Development of a design method for high-power ultrasonic transducers using topology optimization

利用拓扑优化开发高功率超声波换能器设计方法

• 批准号: 22K03994
• 负责人: 和田 有司
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Tokyo 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-22K03994/
• 关键词: トポロジー最適化; 強力超音波; 有限要素法; 密度法; 超音波振動子

本研究は、材料制約のなか所望の目的関数を最大化・最小化する構造中の空隙を含めた材料配置を自由に配置する構造最適化手法の一つであるトポロジー最適化を利用した超音波振動子の設計支援フレームワークの構築をめざしている。今年度は、トポロジー最適化を用いた大型振動工具の設計を通して、最適化フレームワークに必要な目的関数・制約条件を明らかにする点について検討を実施した。二次元的な大型形状振動子についてその出力面が平坦に振動するような振動子形状の出力を目的とする。はじめに、(1)よく知られている動剛性に関する最適化目的を使用する場合の検討をした。これは指定した部位の振動を最大化する手法であり、母材において振動が小さい部位に最適化対象を指定することである程度の平坦化が得られた。つづいて、(2)母材状態におけるある程度平坦なモードを駆動周波数に近づける方法の検討を実施した。本手法は確かに平坦な振動を示す対象モードの周波数は駆動周波数に漸近することが明らかになったが、この過程で平坦性がある程度損なわれることが明らかとなった。そして(3)(1)の手法を発展させ、複数の対象部位を指定した上でこれらのうち振動が最小となる部位を最適化対象とするMINMAX法を利用した最適化手法を開発し、最適化結果の上では同相かつ平坦に振動する形状を得ることができた。また、最適化結果を実際の形状として出力した場合の性能について比較検討を実施した。これらにより、大型振動子設計に必要な目的関数・制約条件についての概ねの方針建てが完了した。

这项研究旨在使用拓扑优化为超声传感器建立设计支持框架，这是一种结构优化技术之一，它允许材料布置（包括结构中的空隙）在材料约束中最大化和最小化所需的目标函数。今年，我们通过使用拓扑优化设计大型振动工具来阐明优化框架所需的目标功能和约束所需的问题的研究。二维大型传感器的目的是输出振动器形状，以使其输出表面振动平坦。首先，我们研究了（1）众所周知的动态刚度优化目标。这是一种最大化指定区域振动的技术，通过指定对基本材料中振动较小的部分优化目标来获得一定程度的平坦度。接下来，（2）研究了一种将模式带到一定程度平坦的方法，以更接近驾驶频率的基础金属状态。这种方法当然表明，目标模式的频率渐近地属于驾驶频率，但是已经揭示了在此过程中平坦度在一定程度上损害的。然后，开发了使用MINMAX方法开发的方法（3）和（1），其中指定了多个目标位点，并且优化了振动的零件，并且可以根据优化结果获得相同相位和平坦位置振动的形状。此外，当优化结果作为实际形状输出时，对性能进行了比较。结果，大型传感器设计所需的目标功能和约束的一般政策已经完成。

项目成果

振動分布の平坦化を目的とする超音波振動工具のトポロジー最適化

超声波振动工具的拓扑优化使振动分布平坦

• 发表时间: 2022
• 作者: Chihiro Kondo;Masanobu Yoshioka;大澤暢，上道茜;K. Sato and K. Hiramoto;S. Kita and Y. Kajikawa;和田有司 中村健太郎
• 通讯作者: 和田有司 中村健太郎