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革新的計算法による固液共存ダイナミクスの解明と材料組織微細化への挑戦

研究課題

研究課題/領域番号 23H00160
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分18:材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野
研究機関京都工芸繊維大学

研究代表者

高木 知弘  京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (50294260)

研究分担者 青木 尊之  東京科学大学, 総合研究院, 特任教授 (00184036)
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)
浅井 光輝  九州大学, 工学研究院, 教授 (90411230)
山中 波人  京都工芸繊維大学, 未来デザイン・工学機構, 特任助教 (31023898)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
47,320千円 (直接経費: 36,400千円、間接経費: 10,920千円)
2025年度: 13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円)
2024年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円)
2023年度: 19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)
キーワードフェーズフィールド法 / 高性能計算 / 固液共存ダイナミクス / 固相溶断 / 組織微細化
研究開始時の研究の概要

固液共存現象は,金属材料の製造において普遍的な現象である.本研究では,固液共存現象をコンピュータ上で再現可能な革新的計算法を開発し,重要な未解明現象である固相溶断を定量的に解明する.この成果に基づいて固相溶断を多発させる組織微細化条件を探索し,材料開発に供する.本研究は,メゾスケールのマテリアル・デジタルトランスフォーメーションの基盤を創造する.

研究実績の概要

2023年度は,固液共存ダイナミクスモデル構築とその計算の大規模化,および実験観察結果を数値計算に取り組むためのデータ同化システムの開発,液相流動がデンドライト溶断に及ぼす影響解明に取り組んだ.
固液共存ダイナミクスモデルの構築においては,有限要素法と離散要素法の2つの手法から融点直下の固体変形を表現するモデル構築を試みた.有限要素法を用いた手法では,まず固体を一般的な弾塑性体としてモデル化し,これにphase-field (PF)法を連成させたが,溶断時のメッシュの取り扱い,および溶断後の断片化した結晶粒内での応力場の取り扱いが困難であった.そのため,離散要素法をメインに対応することとし,PF法との連成モデルのフレームワークを作成し,基本特性を評価した.さらに,multi-phase-field (MPF)法と格子ボルツマン(LB)法を連成させたMPF-LB固液共存変形モデルを用いて,単純せん断変形を再現し,固相率が固液共存変形現象に及ぼす影響を詳細に評価した.
実験と計算を融合するデータ同化システムに関しては,デンドライト成長問題を対象とし,計算コストを削減するための領域分割法の検討,物性値を高精度かつ高効率に取得するための検討,実際のその場観察結果を導入するためのボクセルデータを観測データとするための検討を試みた.
液相流動がデンドライト溶断に及ぼす影響解明においては,マザーリーフ法を適合細分化格子 (AMR) 法に導入することで高速化し,複数GPU並列実装を行った.自然対流を伴う柱状デンドライト凝固計算を大規模にGPUスパコン上で実施し,液相流動を伴わない問題ではpinch-offと呼ばれるデンドライト2次枝の溶断が生じることを確認した.一方で,自然対流を伴う問題においては,領域サイズの問題もあって溶断現象を再現するには至っておらず,さらなる工夫の必要性を確認した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

固液共存ダイナミクスモデルの構築とその計算の大規模化に関しては,融点直下の固体変形挙動と溶断現象の表現において少し苦戦しているが,固液共存変形の大規模計算に関しては,単純せん断挙動の解明,3次元化が完了し,予定より進んでいる.このため,総合的には順調に進展していると判断できる.
その場観察実験をPF計算に取り組むためのデータ同化システム開発に関しては,ハイパーパラメータを機械学習を用いて決定する手法開発に着手できていない.一方で,デンドライト凝固問題へのデータ同化の適用において,PF法とデンドライト凝固問題特有の特徴を把握し,データ同化の精度向上と計算効率向上のための有意義な情報を得た.このため,総合的には順調に進展していると判断できる.
液相流動がデンドライト溶断に及ぼす影響解明に関しては,マザーリーフ法をAMRに取り込み複数GPU並列実装を行うことで超大規模計算を可能とした.また,デンドライト2次枝の縮退と根本曲率効果によるpinch-off現象の再現に成功した.加えて,複雑なデンドライト樹間液相流動の透過率を系統的に評価した.
以上の研究3項目に関して,課題はあるものの当初予定より進展している内容もあり,総合的に「おおむね順調に進展している」と判断した.

今後の研究の推進方策

前年度から引き続き固液共存ダイナミクスモデルの構築とその計算の大規模化,および実験観察結果を数値計算に取り組むための機械学習データ同化の開発を行う.また並行して,デンドライト溶断,固液共存変形,固相粒の割れの3つの現象解明を行う.
固液共存ダイナミクスモデルの構築においては,フェーズフィールド法と,格子ボルツマン法,粒子法を連成させる.さらに,GPUスパコンによる高性能計算を可能とするために複数GPU実装し,大規模計算を可能とする.また,固液共存変形のその場観察実験を数値計算に取り込むためのデータ同化の開発を継続する.
デンドライト溶断においては,特に自然対流下でのデンドライト成長の計算条件を探索し,液相流動に起因するデンドライト溶断を再現する高性能計算技術とGPUスパコンを駆使した大規模シミュレーションを実行する.また,計算結果を解析するためのポスト処理システムを開発し,定量的なデンドライト形態変化からデンドライト溶断現象のメカニズム解明に迫る.
固液共存変形においては,単純せん断変形下での系統的なシミュレーションを通して基本特性を解明する.また,粒間摩擦,気液混相流モデル,気相発生,凝固収縮流を導入し,モデルの高精度化を図り大型放射光施設によるその場観察との直接比較を達成する.固相粒の割れにおいては,粒子法を導入した変形解析とフェーズフィールド法との連成を図り,まずは2次元計算における基本的な現象の再現を目指す.その後,格子ボルツマン法と連成し,液相流動と固体変形を同時に再現しする.最終的に3次元化と計算大規模化を達成する.

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 10件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Computing the permeability of tilted columnar dendrites with phase-field and lattice Boltzmann methods2024

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

      International Journal of Thermofluids

      巻: 22 ページ: 100649-100649

    • DOI

      10.1016/j.ijft.2024.100649

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] High-performance GPU computing of phase-field lattice Boltzmann simulations for dendrite growth with natural convection2023

    • 著者名/発表者名
      Takaki Tomohiro、Sakane Shinji、Suzuki Ryosuke
    • 雑誌名

      IOP Conference Series: Materials Science and Engineering

      巻: 1281 号: 1 ページ: 012056-012056

    • DOI

      10.1088/1757-899x/1281/1/012056

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Modeling and Simulation of Semi-solid Deformation Using Multi-phase-field Lattice Boltzmann Method2024

    • 著者名/発表者名
      T. Takaki, N. Yamanaka, S Hayase, S. Sakane
    • 学会等名
      TMS 2024 Annual Meeting & Exhibition (TMS2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Integration of X-ray Imaging and Phase-field Simulations for High-quality Evaluation of Solidification Microstructure Evolution2024

    • 著者名/発表者名
      A. Yamamura, S. Sakane, H. Yasuda, T. Takaki
    • 学会等名
      TMS 2024 Annual Meeting & Exhibition (TMS2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] MPF-LB シミュレーションによる固液共存域単純せん断変形挙動評価2024

    • 著者名/発表者名
      早瀬新明,山中波人,坂根慎治,高木知弘
    • 学会等名
      関西支部第99期定時総会講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 柱状デンドライト成長に対するデータ同化の効率化と高精度化2024

    • 著者名/発表者名
      高木知弘,山村彩乃,坂根慎治,大野宗一,安田秀幸
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2024年春期(第187回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] High-performance phase-field lattice Boltzmann simulation of dendrite fragmentation and semisolid deformation during alloy solidification2023

    • 著者名/発表者名
      T. Takaki
    • 学会等名
      The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM11)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-accuracy prediction of dendritic solidification microstructure through GPUs and AMR- accelerated computation2023

    • 著者名/発表者名
      S. Sakane
    • 学会等名
      The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM11)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Systematic simulations of semi-solid deformation using multi-phase-field lattice Boltzmann method2023

    • 著者名/発表者名
      N. Yamanaka, S. Sakane, T. Takaki
    • 学会等名
      The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM11)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Data assimilation integrating phase-field simulations and X-ray imaging for highly accurate prediction of columnar dendritic growth2023

    • 著者名/発表者名
      A. Yamamura, S. Sakane, M. Ohno, H. Yasuda, T. Takaki
    • 学会等名
      The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM11)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Systematic evaluation of segregation band formation using the MPF-LB simulation of semi-solid simple shear deformation2023

    • 著者名/発表者名
      S. Hayase, N. Yamanaka, S. Sakane, T. Takaki
    • 学会等名
      The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM11)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High-performance GPU computing of phase-field lattice Boltzmann simulations for dendrite growth with natural convection2023

    • 著者名/発表者名
      T. Takaki, S. Sakane, R. Suzuki
    • 学会等名
      Modelling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes (MCWASP XVI)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Phase-field lattice Boltzmann simulation of three-dimensional settling dendrite with natural convection during nonisothermal solidification of binary alloy2023

    • 著者名/発表者名
      S. Sakane, T.Aoki, T. Takaki
    • 学会等名
      Modelling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes (MCWASP XVI)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a data assimilation system for the investigation of the dendrite solidification process by integrating in situ X-ray imaging and phase-field simulation2023

    • 著者名/発表者名
      A. Yamamura, S. Sakane, M. Ohno, H. Yasuda, T. Takaki
    • 学会等名
      Modelling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes (MCWASP XVI)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Multi-phase-filed格子ボルツマンシミュレーションによる固液共存域せん断変形中の結晶粒再配列挙動評価2023

    • 著者名/発表者名
      山中波人,坂根慎治,高木知弘
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2024年春期(第187回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Phase-field法による先進的マルチフィジックス凝固シミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      高木知弘
    • 学会等名
      日本学術会議 第13回計算力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 固液共存域単純せん断変形の系統的multi-phase-field 格子ボルツマンシミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      早瀬新明,山中波人,坂根慎治,高木知弘
    • 学会等名
      日本機械学会 第36回計算力学講演会(CMD2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] デンドライト成長問題に対するphase-field法を用いたデータ同化2023

    • 著者名/発表者名
      山村彩乃,坂根慎治,安田秀幸,高木知弘
    • 学会等名
      日本機械学会 第36回計算力学講演会(CMD2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Phase-field 法と格子ボルツマン法のAMR 計算による柱 状デンドライトの透過率評価2023

    • 著者名/発表者名
      光山容正,高木知弘,坂根慎治
    • 学会等名
      日本機械学会 第36回計算力学講演会(CMD2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 固液共存体の2次元単純せん断変形挙動評価:multi-phase-field格子ボルツマンシミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      早瀬新明,山中波人,坂根慎治,高木知弘
    • 学会等名
      「材料シンポジウム」ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Multi-phase-field 格子ボルツマン法による固液共存体へのせん断力作用方法の検討2023

    • 著者名/発表者名
      高木知弘,山中波人,早瀬新明,坂根慎治
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第186回秋季講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] MPF-LBシミュレーションによる固液共存体のせん断変形挙動の系統的評価2023

    • 著者名/発表者名
      山中波人,坂根慎治,高木知弘
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第186回秋季講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] デンドライト成長の高精度予測に向けたX線観察とphase-field計算を融合するデータ同化の開発2023

    • 著者名/発表者名
      山村 彩乃,坂根 慎治,安田 秀幸,高木 知弘
    • 学会等名
      日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] MPF-LBモデルによる固液共存域せん断変形の結晶粒再配列挙動の評価2023

    • 著者名/発表者名
      山中 波人, 早瀬 新明, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 柱状デンドライト成長を対象としたPF計算とX線観察の融合のための固相率を用いるデータ同化2023

    • 著者名/発表者名
      山村 彩乃, 坂根 慎治, 大野 宗一, 安田 秀幸, 高木 知弘
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] MPF-LBモデルによる固液共存域変形の外力と粒再配列の関係評価2023

    • 著者名/発表者名
      山中 波人, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      第72期学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-06-20  

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