インフラ強靭化のためのマルチフィジックス・マルチスケール構造材料最適化法の構築

开发用于基础设施弹性的多物理场/多尺度结构材料优化方法

基本信息

批准号：
16J02523
负责人：
干場大也
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

最終年度にあたる本年度では，昨年度までに構築・検証を重ねた理論・プログラムを元に，最適設計法を詳細に定式化した。特に新規性を有するアプローチとして，非線形トポロジー最適化における陽的感度解析法を，マルチフィジックスおよびマルチスケール解析を包括した最適化問題に拡張した。マルチスケール解析について，陽的感度解析法を分離型マルチスケール解析と組み合わせて、新しい弾塑性マルチスケールトポロジー最適化手法を構築した。マルチスケール最適化問題は、マクロ構造の性能を最大化するように最適なミクロ構造を求める問題である。このマルチスケール解析で大きなボトルネックとなるのは膨大な計算コストであるが、開発手法はそれを大幅に低減することに成功している。また、いくつかの計算例に基づいて、陽的感度解析法を応用した本開発手法の妥当性と信頼性を確認している。これらの成果は論文で発表されている。また，陽的感度解析手法を有限ひずみ弾塑性理論に拡張した。扱っている材料モデルは乗算分解をもとに非線形移動硬化を再現する複合硬化弾塑性材料モデルであり、他の熱力学的な構成モデルと共通する重要な基礎構造を含んでおり，マルチフィジックス解析への発展を見据えた試みとなっている。材料挙動が強い非線形性を示す際には数値解と解析解が若干の乖離を示すという課題を残しているが、いくつかの検証結果は有限ひずみ弾塑性トポロジー最適化の実用化に向けて有効な手法となり得ることを示している。これらの成果は，学会で口頭発表済みであり，論文にて発表予定である。以上のように本研究は，現段階でインフラ構造物の性能改善策を具体的に提案するまでには至っていない。しかし，工学的に有用な最適設計手法の発展に大きく貢献し，学術的にも十分に有意義な成果を得たと考えている。

今年，也就是最后一年，我们根据去年建立并验证的理论和程序，详细制定了优化设计方法。作为一种特别新颖的方法，我们将非线性拓扑优化中的显式灵敏度分析方法扩展到包括多物理场和多尺度分析的优化问题。在多尺度分析方面，将显式灵敏度分析方法与单独的多尺度分析相结合，构建了一种新的弹塑性多尺度拓扑优化方法。多尺度优化问题是寻找能够最大化宏观结构性能的最佳微观结构的问题。这种多尺度分析的一个主要瓶颈是巨大的计算成本，但所开发的方法成功地显着降低了计算成本。此外，基于几个计算实例，我们验证了所开发方法的有效性和可靠性，该方法应用了显式敏感性分析方法。这些结果已发表在一篇论文中。我们还将显式灵敏度分析方法扩展到有限应变弹塑性理论。我们正在处理的材料模型是一种基于乘法分解再现非线性运动硬化的复合硬化弹塑性材料模型，它包含了其他热力学本构模型所共有的重要基本结构，并且适用于多物理场分析，这是一种尝试。以期进一步发展。尽管当材料行为表现出强非线性时，数值解和解析解之间仍然存在轻微差异的问题，但一些验证结果对于有限应变弹塑性拓扑优化的实际应用是有用的，这表明它是一种有用的方法。这些结果已在学术会议上口头提出，并计划以论文形式发表。如上所述，本研究尚未达到提出改善基础设施结构性能的具体措施的程度。然而，我们相信我们已经为工程上有用的优化设计方法的发展做出了重大贡献，并且从学术角度获得了足够重要的成果。