2019 Fiscal Year Research-status Report
機械システムの振動減衰能の高精度推定が可能な次世代型統合振動シミュレータの構築
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19K04284
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| Research Institution | Fukuoka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
鞆田 顕章 福岡工業大学, 工学部, 助教 (20582414)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 機械力学・制御 / 振動解析 / 分子動力学法 / 内部摩擦 / マルチスケール解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
機械システムの開発・設計では，振動特性の異なる金属材料を用いた部品を多数使用することがあり，振動入力時において系の応答が著しく増大する可能性を有する．このような系の振動特性の推定には，FEM（有限要素法）が用いられることが多いが，金属材料の内部摩擦に起因する振動減衰能の再現が困難であり，CAEによる最適設計の障壁となっている．そこで本研究では，材料内部の転位や双晶といった内部摩擦を高精度にモデリングすることが可能なMD（分子動力学法）とFEMを組み合わせた統合振動シミュレータの開発に挑む．ただし，MDによる数値解析では時間スケールの問題により，振動問題に対して過去の研究成果をそのまま適用することは不可能である．本研究では，金属材料の内部摩擦を精度良く再現すること，かつ，解析対象の要素数を抑えることを目標とし，時間スケールの克服を目指す．
本研究では，3つの課題（課題1：金属材料の結晶構造の構築，課題2：金属材料の振動減衰能の推定，課題3：統合振動シミュレータの開発）を設定している．本研究の推進により，金属材料の内部構造に基づく新たな振動解析法を確立することが可能となり，CAEによる複雑な機械システムの最適設計の高度化が期待できる．
2019年度については，課題1を遂行した．マンガン基制振合金であるM2052合金（マンガン:73%，銅:20%，ニッケル:5％，鉄:2％）を解析対象とし，MEAMポテンシャルおよび各種ポテンシャルパラメータを用いて，系のモデル化を行った．
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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
双晶型高減衰材料における内部摩擦を再現するための最初のステップとして，α-Mn結晶のMDモデルの構築を試みた．MATLABを用いてα-Mnの単位格子をx，y，z 方向にそれぞれ4個積み重ねた結晶格子を構築した．構築した結晶格子中にMnは3712 個存在している．本年度については，LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）と呼ばれる大規模古典分子動力学シミュレータを用いて，α-Mnの結晶構造が再現できるか確認した．これは，当初の研究計画に沿った取組であり，次年度以降も計画通り研究を進めることができると判断したことから，おおむね順調に進展していると評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
α-Mnにおいて，αからβへの相転移が生じる温度付近を系の初期温度としてMDの計算を行った場合，相転移は生じずにα-Mnの結晶構造を維持するような結果が得られた．ただし，本研究で用いたポテンシャルパラメータはα-Mnの結晶構造を構築するためのものであることから，相転移が生じる温度付近では高精度に系内の原子挙動を再現できない可能性がある．2020年度は，相転移付近の状態が再現できるポテンシャルパラメータについて調査を行うとともに，Mn-Cu-Ni-Feといった多元素の結晶構造をMDおよびMEAMで再現することが可能であるか検討する．また，M2052合金の結晶構造および元素分布の同定，材料内部の微細双晶の確認を進める予定である．
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| Causes of Carryover |
数値計算用プログラム作成および試し計算用ワークステーションの組立を予定していたが，組立に必要なCPU（Intel Core i9-10980XE，4.6GHz 18core）の欠品が続いたため，ワークステーションの組立を行うことができなかった．上記のCPUについては，2020年6月の時点においても欠品が続いているため，代替品（AMD Ryzen Threadripper 3990X，4.3GHz 64core）を用いて数値計算用ワークステーションを構築することを検討している．研究代表者の所属する研究室では，代替品とほぼ同じアーキテクチャを有するCPU（AMD Ryzen9 3950X，4.7GHz 16core）を所有しており，代替品の購入前にベンチマークテストにより計算性能を確認する予定である．
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