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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J20977/
• 关键词: トポロジー最適化; マルチマテリアル; ３Ｄ－ｐｒｉｎｔｅｒ; 材料界面; 界面表現法; 応力制約; 破壊力学; 積層造形; 計算力学; 応用力学; 最適設計; シミュレーション工学

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各地都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，材料界面采用拉/压不对称应力准则，并在更接近地再现真实界面的条件下进行优化计算。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。

项目成果

傾斜材料界面モデルを用いたマルチマテリアルトポロジー最適化

使用分级材料界面模型的多材料拓扑优化

• 发表时间: 2022
• 作者: 渡邉大貴;干場大也;西口浩司;加藤準治
• 通讯作者: 加藤準治

Multi-material topology optimization considering strengths of solid materials and interface

考虑固体材料和界面强度的多材料拓扑优化

• DOI: 10.11421/jsces.2023.20230001
• 发表时间: 2023
• 作者: 渡邉 大貴;干場 大也;西口 浩司;加藤 準治
• 通讯作者: 加藤 準治

Multi-material topology optimization considering properties of solid materials and interface

考虑固体材料和界面特性的多材料拓扑优化

• DOI: 10.11421/jsces.2022.20220017
• 发表时间: 2022
• 作者: 渡邉 大貴;干場 大也;西口 浩司;加藤 準治
• 通讯作者: 加藤 準治

Density-based multi-material topology optimization method considering strengths of both solids and the interface

考虑固体和界面强度的基于密度的多材料拓扑优化方法

• 发表时间: 2022
• 作者: Watanabe; D.; Hoshiba; H.; Kato; J.
• 通讯作者: J.

Stress-based multi-material topology optimization to prevent interface fracture

基于应力的多材料拓扑优化，防止界面断裂

• 发表时间: 2021
• 作者: Daiki Watanabe; Hiroya Hoshiba; Junji Kato
• 通讯作者: Junji Kato