積層造形土木材料の最適な微視構造を設計する高性能トポロジー最適化手法の開発

开发高性能拓扑优化方法来设计增材制造土木工程材料的最佳微观结构

• 批准号: 22KJ1610
• 负责人: 松井 聖圭
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1610/
• 关键词: トポロジー最適化; マルチスケール解析; 均質化法; 高速フーリエ変換; 弾塑性材料

本研究は，3Dプリントを用いたものづくりが土木分野においても一般的となる将来を見据え，積層造形ラティス構造を取り入れた新しい土木構造物のため最適設計手法の構築を目的とする．これを実現するためには，計算コストや造形可能性に起因する問題や解析結果と実現象の乖離といった様々な課題を解決する必要があり，解析と実験を組み合わせることでこれらの解決に取り組む．初年度は，弾塑性材料を対象とした計算効率に優れたマルチスケールトポロジー最適設計手法の開発に着手した．具体的には，高速フーリエ変換(FFT)に基づく均質化アルゴリズムをミクロ構造解析に使用することで計算コスト（計算時間・メモリ要求量）を削減し，従来の有限要素法(FEM)を用いた手法では困難な解像度での最適化解析を可能なものとする．等方性の線形弾性材料に限定した手法はこれまでに開発しており，三次元解析における計算コスト削減に効果的であることを確認していることから，そこからの拡張を行った．まず，最初のステップとして，線形硬化則に従う弾塑性材料を対象に，FFTによる均質化アルゴリズムを用いた順解析のプログラムを実装し，通常のFEMを用いた場合との比較検証を行った．その結果，線形弾性材料を対象にした場合よりも，FFTによる計算速度向上の効果が大きいことを明らかにした．次に，マルチスケール最適化問題を単純化したものとして，ミクロスケールのみのダクティリティ（エネルギー吸収性能）最大化問題を考え，プログラム実装を行った．ここで，感度解析式は既往のFEMを想定した手法を組み込んだ．いくつかの数値計算を実施したところ，弾塑性材料に特有の最適化結果として，材料の降伏の影響を減らすような構造となりやすい傾向が見られた．

は of this research, 3 d プ リ ン ト を with い た も の づ く り が civil eset に お い て も general と な る を see in the future, according to the え laminated plastic ラ テ ィ ス tectonic を take り れ た new し い civil construction の た め optimum design gimmick の build を purpose と す る. こ れ を be presently す る た め に は, calculate コ ス ト や plastic に likely cause す る problem や analytical results と be phenomenon の stays と い っ た others 々 な project を す る necessary が あ り, parsing と be 験 を group み close わ せ る こ と で こ れ ら の solve に む り group. Early annual は 弾 plastic material を like と seaborne し た に optimal computing services rate れ た マ ル チ ス ケ ー ル ト ポ ロ ジ ー optimum design gimmick の open 発 に to し た. Specific に は, high-speed フ ー リ エ variations in (FFT) に づ く homogenizing ア ル ゴ リ ズ ム を ミ ク ロ structure に use す る こ と で computing コ ス ト (computation time メ モ リ quantity) を し cuts, 従 to の finite element method (FEM) を with い た gimmick で は difficult な resolution で の optimal resolve analysis を may な も の と す る. Isotropic の linear 弾 material に finite し た gimmick は こ れ ま で に open 発 し て お り, three dimensional analytic に お け る computing コ ス ト cut に unseen fruited で あ る こ と を confirm し て い る こ と か ら, そ こ か ら の line company, zhang を っ た. ま ず, initially の ス テ ッ プ と し て, linear hardening is に 従 う 弾 plastic material を like に seaborne, FFT に よ る homogenizing ア ル ゴ リ ズ ム を with い た suitable analytical の プ ロ グ ラ ム を be し, usually の FEM を using い た occasions と の is 検 line card を っ た. そ の results, the linear 弾 materials を like に seaborne し た occasions よ り も, FFT に よ る computing speed up の unseen fruit が big き い こ と を Ming ら か に し た. Time に マ ル チ ス ケ ー ル optimization problem を 単 purification し た も の と し て, ミ ク ロ ス ケ ー ル の み の ダ ク テ ィ リ テ ィ (エ ネ ル ギ ー 収 absorption performance) maximization problem を え, プ ロ グ ラ ム line be loaded を っ た. <s:1> で で, sensitivity analysis formula で, previous <s:1> FEMを, fixed た technique を group み込んだ. い く つ か の the numerical computing を be applied し た と こ ろ, 弾 に の special plastic material optimization results と し て, material の subjugate の influence を minus ら す よ う な tectonic と な り や す い tendency が see ら れ た.

项目成果

HIGH-RESOLUTION MULTI-SCALE TOPOLOGY OPTIMIZATION USING FFT-BASED HOMOGENIZATION

• DOI: 10.2208/jscejj.22-15026
• 发表时间: 2023
• 期刊: Japanese Journal of JSCE
• 作者: Masayoshi Matsui;Hiroya Hoshiba;H. Ogura;J. Kato

FFT均質化アルゴリズムに基づく弾塑性マルチスケールトポロジー最適化の基礎的検討

基于FFT均质化算法的弹塑性多尺度拓扑优化基础研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 松井 聖圭;干場 大也;小倉 大季;西口 浩司;加藤 準治
• 通讯作者: 加藤 準治

FFT均質化アルゴリズムに基づく高解像度マルチスケールトポロジー最適化

基于FFT均质化算法的高分辨率多尺度拓扑优化

• 发表时间: 2022
• 作者: 松井 聖圭;干場 大也;小倉 大季;加藤 準治
• 通讯作者: 加藤 準治

FFT-based Multi-scale Topology Optimization with High-resolution Microstructure

基于 FFT 的高分辨率微结构多尺度拓扑优化

• 发表时间: 2022
• 作者: Masayoshi Matsui;Hiroya Hoshiba;Hiroki Kamada;Hiroki Ogura;Junji Kato
• 通讯作者: Junji Kato

積層造形土木材料の最適な微視構造を設計する高性能トポロジー最適化手法の開発

开发高性能拓扑优化方法来设计增材制造土木工程材料的最佳微观结构