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1 京都大学計算科学ユニット 01 年度第 回研究交流会 工学における計算科学の展開 開催日程 : 平成 4 年 6 月 6 日 ( 火 ) 開催場所 : 工学部 3 号館 階 N3 講義室 Phse-ield 法による 多様な形態発展シミュレーション 京都工芸繊維大学大学院工芸科学研究科機械システム工学部門 高木知弘

2 発表内容 1. Phse-ield 法の基本モデル. 多様なphse-ieldシミュレーション 凝固 再結晶 固相変態 その他応用 3. スパコンTSUBAME.0による大規模凝固計算

3 Phes-ield 法の基本モデル

4 Phse-ield 変数 従来の考え方 相 b 相 A B C 拡散界面モデル 界面 Phse-ield 法の考え方 : phse-ield 変数 = 1: 相, = 0:b 相 = 0: 相, = 1:b 相 =+1: 相, = -1:b 相

5 t 界面移動のメカニズム = + 8 ( 1)( β ) β = 0.0 動かない β = 0.1 = 1 { 1 tnh x} t = 0 の微分方程式を解くことで出すことができる. β = -0.1

6 界面移動のメカニズム (cont.) t = + 拡散項 8 ( 1)( β ) 反応項 フェーズフィールド法による界面移動は拡散項による分布を滑らかにしようとする作用と反応項による分布を急峻にしようとする作用のバランスで決定される. どんなに複雑なモデルでも基本はこれ!!!

7 自由エネルギー汎関数 自由エネルギー密度 F = dv = chem + doub + grd +L 化学的自由エネルギー密度 勾配エネルギー密度 ダブルウェルポテンシャル

8 化学的自由エネルギー密度 chem 相 : = 1 b 相 : = 0 p() 1 = 1 p( 0 ) = 0 = chem = b chem ( ) ( ( )) + p b = p 1 p ( ) 1 p( ) 相 = 1 b 相 = 0 相 : = 1 界面 b 相 : = 0 相 = 1 b 相 = 0 p(): エネルギー密度分布関数 p p p 3 ( ) = ( ) ( ) = ( 3 ) p p ( 0) = 0, p( 1) = 1, = = 0 = 0 = 1 が多く用いられる. 3 ( ) (3-)

9 相 = 1 ダブルウェルポテンシャル 平衡状態 ( = b ) ( ) doub = Wq b 相 = 0 q(): ダブルウェル関数 : W: エネルギー障壁 q ( ) = ( 1) chem ( ) + ( p( ) ) b = p 1 = 0.5 化学的エネルギーは同じ q q q ( 0) = q( 1) = 0, = = 0 = 0 = 1

10 勾配エネルギー密度 grd = : 勾配係数 界面 粒界 表面 表面エネルギー 界面エネルギー 粒界エネルギー

11 自由エネルギー汎関数 ( まとめ ) F = dv 自由エネルギー密度 = chem + doub + grd +L 化学的自由エネルギー密度 ダブルウェルポテンシャル 勾配エネルギー密度 chem ( ) + ( p( ) ) b = p 1 doub = Wq( ) grd p(): エネルギー密度分布関数 q(): ダブルウェル関数 W: エネルギー障壁 = : 勾配係数 q p p ( ) = ( 1) ( ) = ( 3 ) 3 ( ) = ( )

12 時間発展方程式 Phse-ield 保存量 = M t δf δ Chn-Hillird 方程式 非保存量 = M t δf δ Allen-Chn 方程式 M :Phse-ield モビリティー

13 最も簡単な phse-ield 方程式 δ δ F M t = ( ) ( ) = b W W x F δ δ 汎関数微分を Allen-Chn 方程式に代入すると, 次式の発展方程式を得る. ( ) + + = β W x M t ( ) W W b Δ = = 3 3 β

14 係数と物性値の関係付け b W = δ 3 W = γ M W M 6 = 界面幅界面エネルギー界面モビリティー勾配係数エネルギー障壁フェーズフィールドモビリティー b 3δγ = δ W 6γb = M b M W M δ 3 6 = = ( ) ( ) tnh 1 = λ λ b

15 Phse-ield 法関連の書籍

16 多様な phse-ield シミュレーション デンドライト凝固成長 粒成長問題 マルテンサイト変態 量子ドットの自己組織化成長 Phse-ield crystl 法 Phse-ield crck モデル Phse-ield トポロジー最適化モデル

17 デンドライト成長シミュレーション

18 純物質の凝固 phse-ield モデル ( ) + + = β W M t ( ) W W L S Δ = = 3 3 β ( ) ( ) m m L S T T L T = = Δ t p c L T t T + = ) ( κ Phse-ield 方程式熱伝導方程式

19 デンドライトを表現すためには界面の異方向性が必要 θ x = 1 = 0 = y x 界面 + + = dv F doub chem 界面エネルギー ( ) ( ) [ ] θ ζ θ k cos 1+ = + + = + + = =,,,,,, θ θ θ θ ε δ δ y x y x y x y y x x y y x x y x F 次アームを出すためにノイズ項が必要 + + = θ θ chem doub x y y x M t ( ) = χ β θ θ W x y y x M t

20 界面異方性とノイズの影響 等方性 異方性 異方性 + ノイズ

21 一方向凝固計算によるデンドライト成長 GPU 計算 ,000,000 step

22 u 0 = 0 [m/s] 対流内でのデンドライト成長計算 5000 step step u 0 = 10 [m/s] u 0 = 100 [m/s] u 0 = 00 [m/s] Re = 100

23 静的再結晶 真ひずみ = 0.7 真ひずみ =.3 0 min 1 min 15 min 39 min Al-0.13wt%Mg 冷間圧延 90 nneling 0 min 0 min 35 min 10 min P. J. Hurley nd F. J. Humphreys Journl o Microscopy, 13, (004), 5-34.

24 Multi-phse-ield 法 粒 3 粒 1 粒 粒 3 = 1 = 0 α 1 = 0 粒 α 内 その他の粒内 N α = 1 α = 1 & = i n M n ij n j= 1 k = 1 ( ) ( W W + ) ik jk k 1 k π 8 ik jk Δ i j ij I. Steinbch, F. Pezzoll, Physic D, 134, (1999),

25 u/l = -0.5 u/l = -0.4 u/l = -0.3 変形組織に依存した再結晶粒成長 T. Tkki, Y. Tomit, Interntionl Journl o Mechnicl Sciences, Vol.5, 010/0,

26 多結晶体内におけるマルテンサイト変態 Phse ield 相当応力分布 A. Ymnk, T. Tkki, Y. Tomit, Interntionl Journl o Mechnicl Sciences, Vol.5, 010/0,

27 量子ドットの形態変化 Disloction islnds ピラミッド形態 ドーム形態 F. M. Ross, et. l. Phy. Rev. Lett., 80, 1998

28 ドット成長過程の時間変化 ピラミッド島の生成 ピラミッド島の成長 オストワルドライプニング ( 粗大化 ) 島形態変化 ( ピラミッド ドーム ) ドーム島の成長 T. Tkki, T. Hsebe, Y. Tomit, Journl o Crystl Growth, Vol.87, 006/1, T. Tkki, T. Hirouchi, Y. Tomit, Journl o Crystl Growth, Vol.310, 008/4,

29 凝固シミュレーション Phse-ield crystl 法

30 Phse-ield crystl 法 結晶体の変形シミュレーション T. Hirouchi, T. Tkki, Y. Tomit, Interntionl Journl o Mechnicl Sciences, Vol.5, 010/0, T. Hirouchi, T. Tkki, Y. Tomit, Computtionl Mterils Science, Vol.44, 009/,

31 Phse-ield crck モデルによる多結晶体内のき裂伝播シミュレーション

32 6.0 Phse-ield トポロジー最適化法 5.5 K/K ini 5.0 剛性 :K = u y u y 高木知弘, 日本機械学会論文集 A 編, 77 巻 783 号, 011/11, Step No.

33 スパコン TSUBAME.0 による 超大規模凝固計算 共同研究者青木尊之 ( 東工大 ) 下川辺隆史 ( 東工大 ) 山中晃徳 ( 東工大 )

34 デンドライト競合成長と凝固組織

35 3D Phse-Field Computtions Mter. Sci. Eng., A, (005) Act Mter., 59 (011) ? Act Mter., 56 (008) Phys. Rev. E 81, (010)

36 二元合金の 3D 一方向凝固計算 温度 T ( t, y) T + Gz GVt = 0 Al-Si 二元合金 G = K/m : 温度勾配 V = m/s : 引張速度 R = GV = 0.3 K/s: 冷却速度 t : 時間 [s] T 0 = K 液相 ( = 0) c 0 = 0.05 t.rc. 固相 ( = 1) z 格子サイズ Δx = 0.75 μm 計算ステップ 4,000,000 steps y x

37 (3.07 mm mm 3.07 mm) step step step step

38 ACM Gordon Bell Prize Specil Achievements in Sclbility nd Time-to-Solution ( ゴードンベル賞 特別賞 ) Pet-scle Phse-Field Simultion or Dendritic Solidiiction on the TSUBAME.0 Supercomputer 011 年 11 月 18 日受賞 (SC11, シアトル ) 国際会議 SC11(Interntionl Conerence or High Perormnce Computing, Networking, Storge nd Anlysis) ACM(Assocition or Computing Mchinery 米国計算機学会 )

A

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