2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of innovative prediction method of material microstructure by quantitative coupling of large-scale simulation and in situ observation
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17H01237
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
高木 知弘 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (50294260)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大野 宗一 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30431331)
澁田 靖 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (90401124)
安田 秀幸 京都大学, 工学研究科, 教授 (60239762)
青木 尊之 東京工業大学, 学術国際情報センター, 教授 (00184036)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | フェーズフィールド法 / 分子動力学法 / その場観察 / データサイエンス / 凝固 / 材料組織 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，大規模フェーズフィールド(PF)計算を基軸とし，SPring-8によるその場観察と大規模分子動力学(MD)計算の三つの最先端研究をデータサイエンスにより融合し，定量的かつ高精度な革新的メゾスケール材料組織予測アプローチの構築を目指すことを目的としている．この目的を達成するために，本年度は下記の作業を行った．
(1) 大規模シミュレーションに用いる東京工業大学のGPUスパコンTSUBAMEのGPUがすべてNVIDIA TESLA P100に更新されTSUBAME3.0が稼働したたため，PF法とMD法の並列GPUコードをP100用にチューニングした．これによって，前スパコンTSUBAME2.5に対して約4倍の計算高速化が達成された．
(2) PF計算に必要となる物性値の取得を可能とする，アンサンブルカルマンフィルタによるデータ同化をコーディングし，その計算を高速化するためにTSUBAME用に複数GPU並列化を行った．また，等温デンドライト凝固の双子実験によって，異方性強度を同定するシミュレーションを行い，妥当な結果が得られることを確認した．
(3) MD計算結果をPFプロファイルにマッピングする手法を構築し，MD計算とPF計算を同条件で行える環境を準備した．また，Spring-8を用いたFe-Si二元合金の一方向凝固その場観察を行い，デンドライト成長過程の連続イメージを取得した．次いで，その場観察イメージをPFプロファイルに落とし込む方法の開発に着手した．
(4) 多結晶二元合金の一方向凝固の大規模PFシミュレーションを系統的に行い，柱状多結晶凝固の競合成長現象を解明した．加えて，その場観察実験と同条件での超大規模PFシミュレーションを行い，両者によるデータ同化の可能性を検討した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」の各項目に対する進捗状況は以下の通りである．幾つか課題はあるが，予定以上に進んだ内容もあり，研究は全体的におおむね順調に進んでいると判断できる．
(1) 大規模シミュレーション用の複数GPU並列コードの作成は予定以上に順調に進んだ．いずれもウイークスケーリング評価を行い，よいスケーリングが達成できることを確認した．
(2) データ同化をGPUスパコン上で行うための複数GPU並列化も問題なく完了し，双子実験による基本的な性能評価を完了した．MD計算結果をPFプロファイルにマッピングする手法を構築し，MD計算とPF計算を同条件で行いデータ同化によって物性値を取得する準備が整った．
(3) Fe-Si合金の一方向凝固その場観察実験を行い，その場観察結果の画像イメージをPF変数プロファイルに落とし込む技術構築を行っている．予想以上にノイズが多く，これを如何に排除して綺麗なPFデータにするかが次年度の課題である．
(5) 多結晶二元合金の一方向凝固PFシミュレーションを系統的に行い，その成果をジャーナルMaterialiaへ投稿しアクセプトされた．また，その場観察実験と全く同じ時空間スケールにおけるPF計算を試み，その場観察結果と大規模PF計算によるデータ同化の可能性を検証した．全く同じスケールでのPF計算は計算コストが極めて高く，このままではデータ同化は困難であり，これを解決することが次年度の課題である．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究はほぼ予定通り進行しているため，申請時とほぼ同様の計画で研究を進める．2018年度は以下の(1)～(4)を行う．
(1) 合金凝固過程において生じる相変態，溶質拡散，熱伝導，液相流動，固体移動の全てを考慮可能なマルチフィジックスphase-fieldモデルを構築する．
(2) 前年度行った一方向凝固その場観察と同じ条件で大規模phase-field計算を行い，データ同化を用いて，物性値（拡散係数，粘性係数）の推定を行う．ただし，現時点の解析方法では大規模計算を行ってもデータ同化のための系統的計算は不可能であるため，デンドライト先端部のみを対象とする，もしくはアダプティブメッシュ法を用いるなどの対応を行う．
(3) SPring-8を用いた等軸晶凝固のその場観察をSPring-8において行う．核生成は微細化剤を用いて表現する．
(4) これまでの純物質に対する大規模MD計算を二元合金に拡張し，均質核生成と微細化剤を導入した不均質核生成の系統的な大規模MD計算を行う．これにより，核生成挙動における未解明現象を解明する．
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