Design method of MD cell structure with free curved surface

自由曲面MD细胞结构设计方法

基本信息

批准号：
22K03842
负责人：
牧野武彦
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Nagoya Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03842/
关键词：
セル構造体分子動力学計算自由曲面設計機械学習

项目摘要

3Dプリンタ以外では造形不可能なセル構造体を始めから設計するには，節点をどのように決めるかが問題となる．空間充填する格子点を節点とする方法では，セル構造体のバリエーションに限りがある．MDセル構造体は，MD計算で求めた原子位置を節点位置とみなして，それらを梁（ビーム）で結んだセル構造体である．これまで外形が立方体である原子配置を初期構造として，MD計算に用いる原子間ポテンシャルを複数設定し，その適用位置を適宜変え，MD計算中で引張や圧縮変形を行った後の原子配置を節点位置としてMDセル構造体のバリエーションを生成してきた．本研究では，大きな構造体の構成要素としての形状を重視し，平行六面体が最終的な形状である300種類以上のMDセル構造体を，膨張・収縮を表現するポテンシャルと，MD計算中の圧縮変形だけを用いて作成し，3Dプリンタで造形後，実際の圧縮試験を行った．この圧縮強度の結果を目的変数，MDセル構造体のビームの長さ・角度の分布などを説明変数として機械学習したモデルによって多くのバリエーションのMDセル構造体の中から高い強度をもつと予想したものを選び出し，実際に造形して圧縮強度を調べたところ，300の結果の中でも最高レベルの強度が実際に得られることを示した．さらに，外形が任意の曲面となる，自由形状を持つMDセル構造体の設計手法の構築を目指した．曲面を表現する三角要素の頂点などから成る点群のうち，固定する点と三角形の面内でのみ位置を変える点にポテンシャルを適用し，曲面を保持したままポテンシャルに従って安定な構造が得られることを確認し，さらに，この曲面の層2つで，すべての点が自由に動く層を挟んで，曲面層を近づけていくことによって，任意の曲面をもつ多層のMDセル構造を作成することに成功した．曲面層の適切な間隔はポテンシャルエネルギー最低の条件で決めることができた．

从一开始就设计无法使用3D打印机创建的单元结构时，问题是如何确定节点。当使用填充空间作为节点的晶格点时，细胞结构的变化有限。 MD细胞结构是一种细胞结构，其中由MD计算确定的原子位置被视为节点位置，并且原子位置通过梁连接。到目前为止，已经设置了使用立方体的原子布置来创建MD细胞结构的变化，已设置了MD计算中使用的多个原子质电位，并且在MD计算过程中将抗张或压缩变形后的原子布置更改为NODENODE位置。在这项研究中，我们强调了大结构作为组件的形状，并创建了超过300种类型的MD细胞结构，这些结构是平行牵引的最终形状，仅使用表达膨胀和收缩的潜力以及在MD计算过程中的压缩变形，以及在使用3D打印机形成后，进行了3D打印机测试。使用目标变量，梁长度的分布和MD细胞结构的分布作为解释变量，从MD细胞结构的许多变化中选择了这种抗压强度结果，当我们实际创建了这种抗压强度的结果时，我们发现300个结果中实际上获得了最高水平的强度。此外，我们旨在为具有自由形状的MD细胞结构创建一种设计方法，具有任意弯曲表面的外形。在由代表弯曲表面的三角形元件的顶点组成的点云中，将电势应用于仅在三角形的固定点和平面内更改位置的点，并确认可以根据电势获得稳定的结构，同时保留弯曲的表面。此外，通过将表面层与该弯曲表面的两个层一起靠近，所有点都可以自由移动，我们成功地创建了具有任意弯曲表面的多层MD细胞结构。可以在最低势能的条件下确定地表层的适当间距。