界的に進められている．本研究は，土木構造物をはじめとする社会インフラ・構造物の破壊を防ぐために，複数の異種材料を活用してそれを可能にする仕組みを見出し，それをマルチマテリアルトポロジー最適化手法の発展系として新たな枠組みを構築するものである．２０２２年度は，３年間の研究計画の最終年度ということで，理論およびその実装の取りまとめを行った．具体的には，各固体材料および材料界面の強度を考慮したマルチマテリアルトポロジー最適化手法を開発し，その性能検証を行った．その際，評価する等価応力の値について，固体材料には等方性のフォン・ミーゼス応力を仮定した．その一方で，材料界面には引張・圧縮非対称応力規準を採用し，より現実に近い界面を再現した状態で最適化計算を行った．また，応力制約付きトポロジー最適化問題で生じる，特異点問題と呼ばれる問題に対して，それを緩和するための手法を新たに提案した．本提案手法で得られる形状は，界面および固体材料の最大応力値を制御し，構造の安定性を向上させるのに有効であることが確認できた．ここまでの成果については，すでに論文を執筆し，国内外での研究発表を行っている．

多重物化（在正确的位置使用多种不同的材料）和使用 3D 打印机进行制造（可以轻松打印复杂的形状）是创新技术，将支持未来新的制造和生产系统，并将用于创造社会世界范围内正在尝试将其应用于物体的建造。为了防止包括土木工程结构在内的社会基础设施和结构的破坏，本研究发现了一种可以利用多种不同材料的机制，并将其开发为开发多材料拓扑优化方法的系统。构建新框架。 2022年，三年研究计划的最后一年，我们整理了理论及其实施。具体来说，我们开发了一种多材料拓扑优化方法，该方法考虑了每种固体材料和材料界面的强度，并验证了其性能。此时，关于要评估的等效应力的值，我们假定固体材料为各向同性冯米塞斯应力。另一方面，我们对材料界面采用拉/压不对称应力准则，并用更真实的界面进行优化计算。我们还提出了一种新方法来缓解应力约束拓扑优化问题中出现的所谓奇异性问题。证实该方法获得的形状能够有效控制界面和固体材料的最大应力值，提高结构的稳定性。关于目前取得的成果，我们已经写了一篇论文，在国内和国际上介绍了我们的研究。