大規模計算を活用した積層造形の高精度材料組織予測マルチスケールモデリング

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22KJ2037
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: 光山 容正 京都工芸繊維大学, 工芸科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Keywords: フェーズフィールド法 / 積層造形 / 凝固 / 大規模計算 / 材料組織

Outline of Annual Research Achievements

鋳造や積層造形（AM）といった金属加工において，構築される凝固組織は製品の特性に直接影響するため欠陥発生のメカニズムの解明及び制御や最適条件の探索は必要不可欠である．その中でもミクロスケールのデンドライト組織間を流れる液相流動の流れやすさを表す透過率を正確に把握することは大規模な組織予測を行う上で異なるスケールの影響の橋渡しをするため非常に重要である．このとき鋳造やAMプロセス中の凝固現象は実験で直接観察することが難しく，シミュレーションによるアプローチがなされているが，シミュレーションによるデンドライト組織の高精度な予測は計算コストが莫大であるため透過率の系統的評価が完全には実現できていない．そのため，本研究では透過率の統一的な表現とそれを用いたGPUによる大規模計算を利用したAMで形成される材料組織をフェーズフィールド法によって高精度に予測可能なマルチスケールの数値解析手法の構築を目的とする．本研究では，最も高精度にデンドライトを表現できるフェーズフィールド法によるデンドライト組織の成長計算とGPUを用いた並列計算に適した格子ボルツマン法による液相流動計算に加えて，前年度に開発された適合細分化格子法（AMR法）を導入した効率的な透過率予測手法を用いた評価を実行した．このとき，デンドライトの二次枝の成長方向の計算領域を変化させることで，複数パターンの異なる二次枝を有するデンドライト組織を作成し，それぞれに対して解像度の異なる液相流動計算を実行することで複雑に変化する二次枝間における液相流動の影響の評価を実行した．