機械システムの振動減衰能の高精度推定が可能な次世代型統合振動シミュレータの構築

构建下一代集成振动模拟器，能够高精度估计机械系统的振动阻尼能力

• 批准号: 19K04284
• 负责人: 鞆田 顕章
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Fukuoka Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19K04284/
• 关键词: 機械力学・制御; 振動解析; 分子動力学法; 内部摩擦; マルチスケール解析; 第一原理計算; 古典分子動力学法; 原子間ポテンシャル

機械システムの開発・設計では，振動特性の異なる金属材料を用いた部品を多数使用することがあり，振動入力時において系の応答が著しく増大する可能性を有する．このような系の振動特性の推定には，FEM（有限要素法）が用いられることが多いが，金属材料の内部摩擦に起因する振動減衰能の再現が困難であり，CAEによる最適設計の障壁となっている．そこで本研究では，材料内部の転位や双晶といった内部摩擦を高精度にモデリングすることが可能なMD（分子動力学）法とFEMを組み合わせた統合振動シミュレータの開発に挑む．ただし，MD法による数値解析では時間スケールの問題により，振動問題に対して過去の研究成果をそのまま適用することは不可能である．本研究では，金属材料の内部摩擦を精度良く再現すること，かつ，解析対象の要素数を抑えることを目標とし，時間スケールの克服を目指す．本研究では，3つの課題（課題1：金属材料の結晶構造の構築，課題2：金属材料の振動減衰能の推定，課題3：統合振動シミュレータの開発）を設定している．本研究の推進により，金属材料の内部構造に基づく新たな振動解析法を確立することが可能となり，CAEによる複雑な機械システムの最適設計の高度化が期待できる．2022年度については，課題1～3を遂行した．特に，課題1におけるM2052合金の原子間ポテンシャルの高精度化を目指し，第一原理計算により得られた5172個の訓練データを用いてニューラルネットワーク原子間ポテンシャル（NNP）を構築した．構築したNNPを用いてMD法による緩和計算を行った結果，系は面心正方格子構造を維持した．現在，構築したMDモデルの弾性定数等の材料特性について推定を行っている．

在机械系统的开发和设计中，经常使用许多由具有不同振动特性的金属材料制成的零件，这可以显着提高系统在振动输入时的响应。 FEM（有限元法）通常用于估计此类系统的振动特性，但很难重现由金属材料的内摩擦引起的振动阻尼能力，这成为使用CAE进行优化设计的障碍。因此，在这项研究中，我们将开发一种结合MD（分子动力学）和FEM的集成振动模拟器，它可以高精度地模拟材料内部的内摩擦，例如位错和孪晶。然而，由于MD方法数值分析中的时间尺度问题，无法将过去的研究成果直接应用于振动问题。在这项研究中，我们的目标是高精度地再现金属材料的内耗，减少要分析的元素数量，并克服时间尺度。在这项研究中，我们设置了三个课题（课题1：金属材料晶体结构的构建，课题2：金属材料减振能力的估计，课题3：集成振动模拟器的开发）。通过这项研究的进展，将有可能建立一种基于金属材料内部结构的新的振动分析方法，并有望利用CAE改进复杂机械系统的优化设计。 2022财年，任务1至3已完成。特别是，为了提高任务1中M2052合金原子间势的准确性，利用第一性原理计算获得的5172个训练数据构建了神经网络原子间势（NNP）。使用所构建的 NNP 使用 MD 方法进行弛豫计算的结果是，系统保持了面心方形晶格结构。我们目前正在估计材料特性，例如我们构建的 MD 模型的弹性常数。

项目成果

機械システムの振動減衰能の高精度推定に向けた分子動力学モデルの構築 （α-Mn結晶の分子動力学モデル）

构建用于高精度估计机械系统减振能力的分子动力学模型（α-Mn晶体的分子动力学模型）

• 发表时间: 2020
• 作者: Hiroyuki Kambara;Atsushi Takagi;Haruka Shimizu;Toshihiro Kawase;Natsue Yoshimura;Nicolas Schweighofer;Yasuharu Koike;高島 太陽，鞆田 顕章
• 通讯作者: 高島 太陽，鞆田 顕章

分子動力学法を用いたZr-Ni-Al金属ガラスの圧縮試験シミュレーション

利用分子动力学方法模拟Zr-Ni-Al金属玻璃的压缩试验

• 发表时间: 2021
• 作者: 児島啓太;長澤純人;浅見 敏彦，水川 凱斗，山田 啓介;吉田潤平，中林正隆，嶋脇聡，石川敏也;中村雄飛，鞆田顕章，朱世杰
• 通讯作者: 中村雄飛，鞆田顕章，朱世杰

Mn基合金の振動減衰機構表現のための原子間ポテンシャルの検討

表达锰基合金减振机理的原子间势研究

• 发表时间: 2021
• 作者: Fukukawa Nobuhiro;Akagi Tetsuya;Dohta Shujiro;Kobayashi Wataru;Eguchi Yuya;浅見 敏彦;田中直道，鞆田顕章，岩下雄輝，菊池雅翔
• 通讯作者: 田中直道，鞆田顕章，岩下雄輝，菊池雅翔

Vibration Analysis of a Beam with Both Ends Fixed using Molecular Dynamics Method

两端固定梁的分子动力学振动分析

• 发表时间: 2020
• 期刊: Vibration Engineering for a Sustainable Future (Proceedings of the Asia-Pacific Vibration Conference 2019)
• 作者: Akinori Tomoda;Masahiro Yamanaka;Taiyo Takashima
• 通讯作者: Taiyo Takashima

Zr-Ni-Al金属ガラスの疲労せん断帯厚化の支配要因および形成条件

Zr-Ni-Al金属玻璃疲劳剪切带厚度的控制因素及形成条件

• 发表时间: 2022
• 作者: K. Asamura;S. Nagasawa;朱世杰，中村雄飛，鞆田顕章
• 通讯作者: 朱世杰，中村雄飛，鞆田顕章