(57)【要約】【課題】流体解析での高い解析精度が期待できる差分法と、有限要素法による構造解析を各々独立にモデル化を可能とし、高い解析精度を確保しつつ、簡便に流体解析−構造解析間のデータ連携を可能とすること。【解決手段】数値流体解析に有限差分法を用い、かつ、数値構造解析に有限要素法を用いることにより、流体力を加振力とする応答解析を行う場合において、流体解析と構造解析の連携処理を行なう流体−構造連携解析手段３を備え、前記流体−構造連携解析手段３は、流体力を流体と構造の境界面上にある構造解析用メッシュの全ての節点位置で荷重として求める。【選択図】        図１
2006134017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
数値流体解析に有限差分法を用い、かつ、数値構造解析に有限要素法を用いることにより、流体力を加振力とする応答解析を行う場合において、
流体解析と構造解析の連携処理を行なう流体−構造連携解析手段を備え、
前記流体−構造連携解析手段は、流体力を流体と構造の境界面上にある構造解析用メッシュの全ての節点位置で荷重として求めることを特徴とする流体−構造連携解析装置。
【請求項２】
前記流体−構造連携解析手段は、前記構造解析用メッシュの構造体表面セルを４分割し、該表面セル上の節点を囲む前記１／４分割セルに作用する流体力の総和を該節点の荷重とすることを特徴とする請求項１記載の流体−構造連携解析装置。
【請求項３】
前記流体−構造連携解析手段は、前記１／４分割セルの４頂点の圧力値を、前記数値流体解析計算の結果得られた流体解析用メッシュの格子点から補間することにより求めることを特徴とする請求項２記載の流体−構造連携解析装置。
【請求項４】
前記流体−構造連携解析手段は、前記１／４分割セルの４頂点の圧力補間値から、前記１／４分割セルの面積積分することにより前記１／４分割セルに作用する流体力として求めることを特徴とする請求項３記載の流体−構造連携解析装置。
【請求項５】
有限差分法を用いる数値流体解析手段と、
有限要素法を用いる数値構造解析手段と、
流体力を流体と構造の境界面上にある構造解析用メッシュの全ての節点位置で荷重として求める流体解析と構造解析の連携処理を行なう流体−構造連携解析手段として、
コンピュータを機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
産業機器の高機能化・複雑化に伴い、様々な物理現象の相互作用を考慮した設計をしなければならないケースが増えている。一方、近年の計算機処理能力の飛躍的向上により、物理法則・原理を記述する微分方程式の離散化方程式を、数値的に求解する数値解析手法の利用が有用になってきている。
【０００２】
本発明は、流体力学現象により発生した流体力を、構造物体に作用する荷重として構造力学現象への影響を考慮することを可能とする流体−構造連携解析装置及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００３】
数値流体解析と数値構造解析との相互作用を考慮する際に、各々の計算結果の橋渡しを容易にするために、流体解析用メッシュ側の計算点（格子点）と構造解析用メッシュの計算点（節点）の座標位置を一致させるため、流体解析と構造解析で同一の有限要素モデルを用いた流体−構造連成解析手法がある（特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、一般に有限要素法による流体解析は解析精度が低く（差分法と比較し）、また、流体と構造では、メッシュの粗密分布の領域が異なる（例えば、流体では流速の速い所のメッシュを細かくするが、構造では応力の多くかかる所のメッシュを細かくする）ため、両者で同一のメッシュを用いるのは、解析精度の観点からは良くない。
【特許文献１】特開２０００−３５２５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に有限要素法による流体解析は、解析精度が低く、また、流体と構造では、メッシュの粗密分布の領域が異なるため、前記従来のように両者で同一のメッシュを用いるのは、解析精度の観点からは良くないという課題があった。
【０００６】
本発明は、数値流体解析での高い解析精度が期待できる差分法と、有限要素法による構造解析を各々独立にモデル化を可能とし、高い解析精度を確保しつつ、簡便に流体解析−構造解析間のデータ連携を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
図１は本発明の流体−構造連携解析装置の説明図である。図１中、１は流体解析手段、２は構造解析手段、３は流体−構造連携解析手段、４は格納手段、５は入力手段、６は出力手段である。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため次のように構成した。
【０００９】
（１）：数値流体解析に有限差分法を用い、かつ、数値構造解析に有限要素法を用いることにより、流体力を加振力とする応答解析を行う場合において、流体解析と構造解析の連携処理を行なう流体−構造連携解析手段３を備え、前記流体−構造連携解析手段３は、流体力を流体と構造の境界面上にある構造解析用メッシュの全ての節点位置で荷重として求める。このため、流体解析での高い解析精度が期待できる差分法と、有限要素法による構造解析を各々独立にモデル化を可能とし、高い解析精度を確保しつつ、簡便に流体解析−構造解析間のデータ連携が可能となる。
【００１０】
（２）：前記（１）の流体−構造連携解析装置において、前記流体−構造連携解析手段３は、前記構造解析用メッシュの構造体表面セルを４分割し、該表面セル上の節点を囲む前記１／４分割セルに作用する流体力の総和を該節点の荷重とする。このため、簡便に流体解析−構造解析間のデータ連携が可能となる。
【００１１】
（３）：前記（２）の流体−構造連携解析装置において、前記流体−構造連携解析手段３は、前記１／４分割セルの４頂点の圧力値を、前記数値流体解析計算の結果得られた流体解析用メッシュの格子点から補間することにより求める。このため、流体力を求めるための１／４分割セルの４頂点の圧力値を流体解析用メッシュの格子点から容易に求めることができる。
【００１２】
（４）：前記（３）の流体−構造連携解析装置において、前記流体−構造連携解析手段３は、前記１／４分割セルの４頂点の圧力補間値から、前記１／４分割セルの面積積分することにより前記１／４分割セルに作用する流体力として求める。このため、１／４分割セルに作用する流体力を容易に求めることができる。
【００１３】
（５）：有限差分法を用いる数値流体解析手段と、有限要素法を用いる数値構造解析手段と、流体力を流体と構造の境界面上にある構造解析用メッシュの全ての節点位置で荷重として求める流体解析と構造解析の連携処理を行なう流体−構造連携解析手段３として、コンピュータを機能させるためのプログラムとする。このため、このプログラムをコンピュータにインストールするこで高い解析精度を確保しつつ、簡便に流体解析−構造解析間のデータ連携が可能となる流体−構造連携解析装置を容易に提供することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば次のような効果がある。
【００１５】
（１）：流体−構造連携解析手段で、流体力を流体と構造の境界面上にある構造解析用メッシュの全ての節点位置で荷重として求めるため、流体解析での高い解析精度が期待できる差分法と、有限要素法による構造解析を各々独立にモデル化を可能とし、高い解析精度を確保しつつ、簡便に流体解析−構造解析間のデータ連携が可能となる。
【００１６】
（２）：流体−構造連携解析手段で、構造解析用メッシュの構造体表面セルを４分割し、該表面セル上の節点を囲む前記１／４分割セルに作用する流体力の総和を該節点の荷重とするため、簡便に流体解析−構造解析間のデータ連携が可能となる。
【００１７】
（３）：流体−構造連携解析手段で、１／４分割セルの４頂点の圧力値を、数値流体解析計算の結果得られた流体解析用メッシュの格子点から補間することにより求めるため、流体力を求めるための１／４分割セルの４頂点の圧力値を流体解析用メッシュの格子点から容易に求めることができる。
【００１８】
（４）：流体−構造連携解析手段で、１／４分割セルの４頂点の圧力補間値から、前記１／４分割セルの面積積分することにより前記１／４分割セルに作用する流体力として求めるため、１／４分割セルに作用する流体力を容易に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、流体解析での精度の高い解析が期待できる構造格子を用いた差分法と、有限要素法による構造解析を各々独立にモデル化することにより、高い解析精度を確保しつつ、一方、両者間で異なるメッシュに対しては、計算格子点位置を、流体解析用メッシュの計算格子点上で計算された流体圧力を構造解析用節点位置で補間・積分することにより、力に変換して受け渡し可能とするものである。
【００２０】
これにより、高い解析精度を確保しつつ、簡便に流体解析−構造解析間のデータ連携が可能となる。
【００２１】
（１）：流体−構造連携解析装置の説明
図１は本発明の流体−構造連携解析装置の説明図である。図１において、流体−構造連携解析装置には、流体解析手段１、構造解析手段２、流体−構造連携解析手段３、格納手段４、入力手段５、出力手段６が設けてある。流体解析手段１は、有限差分法を用いて数値流体解析を行なう解析手段である。構造解析手段２は、有限要素法を用いて数値構造解析を行なう解析手段である。流体−構造連携解析手段３は、流体解析と構造解析の連携処理を行なう処理手段である。格納手段４は、情報を格納するものである。入力手段５は、情報を入力するものである。出力手段６は、情報の出力を行なうものである。
【００２２】
（２）：流体−構造連携解析の説明
以下に、具体例の説明をする。図２は構造解析用表面メッシュの説明図である。図２において、流体−構造物間の境界における構造解析用メッシュであり、構造解析用メッシュの各節点は黒丸で示してある。該境界面上の各メッシュを４分割する（図３）。図３は１／４分割セルの説明図である。図３において、分割により生成された各４角形セルの頂点（図３では３個の白丸と１個の黒丸となる）位置に対して、流体解析用メッシュを構成する計算格子点集合（図示せず）の中から、該頂点を閉包する最近接４点を探索する。この最近接４点は、流体解析用メッシュの１セルを構成するため、セル単位での探索を行う。また、流体解析と構造解析の境界面上のメッシュを対象としているため、これを利用して事前に探索空間を絞り込むことができる。探索方法には、全数探索法を用いる。
【００２３】
各頂点を閉包する最近接４点（流体セル）が求まったら、各々４点の流体圧力値を元に、頂点位置での圧力値を式（１）に示す双１次補間法により求める。
【００２４】
【数１】
2006134017.tif 000003
図４は双１次補間の説明図である。以下、図４を参照して上記式（１）の説明をすると次のようになる。
【００２５】
(1)  iおよびj ：２次元格子点のインデックス
(2) x1およびx2：２次元座標軸、もしくは注目点の座標値
(3) x1i およびx1i+1 ：隣接格子点のx1座標
x2j およびx2j+1 ：隣接格子点のx2座標
(4)  tおよびu を次のように定義：
t=(x1-x1i )/( x1i+1-x1i ) ，u=(x2-x2j )/( x2j+1-x2j ) 
(5) 格子点(i,j),(i+1,j),(i,j+1),(i+1,j+1) における圧力値を各々y1,y2,y3,y4 と定義
(6) 注目点(x1,x2) における圧力補間値をy(x1,x2)と定義
次に、各４頂点の圧力値を元に、各１／４分割セルにおける圧力値の面積積分を求め、これを各１／４分割セルに作用する荷重（加振力）とする。すなわち、各４頂点の圧力値から分割セル表面上の任意の点における圧力値を双１次補間式等による補間により求め、この分割セルにおける圧力値の面積積分を求めることで、この分割セルに作用する荷重とすることができる。
【００２６】
最後に、各節点の周りの４つ若しくは３つの１／４分割セルの荷重の総和を求め、これを各節点における荷重とする。
【００２７】
さらに、節点における荷重を時刻毎に求め、離散フーリエ変換（ＦＦＴ）することにより、周波数軸における荷重特性関数を加振関数とし、これを節点毎に求め、多点（構造物の表面にある各節点）加振による周波数応答解析を実施することができる。
【００２８】
（３）：フローチャートによる説明。
【００２９】
図５は流体−構造連携解析処理フローチャートである。以下、図５の処理Ｓ１〜Ｓ６に従って流体−構造連携解析処理の説明をする。
【００３０】
Ｓ１：流体−構造連携解析手段３は、構造解析手段２より、構造解析メッシュデータを取得して、表面セル（構造解析用メッシュは構造物内部にもあるので、ここでは流体との境界表面上のメッシュの四角）を抽出する。
【００３１】
Ｓ２：流体−構造連携解析手段３は、１／４分割セルを作成する（図３参照）。
【００３２】
Ｓ３：流体−構造連携解析手段３は、流体解析手段１より、流体解析メッシュデータと圧力データを取得し、１／４分割セル頂点の回りの流体解析データから１／４分割セルの頂点の圧力値を補間して求める（なお、流体解析メッシュが細かい場合補間処理を行なわなくてもそのままのデータを使用できることもある）。
【００３３】
Ｓ４：流体−構造連携解析手段３は、各４頂点の圧力値を元に、各１／４分割セルにおける圧力値の面積積分を求め、これを各１／４分割セルに作用する力（荷重）とする。
【００３４】
Ｓ５：流体−構造連携解析手段３は、各節点（グリッド）を囲む１／４分割セルを探索する。
【００３５】
Ｓ６：流体−構造連携解析手段３は、各節点を囲む１／４分割セルの力（荷重）の総和を求め、これを各節点に作用する力（荷重）とする。
【００３６】
このように、本発明により、数値流体解析での高い解析精度が期待できる差分法と、有限要素法による構造解析を各々独立にモデル化可能となり、高い解析精度を確保しつつ、簡便に流体解析−構造解析間のデータ連携が可能となる。
【００３７】
（４）：プログラムインストールの説明
流体解析手段１、構造解析手段２、流体−構造連携解析手段３、入力手段５、出力手段６等はプログラムで構成でき、主制御部（ＣＰＵ）が実行するものであり、主記憶に格納されているものである。このプログラムは、コンピュータで処理されるものである。このコンピュータは、主制御部、主記憶、ファイル装置、表示装置等の出力装置、入力装置、非接触型Ｒ／Ｗ部などのハードウェアで構成されている。
【００３８】
このコンピュータに、本発明のプログラムをインストールする。このインストールは、フロッピィ、光磁気ディスク等の可搬型の記録（記憶）媒体に、これらのプログラムを記憶させておき、コンピュータが備えている記録媒体に対して、アクセスするためのドライブ装置を介して、或いは、ＬＡＮ等のネットワークを介して、コンピュータに設けられたファイル装置にインストールされる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の流体−構造連携解析装置の説明図である。
【図２】本発明の構造解析用表面メッシュの説明図である。
【図３】本発明の１／４分割セルの説明図である。
【図４】本発明の双１次補間の説明図である。
【図５】本発明の流体−構造連携解析処理フローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１  流体解析手段
２  構造解析手段
３  流体−構造連携解析手段
４  格納手段
５  入力手段
６  出力手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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