Development of advanced simulator for solidification microstructure prediction and its application to integration technology of simulation and experiment

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H00217
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: Takaki Tomohiro 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (50294260)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 青木 尊之 東京工業大学, 学術国際情報センター, 教授 (00184036) ; 大野 宗一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30431331) ; 安田 秀幸 京都大学, 工学研究科, 教授 (60239762) ; 坂根 慎治 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (70876755)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: フェーズフィールド法 / 高性能計算 / データ同化 / その場観察 / 凝固組織

Outline of Final Research Achievements

The objective of this study is to develop an innovative integration technique between simulation and experiment, which fully integrates high-performance phase-field (PF) simulations on a GPU supercomputer and in-situ experiments at SPring-8 through data assimilation. First, an advanced PF simulator that can perform large-scale and high-speed simulations of dendrite growth with liquid flow and solid motion was developed. The integration of simulation and experiment was achieved by data assimilation using an ensemble Kalman filter, which was parallelized on a GPU supercomputer to enable large-scale and high-speed execution. Twin experiments for the dendrite growth forming columnar and equiaxed structures were conducted to confirm the usefulness of the developed data assimilation system and future issues.

Free Research Field

機械材料・材料力学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は，従来個々別々に行われてきた計算と実験を一体化し，それぞれの手法の課題を相補的に解決することで，金属材料の特性を決定する凝固組織を高精度に予測する革新的手法を開発することを目的に実施された．一体化手法としては天気予報等で用いられるデータ同化を材料分野に応用した．日本が得意とする高性能計算と大型放射光施設SP-ring8によるその場観察の，両最先端技術をデータ同化によって一体化する手法開発を行ったことに学術的意義がある．本研究で開発した手法は，材料開発の高度化および高速化に寄与し，将来的に低炭素社会に向けた貢献が可能であるという点において社会的意義がある．