2021 Fiscal Year Annual Research Report

ミクロ・メゾダイナミクス相互連成による強弾性構成モデルの開発とSOFCへの展開

Research Project

Project/Area Number	19K14845
Research Institution	Keio University
Principal Investigator	村松眞由慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (20609036)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	SOFC / FEM / MD
Outline of Annual Research Achievements	固体酸化物燃料電池(SOFC)の空気極となるランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)の微視組織の発展を考慮し，SOFCにおける強弾性現象を表現可能な数理モデルを開発するために，令和2年度は，令和1年度までで実施していた分子動力学解析に対し，有限要素解析より強制変位を与える手法を開発した．ペロブスカイト構造LSCFの変形過程では，帯状組織発達の際に立方晶から菱面体晶への変化に伴う激しい原子の拡散と反応が起こる．直径約1 μmの粒の強弾性相の配向調査から，2,3 sの時間スケールで生じる組織の発達が応力の非線形性に影響すること，分子動力学解析から，一軸変形中の原子配列の変化によって特異な応力変化が生じることが知られており，原子の挙動と帯状組織の発達それぞれが強弾性における応力の非線形性を誘起していると考えられる．しかしながら，これまで強弾性を対象に開発された構成モデルは存在しない．本研究では，弾性エネルギーを考慮したエネルギー汎関数からフェーズフィールドモデルを導出した．本プログラムを用いて，強弾性モデルに基づき単結晶の強弾性解析を行った．解析には有限要素解析と文献より得られた物性値を用いた．得られた解析結果と強弾性試験結果とを比較して，ラメラ構造やヘリンボーン構造など観察される構造が数値解析的にも得られることがわかり，数値解析の妥当性を確かめた．さらに，分子動力学シミュレーションを実施し，そのパラメータをフェーズフィールドモデルに適応する手法を開発した．また，有限要素解析より分子動力学シミュレーションのモデルに強制変位を与える手法も開発した．得られた分子動力学-有限要素連成シミュレーションの結果，積分点毎に分子モデルに異なる変形を与えることが可能となり，一度に一つの要素が受ける変形に関して複数の変形のテストケースを試すことが可能となった．