著者
松永 拓也 柴田 和也 室谷 浩平 越塚 誠一
出版者
日本計算工学会
雑誌
日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)
巻号頁・発行日
vol.2016, pp.20160012-20160012, 2016-05-11 (Released:2016-05-11)
参考文献数
20

本研究では, 粒子法を用いた非圧縮性流れの数値シミュレーションにおける圧力ポアソン方程式の解法として適するAMG法を用いた線形ソルバーについて検討を行った. 粒子法では, 格子法の場合と比較して, 係数行列が多くの非ゼロ要素をもち, なおかつ, 時間の進行と共に大きく変化することが特徴として挙げられるが, これに即する手法としてPA-AMG法ならびにK-cycleマルチグリッド法をBiCGSTAB法に対する前処理として適用することを考え, 数値実験に基づく性能検証を実施した. 基礎検証として2次元ポアソン方程式にMPS粒子間相互作用モデルを用いて離散化した線形方程式を対象に解析を行った. なお, 擬似乱数を用いることにより粒子分布のばらつきを模擬した. 検証の結果, 対象とする問題サイズに依らずおよそ一定のcoarsening ratio (3.9から4.0) を有する安定なコースグリッド生成が実現された. また, 求解にかかる計算時間について前処理なしBiCGSTAB法と比較したところ, 問題サイズnに対して, 前処理なしの場合ではnの1.5乗に, PA-AMG前処理付きの場合ではnの1乗に比例する傾向を示した. また, n > 10^4では前処理なしBiCGSTAB法より高速であり, n > 10^6では10倍以上の速度が得られた. 実問題に対する有用性を検証するため, MPS法を用いた2次元ダムブレイク問題の非圧縮流れの解析を行った. MPS法の計算において現れる圧力ポアソン方程式の解法として前処理なしBiCGSTAB法とPA-AMG前処理付きBiCGSTAB法を適用し, シミュレーションに要する全体の計算時間の比較を行った. その結果, 検証を行った粒子数範囲 (7000~130万) では総じてPA-AMG前処理付きBiCGSTAB法を用いた場合の方が高速であり, 最大で約16倍の高速化が得られた. 更に, 全体の計算時間に対する圧力ポアソン方程式解法が占める割合は粒子数が大きな問題に対してもおよそ一定に保たれる結果となった. 以上の結果より, PA-AMG法を前処理としたBiCGSTAB法は, 流体シミュレーションにおいて, 粒子分布の不均一化や複雑な境界形状変化に対する堅牢性を有し, 安定して高い計算速度を実現できることから, 粒子法の圧力ポアソン方程式に適する一解法であると結論付けることができた.
著者
佐藤 佳代 吉川 暢宏 楊 元稙 中埜 良昭
出版者
日本計算工学会
雑誌
日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)
巻号頁・発行日
vol.1999, pp.19990025-19990025, 1999 (Released:2004-11-11)
参考文献数
10

A new learning algorithm named whole learning algorithm is proposed for the feedforward neural network. Strictly speaking, the learning of the feedforward neural network is a kind of multi-objective optimization problem to minimize the errors of outputs for all the learning data sets with respect to the amount of weight modification. All the learning data sets are simultaneously taken into account to constitute the governing equation of the weight modification, which is formulated as linear simultaneous equations with rectangular matrix of coefficients in the proposed algorithm. The solution of the equation is determined by means of the Moore-Penrose generalized inverse to deal with the rectangular matrix. The efficiency of the proposed algorithm is demonstrated through the problem to learn the nolinear behavior described by the Ramberg-Osgood model. The applicability of the proposed algorithm is investigated in problem to learn the earthquake response of RC members.
著者
広瀬 孝三郎 江戸 孝昭 玉那覇 圭一 松原 仁 原 久夫
出版者
日本計算工学会
雑誌
日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)
巻号頁・発行日
vol.2016, pp.20160007-20160007, 2016

The fracture morphologies of mud pastes show significantly complicated patterns in nature. The mud pastes have initially fluid-like properties, but gradually change from "fluid" to porous "solid" in their drying process. However, although it has been considered that this phenomena may be induced by the differences between shrinkage ratios of soil skeletons, the mechanical details remain unknown. In this work, we attempt to develop a novel numerical model based on three dimensional finite element method for crack propagation phenomena in bentonite pastes. In order to validate the proposed method, Hausdorff's fractal dimension of the numerical cracking patterns was compared with those of the experiments. As a result, the numerical results showed reasonable cracking patterns, and the fractal dimension of the patterns by numerical simulation was almost consistent with the experimental results.
著者
古口 睦士 矢地 謙太郎 山田 崇恭 泉井 一浩 西脇 眞二
出版者
日本計算工学会
雑誌
日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)
巻号頁・発行日
vol.2015, pp.20150002-20150002, 2015-01-30 (Released:2015-01-30)
参考文献数
24

構造最適化は, 数値解析による性能評価と数学的な最適化手法により, 最大限の性能を有する構造を求める手法で, 寸法最適化, 形状最適化, トポロジー最適化に大別される. このうちトポロジー最適化は, 構造の形状だけなく形態の変更も可能な最も自由度の高い手法で, 大幅な性能向上が期待できる. 構造最適化は, 当初構造問題への適用に限られていたが, 近年では様々な物理問題に適用されてきている. 流体問題への適用は, 電磁波問題などと比較するとやや古く, ストークス流を対象に流体に作用する抗力の最小化を目的とし, その形状感度を導出することにより最適形状を得る手法や, 変動拘束された境界を含む領域において粘性流体を対象とした散逸エネルギー最小化の構造最適化の手法が提案されている. しかしながら, これらの手法は, 対象とする設計領域における物体と流体の境界を変動させることにより最適構造を得る, いわゆる形状最適化の手法であるため大幅な性能向上が期待できないうえ, 最適構造が初期構造に強く依存する欠点を持つ. これに対して, 流体問題へのトポロジー最適化の展開も報告されている. その報告の例としては, 設計領域全体を多孔質体と仮定し, 物体領域と流体領域の境界で流速が零になるように仮想的な外力を与えることで物体と流体を区別し, 散逸エネルギーを最小化する最適構造を得る手法が挙げられる. トポロジー最適化の基本的な考え方は, 固定設計領域を導入し, 物体の有無を示す特性関数により構造最適化の問題を材料分布問題に置き換えることである. このため, 構造の形状だけでなく形態の変化も可能となるが, 特性関数が設計領域内のいたるところで無限小の範囲で不連続になる可能性を持つ不適切な問題(ill-posed problem)となる. この問題を解決するためには, 大域的な意味において不連続な関数を連続な関数に置き換える設計変数の緩和を行う. この緩和方法には, 均質化法や密度法などが提案されているが, どちらの手法においても, 最適構造の境界が明確にならない, いわゆるグレースケールを許容する欠点を持つ. 他方, 新たな構造最適化の手法として, レベルセット法に基づく形状最適化が提案されている. この手法では, レベルセット関数と呼ばれるスカラー関数を用いて, 設計領域中の物体の有無をその符号で示し, 零等位面を境界として表現するため, グレースケールを含まない明瞭な境界を有した最適構造が得られる利点がある. しかしながら, この方法は基本的には形状最適化の考え方に基づいており, 新たに境界が生成されるような構造の形態の変化を許容しない. この問題を本質的に解決する手法として, レベルセット法による境界表現を行いながら, トポロジー導関数の考え方に基づき設計変数を更新することにより, 形態変更を可能とした新しいトポロジー最適化の手法が提案されている. そこで本研究ではこの形態変更を可能とした新しい最適化の手法に基づき, ナビエ・ストークス方程式を支配方程式とする内部流れにおいて, エネルギー損失の最小化を目的としたトポロジー最適化の手法を構築する. トポロジー最適化は, 状態場および感度解析のための随伴場の計算に, 何らかの数値解析法を必要とする. その代表的な数値解析法として有限体積法が挙げられる. 有限体積法は, 離散化した各要素内において保存則を満たすように定式化した数値解析手法で, 状態方程式に存在する対流項や拡散項をガウスの積分定理により領域積分から境界積分に変換でき, 数値積分においても中点公式を用いる. また, 非構造格子を扱える汎用性の高さという利点もあり, 流れ場の数値解析法として広く利用されている. そこで本研究では, 状態場と感度解析には有限体積法を用いた新しい方法を開発することにより, 明確な形状表現を可能にしながら大規模問題への展開可能な方法論を構築する. 随伴方程式は連続系に基づき導出し, 有限体積法により離散化して数値安定性に優れている半陰解法のSIMPLE法(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation) を用いて解析している. また, 最適化の過程におけるレベルセット関数を更新には, 時間発展方程式の数値解析法として有限体積法を適用した方法を構築する. これにより, 時間発展方程式の離散化の過程で弱形式による複雑な展開は必要としないうえ, 時間項については数値安定性のよいオイラー陰解法を適用することにより, 時間発展方程式の計算効率は状態場および随伴場と同様に向上させることができる.
著者
澤田 有弘 長濱 俊 佐々木 信也 手塚 明
出版者
日本計算工学会
雑誌
日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)
巻号頁・発行日
vol.2011, pp.20110003-20110003, 2011-03-18 (Released:2011-03-18)
参考文献数
48

本稿では,CAE(Computer-aided engineering)やSBD(Simulation-based design)に適した計算手法の開発という視点から,CAEに従事する人々がより自由に使え,詳細解析志向よりも,設計改善インスピレーションや設計の大まかな方向性・指針を得ることに注力したCAEソフトウェアの基盤技術に関する研究を報告する.そして,その構成要素の一つとして,X-FEMに基づく流体解析手法と流体構造連成解析手法の形状モデリングにおける幾何学的利点を活用した設計応用型の流体解析フレームワークを提案する. 本解析フレームワークは現段階では未完成の部分を多く含むが,物体の三次元形状測定やCADとの連結を図った解析例を示し,将来展望を含めた複数の活用例を示す.
著者
金崎 雅博 奈良 拓矢 四谷 智義
出版者
日本計算工学会
雑誌
計算工学講演会論文集 (ISSN:1342145X)
巻号頁・発行日
no.15, 2010-05

In this paper, airfoil geometry representation is proposed for the efficient design optimization and the knowledge discovery. Here, PARSEC airfoil representation is improved with several modifications. To investigate the possibility to solve the unknown real-world design problem, two type airfoil geometries is considered using genetic algorithms. One is a conventional transonic airfoil in the Earth atmosphere, the other is a airfoil which can be used in Martian atmosphere To evaluate the aerodynamic performance, the structured Navier-Stokes solver with Baldwin-Lomax turbulent model is used. According to this result, the proposed airfoil representation method can generate the airfoil geometry which achieves high aerodynamic performance as same as NURBS representation. These results suggest that the proposed method can useful for the design exploration methods which include data mining, because the airfoil geometry can be defined with the design variables which show aerodynamic performance directly.
著者
奥村 大 春日井 彰志
出版者
日本計算工学会
雑誌
日本計算工学会論文集
巻号頁・発行日
vol.2016, pp.20160020-20160020, 2016

本研究では, ポーラスゲル膜に生じる膨潤誘起パターン変態の有限要素解析を行う. 高分子ゲルのための不均質場理論は市販の有限要素解析ソフトのユーザー材料サブルーチンに実装されて用いられる. 膨潤過程は外部溶媒の化学ポテンシャルを増加させることによって再現される. 座屈点と座屈モードを調べるために, 座屈固有値解析を行うが, この解析では化学ポテンシャルを用いることができないため, 代替的な増分負荷パターンを用いることを考える. この方法は, 正方配列に円孔を有するゲル膜のパターン変態を解析することによって検証される. 解析では, 基準状態での化学ポテンシャルの値に関わらず, ダイアモンドプレートパターンがうまく予想されることがわかる. 一方, 基準状態が座屈点から離れるにしたがって, 座屈応力は過小評価され, とりわけ本研究では, 最大40%, 過小評価されることがわかる. さらに, 大きな周期単位の解析によって, ダイアモンドプレートパターンが最も支配的な座屈モードであることもわかる.
著者
中居 寛明 宮本 九里矢 三澤 慧 今井 康仁 粟飯原 周二
出版者
日本計算工学会
雑誌
日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)
巻号頁・発行日
vol.2016, pp.20160003-20160003, 2016

パイプラインにおける高速延性き裂伝播は大規模な破壊事故に繋がるために, その防止設計は非常に重要である. パイプラインにおける高速延性き裂の駆動力は, 内部ガス圧であるが, 軸方向のき裂伝播に伴いパイプが変形しながら開口するために, その開口からガスが漏出することで内部ガス圧の減圧がパイプ内で進行する. つまり, き裂伝播とその駆動力である内部ガス圧の減圧進行が同時に起きており, 減圧の進行速度がき裂伝播速度に対して速い場合は, き裂先端で内部ガス圧が低下し駆動力を失いき裂が停止し, 逆に, き裂伝播速度が減圧進行速度に対して速い場合は, き裂先端で内部ガス圧が保持され続けるために駆動力が提供され続けてき裂は停止することなく伝播し続ける. また, ガスの漏出量はパイプ開口の大小, つまりパイプ変形の度合いによって変化し, 結果的に内部ガス圧の減圧に影響を及ぼす. このように, パイプラインにおける高速延性き裂伝播は, 内部ガス圧の減圧, パイプ変形及びき裂伝播が互いに影響しあう複雑な現象であり, 流体構造破壊連成現象であると言える. <br>パイプラインにおける高速延性き裂の既存の評価手法として広く採用されているものがバテル2曲線法である. この手法では, き裂伝播抵抗曲線(き裂先端位置の圧力とき裂伝播速度の関係)と減圧曲線(圧力と減圧の進行速度の関係)の比較によって高速延性き裂伝播発生の有無を判定する. バテル2曲線法は, その簡便さによって広く用いられるに至ったが, パイプの変形及び各現象間の相互影響は考慮されてない. さらに, き裂伝播抵抗曲線は実験的に定式化されており, 実験式を得るためには非常に高額な実大パイプラインバースト試験を複数回実施する必要があり, 実験式の適用性を広げるのは経済的に困難となる場合が想定される. また, 有限要素法に基いた詳細な三次元の解析手法も提案されてきたが, それらはパイプラインの設計ツールとしては用いられていないのが現状である. その理由としては下記の二点が挙げられる. まず, 非常に複雑な流体構造破壊連成現象を精度よく記述することが困難であることが挙げられる. 特に, き裂伝播条件については未だ不明な点が多く残っているため, 連成現象を考慮し, かつ, ガスの減圧及びパイプの変形を精緻に記述できているものの, き裂伝播条件の記述における精度不足が全体の精度のボトルネックとなっている. 次に, 三次元有限要素解析の特質上, , 計算に莫大な時間を要するために, 複数回の計算を要する高速延性破壊防止設計に不向きであることが挙げられる. <br>以上の背景より本研究では, 連成現象を考慮しつつ可能な限り簡潔な流体構造破壊連成一次元モデルを構築した. 本モデルの特徴を次に示す. <br>(1) き裂開口からのガス漏出を考慮してパイプ内のガス減圧を定式化し, 一次元のガス減圧モデルを構築した. <br>(2) パイプ断面の変形形状を小径アルミバーストテストの計測結果より一つの変数で定式化し, それに基づいて一次元のパイプ変形モデルを構築した. また, パイプが地中にある場合の変形抑制効果を付加質量を用いて定式化した. <br>(3) き裂が微小伝播する際に定常伝播すると仮定し, き裂の伝播条件を動的エネルギー平衡条件より定式化した. <br>(4) 一次元で定式化されたガス減圧モデル及びパイプ変形モデルは有限差分法に基いており, き裂伝播条件と合わせて時間ステップを刻みながら順に解くことで各現象間の連成現象が考慮された解を得ることができる. <br>(5) 内部ガスとして天然ガスや炭酸ガス等の混合気体及び単相気体を幅広く扱うことが可能であることに加えて, いかなる鋼管の機械特性及び形状も扱える適用範囲の広い数値モデルである. また, 本モデルは, フルスケールバーストテストの解析時間が2~3時間と非常に短いために, 多くの計算数を要するパイプラインデザインのための数値ツールとして使用されることが今後期待される. <br>本報では, 本モデルの詳細な定式化及び計算例を記述している. 次報において, 本モデルの妥当性検証及びパイプラインにおける高速延性き裂伝播の影響因子解析を実施する.
著者
松永 拓也 柴田 和也 室谷 浩平 越塚 誠一
出版者
日本計算工学会
雑誌
日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)
巻号頁・発行日
vol.2016, pp.20160002-20160002, 2016-01-29 (Released:2016-01-29)
参考文献数
23

本研究では, MPS法による2次元流体シミュレーションのためのミラー粒子境界表現の開発および検証を行った. 本提案手法は, 固体壁境界を取り扱うための手法である. 境界形状は線分の集合として表される. 従って, ポリゴンモデルを用いる固体壁境界表現同様に境界要素自身は厚みをもたない. 従来のミラー粒子境界表現と比較して, ミラー粒子のミラー粒子を考慮すること, 視線判定を導入することが主な特徴として挙げられる. 本手法におけるミラー粒子は, 従来手法同様に, 境界を軸とした流体粒子の鏡映を作成するという考え方に基づいている. 複数の接続された線分で表される境界形状を線要素と点要素に分割し, 点要素に関しては凹形状と凸形状を区別する. また, 視線の概念を導入し, 境界要素, 流体粒子, ミラー粒子の間の視線が通る条件を定義した. 境界要素から流体粒子への視線が通るとき, ミラー粒子を生成する. 更に, 生成したミラー粒子への視線が通る線要素がある場合, そのミラー粒子に対する新たなミラー粒子を生成する. 以上のミラー粒子生成アルゴリズムを適用することで, 境界近傍の外部領域に抜け目なくミラー粒子を配置することができるが, ミラー粒子が過剰に存在する領域が発生してしまう. そこで, 近傍粒子計算に視線判定を導入する. 具体的には, 影響半径未満の距離に存在し, かつ, 着目流体粒子からの視線が通る流体粒子およびミラー粒子のみを近傍粒子として採用する. 視線判定は近傍流体粒子を吟味するためにも利用されており, 境界を跨ぐ流体粒子間の接続を切断できるため, 影響半径未満の厚みをもつ固体相を含む問題の計算が可能となる. 基礎検証として3つの問題の計算を行った. 単純形状における静水圧問題を本ミラー粒子境界表現を用いたMPS法によって計算し, 壁粒子を用いた固体壁境界表現に用いた場合と比較を行った. 定常状態における圧力分布を比較したところ, およそ定量的な一致が見られ, 単純形状における固体壁境界条件が妥当に評価されていることを確認した. 続いて, 凹形状を有する固体壁面に対する水柱衝突の計算を実施した. 粒子の境界貫通が起こりやすい問題であったが, そのような現象は確認されず安定に計算が実行できた. 定常状態における静水圧分布を計算したところ, 鋭角な凹面内部には少数の流体粒子しか存在しないにもかかわらず, 圧力分布を妥当に評価することができたことから, ミラー粒子のミラー粒子を使用することの有効性が示された. 更に, バッフル付き円筒回転体内の流れの計算を行った. 円筒形状は離散的な線分によって表現を行ったが,線分の接続部の影響による目立った不自然な数値挙動は見られず, 安定に計算を実施することができた. このことから, 本研究にて採用している視野の定義および視線判定に基づく近傍粒子選択が妥当であることが確認できた.
著者
津金澤 洋平 小林 薫 弓削 康平
出版者
日本計算工学会
雑誌
日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)
巻号頁・発行日
vol.2007, pp.20070010-20070010, 2007 (Released:2007-03-26)
参考文献数
15

位相最適設計ツールは,非常に多くの設計変数を扱うためこれまでは適用対象は専ら線形弾性問題に限られてきた.しかし,近年の計算機の性能向上は目覚ましく,今後は非線形問題への適用が期待される.著者らはCAEによるコスト削減効果が高いと言われる自動車衝突安全設計に着目し,これに役立つ位相最適設計ツールの開発を念頭に,グランドストラクチャ法による3次元骨組み構造の衝突最適設計のアルゴリズムを提案した.本研究ではこの方向の研究の一環として,自動車車体設計で重要な位置を占めている薄肉鋼構造の衝突変形時の位相最適設計アルゴリズムを提案する.この最適化アルゴリズムでは最適化を行なう際に繰り返し実施する衝突解析には,自動車の衝突解析で一般的に使われている陽的時間積分法を採用し,要素として陽的時間積分法と組み合わせると非常に計算速度が速いことで知られるBelytschkoとTsayの1点積分シェル要素を使用する.位相最適化には設計変数に局所的な密度を採用する密度法を用いる.密度法ではヤング率や降伏応力を密度のべき乗の関数と仮定し,弾塑性変形には,塑性流れ則を適用する.広く知られている均質化法を用いた位相最適化に比べ複合材のマルチスケール解析を必要としないために材料非線形を伴う最適化において計算コストの負担が軽いという長所があるが,一方でこの方法はチェッカーボード模様が設計領域内に現れやすいという実際の設計に適用する際の問題がある.この問題の対策として各種のフィルターによる除去のほか,節点に密度を配置して要素内の密度は形状関数による内挿によって決定する方法などが提案されている.本研究では後者の方法を採用し,1点積分シェル要素に対する有効性を数値例によって検討する.また本研究では構造物のエネルギー吸収量をパラメータとする目的関数を設定し,設計変数に対する感度は節点変位の履歴より差分近似によって計算する.数値例として,エネルギー吸収量最大化設計計算を示し,目的関数の収束状況,得られたトポロジーデザインの明確さなどからアルゴリズムの実用性に関する基礎的な検討を実施した.その結果,1)1点積分シェル要素に対して節点に密度を配置する法が特に面内変形によるチェッカーボードパターンの抑制に有効であること,2)一定密度以下の要素の削除アルゴリズムを節点密度法と組み合わせて使用するとより明確な位相形状が得られること,3)複数の荷重ケースに対する衝突最適化に対しても明確な位相形状が得られること,4)周期構造を有する耐衝突部材の位相最適設計にも有効なことなどを確認した.
著者
田中 正幸 酒井 幹夫 越塚 誠一
出版者
日本計算工学会
雑誌
日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)
巻号頁・発行日
vol.2007, pp.20070007-20070007, 2007 (Released:2007-03-13)
参考文献数
20

Many methods to simulate rigid body motion and collision have been developed in the computer graphics field recently. In most methods, polygons are used to represent a rigid body configuration. In this paper a novel particle based method is presented and some examples are calculated. A simple algorithm for collision detection is proposed using particles and Distinct Element Method (DEM) is used for collision response. In the case that a configuration of a rigid body is complicated, the quantity of data is reduced and the calculation is fast. It is also easy to couple with fluid motion using Moving Particle Semi-implicit (MPS) method.