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

使用大规模计算进行增材制造的高精度材料结构预测多尺度建模

基本信息

批准号：
22KJ2037
负责人：
光山容正
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：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2037/
关键词：
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

项目摘要

積層造形法（AM）は特別な機材や鋳型といったものを利用せずに複雑な形態の製品を作成できるため注目を受けている技術である．このとき，AMで構築される凝固組織は製品の特性に直接影響するため，凝固組織を高精度に予測し制御する技術が必要不可欠である．一方で，凝固現象を利用したAMプロセス中の物理現象は直接観測することが難しく，数値計算によるアプローチが重要であるがモデリングの困難さや莫大な計算コストの面が課題となっている．そこで，本研究では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を構築することを目的とする．そこで，ミクロスケールにおけるデンドライト組織の影響をデンドライト樹間の液相流動の流れ易さを表す透過率で表現しフェーズフィールド法を用いたメゾスケールの組織予測に導入し，マクロスケールでの熱伝導を有限要素法で，液相流動を格子ボルツマン法で予測しメゾスケールの組織予測モデルに組み込むことで実用的なAMプロセス中の材料組織全体を対象としたマルチスケールモデルの構築を行う．本年度は，GPUを用いたAMプロセス中のマルチスケールシミュレーションで用いる莫大な計算領域を網羅するために数値計算に必要な計算コストの大幅な削減を目的として，透過率評価手法の液相流動計算に適合細分化格子法（AMR法）を導入することでデンドライト樹間内の透過率予測シミュレーションの効率化を実行した．

增材制造（AM）是一项备受关注的技术，因为它可以在不使用特殊设备或模具的情况下制造出复杂形状的产品。此时，增材制造形成的凝固组织直接影响产品的性能，因此高精度预测和控制凝固组织的技术至关重要。另一方面，利用凝固现象的增材制造过程中的物理现象很难直接观察，数值方法很重要，但建模困难和巨大的计算成本是问题。因此，本研究的目的是构建一种多尺度数值分析方法，能够利用GPU大规模计算的相场方法高精度预测增材制造形成的材料结构。因此，我们通过透射率来表达枝晶结构对微观尺度的影响，透射率代表了枝晶树之间液相流动的难易程度，并将其引入到利用相场法进行介观结构预测中，利用有限元方法。使用格子玻尔兹曼方法预测液相流，并将其纳入介观结构预测模型中，以构建针对实际增材制造过程中整个材料结构的多尺度模型。今年，我们将重点研究渗透率评估方法的液相流计算，旨在大幅降低数值计算所需的计算成本，以覆盖使用GPU进行增材制造过程中多尺度模拟所使用的巨大计算面积。引入自适应细分网格方法（AMR方法），我们提高了树突树内透射率预测的模拟效率。