ANALYSIS・SIMULATION

解析・シミュレーション

「粒子法」「CCTアルゴリズム関数」
…etc であらゆる事象を数値化

ものづくりには、数値化の困難な事象が溢れている

流体、構造、熱の連動

  • 電子機器の製造現場で…

電子機器の冷却を最適化するには、外気の取り込みや内部構造、機器内外の発熱といった要素を、それぞれ有限要素法や有限体積法で計算して、偏微分方程式で結合するマルチフィジックスな表現でシミュレーションする必要があります。さらに、水冷の場合には、流体の流れを精度良く再現しなければ、正しい冷却パターンを導き出せないため、最適化する方法を発見することができません。

熱流体と蒸発

  • 印刷エレクトロニクス業界の印刷現場で…

印刷エレクトロニクス業界では、プラスチックフィルムにインクを塗布した際に、コーヒーステイン現象と呼ばれる印刷外縁部での密度増大が生じます。コーヒーステイン現象は、熱流体や蒸発を含む複雑な現象であるため、シミュレーションが困難です。

CCTなら、これまで数値化が困難とされていた
このような事象を数値化できます。

独自の解析・シミュレーションアプローチ

粒子法

粒子法とは、液体や気体といった流体を、数mmという極小の粒子の集まりとして捉え、それぞれの動きから事象をシミュレーションする手法です。有限差分法や有限要素法、有限体積法などとは異なるメッシュレスな解析手法であり、物体の大変形を伴う物理現象や、多数の物理現象をシミュレーションすることができます。

そのため、流体・熱連成や「動体+水」の挙動と飛沫範囲などを設計者自身がCAEを用いずにCAD上でシミュレーション可能です。計算量が多く、これまで実用化された事例の少ない手法ですが、CCTではいち早く実用化に成功しています。

粒子法01

CCTアルゴリズム関数

CCTアルゴリズム関数とは、離散的な幾何構造に対して微積分を定式化し、差分法を独立した体系として構築し、離散化した微分方程式を関数化したものです。コンピュータ上の数値計算方法について長年研究を続けてきたCCTが開発をした解析手法です。

CCTアルゴリズム関数を用いれば、指定したガウス曲率をもつ曲面やパウエルレンズの形状などを、難しい計算をしなくても設計者自身がCAEを用いずにCAD上でシミュレーションすることが可能です。

CCT法(アルゴリズム関数)01

「粒子法」「CCTアルゴリズム関数」
に関する解説資料を無料進呈

CCTの独自サービス「Temari」

製造業や研究機関で見られる問題点
物的問題

想定外の物理による不具合品の発生(欠け、歪曲等)

実験不可能なサイズの構造物の動的な挙動再現

工場内の環境不備(非効率的な空調設置、気流による製品の乾燥・冷却の過不足)

人的問題

物理的解釈のための専門家の不足

不備検証のための人員の不足

数値計算の解析・可視化経験者の不足

粒子法数値計算ソフト
Temari

Temari(SPH/MPS)の特徴

TemariとはSPH/MPSを扱う、専門性の高い研究員らによる解析計算・相談サービスです。Paraview等による可視化や数値的な実験により問題点を把握。今後はGUIの改善(最小限のパラメータ入力)や、現象に応じて必要な物理過程を導入してまいります。

SPH
(Smoothed Particle Hydrodynamics)

ポイント

・圧縮流体の扱い ・高い汎用性
・状態方程式を考慮した状態変化
・基礎科学分野における使用で裏打ちされた高い信用性

応用可能性

・超音速飛翔体の飛行(衝撃波)
・高速の衝突(圧縮・状態変化)
・エンジン内燃料混合(圧縮性混相流)
・医療・材料等(キャビテーション)

CCTのSPHはココがすごい

・気体、液体、固体の三相同時計算が可能
・圧縮の計算が得意
・接触不連続面を正しく解けるDISPH(Saitoh & Makino 2013)と切り替え可能
→不連続な変化を伴う流体の接触を正しく解ける
・状態方程式の選択で、より現実的な状態変化の再現が可能
・オイラー方程式で省かれる熱伝導と粘性の計算を別途実行
・新規手法で計算を高速化(e.g., Takeyama et al. 2017)

最近の改善

・気液固の状態変化を表現
・圧縮流体を再現
・混相流を再現

今後の改良予定

・物質強度(cohesion, friction)の導入による固体の再現
・→破砕の再現
・高等な状態方程式を用いた高精度状態変化
・GPUによる高速化


SPHによるシミュレーションのユースケース01
MPS
(Moving Particle Semi-implicit)

ポイント

・高精度計算
・高速度計算(手元のGPUで計算可能)
・他手法(メッシュ法)との連携実績

応用可能性

・空力解析(非圧縮)
・固体の冷却(熱伝導)
・室内熱環境(自然対流)
・二流体の混合(混合流体)

CCTのMPSはココがすごい

・粒子追尾機能搭載
→問題となる気体の位置時間変化を再現可能
・粒子タグ付け機能により、多種物質の混合・攪拌も可視化可能
・高精度計算オプション実装による正確な計算が可能
・STLモデルを粒子に置き換えず計算可能
→複雑形状に対する応力・温度計算を実現
・GPUによる高速化

最近の改善

・計算速度が五倍に加速
・STL壁面ー粒子間の相互作用の精度向上

今後の改良予定

・疑似的な状態変化(溶解・気化)の導入
・粘弾性体モデル導入

MPSによるシミュレーションのユースケース01
MPSによるシミュレーションのユースケース01

独自手法により
解析・シミュレーションが可能となる事象

熱と構造の連動

有限要素法と、メッシュレスな解析手法である粒子法を組み合わせたハイブリット手法によって解析。そのため、広範囲にわたる熱と構造の連動についても精緻にシミュレーション可能です。

流体、構造、熱の連動

粒子法と独自ノウハウを活用し、液体の表面形状変化のみではなく、構造からの熱輸送による対流を表現する事や多数の物理現象(マルチフィジックス)を同時に解くことができます。そのため、流体、構造、熱の連動についても、より現実に近いモデルを構築することが可能です。

熱流体と蒸発

最新の粒子法であるDISPHを採用すれば、液滴から大気への蒸発もシミュレーションできます。そのため、熱流体と蒸発の精緻なシミュレーションも可能です。

例えばこんなユースケースがあります

粒子法によるシミュレーションのユースケース

課題

ガソリンタンクの設計では、自動車走行時にタンク内のガソリンのスプラッシュ現象が発生しない、あるいは、発生してもガソリンタンクの破裂を防止できるような設計が必要です。

解決

粒子法によって、空気とガソリンの気液混合の状態をシミュレーションすることが可能になります。その結果、ガソリンタンク内の物理現象を再現させることで、より精緻な強度設計を実現できます。

粒子法によるシミュレーションのユースケース01
CCTアルゴリズム関数によるシミュレーションのユースケース

課題

ある制約条件のもとで、空気抵抗が最も小さくなるような車体を設計する場合、「車体デザイン→空気抵抗計算→CAEシミュレーション」を何度も実施する必要があります。そして、CAEによる流体力学シミュレーションは、専門家でなければ困難であるため設計効率が低下しがちです。

解決

独自手法であるCCTアルゴリズム関数を用いた流体解析によって、大規模なCAEシミュレーションが不要となり、設計者自身によるシミュレーションを実現できます。

CCTアルゴリズム関数によるシミュレーションのユースケース01
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