2018 Fiscal Year Annual Research Report
メゾスケール材料組織制御と現象解明に向けた定量的シミュレーション手法の開発
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17J06356
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
三好 英輔 京都工芸繊維大学, 工芸科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 材料組織 / 粒成長 / 粒界物性 / フェーズフィールド法 / 分子動力学 / GPGPU |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，フェーズフィールド（PF）法によるメゾスケール粒成長計算を軸に，分子動力学（MD）法による原子計算，GPU汎目的計算技術を併用することで，定量的材料組織予測の実現と冶金学的諸現象の解明を目指すものである．本年度は，「粒界物性の異方性を考慮した各種PFモデルの精度評価」，「PF法とMD法のデータ同化による粒界物性評価法の構築」を主として行った．また，並行して，前年度までに開発してきた複数GPU並列PF計算コードに改良を加え，薄膜中の粒成長や，結晶方位差依存の異方性粒界物性を考慮した粒成長の大規模シミュレーションを可能とした．
PFモデルの精度評価に関する研究では，既存の四種のPF粒成長モデルすべてについて計算コードを作成し，粒界ごとのエネルギーや易動度を系統的に変化させた粒界移動計算を行うことで，不均一（異方的）粒界物性の下での各モデルの計算精度を詳細に評価・比較した．その結果，収束計算アルゴリズムを導入したSteinbachとPezzolla（1999）のモデルが，異方性物性を伴う粒成長を最も精度良く，かつ比較的低い計算コストで取り扱えることを明らかとした．
粒界物性評価に関する研究では，まず，PF計算コードにアンサンブルカルマンフィルタによるデータ同化（数値モデルに含まれるパラメータを観測データに基づき推定する手法）を実装し，粒成長計算の入力パラメータである粒界エネルギー・易動度の同定を可能とした．また，双子実験と呼ばれる数値テストにより，作成したコードの妥当性を確認した．さらに，前年度に構築したMD-PFブリッジング手法を用いてMD粒成長計算結果をPFモデルの連続体構造に変換し，これを観測データとしてPF計算を通したデータ同化を行うことで，数種の粒界に対して実際に粒界物性を取得した．
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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
本研究の最大目標である大規模・高精度PF粒成長シミュレーションに向けて，最適なPFモデルの選定，GPU並列PF計算コードへの異方性粒界物性の導入，粒界物性データベース構築の技術的基礎の確立と，最終年度である次年度を前に十全な準備を完了することができた．また，得られた成果の対外発表も計画的に行い，国内外の学会発表7件（うち受賞3件），国際誌での論文掲載5編（筆頭3編）など，高い評価を得た．以上の点から，研究の進展状況はおおむね順調であると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に構築したMD-PFデータ同化法による粒界物性取得結果に対して，数値的信頼性の評価や文献値との比較により詳細な妥当性検証を行う．妥当性が確認でき次第，GPUスパコンTSUBAME3.0上で系統的なデータ同化計算を実施し，結晶方位差に依存した粒界物性のデータベースを作成する．その後，物性データベースをGPU並列PF計算コードに導入し，数百万の結晶粒による大規模粒成長シミュレーションを行うことで，材料物性と材料組織との関係性解明および最適組織制御に向けたデータ蓄積を図る．最後に，構築してきたシミュレーション手法の有用性と以降の展望を検討し，本研究を学位論文および数編の学術論文において総括する．
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