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．

这项研究旨在建立一种优化的设计方法，用于生产高功能性机械零件，通过使用材料挤出方法使用纤维增强材料（例如CFRP），通过使用材料挤出方法来实现传统加工方法无法实现的高功能机械零件。在2021年，我们对如何有效优化由基本材料组成的结构以及内部纤维增强材料的排列进行了研究。首先，在传统的结构优化方法中，在考虑到纤维增强材料的连续性的同时，很难同时优化结构和纤维排列，我们提出了一种优化方法，该方法使用几何图表示结构和纤维布置。另外，为了有效地进行优化，有必要根据所需功能适当地选择优化算法。为了评估所提出方法的有用性，我们使用CFRP假设材料挤出方法，并将提出的方法应用于以下两个设计目标：第一个是自行车制动杆，优化的目的是减少结构，同时达到所需的强度。将结构和纤维排列编码为一维阵列中的染色体，并使用遗传算法进行了优化。第二个是具有合规机制的抓手，目的是优化输入负载下的变形控制。结构和纤维排列被编码为二元树，并使用遗传编程进行了优化。在所有这些中，我们确认可以在同一时间有效地优化结构和纤维排列。此外，已经证实，通过使用CFRP材料挤出实际上可以通过优化获得的结构。这些结果是在国际会议上提出的，论文在国际学术期刊上提出。

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