戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)

領域紹介

マテリアルズインテグレーション(MI) 理論、実験、シミュレーション、データ解析を融合し材料研究開発を支援

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領域紹介

東大・NIMS拠点

MIシステムの開発

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(D61・D62・D63・D64)

コンセプトとアプローチ

多様な素材・プロセスの組み合わせから製造される部材・構造体の性能・寿命などを、理論・経験則、計算科学、データベース等を融合して予測するシステムを開発することにより、材料開発時間の大幅短縮、効率的な開発、コスト低減の実現、材料選択、製造、利用加工プロセスの最適化、構造体の信頼性予測、診断・メンテナンス性の向上、研究開発拠点、人材育成拠点、国際ネットワーク構築等に資するシステムを目指します。

図1:MIシステムの開発

研究開発

組織予測システムの開発

  • 溶接時の熱影響により材料の組織は著しく変化し、それゆえ多くの場合溶接部の性能は母材より劣化する。そのため、この溶接熱影響部(HAZ)の組織変化を精度良く予測することは、溶接構造物の安全性にとって重要であり、これまでHAZの硬さ推定式、そのための炭素当量式、焼入れ性評価など、多くの実験式や理論式や、フェーズフィールド法、セルラーオートマタ法、モンテカルロ法などの数値シミュレーション手法が提案されてきた。本ユニットでは、それら従来の理論式や数値シミュレーション手法を再評価すると同時に、数値モデリングの予測精度を向上させるための新たなモジュールの開発を行う。また従来、実験式が 十分定まっていない多重の熱サイクル時の組織、ならびに溶接金属の組織に関しても、過去に蓄積されたデータを通して予測式化を進める。
図2:MIシステムの開発

チーム構成と役割

材料・部材の組織予測システムとモジュール群の開発
東京大学
組織予測システム
フェーズフィールド法を核とする解析エンジン
組織形成データ
理論・経験則による組織予測モジュール
物質・材料研究機構
フェーズフィールド法とCALPHAD法の連携システム
北海道大学
凝固組織形成予測モジュール
東京農工大学
拡散型変態モジュール
名古屋大学
変位型変態モジュール
JFEスチール、神戸製鋼、IHI、UACJ
溶接組織予測モジュールの開発と検証

性能予測システムの開発

疲労強度・クリープ強度・水素脆化・脆性破壊を予測する

図3:MIシステムの開発
  • 組織予測システムを用いて得られた組織情報から、疲労強度・クリープ強度・水素脆化・脆性破壊等の構造材料における時間依存の性能を予測するシステムの開発を行う。性能予測システムは大きく分けて、理論的な物理モデルを用いて順解析を行う計算モジュール群と、これまで蓄積されてきた性能データを用いるデータベースモジュール群から成る。また、予測された性能の妥当性を評価するための検証も行うことにより、性能予測システムの有効性の検証を行う。また、組織情報が必ずしも得られない場合でも、材料・溶接条件・溶接構造から、ある使用条件下における時間依存の性能を予測するモジュールの開発を行う。

チーム構成と役割

材料・部材・構造体の性能予測システムとモジュール群の開発
東京大学
性能予測システム
高精度疲労性能計算モジュール
脆性破壊計算モジュール
高速疲労性能計算モジュール
性能予測データベースツール
物質・材料研究機構
クリープ性能計算モジュール
疲労データベースモジュール
帝京大学
水素脆化計算モジュール
JFEスチール、神戸製鋼、IHI、UACJ
性能予測モジュール開発と検証

特性空間分析システムの開発

  • 情報統計力学を応用することで、性能や組織を決定付ける記述子から構成される特性空間を把握する手法の確立を試みる。具体的には、データベースを元に様々な記述子・モデルから有用なものを抽出するスパースモデリング手法、並びにデータベースから各種パラメータをその不確定性を含めて推定するデータ同化手法を、組織予測システムおよび性能予測システムにおいて開発される予測モジュールに適用することを試みる。また同時に、材料のミクロ組織構造を記述するための幾何学的な因子を自動的に抽出するモジュールの開発を行い、各種予測モジュールで用いられるパラメータと各種入力条件との相関の分析を試みる。
図:特性空間分析システムの開発

ユニット構成と役割

データ処理・解析機能により組織・性能予測システムを支援する特性空間分析システムの開発
東京大学
特性空間分析システム
情報統計力学を応用した多次元データ駆動型予測手法
材料力学データ同化
確率的パフォーマンス予測手法
物質・材料研究機構
情報統計力学を応用した多次元データ駆動型予測手法
鹿児島大学
組織データベース
情報統計力学を応用した特性予測手法確立
理化学研究所
材料特性空間の把握手法
組織データベース
名古屋大学
データ同化に基づくフェーズフィールド法のパラメータ最適化

統合システムの開発

図:統合システムの開発
  • 材料開発を加速する統合的研究開発支援システムを開発する。材料組織の予測や性能予測のために開発される様々な解析モジュールを接続し統合したマテリアルズインテグレーションシステムの実現を目指します。このシステムでは、材料組成やプロセス条件を入力として与えることで、疲労寿命やクリープ寿命など長期的な材料パフォーマンスを予測いたします。豊富な構造材料データベースを内包し、それぞれの解析モジュールが必要とする物性や解析パラメータを機械学習により推定可能です。将来的には、ユーザから提供されるデータや解析モジュールを組み込み、各ユーザのニーズに応じた効率的な材料探索が可能なシステムの実現を目指します。

チーム構成と役割

各システムを連結・統括したマテリアルズインテグレーションシステムの骨格と外部インターフェースを構成する統合システムの開発
物質・材料研究機構
統合システム
データ・モジュールの統合化にむけた基盤構築
東京大学
性能予測データベースツールの実装
東洋大学
物質・材料データの構造と知識表現
青山学院大学
MIシステム用Webユーザーインター フェース基盤
名古屋大学
可視化システム

研究開発課題・ユニット一覧

(D) 耐熱合金・金属間化合物領域表
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分類 No. 研究開発課題 ユニット名 ユニット代表者
金属MI D61 マテリアルズインテグレーションシステムの開発 組織予測システムの開発 ◎○小関敏彦(東京大学)
D62 性能予測システムの開発 榎学(東京大学)
D63 特性空間分析システムの開発 井上純哉(東京大学)
D64 統合システムの開発 渡邊誠(NIMS)
D65 溶接部性能保証のためのシミュレーション技術の開発 廣瀬明夫(大阪大学)
D67 「界面」を通じた、構造材料における未解決課題克服のための技術構築 津崎兼彰(九州大学)
D66 構造材料の未活用情報を取得する先端計測技術開発 大久保雅隆(AIST)
セラミックスコーティングMI D68 高温物質移動および組織の時間依存挙動のシミュレーション技術開発 松原秀彰(東北大学)
D69 計算機を用いた材料支援技術への時間依存特性導入技術 毛利哲夫(東北大学)
D73 構造材料開発に利用する計算熱力学に関する技術基盤構築 菖蒲一久(AIST)
高分子MI D70 高性能高分子材料の長期時間依存特性の予測技術の開発 栗山卓(山形大学)
D71 構造用高分子材料の実用型最適設計・総合評価支援ツールの開発 藤元伸悦(新日鉄住金化学)
D72 マテリアルズインテグレーションヘの数学的アプローチ技術開発 西浦廉政(東北大学)
D74 非線形解析を用いた高分子材料のパフォーマンス予測技術 志澤一之(慶應大)
D75 原子・分子レベルからのアプローチによる高分子材料設計支援技術 山下雄史(東京大学)

◎:領域長 〇: 拠点長

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