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，可能使用具有不同振动特性的金属材料的许多部分，并且当输入振动时，系统的响应可能会大大增加。 FEM（有限元法）通常用于估计此类系统的振动特性，但是很难再现由金属材料内部摩擦引起的振动阻尼能力，从而使其成为使用CAE最佳设计的障碍。因此，在这项研究中，我们将开发一个集成的振动模拟器，该模拟器将FEM与MD（分子动力学）方法相结合，该方法允许对内部摩擦（例如位错和材料中的双胞胎）进行高精度建模。但是，在使用MD方法的数值分析中，由于时间尺度问题，无法将过去的研究结果直接应用于振动问题。在这项研究中，我们旨在准确再现金属材料的内部摩擦，并减少要分析的元素数量，并克服时间尺度。这项研究提出了三个问题（问题1：金属材料的晶体结构的构建，问题2：估计金属材料的振动阻尼能力，问题3：综合振动模拟器的开发）。通过促进这项研究，可以基于金属材料的内部结构来建立一种新的振动分析方法，并且预计CAE将改善复杂机械系统的最佳设计。在2022财政年度，任务1至3完成了。特别是，我们旨在提高问题1中M2052合金的原子间潜力，并使用通过第一原理计算获得的5,172个训练数据构建了神经网络间的原子质潜力（NNP）。使用MD方法使用构造的NNP进​​行了弛豫计算，并且由于系统维持面部中心的方形晶格结构的结果。当前，我们正在估计材料特性，例如构造的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