ROBO-剣SimWise 4D講習
Release Notes for SimWise 9.7.0.2111
Version 9.7.0 Build: 2093(第4回ROBO-剣)Version 9.7.0 Build: 2057(第3回ROBO-剣)

日本ヴイアイグレイド 奥村作成
一般社団法人二足歩行ロボット協会 西村修正

アジェンダ
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SimWise 4D 概要
機構解析(SimWise Motion)
構造解析(SimWise FEA)
機構と構造の連携解析 (SimWise 4D)
Simulink との連携
最適化
プログラム利用申請とインストールの注意点

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アジェンダ
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SimWise 4D 概要
機構解析(SimWise Motion)
構造解析(SimWise FEA)
機構と構造の連携解析 (SimWise 4D)
Simulink との連携
最適化
デモ版申請とインストール

3

vN4D の復活版
 SimWise4D は MSC.Software社が開発/販売していたMSC.visualNastran4D の復活版
 最新のOS, Matlab/Simulink, CAD 用に更新
 機能はvN4D2004とほぼ同等
 Robo-one関連書籍の vN4D に関する情報はそのまま利用可能4

シミュレーション

機能評価(Motion)

強度評価 (FEA)

制御 (with Simulink)

動きの中の強度評価

5

CAD連携 SimWise は CAD から独立した製品

 SimWise で生成可能な形状– 直方体, 円柱, 押し出し, 球 複雑な形状はCADデータを利用

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CAD連携CADアドインダイレクトトランスレータ

標準フォーマット

IGES

STEP

STL
CADシステム内からデータを転送(*CADを起動)

CADファイルの直接読み込み

CADファイルの直接読み込み

アセンブリ拘束を SimWise ジョ
イントに自動変換

形状のみインポート

形状のみインポート

CAD の形状変更に追従

CADの形状変更に追従しない

CADの形状変更に追従しない7

レンダリングとアニメーション
 Lightworks のテクノロジによるレンダリング

 レンダリング– テクスチャマッピング– シェーディング– 半透明

 アニメーション– シミュレーション結果の再生– 高度なアニメーション
 カメラの運動制御
 カッティングプレーン– 注釈
 テキスト、距離、角度

8SimWise のインターフェース
メニュー
アイコン

オブジェクトリスト

接続リスト

シミュレーションウインドウ

プロパティリスト
テーププレイヤーコントロール

9SimWise のインターフェース
 各オブジェクトはプロパティをもつ– 表示形式、位置、速度, etc– 表示されるプロパティタブはプロパティリストで選択

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形状の読み込み/作成
 ボディの読み込み

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アジェンダ
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SimWise 4D 概要
機構解析(SimWise Motion)
構造解析(SimWise FEA)
機構と構造の連携解析 (SimWise 4D)
Simulink との連携最適化
デモ版申請とインストール

12機構解析とは？
 機構解析とは、学術的には、マルチボディダイナミクス(MBD)に分類され、多数の物体や部品からなる構造物や機械の動力学、つまりそれらの運動と振動と制御を扱う解析のことを指す。
 力学原理と計算工学に基づき、複雑なシステムを解析が可能。

 運動方程式を時間について積分し、モデルのジョイント拘束条件、荷重条件を満たす位置、速度、加速度、力などを計算する
 SimWise は自由度が0となる運動学(キネマティック)から、多自由度モデルに対する動力学(ダイナミック)まで扱う

13

モデリング…
 自由度– 「自由度が有る」とはパートが空間を自由に動き回れる状態を表す。
– 自由度には次の2つの種類（方向）がある。
並進自由度（X, Y, Z）
回転自由度（RX, RY, RZ）– 剛体ボディは機構システムに6つの自由度を付加する。
– 拘束条件により、機構システムから1～6つの自由度が除去される。

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モデリング 構成要素– ボディ
 各パーツ。剛体として扱われる– 座標点
 ボディ、または地面に貼り付けられた点.

– ジョイント パーツ間の相対運動を拘束する.座標点間に定義される .

– 力、モーメント
 パーツに与える力/モーメント. 構造解析に用いる分布荷重や圧力荷重も機構解析で利用できる.

– ばね、ダンパ モデルに粘弾性体を付加する. SimWise ではジョイントの中から選択する

15モデリング…
 ボディ– CAD(またはSimWise)で作成された形状– 剛体(変形しない)– ボディが持つ情報 位置、質量、慣性特性、ボディ座標(ローカル座標)、重心位置など
 いくつかの情報はプロパティで確認/編集できる– 材料と形状から自動計算された質量や慣性特性を変更する

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モデリング…
 座標点– 座標点は位置(座標系)とそれ自身の座標系を持つ点– ボディ上に配置するとボディとともに運動する. 背景にも配置できる.
– 用途
 ジョイントの取り付け位置
 変位や加速度などの状態量の測定点

17モデリング ジョイントの– パーツ間の相対運動を定義する
 自由度の除去
 モーション(強制運動)
 理想的な結合を表現– SimWise には様々なジョイントが準備されている.
– ジョイントは座標点と座標点の間に対して行われる

ボディ

座標
点

ジョイント

座標
点

ボディ18

モデリング SimWiseのジョイント

ボディ間が相対的にどのように運動するかを制御するジョイント (CAD のアセンブリ拘束はこれらに変換される)アクチュエータとモータ(ジョイント位置でボディに運動を伝達)
ギアとベルトボディ間の距離を制御する拘束
ばねとダンパー
柔軟な結合、過剰拘束の回避に利用可能
19

モデリング ジョイントの定義
1. 二つの座標点を選択
2. ジョイント作成

 ジョイントの種類はプロパティで変更できる ジョイントの種類でプロパティの構成は変化する

20モデリング 衝突(接触)– 機構解析における物体間の接触をモデル化– 接触モデル デフォルト– 力積/運動量モデル(反発係数と摩擦係数)– 反発係数と摩擦係数はボディのプロパティで設定

 ユーザー定義– ばね-ダンパモデル(干渉距離と干渉速度)23重力、単位系
 デフォルトで全体座標系の -Z方向に 9.81 m/s2 の重力加速度
 単位系は SI単位がデフォルト
 以下のメニューで変更可能

24

荷重、拘束などの入力値の制御
 様々な入力制御– 定数– 式
– 表形式
– コントロール Matlab/Simlink から制御可能

入力コントロール

表形式値25

状態量のモニタリング(メーター) シミュレーション中に測定する量を定義します。
– 位置、速度、加速度、拘束力、干渉チェック, etc

 テキスト、xls ファイルへの出力
 測定した量を別の関数式で利用可能– 例) 相対位置による荷重制御

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状態量のモニタリング(メーター)
1. 測定したいボディ,ジョイント,座標点を選択
2. 挿入 > メータ > 項目 を選択(*)メーターの定義はシミュレーション実行前に行う。
追加した場合は再実行が必要

27

SimWise 式言語
 SimWise の全てのオブジェクトは属性をもち、式言語で利用可能– Body[1].p.x – ボディ1 のX位置座標– Constraint[2].w.z – 拘束2のz軸まわりの角速度

 オブジェクト属性、算術演算子、論理演算子、他の関数を組み合わせた複雑な式を作成可能
if(and(body[12].v.z<=0, mag(body[4].w)<600 rpm), 5.0, 0)(ボディ12 が –z 方向に動き、且つボディ4の角速度が600rpmを下回る場合は 5.0 を返し、それ以外は 0 を返す。)

関数ビルダ• 式定義のためのGUI環境• 標準的な関数式を完備• 作成した式のグラフ表示28

シミュレーションの設定
 運動方程式を時間について数値積分する– SimWise は Kutta-Merson 法(陽解法)を用いる– 積分精度は時間増分に依存する
 計算時間と精度とのトレードオフ
 最適な時間増分の決定には複数の試行が必要– アニメーションのフレームの時間幅で結果が出力される.

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シミュレーションの実行
 テーププレイヤーコントロール
最初に戻る

FEA

停止

逆再生

実行コントロール
スライダ

実行(再生)

1フレーム
戻し

1フレーム
送り

現在のフレーム

現在の時刻

 実行
– 運動のアニメーション– 状態量の更新(グラフ)30一般的なアドバイス…
 一般的なアドバイス– モデル構成を図に書く– ボディを設定
 動解析– ジョイント追加
 動解析– 接触を追加
 動解析– 強制変位を追加
 動解析

ステップバイステップで!

31アジェンダ

SimWise 4D 概要
機構解析(SimWise Motion)
構造解析(SimWise FEA)
機構と構造の連携解析 (SimWise 4D)
Simulink との連携
最適化
プログラム利用申請とインストールの注意点

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FEAの概要
 構造解析: 構造物に荷重/境界条件を適用し強度を評価
 SimWise では 有限要素法(FEM, FEA)を用いる
 FEA とは..
– 複雑な形状を要素という簡単な形状に分割し、全体の応答を計算.
– 要素には様々な形状があるが、SimWise では10節点四面体要素(二次のテトラ要素)を使用.
– 要素でモデル形状を分割することをメッシュ分割(メッシング)という.

33

メッシュ分割 要素でモデル形状を分割することをメッシュ分割(メッシング)という メッシュ分割は形状の近似– 結果の精度はメッシュ分割に依存する– メッシュが粗いと形状(その剛性)を正しく表現できない– メッシュが粗いと要素間の応力誤差が大きくなる.
×××××××××

 SimWise にはメッシュ制御手法が二種類用意されている– 手動: メッシュコントロール– 自動: H-Adaptive 法34

メッシュ分割 メッシュコントロール(手動)– 選択したフェース、エッジのメッシュサイズを指定
1. 挿入 > メッシュコントロール
2. 形状のエッジかフェースを選択
3. プロパティ設定

35

メッシュ分割
 H-Adaptive(自動)– 誤差の大きい領域のメッシュを細分化, 誤差が目標に達すると計算終了
1. ワールド > シミュレーション設定

2. h-アダプティビティの実行
試行 1
誤差 9.8%

試行 2
誤差 4.7%

試行 3
誤差 3.8%36

材料特性
 フックの法則

公称応力 s

破断sB

降伏点s=eE

E: ヤング率sY: 降伏応力
sB: 引張強さsY
公称ひずみ e379/5/2012

材料特性
 各ボディの材料– プロパティの材料特性タブで設定– あらかじめ定義されている材料リストから選択可能

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材料特性
 新規材料の追加

39

材料特性
 大きく変形する材料について– ゴム(hyperelastic)– スポンジ(hyperform)σ SimWise FEA は線形弾性材料のみをサポート– 大きな変形は正しく表現できない– 応力とひずみの関係は線形ε

 ジョイントのばね、ダンパで表現する (参考)線形弾性材料で簡易的にモデル化する場合…
– ゴムはほぼ非圧縮材としてポアソン比 0.49
– スポンジは圧縮材としてポアソン比 040

応力の評価 降伏点を越えて塑性変形した場合、除荷しても変形が残る– 計算された応力が降伏応力よりも十分に小さい必要があるs

破断

降伏点sYe 単軸応力場であれば比較は簡単だが…
 多軸応力場の場合は単軸相当のスカラー値にして比較する– ミーゼス応力(相当応力) vs 降伏応力
41

荷重と拘束条件
 頂点、エッジ、サーフェスに適用
 座標系タイプ: 直交,円筒,面法線

 荷重タイプ:– 力: 点に対する集中荷重– トルク: 点まわりの集中モーメント– 分布荷重: フェースに対する力/面積 かエッジに対する 力/長さ
– 圧力: 圧力

 拘束タイプ:– 指定方向の固定– 指定方向の強制変位

42

解析の実行 テーププレイヤーコントロールで応力解析(または h-アダプティビティ)を選択し実行

 計算後に自動的にミーゼス応力が表示される

43

アジェンダ


SimWise 4D 概要
機構解析(SimWise Motion)
構造解析(SimWise FEA)
機構と構造の連携解析 (SimWise 4D)
Simulink との連携最適化
プログラム利用申請とインストールの注意点

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FEA + Motion
 運動するアセンブリの応力計算– 荷重条件の定義が難しい.
– ある荷重ピーク時が応力ピーク時とは限らない.

 SimWise 4D (FEA + Motion)– 機構解析による全運動履歴にわたるジョイント力と慣性力の計算– 各時刻におけるジョイント力をFEA荷重に自動変換– 各時刻における応力履歴の計算

45

FEA + Motion: 計算の流れ
Time 1Time 2Time 3Time 4

Motion は剛体として計算

Motionのジョイン
ト力をFEAに転送し応力計算

FEA結果はMotionに影響しない46

FEA + Motion
 解析設定– 応力を確認したいパーツを右クリックし “FEAの定義” を選択– ジョイント反力が適用される面を確認し、必要があれば”適用対象面を選択”で任意のフェースを選択する

47

計算の実行 テーププレイヤーコントロールで”機構とFEA”を選択し実行

 各フレームごとにFEAが実行され、ミーゼス応力が表示される– メータにFEA結果(ミーゼス応力)を設定可能

48

計算の実行 FEA + Motion は計算時間がかかる
 機構解析の結果(運動、ジョイント反力ベクトル, メーター)を確認しながら、指定時刻での応力解析を行うこともできる.

 機構解析のあるフレームを選択し、応力解析を実行する

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アジェンダ

SimWise 4D 概要
機構解析(SimWise Motion)
構造解析(SimWise FEA)
機構と構造の連携解析 (SimWise 4D)
Simulink との連携
最適化
プログラム利用申請とインストールの注意点

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Simulink インターフェース
 Simulink 制御システムの中でSimWise 機構シミュレーションを実行
 swPlant ブロックを提供

SimWise コントロール

SimWise 時刻歴(メーター)51

状態量のモニタリング(メーター)
1. 測定したいボディ,ジョイント,座標点を選択
2. 挿入 > メータ > 項目 を選択(*)メーターの定義はシミュレーション実行前に行う。
追加した場合は再実行が必要

52

コントロールの作成
 制御したいパラメータを含むオブジェクトを選択し、挿入 > コントロール

メーターとコントロールのリスト

53

入出力の割り当てと実行
 swPlant 実行はSimulink側で制御する– SimWiseは自動的に起動実行される

54

アジェンダSimWise 4D 概要
機構解析(SimWise Motion)
構造解析(SimWise FEA)
機構と構造の連携解析 (SimWise 4D)
Simulink との連携
最適化
プログラム利用申請とインストールの注意点

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最適化
 ある制約条件下で設計上の目標を満たす最適なパラメータを求める
 SimWise V9.0 で導入された新機能
 Red Cedar Technologies社の HEEDS 最適化エンジンを使用
例: 一定速度(60rpm)で回転するモーターの最大トルクが5000N-mm以下になるようにばねの位置を最適化する

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最適化の設定
 最適化に必要な三つの設定:– パラメータ(設計変数) – 目標を達成するために変更可能な変数. ばね定数やジョイント位置など.
– 目標(目的関数) – 設計上の目標、最適化される値. メーターで測定可能な状態量であれば目標設定することができる.
– 拘束(制約条件) – 満たすべき設計基準.メーターで測定可能な状態量であれば目標設定することができる.

 機構解析とFEAのパラメータを利用できる.

最適化プロセスの基本的なステップ
 パラメータ の定義
 拘束(制約条件)および目標の条件設定に使用するメーターの定義
 最適化マネージャ の使用による以下の定義– 最適化スタディに使用するパラメータ– 1つ以上の目標– 1つ以上の拘束(制約条件)– 試行回数 最適化実行58

パラメータの作成
 制御したいパラメータを含むオブジェクトを選択し、挿入 > コントロール

メーターとコントロールのリスト

59

パラメータの作成
 またはプロパティの入力ボックス右の “>>” ボタン

60

最適化マネージャ 使用するパラメータ、目標および制約条件を設定する

61

目標
 メーターで測定される値の“初期値、最終値、最小値、最大値” を“最小化、最大化” するFx, Fy の最大値を最小化する

SimWiseの標準メータを編集して複雑な関数メータを作成
し、最適化の目標に設定することもできるメータの値を参照する

拘束(制約条件)
 メータで測定される値の“初期値、最終値、最小値、最大値” をある値 “以下、以上” に制限する

メーターを使用

最適化設定と実行

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結果
 それぞれの評価とその結果のリストの表示– “モデルの設定” でモデルのパラメータを最適解のパラメータにアップデート

例 目標: センターハブ(定速モーター)位置の振動をある大きさ以下にする
ようにカウンターウェイトの直径と位置を最適化する
Diameter
range (12mmto 18mm)
Motor (Hub)(constant speed = 500 rpm)

Moveable
Coord(variable)
Coord range(-20mm to -60mm)

Goal and Constraint Specifications:
Variables:
Counterweight location
Counterweight diameter

Goal:
Value = Max
Type = Minimize

Constraint 1:
Formula: Fx
Value = Max
Type = <=Limit = 1 N

Constraint 2:
Formula: Fy
Value = Max
Type = <=Limit = 1 N

アジェンダSimWise 4D 概要
機構解析(SimWise Motion)
構造解析(SimWise FEA)
機構と構造の連携解析 (SimWise 4D)
Simulink との連携最適化
プログラム利用申請とインストールの注意点

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SimWise 利用申請
 http://www.vi-grade.co.jp/

68SimWise 利用申請

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メール
 申請から3-7日でダウンロードサイトとシリアルナンバーが記載されたメールが送られる70ダウンロードサイト
 SimWise 4D V9.0 32-bit か SimWise 4D V9.0 64-bit にチェックをつけて Download Selected Files をクリック

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インストール ダウンロードしたexe(SW4D_9.0.0.exe,SW4DX64_9.0.0.exe)
を実行し、ウィザードにしたがってインストール
 SimWiseは32bit版、64bit版ともにSimulink 32bit版と連携可能 注意点– exeはデスクトップ以外に置き、実行する. (デスクトップから実行するとXPで問題が発生する)– CAD、Simulink をインストールした後に SimWise をインストールする.
– 一つのPCに複数バージョンのSimWiseをインストールすることはできない.

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Matlab R2015B対応添付のzipファイルの中のファイルをSimWiseインストールフォルダの¥Program¥Matlabに(上書き)コピーしてください。
さらに、以下の設定を行ってください。
1. Matlab起動
2. “パスの設定” で <SimWiseインストールフォルダ>¥Program¥Matlab を削除

3. Matlab終了
4. Matlab 起動
5. "パスの設定" で<SimWiseインストールフォルダ>¥Program¥Matlab を追加
6. Matlab終了
7. Matlab起動
8. Simulink library に sWPlant があることを確認

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