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凝固組織微細化のための大規模マルチフィジックスphase-field計算法の確立

研究課題

研究課題/領域番号 18J15230
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 機械材料・材料力学
研究機関京都工芸繊維大学

研究代表者

坂根 慎治  京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (70876755)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
2,100千円 (直接経費: 2,100千円)
2019年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2018年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
キーワード凝固 / デンドライトフラグメンテーション / phase-field法 / 格子ボルツマン法 / GPU / 適合細分化格子法
研究実績の概要

凝固組織の微細化は高性能材料開発において重要な課題である.本研究では,添加剤によらない組織微細化の鍵になると注目されているデンドライト(樹枝状結晶)のフラグメンテーション(破断)発生メカニズムを数値計算によって解明することを目的とする.そこで,自発的なフラグメンテーションを再現可能なphase-field(PF)法に基づく凝固モデルを構築する.また,計算コストの高いPF凝固モデルを大規模に計算可能な高性能計算手法を確立する.
本年度は,破断後のデンドライトの成長挙動を評価するために必要な,多数のデンドライトの成長,運動,衝突,結合,粒成長を同時に評価可能なPF格子ボルツマン凝固シミュレーションの高効率計算手法開発を行い,350個のデンドライト粒からなる等軸晶形成過程の再現計算に成功した.ここで,多数のデンドライト粒を効率的に取り扱うために,数値格子の各点上に存在する粒のPF変数の値のみを保存するactive parameter tracking (APT)法の実装を行った.このAPT法の導入により,単一GPUを用いた50個の粒を取り扱った計算において,約2.5倍計算時間が短縮されることを示した.さらに,複数GPU並列計算を実装し,64 GPUを用いた並列計算において1 GPUの場合の計算よりも30.8倍計算性能が向上することを確認した.
次に,液相流動および固体の運動を伴うデンドライト成長計算を効率化するため,解適合格子法を実装した複数GPU並列計算手法を構築した.さらに,構築手法を用いて単一デンドライト沈降計算を実施し,16 GPUを用いた並列計算において均一格子を用いた場合よりも約15倍計算が高速化することを示した.
フラグメンテーションを再現可能な計算手法の構築に関して,2次元問題については完了しており,今後,本課題で開発した手法を3次元問題へと拡張することで,自発的なフラグメンテーションの定量的評価が可能になると考えている.

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (38件)

すべて 2020 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 11件、 招待講演 3件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Two-dimensional large-scale phase-field lattice Boltzmann simulation of polycrystalline equiaxed solidification with motion of a massive number of dendrites2020

    • 著者名/発表者名
      Sakane Shinji、Takaki Tomohiro、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi、Aoki Takayuki
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 178 ページ: 109639-109639

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2020.109639

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Acceleration of phase-field lattice Boltzmann simulation of dendrite growth with thermosolutal convection by the multi-GPUs parallel computation with multiple mesh and time step method2019

    • 著者名/発表者名
      Sakane Shinji、Takaki Tomohiro、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi、Aoki Takayuki
    • 雑誌名

      Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering

      巻: 27 号: 5 ページ: 054004-054004

    • DOI

      10.1088/1361-651x/ab20b9

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simulation method based on phase-field lattice Boltzmann model for long-distance sedimentation of single equiaxed dendrite2019

    • 著者名/発表者名
      Sakane Shinji、Takaki Tomohiro、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 164 ページ: 39-45

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2019.03.047

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A parametric study of morphology selection in equiaxed dendritic solidification2019

    • 著者名/発表者名
      Geunwoo Kim, Tomohiro Takaki, Yasushi Shibuta, Shinji Sakane, Kiyotaka Matsuura, Munekazu Ohno
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 162 ページ: 76-81

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2019.02.027

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Permeability prediction for flow normal to columnar solidification structures by large-scale simulations of phase-field and lattice Boltzmann methods2019

    • 著者名/発表者名
      T. Takaki, S. Sakane, M. Ohno, Y. Shibuta, T. Aoki
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: Vol. 164 ページ: 237-249

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2018.10.039

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Correlation between three-dimensional and cross-sectional characteristics of ideal grain growth: large-scale phase-field simulation study2018

    • 著者名/発表者名
      E. Miyoshi, T. Takaki, M. Ohno, Y. Shibuta, S. Sakane, T. Shimokawabe, T. Aoki
    • 雑誌名

      Journal of Materials Science

      巻: Vol. 53 号: 21 ページ: 21-21

    • DOI

      10.1007/s10853-018-2680-y

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Competitive grain growth during directional solidification of a polycrystalline binary alloy: Three-dimensional large-scale phase-field study2018

    • 著者名/発表者名
      T. Takaki, S. Sakane, M. Ohno, Y. Shibuta, T. Aoki, C.-A. Gandin
    • 雑誌名

      Materialia

      巻: Vol. 1 ページ: 104-113

    • DOI

      10.1016/j.mtla.2018.05.002

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Grain growth kinetics in submicrometer-scale molecular dynamics simulation2018

    • 著者名/発表者名
      S. Okita, E. Miyoshi, S. Sakane, T. Takaki, M. Ohno, Y. Shibuta
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 153 ページ: 108-116

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2018.04.060

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 液相流動と固体運動を伴うデンドライト成長の複数GPU並列AMR phase-field計算2019

    • 著者名/発表者名
      坂根 慎治, 高木 知弘, 大野 宗一, 澁田 靖, 青木 尊之
    • 学会等名
      日本機械学会 第32回計算力学講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] AMR Implementation for Multi-GPUs Parallel Computing of Phase-field Lattice Boltzmann Method of Dendrite Growth with Melt Convection2019

    • 著者名/発表者名
      S. Sakane, T. Takaki, M. Ohno, Y. Shibuta, T. Aoki
    • 学会等名
      Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] AMR法を適用したphase-fieldデンドライト凝固計算の複数GPU並列化2019

    • 著者名/発表者名
      坂根 慎治、高木 知弘、大野 宗一、澁田 靖、青木 尊之
    • 学会等名
      日本計算工学会 第24回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 運動を伴うデンドライト成長phase-fieldモデルへのdouble-obstacleポテンシャルの適用2019

    • 著者名/発表者名
      高木 知弘、坂根 慎治、大野 宗一、澁田 靖
    • 学会等名
      日本計算工学会 第24回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 多結晶粒成長における粒界物性の方位差依存性の影響:大規模phase-fieldシミュレーションによる解析2019

    • 著者名/発表者名
      三好 英輔、高木 知弘、大野 宗一、澁田 靖、坂根 慎治、青木 尊之
    • 学会等名
      日本材料学会 第68期通常総会・学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 優先成長方位の遷移に伴う一方向凝固組織の形態変化のフェーズフィールド・シミュレーション2019

    • 著者名/発表者名
      金 根佑、高木 知弘、坂根 慎治、澁田 靖、松浦 清隆、大野 宗一
    • 学会等名
      日本金属学会 2019年春季講演大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 等軸晶形成のphase-fieldモデリングと2次元大規模シミュレーション2019

    • 著者名/発表者名
      高木 知弘、坂根 慎治、佐藤 遼太郎、大野 宗一、澁田 靖、青木 尊之
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会 第177回春季講演大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 超大規模分子動力学法シミュレーションによる核生成・凝固粒長過程の統一的理解2019

    • 著者名/発表者名
      澁田 靖、大喜多 慎、大野 宗一、三好 英輔、坂根 慎治、高木 知弘
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会 第177回春季講演大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Multi-GPUs parallelization for AMR-phase-field simulation of dendrite growth2019

    • 著者名/発表者名
      Sakane Shinji、Takaki Tomohiro、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi、Aoki Takayuki
    • 学会等名
      The 4th International Symposium on Phase-Field Modelling in Materials Science
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Acceleration of the three-dimensional phase-filed calculation of dendrites growth with thermal-solutal convection by multi-GPUs computation2019

    • 著者名/発表者名
      Sakane Shinji、Takaki Tomohiro、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi、Aoki Takayuki
    • 学会等名
      5th International Conference on Advances in Solidification Processes & 5th International Symposium on Cutting Edge of Computer Simulation of Solidification, Casting and Refining
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] AMR法によるGPUデンドライト凝固計算の高速化2018

    • 著者名/発表者名
      坂根 慎治、高木 知弘
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会・日本金属学会関西支部鉄鋼プロセス研究会・材料化学研究会 平成30年度第2回合同研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 粒成長過程における断面・立体組織特性の相関:大規模phase-field計算による研究2018

    • 著者名/発表者名
      三好 英輔、高木 知弘、大野 宗一、澁田 靖、坂根 慎治、下川辺 隆史、青木 尊之
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会・日本金属学会関西支部鉄鋼プロセス研究会・材料化学研究会 平成30年度第2回合同研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 柱状デンドライトの透過率テンソルの検討2018

    • 著者名/発表者名
      光山 容正、坂根 慎治、高木 知弘
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会・日本金属学会関西支部鉄鋼プロセス研究会・材料化学研究会 平成30年度第2回合同研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] AMRのGPU実装によるPhase-fieldデンドライト成長シミュレーションの高速化2018

    • 著者名/発表者名
      坂根 慎治、高木 知弘
    • 学会等名
      日本機械学会 第31回計算力学講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 破断と運動を伴うデンドライト成長の2D phase-field格子ボルツマン計算2018

    • 著者名/発表者名
      高木 知弘、坂根 慎治、佐藤 遼太郎、大野 宗一、澁田 靖
    • 学会等名
      日本機械学会 第31回計算力学講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 柱状デンドライト垂直方向流れの透過率予測2018

    • 著者名/発表者名
      光山 容正、坂根 慎治、高木 知弘
    • 学会等名
      日本機械学会 第31回計算力学講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Phase-field法と格子ボルツマン法による柱状デンドライト垂直流れの透過率評価2018

    • 著者名/発表者名
      高木 知弘、坂根 慎治、大野 宗一、澁田 靖、青木 尊之
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第176回秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 熱溶質対流を伴う二元合金凝固phase-fieldシミュレーションの複数GPU並列化2018

    • 著者名/発表者名
      坂根 慎治、高木 知弘、大野 宗一、澁田 靖、青木 尊之
    • 学会等名
      日本計算工学会 第23回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 液相流動と固体運動を伴う多結晶デンドライト凝固の2D PF-LBMシミュレーション2018

    • 著者名/発表者名
      高木 知弘、坂根 慎治、佐藤 遼太郎、大野 宗一、澁田 靖
    • 学会等名
      日本計算工学会 第23回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Multi-GPU large-scale phase-field lattice Boltzmann simulation of dendrite growth with thermos-solutal convection2018

    • 著者名/発表者名
      Sakane Shinji、Takaki Tomohiro、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi、Aoki Takayuki
    • 学会等名
      The 9th International Conference on Multiscale Materials Modeling
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Solidification microstructure formation by phase-field simulation with multi-GPU acceleration2018

    • 著者名/発表者名
      Takaki Tomohiro、Sakane Shinji、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi、Aoki Takayuki
    • 学会等名
      The 9th International Conference on Multiscale Materials Modeling
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Microstructure formation in large-scale molecular dynamics simulation2018

    • 著者名/発表者名
      Shibuta Yasushi、Okita Shin、Sakane Shinji、Miyoshi Eisuke、Takaki Tomohiro、、Ohno Munekazu
    • 学会等名
      The 9th International Conference on Multiscale Materials Modeling
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Multi-phase-field lattice Boltzmann modeling and simulation of equiaxed structure2018

    • 著者名/発表者名
      Sato Ryotaro、Takaki Tomohiro、Sakane Shinji、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi
    • 学会等名
      The 9th International Conference on Multiscale Materials Modeling
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High-performance phase-field lattice Boltzmann modelling and simulation of multiple dendrite growth with motion2018

    • 著者名/発表者名
      Takaki Tomohiro、Sakane Shinji、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi
    • 学会等名
      55th Annual Technical Meeting of the Society of Engineering Sciences
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Three-dimensional phase-field simulations during directional solidification of a binary alloy considering thermal-solutal convection2018

    • 著者名/発表者名
      Sakane Shinji、Takaki Tomohiro、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi、Aoki Takayuki
    • 学会等名
      The 13th World Congress in Computational Mechanics
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Permeability Prediction for 3D Dendrites Structure by Large-Scale Phase-Field Lattice Boltzmann Simulation2018

    • 著者名/発表者名
      Takaki Tomohiro、Sakane Shinji、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi、Aoki Takayuki
    • 学会等名
      4th International Congress on 3D Materials Science
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Large-Scale Phase-Field Simulation of 3D Ideal Grain Growth: Testing the Mean-Field Theory and Stereological Analysis2018

    • 著者名/発表者名
      Miyoshi Eisuke、Takaki Tomohiro、Ohno Munekazu、Shibuta Yasushi、Sakane Shinji、Shimokawabe Takashi、Aoki Takayuki
    • 学会等名
      4th International Congress on 3D Materials Science
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 京都工芸繊維大学 研究者総覧

    • URL

      https://www.hyokadb.jim.kit.ac.jp/profile/ja.7fa0df662b348aeeb1e281e629aae43f.html

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 坂根慎治 研究業績ページ

    • URL

      http://www.cis.kit.jp/~sakane/publication.html

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 坂根慎治 研究業績リスト

    • URL

      http://www.cmd.kit.ac.jp/student/d7821004/publication.html

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

URL: 

公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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