研究者詳細 - 加藤　準治

オイラー型有限体積法による流体と粘性-超弾性体の連成解析

西口浩司, 竹内秀輔, 嶋田宗将, 勝又稜平, 干場大也, 加藤準治

理論応用力学講演会講演論文集 66 巻 ( 0 ) 頁： 15 2022年

記述言語：日本語出版者・発行元：日本学術会議「機械工学委員会・土木工学・建築学委員会合同IUTAM分科会」

本研究では，マーカー粒子を用いたオイラー型セル中心有限体積法による粘性-超弾性解析手法を提案することを目的とする．本手法の有用性を示すため，粘弾性体（熱可塑性エラストマー）からなる衝撃吸収構造と空気の連成解析に適用する．

DOI： 10.11345/japannctam.66.0_15

Building-cube法を用いた非定常・非圧縮性流体の大規模トポロジー最適化

非定常熱・流体連成問題のトポロジー最適化

高荒圭佑, 干場大也, 高瀬慎介, 西口浩司, 加藤準治

最適化シンポジウム講演論文集 2022.14 巻 ( 0 ) 頁： U00045 2022年

勝又稜平, 西口浩司, 嶋田宗将, 干場大也, 加藤準治

最適化シンポジウム講演論文集 2022.14 巻 ( 0 ) 頁： U00058 2022年

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

松井聖圭, 干場大也, 小倉大季, 西口浩司, 加藤準治

最適化シンポジウム講演論文集 2022.14 巻 ( 0 ) 頁： U00052 2022年

A new constraint on principal stress direction variance to improve load bearing capacity

Kamada, H; Kato, J; Uozumi, H; Kikawa, K

STRUCTURAL AND MULTIDISCIPLINARY OPTIMIZATION 64 巻 ( 5 ) 頁： 3209 - 3225 2021年11月

記述言語：日本語出版者・発行元：Structural and Multidisciplinary Optimization

The present study addresses a simplified topology optimization method to improve load bearing capacity. Topology optimization taking account of structurally nonlinear and complex behavior is an important topic from the viewpoint of mechanics. However, most methodologies require complex analytical derivation of sensitivity analysis and high computational cost to obtain the optimal solution. In light of this, we propose a practical design method employing the principal direction of Cauchy stress and the directional statistics, to improve load bearing capacity indirectly with much lower computational cost than those based on complex nonlinear structural analysis. Finally, we discuss setting of optimization problems, and demonstrate the accuracy and performance of the proposed method with a series of numerical examples.

DOI： 10.1007/s00158-021-03079-8

Robust topology optimization based on finite strain considering uncertain loading conditions

Nishino, T; Kato, J

INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL METHODS IN ENGINEERING 122 巻 ( 6 ) 頁： 1427 - 1455 2021年3月

記述言語：日本語出版者・発行元：International Journal for Numerical Methods in Engineering

The present study proposes a method of robust topology optimization assuming uncertainties in the magnitude and direction of loads applied to a geometrically nonlinear structure. The objective function is the sum of the expected value and the standard deviation of end-compliance of a structure with a compressible Neo-Hookean hyperelasticity. In this study, quadratic approximation of the end-compliance with respect to random variables is employed to reduce computational cost. To ensure its accuracy, a complete analytical formulation is derived, and the performance and limitation of the proposed method are deeply discussed. The performance of the proposed method is verified and its numerical examples emphasize the importance of considering geometrical nonlinearity to obtain robust structures with respect to uncertainties of loading conditions. Finally, we have obtained a finding that the optimized network system consisting of thin members plays a significant role in the improvement of robustness of structures.

DOI： 10.1002/nme.6584

速度場の界面不連続性を考慮した陰的オイラー型構造-流体連成解析

西口浩司, 嶋田宗将, 干場大也, 加藤準治

計算力学講演会講演論文集 2021.34 巻 ( 0 ) 頁： 228 2021年

トポロジー最適化による構造強度向上を目的とした主応力方向分散制約の提案査読有り

鎌田浩基, 加藤準治, 京谷孝史

日本計算工学会論文集 2020 巻 ( 0 ) 頁： 20200006 - 20200006 2020年4月

Finite thermo-elastic decoupled two-scale analysis 査読有り Open Access

Fleischhauer, R; Thomas, T; Kato, J; Terada, K; Kaliske, M

INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL METHODS IN ENGINEERING 121 巻 ( 3 ) 頁： 355 - 392 2020年2月

記述言語：英語掲載種別：研究論文（学術雑誌）出版者・発行元：International Journal for Numerical Methods in Engineering

Engineering structures are often characterized by different structural properties, depending on the length scale under consideration. Fiber reinforced composites are determined, eg, by a heterogeneous microstructure, but are sufficiently described by homogeneous characteristics at their macroscopic level. Moreover, different loading situations, eg, of thermal or mechanical nature, require the consideration of multiphysical equilibrium states. The challenging engineering task is the computation of the effective material properties of these different loading scenarios. The contribution at hand introduces a finite thermo-elastic two-scale analysis, where the effective macroscopic material properties are computed in a decoupled manner with respect to the different length scales.

DOI： 10.1002/nme.6212

Open Access

数理的均質化法に基づく材料微視構造のトポロジー最適（特集：モルフォロジクス：形がつくる新しいセラミックスと機能）

加藤準治

日本セラミックス協会誌 ( 55 ) 頁： 377-382 2020年

弾塑性挙動を考慮したトポロジー最適化における解析的感度導出法とその後の展開

加藤準治

計算工学 25 巻 ( 1 ) 頁： 3-7 2020年

数理的均質化法に基づく材料微視構造のトポロジー最適

加藤準治

日本セラミックス協会誌 55 巻頁： 377 - 382 2020年

Microscopic design and optimization of hydrodynamically lubricated dissipative interfaces 査読有り

Cakal, BA; Temizer, I; Terada, K; Kato, J

INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL METHODS IN ENGINEERING 120 巻 ( 2 ) 頁： 153 - 178 2019年10月

記述言語：英語掲載種別：研究論文（学術雑誌）出版者・発行元：International Journal for Numerical Methods in Engineering

A homogenization-based topology optimization framework is developed, which can endow hydrodynamically lubricated interfaces with a micro-texture, to achieve optimal macroscopic responses by addressing both dissipative and nondissipative physics at the interface. With respect to the homogenization aspects of the problem, the thermodynamic consistency of the two-scale formulation is explicitly analyzed and verified. With respect to the topology optimization aspects, a variational approach to sensitivity analysis is pursued. Subsequently, these are employed in micro-texture design studies, which address microscopic and macroscopic objectives. The influence of dissipation on the optimization results is demonstrated through extensive numerical investigations, which also highlight the importance of working in a sufficiently flexible design space that can deliver nearly optimal micro-texture geometries.

DOI： 10.1002/nme.6129

グランドストラクチャ法に基づくサンドイッチラティス梁の最適化設計に関する研究査読有り

小池雄介, 牛島邦晴, 加藤準治

日本計算工学会論文集 2019 巻 ( 0 ) 頁： 20190006 - 20190006 2019年4月

記述言語：日本語掲載種別：研究論文（学術雑誌）出版者・発行元：一般社団法人日本計算工学会

本研究では，グランドストラクチャ法を利用し，実際の粉末金属積層装置で造形できるラティス構造の最適化設計について検討した．本研究の特徴は，実際に造形装置を使用した際，造形可能な範囲で梁の断面積を変化させるアルゴリズムを構築したこと，また，造形しやすいユニットセル（本論文ではBCCとf2BCC）を用いて最適化を行った点が挙げられる．また，設計変数の目的関数に関する感度計算において，計算効率を上げるため，有限差分法で用いられるコンプライアンスの感度の代わりに，設計変数の剛性マトリックスへの寄与のみに注目して計算を行った．得られた最適形状は，初期形状の違いに関わらず，ほぼ同様の高剛性を示している．検討に用いた3種類のユニットセルで比較すると，様々な体積制約の下で最適化計算を行った結果，f2BCCのユニットを持つラティス構造が，一番すぐれた剛性を示すことが分かった．さらに，得られた最適化形状を用いてSLM装置で積層造形した結果，設計通りの直径の分布を持たせたラティスサンドイッチ構造を造形できた．

DOI： 10.11421/jsces.2019.20190006

幾何学的非線形性と荷重条件の不確かさを考慮したトポロジー最適化査読有り

西野崇行, 加藤準治, 京谷孝史

日本計算工学会論文集 2019 巻 ( 0 ) 頁： 20190004 - 20190004 2019年4月

記述言語：日本語掲載種別：研究論文（学術雑誌）出版者・発行元：一般社団法人日本計算工学会

本研究は，幾何学的非線形挙動を有する構造に対して，外荷重の方向が不確かである場合を想定し，そのロバスト性を向上させるためのトポロジー最適設計法を提案するものである．ここでは，エンドコンプライアンスの期待値と標準偏差の和を目的関数とするが，低い計算コストで精度よく期待値と標準偏差の推定を行うため，エンドコンプライアンスの2次近似式を用いる手法を提案する．そして，近似式による推定値の精度検証およびいくつかの最適化計算例を示し，本手法の妥当性を検証する．

DOI： 10.11421/jsces.2019.20190004

インフィル構造の応力制約付きトポロジー最適化

鎌田浩基, 干場大也, 加藤準治, 京谷孝史

土木学会論文集Ａ２（応用力学） 75 巻 ( 1 ) 頁： 68 - 85 2019年

記述言語：日本語出版者・発行元：公益社団法人土木学会

近年，特殊な機能や特性をもつ多孔質構造の研究開発が盛んに行われている．中でもインフィル構造は，高い座屈性能やロバスト性を潜在的に有することが実験により確認され，その基礎的な最適設計法の開発も進められている．しかし，既往の研究では応力制約などの実用に向けた取り組みはまだ報告されていない．そこで本研究では剛性最大化問題に対して局所的な体積制約と，p-ノルムの考え方に基づいた応力制約を最適化問題に加えることで，応力集中を回避するインフィル構造のトポロジー最適化問題を取り扱う．それに加えて，インフィル構造の最適化問題を解くにあたって生じる特有の問題を解決するための手法として，可変的な影響半径という新しい手法を提案する．また本研究で提案する手法に関し，いくつかの数値計算例を用いてその妥当性の検証を行う．

DOI： 10.2208/jscejam.75.68

OPTIMAL DESIGN OF LATTICE STRUCTURE CONSIDERING CONSTRAINTS THROUGH ADDITIVE MANUFACTURING PROCESS

Koike, Y; Ushijima, K; Kato, J

SECOND INTERNATIONAL CONFERENCE ON SIMULATION FOR ADDITIVE MANUFACTURING (SIM-AM 2019) 頁： 205 - 214 2019年

Optimal design of lattice structure considering constraints through additive manufacturing process Open Access

Koike Y., Ushijima K., Kato J.

2nd International Conference on Simulation for Additive Manufacturing, Sim-AM 2019 頁： 205 - 214 2019年

出版者・発行元：2nd International Conference on Simulation for Additive Manufacturing, Sim-AM 2019

In this research, an optimization design of the lattice structure is investigated, which is based on the ground structure method. In recent years, as a result of rapid development of additional manufacturing technology, it has become possible to manufacture complicated shapes including periodic lattice structure. However, in real metal lattice samples, geometric imperfections may exist in every unit because of the stochastic influence of feasible processing path. In this study, a new ground structure method which does not leave elements with small cross sectional area was proposed. In particular, the effect of geometric constraints caused by additive manufacturing techniques on optimized results are discussed based on the robust topology optimization combining perturbation methods for quantifying uncertainty. In the end, a robust topology optimization was also discussed as a problem to minimize expected value and standard deviation of compliance.

Open Access

複合材料の弾塑性挙動を考慮したマルチスケールトポロジー最適化査読有り

干場大也, 小川竣, 加藤準治, 京谷孝史

日本計算工学会論文集 2018 巻 ( 0 ) 頁： 20180015 - 20180015 2018年11月

記述言語：日本語掲載種別：研究論文（学術雑誌）出版者・発行元：一般社団法人日本計算工学会

本研究は, 分離型マルチスケール解析に基づいて材料の弾塑性力学挙動を考慮したミクロ構造のトポロジー最適化法を提案するものである. ここでは, ミクロ構造の材料体積量を制約した上で, マクロ構造のエネルギー吸収性能の最大化を目指すものである. ミクロの材料構成則は等方性のvon Mises弾塑性材料モデルで, マクロの構成則はHillの異方性弾塑性材料モデルを使用した. この研究では, 著者らが提案した感度解析法を拡張してマルチスケールトポロジー最適化に適用するもので, 条件付きではあるものの随伴ベクトルを計算せずに低計算コストで高精度の感度を得る方法を提案している. 最後にいつくかの数値計算例を示してその精度検証を実施し, 高精度の感度が得られることを確認した.

DOI： 10.11421/jsces.2018.20180015