応力フィードバック駆動設計による、厚さ可変三次元周期最小曲面シェル格子構造の剛性と強度向上
Stiffness and Strength Enhancement of Variable-Thickness Triply Periodic Minimal Surface Shell Lattices via Stress-Feedback-Driven Design
本研究では、三次元周期最小曲面(TPMS)シェル格子構造の剛性と強度を同時に向上させるため、応力フィードバック駆動の連続的な厚さ可変手法を開発した。有限要素解析により得られた節点フォンミーゼス応力を、厚さの更新に反映させる。空間フィルタリングと目標体積正規化により、厚さ分布の平滑化と材料体積の一定化を実現した。この手法は、負荷の高い領域の厚さを増し、利用率の低い領域の厚さを減らすことで、中面形状を変えずに材料を再配分する。相対密度(RD)5~20%、厚さ比100の範囲で、N14シェル格子構造の有効ヤング率と降伏強度はそれぞれ最大46.39%、58.82%向上した。厚さ比を10に制限した場合でも、それぞれ30.90%、46.75%の向上が見られた。この改善は、既存の荷重伝達経路への材料移動と、荷重伝達に効果的に寄与するシェルの割合の増加によるものである。提案手法は、高性能軽量シェル格子構造の設計において、数値的に効率的な経路を提供する。
- 応力フィードバック駆動の連続的な厚さ可変手法により、TPMSシェル格子構造の中面形状を変えずに材料を再配分し、剛性と強度を同時向上させた
- 相対密度(RD)5~20%、厚さ比100の範囲でN14シェル格子構造の有効ヤング率が最大46.39%、降伏強度が最大58.82%向上
- 厚さ比を10に制限した場合でも有効ヤング率30.90%、降伏強度46.75%の向上を達成
- 有限要素解析で得た節点フォンミーゼス応力を厚さ更新に反映し、空間フィルタリングと目標体積正規化で厚さ分布の平滑化と材料体積の一定化を実現
TPMSシェル格子構造の剛性・強度を応力フィードバックによる厚さ最適化で同時に引き上げた研究で、相対密度5〜20%・厚さ比100の条件下で有効ヤング率+46.39%、降伏強度+58.82%という数値は、軽量構造材の設計自由度と材料効率を大きく変え得る。航空宇宙や高付加価値モビリティ、付加製造(AM)向けの新材料・設計ソフト領域に投資機会があるか、実機レベルでの検証や産業応用の進展を注視したい。