メゾスケール材料組織制御と現象解明に向けた定量的シミュレーション手法の開発

介观材料结构控制和现象阐明的定量模拟方法的发展

基本信息

批准号：
17J06356
负责人：
三好英輔
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Kyoto Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J06356/
关键词：
材料組織粒成長粒界物性フェーズフィールド法分子動力学 GPGPU

项目摘要

本研究は，フェーズフィールド（PF）法によるメゾスケール粒成長計算を軸に，分子動力学（MD）による原子計算，GPU汎目的計算を併用することで，定量的材料組織予測と冶金学的諸現象の解明を目指すものである．本年度は，「PF法による大規模異方性粒成長計算」，「MDとPF法のデータ同化による粒界物性取得」を主に行った．大規模PF粒成長計算に関する研究では，SteinbachらのPF粒成長モデル，収束計算アルゴリズム，および結晶方位差の高速演算機能を複数GPU並列計算コードに実装し， 3百万結晶粒を用いた世界最大の異方性粒成長計算を可能とした．さらに，粒界物性異方性をRead-Shockley関係とＳ字モデルにより導入し，これらに含まれる異方性強度因子（高角粒界閾値）の値を変化させて系統的計算を行うことで，異方性強度と粒成長挙動の相関を初めて正確に解明することに成功した．また，異方性粒成長挙動は既存の粒成長理論では表現できず，これは理論の導出における仮定が異方性を有する系では成立しないことに起因するという，現象の解釈に資する新たな知見を得た．粒界物性取得に関する研究では，PF粒成長コードにアンサンブルカルマンフィルタによるデータ同化を実装し，双子実験と呼ばれる数値テストを行うことで，多結晶系の十個以上の粒界に対して同時に物性評価が行えることを示した．さらに，純鉄に対するMD粒成長計算結果を観測データとしてPFとのデータ同化を行い，実際に粒界物性値を取得し，純鉄粒界の典型的なオーダーの値が得られていることを確認した．当初の目標であった粒界物性データベースの構築には至らなかったものの，そのための方法論は確立できたといえる．今後，MD-PFデータ同化による粒界物性取得に加え，上述の大規模PF計算技術を併用することで，材料開発加速に向けた高精度・高速な組織予測が実現するものと期待する．

这项研究重点是使用相场（PF）方法进行介观晶粒生长计算，以及使用分子动力学（MD）和通用GPU计算进行原子计算，以定量预测材料结构并进行冶金计算，目的是阐明。的现象。今年，我们主要进行了“使用PF方法进行大规模各向异性晶粒生长计算”和“通过MD和PF方法的数据同化获得晶界物理性质”。在大规模PF晶粒生长计算研究中，我们将Steinbach等人的PF晶粒生长模型、收敛计算算法以及晶体取向差的高速计算功能实现为多GPU并行计算代码，并实现世界上最大的 PF 晶粒生长模型，使用 300 万个晶粒，这使得计算各向异性晶粒生长成为可能。此外，通过使用Read-Shockley关系和S形模型引入晶界物理各向异性，并通过改变其中包含的各向异性强度因子（高角度晶界阈值）的值进行系统计算，首次，我们成功地准确地阐明了各向异性强度和晶粒生长行为之间的关系。此外，各向异性晶粒生长行为无法使用现有的晶粒生长理论来表达，这是因为用于推导该理论的假设在各向异性系统中不成立。这是有助于解释该现象的新发现。。我得到了它。在获取晶界物理性质的研究中，我们在PF晶粒生长代码中使用系综卡尔曼滤波器实现了数据同化，并进行了称为孪生实验的数值测试，以同时评估多晶系统中十个或更多晶界的物理性质我们证明这是可以做到的。另外，将纯铁的MD晶粒生长计算结果作为PF的观测数据进行数据同化，实际求出晶界物性值，确认得到了纯铁晶界的典型值。确认的。虽然构建晶界物性数据库的最初目标没有实现，但可以说已经建立了该目的的方法论。未来，除了通过MD-PF数据同化获取晶界物理性质外，我们希望结合上述大规模PF计算技术，实现高精度、高速的微观结构预测，加速材料发展。