並列ペリダイナミクスによる大規模接触破壊シミュレーションの実現

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K11857
• Research Institution: Toyota Technological Institute
• Principal Investigator: 椎原 良典 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90466855)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ペリダイナミクス / 破壊 / 並列計算 / 接触

Outline of Annual Research Achievements

衝突にさらされる機械構造物の強度設計には，接触がもたらす破壊現象への理解が不可欠である．しかし，接触破壊問題のシミュレーションは，接触と破壊という複雑な現象のモデル化を要するため，既存の手法では容易に扱えない未開拓の問題として残されている．ペリダイナミクス（Peridynamics, PD）は破壊現象を精度よく模擬できる粒子法の一種であるが，接触破壊問題への応用は多くない．本研究では，接触問題における精度と莫大な計算量という2つの問題に着目し，それぞれについて定式の改良と超並列計算化による問題解決を検討した．
任意の材料を扱うことができるNon-Ordinary State-based PD（NOSB-PD）を対象として研究を進めたことが本研究の特徴的な点である．提案課題のコンテクストに沿って得られた主な成果は，(1) 重み関数法の高度化によるNOSB-PDによる衝突シミュレーションの実現，(2) NOSB-PDによる接触衝突破壊シミュレーションの実現，　(3) 界面破壊を伴う積層板接触破壊シミュレーションの実現，の3点である．これに付随して，(4) 粒界を含む異方性多結晶体におけるき裂進展シミュレーションの実現，を達成した．また，(5) 計算プログラムの大規模並列化の実現を目指し，プログラムの並列チューニングについて研究を実施した．Orthogonal Recursive Bisection法による領域分割並列計算により，現在のところ170万粒子64プロセスをベースとしたウィークスケーリング性能を確認している．
これらの研究を通じて，目的であるペリダイナミクスによる衝突接触シミュレーションの実現を阻む個々の要素に解決の処方箋を提示することができた．成果については現在論文投稿の準備を進めており，2025年度中の掲載を目指している．