(57)【要約】【課題】  有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のあるＳＰＨ法とのハイブリッドアプローチを用いるコンピュータ支援工学解析のシステムおよび方法を開示する。【解決手段】  一の面に関して、コンピュータ支援工学解析が、構造体間の衝突イベントをシミュレートするために実行される。ＦＥＭグリッドモデルが、幾何学的配置と材料特性を表わす複数のソリッド要素を用いて、構造体を表わすよう形成される。２つの構造体間の接触が予め定義された材料構成方程式に従って材料破壊すなわち構造的な破壊をもたらすと、構造体の破壊された部分を表わすソリッド要素が取り除かれる。そして、それぞれの破壊されたソリッド要素は、ＳＰＨ解析を用いて解析される複数の粒子と置き換えられる。破壊された要素と置き換わる粒子は、位置、質量、速度、加速などの破壊された要素の状態および特性のすべてを継承する。置き換えは、質量と運動量とエネルギーとの保存則に従って行われる。【選択図】  図５
2009211700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のあるＳＰＨ法とのハイブリッドアプローチを用いる工学解析の方法であって、
（ａ）複数のソリッド要素を有し、衝突イベントにおける複数の構造体を表すＦＥＭグリッドモデルを定義するステップと、
（ｂ）前記衝突イベントの結果として生じる破片を表す第１粒子のグループを定義するステップであって、前記第１粒子のグループは、セット時には空であるステップと、
（ｃ）初期の解析サイクルにおいてはＦＥＭを用いて衝突イベントの工学解析の時間ドメインシミュレーションを開始するステップと、
（ｄ）１セットの構造的破壊基準に従ってＦＥＭにおいて少なくとも１つのソリッド要素が破壊されたか否かを判断するステップと、
（ｅ）前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれを、前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれに関する状態を継承する複数の第２粒子へと変換するとともに、必要に応じて前記複数の第２粒子を前記第１粒子のグループへと合成する変換合成ステップと、
（ｆ）次の解析サイクルへと時間ドメインシミュレーションにおける時間をインクリメントするステップと、
（ｇ）適応性のあるＳＰＨを用いて前記第１粒子の空ではないグループの工学解析を行うとともに、次の解析サイクルにおいて、ＦＥＭを用いて破壊されないで残っている要素を有するＦＥＭグリッドモデルの工学解析を行なうステップと、
（ｈ）ステップ（ｄ）〜（ｇ）を時間ドメインシミュレーションが終了するまで繰り返すステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記複数の構造体のそれぞれは、ＦＥＭモデルにおいて定義される材料特性を有している、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記材料特性は、前記１セットの構造的な破壊基準を応力−歪み関係の態様で定義するために用いられている、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記衝突イベントは、前記複数の構造体のうち互いに接触する少なくとも２つを含んでいる、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれが継承する前記状態は、位置と、質量と、モーメントと、エネルギーと、を含んでいる、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記変換合成ステップ（ｅ）は、さらに、前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれを、適応性規則に応じて複数の部分へと分断するステップを含み、
前記複数の第２粒子のそれぞれは、前記複数の部分の各１つに対応している、
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
さらに、前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれと前記複数の第２粒子との間で、質量とモーメントとエネルギーとの保存を維持するステップを備える、
請求項６の方法。
【請求項８】
前記適応性規則は、前記複数の第２粒子が前記破壊された要素を前記衝突イベントにおける破片として表わすのに最適であることを保証する、
請求項６に記載の方法。
【請求項９】
予め定義された合計シミュレーション時間に達したとき、前記時間ドメインシミュレーションが終了する、
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数のソリッド要素は、六面体状要素からなる、
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数のソリッド要素は、五面体状要素からなる、
請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のあるＳＰＨ法とのハイブリッドアプローチを用いる工学解析を実行するシステムであって、
入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースと、
アプリケーションモジュールに関するコンピュータが読取り可能なコードを記憶しているメモリと、
前記メモリに連結されている少なくとも１つのプロセッサと、
を備えるシステムであって、
上記の少なくとも１つのプロセッサが前記メモリ内の前記コンピュータが読み取り可能なコードを実行して、これにより、前記アプリケーションモジュールに、
（ａ）複数のソリッド要素を有し、衝突イベントにおける複数の構造体を表すＦＥＭグリッドモデルを定義するステップと、
（ｂ）前記衝突イベントの結果として生じる破片を表す第１粒子のグループを定義するステップであって、前記第１粒子のグループは、セット時には空であるステップと、
（ｃ）初期の解析サイクルにおいてはＦＥＭを用いて衝突イベントの工学解析の時間ドメインシミュレーションを開始するステップと、
（ｄ）１セットの構造的破壊基準に従ってＦＥＭにおいて少なくとも１つのソリッド要素が破壊されたか否かを判断する動作ステップと、
（ｅ）前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれを、前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれに関する状態を継承する複数の第２粒子へと変換するとともに、必要に応じて前記複数の第２粒子を前記第１粒子のグループへと合成する変換合成ステップと、
（ｆ）次の解析サイクルへと時間ドメインシミュレーションにおける時間をインクリメントする動作ステップと、
（ｇ）適応性のあるＳＰＨを用いて前記第１粒子の空ではないグループの工学解析を行うとともに、次の解析サイクルにおいて、ＦＥＭを用いて破壊されないで残っている要素を有するＦＥＭグリッドモデルの工学解析を行なうステップと、
（ｈ）動作ステップ（ｄ）〜（ｇ）を時間ドメインシミュレーションが終了するまで繰り返す動作ステップと、
を実行させるシステム。
【請求項１３】
前記変換合成ステップ（ｅ）は、さらに、前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれを、適応性規則に応じて複数の部分へと分断するステップを含み、
前記複数の第２粒子のそれぞれは、前記複数の部分の各１つに対応している、
請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
さらに、前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれと前記複数の第２粒子との間で、質量とモーメントとエネルギーとの保存を維持するステップを備える、
請求項１３のシステム。
【請求項１５】
前記適応性規則は、前記複数の第２粒子が前記破壊された要素を前記衝突イベントにおける破片として表わすのに最適であることを保証する、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のあるＳＰＨ法とのハイブリッドアプローチを用いる工学解析の方法を実行するコンピュータが読み取り可能な手段を記憶しているコンピュータで使用可能な記憶媒体であって、
（ａ）複数のソリッド要素を有し、衝突イベントにおける複数の構造体を表すＦＥＭグリッドモデルを定義するコンピュータが読み取り可能なコードと、
（ｂ）前記衝突イベントの結果として生じる破片を表す第１粒子のグループを定義するコードであって、前記第１粒子のグループは、セット時には空である、コンピュータが読み取り可能なコードと、
（ｃ）初期の解析サイクルにおいてはＦＥＭを用いて衝突イベントの工学解析の時間ドメインシミュレーションを開始するコンピュータが読み取り可能なコードと、
（ｄ）１セットの構造的破壊基準に従ってＦＥＭにおいて少なくとも１つのソリッド要素が破壊されたか否かを判断するコンピュータが読み取り可能なコードと、
（ｅ）前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれを、前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれに関する状態を継承する複数の第２粒子へと変換するとともに、必要に応じて前記複数の第２粒子を前記第１粒子のグループへと合成するコンピュータが読み取り可能な変換合成コードと、
（ｆ）次の解析サイクルへと時間ドメインシミュレーションにおける時間をインクリメントするコンピュータが読み取り可能なコードと、
（ｇ）適応性のあるＳＰＨを用いて前記第１粒子の空ではないグループの工学解析を行うとともに、次の解析サイクルにおいて、ＦＥＭを用いて破壊されないで残っている要素を有するＦＥＭグリッドモデルの工学解析を行なうコンピュータが読み取り可能なコードと、
（ｈ）ステップ（ｄ）〜（ｇ）を時間ドメインシミュレーションが終了するまで繰り返すコンピュータが読み取り可能なコードと、
を備えるコンピュータで使用可能な記憶媒体。
【請求項１７】
変換合成コード（ｅ）は、さらに、前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素の上記のそれぞれを、適応性規則に応じて複数の部分へと分断するステップを含み、
前記複数の第２粒子のそれぞれは、前記複数の部分の各１つに対応している、
請求項１６に記載のコンピュータで使用可能な記憶媒体。
【請求項１８】
さらに、前記少なくとも１つの破壊されたソリッド要素の上記のそれぞれと前記複数の第２粒子との間で、質量とモーメントとエネルギーとの保存を維持するコンピュータが読み取り可能なコードを備える、
請求項１６に記載のコンピュータで使用可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、コンピュータ支援工学解析、特に、有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  （ＦＥＭ））および適応性のあるＳＰＨ（Ｓｍｏｏｔｈｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ）法を含むハイブリッドアプローチ（ハイブリッド手法）を用いる工学解析の方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
連続体力学は、固体および流体（つまり液体および気体）など連続的な物体のシミュレートに用いられている。微分方程式が、連続体力学の問題を解くときに用いられる。多くの数量的な手順が用いられている。最もポピュラーな方法のうちの１つは、有限要素解析法（ＦＥＡ）である。有限要素解析法（ＦＥＡ）は、三次元の非線形的構造の設計および解析など複雑な系に関係する工学問題をモデル化して解くために、産業界において広く用いられる、コンピュータで処理される方法である。ＦＥＡの名前は、検討（解析）対象とするオブジェクト（ｏｂｊｅｃｔ）の幾何学的配置（幾何学的形態）（ジオメトリ（ｇｅｏｍｅｔｒｙ））を指定する方法に由来する。近代デジタルコンピュータの登場により、ＦＥＡは、ＦＥＡソフトウェアとして実装されるようになった。基本的に、ＦＥＡソフトウェアには、幾何学的な記述の格子に基づいた（グリッドベースの）モデル（ｇｒｉｄ−ｂａｓｅｄ  ｍｏｄｅｌ）と、モデル内の各点における関連する材料特性と、が提供されている。このモデルにおいて、解析される系の幾何学的配置（ジオメトリ）は、要素（エレメント（ｅｌｅｍｅｎｔ））と呼ばれる種々のサイズの中実物（ソリッド（ｓｏｌｉｄ））（ソリッド要素）と、外殻物（シェル（ｓｈｅｌｌ））（シェル要素）と、梁状物（ビーム（ｂｅａｍ））（はり要素、ビーム要素）と、によって表現される。エレメントの頂点（バーテックス（ｖｅｒｔｅｘ））は、ノード（ｎｏｄｅ）と呼ばれる。モデルは、材料特性と関連づけられた材料名が割り当てられている有限要素（ｆｉｎｉｔｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ）で構成される。モデルは、このように、解析される対象によって占められた物理的空間を、そのすぐ隣接した周囲の状況とともに表現する。そして、ＦＥＡソフトウェアは、各材料タイプの特性（例えば応力−歪み構成方程式、ヤング率、ポアソン比、熱伝導率）を一覧にしたテーブルを参照する。さらに、対象の境界における条件（つまり荷重、物理的な拘束など）が指定される。このようにして、対象のモデルとその環境が生成される。
【０００３】
モデルが定義されると、ＦＥＡソフトウェアは、指定された荷重あるいは初期条件で物理的な挙動のシミュレーションを行なうことができる。ＦＥＡソフトウェアは、自動車産業において広範に用いられており、自動車およびエアバッグと相互に作用する乗員ダミー人形に対する前面および側面の衝撃、およびシート状金属からのボディー部の成形をシミュレートする。このようなシミュレーションは、価値ある洞察をエンジニアに提供し、エンジニアは自動車の安全性を改善することができ、ニューモデルを市場により早く出すことができる。シミュレーションは、一般に、時間ドメイン（時間領域）で行なわれる。時間ドメインは、ＦＥＡが多くの解析サイクル（解析周期）において演算されることを意味する。解析サイクル（解析周期）は、初期解析サイクルからスタートし、以降の各サイクルにおいて、シミュレーション時間は時間ステップ（ΔＴという）ずつインクリメントされる。
【０００４】
中実要素（ソリッド要素）は、典型的には厚い部分すなわち中実体のモデル化のために用いられる。三次元において、ソリッド要素は、煉瓦（ブリック）状すなわち六面体状に形成される。低位煉瓦要素は、各コーナーにノードを有しており、したがって、８ノードの煉瓦状あるいは六面体状要素と呼ばれる。互換性のある応力フィールドおよび歪みフィールドは、要素ドメイン内で線形関係にある。６ノードの五面体状要素などの他のタイプのソリッド要素もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最も困難だが挑戦する価値のあるＦＥＡのタスクの１つは、構造的な破損を伴う衝突イベントをシミュレートすることである。現代のコンピュータ技術が向上するにつれ、エンジニアは、構造的な破壊あるいは破損を伴う衝突イベントにおける挙動を単にシミュレートすることを望むだけでなく、その衝突の結果として生じる破片をシミュレートすることをも求めている。しかしながら、ＦＥＡを用いて連続体力学問題を解くことで衝突イベントのシミュレートをする場合、破片をシミュレートすることは困難である。
【０００６】
ＦＥＡにおける他の問題は、適応性である。より正確なシミュレーションを得るためには、注目領域（例えば衝突イベントでの接触領域）周辺のＦＥＭグリッドモデルを改良することが好ましい。しかしながら、ＦＥＡに、適応性を組み込むことは、あまり容易ではない。
【０００７】
従来技術の上記の欠点、問題および制限から、衝突イベントであって衝突イベントの結果として生じる破片を含む構造的な破壊あるいは破損を伴う衝突イベントをシミュレートすることが可能な工学解析を行なうよう改良された方法およびシステムが望まれよう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この章は、本発明のいくつかの面を要約することを目的とし、いくつかの好ましい態様を簡潔に紹介するものである。要約および発明の名称と同様に、この章において、簡略化あるいは省略が、この章の目的を損なわないように行われている場合がある。このような簡略化あるいは省略は、本発明の範囲を制限するものではない。
【０００９】
本発明は、有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のあるＳＰＨ法とのハイブリッドアプローチを用いるコンピュータ支援工学解析のシステムおよび方法を開示する。本発明の一側面として、コンピュータ支援工学解析は、２つ以上の対象（例えば構造体）間の衝突イベントをシミュレートするために実行される。ＦＥＭモデル（つまりグリッドベースのモデル）は、幾何学的配置（ジオメトリ）と材料特性とを表わす複数のソリッド要素を用いて、構造体を表わすよう形成される。衝突イベントによる２つの構造間の接触が予め定義された材料構成方程式に従って材料あるいは構造的な破壊をもたらすと、構造体の破壊された部分を表わすソリッド要素が取り除かれる。そして、それぞれの破壊されたソリッド要素は、ＳＰＨ解析を用いて解析される複数の粒子と置き換えられる。破壊された要素と置き換わる粒子は、位置、質量、速度、加速などの破壊された要素の状態および特性のすべてを継承する。置き換えは、質量と運動量とエネルギーとの保存則に従って行われる。適応性のあるＳＰＨ分断手法には、破壊されたエレメントのそれぞれを複数の粒子へと変換する多くの手法がある。例えば、適応性のあるＳＰＨ分断手法には、破壊されたエレメントのそれぞれを、１つから２つの粒子へと、１つから４つの粒子へと、１つから６つの粒子へと、１つから８つ以上の粒子へと、変換する手法がある。
【００１０】
本発明の他の面として、ＳＰＨ解析は、ＦＥＭ解析における破壊されたソリッド要素からの変換により生じた粒子のグループに対して実行される。ＳＰＨ解析は、流体の流れのシミュレートのために用いられる演算方法である。しかしながら、ＳＰＨは、宇宙物理学、弾道学、火山学および津波など多くの分野において用いられている。ＳＰＨは、フィールド（例えば液体、構造体など）を粒子のグループへと分割すなわち分断することによって機能する。粒子のそれぞれは、「平滑化された長さ（ｓｍｏｏｔｈｅｄ  ｌｅｎｇｔｈ）」と呼ばれる空間的距離を有する。「平滑化された長さ」は、影響の範囲（例えば「平滑化された長さ」の半径を有する円形領域）を決定する。カーネル関数は、影響の範囲内の粒子のすべてに対して演算される。グリッド（格子）のすなわちメッシュ（網目）の拘束がないので、ＳＰＨにおいては、比較的容易に適応性を実現することができる。
【００１１】
一の態様として、本発明は、有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のあるＳＰＨ法とのハイブリッドアプローチを用いる工学解析の方法であって、少なくとも以下のステップを備える方法である。
（ａ））複数のソリッド要素を有し、衝突イベントにおける複数の構造を表すＦＥＭグリッドモデルを定義するステップ。
（ｂ）衝突イベントの結果として生じる破片を表す第１粒子のグループを定義するステップであって、該第１粒子のグループは、始め（セット時）には空であるステップ。
（ｃ）初期の解析サイクルにおいてはＦＥＭを用いて衝突イベントの工学解析の時間ドメインシミュレーションを開始するステップ。
（ｄ）１セットの構造的破壊基準に従ってＦＥＭにおいて少なくとも１つのソリッド要素が破壊されたか否かを判断するステップ。
（ｅ）少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれを、少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のそれぞれに関する状態を継承する複数の第２粒子へと変換するとともに、必要に応じてその複数の第２粒子を第１粒子のグループへと合成する変換合成ステップ。
（ｆ）次の解析サイクルへと時間ドメインシミュレーションにおける時間をインクリメントするステップ。
（ｇ）適応性のあるＳＰＨを用いて第１粒子の空ではないグループの工学解析を行うとともに、次の解析サイクルにおいて、ＦＥＭを用いて破壊されないで残っている要素を有するＦＥＭグリッドモデルの工学解析を行なうステップ。
（ｈ）ステップ（ｄ）〜（ｇ）を時間ドメインシミュレーションが終了するまで繰り返すステップ。
【００１２】
方法は、さらに、少なくとも１つの破壊されたソリッド要素の上記のそれぞれを、適応性規則に応じて複数の部分へと分断するステップを備え、そして、複数の第２粒子のそれぞれは、複数の部分の各１つに対応しているステップと、少なくとも１つの破壊されたソリッド要素のぞれぞれと複数の第２粒子との間で、質量とモーメントとエネルギーとの保存を維持するステップと、を備えている。
【００１３】
本発明の目的、特徴および利点の１つは、破片がもたらされる衝突イベントの工学解析のより現実的な時間ドメインシミュレーションを可能にすることにある。本発明の他の目的、特徴および利点は、添付した図面を参照し、以下の本発明の実施の形態の詳細な説明を考察することによって明らかとなろう。
【００１４】
本発明のこれらおよび他の特徴、面および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲および添付した図面を考慮してより理解されよう。図面は次の通りである。
【００１５】
図１Ａ乃至図１Ｃは、発射体と平面を有する構造体との間の衝突イベントを示す一連の図である。
【００１６】
図２Ａ乃至図２Ｂは、本発明の一の実施形態にかかる破壊基準として用いることができる、２つの例示的な応力−歪み曲線を示す図である。
【００１７】
図３Ａ乃至図３Ｇは、本発明の一の実施形態にかかる、破壊された要素を複数の粒子に変換する種々の例示的な手段を示すいくつかの図である。
【００１８】
図４Ａ乃至図４Ｃは、本発明のある実施形態にかかる、有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のあるＳＰＨ法とを有する例示的なハイブリッドアプローチを用いる衝突イベントを示す一連の図である。
【００１９】
図５は、本発明のある実施形態にかかる、ＦＥＭと適応性のあるＳＰＨとのハイブリッドアプローチを用いて衝突イベントの工学解析を実行する例示的なコンピュータによって実行されるプロセスを示すフローチャートである。
【００２０】
図６は、本発明のある実施形態を実行可能である演算処理装置の主要な部品（構成要素）を示す機能図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下の説明においては、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的に特化した部分について詳細に説明する。しかしながら、これらの具体的に特化した部分がなくとも、本発明を実現できることは、当業者にとって明らかであろう。ここでの説明および表現は、当該技術分野で経験のある者すなわち当業者が最も効果的に彼らの仕事の本質を他の当業者に伝えるために用いる一般的な（共通の）手段である。他の場合では、よく知られている方法、手順、部品および回路類は、本発明の内容を不必要に不明瞭にすることを回避するために、詳細には説明しない。
【００２２】
ここで言及する「一の実施形態」あるいは「ある実施形態」は、その実施形態に関して説明される特定の特徴、構造あるいは特性を本発明の少なくとも１つの実施形態にも含ませることができるということを意味する。本明細書においてところどころに現れる語「一の実施形態において」は、必ずしも同じ実施形態をすべて言及しているのではなく、また、他の実施形態とは互いに相容れない別のあるいは代替的な実施形態でもない。さらに、本発明の１つ以上の実施形態を表わすプロセスフローチャートすなわちプロセス図におけるブロックの順序は、いかなる特定の順序を本質的に示すものではなく、また、本発明におけるいかなる限定をも含意するものでもない。
【００２３】
本発明の実施形態を、図１Ａ乃至図６を参照して、ここに説明する。しかしながら、当業者は、これらの図面に関してここでなされる詳細な説明が、本発明がこれらの限定的な実施形態を越えて広がっていることの解説的な目的のためのものであると容易に分かるであろう。
【００２４】
図１Ａ乃至図１Ｃは、発射体１１０と平面を有する構造体１２０との間の例示的な一連の衝突イベントを示す。発射体１１０は、ＦＩＫＧ６において時間Ｔ０で最初に示される質量および速度１１１を有する。発射体１１０は、構造体１２０に向かって進行する。構造体１２０は、それ自身の材料特性（例えば鋼、コンクリートなど）を有している。発射体１１０および構造体１２０は、有限要素法（ＦＥＭ）グリッドモデルによって表わされる。図示の簡単化のために、発射体１１０に対するＦＥＭモデルを二次元として示しており、一方、構造体１２０を三次元として示している。実際には、両方のモデルは三次元であり、いろいろな数のソリッド要素（例えば六面体状の要素）で形成することができる。次に、図１Ｂに示すように、発射体１１０は、初期の位置から後の時間Ｔ１の後に、平面上の位置１１５で構造体１２０と最初に接触する。最後に、時間Ｔ２で、発射体１１０は、図１Ｃに示すように構造体１２０を貫通している。取り除かれたソリッド要素の衝突領域１２５は、発射体１１０からの衝撃による構造体１２０の構造的な破壊を表わしている。ここに示し説明した例示的な衝突イベントを、本発明の一の実施形態にかかるコンピュータによって実現される方法によってシミュレートすることができる。その利点は、コストがかかるだけでなく実際に実行することが非常に難しい物理的なテストを実際に実行することなく、衝突イベントの構造的な挙動を予測することにある。
【００２５】
構造的な破壊は、長年、エンジニアや材料科学者によって研究されている。材料挙動を分類する１つの方法は、材料サンプル、例えば長い円筒状の試料の引張テストを行なうことである。引張力は、試料の長手方向軸に沿って印加される。このようなテストの結果は、サンプルに印加された荷重の測定から得られる応力と、サンプルの変形例えば伸びから得られる歪みと、の関係を示す応力−歪み曲線である。テストを、圧縮力やねじり力などの他の荷重で構成することもできる。
【００２６】
図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の一の実施形態にかかる、構造体における材料破壊を決定するために用いることができる例示的な第１および第２応力−歪み曲線２００，２５０を示す。第１応力−歪み曲線２００は、鋼など延性がある材料に対するものである。第１曲線２００を描いたグラフにおいて、縦軸２０２は応力を表しており、横軸２０４は歪みを表している。材料は、２つの挙動を有する。その２つの挙動とは、弾性域２０６と塑性域２０８とである。塑性域２０８は、３つのカテゴリーにさらに分類される。降伏２２４と、歪み硬化２２６と、ネッキング（くびれ）２２８と、である。第１曲線２００の弾性域の頂端部は、降伏応力に対応する降伏点２１４である。破壊応力は、極限強さ点２１６に対応し、また、破損すなわち破壊応力は破損位置２１８に対応する。本発明の一側面として、材料が工学解析のシミュレーションにおける数値計算により破損応力を受けたと判断された場合、その材料は、破壊された材料（つまり、破壊された構造体）と見なされる。
【００２７】
第２応力−歪み曲線２５０は、第１曲線２００の材料挙動と比べて、非常に異なる材料挙動を示す。第２曲線２５０において示す典型的な材料挙動は、ゴムあるいは泡など超弾性材料である。このような材料は、弾性域２５６と極限強さ２６６とのみを有することになり、極限強さ２６６と破断点２６８とは同じものとなる。材料特性を応力２０２と歪み２０４との間の数量的な関係によって表わすことができるので、このような関係は、本発明の一の実施形態によって用いることができるコンピュータによって実現される方法における構成方程式として定義される。例えば、ＦＥＭを用いる時間ドメインシミュレーションの際に構造的な破壊が決定されると、破壊された構造体を表わす要素は取り除かれる。
【００２８】
本発明の一側面として、衝突の結果として生じる破片（つまり、取り除かれた要素）は、ＳＰＨ法によって計算される粒子によって表わされる。図３Ａ乃至図３Ｇは、本発明の一の実施形態にかかる、破壊された六面体状の要素３１０（つまり８ノード中実物）を分断する種々の例示的な手法を示す。図３Ａにおいて、破壊された要素３１０は、対角線で分割されて２つの角柱３１２となる。２つの角柱３１２のそれぞれは、平面図３１３に示す２つの粒子３１４へと変換される。粒子３１４は、破壊された要素３１０の状態（例えば位置、質量、運動量、エネルギー）を継承する。限定するものではないが、位置を選択する方法には、質量中心、重心、幾何学的中心、積分点を含む多くの方法がある。言いかえれば、それぞれの破壊された要素を複数の粒子に変換するとき、質量、運動量およびエネルギーの保存則が、保たれている。
【００２９】
図３Ｂに示す別の分断手法では、破壊された要素３１０は、２つの六面体３２２に分割され、２つの六面体３２２のそれぞれが粒子３２４へと変換される。他の実施形態においては、破壊された要素３１０を、図３Ｃおよび図３Ｄに示すように４つの粒子３３４，３４４へと変換することもでき、あるいは、図３Ｅおよび図３Ｆに示すように８つの粒子へと変換することもできる。図３Ｇに示すさらに他の実施形態においては、破壊された要素３１０が、６つの四面体３５２へと分断され、そして、その後それらが６つの粒子３５４へと変換される（３つのみ図示）。１つの六面体状の要素を分断するには多数の可能性があることを付言しておく。工学解析の要求に応じて、種々の分断手法の中からどのような手法を用いることも可能である。例えば、粉砕されるガラスのシミュレートでは、鋼ブロックへの弾丸をシミュレートするよりもより多くの粒子で破壊された要素を置き換えることができる。図３Ａ乃至図３Ｇに示す分断手法を、適応性のあるＳＰＨ法(適応ＳＰＨ法）の手法と呼ぶ。
【００３０】
図４Ａ乃至図４Ｃは、本発明の実施形態にかかる、有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のあるＳＰＨ法とを有する例示的なハイブリッドアプローチを用いる衝突イベント（例えば図１Ａ乃至図１Ｃに示したイベント）を示す図である。図４Ａは、発射体４１０が２５個のソリッド要素のＦＥＭグリッドモデルによって表わされている構造体４２０に接触していることを示す。衝突による構造的な破壊をシミュレートするために、接触領域にある２５個の要素のうちの４つの要素４２５は、破壊された１要素当たり２つの粒子、つまり、合計８つの粒子４４４で置き換えられる。粒子のそれぞれは、質量、運動量およびエネルギー保存則を満たすように、質量と速度とを有する。図４Ｂおよび図４Ｃは、後の時間における衝突イベントの図を示す。
【００３１】
図５は、本発明のある実施形態にかかる、ＦＥＭと適応性のあるＳＰＨとのハイブリッドアプローチを用いて衝突イベントの工学解析を実行する例示的なプロセス５００を示すフローチャートである。プロセス５００を、ソフトウェア、ハードウェア、あるいはその両方の組合せで実行できる。プロセス５００は、好ましくは先の図とともに理解される。
【００３２】
衝突イベントの工学解析の時間ドメインシミュレーションにおいて構造体（例えば図４Ａにおける発射体４１０および構造体４２０のＦＥＭモデル）を表わしている複数のソリッド有限要素（例えば８ノードの六面体状の要素）を用いてＦＥＭモデルグリッドモデルを、５０２において、定義することによってプロセス５００がスタートする。
【００３３】
次に、５０４において、ＦＥＭを用いてＦＥＭグリッドモデル上で時間ドメインシミュレーションが、始めに、すなわち時間（Ｔ）＝０で、スタートする。
【００３４】
そして、その後、プロセス５００は、構造的すなわち材料破壊が現在の解析サイクルで起こっているか否かを決定する判断ステップ５０６へと移行する。一の実施形態において、構造的すなわち材料破壊は、ＦＥＭモデルにおいて定義された構成方程式に従って、要素ごとにチェックされる。
【００３５】
ステップ５０６での判断結果が「ｙｅｓ」の場合、ステップ５０８において、プロセス５００は、図３Ａ乃至図３Ｇに示す適応性のあるＳＰＨ手法のうちの１つの手法に基づいて、それぞれの破壊された要素を複数の粒子に変換し、そして、その新たに変換された粒子は、もしすでに存在している粒子のグループがある場合には、その粒子のグループに合成される、すなわち、加えられる。その一方で、ステップ５０６での判断結果が「ｎｏ」の場合、プロセス５００はステップ５０８をスキップする。
【００３６】
次に、ステップ５１０において、シミュレーション時間が、時間ドメインシミュレーションの次の解析サイクルのために、時間増分、すなわち時間ステップΔＴずつインクリメントされる。
【００３７】
そして、その後、プロセス５００は、現在の時間が時間ドメインシミュレーションの終了に達したか否かを、例えば、現在の時間を予め定義された合計シミュレーション時間Ｔｔｏｔａｌと照合して、決定する。
【００３８】
ステップ５１２での判断結果が「ｎｏ」の場合、プロセス５００は、ステップ５１４において、破壊された要素から変換された粒子のグループに対して、グループに少なくとも１つの粒子がある場合、ＳＰＨ計算を行なう。
【００３９】
次に、プロセス５００は、破壊されないで残っている要素を有するＦＥＭグリッドモデルのＦＥＭ解析を、ステップ５１６において、行なう。
【００４０】
そして、その後、プロセス５００は、判断ステップ５１２が「ｙｅｓ」になるまで、判断ステップ５０６に戻って、ここに説明したステップをそれぞれの解析サイクルに対して繰り返す。プロセス５００は、終了する。
【００４１】
一つの側面として、本発明は、ここに説明した機能を実行可能な１つ以上のコンピュータシステムに対してなされたものである。コンピュータシステム６００の一例を、図６に示す。コンピュータシステム６００は、プロセッサ６０４など１つ以上のプロセッサを有する。プロセッサ６０４は、コンピュータシステム内部通信バス６０２に接続されている。種々のソフトウェアの実施形態を、この例示的なコンピュータシステムで説明する。この説明を読むと、いかにして、他のコンピュータシステムおよび／またはコンピュータアーキテクチャーを用いて、本発明を実行するかが、関連する技術分野に習熟している者には明らかになるであろう。
【００４２】
コンピュータシステム６００は、また、メインメモリ６０８、好ましくはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有しており、また、二次メモリ６１０を有していてもよい。二次メモリ６１０は、例えば、１つ以上のハードディスクドライブ６１２、および／またはフレキシブルディスクドライブ、磁気テープドライブ、光ディスクドライブなどに代表される１つ以上のリムーバブルストレージドライブ６１４を有することができる。リムーバブルストレージドライブ６１４は、よく知られている方法で、リムーバブルストレージユニット６１８から情報を読み取り、および／またはリムーバブルストレージユニット６１８に情報を書き込む。リムーバブルストレージユニット６１８は、リムーバブルストレージドライブ６１４によって読み取り・書き込みされるフレキシブルディスク、磁気テープ、光ディスクなどを表わす。以下にわかるように、リムーバブルストレージユニット６１８は、コンピュータソフトウェアおよび／またはデータを内部に記憶しているコンピュータで使用可能な記憶媒体を有している。
【００４３】
別の実施形態において、二次メモリ６１０は、コンピュータプログラムあるいは他の命令をコンピュータシステム６００にロードすることを可能にする他の同様な手段を有することもできる。そのような手段は、例えば、リムーバブルストレージユニット６２２とインターフェース６２０とを有することができる。そのようなものの例には、プログラムカートリッジおよびカートリッジのインターフェース（ビデオゲーム機に見られるようなものなど）と、リムーバブルメモリチップ（消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）フラッシュメモリ、あるいはＰＲＯＭなど）およびそれらに対応するソケットと、ソフトウェアおよびデータをリムーバブルストレージユニット６２２からコンピュータシステム６００に転送することを可能にする他のリムーバブルストレージユニット６２２およびインターフェース６２０と、が含まれうる。一般に、コンピュータシステム６００は、プロセススケジューリング、メモリ管理、ネットワーク管理およびＩ／Ｏサービスなどのタスクを行なうオペレーティングシステム（ＯＳ）ソフトウェアによって、制御され連係される。例示的なＯＳには、Ｌｉｎｕｘ（登録商標）およびＭｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）が含まれる。
【００４４】
通信用インターフェース６２４も、また、バス６０２に接続することができる。通信用インターフェース６２４は、ソフトウェアおよびデータをコンピュータシステム６００と外部装置との間で転送することを可能にする。通信用インターフェース６２４の例には、モデム、ネットワークインターフェイス（イーサネット（登録商標）・カードなど）、コミュニケーションポート、ＰＣＭＣＩＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ｃａｒｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）スロットおよびカードなど、が含まれうる。通信用インターフェース６２４を介して転送されたソフトウェアおよびデータは、通信用インターフェース６２４によって受信可能な電子信号、電磁気信号、光学信号、あるいは他の信号により形成される（図６の信号６２８がこれらに相当する。）。これらの信号６２８は、通信経路（つまりチャンネル）６２６を介して通信用インターフェース６２４へと出力される。このチャンネル６２６は、信号（すなわちデータの流れ）６２８を伝送するものであり、ワイヤすなわちケーブル、光ファイバー、電話線、携帯電話リンク、ＲＦリンク、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）無線リンクおよび他の通信チャネルを用いて実現することができる。
【００４５】
チャンネル６２６は、データネットワークとコンピュータ６００との間のデータの流れ６２８を円滑化し、典型的には、特定の通信手続（つまりプロトコル）を実行してデータを送受信する。一般的なプロトコルのうちの１つは、インターネットにおいて一般に用いられているＴＣＰ／ＩＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）である。一般に、通信インターフェース６２４は、データファイルをデータネットワーク上で伝達される小さいパケットへ分割し、あるいは受信したパケットを元のデータファイルへと組み立てる（再構築する）、いわゆるパケットのアセンブル・リアセンブル管理を行う。さらに、通信インターフェース６２４は、正しい宛先に届くようそれぞれのパケットのアドレス部分に対処し、あるいはコンピュータ６００が宛先となっているパケットを他に向かわせることなく確実に受信する。
【００４６】
この書類において、「コンピュータプログラム媒体」および「コンピュータで使用可能な媒体」という語は、リムーバブルストレージドライブ６１４やハードディスクドライブ６１２に組み込まれたハードディスクなどの媒体を通常意味して用いられている。これらのコンピュータプログラム製品は、コンピュータシステム６００にソフトウェアを提供する手段である。本発明は、このようなコンピュータプログラム製品に対してなされたものである。
【００４７】
コンピュータシステム６００は、また、コンピュータシステム６００をモニタ、キーボード、マウス、プリンタ、スキャナ、プロッタなどとアクセスさせるための入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース６３０を有していてもよい。
【００４８】
コンピュータプログラム（コンピュータ制御ロジックともいう）は、メインメモリ６０８および／または二次メモリ６１０にアプリケーションモジュール６０６として記憶される。コンピュータプログラムを、通信用インターフェース６２４を介して受け取ることもできる。このようなコンピュータプログラムが実行された時、コンピュータプログラムによって、コンピュータシステム６００がここに説明した本発明の特徴を実行することが可能になる。詳細には、コンピュータプログラムが実行された時、コンピュータプログラムによって、プロセッサ６０４が本発明の特徴を実行することが可能になる。したがって、このようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステム６００のコントローラを表わしている。
【００４９】
ソフトウェアを用いて発明が実行される実施形態において、当該ソフトウェアは、コンピュータプログラム製品に記憶され、あるいは、リムーバブルストレージドライブ６１４、ハードドライブ６１２あるいは通信用インターフェース６２４を用いてコンピュータシステム６００へとロードされる。アプリケーションモジュール６０６は、プロセッサ６０４によって実行された時、アプリケーションモジュール６０６によって、プロセッサ６０４がここに説明した本発明の機能を実行する。
【００５０】
所望のタスクを実現するために、Ｉ／Ｏインターフェース６３０を介したユーザ入力によって、あるいは、よることなしに、１つ以上のプロセッサ６０４によって実行することができる１つ以上のアプリケーションモジュール６０６を、メインメモリ６０８に、ロードすることもできる。動作においては、少なくとも１つのプロセッサ６０４がアプリケーションモジュール６０６のうちの１つが実行されると、結果が演算されて二次メモリ６１０（つまりハードディスクドライブ６１２）に記憶される。ＦＥＭ解析あるいはＳＰＨ解析の状況は、テキストあるいはグラフィック表現で、Ｉ／Ｏインターフェース６３０を介してユーザに報告される。
【００５１】
一の実施形態において、第１アプリケーションモジュール６０６はＦＥＭ解析を実行するために構成され、また、第２アプリケーションモジュール６０６はＳＨＰ解析を実行するために構成される。第３アプリケーションモジュール６０６は、構造的すなわち材料破壊の決定するために、かつそれぞれの破壊された要素をＳＰＨによって解析される複数の粒子に変換するために、構成される。
【００５２】
本発明を具体的なの実施形態を参照しながら説明したが、これらの実施形態は単なる例示であって、本発明を限定するものではない。開示した例示的な実施形態に対する種々の変更あるいは変形を、当業者は思いつくであろう。例えば、例示的な有限要素を８ノードの中実物（ソリッド）すなわち六面体として示し説明したが、五面体あるいは七面体など他のタイプの要素を用いることもできる。要約すると、発明の範囲は、ここで開示した具体的で例示的な実施形態に限定されず、当業者が容易に思い付くあらゆる変更が、本願の精神および認識範囲そして添付の特許請求の範囲の権利範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１Ａ】図１Ａは、発射体と平面を有する構造体との間の衝突イベントを示す一連の図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、発射体と平面を有する構造体との間の衝突イベントを示す一連の図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、発射体と平面を有する構造体との間の衝突イベントを示す一連の図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一の実施形態にかかる破壊基準として用いることができる、２つの例示的な応力−歪み曲線を示す図である。
【図２Ｂ】図２ＡＢは、本発明の一の実施形態にかかる破壊基準として用いることができる、２つの例示的な応力−歪み曲線を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の一の実施形態にかかる、破壊された要素を複数の粒子に変換する種々の例示的な手段を示すいくつかの図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の一の実施形態にかかる、破壊された要素を複数の粒子に変換する種々の例示的な手段を示すいくつかの図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の一の実施形態にかかる、破壊された要素を複数の粒子に変換する種々の例示的な手段を示すいくつかの図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の一の実施形態にかかる、破壊された要素を複数の粒子に変換する種々の例示的な手段を示すいくつかの図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、本発明の一の実施形態にかかる、破壊された要素を複数の粒子に変換する種々の例示的な手段を示すいくつかの図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、本発明の一の実施形態にかかる、破壊された要素を複数の粒子に変換する種々の例示的な手段を示すいくつかの図である。
【図３Ｇ】図３Ｇは、本発明の一の実施形態にかかる、破壊された要素を複数の粒子に変換する種々の例示的な手段を示すいくつかの図である。
【図４Ａ】図４Ａ乃至図４Ｃは、本発明のある実施形態にかかる、有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のある（ＳＰＨ）法とを有する例示的なハイブリッドアプローチを用いる衝突イベントを示す一連の図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明のある実施形態にかかる、有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のある（ＳＰＨ）法とを有する例示的なハイブリッドアプローチを用いる衝突イベントを示す一連の図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明のある実施形態にかかる、有限要素法（ＦＥＭ）と適応性のある（ＳＰＨ）法とを有する例示的なハイブリッドアプローチを用いる衝突イベントを示す一連の図である。
【図５】図５は、本発明のある実施形態にかかる、ＦＥＭと適応性のあるＳＰＨとのハイブリッドアプローチを用いて衝突イベントの工学解析を実行する例示的なコンピュータによって実行されるプロセスを示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明のある実施形態を実行可能である演算処理装置の主要な部品を示す機能図である。
【符号の説明】
【００５４】
６００  コンピュータ
６０２  バス
６０４  プロセッサ
６０６  モジュール
６０８  メインメモリ（ＲＡＭ）
６１０  第２メモリ
６１２  ハードディスクドライブ
６１４  リムーバブルストレージドライブ
６１８  リムーバブルストレージユニット
６２０  インターフェース
６２２  リムーバブルストレージユニット
６２４  通信用インターフェース
６２６  通信用経路
６２８  データの流れ
６３０  Ｉ／Ｏインターフェース
【図１Ａ】
2009211700.tif 000003
【図１Ｂ】
2009211700.tif 000004
【図１Ｃ】
2009211700.tif 000005
【図２Ａ】
2009211700.tif 000006
【図２Ｂ】
2009211700.tif 000007
【図３Ａ】
2009211700.tif 000008
【図３Ｂ】
2009211700.tif 000009
【図３Ｃ】
2009211700.tif 000010
【図３Ｄ】
2009211700.tif 000011
【図３Ｅ】
2009211700.tif 000012
【図３Ｆ】
2009211700.tif 000013
【図３Ｇ】
2009211700.tif 000014
【図４Ａ】
2009211700.tif 000015
【図４Ｂ】
2009211700.tif 000016
【図４Ｃ】
2009211700.tif 000017
【図５】
2009211700.tif 000018
【図６】
2009211700.tif 000019