論文の概要: On the Importance of Geometric Nonlinearity and Temperature-Dependent Properties in Multi-Material Thermo-Mechanical Topology Optimization

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.10344v1
• Date: Tue, 11 Aug 2026 01:01:36 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-08-12 19:14:45.855946
• Title: On the Importance of Geometric Nonlinearity and Temperature-Dependent Properties in Multi-Material Thermo-Mechanical Topology Optimization
• Title（参考訳）: 多元熱力学トポロジー最適化における幾何学的非線形性と温度依存特性の重要性について
• Authors: Shirin Hosseinmardi, Xiangyu Sun, Ramin Bostanabad,
• Abstract要約: 熱機械に適合するデバイスは、小さなひずみの線形弾性と温度非依存の材料特性を持つように設計されている。 熱的多材料最適化における各仮定の効果とコストを定量化する。 従順な装置だ
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.456921673759335
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Thermo-mechanical compliant devices are commonly designed with small-strain linear elasticity and temperature-independent material properties, even though they might operate hundreds of kelvin above ambient where both assumptions are questionable. In this work, we quantify the effect and cost of each assumption in multi-material topology optimization of thermally actuated compliant devices. To this end, we introduce a physics-informed, simultaneous analysis-and-design framework with (i) a finite-strain quadratic-Hencky (logarithmic-strain) constitutive model whose isotropic thermal eigenstrain admits an exact additive split in log-strain space, and (ii) temperature-dependent conductivity, thermal expansion, and elastic moduli for a titanium--copper--steel material system. We optimize a thermal actuator and a thermal gripper at three design temperatures under both a baseline model and the full physics, subject to mass and manufacturability constraints. Every converged design is re-evaluated by verified nonlinear finite element solvers in the full factorial of constitutive law and property model. The comparison between the two factors reveals that the constitutive law is the decisive modeling choice: These devices work as linkages where linear kinematics mistakes rotation for compressive strain; its error therefore grows with the design temperature and concentrates on the very layouts that exploit rotation best. Because a linear optimizer also steers away from the rotation-rich mechanisms that would expose this bias, the model can deceptively appear trustworthy when validated against its own designs. Designing with the full physics yields consistently stronger and more temperature-robust devices at a modest increase in design-time cost.
• Abstract（参考訳）: 熱力学的に適合するデバイスは、どちらの仮定も疑わしい環境下で数百ケルビンを運用するとしても、小さなひずみ線形弾性と温度非依存の材料特性で設計されることが多い。 本研究では, 熱駆動型機器の多材料トポロジー最適化において, 各仮定の効果とコストを定量化する。 この目的のために,物理インフォームド・同時解析・設計フレームワークを導入する。 i) 対数-ひずみ空間において厳密な加法的分割を許容する等方的熱固有性を持つ有限ひずみ二次(対数-ひずみ)構成モデル (II) チタン-銅-鋼系材料の温度依存性, 熱膨張, 弾性率 熱アクチュエータとサーマルグリップをベースラインモデルと全物理の両方で3つの設計温度で最適化する。 すべての収束設計は、検証された非線形有限要素ソルバによって構成法則と性質モデルの全因子で再評価される。 これらのデバイスは、線形キネマティクスが圧縮ひずみの回転を間違える連鎖として機能し、従ってその誤差は設計温度とともに増大し、回転を最大限に活用するレイアウトに集中する。 線形オプティマイザは、このバイアスを露呈する回転に富むメカニズムから遠ざかっているため、モデルが自身の設計に反する検証を行うと、目に見えないほど信頼できるように見える。 完全な物理で設計すると、設計コストがわずかに増加し、常に強くなり、温度が低下するデバイスが得られる。

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