東京大学大学院 工学系研究科 機械工学専攻泉・波田野研究室
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研究紹介

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過去の研究テーマ

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マルチスケール解析による路面-タイヤ間の摩擦係数評価法の確立

自動車の燃費向上にはピストン-シリンダー間の摩擦損失の低減が必須です。潤滑剤の粘性を下げると運転時は低摩擦となりますが、摺動速度が小さくなる始動・停止時やピストンの上・下死点で固体間摩擦が発生し、正味の摩擦損失は増加します。この理由から固体間摩擦の低減技術が期待されていますが、固体間摩擦には解明されていない点が多く、数値解析によるメカニズムの解明が求められています。

固体間摩擦はナノスケールからマクロスケールまでのラフネスが影響するマルチスケールの現象です。固体間摩擦解析に有限要素法(FEM)や分子動力学(MD)の適用が期待されていますが、FEMは凝着のような原子レベルの現象を扱えず、MDはマクロスケールのラフネスを扱えません。両者の利点を生かし、ごく一部の真実接触領域近傍をMDで、他をFEMでモデル化するFEM-MD連成解析手法が期待されていますが、既存手法はモデリングや境界条件の制約のためにそのまま適用できません。

そこで大規模な固体間摩擦解析のためのFEM-MD連成解析手法の開発を行いました。以下は本研究で提案した連成解析手法を2つ紹介します。

一つ目の手法はまず外力の作用による並進運動を再現するFEM-MD連成解析手法を提案しました。既存手法では、MD層(Region1)とFEM層(Region4)の間に、原子と節点が共存する遷移層(Region2、Region3)を設け、この領域内で変異の受け渡しを行っていました(Fig.1)。しかし既存手法だとRegion3の固定原子の影響でRegion2の原子の変形に限界があり、外力の作用に対して大変形の一種である並進運動を再現できません。そこで本手法ではRegion2の原子の並進運動がRegion3の固定原子に影響されないよう、Region2とRegion3の間に新たな遷移層を設けます(Fig.2)。ここで遷移層内の節点と原子が独立していると、両者の運動のわずかなずれから非物理的な振動が発生してしまいます。そこで遷移層内では、原子速度と節点速度の差に比例する減衰力を原子に与えることで、原子の運動と節点運動を同期させ、並進運動を実現させました。Fig.3はラフネスを有するAl間の摩擦解析のモデル概観です。下の動画1は、摩擦解析の結果です。動画の上部は半透明化、変位量でカラーリングしています。

摩擦解析では時間発展とともに接触領域が移動するため、接触領域近傍のみをMDでモデル化する場合、MD領域も移動する必要があります。そこで接触領域の移動と共にMD領域も移動させる連成解析手法を提案しました。Fig. 4はその手法を用いたAl間の摩擦解析のモデル概観です。下の動画2は摩擦解析の結果です。


Fig.1 従来手法

Fig.2 本手法

Fig.3 ラフネスを有するAl間の
固体間摩擦解析のモデル概観

Fig.4 Al間の固体間摩擦解析のモデル概観

鉄道分岐器のフロントロッド付属軸受の摩耗予測

列車が分岐器のトングレール後端部に存在する継目を通過する際、レール継目部において衝撃振動が発生します。この衝撃振動がトングレールを経由してフロントロッドに伝わると、フロントロッドに付属する軸受が摩耗します。フロントロッドはトングレールの位置情報を電気転てつ機に伝達するための部品の一つであり、その軸受に摩耗が累積することは分岐器の転換不能の原因となります。本研究では、摩耗のメカニズムを明確にするために、衝撃応答特性を再現した普通分岐器と特殊分岐器の有限要素モデルを作成し、トングレール後端部に衝撃が入力された際の軸受における面圧と滑り速度を算出する解析を行いました。さらに、軸受の摩耗試験とその試験を再現する有限要素法解析から算出した比摩耗量を用いることで、フロントロッド付属軸受の摩耗量予測を行いました。この摩耗予測手法を応用することで、様々な分岐器に対して効率的なメンテナンスを行うことが可能であると考えられます。


普通分岐器モデル概観

特殊分岐器(ダブルスリップ分岐器)モデル概観

参考文献

  • 近藤祐樹ほか,車両通過時の衝撃振動による分岐器のフロントロッド摩耗予測のための有限要素モデリング,機械学会論文集,Vol.81,No.83 (2015),DOI: 10.1299/transjsme.15-00286
  • H28年度修士論文: 列車通過時振動による特殊分岐器付属装置摩耗予測のための有限要素法と実機試験による検証

ボルト・ナット締結体の有限要素法解析~剛性・ゆるみへの問題適用

ボルト・ナット締結体のトラブルは21世紀を迎えた現代でも絶えることはありません。当研究室では、有限要素法解析(幾何学的非線形接触摩擦解析)により、ボルトのゆるみをシミュレーションすることに近年成功しました。現在では、締結体の剛性とゆるみのメカニズムについての理論的解明に至っています。当研究室ではこの技術を使って、企業との様々な共同研究を行ってきました。本技術を産業界にさらに移転するための相談・議論・共同研究の希望などを受け付けております。気軽にご相談ください。詳細は、ボルトの研究紹介ページをご覧ください。


ボルト・ナットのゆるみのシミュレーション(コンターは横方向変位)

ボルト・ナットの締め付けのシミュレーション(コンターは軸方向応力)

ボルト・ナットのゆるみのシミュレーション

時間・空間スケールをつなぐマルチスケールシミュレーションの開発と材料強度問題への応用

有限要素法・転位動力学・分子動力学・電子状態計算を組み合わせたマルチスケールシミュレーションの開発を行っています。特に、時間スケールと空間スケールのギャップの問題を克服する手法開発に主眼を置いています。開発されたシミュレータは、半導体分野や電子デバイス分野の転位生成/進展現象・剥離現象などに応用されています。マクロスケール(連続体)とナノスケール(原子系)をつなぐためには、mからnm、secからnsecまでの9桁のギャップを克服しなけばなりません。空間スケールの克服のためには、有限要素法-分子動力学シミュレータを開発し、薄膜の剥離問題へと適用しています。Fig.1はナノインデンテーションによる薄膜の剥離試験モデルで、下部が有限要素法でモデル化されています。Fig.2は、計算結果であり、実験と同様の位置で剥離が起こっています[1]。時間スケールの克服のためには、Nudged Elastic Band法に基づいた反応経路探索の手法開発と応用を行っています。Fig.3は、シリコンのコーナーからの転位生成問題へ適用した例で臨界応力時(Athermal stress)の転位発生例です[2]。Fig.4は、転位生成の活性化エネルギの応力依存曲線であり、正解で初めて、Shuffle-set転位((111)面の広いほうの平面に位置する転位)とGlide-set転位((111)面の狭いほうの平面に位置する転位)の比較を可能にし、低温・高応力ではShuffle-set転位、高温・低応力ではGlide-set転位が生成する実験結果を理論的に支持する結果を得ました[3]。さらに、この結果を転位動力学と組み合わせることによって、その後の進展・増殖課程を扱うことが出来ます(Fig.5)[4]。


Fig.1 ナノインデンテーションによる薄膜の剥離試験のFEM-MDモデル

Fig.2 ナノインデンテーションによる薄膜の剥離シミュレーション結果

Fig.3 シリコンのコーナーからの転位生成の分子動力学計算

Fig.4 転位生成の活性化エネルギの応力依存曲線
(Glide-set転位とShuffle-set転位の違い)

Fig.5 半導体素子の転位動力学シミュレーション

参考文献

  • [1] S. Hara, T. Kumagai, S. Izumi, S. Sakai, “Multiscale analysis on the onset of nanoindentation-induced delamination: Effect of high-modulus Ru overlayer”, Acta Materialia 57 (2009) pp. 4209-4216.
  • [2] Satoshi. Izumi, Sidney. Yip, “Dislocation Nucleation from a Sharp Corner in Silicon”, J. Appl. Phys. 104 (2008) 033513.
  • [3] K. Shima, S. Izumi and S. Sakai,“Reaction Pathway Analysis for Dislocation Nucleation from a Sharp Corner in Silicon: Glide Set versus Shuffle Set”, J. Appl. Phys., 108 (2010), 063504.
  • [4] S. Izumi, T. Miyake, S. Sakai, H. Ohta, “Application of three-dimensional dislocation dynamics simulation to the STI semiconductor structure”, Materials Science Engineering A, 395,1-2 (2005) pp.62-69.

Siの熱酸化

MOSFETなどの半導体デバイスの製造には、高品質な酸化膜の形成が不可欠です。ワイドギャップ半導体である炭化ケイ素(SiC)では、Si半導体と同様にSiO2酸化膜が作成できることから次世代パワー半導体の材料として注目されています。しかしながら、高品質なSiC/SiO2界面の製造は達成されておらず、特にSiCの面方位によって酸化の速度や品質が大きく異なるなどのSiCに特有の現象が実験的に報告されており、界面反応のメカニズムの原子論的な解明が待たれていました。一方、熱酸化による酸化膜成長というダイナミックな現象を扱うため、大規模な分子シミュレーションの適用が望まれていました。

本研究では、酸化プロセス再現のためのSi-O-C系の原子間ポテンシャルを新たに開発し、酸化膜成長のシミュレーションを行いました。ポテンシャル開発では、第一原理計算を使った小規模な酸化シミュレーションを教師データとし、合計1,000,000以上の物性値をフィッティングしました。SiC酸化シミュレーションでは数千原子・数ナノ秒オーダーでの酸化膜成長シミュレーションを行い、Si面の活性化エネルギーがC面の活性化エネルギーより大幅に大きいことを示しました。さらにSiの酸化数と活性化エネルギーの関係を調べることで、Si面ではSi1+を含む平坦な界面構造が作られ、これがSi面特有の高い活性化エネルギーの起源であることを提案しました。C面では対照的に、Si原子が引き上げられることで不規則な界面が形成されました。シミュレーションの結果から、C面では過剰なC原子がより多く生成されることも示唆されています。

参考文献

  • So Takamoto, Takahiro Yamasaki, Takahisa Ohno, Chioko Kaneta, Asuka Hatano, and Satoshi Izumi, "Elucidation of the atomic-scale mechanism of the anisotropic oxidation rate of 4H-SiC between the (0001) Si-face and (000-1) C-face by using a new Si-O-C interatomic potential", Journal of Applied Physics 123, 185303 (2018).

SiC上のグラフェン成長MD

産業応用を目的としたグラフェンの製造手法として、炭化ケイ素(SiC)の熱分解による手法が注目されています。SiCを高温環境に置くと表面からSiが脱離し、条件を制御することでグラフェンが形成されることが知られていますが、このメカニズムには未解明な点が多く、製造方法確立の課題となっています。特に、従来は電子状態計算による最初期のCクラスタの形成が主として解明されてきましたが、その後Cクラスタの大規模化とともに6員環からなるグラフェンに変化していく段階の現象は第一原理計算のスケールを大きく上回っており、未解明のままとなっていました。

本研究では新たにTersoffポテンシャルのボンドオーダー項をベクトル化した電荷移動型の原子間ポテンシャルを提案し、このプロセスの分子動力学シミュレーションを行いました。数千原子・数十ナノ秒の大規模な熱分解シミュレーションにより、Cクラスタが次第にフラットなグラフェンに変換されていく様子を再現することができました。また、SiC基板とのインタラクションが均一なグラフェン形成を促進することがわかりました。

参考文献

  • So Takamoto, Takahiro Yamasaki, Jun Nara, Takahisa Ohno, Chioko Kaneta, Asuka Hatano, and Satoshi Izumi, “Atomistic mechanism of graphene growth on a SiC substrate: Large-scale molecular dynamics simulations based on a new charge-transfer bond-order type potential”, Phys. Rev. B 97, 125411 (2018).

SiCデバイスの応力解析

ワイドギャップ半導体である炭化ケイ素(SiC)は、Si半導体以上の電気特性を有することから次世代パワーデバイスの材料として注目されています。半導体デバイスは,半導体基板に酸化膜や金属膜等の様々な膜を様々な条件で積層して作成されます。そのため,作成されたデバイスには複雑な応力分布が生じ,剥離やボイド,電気特性の変動などの信頼性を損なう現象を引き起こす原因となります。これらの現象の原因を検討、対策をするためには,半導体デバイスに生じる応力分布を適切に把握する手法が必要です。本研究では,特に開発が盛んな4H-SiCを用いたデバイスの応力分布を解析する手法を開発しています。

半導体に生じる応力は,ラマン分光法によりラマンシフトと呼ばれる光の振動数の変化を測定することで実験的に評価ができます。しかしながら,4H-SiCでは応力とラマンシフトの定量な関係(フォノン変形ポテンシャル)は未知でした。そこで,我々は第一原理計算により,この関係を決定しました。また,ラマンシフトは振動数の変化というスカラー量なので,ラマン分光法のみで6成分ある応力を決定することはできません。そこで,FEM解析を行ってデバイスの応力分布をまず求め,実験との比較によりFEM解析の妥当性を確認するという手法をとっています。この手法ではまず,製造プロセスを再現した多段階FEM解析を行い,デバイスの応力分布を求めます。次に,この解析で得られた応力分布を前述した応力とラマンシフトの関係を用いてラマンシフトの分布へと変換します。最後に,実際に測定したラマンシフトの分布と比較することにより,FEM解析で得られた応力分布の妥当性を確認します。本研究では,4H-SiCで作成されたpinダイオードに対しこの応力解析手法を適用し,応力分布を成分ごとに明らかできることを示しました。


4H-SiC を用いたpinダイオードの1/4解析モデル

(a) ラマン分光測定および (b) 応力解析結果からの変換で得られたラマンシフト変化量分布の比較(E2モード)

参考文献

  • H. Sakakima, S. Takamoto, Y. Murakami, A. Hatano, A. Goryu, K. Hirohata, and S. Izumi, “Development of a method to evaluate the stress distribution in 4H-SiC power devices”, Japanese Journal of Applied Physics 57, 106602 (2018)

心筋細胞の微細構造を考慮した電気生理・力学統合シミュレーション

生命維持をつかさどる心臓の機能は、心臓を構成する各心筋細胞の収縮により実現します。その心筋細胞は内部に規則正しい微細構造を持っています。心臓病などの病態細胞では生理的機能低下に加え、この構造が乱れることが知られていますが、病変との因果関係は推測の域を出ません。本研究では細胞内の3次元構造の影響を考慮し、電気生理・力学現象を統合したマルチフィジックス有限要素解析を実現しました。実験で得られる細胞の平均挙動とCa濃度分布の再現によりモデルの検証を行い[1]、T管の欠損による収縮動態の変化に関する検討[2]、ミトコンドリアとCa放出口の距離が代謝や収縮に及ぼす影響の検討[3]、ミトコンドリアの細胞内位置と虚血の関係に関する検討[4]等により細胞内の形態と心筋細胞の機能の関係について研究を行ってきました。分子生物学・ゲノミクスから得られた数多くの情報を有機的に結びつけ、医学・薬学への橋渡しとなるようなシミュレーションを目指しています。


心筋細胞内の構造の模式図(右)と有限要素モデル(左)

参考文献

  • [1] Hatano et al. A 3-D simulation model of cardiomyocyte integrating excitation-contraction coupling and metabolism. Biophysical Journal, 101(11):2601-2610, 2011
  • [2] Hatano et al. Critical role of cardiac t-tubule system for the maintenance of contractile function revealed by a 3D integrated model of cardiomyocytes. Journal of Biomechanics, 45(5):815-823, 2012
  • [3] Hatano et al. Mitochondrial Colocalization with Ca2+ Release Sites is Crucial to Cardiac Metabolism. Biophysical Journal, 104(2):496-504, 2013
  • [4] Hatano et al. Distinct Functional Roles of Cardiac Mitochondrial Subpopulations Revealed by a 3D Simulation Model. Biophysical Journal, 108(11):2732–2739, 2015

狭窄管内流れのFSI有限要素解析と造影剤動態解明

冠動脈の狭窄部の機能的重症度の有力な評価法として冠血流量予備量比(FFR, fractional flow reserve)が知られていますが、その測定にはカテーテルにより狭窄部の遠方まで圧測定用のガイドワイヤーを通過させる必要があり侵襲性が高いという問題があります。Transluminal contrast Attenuation Gradient(TAG)は冠動脈基部からの距離に対する造影剤の濃度勾配から機能評価を行う手法であり、侵襲性が低くかつ簡便な指標として期待されています。その指標の力学的根拠となる濃度勾配の形成メカニズム解明のためには、造影剤濃度の高い血液が噴流となり狭窄後の流体を交換する動態を考慮する必要があります。本研究では分岐狭窄柔軟ファントム拍動流実験とそれを模擬したALE流体構造連成解析を行い、更に狭窄率80%と95%において漸増する造影剤に見立てたパーティクルトレース解析を行いました。徐々に造影剤が充満する様子を可視化し、80%狭窄では軸対称な流れにより再現性のある密度分布を確認しました。一方で、95%狭窄では噴流の方向が変化することで密度分布が拍毎にばらつきが生じ、高狭窄率でのTAGの感度低下の原因となっている可能性を示しました。

動画は、流体構造連成解析結果とその流速場上での造影剤に見立てたパーティクルトレース解析結果です。流体は血液の粘性を仮定しており、入り口造影剤濃度を漸増させ、狭窄後部が徐々に造影剤で充満する様子を可視化しています。上から面積狭窄率80%、90%、95%の解析結果です。

参考文献

  • 波田野 明日可,住吉谷 淳,鈴木 一真,牛流 章弘,加納 明,加藤 光章,廣畑 賢治,泉 聡志.「分岐狭窄柔軟ファントム実験とALE流体構造連成解析による造影剤動態解明」日本機械学会論文集 Vol.84, No.863 (2018)
    WEB

有人ロケットの緊急脱出システムにおける人体安全性評価

有人宇宙輸送システムを実現させるためには、人体の安全性評価技術の獲得が必要不可欠です。そのためには緊急離脱時やカプセル着水時における衝撃に対する人体の傷害リスク評価が求められています。

宇宙分野においてはこれまで簡易的な質点解析により傷害リスク評価を行ってきました。それをより詳細なマルチボディ解析や有限要素法によって実現する手法を確立しました。これにより、座席の影響を考慮することや、人体にかかる負荷や傷害確率を部位ごとに知ることが可能となりました。有限要素法を用いた脳の詳細解析による傷害基準の策定や、カプセル着水条件と各部位の傷害の傾向を明らかにしました。本研究では最終的に加速度や座席条件に対する傷害との関係を明らかにすることで、ロケット設計に資するような安全裕度マップの作成を目指します。


有人宇宙カプセルのALE着水解析

Impact test to validate dummy's behavior at JARI
(Japan Automobile Research Institute)

参考文献

  • H27年度卒業論文:有人宇宙カプセルのALE着水解析と人体ダミーのマルチボディダイナミクスによる傷害評価
  • H27年度修士論文:有限要素法を用いた有人ロケット緊急離脱時における人体傷害評価及び傷害メカニズム解明

ロケット燃料タンクに用いられるアルミニウム合金の材料構成則の取得と構造解析による定量的評価技術の確立

宇宙ロケットの意図しない破壊や指令破壊における機体破片の飛散規模などの予測には、現状、実験や過去の現象からの経験的予測が用いられており、飛行経路計画や陸・海・空域封鎖が安全過剰となっていることが予想されます。そこで、定量的な安全基準策定の為に、破壊される瞬間における多種多様な力学的状態に対する機体の応答を調査・整理し、それらを考慮した数値解析技術を確立することが強く求められています。本研究では航空・宇宙機で多用される薄肉アルミニウム合金の変形と破壊に関して、極低温・高変形速度といった宇宙機運用条件を模擬した環境での実験を行い、取得したデータから数値解析上でのモデルを作成することで、構成則や破壊則についての定量化を行っていきます。

参考文献

  • H28年度修士論文:衝撃力を受けるき裂を有するアルミ合金平板の動的有限要素法解析
  • H29年度卒業論文:衝撃荷重を受けるアルミニウム合金の材料構成則の取得と構造解析