概要 - 構造性能と製造性のバランスを取るための新しい多厚さトポロジー最適化法

構造性能と製造性のバランスを取るための新しい多厚さトポロジー最適化法

2025-07-25 15:42:55

{"Gabriel Stankiewicz","Chaitanya Dev","Paul Steinmann"}

{cs.CE}

この論文では、構造性能と製造性のギャップを埋めることを目的とする、革新的な多厚みトポロジー最適化手法を紹介します。伝統的なトポロジー最適化手法、例えば固体等価物質罰金法（SIMP法）は、製造が難しい複雑な設計を生み出すことがよくあります。一方で、罰金を課さない（変動厚み）手法は優れた設計を生み出すことができますが、細い、屈曲しやすい特徴の存在により製造が困難です。 提案された多厚み法は、新しい多レベル罰金スキームと多レベル滑らかなヒュイヴェイシスプロジェクションを用いて、設計を事前に定義された离散的な許容厚みセットに導きます。このアプローチにより、幅広い応用範囲を持つ高性能で製造可能な構造の生成が可能となります。 提案された方法の主要な特徴は以下の通りです： * **多レベル罰金**：この技術は中間密度を罰金を課し、最適化を离散的で物理的に意味のあるシート厚みで構成された設計に導きます。これにより、細い、屈曲しやすい特徴が消失し、生成された構造の製造性が向上します。 * **多レベル滑らかなヒュイヴェイシスプロジェクション**：この技術は異なる厚みレベル間の変化を鮮明にし、明確で鋭い境界を持つ設計を生み出します。これにより、構造の幾何学的品質が向上し、さらに製造性が向上します。 * **連続戦略**：この戦略は罰金とプロジェクションパラメータを徐々に増加させ、安定した収束と高解像度の幾何学的特徴を確保します。 * **適応的メッシュ细化**：この技術は構造の幾何学的解像度を向上させつつ、計算コストを削減します。 提案された方法は標準的なキャリレバーとMBBビームベンチマークで確認されました。結果は、許容厚みの数が増えるにつれて、設計が従来のトラス型構造から高性能なシート型構造にシステム的に移行することを示しています。特に、わずか3つの离散的な厚みレベルを持つ設計で、完全に罰金を課さない変動厚み最適化の約2%以内の準拠値を達成し、標準的なSIMP結果を大幅に上回っています。 多厚み法は、既存のトポロジー最適化手法に対して以下の利点を提供します： * **向上した製造性**：細い、屈曲しやすい特徴を排除し、標準厚みの材料を使用可能にすることで、提案された方法は製造が容易でコストが低い設計を生み出します。 * **向上した性能**：設計変数の範囲を広げる能力により、高性能な構造の生成が可能となります。 * **デザインの柔軟性の向上**：この方法は、性能と製造性の間のトレードオフに対するデザイナーの制御を向上させます。 結論として、提案された多厚みトポロジー最適化手法は、高性能で製造可能な構造をデザインするための強力なツールです。構造性能と製造性のギャップを埋める能力により、航空宇宙、自動車、生物医学工学など、幅広い応用分野において価値のあるツールとなります。