CN103164589A - 分析装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分析装置及模拟方法，其生成更稳定的系统作为记述具有规定形状的对象的系统。一种分析装置(100)，分析具有规定形状的对象。分析装置(100)具备：前置生成部(150)，生成包含多个粒子的系统；区域指定部(112)，在通过前置生成部(150)生成的系统中指定具有规定形状的区域作为记述对象的系统；及数值运算部(120)，对支配记述对象的系统的各粒子的运动的支配方程式进行数值运算。

Description

分析装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及一种分析粒子系统的分析装置及模拟方法。

背景技术

以往，作为用于以经典力学或量子力学等为基础利用计算机来探索所有物质科学现象的方法，已知有基于分子动力学法(Molecular DynamicsMethod，以下称为MD法)的模拟。MD法由于以势能函数给出物理性质因此为模型化较少的方法，相反若粒子数增加，则计算量也会飞跃地增大，因此在实用性方面只能处理很少数量的粒子。因此，以往MD法主要多使用于材料的物理性质预测等，与分析对象的形状没有多大关系的用途中。

最近提出了，将该MD法发展成能够处理宏观系统的重正化群分子动力学法(Renormalized Molecular Dynamics，以下称为RMD法)(例如，参考专利文献1)。通过RMD法，分析对象扩大至齿轮、马达等宏观机械结构物。

处理宏观分析对象时，通常需要设定重现包括其形状在内的分析对象的系统。因此以往想出了如下方法：按照分析对象的形状决定记述分析对象的系统的形状，使用网格生成用软件在其形状中生成网格，在生成的网格的节点上配置粒子。然而，该方法有在配置粒子之后粒子向位势最稳定位置移动，并使其结果形状走样之虞。

专利文献1：日本特开2006-285866号公报

专利文献2：日本特开2009-37334号公报

以上述以往方法不能顺利进行的情况较多为理由，本发明人进行如下考察。

关于2体势能函数，势能函数仅取决于粒子间距离，该距离涉及到第3接近粒子的情况也很多。若粒子间距离较大，则相互作用力也变小，但是相互作用的粒子以与距离的3次方成比例的方式增多，因此还可能发生无法忽视重叠的大小的状况。

因该重叠的影响，即使人用脑思考以初始状态稳定地配置粒子，整个系统的势能也并不是最稳定的，这种情况也是很常见的。因此，粒子移动成为最稳定位置，其结果有时偏离欲进行模拟的形状。

本申请人在专利文献2中给出了对该课题的解决方案之一。专利文献2中，公开了修正粒子间的势能函数的技术。即，通过将以网格生成用软件配置的节点彼此的初始距离设为势能函数的稳定点，可以使形状不走样地进行模拟。

然而，还能够发生不优选修正势能函数的状况。因此期望可对应更多状况的其他解决方案。

发明内容

本发明是鉴于这样的课题而完成的，其目的在于提供一种能够生成更稳定的系统作为记述具有规定形状的对象的系统的分析技术。

本发明的一种方式涉及分析装置。该分析装置为分析具有规定形状的对象的分析装置，具备：前置生成部，生成包含多个粒子的系统；区域指定部，作为记述对象的系统，在通过前置生成部生成的系统中指定具有规定形状的区域；及数值运算部，对支配记述对象的系统的各粒子的运动的支配方程式进行数值运算。

基于该方式，能够从包含多个粒子的系统中生成记述对象的系统。

本发明的其他方式为模拟方法。该方法中，在模拟具有规定形状的机械结构物时，准备记述该机械结构物形成为规定形状之前的阶段的状态的包含多个粒子的系统，并从准备的系统切出具有规定形状的系统进行分析。

另外，以上结构要件的任意组合或将本发明的结构要件、表现在装置、方法、系统、计算机程序及储存有计算机程序的记录介质等之间相互置换，这作为本发明的方式也是有效的。

发明效果：

根据本发明，能够生成更稳定的系统作为记述具有规定形状的对象的系统。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的分析装置的功能及结构的块图。

图2是表示规则系统的示意图。

图3是表示非晶系的示意图。

图4是表示多晶系的示意图。

图5是表示通过图1的区域指定部指定在图4所示的多晶系中的区域的示意图。

图6是表示通过在图5所示的指定的区域中埋入刚体来生成的粒子系统的示意图。

图7是表示图1的分析装置中的一系列处理的一例的流程图。

图8是表示使用2个记述渐开线正齿轮的图6所示的粒子系统的动态分析结果的示意图。

图中：100-分析装置，102-输入装置，104-输出装置，110-模型生成部，112-区域指定部，120-数值运算部，130-结果提示部，140-存储部，150-前置生成部，152-规则系统生成部，154-变更部。

具体实施方式

以下，以优选的实施方式为基础并参考附图对本发明进行说明。各附图中所示的相同或等同的结构要件、部件及处理中附加相同的符号，适当地省略重复的说明。

以包含多个粒子的系统记述齿轮、横梁、马达等具有规定形状的宏观对象并进行分析时，需要使粒子在按照对象形状的形状位置上稳定，但是如上所述以初始状态将粒子配置于最稳定位置是很困难的。因此，在本实施方式所涉及的分析装置中，是准备充分大于欲生成的粒子系统的粒子系统(以下，称为铸块(ingot)粒子系统)，而不是从一开始沿着对象的形状排列粒子，充分进行松弛计算之后，从其结果切出目标形状。由此，即使不进行如专利文献2所记载的势能函数的修正，也能够由简单的MD法、RMD法等粒子法作成稳定的复杂形状。

图1是表示分析装置100的功能及结构的块图。在此所示的各块在硬件中能够由以计算机的CPU(central processing unit)为基础的元件或机械装置实现，在软件中可通过计算机程序等实现，在此，描绘出通过它们的协同工作实现的功能块。因此，这些功能块能够通过硬件、软件的组合以各种形态实现，这对于与本说明书有关联的本领域技术人员来讲是可理解的。

分析装置100以包含多个粒子的系统记述具有规定形状的对象，并通过对粒子的运动方程式进行数值运算分析该系统。分析装置100通过该运算获取系统的时间发展、稳定状态，从如此得到的数据模拟对象，或提供对象的物理量的预测值。

另外，在本实施方式中对基于MD法或RMD法分析粒子系统的情况进行说明，但是在基于DEM(Distinct Element Method)或SPH(SmoothedParticle Hydrodynamics)或MPS(Moving Particle Semi-implicit)等其他粒子法分析粒子系统的情况下，也能够应用本实施方式所涉及的技术思想，这对于与本说明书有关联的本领域技术人员来讲是显而易见的。

分析装置100与输入装置102及输出装置104连接。输入装置102可为用于接收与由分析装置100执行的处理有关的用户输入的键盘及鼠标等。输入装置102可构成为从因特网等网络或CD、DVD等存储介质接收输入来构成。输出装置104可为显示器等显示设备或打印机等印刷设备。

分析装置100具备模型生成部110、数值运算部120、结果提示部130及存储部140。

模型生成部110根据通过输入装置102从用户获取的输入信息，从铸块粒子系统SI生成记述对象的由N(N为自然数)个粒子构成的粒子系统S。模型生成部110将生成的粒子系统S的各粒子的位置、初始速度、质量等作为粒子系统S的初始条件存储于存储部140。

另外，基于MD法时可使粒子对应于原子或分子。或者，基于RMD法时还可将粒子作为重正化的系统的粒子。

模型生成部110包括前置生成部150和区域指定部112。

前置生成部150生成包含M个(M为大于N的自然数)粒子且大于欲生成的粒子系统S的铸块粒子系统SI。铸块粒子系统SI例如可为粒子有规则地配置的规则系统，或者还可为粒子配置成非晶状的非晶系，或者还可为粒子配置成呈现多晶状态的的多晶系。

图2是表示规则系统302的示意图。在图2所示的规则系统302中粒子配置成面心立方晶格状。因此，能够通过较低保持规则系统302的温度，不破坏晶体即可将规则系统302保持成接近单晶的状态。

图3是表示非晶系304的示意图。非晶系304例如可通过如下获得：首先，生成规则系统，并暂且将该规则系统设为较高温度之后，进行骤冷。

图4是表示多晶系306的示意图。多晶系306例如可通过如下获得：首先，生成规则系统，并暂且将该规则系统设为较高温度之后，进行缓慢冷却。

另外，在多晶系中也如图4所示，由于构成多晶的微晶的晶轴分别不同的状态反复出现，因此与呈现均匀性的规则系统或非晶系相比多晶系中呈现不均匀性。

返回图1。

前置生成部150具有规则系统生成部152和变更部154。

规则系统生成部152生成包含M个粒子且大于欲生成的粒子系统S的规则系统。尤其通过规则系统生成部152生成的规则系统构成为如粒子系统S不从该规则系统伸出的大小。

规则系统生成部152在假想的3维空间内设定大于粒子系统S应占据的区域的区域，并在该区域内将M个粒子配置成具有规则性的结构。该规则性结构可为面心立方晶格结构、体心立方晶格结构及六方密堆积结构等规定晶体结构，或者还可为通过公知的网格生成技术生成的网格。

变更部154根据支配规则系统的各粒子的运动的支配方程式，变更通过规则系统生成部152生成的该规则系统。尤其是变更部154使规则系统变化为位势上比非晶系或多晶系等规则系统更稳定的系统。位势上比规则系统更稳定的系统还能够称为比规则系统更自发性地变化的系统。或者，还能够称为比规则系统经过了更长时间的系统。

例如变更部154将通过规则系统生成部152生成的规则系统与温度变化等规定松弛计算条件一同作为输入给予后述的数值运算部120。数值运算部120以通过规则系统生成部152生成的规则系统的状态作为初始状态，利用离散化的粒子的运动方程式进行反复运算。变更部154若达到稳定状态等在数值运算部120中充分地反复进行了运算，则从数值运算部120获取反复运算的结果得到的系统的信息作为变更后的系统的信息。即，变更部154获取从初始状态经过充分的时间来松弛后的系统信息作为变更后的系统的信息。

若将规定松弛计算条件例如设定为在数值运算部120中的反复运算时，将系统暂且设为较高温度之后骤冷，则作为变更后的系统能够获得非晶系。并且若将规定松弛计算条件例如设定为数值运算部120中的反复运算中将系统暂且设为较高温度之后缓慢冷却，则作为变更后的系统能够得到多晶系。

另外，变更部154本身可根据规则系统的粒子的运动方程式，变更通过规则系统生成部152生成的该规则系统。或者，变更部154还可将通过规则系统生成部152生成的规则系统的信息发送至外部的运算装置(未图示)，从该外部的运算装置获取在该外部的运算装置中根据规则系统的粒子的运动方程式运算出的结果的信息作为变更后的系统的信息。

前置生成部150生成通过规则系统生成部152生成的规则系统或通过变更部154变更的系统作为铸块粒子系统SI。

区域指定部112从输入信息获取对象的形状的信息。区域指定部112在通过前置生成部150生成的铸块粒子系统SI中指定具有获取的对象的形状的区域作为粒子系统S。

图5是表示通过区域指定部112在图4所示的多晶系306中指定的区域308的示意图。对象为渐开线正齿轮，因此区域指定部112在多晶系306中指定具有这种正齿轮形状的区域308。

区域指定部112也可在指定的区域实施用于以后的运算的规定处理。

图6是表示通过在图5所示的指定的区域308埋入刚体310、312及314来生成的粒子系统316的示意图。刚体310、312及314为了对粒子系统316施加旋转用外力而设置。

返回图1。

以下，粒子系统S的粒子全部设定为同质或同等的粒子，并且势能函数设定为2体位势且不拘于粒子而具有相同形状的情况进行说明。然而，其他情况下也能够应用本实施方式所涉及的技术思想，这对于与本说明书有关联的本领域工作人员来讲是显而易见的。

数值运算部120对于通过模型生成部110生成的粒子系统S及根据情况通过规则系统生成部152生成的规则系统，数值运算支配该系统的各粒子的运动的支配方程式。尤其数值运算部120进行根据离散化的粒子的运动方程式的反复运算。数值运算部120包括力运算部122、粒子状态运算部124、状态更新部126及结束条件判定部128。

力运算部122参考存储于存储部140的粒子系统S的信息，对于粒子系统S的各粒子根据粒子间的距离运算作用于该粒子的力。力运算部122对于粒子系统S的第i(1≤i≤N)粒子，决定与该第i粒子的距离小于规定切断距离的粒子(以下，称为接近粒子)。力运算部122对于各接近粒子，根据该接近粒子与第i粒子之间的势能函数及该接近粒子与第i粒子之间的距离运算该接近粒子影响到第i粒子的力。尤其力运算部122从该接近粒子与第i粒子之间的距离的值中的势能函数的梯度(Gradient)的值算出力。力运算部122通过对所有接近粒子合计接近粒子影响到第i粒子的力，算出作用于第i粒子的力。

粒子状态运算部124参考存储于存储部140的粒子系统S的信息，在离散化的粒子的运动方程式中应用通过力运算部122运算的力，由此对粒子系统S的各粒子运算粒子的位置及速度中的至少一个。本实施方式中，粒子状态运算部124运算粒子的位置及速度双方。

粒子状态运算部124从包括通过力运算部122运算出的力的离散化的粒子的运动方程式运算粒子的速度。粒子状态运算部124根据跳步法或欧拉折线法等规定数值分析方法，使用规定的微小时间刻度Δt在离散化的粒子的运动方程式中代入通过力运算部122运算出的力，由此对粒子系统S的第i粒子运算粒子速度。该运算中使用在以前反复运算的步骤中运算出的粒子的速度。

粒子状态运算部124根据运算出的粒子的速度运算粒子的位置。粒子状态运算部124根据规定数值分析方法，使用时间刻度Δt在离散化的粒子的位置与速度的关系式中应用运算出的粒子的速度，由此对于粒子系统S的第i粒子运算粒子的位置。该运算中使用在以前反复运算的步骤中运算出的粒子的速度。

状态更新部126以通过粒子状态运算部124运算出的位置及速度分别更新存储于存储部140的粒子系统S的各粒子的位置及速度。

结束条件判定部128判定是否应结束数值运算部120中的反复运算。应结束反复运算的结束条件例如为已进行规定次数的反复运算或粒子系统S达到稳定状态或已从外部接收到结束的指示。当满足结束条件时，结束条件判定部128结束数值运算部120中的反复运算。当不满足结束条件时，结束条件判定部128使处理返回到力运算部122。于是，力运算部122以通过状态更新部126更新的粒子的位置再次运算力。

结果提示部130将通过模型生成部110生成的粒子系统S的分析结果提示给用户。结果提示部130包括物理量运算部132、重标度部134及描绘控制部136。

在结束数值运算部120中的反复运算之后，物理量运算部132根据存储于存储部140的粒子系统S的信息，运算粒子系统S的各种物理量，例如温度、压力、应力等。

在模型生成部110中粒子系统S的粒子成为重正化的系统的粒子时，重标度部134将通过物理量运算部132运算出的物理量转换成重正化之前的系统的物理量。尤其重标度部134通过在由物理量运算部132运算出的物理量乘以按每一物理量规定的标度系数，由此获得重正化之前的系统的物理量。物理量中也有应力、温度等在重正化转换时不变的物理量，对这种物理量设定1(转换前后不变)作为标度系数。重标度部134将转换的物理量显示于输出装置104。

当力运算部122中的反复运算结束之后，描绘控制部136根据存储于存储部140的粒子系统S的各粒子的位置、速度的信息，将粒子系统S的时间发展、稳定状态的情况图形化显示于输出装置104。

在上述实施方式中，存储部140的例子为硬盘或存储器。并且，根据本说明书的记载，能够通过未图示的CPU、已被安装的应用程序的模块、系统程序的模块、临时存储从硬盘读取的数据内容的存储器等实现各部，这对于与本说明书有关联的本领域技术人员来讲是可理解的。

对基于以上结构的分析装置100的动作进行说明。

图7是表示分析装置100中的一系列处理的一例的流程图。规则系统生成部152生成规则系统(S202)。变更部154使数值运算部120实施生成的规则系统的松弛计算(S204)。区域指定部112在松弛计算的结果所得到的系统中指定具有对象的形状的区域作为应分析的粒子系统(S206)。力运算部122从粒子间距离运算作用于粒子的力(S208)。粒子状态运算部124从包括运算出的力的粒子的运动方程式运算速度(S210)。粒子状态运算部124从运算的速度运算粒子的位置(S212)。状态更新部126以算出的位置更新存储于存储部140的粒子的位置(S214)。结束条件判定部128判定是否满足结束条件(S216)。当不满足结束条件时(S216的否)，处理返回至S208。当满足结束条件时(S216的是)，结果提示部130将运算结果提示给用户(S218)。

根据本实施方式所涉及的分析装置100，首先生成大于粒子系统S的铸块粒子系统SI，在该铸块粒子系统SI中指定应成为粒子系统S的区域。由此，在粒子系统S的数值运算中，能够降低由粒子的移动引起的预想不到的粒子系统S的形状变化。

并且，在本实施方式所涉及的分析装置100中，当区域指定部112从通过变更部154变更的系统中生成粒子系统S时，能够将通过变更部154变更的系统、即铸块粒子系统SI设为充分进行了松弛计算的系统。这种系统例如为图3所示的非晶系304或图4所示的多晶系306。此时，各粒子通过松弛计算移动至位势最稳定或接近最稳定的位置，因此从铸块粒子系统SI切出的粒子系统S的多半粒子配置于位势最稳定或接近最稳定的位置。因此，在粒子系统S的数值运算中，由整个系统欲在位势上成最稳定而引起的粒子的预想不到的移动被限制，由这种移动引起的形状变化也会被抑制。其结果，能够生成位势上更稳定的粒子系统S。

例如，根据本实施方式所涉及的分析装置100，对图4所示的多晶系306如图5所示般嵌入“模具”，通过切削多余的粒子来获得如图6所示的复杂的形状的粒子系统316。根据本发明人的探讨，如此生成的粒子系统316中所含的粒子位于位势上几乎稳定的位置，虽然有若干表面再构成但看不到形状走样程度的粒子的移动。

并且，在本实施方式所涉及的分析装置100中，变更部154将通过规则系统生成部152生成的规则系统变更为多晶系等呈现不均匀性的系统，区域指定部112从这种呈现不均匀性的系统切出粒子系统S时，能够在粒子系统S更自然地导入不均匀性。大部分金属、陶瓷一般为多晶体，成为分析装置100的分析对象，但材质多为具有不均匀性的材质。在本实施方式所涉及的分析装置100中由于能够包含该不均匀性而生成粒子系统S，因此可实现更贴切的模拟。

在决定粒子系统的形状之后将粒子配置于其中的以往的方法中，如上所述，连保持粒子系统的形状也很困难，因此，一开始就在该粒子系统导入不均匀性是不现实的。相对于此，在本实施方式所涉及的分析装置100中，能够在粒子系统更自然地导入这种不均匀性。

在本实施方式所涉及的分析装置100中，图3所示的非晶系304或图4所示的多晶系306等，能够按照松弛计算条件生成多种多样的铸块粒子系统SI。齿轮等机械结构物实际上有时从金属的母材通过切削加工等形成为规定形状。根据本实施方式所涉及的分析装置100，当模拟这种机械结构物时，能够生成记述该机械结构物形成为规定形状之前的阶段的状态的铸块粒子系统SI。例如，分析装置100能够生成记述金属的母材的多晶系。在分析装置100中从如此准备的铸块粒子系统SI切出具有规定形状的粒子系统S并进行分析，由此能够形成形状更稳定的粒子系统S，并且可实现符合对象的更现实的模拟。

图8是表示使用2个记述渐开线正齿轮的图6所示的粒子系统的动态分析结果的示意图。图8中的灰度表示应力的大小。黑色箭头表示时间的经过。空心箭头表示2个正齿轮中右侧(输入侧)旋转的情况。左侧的齿轮受到右侧的齿轮的旋转而被动地旋转。

从该结果可知，多晶晶界处的应力大。这与在多晶中容易产生沿着晶界的滑动的见解一致。因此，根据本实施方式所涉及的分析装置100，能够更现实地评价对象的疲劳、破坏现象。

本发明人考虑，在MD法中无需作成具有复杂形状的系统，但是今后随着RMD法的应用范围扩大，作成具有复杂形状的系统的方法会逐渐变得重要。本实施方式所涉及的分析装置100能够以自然的形状生成具有复杂形状且稳定的系统，因此能够更良好地对应这种状况。

以上，对实施方式所涉及的分析装置100的结构和动作进行了说明。这些实施方式为例示，可以对各结构要件或各处理的组合进行各种变形例，并且这种变形例也包括在本发明范围内，这对本领域技术人员来讲是可理解的。

Claims (5)

1.一种分析装置，其分析具有规定形状的对象，其特征在于，具备：

前置生成部，生成包含多个粒子的系统；

区域指定部，作为记述所述对象的系统，在通过所述前置生成部生成的系统中指定具有所述规定形状的区域；及

数值运算部，对支配记述所述对象的系统的各粒子的运动的支配方程式进行数值运算。

2.如权利要求1所述的分析装置，其特征在于，

所述前置生成部包括：

规则系统生成部，生成包含规则地配置的多个粒子的系统；及

变更部，将通过所述规则系统生成部生成的系统根据支配该系统的各粒子的运动的支配方程式进行变更，

所述区域指定部在通过所述变更部变更的系统中指定具有所述规定形状的区域。

3.如权利要求2所述的分析装置，其特征在于，

所述变更部将通过所述规则系统生成部生成的系统变更为该系统上呈现不均匀性。

4.一种模拟方法，其特征在于，

当模拟具有规定形状的机械结构物时，准备记述该机械结构物形成为所述规定形状之前的阶段的状态的包含多个粒子的系统，并从准备好的系统切出具有所述规定形状的系统并进行分析。

5.一种计算机程序，其使计算机实现分析具有规定形状的对象的功能，其特征在于，使所述计算机实现如下功能：

生成包含多个粒子的系统的功能；

作为记述所述对象的系统，在生成的系统中指定具有所述规定形状的区域的功能；及

对支配记述所述对象的系统的各粒子的运动的支配方程式进行数值运算的功能。

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