JP7248487B2 - FEM analysis method, system and program for structures - Google Patents
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Description
本発明は、構造物のFEM解析方法、システム及びプログラムに関する。 The present invention relates to an FEM analysis method, system and program for a structure.
構造物の動解析には有限要素法(FEM;Finite Element Method)が用いられる。FEMに用いるFEMモデルデータは、解析対象となる構造物が複数の要素に分割されて表現され、複数の節点を結んだ閉領域を一つの要素として表現されている。FEMでは、節点毎に、構造物の物性値(ヤング率、ポアソン比、質量など)及び作用する力を用いた運動方程式を解くことにより、構造物の変形などを計算する。FEMを説明する文献として非特許文献1がある。
A finite element method (FEM) is used for dynamic analysis of structures. In FEM model data used for FEM, a structure to be analyzed is expressed by dividing it into a plurality of elements, and a closed region connecting a plurality of nodes is expressed as one element. In FEM, the deformation of a structure is calculated by solving an equation of motion using the physical property values (Young's modulus, Poisson's ratio, mass, etc.) of the structure and the acting force for each node. Non-Patent
なお、構造物シミュレーションではないが、分子シミュレーションを実行するための分子動力学ソルバ(ソフトウェア)は、多粒子系の運動方程式を高効率で解くための並列計算機能を有し、LAMMPSやgromacs等の無償利用可能なソフトウェアが知られている。分子動力学に関する文献として非特許文献2がある。
Although it is not a structure simulation, the molecular dynamics solver (software) for executing molecular simulation has a parallel computing function for solving the equation of motion of a multi-particle system with high efficiency, and LAMMPS, gromacs, etc. Freely available software is known.
FEM解析において解析精度を向上させるためには、要素のサイズを小さくしたモデルを用いればよいが、要素サイズを小さくすれば、要素数が増大し、計算時間が急速に増加してしまう。FEM解析ソフトウェアの大半は、全ての要素を一体に取り扱う行列計算を行っているせいか、並列計算機能がないことが多く、並列計算機能を有するFEM解析ソフトウェアはライセンスコストが高価で実用的ではない。 In order to improve analysis accuracy in FEM analysis, a model with smaller element sizes may be used. Since most FEM analysis software performs matrix calculations that treat all elements as one, there are many cases where there is no parallel calculation function. .
本発明の目的は、リーズナブルに並列計算を実行可能な構造物のFEM解析方法、システム及びプログラムを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an FEM analysis method, system and program for a structure capable of performing parallel calculations at a reasonable cost.
本発明の構造物のFEM解析方法は、
1又は複数のプロセッサが実行する方法であって、
(a)構造物を複数の要素で表現したFEMモデルデータであって、各要素を区画する複数の節点および物性値が設定されたFEMモデルデータを取得すること、
(b)前記FEMモデルデータに基づき、前記構造物の質量を各節点に配分して表す集中質量行列と、各節点の初期位置及び初期速度と、を取得すること、
(c)前記各節点の初期位置及び前記物性値に基づき要素剛性行列を要素毎に算出すること、
(d)各節点の初期位置に対する時点(t)の位置の変位を表す変位行列を要素毎に算出すること、
(e)前記要素剛性行列と前記変位行列とに基づき、各節点に作用する力を要素毎に算出すること、
(f)時点(t)における前記各節点の位置と速度と前記各節点に作用する力と前記集中質量行列とに基づき分子動力学ソルバに次の時点(t+単位時間)における各節点の位置及び速度を算出させること、
を含み、
初期時点から目標の時点に到達するまで、前記(d)(e)及び(f)の処理を、前記時点(t)を単位時間経過させつつ繰り返し実行する。
The FEM analysis method of the structure of the present invention comprises:
A method, performed by one or more processors, comprising:
(a) Acquiring FEM model data representing a structure with a plurality of elements, wherein the FEM model data is set with a plurality of nodes and physical property values that partition each element;
(b) obtaining a lumped mass matrix expressing the mass of the structure distributed to each node and the initial position and initial velocity of each node based on the FEM model data;
(c) calculating an element stiffness matrix for each element based on the initial position of each node and the physical property value;
(d) calculating, element by element, a displacement matrix representing the displacement of the position at time (t) with respect to the initial position of each node;
(e) calculating, for each element, a force acting on each node based on the element stiffness matrix and the displacement matrix;
(f) based on the position and velocity of each node at time (t), the force acting on each node, and the lumped mass matrix, the position and position of each node at the next time (t+unit time) and calculating the velocity;
including
The processes (d), (e) and (f) are repeatedly executed with the time (t) passing by a unit time until the target time is reached from the initial time.
このように、FEMモデルにおける節点を1粒子として取り扱い、FEMモデルに基づく要素剛性行列と初期位置に対する位置変位とに基づき節点に作用する力を算出するので、分子動力学ソルバを用いて時点(t)における力と節点位置から次の時点(t+単位時間)の各節点の位置が算出でき、FEMの計算を、分子動力学ソルバを用いて実行可能となる。それでいて、分子動力学ソルバは無償利用可能なソフトを含めて並列計算機能を有するので、構造物のFEM解析をリーズナブルに並列計算で実現可能となる。 In this way, the node in the FEM model is treated as one particle, and the force acting on the node is calculated based on the element stiffness matrix based on the FEM model and the positional displacement with respect to the initial position. ), the position of each node at the next time (t+unit time) can be calculated from the force and the position of the node, and FEM calculation can be executed using a molecular dynamics solver. In addition, molecular dynamics solvers, including software that can be used free of charge, have parallel computing functions, so FEM analysis of structures can be realized by parallel computing at a reasonable cost.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[構造物のFEM解析システム]
本実施形態のシステム1は、構造物を有限要素法で解析するシステムである。
[FEM analysis system for structures]
A
図1に示すように、システム1は、FEMモデル取得部10と、集中質量行列取得部11と、初期位置速度取得部12と、要素剛性行列算出部13と、変位行列算出部14と、力算出部15と、分子動力学ソルバ16と、を有する。これら各部10~15は、プロセッサ、メモリ、各種インターフェイス等を備えたコンピュータにおいて予め記憶されている図2に示す処理ルーチンをプロセッサが実行することによりソフトウェア及びハードウェアが協働して実現される。本実施形態では、1つの装置におけるプロセッサが各部の処理を実行しているが、これに限定されない。例えば、ネットワークを用いて分散させ、複数のプロセッサが各部の処理を実行するように構成してもよい。すなわち、1又は複数のプロセッサが処理を実行する。
As shown in FIG. 1, the
一般的にFEM解析は、FEMソルバ(ソフトウェア)を用い、FEMソルバに対してFEMモデルデータ、FEMモデルに与える荷重、境界条件などの各種データを渡し、FEMソルバを動作させる。FEMは構造物を複数の要素に分割して解析するが、要素を構成する複数の節点を有し、節点間に分子動力学でいう相互作用(力、ポテンシャル)が作用する形で節点に作用する力を演算している、と発明者は認識した。すなわち、力の算出をFEM的に実装すれば、分子動力学ソルバが利用可能であると考えた。 Generally, FEM analysis uses an FEM solver (software), transfers various data such as FEM model data, loads applied to the FEM model, and boundary conditions to the FEM solver to operate the FEM solver. FEM analyzes a structure by dividing it into multiple elements, which have multiple nodes that make up the elements. The inventor recognized that it is calculating the force to act. In other words, we thought that a molecular dynamics solver could be used by implementing FEM-like force calculation.
そこで、本実施形態のFEM解析法ではFEMソルバを用いずに、代わりに、FEMモデルの要素を構成する1つの節点を1つの粒子として取り扱い、複数の粒子で構成される材料の分子シミュレーションを実行する分子動力学ソルバを用いている。分子動力学ソルバには、無償利用可能なソフトウェアとして、LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)やgromacs等があり、本実施形態ではLAMMPSを用いている。分子動力学ソルバに渡すデータは、材料を構成する複数の粒子の初期位置及び初期速度、各粒子に作用する相互作用(力、ポテンシャル)がある。相互作用は粒子間距離に応じて定まる。分子動力学ソルバは、ポテンシャル算出部と、粒子位置更新部とを有する。一般的な分子動力学ソルバの動作の流れの概要として、ポテンシャル算出部が、時点(t)における各粒子の位置及び速度に基づき時点(t)における各粒子に作用する力(ポテンシャル)を粒子間距離に応じて算出する。次に、粒子位置更新部が、時点(t)における各粒子の位置及び速度、各粒子に作用する力(ポテンシャル)に基づき、次の時点(t+1)における各粒子の位置及び速度を算出する。このように、粒子に作用する力(ポテンシャル)の算出と、時点(t)における各粒子の位置及び速度、各粒子に作用する力に基づく次の時点(t+1)における各粒子の位置及び速度の更新と、が繰り返し実行される。この繰り返し処理は、目標となる時点まで実行される。本実施形態において、分子動力学ソルバ16のポテンシャル算出部が、FEM解析ではそのまま利用できないため、代わりに力算出部15を設けている。分子動力学ソルバ16の粒子位置更新部はそのまま利用している。
以下、具体的に説明する。
Therefore, in the FEM analysis method of this embodiment, instead of using the FEM solver, one node constituting the element of the FEM model is treated as one particle, and a molecular simulation of a material composed of a plurality of particles is performed. It uses a molecular dynamics solver that Molecular dynamics solvers include LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator), gromacs, etc. as free software, and LAMMPS is used in this embodiment. Data to be passed to the molecular dynamics solver include initial positions and initial velocities of a plurality of particles that make up the material, and interactions (forces and potentials) acting on each particle. The interaction is determined according to the interparticle distance. The molecular dynamics solver has a potential calculator and a particle position updater. As an overview of the operation flow of a general molecular dynamics solver, the potential calculation unit calculates the force (potential) acting on each particle at time (t) based on the position and velocity of each particle at time (t). Calculated according to distance. Next, the particle position update unit calculates the position and velocity of each particle at the next time (t+1) based on the position and velocity of each particle at time (t) and the force (potential) acting on each particle. In this way, the calculation of the force (potential) acting on the particles, the position and velocity of each particle at time (t), and the position and velocity of each particle at the next time (t+1) based on the force acting on each particle Update and are executed repeatedly. This iterative process is performed until the target point in time. In this embodiment, since the potential calculation unit of the
A specific description will be given below.
図1に示すFEMモデル取得部10は、構造物を複数の要素で表現したFEMモデルデータD1を取得する。FEMモデルデータD1は、各要素を区画する複数の節点により構造物の立体形状を示し、要素に物性値(ヤング率E、ポアソン比v、質量密度ρ)が設定されている。図3の例示は、1要素が4つの節点で表現される四面体であり、要素e=1、2で示される2つの要素を例示している。要素e=1を構成する節点i=1~4であり、要素e=2を構成する節点i=2~5である。節点iはそれぞれxyz座標の値を有し且つどの節点と接続されているかとどの要素に属するかを示す情報を有する。FEMモデルデータD1は、一般の有限要素法シミュレーションにて多用されている。なお、図3に示す本実施形態では、FEMモデルデータD1の要素は四面体であるが、これに限定されない。原理的には任意の多面体要素が利用可能である。
The FEM
図1に示す集中質量行列取得部11は、構造物の質量を各節点に配分して示す集中質量行列Meを取得する。集中質量行列取得部11は、FEMモデルデータD1に集中質量行列Meが定義されている場合は集中質量行列Meをそのまま取得し、集中質量行列Meが定義されていない場合には算出する。要素eの集中質量行列Meは次の式(6)で表現される。集中質量行列取得部11は、全ての要素について集中質量行列Meを取得又は算出する。図3に示す実施例では、要素数が5070であるので、5070の集中質量行列Meを取得する。集中質量行列Meは、対角上にのみ質量を有する。標準的なFEM解析では非対角要素をもつ整合質量行列を使用することもあるが、分子動力学ソルバの大幅な変更を避けるために集中質量行列を用いている。
図1に示す初期位置速度取得部12は、FEMモデルデータD1に基づき各節点の初期位置及び初期速度を取得し、これらの値をワーキングメモリD2に記憶する。各節点の初期位置は、FEMモデルデータD1における各節点の座標(xyz座標)である。各節点の初期速度は0である。図3に示す実施例では、要素数が5070で全節点数が1204であるので、1204個の節点の座標を取得する。
The initial position/
図1に示す要素剛性行列算出部13は、各節点の初期位置及び物性値に基づき要素剛性行列Keを要素毎に算出する。要素eの要素剛性行列Keは、式(1)~(3)で表現される。要素剛性行列算出部13は、全ての要素について要素剛性行列Keを算出する。図3に示す実施例では、要素数が5070であるので、5070の要素剛性行列Keを算出する。
図1に示す変位行列算出部14は、各節点の初期位置に対する時点(t)の位置の変位を示す変位行列deを要素毎に算出する。変位行列deは式(5)で表現される。変位行列算出部14は、全ての要素について当該要素を構成する全節点の変位を示す変位行列deを算出する。図3に示す実施例では、要素数が5070であるので、5070の変位行列deを算出する。
図1に示す力算出部15は、要素剛性行列算出部13が算出した要素剛性行列Keと変位行列算出部14が算出した変位行列deとに基づき、要素eを構成する節点i(i=1,…,Le)に作用する力(Fe
i,x、Fe
i,y、Fe
i,z)を要素毎に算出する。要素eを構成する各節点iに作用する力Feは式(4)で表される。
図1に示す分子動力学ソルバ16は、ワーキングメモリD2に記憶されている、時点(t)における全ての要素を構成する各節点の位置及び速度と、各節点に作用する力と、集中質量行列Meとに基づいて、次の時点(t+単位時間)における各節点の位置及び速度を算出する。算出された各節点の位置及び速度はワーキングメモリD2に記憶される。 The molecular dynamics solver 16 shown in FIG. Based on Me , the position and velocity of each node at the next time (t+unit time) are calculated. The calculated position and velocity of each node are stored in the working memory D2.
[構造物のFEM解析方法]
図1に示すシステム1における1又は複数のプロセッサが実行する、構造物のFEM解析方法について、図2を用いて説明する。
[FEM analysis method for structures]
A structure FEM analysis method executed by one or more processors in the
まず、ステップST101において、FEMモデル取得部10は、構造物を複数の要素で表現したFEMモデルデータD1であって、各要素を区画する複数の節点および物性値(ヤング率E、ポアソン比v、質量密度ρ等)が設定されたFEMモデルデータD1を取得する。
First, in step ST101, the FEM
次のステップST102において、集中質量行列取得部11がFEMモデルデータD1に基づき、構造物の質量を各節点に配分して表す集中質量行列Meを要素毎に取得し、初期位置速度取得部12が、FEMモデルデータD1に基づき各節点の初期位置及び初期速度を取得する。
In the next step ST102, the lumped mass matrix acquisition unit 11 acquires the lumped mass matrix M e representing the mass of the structure distributed to each node based on the FEM model data D1 for each element, and the initial position/
ステップST103、ST104、ST105は、全ての要素(図3の例では、5070個の要素)について要素毎(e=1~5070)に実行する。ステップST103、ST104、ST105の処理を全ての要素について実行すれば、ステップST106の処理へ移行する。 Steps ST103, ST104, and ST105 are executed for each element (e=1 to 5070) for all elements (5070 elements in the example of FIG. 3). When the processes of steps ST103, ST104, and ST105 are executed for all elements, the process proceeds to step ST106.
ステップST103において、要素剛性行列算出部13は、要素eの各節点の初期位置及び物性値に基づき要素剛性行列を算出する。要素eの要素剛性行列Keは、式(1)~(3)で表現される。
In step ST103, the element
ステップST104において、変位行列算出部14は、時点(t)における要素eの変位行列deを算出する。変位行列deは、要素eを構成する各節点i(i=1~Le)の初期位置に対する現在位置の変位を示す。変位行列deは式(5)で表現される。
In step ST104, the
ステップST105において、力算出部15は、要素eの要素剛性行列Keと変位行列deとに基づき、要素eの各節点に作用する力を算出する。要素eを構成する各節点i(i=1,…,Le)に作用する力(Fe
i,x、Fe
i,y、Fe
i,z)は、式(4)~(5)で表現される
In step ST105, the
全ての要素についてステップST103、ST104、ST105の処理を実行した後に、次にステップST106において、分子動力学ソルバ16は、時点(t)における各節点の位置と速度と各節点に作用する力と集中質量行列Meとに基づき次の時点(t+単位時間)における各節点の位置及び速度を算出する。 After executing the processes of steps ST103, ST104, and ST105 for all elements, in step ST106, the molecular dynamics solver 16 calculates the position and velocity of each node at time (t) and the force and concentration acting on each node. The position and velocity of each node at the next time (t+unit time) are calculated based on the mass matrix Me .
次のステップST107において、ST103~ST106の処理を、初期時点から目標時点に到達するまで、時点(t)を単位時間経過させつつ繰り返し実行したか否かを判定する。目標時点に到達していない場合(ST107:NO)には、時点(t)を単位時間経過させて、ST103の処理に戻る。目標時点に到達した場合(ST107:YES)には、FEM解析処理を終了する。 In the next step ST107, it is determined whether or not the processing of ST103 to ST106 has been repeatedly executed from the initial time until reaching the target time with the time (t) having elapsed by the unit time. If the target time has not been reached (ST107: NO), the time (t) is allowed to elapse by a unit time, and the process returns to ST103. If the target time has been reached (ST107: YES), the FEM analysis process ends.
なお、本実施形態では、ステップST103における要素剛性行列Keの算出は、単位時間経過する毎に実行されている。これは、要素剛性行列Keは要素数5070あるため、メモリに記憶するとメモリ消費量が無視できないからであり、単位時間経過するたびに計算しなおしても、計算コストが低いためである。勿論、全ての要素についての要素剛性行列Keを算出した時点でメモリに記憶しておき、単位時間経過するたびに算出しないようにしてもよい。 In this embodiment, the calculation of the element stiffness matrix K e in step ST103 is executed each time a unit time elapses. This is because the element stiffness matrix K e has 5070 elements, so memory consumption cannot be ignored when stored in the memory, and the calculation cost is low even if the calculation is repeated every unit time. Of course, the element stiffness matrix Ke for all elements may be stored in the memory at the time of calculation, and may not be calculated each time a unit time elapses.
本発明のシミュレーション方法の結果を説明する。
図4及び図5は、半径10mmの弾性球の落下、反発運動をシミュレーションした結果である。図4は、初期位置のFEMモデルの各節点位置を示し、図5は、壁との衝突時におけるFEMモデルの各節点の位置を示す。物性値は、ヤング率Eが1MPa、ポアソン比vが0.49、質量密度ρは970kg/m3であり、ゴムボールに相当する構造物である。要素タイプは、1要素が4つの節点を有する四面体1次要素であり、全体として5070要素、1204節点ある。弾性球の中心の高さを20mmとして重力により自然落下させ、高さ0mmに剛体壁を設定している。時間ステップ数は30000(約1.0秒に相当)である。
The results of the simulation method of the present invention will be explained.
4 and 5 show the results of simulating the falling and repulsive motion of an elastic sphere with a radius of 10 mm. FIG. 4 shows the position of each node of the FEM model in the initial position, and FIG. 5 shows the position of each node of the FEM model at the time of collision with the wall. The physical properties are Young's modulus E of 1 MPa, Poisson's ratio v of 0.49, and mass density ρ of 970 kg/m 3 , and the structure is equivalent to a rubber ball. The element type is a tetrahedral primary element with four nodes per element, and there are 5070 elements and 1204 nodes in total. The height of the center of the elastic sphere is set to 20 mm, and the ball is allowed to fall naturally by gravity, and a rigid wall is set at a height of 0 mm. The number of time steps is 30000 (corresponding to about 1.0 second).
並列計算機能が実現できたことを示すために、プロセス数を1、2、4、8、16と設定し、計算時間を次に示す。下記の通り、プロセス数に応じて計算時間が短縮されているので、FEM解析に並列計算機能をリーズナブルに実装できていることがわかる。
プロセス数:1 計算時間(秒):1106.8
プロセス数:2 計算時間(秒):560.4
プロセス数:4 計算時間(秒):282.6
プロセス数:8 計算時間(秒):150.2
プロセス数:16 計算時間(秒):83.0
In order to show that the parallel computing function has been realized, the number of processes is set to 1, 2, 4, 8, and 16, and the computing time is shown below. As shown below, the calculation time is shortened according to the number of processes, so it can be seen that the parallel calculation function can be reasonably implemented in the FEM analysis.
Number of processes: 1 Calculation time (seconds): 1106.8
Number of processes: 2 Computation time (seconds): 560.4
Number of processes: 4 Computation time (seconds): 282.6
Number of processes: 8 Computation time (seconds): 150.2
Number of processes: 16 Computation time (seconds): 83.0
以上のように、本実施形態の構造物のFEM解析方法は、
1又は複数のプロセッサが実行する方法であって、
(a)構造物を複数の要素eで表現したFEMモデルデータD1であって、各要素eを区画する複数の節点iおよび物性値(ヤング率E、ポアソン比v、質量密度ρ)が設定されたFEMモデルデータD1を取得すること(ST101)、
(b)FEMモデルデータD1に基づき、構造物の質量を各節点に配分して表す集中質量行列Meと、各節点の初期位置及び初期速度と、を取得すること(ST102)、
(c)各節点の初期位置及び物性値に基づき要素剛性行列Keを要素毎に算出すること(ST103)、
(d)各節点の初期位置に対する時点(t)の位置の変位を表す変位行列deを要素毎に算出すること(ST104)、
(e)要素剛性行列Keと変位行列deとに基づき、各節点に作用する力Feを要素毎に算出すること(ST105)、
(f)時点(t)における前記各節点の位置と速度と前記各節点に作用する力と前記集中質量行列とに基づき分子動力学ソルバに次の時点(t+単位時間)における各節点の位置及び速度を算出させること(ST106)、
を含み、
初期時点から目標の時点に到達するまで、(d)(e)及び(f)の処理を、時点(t)を単位時間経過させつつ繰り返し実行する。
As described above, the FEM analysis method for the structure of the present embodiment is
A method, performed by one or more processors, comprising:
(a) FEM model data D1 representing a structure with a plurality of elements e, in which a plurality of nodes i and physical property values (Young's modulus E, Poisson's ratio v, mass density ρ) that partition each element e are set obtaining FEM model data D1 (ST101);
(b) Acquiring a lumped mass matrix M e representing the mass of the structure distributed to each node and the initial position and initial velocity of each node based on the FEM model data D1 (ST102);
(c) calculating an element stiffness matrix K e for each element based on the initial position and physical property value of each node (ST103);
(d) calculating, element by element, a displacement matrix de representing the displacement of the position at time (t) with respect to the initial position of each node (ST104);
(e) calculating the force F e acting on each node based on the element stiffness matrix K e and the displacement matrix d e for each element (ST105);
(f) based on the position and velocity of each node at time (t), the force acting on each node, and the lumped mass matrix, the position and position of each node at the next time (t+unit time) and calculating the speed (ST106);
including
The processes of (d), (e) and (f) are repeatedly executed with the unit time elapsed from the initial time point until the target time point is reached.
本実施形態の構造物のFEM解析システムは、
構造物を複数の要素eで表現したFEMモデルデータD1であって、各要素eを区画する複数の節点iおよび物性値(ヤング率E、ポアソン比v、質量密度ρ)が設定されたFEMモデルデータD1を取得するFEMモデル取得部10と、
FEMモデルデータD1に基づき、構造物の質量を各節点に配分して表す集中質量行列Meを取得する集中質量行列取得部11と、
FEMモデルデータD1に基づき、各節点の初期位置及び初期速度と、を取得する初期位置速度取得部12と、
各節点の初期位置及び物性値に基づき要素剛性行列Keを要素毎に算出する要素剛性行列算出部13と、
各節点の初期位置に対する時点(t)の位置の変位を表す変位行列deを要素毎に算出する変位行列算出部14と、
要素剛性行列Keと変位行列deとに基づき、各節点に作用する力Feを要素毎に算出する力算出部15と、
時点(t)における前記各節点の位置と速度と前記各節点に作用する力と前記集中質量行列とに基づき次の時点(t+単位時間)における各節点の位置及び速度を算出する分子動力学ソルバ16と、
を備え、
初期時点から目標の時点に到達するまで、変位行列算出部14、力算出部15及び分子動力学ソルバ16による処理を、時点(t)を単位時間経過させつつ繰り返し実行するように構成されている。
The FEM analysis system for the structure of this embodiment is
FEM model data D1 representing a structure with a plurality of elements e, in which a plurality of nodes i partitioning each element e and physical property values (Young's modulus E, Poisson's ratio v, mass density ρ) are set. an FEM
a lumped mass matrix acquisition unit 11 that acquires a lumped mass matrix M e that expresses the mass of the structure by distributing it to each node based on the FEM model data D1;
an initial position/
an element
a
a
A molecular dynamics solver that calculates the position and velocity of each node at the next time (t + unit time) based on the position and velocity of each node at time (t), the force acting on each node, and the lumped mass matrix. 16 and
with
The process by the
このように、FEMモデルにおける節点を1粒子として取り扱い、FEMモデルに基づく要素剛性行列と初期位置に対する位置変位とに基づき節点に作用する力を算出するので、分子動力学ソルバを用いて時点(t)における力と節点位置から次の時点(t+単位時間)の各節点の位置が算出でき、FEMの計算を、分子動力学ソルバを用いて実行可能となる。それでいて、分子動力学ソルバは無償利用可能なソフトを含めて並列計算機能を有するので、構造物のFEM解析をリーズナブルに並列計算で実現可能となる。 In this way, the node in the FEM model is treated as one particle, and the force acting on the node is calculated based on the element stiffness matrix based on the FEM model and the positional displacement with respect to the initial position. ), the position of each node at the next time (t+unit time) can be calculated from the force and the position of the node, and FEM calculation can be executed using a molecular dynamics solver. In addition, molecular dynamics solvers, including software that can be used free of charge, have parallel computing functions, so FEM analysis of structures can be realized by parallel computing at a reasonable cost.
本実施形態のように、前記(c)における要素剛性行列算出部13による要素剛性行列Keの算出は、単位時間経過する毎に算出されることが好ましい。
As in the present embodiment, the calculation of the element stiffness matrix Ke by the element
このようにすれば、要素剛性行列Keを単位時間経過する毎に毎回算出しても計算コストが大きくなく、全ての要素の要素剛性行列Keをメモリに記憶することによって生じるメモリの消費を抑制することが可能となる。 In this way, even if the element stiffness matrix K e is calculated each time the unit time elapses, the calculation cost is not large, and the memory consumption caused by storing the element stiffness matrix K e of all the elements in the memory can be reduced. can be suppressed.
本実施形態のように、要素eの要素剛性行列Keは、式(1)~(3)で表現されることが好ましい。好適な実施形態である。 As in this embodiment, the element stiffness matrix K e of the element e is preferably represented by equations (1) to (3). A preferred embodiment.
本実施形態のように、要素eを構成する各節点i(i=1,…,Le)に作用する力(Fe i,x、Fe i,y、Fe i,z)は、式(4)~(5)で表現されることが好ましい。好適な実施形態である。 As in this embodiment, the forces ( Fei ,x, Fei , y , Fei ,z ) acting on each node i (i=1, . . . , L e ) constituting the element e are Expressions (4) and (5) are preferred. A preferred embodiment.
本実施形態に係るプログラムは、上記方法をコンピュータに実行させるプログラムである。このプログラムを実行することによっても、上記方法の奏する作用効果を得ることが可能となる。 A program according to the present embodiment is a program that causes a computer to execute the above method. By executing this program, it is possible to obtain the effects of the above method.
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, it should be considered that the specific configuration is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated not only by the description of the above embodiments but also by the scope of claims, and includes all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of claims.
例えば、図1に示す各部10~15は、所定プログラムをコンピュータのプロセッサで実行することで実現しているが、各部を専用回路で構成してもよい。また、本実施形態では1つのコンピュータにおけるプロセッサが各部10~15を実装しているが、少なくとも1又は複数のプロセッサに分散して実装してもよい。
For example, each
上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 It is possible to adopt the structure adopted in each of the above embodiments in any other embodiment. The specific configuration of each part is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible without departing from the scope of the present invention.
10 FEMモデル取得部
11 集中質量行列取得部
12 初期位置速度取得部
13 要素剛性行列算出部
14 変位行列算出部
15 力算出部
16 分子動力学ソルバ
REFERENCE SIGNS
Claims (9)
(a)構造物を複数の要素で表現したFEMモデルデータであって、各要素を区画する複数の節点および物性値が設定されたFEMモデルデータを取得すること、
(b)前記FEMモデルデータに基づき、前記構造物の質量を各節点に配分して表す集中質量行列と、各節点の初期位置及び初期速度と、を取得すること、
(c)前記各節点の初期位置及び前記物性値に基づき要素剛性行列を要素毎に算出すること、
(d)各節点の初期位置に対する時点(t)の位置の変位を表す変位行列を要素毎に算出すること、
(e)前記要素剛性行列と前記変位行列とに基づき、各節点に作用する力を要素毎に算出すること、
(f)時点(t)における前記各節点の位置と速度と前記各節点に作用する力と前記集中質量行列とに基づき分子動力学ソルバに次の時点(t+単位時間)における各節点の位置及び速度を算出させること、
を含み、
初期時点から目標の時点に到達するまで、前記(d)(e)及び(f)の処理を、前記時点(t)を単位時間経過させつつ繰り返し実行する、構造物のFEM解析方法。 A method, performed by one or more processors, comprising:
(a) Acquiring FEM model data representing a structure with a plurality of elements, wherein the FEM model data is set with a plurality of nodes and physical property values that partition each element;
(b) obtaining a lumped mass matrix expressing the mass of the structure distributed to each node and the initial position and initial velocity of each node based on the FEM model data;
(c) calculating an element stiffness matrix for each element based on the initial position of each node and the physical property value;
(d) calculating, element by element, a displacement matrix representing the displacement of the position at time (t) with respect to the initial position of each node;
(e) calculating, for each element, a force acting on each node based on the element stiffness matrix and the displacement matrix;
(f) based on the position and velocity of each node at time (t), the force acting on each node, and the lumped mass matrix, the position and position of each node at the next time (t+unit time) and calculating the velocity;
including
An FEM analysis method for a structure, wherein the processes of (d), (e) and (f) are repeatedly executed while the time (t) elapses as a unit time until the target time is reached from the initial time.
前記FEMモデルデータに基づき、前記構造物の質量を各節点に配分して表す集中質量行列を取得する集中質量行列取得部と、
前記FEMモデルデータに基づき、各節点の初期位置及び初期速度と、を取得する初期位置速度取得部と、
前記各節点の初期位置及び前記物性値に基づき要素剛性行列を要素毎に算出する要素剛性行列算出部と、
各節点の初期位置に対する時点(t)の位置の変位を表す変位行列を要素毎に算出する変位行列算出部と、
前記要素剛性行列と前記変位行列とに基づき、各節点に作用する力を要素毎に算出する力算出部と、
時点(t)における前記各節点の位置と速度と前記各節点に作用する力と前記集中質量行列とに基づき次の時点(t+単位時間)における各節点の位置及び速度を算出する分子動力学ソルバと、
を備え、
初期時点から目標の時点に到達するまで、前記変位行列算出部、前記力算出部及び前記分子動力学ソルバによる処理を、前記時点(t)を単位時間経過させつつ繰り返し実行するように構成されている、構造物のFEM解析システム。 an FEM model acquisition unit that acquires FEM model data representing a structure with a plurality of elements and in which a plurality of nodes that partition each element and physical property values are set;
a lumped mass matrix acquisition unit that acquires a lumped mass matrix representing the mass of the structure distributed to each node based on the FEM model data;
an initial position/velocity acquisition unit that acquires the initial position and initial velocity of each node based on the FEM model data;
an element stiffness matrix calculation unit that calculates an element stiffness matrix for each element based on the initial position of each node and the physical property value;
a displacement matrix calculation unit that calculates, for each element, a displacement matrix representing the displacement of the position at time (t) with respect to the initial position of each node;
a force calculation unit that calculates, for each element, a force acting on each node based on the element stiffness matrix and the displacement matrix;
A molecular dynamics solver that calculates the position and velocity of each node at the next time (t + unit time) based on the position and velocity of each node at time (t), the force acting on each node, and the lumped mass matrix. and,
with
The process by the displacement matrix calculator, the force calculator, and the molecular dynamics solver is repeatedly executed from the initial time point until the target time point is reached, with the time point (t) passing by a unit time. FEM analysis system for structures.
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