(57)【要約】【課題】外力が付与される面における粒子の簡単かつ適切な設定ができる、構造解析方法、構造解析装置及び構造解析プログラムを提供する。【解決手段】片持ち梁３１の自由面３３から片持ち梁３１の外側に離れた位置、具体的には、自由面３３側の最外層に配置される内部粒子３２と自由面３３に対して面対称の位置に第１仮想粒子３５が作成され、その第１仮想粒子３５に外力に関する境界条件が付与される。そして、内部粒子３２及び境界条件が付与された第１仮想粒子３５のデータを用いて、内部粒子３２の状態が計算される。【選択図】図３
2018116560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータにより実行され、構造物を解析対象とする粒子法による構造解析方法であって、
前記解析対象を複数の内部粒子の集まりとしてモデル化するモデル化ステップと、
前記解析対象の外面のうち外力が付与される第１面の指定を受け付ける第１面指定受付ステップと、
前記第１面上の位置又は前記第１面上から前記解析対象の外側かつ第１所定距離離れた位置に第１仮想粒子を作成する第１仮想粒子作成ステップと、
前記第１仮想粒子に外力に関する境界条件を付与する外力境界条件付与ステップと、
前記内部粒子及び前記外力に関する境界条件が付与された前記第１仮想粒子のデータを用いて、前記内部粒子の状態を計算する計算ステップとを含む、構造解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載の構造解析方法であって、
前記解析対象の外面のうち前記第１面と異なる第２面の指定を受け付ける第２面指定受付ステップと、
前記第２面上の位置又は前記第２面上から前記解析対象の外側かつ第２所定距離離れた位置に第２仮想粒子を作成する第２仮想粒子作成ステップと、
前記第２仮想粒子に固定に関する境界条件を付与する固定境界条件付与ステップとをさらに含み、
前記計算ステップでは、前記内部粒子並びに前記外力に関する境界条件が付与された前記第１仮想粒子及び前記固定に関する境界条件が付与された前記第２仮想粒子のデータを用いて、前記内部粒子の状態が計算される、構造解析方法。
【請求項３】
請求項２に記載の構造解析方法であって、
前記第１仮想粒子作成ステップ及び前記第２仮想粒子作成ステップは、前記モデル化ステップの後に実行され、
前記第１仮想粒子作成ステップでは、前記第１面側の最外層に配置される前記内部粒子と前記第１面に対して面対称の位置に前記第１仮想粒子が作成され、
前記第２仮想粒子作成ステップでは、前記第２面側の最外層に配置される前記内部粒子と前記第２面に対して面対称の位置に前記第２仮想粒子が作成される、構造解析方法。
【請求項４】
請求項２に記載の構造解析方法であって、
前記第１仮想粒子作成ステップ及び前記第２仮想粒子作成ステップは、前記モデル化ステップの前に実行され、
前記第１仮想粒子作成ステップでは、前記第１仮想粒子が前記第１面上から前記解析対象の外側かつ前記第１所定距離離れた位置に作成され、
前記第２仮想粒子作成ステップでは、前記第２仮想粒子が前記第２面上から前記解析対象の外側かつ前記第２所定距離離れた位置に作成され、
前記モデル化ステップでは、前記第１仮想粒子と前記第１面に対して面対称の位置及び前記第２仮想粒子と前記第２面に対して面対称の位置の各位置に前記内部粒子が作成され、その作成された前記内部粒子を基準に残りの前記内部粒子が作成される、構造解析方法。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項に記載の構造解析方法であって、
少なくとも前記計算ステップでは、前記解析対象の外面のうち前記第１面及び前記第２面以外の面上から前記解析対象の外側に仮想粒子が存在しない、構造解析方法。
【請求項６】
コンピュータを含み、構造物を解析対象とする粒子法による構造解析を行う構造解析装置であって、
前記コンピュータは、
前記解析対象を複数の内部粒子の集まりとしてモデル化するモデル化処理と、
前記解析対象の外面のうち外力が付与される第１面の指定を受け付ける第１面指定受付処理と、
前記第１面上の位置又は前記第１面上から前記解析対象の外側かつ所定距離離れた位置に第１仮想粒子を作成する第１仮想粒子作成処理と、
前記第１仮想粒子に外力に関する境界条件を付与する外力境界条件付与処理と、
前記内部粒子及び前記外力に関する境界条件が付与された前記第１仮想粒子のデータを用いて、前記内部粒子の状態を計算する計算処理とを実行する、構造解析装置。
【請求項７】
構造物を解析対象とする粒子法による構造解析を行うコンピュータにインストールされるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記解析対象を複数の内部粒子の集まりとしてモデル化するモデル化処理と、
前記解析対象の外面のうち外力が付与される第１面の指定を受け付ける第１面指定受付処理と、
前記第１面上の位置又は前記第１面上から前記解析対象の外側かつ所定距離離れた位置に第１仮想粒子を作成する第１仮想粒子作成処理と、
前記第１仮想粒子に外力に関する境界条件を付与する外力境界条件付与処理と、
前記内部粒子及び前記外力に関する境界条件が付与された前記第１仮想粒子のデータを用いて、前記内部粒子の状態を計算する計算処理とを実行させる、構造解析プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造解析方法、構造解析装置及び構造解析プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）は、構造解析などに幅広く適用され、汎用性の高い解析手法として知られている。しかし、有限要素法は、解析対象領域に格子（メッシュ）を作成する作業を必要とし、構造物などが大きく変形する場合には、計算の途中で格子が潰れて計算の続行が困難となるという問題を有している。
【０００３】
一方、近年注目されている解析手法の１つに、粒子法がある。粒子法としては、ＳＰＨ（Smoothed Particle Hydrodynamics）やＭＰＳ（Moving Particle Simulation）などが知られている。粒子法は、構造物などの解析対象を複数の粒子の集まりとして表現し、これら粒子間の相互作用の計算によって解析対象の挙動を解析する。したがって、粒子法では、有限要素法（格子法）で行われる格子の作成が不要であり、複雑な形状の構造物でも短時間で容易にモデルを作成することができる。また、自由表面の大変形にも比較的容易に対応可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１２５９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、構造物を対象とする粒子法による解析において、外力が付与される面における粒子の設定方法（粒子の作成（配置）方法、境界条件の付与方法）が確立されておらず、その設定方法によっては、計算精度が悪くなるおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、外力が付与される面における粒子の簡単かつ適切な設定ができる、構造解析方法、構造解析装置及び構造解析プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、本発明の一の局面に係る構造解析方法は、コンピュータにより実行され、構造物を解析対象とする粒子法による構造解析方法であって、解析対象を複数の内部粒子の集まりとしてモデル化するモデル化ステップと、解析対象の外面のうち外力が付与される第１面の指定を受け付ける第１面指定受付ステップと、第１面上の位置又は第１面上から解析対象の外側かつ第１所定距離離れた位置に第１仮想粒子を作成する第１仮想粒子作成ステップと、第１仮想粒子に外力に関する境界条件を付与する外力境界条件付与ステップと、内部粒子及び外力に関する境界条件が付与された第１仮想粒子のデータを用いて、内部粒子の状態を計算する計算ステップとを含む。
【０００８】
この構成によれば、解析対象の第１面上の位置又は第１面上から解析対象の外側に離れた位置に第１仮想粒子が作成され、その第１仮想粒子に外力に関する境界条件が付与される。そして、内部粒子及び境界条件が付与された第１仮想粒子のデータを用いて、内部粒子の状態が計算される。
【０００９】
たとえば、第１面側の最外層に配置される内部粒子に外力に関する境界条件を付与する方法では、最外層の内側に配置される内部粒子の状態が計算されることになり、その計算結果（解析結果）が悪くなるおそれがある。
【００１０】
これに対し、第１仮想粒子に外力に関する境界条件を付与する方法では、第１面側の最外層に配置される内部粒子についても計算結果を得ることができる。
【００１１】
よって、外力が付与される第１面における粒子の簡単かつ適切な設定が可能である。
【００１２】
なお、本発明は、構造解析方法の形態で実現することができるだけでなく、たとえば、コンピュータを含む構造解析装置及びコンピュータにインストールされるプログラムの形態で実現することもできる。
【００１３】
すなわち、本発明の他の局面に係る構造解析装置は、コンピュータを含み、構造物を解析対象とする粒子法による構造解析を行う構造解析装置であって、コンピュータは、解析対象を複数の内部粒子の集まりとしてモデル化するモデル化処理と、解析対象の外面のうち外力が付与される第１面の指定を受け付ける第１面指定受付処理と、第１面上の位置又は第１面上から解析対象の外側かつ所定距離離れた位置に第１仮想粒子を作成する第１仮想粒子作成処理と、第１仮想粒子に外力に関する境界条件を付与する外力境界条件付与処理と、内部粒子及び外力に関する境界条件が付与された第１仮想粒子のデータを用いて、内部粒子の状態を計算する計算処理とを実行する。
【００１４】
また、本発明のさらに他の局面に係るプログラムは、構造物を解析対象とする粒子法による構造解析を行うコンピュータにインストールされるプログラムであって、コンピュータに、解析対象を複数の内部粒子の集まりとしてモデル化するモデル化処理と、解析対象の外面のうち外力が付与される第１面の指定を受け付ける第１面指定受付処理と、第１面上の位置又は第１面上から解析対象の外側かつ所定距離離れた位置に第１仮想粒子を作成する第１仮想粒子作成処理と、第１仮想粒子に外力に関する境界条件を付与する外力境界条件付与処理と、内部粒子及び外力に関する境界条件が付与された第１仮想粒子のデータを用いて、内部粒子の状態を計算する計算処理とを実行させる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、外力が付与される面における粒子の簡単かつ適切な設定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る構造解析装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】構造解析装置の解析部により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】構造解析方法の一例を説明するための図である。
【図４】構造解析方法の他の例を説明するための図である。
【図５】仮想粒子の作成方法の他の例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１８】
＜構造解析装置の構成＞
図１に示される構造解析装置１は、構造物を解析対象とし、その解析対象を複数の内部粒子の集まりとしてモデル化して粒子法による構造解析を行う装置である。構造解析装置１は、入力部１１、出力部１２、記憶部１３及び解析部１４を備えている。
【００１９】
入力部１１は、各種の情報の入力を受け付けるデバイスである。入力部１１は、典型的には、キーボードやマウスなどであるが、ＬＡＮ（Local Area Network）などを経由した通信が可能に接続された外部装置であってもよい。入力部１１には、解析対象の構造物のデータや境界条件などの解析に必要なデータのほか、解析の開始の指示などが入力される。
【００２０】
出力部１２は、解析結果を出力するデバイスである。出力部１２は、典型的には、ディスプレイやプリンタであるが、ＬＡＮなどを経由した通信が可能に接続された外部装置であってもよい。出力部１２は、たとえば、解析結果（解析終了後の計算結果）を画像で表示（出力）する。
【００２１】
記憶部１３は、データを記憶するデバイスであり、たとえば、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）やフラッシュメモリなどである。記憶部１３には、解析のためのプログラムが記憶されており、また、解析の実行の際に、入力部１１に入力されるデータ及び解析結果などが記憶される。
【００２２】
解析部１４は、たとえば、ＣＰＵ及びＲＡＭを含む構成であり、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を含む構成であってもよい。解析部１４は、解析のための機能処理部として、モデル粒子作成部２１、仮想粒子作成部２２、境界条件付与部２３及び状態計算部２４を備えている。モデル粒子作成部２１、仮想粒子作成部２２、境界条件付与部２３及び状態計算部２４は、ＣＰＵが記憶部１３に記憶されているプログラムをＲＡＭを作業領域として実行することにより実現される。
【００２３】
なお、解析部１４の構成は、図１に示される構成に限られず、後述する処理を実行可能な構成であれば他の構成であってもよい。
【００２４】
モデル粒子作成部２１は、入力部１１に入力される解析対象の構造物の形状データからその構造物を複数の内部粒子の集まりとしてモデル化し、各内部粒子の位置情報を含むモデルデータを作成する。モデル粒子作成部２１は、モデルデータを作成すると、そのモデルデータを記憶部１３に記憶させる。
【００２５】
仮想粒子作成部２２は、解析対象の構造物の外側に仮想粒子を作成する。そして、仮想粒子作成部２２は、各仮想粒子の位置情報を含む仮想粒子データを記憶部１３に記憶させる。
【００２６】
境界条件付与部２３は、仮想粒子作成部２２により作成された各仮想粒子に境界条件を付与する。
【００２７】
状態計算部２４は、粒子法のアルゴリズムとして、たとえば、ＳＰＨに基づいて、各内部粒子のモデルデータ及び境界条件が付与された各仮想粒子のデータを用いて、各内部粒子の状態を計算する。そして、状態計算部２４は、その計算結果を出力部１２に送信し、出力部１２は、計算結果を画像で表示する。
【００２８】
＜構造解析方法の一例＞
以下では、長手方向の一方側の端面が固定面に固定された柱状の片持ち梁３１（構造物の一例。図３参照）を解析対象として、その他方側の端面に外力が付与される場合の構造解析方法の一例について説明する。
【００２９】
片持ち梁３１の構造解析が行われる際には、解析開始に先立ち、片持ち梁３１の形状データが入力部１１に入力されて、その形状データが記憶部１３に記憶される。
【００３０】
入力部１１に解析開始の指示が入力されると、モデル粒子作成部２１は、記憶部１３に記憶されている形状データを取得する（図２のＳ１）。
【００３１】
その後、モデル粒子作成部２１は、図３（ａ）に示されるように、片持ち梁３１を複数の内部粒子３２の集まりとしてモデル化する。そして、モデル粒子作成部２１は、各内部粒子３２の位置情報を含むモデルデータを作成し（図２のＳ２）、そのモデルデータを記憶部１３に記憶させる。
【００３２】
モデルデータの作成後、仮想粒子作成部２２は、片持ち梁３１の自由端となる自由面３３（第１面の一例）及び固定端となる固定面３４（第２面の一例）を指定する入力が入力部１１に受け付けられたか否かを判別する（図２のＳ３）。自由面３３及び固定面３４の指定の入力が入力部１１に受け付けられるまで、これ以降の処理は実行されない。なお、自由面３３及び固定面３４の指定の入力は、例えば、記憶部１３に記憶されている形状データに基づく３次元表示をディスプレイなどの表示機器に表示させ、マウスなどの入力部１１でディスプレイに表示された形状の面を指定することにより入力されてもよい。そのように自由面３３及び固定面３４の指定の入力を行うことにより粒子法計算における境界条件の指定を容易に行うことができる。
【００３３】
自由面３３及び固定面３４の指定の入力が入力部１１に受け付けられると（図２のＳ３：ＹＥＳ）、仮想粒子作成部２２は、図３（ｂ）に示されるように、片持ち梁３１の外側に第１仮想粒子３５及び第２仮想粒子３６を作成する。具体的には、仮想粒子作成部２２は、図１に示されるように、第１仮想粒子作成部２２１及び第２仮想粒子作成部２２２を含む。第１仮想粒子作成部２２１は、図３（ｂ）に示されるように、自由面３３側の最外層に配置される内部粒子３２と自由面３３に対して面対称の位置に第１仮想粒子３５を作成する（図２のＳ４）。第２仮想粒子作成部２２２は、固定面３４側の最外層に配置される内部粒子３２と固定面３４に対して面対称の位置に第２仮想粒子３６を作成する（図２のＳ５）。
【００３４】
境界条件付与部２３は、図１に示されるように、外力境界条件付与部２３１及び固定境界条件付与部２３２を含む。第１仮想粒子３５及び第２仮想粒子３６が作成された後、外力境界条件付与部２３１は、図３（ｃ）に概念的に示されるように、第１仮想粒子３５に外力に関する境界条件（負荷境界条件）を付与する（図２のＳ６）。固定境界条件付与部２３２は、第２仮想粒子３６に固定に関する境界条件（変位境界条件）を付与する（図２のＳ７）。
【００３５】
境界条件の付与後、状態計算部２４は、ＳＰＨに基づいて、各内部粒子３２のモデルデータ、外力に関する境界条件が付与された各第１仮想粒子３５のデータ及び固定に関する境界条件が付与された各第２仮想粒子３６のデータを用いて、各内部粒子３２の状態を計算する（図２のＳ８）。
【００３６】
状態計算部２４によるすべての計算が終了すると（図２のＳ９：ＹＥＳ）、その計算結果に応じた画像が解析結果として出力部１２に出力される（図２のＳ１０）。
【００３７】
＜作用効果＞
以上のように、片持ち梁３１の自由面３３から片持ち梁３１の外側に離れた位置、具体的には、自由面３３側の最外層に配置される内部粒子３２と自由面３３に対して面対称の位置に第１仮想粒子３５が作成され、その第１仮想粒子３５に外力に関する境界条件が付与される。また、片持ち梁３１の固定面３４から片持ち梁３１の外側に離れた位置、具体的には、固定面３４側の最外層に配置される内部粒子３２と固定面３４に対して面対称の位置に第２仮想粒子３６が作成され、その第２仮想粒子３６に固定に関する境界条件が付与される。そして、内部粒子３２並びに境界条件が付与された第１仮想粒子３５及び第２仮想粒子３６のデータを用いて、内部粒子３２の状態が計算される。
【００３８】
たとえば、自由面３３側及び固定面３４側の最外層に配置される内部粒子３２に境界条件を付与する方法では、最外層の内側に配置される内部粒子３２のうち境界条件が付与された内部粒子３２については、粒子の運動が境界条件に基づいて制限されることにより、その計算結果（解析結果）が悪くなるおそれがある。
【００３９】
これに対し、第１仮想粒子３５及び第２仮想粒子３６に境界条件を付与する方法では、自由面３３側の最外層に配置される内部粒子３２及び固定面３４側の最外層に配置される内部粒子３２に境界条件が付与されず計算結果を得ることができる。
【００４０】
よって、面を指定することにより第１仮想粒子３５及び第２仮想粒子３６が作成されて、その第１仮想粒子３５及び第２仮想粒子３６に境界条件が付与されることにより、自由面３３及び固定面３４における粒子の簡単かつ適切な設定が可能である。そのため、解析専任者でなくとも、粒子法による構造解析を行うことができる。また、自由面３３及び固定面３４における粒子の簡単かつ適切な設定により、良好な解析結果を期待することができる。
【００４１】
＜構造解析方法の他の例＞
前述の構造解析方法の一例では、片持ち梁３１が複数の内部粒子３２の集まりとしてモデル化された後、片持ち梁３１の外側に第１仮想粒子３５及び第２仮想粒子３６が作成されるとした。
【００４２】
これに限らず、図４に示されるように、片持ち梁３１の外側に第１仮想粒子３５及び第２仮想粒子３６が作成された後に、片持ち梁３１が複数の内部粒子３２の集まりとしてモデル化されてもよい。
【００４３】
すなわち、図４に示される構造解析方法では、自由面３３及び固定面３４の指定の入力が入力部１１に受け付けられた後、第１仮想粒子作成部２２１は、図４（ａ）に示されるように、自由面３３に対して片持ち梁３１の外側に第１所定距離を開けた位置に第１仮想粒子３５を作成する。また、第２仮想粒子作成部２２２は、固定面３４に対して片持ち梁３１の外側に第２所定距離を開けた位置に第２仮想粒子３６を作成する。
【００４４】
その後、モデル粒子作成部２１は、図４（ｂ）に示されるように、第１仮想粒子３５と自由面３３に対して面対象の位置及び第２仮想粒子３６と固定面３４に対して面対象の位置の各位置に内部粒子３２を作成する。
【００４５】
そして、モデル粒子作成部２１は、図４（ｃ）に示されるように、先に作成された内部粒子３２を基準に残りの内部粒子３２を作成する。
【００４６】
この方法によっても、自由面３３及び固定面３４における粒子の簡単かつ適切な設定が可能である。ただし、図３に示される構造解析方法では、第１仮想粒子３５及び第２仮想粒子３６が作成される前に内部粒子３２が作成されるので、図４に示される構造解析方法よりも内部粒子３２の位置の制約が少なく、片持ち梁３１を容易にモデル化することができる。
【００４７】
＜仮想粒子の他の作成方法＞
また、第１仮想粒子３５及び第２仮想粒子３６を作成する方法として、図５に示される方法が採用されてもよい。
【００４８】
すなわち、図５（ａ）に示されるように、片持ち梁３１が複数の内部粒子３２の集まりとしてモデル化され、自由面３３及び固定面３４の指定の入力が入力部１１に受け付けられた後、仮想粒子作成部２２は、図５（ｂ）に示されるように、片持ち梁３１の外面に対して片持ち梁３１の外側に所定距離を開けた位置にオフセット面４１を設定する。そして、仮想粒子作成部２２は、片持ち梁３１の外面とオフセット面４１とに挟まれた領域に、仮想粒子４２を内部粒子３２間の間隔と同じ間隔で作成する。
【００４９】
その後、仮想粒子作成部２２は、図５（ｃ）に示されるように、自由面３３とオフセット面４１とに挟まれた領域に作成された仮想粒子４２を第１仮想粒子３５として残すとともに、固定面３４とオフセット面４１とに挟まれた領域に作成された仮想粒子４２を第２仮想粒子３６として残し、それら以外の仮想粒子４２を消去する。これにより、各内部粒子３２の状態が計算される際には、その計算に不要な仮想粒子４２が存在しない。
【００５０】
この方法によっても、自由面３３及び固定面３４における粒子の簡単かつ適切な設定が可能である。
【００５１】
＜変形例＞
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもでき、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１：構造解析装置
１４：解析部
３１：片持ち梁
３２：内部粒子
３３：自由面
３４：固定面
３５：第１仮想粒子
３６：第２仮想粒子
【図１】
2018116560.tif 000003
【図２】
2018116560.tif 000004
【図３】
2018116560.tif 000005
【図４】
2018116560.tif 000006
【図５】
2018116560.tif 000007