Design Optimization for New Functional Structures Fabricated by FRP-AM

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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．