2016 Fiscal Year Annual Research Report
高強度・高延性の両立を可能にする次世代金属材料のための多結晶構造最適化
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16H04394
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
加藤 準治 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00594087)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
京谷 孝史 東北大学, 工学研究科, 教授 (00186347)
寺田 賢二郎 東北大学, 災害科学国際研究所, 教授 (40282678)
高木 知弘 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (50294260)
吉見 享祐 東北大学, 工学研究科, 教授 (80230803)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 計算力学 / 材料の最適設計 / 金属材料設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は， 有限要素法単独で強度と延性を同時に発現するメカニズムについて検討した．それによってわかってきたことは，転位の移動および蓄積が力学的応答に与える影響をモデル化するためには結晶塑性モデルの導入が必要と考えてきたが，本研究の目的とする強度と靭性最大化の同時最適化を達成するには，計算コストが膨大となることや理論的難解さ等，のちの実用性までを考慮すると必ずしも最善の方法とは言えないことである．そのため，当初の計画であった結晶塑性論を超える，実用的な手法の開発に挑戦することとした．初年度は，その新しい手法の検討に時間を費やし，概ねその方向性が定まった状態にある．
一方で，マルチスケール解析を考慮した線形弾性体を仮定した二相合金の剛性最大化については，MPF法を用いつつ，力学的に合理的な結晶構造を算出できるようにまで開発が進み，成功したと言える．さらに，その延長として金属材料の熱伝導性能の最大化問題も加えて着手し，こちらについてもすでに論文化できる状態にまで精度を高めることに成功した．
他方，学会での成果発表についても積極的に実施してきた．初年度は国際会議３回，国内会議についても２回の成果発表を行った．このような積極的な活動によって，異分野との研究交流も生まれた．特に本成果は金属材料の最も重要な力学的性質である強度と延性（統合的に脆性になる）を最大にするというもので，近年注目を浴びている金属製積層造形技術にも直結するものである．よって，初年度は最新の金属材料学との融合も視野に入れつつ，今後の研究を遂行する意義を見出せたと言える．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要で述べたとおり， 有限要素法単独で強度と延性を同時に発現するメカニズムについて検討した結果，転位の移動および蓄積が力学的応答に与える影響をモデル化するために，これまで結晶塑性モデルの導入が必要と考えてきたが，のちの「実用性」までを考慮すると必ずしも最善の方法とは言えないことがわかった．そのため，当初の計画であった結晶塑性論を超える，実用的な手法の開発に挑戦した結果，概ねその方向性が定まった状態にある．これについては，本研究の今後を左右する大きな一歩であったと考えている．
また，それとは別にマルチスケール解析を考慮した線形弾性体を仮定した二相合金の剛性最大化については，MPF法を用いつつ，力学的に合理的な結晶構造を算出できる手法を確立し，さらにその延長として，当初計画にはなかった新しい試みとして「金属材料の熱伝導性能の最大化問題」も加えて着手し，こちらについてもすでに論文化できる状態にまで精度を高めることに成功した．
以上をまとめると当初計画からの変更がありつつも，今後の研究方針において大きな前進があったこと，また当初計画にはなかった新しい題材にも追加で挑戦できた実りの多い成果であったと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
前述のとおり，初年度に結晶塑性論を用いない，新たな枠組みづくりの検討を行ってきた．新たな方法は，「結晶の大きさと結晶方位に依存した材料の異方性弾塑性モデル」を構築し，それに最適化アルゴリズムを構築・実装するものである．このアイデアは，純金属の結晶の大きさによってマクロ的な材料挙動が系統的に異なることを示す，新たな知見が最新の文献で発表されたことにヒントを得たものである．これは，我々がこれまで蓄積してきた弾塑性材料モデルを考慮したトポロジー最適化に近いところにあり，今後の発展が期待できる．
そこで，今後の方針は，分離型マルチスケール解析法という手法の適用を前提に，(1) 弾塑性マルチスケールトポロジー最適化手法を確立し，次に，(2) 結晶構造の幾何構造の再現にMPF法を導入する．それに加えて，(3) 結晶サイズと結晶方位を変数とする新しい異方性の弾塑性材料モデルとその最適化問題の開発に取り組むことにある．
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