JP2002328913A - Numerical analysis device by discrete nabla operator and non-storage type coefficient matrix - Google Patents

Numerical analysis device by discrete nabla operator and non-storage type coefficient matrix

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To attain a high-speed calculation while maintaining precision of calculation with a small storage capacity in a numerical analysis device which utilizes a finite volume method or a finite element method of a non-structured grating. SOLUTION: A discrete nabla operator is defined, taking note of the fact that a nabla operator is a vector volume and is a volume not dependent on a coordinate system. A coefficient matrix element described by the discrete nabla operator is disintegrated into the product of a part dependent on a shape of the element and a part not dependent on a shape of the element. Only the part dependent on a shape of the element is stored while the other part is found analytically. Each time a need arises in matrix calculation, the coefficient matrix element is created from this. When this discrete nabla operator is used in the finite volume method or the finite element method of a non-structured grating, a non-storage type coefficient matrix can be created. Therefore, the coefficient matrix can be found without having to store all the coefficient matrix elements, thus offering low-capacity storage unit and high speed calculation.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、数値解析装置に関
し、特に、離散nabla演算子と非記憶型係数行列を利用
して、非構造格子の有限体積法または有限要素法により
計算する数値解析装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a numerical analysis apparatus, and more particularly, to a numerical analysis apparatus which performs calculations by a finite volume method or a finite element method of an unstructured grid using a discrete nabla operator and a non-memory type coefficient matrix. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】流体力学や構造力学などにおける問題に
現れる偏微分方程式の境界値問題を、計算機による数値
計算で解く方法の1つに有限要素法がある。有限要素法
について、簡単に説明する。詳細については、文献1
[棚橋隆彦著「流れの有限要素法解析I,II」(199
7)、朝倉書店発行]などを参照されたい。
2. Description of the Related Art A finite element method is one of the methods for solving the boundary value problem of a partial differential equation which appears in problems in fluid dynamics, structural dynamics, and the like by numerical calculation using a computer. The finite element method will be briefly described. For details, see Reference 1.
[Takahiko Tanahashi, Finite Element Analysis of Flows I and II] (199
7), published by Asakura Shoten].

【0003】場の関数φの偏微分方程式 L(φ)=f (領域Ω上で) を、境界条件 φ=φ0 (境界Γ1上で) (∂φ/∂n)=q (境界Γ2上で) で解く場合を例にして説明する。ただし、nは境界の法
線ベクトルである。境界Γ1は、関数φの値φ0が与えら
れた境界(Dirichlet境界)である。境界Γ2は、関数φ
の微分値qが与えられた境界(Neumann境界)である。
具体的な偏微分方程式は、例えば、 L(φ)=∇2φ=f である。
The partial differential equation L (φ) = f (on the region Ω) of the field function φ is converted to the boundary condition φ = φ 0 (on the boundary Γ 1 ) (∂φ / ∂n) = q (boundary Γ This will be explained by taking the case of solving with 2 ) as an example. Here, n is a normal vector of the boundary. Boundary gamma 1 is a boundary where the value phi 0 of the function phi is given (Dirichlet boundary). The boundary Γ 2 is a function φ
Is a boundary (Neumann boundary) to which the differential value q of is given.
A specific partial differential equation is, for example, L (φ) = ∇ 2 φ = f.

【0004】この偏微分方程式の近似解をφ*とする。
近似解は、適当な基底関数の一次結合で表わす。厳密解
における偏微分方程式の左辺の値との残差 r=L(φ*)−L(φ)=L(φ*)−f に重み関数wj(j=1,2,・・・,n;nは重み関数の
数すなわち未定係数の数)をかけて積分したものが0と
なるように、 (wj,r)≡∫wjrdΩ=0 (積分範囲は領域Ω) として、近似解φ*を決定する。任意の重み関数に対し
て、この積分方程式を満足するrは0であるから、その
とき近似解φ*は厳密解に一致する。
An approximate solution of this partial differential equation is defined as φ * .
The approximate solution is represented by a linear combination of appropriate basis functions. In the exact solution, the residual with respect to the value on the left side of the partial differential equation r = L (φ * ) − L (φ) = L (φ * ) − f is assigned a weight function w j (j = 1, 2,..., n; n is as the integral over the number) number i.e. undetermined coefficients of the weighting function becomes 0, as (w j, r) ≡∫w j rdΩ = 0 ( integration range region Omega), the approximate Determine the solution φ * . For any weighting function, r that satisfies this integral equation is 0, so the approximate solution φ * matches the exact solution at that time.

【0005】同様に、境界条件の残差についても、重み
関数をかけて積分すると、 ∫{L(φ*)−f}wjdΩ (積分範囲は領域Ω)+∫{φ
*−φ0}wj1 (積分範囲は境界Γ1)−∫{(∂φ*
∂n)−q}wj2 (積分範囲は境界Γ2)=0 となる。この場合も、任意の重み関数に対して、この積
分方程式を満足すれば、近似解φ*は厳密解に一致す
る。
Similarly, the residual of the boundary condition is also integrated by multiplying by a weighting function. Then, ∫ {L (φ * ) − f} w j dΩ (the integration range is the area Ω) + ∫ {φ
* −φ 0 } w j1 (the integration range is the boundary Γ 1 ) −∫ {(∂φ * /
{N) -q} w j2 (the integration range is the boundary Γ 2 ) = 0. Also in this case, if this integral equation is satisfied for an arbitrary weight function, the approximate solution φ * matches the exact solution.

【0006】ここで、積分方程式が簡単になるように、
重み関数に条件を課して、近似解φ *の制限を緩める。
重み関数wjに、境界Γ1上で0となるという条件を課す
と、 ∫{L(φ*)−f}wjdΩ (積分範囲は領域Ω)=∫
{(∂φ*/∂n)−q}wjdΓ (積分範囲は境界Γ2) となる。これを、有限要素法の基礎式とする。
Here, to simplify the integral equation,
Imposing conditions on the weight function, the approximate solution φ *Relax the restrictions.
Weight function wjAnd the boundary Γ1Imposes the condition 0 above
And ∫ {L (φ*) -F} wjdΩ (integration range is area Ω) = ∫
{(∂φ*/ {N) -q} wjdΓ (the range of integration is the boundary ΓTwo). This is a basic expression of the finite element method.

【0007】この基礎式を部分積分すると、弱形式が得
られる。例えば、 L(φ)=∇2φ=f の場合、∫{∇2φ*−f}wjdΩ (積分範囲は領域Ω)
=∫{(∂φ*/∂n)−q}wjdΓ (積分範囲は境界
Γ2) であるから、Greenの第1公式を使って、 ∫(∇φ*・∇wj)dΩ (積分範囲は領域Ω)+∫∇2φ
*jdΩ (積分範囲は領域Ω)=∫wj(∂φ*/∂n)d
Γ (積分範囲は境界Γ2) とすると、弱形式は、 ∫{(∇φ*・∇wj)+fwj}dΩ (積分範囲は領域Ω)
=∫qwjdΓ (積分範囲は境界Γ2) となる。変分原理により、汎関数Jの変分が0となる条
件から、弱形式を求めることもできる。重み関数の選び
方により、種々の解法がある。例えば、有限要素法のGa
lerkin法では、重み関数を形状関数とし、写像関数も同
じ関数とする。形状関数と写像関数については、後で説
明する。
[0007] When the basic formula is partially integrated, a weak form is obtained. For example, when L (φ) = ∇ 2 φ = f, ∫ {∇ 2 φ * −f} w j dΩ (the integration range is the area Ω)
= ∫ {(∂φ * / ∂n) -q} w j dΓ (the integration range is the boundary Γ 2 ), so using Green's first formula, ∫ (∇φ * · ∇w j ) dΩ ( Integration range is area Ω) + ∫∇ 2 φ
* w j dΩ (integration range is area Ω) = ∫w j (∂φ * / ∂n) d
Assuming that Γ (integration range is boundary Γ 2 ), the weak form is ∫ {(∇φ * · ∇w j ) + fw j } dΩ (integration range is area Ω)
= {Qw j d} (the integration range is the boundary Γ 2 ). According to the variation principle, a weak form can be obtained from the condition that the variation of the functional J becomes zero. There are various solutions depending on how the weight function is selected. For example, the finite element method Ga
In the lerkin method, the weight function is a shape function, and the mapping function is the same function. The shape function and the mapping function will be described later.

【0008】例として、Galerkin法で、 ∇2φ=f を解く方法を説明する。領域Ωを、n個の節点を頂点と
する4面体の要素に分割する。節点iの形状関数をNi
とする。節点iにおける近似解φ*の値をφi(未知数)
とする。節点jにおける重み関数wjの値をwj *とする
と、 φ*=Σiiφi+Σiii (和は、i=1〜n) wj=Njj * となる。ただし、hiは、境界Γ1における既知の値であ
り、領域内部では0である。
As an example, a method of solving ∇ 2 φ = f by the Galerkin method will be described. The region Ω is divided into tetrahedral elements having n nodes as vertices. Let the shape function of node i be N i
And Let the value of the approximate solution φ * at node i be φ i (unknown)
And When the value of the weight function w j at the node j and w j *, φ * = Σ i N i φ i + Σ i N i h i ( sum, i = 1 to n) and w j = N j w j * Become. However, h i is a value that is known at the boundary gamma 1, in a region inside is zero.

【0009】これを弱形式に代入すると、 ∫{(∇(Σiiφi+Σiii)・∇(Njj *)) (和
は、i=1〜n)+f(Njj *)}dΩ (積分範囲は領
域Ω)=∫q(Njj *)dΓ (積分範囲は境界Γ2) となる。wj *は任意であるから、その係数は0である。
したがって、 ∫{(∇(Σiiφi+Σiii)・∇Nj)+fNj}dΩ
(積分範囲は領域Ω、和は、i=1〜n)=∫(qNj)d
Γ (積分範囲は境界Γ2) となる。整理すると、 Σiφi∫(∇Ni・∇Nj)dΩ (積分範囲は領域Ω、和
は、i=1〜n)=∫(qNj)dΓ (積分範囲は境界Γ
2)−∫(fNj)dΩ (積分範囲は領域Ω)−Σii
(∇Ni・∇Nj)dΩ (積分範囲は領域Ω、和は、i=
1〜n) となる。
[0009] By substituting this to the weak form, ∫ {(∇ (Σ i N i φ i + Σ i N i h i) · ∇ (N j w j *)) ( sum, i = 1~n) + f (N j w j *)} dΩ ( integration range region Ω) = ∫q (N j w j *) dΓ ( integral range boundary gamma 2) becomes. Since w j * is arbitrary, its coefficient is 0.
Thus, ∫ {(∇ (Σ i N i φ i + Σ i N i h i) · ∇N j) + fN j} dΩ
(Integration range is area Ω, sum is i = 1 to n) = ∫ (qN j ) d
Γ (the range of integration is the boundary Γ 2 ). To summarize, Σ i φ i ∫ (∇N i · ∇N j ) dΩ (the integration range is the area Ω, the sum is i = 1 to n) = ∫ (qN j ) dΓ (the integration range is the boundary Γ
2 ) -∫ (fN j ) dΩ (integration range is area Ω) -Σ i hi i
(∇N i · ∇N j ) dΩ (the integration range is the area Ω, and the sum is i =
1 to n).

【0010】ここで、 Aij=∫(∇Ni・∇Nj)dΩ (積分範囲は領域Ω) Bj=∫(qNj)dΓ (積分範囲は境界Γ2)−∫(f
j)dΩ (積分範囲は領域Ω)−Σii∫(∇Ni・∇
j)dΩ (積分範囲は領域Ω、和は、i=1〜n) とすると、 Σiijφi=Bj (和は、i=1〜n) となる。すなわち、 (φi)=(Aij)-1(Bj) となる。ただし、(φi)は、φiを第i成分とする縦ベク
トル、(Bj)は、Bjを第j成分とする縦ベクトル、(A
ij)-1は、Aijを第i,j成分とする行列の逆行列であ
る。このようにして、連立一次方程式を解くことによっ
て、偏微分方程式の境界値問題を解くことができる。
Here, A ij = ∫ (∇N i · ∇N j ) dΩ (integration range is area Ω) B j = ∫ (qN j ) dΓ (integration range is boundary Γ 2 ) −∫ (f
N j ) dΩ (the integration range is the area Ω) −Σ i h i ∫ (∇N i · ∇
N j) dΩ (integration range region Omega, sum, when i = 1 to n) to, Σ i A ij φ i = B j ( sum, i = 1 to n) it becomes. That is, (φ i ) = (A ij ) −1 (B j ). Here, (φ i ) is a vertical vector having φ i as the i-th component, (B j ) is a vertical vector having B j as the j-th component, (A
ij ) -1 is an inverse matrix of a matrix having A ij as i-th and j-th components. Thus, the boundary value problem of the partial differential equation can be solved by solving the simultaneous linear equations.

【0011】この場合、係数行列要素 Aij=∫(∇Ni・∇Nj)dΩ (積分範囲は領域Ω) の計算が重要になる。これを簡単に計算するために、物
理空間を計算空間に写像して、nabla演算子∇を離散化
する。離散nabla演算子で係数行列要素を記述し、連立
一次方程式を解くことによって、偏微分方程式の境界値
問題を解く。係数行列要素のサイズは、(節点数)×
(要素数)であるので、精密な計算を行なうためには、
莫大な記憶容量を必要とし、計算時間も長くなる。
In this case, it is important to calculate the coefficient matrix element A ij = ∫ (∇N i · jN j ) dΩ (the integration range is an area Ω). To calculate this easily, we map the physical space to the computation space and discretize the nabla operator ∇. Solve the boundary value problem of the PDE by describing the coefficient matrix elements with the discrete nabla operator and solving a system of linear equations. The size of the coefficient matrix element is (number of nodes) ×
(Number of elements), so to perform precise calculations,
It requires enormous storage capacity and requires a long calculation time.

【0012】ところで、非線形力学系のシステム方程式
は、時間発展方程式として記述できる。上記の例では、
時間変数を含まない偏微分方程式について説明したが、
有限要素法は、時間変数を含む偏微分方程式にも適用で
きる。時間発展方程式の中には、2種類の微分演算子、
∂/∂tと∇が含まれる。∂/∂tの時間積分は、いろい
ろな時間進行法を産みだす。一方、nabla演算子∇の空
間積分は、いろいろな離散化手法を産みだす。
By the way, a system equation of a nonlinear dynamical system can be described as a time evolution equation. In the example above,
We have explained PDEs that do not include time variables.
The finite element method can also be applied to partial differential equations including time variables. In the time evolution equation, there are two types of differential operators,
∂ / ∂t and ∇ are included. The time integration of ∂ / ∂t yields various time-marching methods. On the other hand, the spatial integration of the nabla operator ∇ produces various discretization methods.

【0013】非線形システム方程式のコンピュータ・シ
ミュレーションにおいて、この時間進行法と空間の離散
化が、複雑系大規模問題の解決において大きな課題であ
る。特に、非構造格子を用いた有限体積法または有限要
素法において、空間の離散化手続きが一般に複雑であ
る。
In the computer simulation of nonlinear system equations, the time progress method and the discretization of space are major issues in solving a large-scale problem of a complex system. In particular, in a finite volume method or a finite element method using an unstructured grid, a discretization procedure of a space is generally complicated.

【0014】特開平10-177591号公報に開示されている
「数値解析装置及び数値解析方法並びに集積回路」にお
いて、本発明者らは、離散nabla演算子を利用して、簡
易な構成でかつ短時間で数値解析できる数値解析装置を
提案した。この数値解析装置では、解析対象の場を分割
して得られる各要素の要素情報に基づいて、空間微分の
nabla演算子を離散化した離散nabla演算子を算出する離
散nabla演算子算出手段を設ける。算出した離散nabla演
算子を使用して、解析対象の場の連続の式を満足するよ
うに、物理量を反復修正することにより、当該連続の式
を満足する物理量を、物理量算出手段で算出する。
In the “Numerical Analysis Apparatus, Numerical Analysis Method, and Integrated Circuit” disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-177591, the present inventors use a discrete nabla operator to realize a simple configuration and a short A numerical analysis device capable of numerical analysis in time was proposed. In this numerical analysis device, based on the element information of each element obtained by dividing the field to be analyzed,
A discrete nabla operator calculating means for calculating a discrete nabla operator obtained by discretizing the nabla operator is provided. Using the calculated discrete nabla operator, the physical quantity is iteratively modified so as to satisfy the equation of the continuity of the field to be analyzed, and the physical quantity that satisfies the equation of the continuity is calculated by the physical quantity calculating means.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の有限要
素法においては、離散nabla演算子を使用して計算して
も、そのまま係数行列を計算すると長い時間がかかると
いう問題があった。また、一度計算した係数行列を記憶
すると、大規模問題においては莫大な記憶容量を必要と
するという問題があった。
However, in the conventional finite element method, there is a problem that it takes a long time to calculate the coefficient matrix as it is even if the calculation is performed using the discrete nabla operator. Further, once the coefficient matrix calculated once is stored, there is a problem that an enormous storage capacity is required in a large-scale problem.

【0016】本発明は、上記従来の問題を解決して、離
散nabla演算子を使用する有限要素法の計算において、
記憶容量を少なくしながらも、計算を高速化することを
目的とする。
The present invention solves the above-mentioned conventional problems and solves the above problem by using a finite element method using a discrete nabla operator.
An object of the present invention is to speed up the calculation while reducing the storage capacity.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、非構造格子の有限体積法または有限
要素法により偏微分方程式の境界値問題の解を計算する
数値解析装置を、離散nabla演算子で表わした係数行列
要素のうちの要素形状に依存する因子を要素形状に対応
させて記憶する係数行列基底記憶手段と、離散nabla演
算子で表わした係数行列要素のうちの要素形状に依存し
ない因子を種類別に非記憶化し部分係数因子を生成する
部分係数因子生成手段と、行列計算で必要になるたびに
係数行列基底記憶手段を参照して得た係数行列基底と部
分係数因子生成手段で生成された部分係数因子とから係
数行列要素を生成する計算手段とを具備する構成とし
た。このように構成したことにより、記憶容量を少なく
しながらも、計算を高速化できる。
According to the present invention, there is provided a numerical analysis apparatus for calculating a solution of a boundary value problem of a partial differential equation by a finite volume method or a finite element method of an unstructured grid. , A coefficient matrix base storage means for storing a factor depending on the element shape of the coefficient matrix element represented by the discrete nabla operator in association with the element shape, and an element of the coefficient matrix element represented by the discrete nabla operator A partial coefficient factor generating means for non-storing factors independent of shape for each type to generate a partial coefficient factor, and a coefficient matrix base and a partial coefficient factor obtained by referring to a coefficient matrix base storing means each time a matrix calculation is required And a calculating means for generating a coefficient matrix element from the partial coefficient factor generated by the generating means. With this configuration, it is possible to speed up the calculation while reducing the storage capacity.

【0018】すなわち、nabla演算子∇がベクトル量で
あり、座標系に依存しない量であることに着目し、離散
nabla演算子を定義する。この基本アイデアに基づい
て、離散nabla演算子で表現した係数行列要素を、2つ
の部分に分解する。その1つは、要素形状に依存する部
分、他は要素形状に依存しない部分である。要素形状に
依存する部分のみを記憶し、他の部分は解析的に計算し
ておく。計算機内部で必要になるたびに、2つの部分か
ら係数行列要素を生成し、非記憶化する。非構造格子の
有限体積法または有限要素法において、この離散nabla
演算子を用いると、以下の点においてすぐれている。
That is, noting that the nabla operator ∇ is a vector quantity and a quantity independent of a coordinate system,
Define the nabla operator. Based on this basic idea, the coefficient matrix element expressed by the discrete nabla operator is decomposed into two parts. One is a part that depends on the element shape, and the other is a part that does not depend on the element shape. Only the part that depends on the element shape is stored, and the other parts are calculated analytically. Each time it is needed inside the computer, a coefficient matrix element is generated from the two parts and stored. In the unstructured grid finite volume or finite element method, this discrete nabla
Using operators is superior in the following points.

【0019】(1)離散nabla演算子を用いると、任意
の要素に対する空間の離散化が、極めて単純にできる。 (2)離散nabla演算子は、非構造格子の有限要素法お
よび有限体積法に適している。 (3)離散nabla演算子は、object化することが極めて
容易である。 (4)離散nabla演算子を用いて、非記憶型の係数行列
を作ることができる。よって、低容量化と高速化に寄与
する。 (5)離散nabla演算子を用いると、いままでにない次
世代向けの新しいシミュレーションコードの開発が容易
になる。 (6)離散nabla演算子をLSI化した専用計算機により、
複雑系の大規模計算が低コストかつ高精度にできるよう
になる。 (7)離散nabla演算子を用いると、Poisson Solverを
高速化できる。
(1) When the discrete nabla operator is used, discretization of a space for an arbitrary element can be extremely simplified. (2) The discrete nabla operator is suitable for the finite element method and the finite volume method of an unstructured grid. (3) The discrete nabla operator is extremely easy to turn into an object. (4) A non-memory type coefficient matrix can be created using the discrete nabla operator. Therefore, it contributes to lower capacity and higher speed. (5) The use of the discrete nabla operator facilitates the development of new simulation codes for the next generation. (6) With a special-purpose computer that converts discrete nabla operators into LSI,
Large-scale calculations of complex systems can be performed with low cost and high accuracy. (7) Using the discrete nabla operator can speed up the Poisson Solver.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図1〜図7を参照しながら詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to FIGS.

【0021】(実施の形態)本発明の実施の形態は、非
構造格子の有限体積法または有限要素法により計算する
場合に、離散nabla演算子のうちの要素形状に依存する
因子を記憶し、離散nabla演算子のうちの要素形状に依
存しない因子を解析的に計算しておき、必要になるたび
に係数行列要素を生成し、係数行列要素をすべて記憶す
ることなく係数行列を解く数値解析装置である。
(Embodiment) An embodiment of the present invention stores a factor depending on the element shape of the discrete nabla operator when calculating by the finite volume method or the finite element method of an unstructured grid, A numerical analysis device that analytically calculates factors that do not depend on the element shape of the discrete nabla operator, generates a coefficient matrix element each time it is needed, and solves the coefficient matrix without storing all the coefficient matrix elements It is.

【0022】図1は、本発明の実施の形態における数値
解析装置で利用する1次元単体要素のこう配・発散・回
転の説明図である。図2は、数値解析装置で利用する2
次元単体要素のこう配・発散・回転の説明図である。図
3は、数値解析装置で利用する3次元単体要素のこう配
・発散・回転の説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of the gradient, divergence, and rotation of a one-dimensional single element used in the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of the 2
It is explanatory drawing of gradient, divergence, and rotation of a dimensional single element. FIG. 3 is an explanatory diagram of gradient, divergence, and rotation of a three-dimensional single element used in the numerical analysis device.

【0023】図4は、本発明の実施の形態における数値
解析装置で利用する1次元の対称要素のこう配・発散・
回転の説明図である。図5は、数値解析装置で利用する
2次元の対称要素のこう配・発散・回転の説明図であ
る。図6は、数値解析装置で利用する3次元の対称要素
のこう配・発散・回転の説明図である。
FIG. 4 shows the gradient, divergence, and divergence of one-dimensional symmetric elements used in the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention.
It is explanatory drawing of rotation. FIG. 5 is an explanatory diagram of gradient, divergence, and rotation of a two-dimensional symmetric element used in the numerical analysis device. FIG. 6 is an explanatory diagram of the gradient, divergence, and rotation of a three-dimensional symmetric element used in the numerical analysis device.

【0024】図7は、本発明の実施の形態における数値
解析装置のデルチップの概念図である。図7において、
要素の節点座標生成手段71は、計算対象の要素の節点座
標を出力する手段である。デルチップ72は、離散nabla
演算子により要素体積と反変基底ベクトルを計算するLS
I回路である。データ利用手段73は、出力データge i
Ωeを用いる計算手段である。
FIG. 7 is a conceptual diagram of a Dell chip of a numerical analysis device according to an embodiment of the present invention. In FIG.
The element node coordinate generating means 71 is means for outputting the node coordinates of the element to be calculated. Del chip 72 discrete nabla
LS to calculate element volume and contravariant basis vector by operator
It is an I circuit. The data use unit 73 is a calculation unit that uses the output data g e i and Ω e .

【0025】図8は、本発明の実施の形態における数値
解析装置の処理手順を示す流れ図である。図9は、本発
明の実施の形態における数値解析装置の機能ブロック図
である。図9において、入力装置1は、パラメータなど
のデータを入力するキーボードなどである。パラメータ
境界条件記憶装置2は、偏微分方程式のパラメータと境
界条件のデータを格納しておくメモリーである。節点位
置ベクトル記憶装置3は、すべての節点の座標値を格納
しておくメモリーである。既知ベクトル演算手段4は、
パラメータと境界条件から既知ベクトルを計算する手段
である。既知ベクトル記憶装置5は、既知ベクトルを格
納しておくメモリーである。偏微分方程式情報記憶装置
6は、計算可能な偏微分方程式に関する情報を格納して
おくメモリーである。表示装置7は、解析結果を表示す
るCRTディスプレイなどである。係数行列基底演算手
段8は、節点座標から反変基底ベクトルと要素体積など
を計算する手段である。係数行列基底記憶装置9は、係
数行列基底を格納しておくメモリーである。形状関数記
憶装置10は、形状関数に関するデータを格納しておくメ
モリーである。部分係数因子生成手段11は、解析的に計
算した形状関数のデータから部分係数因子を生成する手
段である。係数行列要素演算手段12は、係数行列基底と
部分係数因子から係数行列要素を計算する手段である。
行列演算手段13は、係数行列要素と既知ベクトルから関
数ベクトルを求める手段である。行列要素記憶ワークエ
リア14は、係数行列要素を一時的に格納するメモリーで
ある。
FIG. 8 is a flowchart showing a processing procedure of the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention. FIG. 9 is a functional block diagram of the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention. In FIG. 9, the input device 1 is a keyboard or the like for inputting data such as parameters. The parameter boundary condition storage device 2 is a memory for storing data of the parameters of the partial differential equations and the boundary conditions. The node position vector storage device 3 is a memory for storing coordinate values of all nodes. The known vector calculation means 4
This is a means for calculating a known vector from parameters and boundary conditions. The known vector storage device 5 is a memory for storing known vectors. The partial differential equation information storage device 6 is a memory for storing information on a computable partial differential equation. The display device 7 is a CRT display or the like for displaying the analysis result. The coefficient matrix basis calculation means 8 is a means for calculating an invariant basis vector, an element volume, and the like from the nodal coordinates. The coefficient matrix base storage device 9 is a memory for storing coefficient matrix bases. The shape function storage device 10 is a memory for storing data related to a shape function. The partial coefficient factor generating means 11 is a means for generating a partial coefficient factor from the data of the shape function calculated analytically. The coefficient matrix element operation means 12 is means for calculating a coefficient matrix element from a coefficient matrix base and a partial coefficient factor.
The matrix calculation means 13 is a means for obtaining a function vector from a coefficient matrix element and a known vector. The matrix element storage work area 14 is a memory for temporarily storing coefficient matrix elements.

【0026】上記のように構成された本発明の実施の形
態における数値解析装置の動作を説明する。最初に、離
散nabla演算子の定義を説明する。連続空間で定義され
るnabla演算子 ∇≡i(∂/∂x)+j(∂/∂y)+k(∂/∂z) を、離散空間でどのように定義したらよいかを考える。
ここで、i,j,kは、それぞれx,y,zの軸方向の
単位ベクトルである。
The operation of the numerical analysis apparatus according to the embodiment of the present invention configured as described above will be described. First, the definition of the discrete nabla operator will be described. Consider how the nabla operator ∇≡i (∂ / ∂x) + j (∂ / ∂y) + k (∂ / ∂z) defined in the continuous space should be defined in the discrete space.
Here, i, j, and k are unit vectors in the axial direction of x, y, and z, respectively.

【0027】φを任意のテンソル量とする。スカラーは
0階のテンソル、ベクトルは1階のテンソル、応力テン
ソルは2階のテンソルである。例えば、φは、圧力p
(スカラー即ち0階のテンソル)または、速度v(ベク
トル即ち1階のテンソル)または、応力テンソルT(テ
ンソル即ち2階のテンソル)を代表している。
Let φ be an arbitrary tensor quantity. The scalar is the zeroth-order tensor, the vector is the first-order tensor, and the stress tensor is the second-order tensor. For example, φ is the pressure p
(A scalar or zero-order tensor), a velocity v (vector or first-order tensor), or a stress tensor T (tensor or second-order tensor).

【0028】また、star(*)積は、こう配、発散、回
転を代表している。例えば、∇p(こう配)、∇・v
(発散(dot積))、∇×v(回転(cross積))、∇v
(テンソル積(open積))、∇・T(テンソルの発
散)、∇×T(テンソルの回転)、∇T(テンソルのこ
う配)である。これらの演算を、すべて∇*φで代表す
る。
The star (*) product represents gradient, divergence, and rotation. For example, ∇p (gradient), ∇ · v
(Divergence (dot product)), ∇ × v (rotation (cross product)), ∇v
(Tensor product (open product)), ∇ · T (divergence of tensor), ∇ × T (rotation of tensor), ∇T (gradient of tensor). These operations are all represented by ∇ * φ.

【0029】∇*φの有限要素Ωe(r)の要素平均値
を、 <∇*φ>e≡(1/Ωe(r))∫{∇*φdΩ(r)} (積分範
囲はΩe) で定義する。ここで、Ωe(r)は、3次元の場合、4面
体/5面体/6面体要素の体積を意味し、2次元の場合
は、3角形/4角形要素の面積を意味し、1次元の場合
は、線要素の長さを意味する。Ωeは任意の閉領域であ
り、その要素を十分小さくすれば、当然、 ∇*φ=lim<∇*φ>e (極限はΩe→0) が成立する。
The element mean value of the finite element Ω e (r) of ∇ * φ is expressed as <∇ * φ> e ≡ (1 / Ω e (r)) ∫ {∇ * φdΩ (r)} (the integration range is Ω e ). Here, Ω e (r) means the volume of a tetrahedron / 5 / pentahedron / 6 element in the case of three dimensions, and the area of a triangle / 4 element in the case of two dimensions. Means the length of the line element. Ω e is an arbitrary closed region, and if its elements are made sufficiently small, naturally, ∇ * φ = lim <∇ * φ> e (the limit is Ω e → 0).

【0030】要素Ωeにおけるφは、要素Ωeの節点番号
をaで表わすと、 φ=Σaaφa (和は、a=1〜m、mは要素の節点
数) で近似できる。節点aは、隣接する要素の節点でもある
ので、形状関数に要素番号も付して区別すべきである
が、煩雑であるし紛れるおそれもないので、単にN a
書くことにする。ここで、Naは形状関数である。紛れ
るおそれがない場合は、記号Σを省略して、 φ=Naφa と書くこともある。この場合、添字aは和の規約に従う
という。このφを要素平均値の定義式に代入すると、 <∇*φ>e=Σa(1/Ωe(r))∫{∇NadΩ(r)}*φa (積分範囲はΩe) =Σaa*φa(和は、a=1〜m) を得る。
Element ΩeIs the element ΩeNode number of
Is expressed as a, φ = ΣaNaφa (The sum is a = 1 to m, m is the node of the element
Number). Node a is also a node of an adjacent element
Therefore, the shape function should also be distinguished by adding the element number
However, since it is complicated and there is no risk of being lost, aWhen
I decide to write. Where NaIs a shape function. Confused
If there is no danger, omit the symbol Σ andaφa Sometimes it is written. In this case, the subscript a follows the rules of the sum
That. By substituting this φ into the definition formula of the element average, <∇ * φ>e= Σa(1 / Ωe(r)) ∫ {∇NadΩ (r)} * φa (Integration range is Ωe) = Σaa* Φa(The sum is a = 1 to m).

【0031】ここで、領域Ωe(r)の節点aに対応する
離散nabla演算子∇aを、 ∇a≡(1/Ωe(r))∫{∇NadΩ(r)} (積分範囲は
Ωe) で定義する。すなわち、離散nabla演算子は、形状関数
aのこう配の要素平均値である。この定義式が基本ア
イデアである。そして、この定義式を用いると、要素平
均値を用いて、 <∇p>e=Σaaa, <∇・v>e=Σaa・va, <∇×v>e=Σaa×va, <∇v>e=∇aa, <∇・T>e=Σaa・Ta, <∇×T>e=Σaa×Ta, <∇T>e=Σaaa 等が直ちに計算できる。
[0031] Here, a discrete nabla operator ∇ a corresponding to the node a region Ω e (r), ∇ a ≡ (1 / Ω e (r)) ∫ {∇N a dΩ (r)} ( integration The range is defined by Ω e ). That is, the discrete nabla operator is an element average value of the gradient of the shape functions N a. This definition is the basic idea. Then, using this definition equation, using element average value, <∇p> e = Σ a ∇ a p a, <∇ · v> e = Σ a ∇ a · v a, <∇ × v> e = Σ a ∇ a × v a , <∇v> e = ∇ a v a, <∇ · T> e = Σ a ∇ a · T a, <∇ × T> e = Σ a ∇ a × T a, <∇T> e = Σ a ∇ a T a and the like can be calculated immediately.

【0032】同様にして、粘性応力の要素平均値は、 τe=<μ[∇v+(∇v)T]>e =μeΣa(∇aa+vaa) と表示できる。ここで、μは粘性係数である。μeは、
μの要素平均値である。残された問題は、離散nabla演
算子の計算法である。このように離散nabla演算子を定
義することにより、こう配・発散・回転を、離散nabla
演算子を用いて記述できる。
[0032] In the same manner, element average value of the viscous stress, τ e = <μ [∇v + (∇v) T]> e = μ e Σ a (∇ a v a + v a ∇ a) and can be displayed. Here, μ is a viscosity coefficient. μ e is
Element mean value of μ. The remaining problem is how to calculate the discrete nabla operator. By defining the discrete nabla operator in this way, the gradient, divergence, and rotation
Can be described using operators.

【0033】第2に、離散nabla演算子の計算法を説明
する。離散nabla演算子の計算法には、体積分で計算す
る体計算法と、面積分で計算する面計算法がある。物理
空間で歪んだ要素は、計算空間に写像することで正規化
することができる。よって、離散nabla演算子の計算
は、計算空間で実行するのがよい。例えば、r=(x,
y,z)=(x1,x2,x3)空間を、ξ=(ξ,η,ζ)=(ξ1,
ξ23)空間に写像する。写像は、形状関数Naを用い
て、 r(ξ)=Σaa(ξ)ra (和は、a=1〜m) と実行される。raは、節点aの位置ベクトルである。
Second, a method of calculating the discrete nabla operator will be described. There are two methods of calculating the discrete nabla operator: a field calculation method that calculates by volume integral, and a surface calculation method that calculates by area. Elements distorted in the physical space can be normalized by mapping them to the computation space. Therefore, the calculation of the discrete nabla operator is preferably performed in the calculation space. For example, r = (x,
y, z) = (x 1 , x 2 , x 3 ) space, ξ = (ξ, η, ζ) = (ξ 1 ,
ξ 2 , ξ 3 ) Map to space. The mapping is performed using the shape function N a as follows: r (ξ) = Σ a N a (ξ) r a (the sum is a = 1 to m). r a is the position vector of the node a.

【0034】nabla演算子∇はベクトルであり、座標系
に依存しないことを利用して、計算空間のnabla演算子
を求める。すなわち、nabla演算子は、物理空間と計算
空間で、3次元の場合、 ∇=∇x1(∂/∂x1)+∇x2(∂/∂x2)+∇x3(∂/
∂x3) 物理空間 ∇=∇ξ1(∂/∂ξ1)+∇ξ2(∂/∂ξ2)+∇ξ3(∂/
∂ξ3) 計算空間 と表示でき、両者は共に等しい。ここで、反変基底ベク
トル gi≡∇ξi (i=1,2,3) を定義すると、nabla演算子は、簡潔に、 ∇=Σii(∂/∂ξi) =g1(∂/∂ξ1)+g2(∂/∂ξ2)+g3(∂/∂ξ3) と記述できる。
The nabla operator ∇ is a vector, and uses the fact that it does not depend on the coordinate system, and finds the nabla operator in the calculation space. That is, the nabla operator, in the physical space and the computational space, in three dimensions, ∇ = ∇x 1 (∂ / ∂x 1 ) + ∇x 2 (∂ / ∂x 2 ) + ∇x 3 (∂ /
∂x 3 ) Physical space ∇ = ∇ξ 1 (∂ / ∂ξ 1 ) + ∇ξ 2 (∂ / ∂ξ 2 ) + ∇ξ 3 (∂ /
∂ξ 3 ) Computation space can be displayed, and both are equal. Here, if the contravariant basis vector g i ≡∇ξ i (i = 1, 2, 3) is defined, the nabla operator simply describes ∇ = Σ i g i (∂ / ∂ξ i ) = g 1 It can be described as (+ / ∂ξ 1 ) + g 2 (∂ / ∂ξ 2 ) + g 3 (∂ / ∂ξ 3 ).

【0035】変数変換のJacobianをJで表わせば、 dΩ(r)=JdΩ(ξ) J={∂(x,y,z)/∂(ξ,η,ζ)} が成立する。ここで、要素平均値を、 Je≡<J>e≡Ωe(r)/Ωe(ξ) ge i≡<gi>e で定義すれば、離散nabla演算子は、 ∇a≡(1/Ωe(r))∫{∇NadΩ(r)} (積分範囲はΩe) =(1/Ωe(r))∫{∇NaJdΩ(ξ)} ≒Σi(Je/Ωe(r))∫{gi(∂Na/∂ξi)dΩ(ξ)} ≒Σie i(1/Ωe(ξ))∫{(∂Na/∂ξi)dΩ(ξ)} =Σie i<∂Na/∂ξi>e (和は、i=1〜3) と近似できる。したがって、 ∇a=Σie i<∂Na/∂ξi>e (体計算法) と記述できる。これを、離散nabla演算子の体計算法と
呼ぶことにする。すなわち、離散nabla演算子は、要素
の形状に依存する反変基底ベクトルの要素平均値と、要
素の形状に依存しない形状関数の一階微分の積和で表わ
すことができる。
If Jacobian of the variable transformation is represented by J, then dΩ (r) = JdΩ (ξ) J = {∂ (x, y, z) / ∂ (ξ, η, ζ)} holds. Here, if the element mean value is defined as J e ≡ <J> e ≡Ω e (r) / Ω e (ξ) g e i ≡ <g i > e , the discrete nabla operator becomes ∇ a(1 / Ω e (r) ) ∫ {∇N a dΩ (r)} ( integration range Ω e) = (1 / Ω e (r)) ∫ {∇N a JdΩ (ξ)} ≒ Σ i ( J e / Ω e (r)) ∫ {g i (∂N a / ∂ξ i ) dΩ (ξ)} ≒ Σ i g e i (1 / Ω e (ξ)) ∫ {(∂N a / ∂ ξ i) dΩ (ξ)} = Σ i g e i <∂N a / ∂ξ i> e ( sum, i = 1 to 3) can be approximated. Therefore, it can be described ∇ a = Σ i g e i <∂N a / ∂ξ i> e ( body calculus) and. This is called the field calculation method of the discrete nabla operator. That is, the discrete nabla operator can be represented by the product sum of the element average value of the invariant base vector depending on the element shape and the first derivative of the shape function independent of the element shape.

【0036】もう一つの計算法が可能である。(∇*
φ)の要素平均は、Greenの定理を用いて、境界積分で
表わすこともできる。すなわち、 <∇*φ>e=(1/Ωe(r))∫{n*φdΓ(r)} (積分範
囲はΓe) である。ここで、Γe=∂Ωeは、Ωeの境界で、nは、
面の単位法線ベクトルである。これを、各面の総和で記
述すると、 <∇*φ>e≒(1/Ωe(r))ΣsΔΓs(r)*φs =ΣsΔΓs(r)*φs/Ωe(r) (面計算法) となる。△Γsは、微小要素の面積ベクトルである。Σs
は、境界要素∂Ωeの分割要素の総和を意味する。sに
ついての総和の意味で、Σを省略してもよい。φ sは、
φの面平均値である。
Another calculation method is possible. (∇ *
The element mean of φ) is calculated by the boundary integral using Green's theorem.
It can also be represented. That is, <∇ * φ>e= (1 / Ωe(r)) ∫ {n * φdΓ (r)} (integral range
The enclosure is Γe). Where Γe= ∂ΩeIs ΩeAt the boundary of
This is the unit normal vector of the surface. This is expressed as the sum of each surface.
In other words, <∇ * φ>e≒ (1 / Ωe(r)) ΣsΔΓs(r) * φs = ΣsΔΓs(r) * φs/ Ωe(r) (Surface calculation method). △ ΓsIs the area vector of the microelement. Σs
Is the boundary element ∂ΩeMeans the sum of the divided elements. to s
Σ may be omitted in the sense of the sum of φ sIs
This is the surface average of φ.

【0037】このように、離散nabla演算子は、体計算
法と面計算法によって計算できる。体計算法は表示が単
純で、計算機でシステム的に計算するのに便利である。
面計算法は、離散nabla演算子の物理的解釈に適してい
る。表1、表2、表3に、以上の結果をまとめておく。
表2から明らかなように、離散nabla演算子は、要素の
節点の位置ベクトルの差△rが求まれば計算できる。そ
して、離散nabla演算子は、非構造格子の有限体積法ま
たは有限要素法において、最も基本的な役割を演ずる。
さらに、有限体積法と有限要素法の両者のもつ長所を混
合する概念で、次世代の新しい計算手法を生み出す可能
性を有している。
As described above, the discrete nabla operator can be calculated by the field calculation method and the surface calculation method. The field calculation method is simple to display, and is convenient for performing systematic calculations on a computer.
The surface calculation method is suitable for the physical interpretation of the discrete nabla operator. Tables 1, 2, and 3 summarize the above results.
As is clear from Table 2, the discrete nabla operator can be calculated if the difference Δr between the position vectors of the nodes of the elements is obtained. And the discrete nabla operator plays the most fundamental role in the finite volume or finite element method of unstructured grids.
Furthermore, the concept of mixing the advantages of both the finite volume method and the finite element method has the potential to create a new calculation method for the next generation.

【0038】 [表1] 離散nabla演算子 <∇*φ>e=(1/Ωe(r)){∫∇NadΩ(r)}*φa (積分範囲はΩe) =ΣaΣie i<∂Na/∂ξi>e*φa <∇*φ>e=(1/Ωe(r)){∫φdΓ}*φ (積分範囲はΓe) =ΣsΔΓs(r)*φs/Ωe(r) <∇*φ>e=Σaa*φaa≡(1/Ωe(r)){∫∇NadΩ(r)} =Σie i<∂Na/∂ξi>e (定義式)[0038] [Table 1] discrete nabla operator <∇ * φ> e = ( 1 / Ω e (r)) {∫∇N a dΩ (r)} * φ a ( integration range Ω e) = Σ a Σ i g e i <∂N a / ∂ξ i> e * φ a <∇ * φ> e = (1 / Ω e (r)) {∫φdΓ} * φ ( integration range Γ e) = Σ s ΔΓ s (r) * φ s / Ω e (r) <∇ * φ> e = Σ aa * φ aa ≡ (1 / Ω e (r)) {∫∇N a dΩ (r)} = Σ i g e i <∂N a / ∂ξ i > e (definition formula)

【0039】 [表2] 離散nabla演算子の表示式(6面体要素) ∇a≡Σie i<∂Na/∂ξi>e (和は、i=1〜3)(定義式) ∇a=(1/Ωe(r))(A* 1ξa+A* 2ηa+A* 3ζa) ∇a=(1/4Ωe(r))(S* 1ξa+S* 2ηa+S* 3ζa) ただし、 ξ1=ξ, ξ2=η, ξ3=ζ ge 1≡<g1>e=<g2×g3>e/Je (反変基底ベクトル1) ge 2≡<g2>e=<g3×g1>e/Je (反変基底ベクトル2) ge 3≡<g3>e=<g1×g2>e/Je (反変基底ベクトル3) gi≡∂r/∂ξi (i=1,2,3)(共変基底ベクトル) A* 1≡<g2×g3>e=<(∂r/∂ξ2)×(∂r/∂ξ3)>e* 2≡<g3×g1>e=<(∂r/∂ξ3)×(∂r/∂ξ1)>e* 3≡<g1×g2>e=<(∂r/∂ξ1)×(∂r/∂ξ2)>e* 1≡(Δr)* 2×(Δr)* 3* 2≡(Δr)* 3×(Δr)* 1* 3≡(Δr)* 1×(Δr)* 2 (6面体を、ξ,η,ζがそれぞれ±1となる8点を頂点
とする立方体に正規化した場合、ξaは、節点aのξ座
標である。ηaは、節点aのη座標である。ζaは、節点
aのζ座標である。) (Δr)* 1=(1/4){(Δr)21+(Δr)34+(Δr)65+(Δ
r)78} (Δr)* 2=(1/4){(Δr)32+(Δr)41+(Δr)76+(Δ
r)85} (Δr)* 3=(1/4){(Δr)51+(Δr)62+(Δr)73+(Δ
r)84} (Δr)ab=ra−rb (a,bは、節点番号)
[0039] [Table 2] discrete nabla operator display type (hexahedral element) ∇ a ≡Σ i g e i <∂N a / ∂ξ i> e ( sum, i = 1 to 3) (definition formula ) ∇ a = (1 / Ω e (r)) (A * 1 ξ a + A * 2 η a + A * 3 ζ a ) ∇ a = (1/4 Ω e (r)) (S * 1 ξ a + S * 2 η a + S * 3 ζ a ) where ξ 1 = ξ, ξ 2 = η, ξ 3 = ζ g e 1 ≡ <g 1 > e = <g 2 × g 3 > e / J e (inverse basis Vector 1) g e 2 ≡ <g 2 > e = <g 3 × g 1 > e / J e (contravariant basis vector 2) g e 3 ≡ <g 3 > e = <g 1 × g 2 > e / J e (invariant basis vector 3) g i ≡∂r / ∂ξ i (i = 1, 2, 3) (covariant basis vector) A * 1 ≡ <g 2 × g 3 > e = <(∂r / ∂ξ 2) × (∂r / ∂ξ 3)> e A * 2 ≡ <g 3 × g 1> e = <(∂r / ∂ξ 3) × (∂r / ∂ξ 1)> e A * 3 ≡ <g 1 × g 2 > e = <(∂r / ∂ξ 1 ) × (∂r / ∂ξ 2 )> e S * 1 ≡ (Δr) * 2 × (Δr) * 3 S * 2 ≡ (Δr) * 3 × (Δr) * 1 S * 3 ≡ (Δr) * 1 × (Δr) * 2 (A hexahedron is defined as the vertex with 8 points where ξ, η and ζ are ± 1 respectively. If cubes were normalized to that, xi] a is .Ita a is xi] coordinates of the node a is .Zeta a is η coordinates of the node a is the ζ coordinate of the node a.) (Δr) * 1 = (1/4) {(Δr) 21 + (Δr) 34 + (Δr) 65 + (Δ
r) 78 } (Δr) * 2 = (1/4) {(Δr) 32 + (Δr) 41 + (Δr) 76 + (Δ
r) 85 } (Δr) * 3 = (1/4) {(Δr) 51 + (Δr) 62 + (Δr) 73 + (Δ
r) 84 } (Δr) ab = r a −r b (a and b are node numbers)

【0040】[表3] 離散nabla演算子の表示式 ∇a≡(1/Ωe(r))∫{∇NadΩ(r)} =Σie i<∂Na/∂ξi>e 対称要素の場合 ∇a=Σi(1/Ωe(r))ge iξa ia*φa=Σi* i*(δφ)* i/Ωe(r) 単体要素の場合 ∇a≡(1/Ωe(ξ))gaa*φa=(1/Ωe(r))ga*φa ただし、iは、座標軸の番号、aは、要素の節点番号、 ge i=<gi>e (i=1,2,3)(反変基底ベクトル
の要素平均)
[0040] [Table 3] Display type discrete nabla operator ∇ a ≡ (1 / Ω e (r)) ∫ {∇N a dΩ (r)} = Σ i g e i <∂N a / ∂ξ i > in the case of e symmetry elements ∇ a = Σ i (1 / Ω e (r)) g e i ξ a i ∇ a * φ a = Σ i S * i * (δφ) * i / Ω e (r) alone In the case of an element ∇ a ≡ (1 / Ω e (ξ)) g aa * φ a = (1 / Ω e (r)) g a * φ a where i is the coordinate axis number and a is the element node numbers, g e i = <g i > e (i = 1,2,3) ( element average contravariant basis vectors)

【0041】第3に、単体要素のこう配・発散・回転に
ついて説明する。1次元の線分、2次元の3角形、3次
元の4面体を総称して、単体要素と呼ぶ。単体要素に対
して、こう配・発散・回転を計算する。反変基底ベクト
ル gi=∇ξi (i=1,2,3) は、単体要素に対して一定であるから、要素平均値ge i
は、giに等しい。この結果、離散nabla演算子法の体計
算法と面計算法は一致し、離散nabla演算子は、近似式
でなく解析表示と一致する。そして、各次元に応じて、 Σiξi=1, Σii=0 が成り立つ。
Third, the gradient, divergence, and rotation of a single element will be described. One-dimensional line segments, two-dimensional triangles, and three-dimensional tetrahedrons are collectively referred to as single elements. Calculate gradient, divergence, and rotation for a single element. Since the contravariant basis vector g i = ∇ξ i (i = 1, 2, 3) is constant for a single element, the element average value g e i
It is equal to g i. As a result, the field calculation method of the discrete nabla operator method matches the surface calculation method, and the discrete nabla operator matches not the approximate expression but the analysis display. Then, Σ i ξ i = 1, Σ i g i = 0 according to each dimension.

【0042】また、 Na=ξa であるから、 <∂Na/∂ξi>e=δia =1(i=aのとき) =0(i≠aのとき) に等しい。このとき、 ∇a=ga となる。よって、一般式の離散化は、 ∇a*φa=ga*φa となる。これを具体的に示すと、1次元の場合、図1の
ようになり、2次元の場合、図2のようになり、3次元
の場合、図3のようになる。
Further, since it is N a = ξ a, equal to (when i ≠ a) <∂N a / ∂ξ i> e = δ ia = 1 (i = when a) = 0. At this time, ∇ a = g a . Thus, discretization of the general formula becomes ∇ a * φ a = g a * φ a. This is specifically shown in FIG. 1 for a one-dimensional case, as shown in FIG. 2 for a two-dimensional case, and as shown in FIG. 3 for a three-dimensional case.

【0043】図1を参照して、1次元の場合を説明す
る。図1のは、節点1であり、は、節点2である。
からまでの長さLeの線分を要素とする。のx座
標をx1とし、のx座標をx2とする。したがって、 x2−x1=Lee=|(1,1)T (x1,x2)T| となる。x座標の単位ベクトルをiとする。iは、右向
きの単位ベクトルである。ξ1座標の原点をとし、左
向きを正の方向とし、長さLeで正規化する。ξ2座標の
原点をとし、右向きを正の方向とし、長さLeで正規
化する。ξ1座標とξ2座標をx座標で表わすと、 ξ1=(x2−x)/Le ξ2=(x−x1)/Le となる。したがって、 ξ1+ξ2=1 となる。反変基底ベクトルg1とg2は、 g1=∇ξ1=−i/Le2=∇ξ2=i/Le となる。したがって、 g1+g2=0 である。形状関数N1は、で1になり、で0になる
線形関数であるから、 N1=(x2−x)/Le=ξ1 となる。形状関数N2は、で1になり、で0になる
線形関数であるから、 N2=(x−x1)/Le=ξ2 となる。したがって、 Na=ξa (a=1,2) と書ける。
The one-dimensional case will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a node 1 and a node 2.
Let a line segment of length Le from to be an element. The x-coordinate and x 1, the x-coordinate and x 2 of. Thus, x 2 -x 1 = L e L e = | (1,1) T (x 1, x 2) T | become. Let the unit vector of the x coordinate be i. i is a unit vector pointing right. Cities origin of xi] 1 coordinates, and the left is a positive direction, normalized by the length L e. City origin of xi] 2 coordinates, and the right is a positive direction, normalized by the length L e. Denoting xi] 1 coordinates and xi] 2 coordinates x-coordinate, xi] 1 = a (x 2 -x) / L e ξ 2 = (x-x 1) / L e. Therefore, ξ 1 + ξ 2 = 1. The invariant basis vectors g 1 and g 2 are g 1 = ∇ξ 1 = -i / L e g 2 = ∇ξ 2 = i / L e . Therefore, g 1 + g 2 = 0. Shape function N 1 is in is 1, in from a linear function becomes 0, N 1 = a (x 2 -x) / L e = ξ 1. Since the shape function N 2 is a linear function that becomes 1 and becomes 0 when, N 2 = (x−x 1 ) / L e = な る2 . Thus, written as N a = ξ a (a = 1,2).

【0044】図2を参照して、2次元の場合を説明す
る。,,は、節点番号である。3角形を要素
とする。節点の(x,y)座標を、(x1,y1)とする。
節点の(x,y)座標を、(x2,y2)とする。節点の
(x,y)座標を、(x3,y3)とする。3角形の面積をS
eとすると、 2Se=|(1,1,1)T (x1, x2, x3)T (y1,y2,y3)T| となる。Δrは、要素の位置ベクトルrの変化量であ
る。(Δr)1は、節点から節点に向かうベクトルで
ある。(Δr)2は、節点から節点に向かうベクトル
である。(Δr)3は、節点から節点に向かうベクト
ルである。ベクトルkは、紙面に垂直で上に向かう単位
ベクトルである。ξ1座標の原点を辺上にとり、辺
に垂直で節点に向かう方向を正の方向とする。ξ
2座標の原点を辺上にとり、辺に垂直で節点
に向かう方向を正の方向とする。ξ3座標の原点を辺
上にとり、辺に垂直で節点に向かう方向を正の
方向とする。ξ1を(x,y)座標で表わすと、 ξ1=ax+by+c 1=ax1+by1+c 0=ax2+by2+c 0=ax3+by3+c a=−(y3−y2)/2Se b=(x3−x2)/2Se c=(x23−x32)/2Se となる。したがって、反変基底ベクトルg1は、 g1=∇ξ1 =−i(y3−y2)/2Se+j(x3−x2)/2Se となる。
The two-dimensional case will be described with reference to FIG. ,, are node numbers. A triangle is used as an element. Let the (x, y) coordinates of the node be (x 1 , y 1 ).
The (x, y) coordinates of the node are set to (x 2 , y 2 ). Nodal
The (x, y) coordinates are (x 3 , y 3 ). The area of the triangle is S
When e, 2S e = | (1,1,1 ) T (x 1, x 2, x 3) T (y 1, y 2, y 3) T | become. Δr is the amount of change in the position vector r of the element. (Δr) 1 is a vector from the node to the node. (Δr) 2 is a vector from the node to the node. (Δr) 3 is a vector from the node to the node. The vector k is a unit vector that is perpendicular to the paper surface and that faces upward. ξ The origin of one coordinate is on the side, and the direction perpendicular to the side and toward the node is the positive direction. ξ
The origin of the two coordinates is on the side, and the direction perpendicular to the side and toward the node is the positive direction.と り The origin of the three coordinates is on the side, and the direction perpendicular to the side and toward the node is the positive direction. Denoting xi] 1 at (x, y) coordinates, ξ 1 = ax + by + c 1 = ax 1 + by 1 + c 0 = ax 2 + by 2 + c 0 = ax 3 + by 3 + c a = - (y 3 -y 2) / 2S eb = (x 3 −x 2 ) / 2S e c = (x 2 y 3 −x 3 y 2 ) / 2S e Therefore, the contravariant basis vector g 1 is g 1 = ∇ξ 1 = −i (y 3 −y 2 ) / 2S e + j (x 3 −x 2 ) / 2S e .

【0045】ところで、 (Δr)1=i(x3−x2)+j(y3−y2) i=−k×j,j=k×i k×(Δr)1=j(x3−x2)−i(y3−y2) であるから、 g1=∇ξ1=k×(Δr)1/2Se となる。ξ2とξ3についても同様に、 g2=∇ξ2=k×(Δr)2/2Se3=∇ξ3=k×(Δr)3/2Se となる。ξ1とξ2とξ3は一次独立でなく、 (x3−x2)+(x2−x1)+(x1−x3)=0 (y3−y2)+(y2−y1)+(y1−y3)=0 (x23−x32)+(x31−x13)+(x12−x2
1)=2Se であるから、明らかに、 ξ1+ξ2+ξ3=1 である。g1とg2とg3も一次独立でなく、 (Δr)1+(Δr)2+(Δr)3=0 であるから、明らかに、 g1+g2+g3=0 である。
By the way, (Δr) 1 = i (x 3 −x 2 ) + j (y 3 −y 2 ) i = −k × j, j = k × ik × (Δr) 1 = j (x 3 − since x 2) is -i (y 3 -y 2), the g 1 = ∇ξ 1 = k × (Δr) 1 / 2S e. Similarly for xi] 2 and xi] 3, the g 2 = ∇ξ 2 = k × (Δr) 2 / 2S e g 3 = ∇ξ 3 = k × (Δr) 3 / 2S e. ξ 1 , ξ 2, and ξ 3 are not linearly independent, and (x 3 −x 2 ) + (x 2 −x 1 ) + (x 1 −x 3 ) = 0 (y 3 −y 2 ) + (y 2 −y 1 ) + (y 1 −y 3 ) = 0 (x 2 y 3 −x 3 y 2 ) + (x 3 y 1 −x 1 y 3 ) + (x 1 y 2 −x 2 y
1) = from a 2S e, clearly, a ξ 1 + ξ 2 + ξ 3 = 1. g 1 and g 2 and g 3 is also not linearly independent, (Δr) 1 + (Δr ) 2 + (Δr) from a 3 = 0, obviously, is g 1 + g 2 + g 3 = 0.

【0046】節点の形状関数N1は、節点で1にな
り、節点で0になる線形関数であるから、明らかに
ξ1に一致する。ξ2とξ3についても同様であるから、 Na=ξa (a=1,2,3) と書ける。
The shape function N 1 node will become 1 at node, because a linear function becomes 0 at node obviously coincides with xi] 1. Since same is true for xi] 2 and xi] 3, written as N a = ξ a (a = 1,2,3).

【0047】φの節点における値をφ1とし、節点
における値をφ2とし、節点3における値をφ3とする。
一般式は、 ∇a*φa=ga*φa =g1*φ1+g2*φ2+g3*φ3 =−(g2+g3)*φ1−(g3+g1)*φ2−(g1+g2)*φ3 =−g1*(φ2+φ3)−g2*(φ3+φ1)−g3*(φ1+φ2) =−k×(Δr)1/Se*(φ2+φ3)/2 −k×(Δr)2/Se*(φ3+φ1)/2 −k×(Δr)3/Se*(φ1+φ2)/2 =(1/Se){S1*φ1 -+S2*φ2 -+S3*φ3 -} となる。ただし、 S1=(Δr)1×k, φ1 -=(φ2+φ3)/2 S2=(Δr)2×k, φ2 -=(φ3+φ1)/2 S3=(Δr)3×k, φ3 -=(φ1+φ2)/2 である。また、 f1 -=(f2+f3)/2 f2 -=(f3+f1)/2 f3 -=(f1+f2)/2 とすると、 ∇aa=(1/Se){S11 -+S22 -+S33 -} と書ける。同様に、 ∇a・va=(1/Se){S1・v1 -+S2・v2 -+S3・v3
-} (∇a×va)・k=(1/Se){(Δr)1・v1 -+(Δr)2
2 -+(Δr)3・v3 -} と書ける。
Let the value at the node of φ be φ1And the nodes
The value at φTwoAnd the value at node 3 is φThreeAnd
The general formula isa* Φa= Ga* Φa = G1* Φ1+ GTwo* ΦTwo+ GThree* ΦThree =-(GTwo+ GThree) * Φ1− (GThree+ G1) * ΦTwo− (G1+ GTwo) * ΦThree = -G1* (ΦTwo+ ΦThree) -GTwo* (ΦThree+ Φ1) -GThree* (Φ1+ ΦTwo) = − K × (Δr)1/ Se* (ΦTwo+ ΦThree) / 2 −k × (Δr)Two/ Se* (ΦThree+ Φ1) / 2 −k × (Δr)Three/ Se* (Φ1+ ΦTwo) / 2 = (1 / Se) {S1* Φ1 -+ STwo* ΦTwo -+ SThree* ΦThree -}. Where S1= (Δr)1× k, φ1 -= (ΦTwo+ ΦThree) / 2 STwo= (Δr)Two× k, φTwo -= (ΦThree+ Φ1) / 2 SThree= (Δr)Three× k, φThree -= (Φ1+ ΦTwo) / 2. Also, f1 -= (FTwo+ FThree) / 2 fTwo -= (FThree+ F1) / 2 fThree -= (F1+ FTwo) / 2, ∇afa= (1 / Se) {S1f1 -+ STwofTwo -+ SThreefThree -} Can be written. Similarly, ∇a・ Va= (1 / Se) {S1・ V1 -+ STwo・ VTwo -+ SThree・ VThree
-} (∇a× va) · K = (1 / Se) {(Δr)1・ V1 -+ (Δr)Two
vTwo -+ (Δr)Three・ VThree -} Can be written.

【0048】図3を参照して、3次元の場合を説明す
る。,,,は、節点番号である。4面体
を要素とする。節点の(x,y,z)座標を、(x1,y1,
1)とする。節点の(x,y,z)座標を、(x2,y2,
2)とする。節点の(x,y,z)座標を、(x3,y3,
3)とする。節点の(x,y,z)座標を、(x4,y4,
4)とする。4面体の体積をVeとすると、 6Ve=|(1,1,1,1)T (x1,x2,x3,x4)T (y1,y2,
3,y4)T (z1,z2,z3,z4)T| となる。節点の位置ベクトルをr1とし、節点の位
置ベクトルをr2とし、節点の位置ベクトルをr3
し、節点の位置ベクトルをr4とする。ξ1を(x,y,
z)座標で表わすと、 ξ1=ax+by+cz+d 1=ax1+by1+cz1+d 0=ax2+by2+cz2+d 0=ax3+by3+cz3+d 0=ax3+by3+cz3+d a=−(S1・i)/3Ve b=−(S1・j)/3Ve c=−(S1・k)/3Ve d=|S1|/3Ve となる。ただし、 S1=(r3−r2)×(r4−r2)/2 である。したがって、反変基底ベクトルg1は、 g1=∇ξ1 =−i(S1・i)/3Ve−j(S1・j)/3Ve−k(S1
・k)/3Ve =−S1/3Ve となる。ξ2とξ3とξ4についても同様に、 g2=∇ξ2=−S2/3Ve3=∇ξ3=−S3/3Ve4=∇ξ4=−S4/3Ve となる。ξ1とξ2とξ3とξ4は一次独立でなく、明らか
に、 ξ1+ξ2+ξ3+ξ4=1 である。g1とg2とg3とg4も一次独立でなく、明らか
に、 g1+g2+g3+g4=0 である。
The three-dimensional case will be described with reference to FIG.
You. ,,, are node numbers. Tetrahedron
Is an element. The (x, y, z) coordinates of the node are expressed as (x1, y1,
z1). The (x, y, z) coordinates of the node are expressed as (xTwo, yTwo,
zTwo). The (x, y, z) coordinates of the node are expressed as (xThree, yThree,
zThree). The (x, y, z) coordinates of the node are expressed as (xFour, yFour,
z Four). Let the volume of the tetrahedron be VeThen, 6Ve= | (1,1,1,1)T (x1, xTwo, xThree, xFour)T (y1, yTwo,
yThree, yFour)T (z1, zTwo, zThree, zFour)T| Let the position vector of the node be r1And the position of the node
The vectorTwoAnd the position vector of the node is rThreeWhen
And the position vector of the nodeFourAnd ξ1To (x, y,
z) When expressed in coordinates, ξ1= Ax + by + cz + d 1 = ax1+ By1+ Cz1+ D 0 = axTwo+ ByTwo+ CzTwo+ D 0 = axThree+ ByThree+ CzThree+ D 0 = axThree+ ByThree+ CzThree+ D a =-(S1・ I) / 3Ve b =-(S1・ J) / 3Ve c =-(S1・ K) / 3Ve d = | S1| / 3Ve Becomes Where S1= (RThree-RTwo) × (rFour-RTwo) / 2. Therefore, the contravariant basis vector g1Is g1= ∇ξ1 = -I (S1・ I) / 3Ve−j (S1・ J) / 3Ve-K (S1
・ K) / 3Ve = -S1/ 3Ve Becomes ξTwoAnd ξThreeAnd ξFourSimilarly, for gTwo= ∇ξTwo= -STwo/ 3Ve gThree= ∇ξThree= -SThree/ 3Ve gFour= ∇ξFour= -SFour/ 3Ve Becomes ξ1And ξTwoAnd ξThreeAnd ξFourIs not linear independence, apparent
In, ξ1+ ΞTwo+ ΞThree+ ΞFour= 1. g1And gTwoAnd gThreeAnd gFourAlso not linear independence, obvious
G1+ GTwo+ GThree+ GFour= 0.

【0049】節点の形状関数N1は、節点で1にな
り、節点で0になる線形関数であるから、明らか
にξ1に一致する。ξ2とξ3とξ4についても同様である
から、 Na=ξa (a=1,2,3,4) と書ける。
The shape function N 1 node will become 1 at node, because a linear function becomes 0 at node obviously coincides with xi] 1. Since same is true for xi] 2 and xi] 3 and xi] 4, written as N a = ξ a (a = 1,2,3,4).

【0050】φの節点における値をφ1とし、節点
における値をφ2とし、節点3における値をφ3とし、節
点4における値をφ4とする。一般式は、 Σaa*φa=Σaa*φa =g1*φ1+g2*φ2+g3*φ3+g4*φ4 =−(g2+g3+g4)*φ1−(g3+g4+g1)*φ2
(g4+g1+g2)*φ3−(g1+g2+g3)*φ4 =−g1*(φ2+φ3+φ4)−g2*(φ3+φ4+φ1)−g
3*(φ4+φ1+φ2)−g4*(φ1+φ2+φ3) =S1/Ve*(φ2+φ3+φ4)/3+S2/Ve*(φ3
φ4+φ1)/3+S3/Ve*(φ4+φ1+φ2)/3+S4
/Ve*(φ1+φ2+φ3)/3 =(1/Ve){S1*φ1 -+S2*φ2 -+S3*φ3 -+S4
φ4 -} となる。ただし、 S1=(r3−r2)×(r4−r2)/2, φ1 -=(φ2+φ3
φ4)/3 S2=(r3−r1)×(r4−r1)/2, φ2 -=(φ3+φ4
φ1)/3 S3=(r4−r2)×(r1−r2)/2, φ3 -=(φ4+φ1
φ2)/3 S4=(r3−r1)×(r2−r1)/2, φ4 -=(φ1+φ2
φ3)/3 である。また、 f1 -=(f2+f3+f4)/3 f2 -=(f3+f4+f1)/3 f3 -=(f4+f1+f2)/3 f4 -=(f1+f2+f3)/3 とすると、 Σaaa=(1/Ve){S11 -+S22 -+S33 -+S
44 -} と書ける。同様に、 Σaa・va=(1/Ve){S1・v1 -+S2・v2 -+S3
3 -+S4・v4 -} Σaa×va=(1/Ve){S1×v1 -+S2×v2 -+S3×
3 -+S4×v4 -} と書ける。
The value at the node of φ is φ 1 , the value at the node is φ 2 , the value at node 3 is φ 3, and the value at node 4 is φ 4 . General formula, Σ a ∇ a * φ a = Σ a g a * φ a = g 1 * φ 1 + g 2 * φ 2 + g 3 * φ 3 + g 4 * φ 4 = - (g 2 + g 3 + g 4) * Φ 1 − (g 3 + g 4 + g 1 ) * φ 2
(g 4 + g 1 + g 2 ) * φ 3- (g 1 + g 2 + g 3 ) * φ 4 = -g 1 * (φ 2 + φ 3 + φ 4 ) -g 2 * (φ 3 + φ 4 + φ 1 ) -g
3 * (φ 4 + φ 1 + φ 2 ) -g 4 * (φ 1 + φ 2 + φ 3 ) = S 1 / V e * (φ 2 + φ 3 + φ 4 ) / 3 + S 2 / V e * (φ 3 +
φ 4 + φ 1 ) / 3 + S 3 / V e * (φ 4 + φ 1 + φ 2 ) / 3 + S 4
/ V e * (φ 1 + φ 2 + φ 3) / 3 = (1 / V e) {S 1 * φ 1 - + S 2 * φ 2 - + S 3 * φ 3 - + S 4 *
a} - phi 4. Where S 1 = (r 3 −r 2 ) × (r 4 −r 2 ) / 2, φ 1 = (φ 2 + φ 3 +
φ 4 ) / 3 S 2 = (r 3 −r 1 ) × (r 4 −r 1 ) / 2, φ 2 = (φ 3 + φ 4 +
φ 1 ) / 3 S 3 = (r 4 −r 2 ) × (r 1 −r 2 ) / 2, φ 3 = (φ 4 + φ 1 +
φ 2 ) / 3 S 4 = (r 3 −r 1 ) × (r 2 −r 1 ) / 2, φ 4 = (φ 1 + φ 2 +
φ 3 ) / 3. F 1 = (f 2 + f 3 + f 4 ) / 3 f 2 = (f 3 + f 4 + f 1 ) / 3 f 3 = (f 4 + f 1 + f 2 ) / 3 f 4 = (f When 1 + f 2 + f 3) / 3, Σ a ∇ a f a = (1 / V e) {S 1 f 1 - + S 2 f 2 - + S 3 f 3 - + S
4 f 4 -} and write. Similarly, Σ a ∇ a · v a = (1 / V e) {S 1 · v 1 - + S 2 · v 2 - + S 3 ·
v 3 - + S 4 · v 4 -} Σ a ∇ a × v a = (1 / V e) {S 1 × v 1 - + S 2 × v 2 - + S 3 ×
v 3 + S 4 × v 4 }.

【0051】第4に、対称要素のこう配・発散・回転に
ついて説明する。1次元の線分、2次元の4角形、3次
元の6面体について調べる。これらの要素は、写像関数 r=Σaaa により計算空間に写像すると、各座標軸に対して対称と
なるから、対称要素と呼ぶ。対称要素の形状関数は、そ
れぞれの次元に対して、 Na=(1/2)(1+ξaξ) (1次元) Na=(1/4)(1+ξaξ)(1+ηaη) (2次元) Na=(1/8)(1+ξaξ)(1+ηaη)(1+ζaζ) (3次元) と書く事ができる。ξaaaは、節点により決まる
+1または−1である。1次元の場合、 N1=(1/2)(1−ξ); ξa=−1 N2=(1/2)(1+ξ); ξa=+1 となる。
Fourth, the gradient, divergence, and rotation of the symmetric element will be described. One-dimensional line segments, two-dimensional tetragons, and three-dimensional hexahedrons are examined. These elements, when mapped to calculation space by mapping function r = Σ a N a r a , since the symmetry with respect to each coordinate axis, referred to as a symmetrical element. Shape function of symmetry elements, for each dimension, = N a (1/2) ( 1 + ξ a ξ) (1 -dimensional) N a = (1/4) ( 1 + ξ a ξ) (1 + η a η) ( Two-dimensional) N a = (1/8) (1 + ξ a ξ) (1 + η a η) (1 + ζ a ζ) (three-dimensional). ξ a , η a , ζ a is +1 or −1 determined by the node. In the case of one dimension, N 1 = (1/2) (1-ξ); ξ a = −1 N 2 = (1/2) (1 + ξ); ξ a = + 1.

【0052】よって、各次元の要素平均は、 <∂Na/∂ξi>e=(1/2)ξa i (1次元(i=1)) <∂Na/∂ξi>e=(1/4)ξa i (2次元(i=1,2)) <∂Na/∂ξi>e=(1/8)ξa i (3次元(i=1,2,3)) と表示できる。これより、 ∇a*φa=Σie i*(1/2)ξa iφ (1次元) ∇a*φa=Σie i*(1/4)ξa iφ (2次元) ∇a*φa=Σie i*(1/8)ξa iφ (3次元) を得る。1次元、2次元、3次元をまとめて、一般化公
式、 ∇a*φa=Σi(1/Ωe(ξ))ge i*(ξa iφa) が導ける。ここで、Ωe(ξ)は、計算空間の各次元の体
積である。1次元の場合の結果を、図4に示す。2次元
の場合の結果を、図5に示す、3次元の場合の結果を、
図6に示す。
[0052] Thus, the element average of each dimension, <∂N a / ∂ξ i> e = (1/2) ξ a i (1 -D (i = 1)) <∂N a / ∂ξ i> e = (1/4) ξ a i (2 dimensions (i = 1,2)) <∂N a / ∂ξ i > e = (1/8) ξ a i (3 dimensions (i = 1,2,3 )) Can be displayed. Than this, ∇ a * φ a = Σ i g e i * (1/2) ξ a i φ (1 -dimensional) ∇ a * φ a = Σ i g e i * (1/4) ξ a i φ ( 2D) ∇ a * φ a = Σ i g e i * (1/8) to obtain xi] a i phi (the 3-dimensional). One-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional are combined to obtain a generalized formula, ∇ a * φ a = Σ i (1 / Ω e (ξ)) g e i * (ξ a i φ a ). Here, Ω e (ξ) is the volume of each dimension of the computation space. The result for the one-dimensional case is shown in FIG. The result in the case of two dimensions is shown in FIG.
As shown in FIG.

【0053】特に、2次元の4角形要素に対して、各辺
に対する面積Si(i=1,2,3,4)を、次のよう
に定義する。 (Δr)1×k=S1 k×(Δr)3=S3 (Δr)2×k=S2 k×(Δr)4=S4 このとき、面積分公式 <∇*φ>e=Σaa*φa=ΣsΔΓs(x)*φs/Ωe(x) を用いると、発散と回転は、 Σaa*va=(1/Se)[S1・v1 *+S2・v2 *+S3
・v3 *] Σa(∇a×va)・k=(1/Se)[(Δr)1・v1 *+(Δ
r)2・v2 *−(Δr)3・v3 *−(Δr)4・v4 *] と書くこともできる。
In particular, for a two-dimensional square element, the area S i (i = 1, 2, 3, 4) for each side is defined as follows. (Δr) 1 × k = S 1 k × (Δr) 3 = S 3 (Δr) 2 × k = S 2 k × (Δr) 4 = S 4 At this time, the area formula <∇ * φ> e = Σ with a ∇ a * φ a = Σ s ΔΓ s (x) * φ s / Ω e (x), divergence and rotation, Σ a ∇ a * v a = (1 / S e) [S 1 · v 1 * + S 2 · v 2 * + S 3
· V 3 *] Σ a ( ∇ a × v a) · k = (1 / S e) [(Δr) 1 · v 1 * + (Δ
r) 2 · v 2 * − (Δr) 3 · v 3 * − (Δr) 4 · v 4 * ].

【0054】平行4辺形の場合は、この結果が、体積分
公式で求めた結果 Σaa*va=(1/Se)[S1 *・δv1 *+S2 *・δv2
*] Σa(∇a×va)・k=(1/Se)[S1 *×δv1 *+S2 *
×δv2 *]・k に一致することが証明できる。3次元の場合も同様であ
る。すなわち、平行6面体の場合は、面積分公式と体積
分公式の結果は一致する。そして、ゆがんだ要素に付し
ては、計算が少し複雑になるけれども、精度を重視すれ
ば、面積分公式を用いるべきである。
[0054] In the case of parallelogram, this result is, ∇ results sigma a calculated volume fraction Official a * v a = (1 / S e) [S 1 * · δv 1 * + S 2 * · δv 2
*] Σ a (∇ a × v a) · k = (1 / S e) [S 1 * × δv 1 * + S 2 *
× δv 2 * ] · k. The same applies to the case of three dimensions. In other words, in the case of a parallelepiped, the results of the area formula and the volume integral formula match. And for the distorted element, the calculation is a little complicated, but if precision is important, the area formula should be used.

【0055】第5に、係数行列の解析的表示と非記憶化
について説明する。電磁熱流体の有限要素法解析には、
多くの係数行列が表れる。これらの係数行列を、表4と
表5に列挙しておく。2階微分の係数行列であるOpen行
列、Cross行列、Dot行列の離散nabla演算子表示を、表
4に示す。また、移流行列、拡散行列、BTD行列の離散n
abla演算子を、表5に示す。ここで、curl curl演算子
より生ずるCross行列の場合は、積の順序に注意しなけ
ればならない。また、Laplacianより生ずるDot行列は、
拡散行列とも呼ばれる。BTD行列は、移流項の上流化よ
り生ずる行列である。
Fifth, the analytical display and non-storage of the coefficient matrix will be described. For finite element analysis of magneto-thermal fluid,
Many coefficient matrices appear. These coefficient matrices are listed in Tables 4 and 5. Table 4 shows discrete nabla operator representations of the Open matrix, Cross matrix, and Dot matrix, which are coefficient matrices of the second derivative. Also, discrete n of advection matrix, diffusion matrix and BTD matrix
Table 5 shows the abla operator. Here, in the case of a Cross matrix resulting from the curl curl operator, care must be taken in the order of the products. The Dot matrix arising from Laplacian is
Also called a diffusion matrix. The BTD matrix is a matrix resulting from the upstreamization of the advection term.

【0056】ただし、係数行列の離散nabla演算子の積
表示は、hourglass項も含めた定義になっている。例え
ば、拡散行列において Dab=Ωea・∇b =Jee i・ge j<(∂Na/∂ξi)(∂Nb/∂ξj)>e =Jee i・ge j<∂Na/∂ξi>e<∂Nb/∂ξj>e+(ho
urglass項) と定義されている。すなわち、∇aと∇bを独立に内積す
ると、primary partにhourglass項(secondary part)
を付加する必要がある。係数行列については、周知のも
のであるので、これ以上の詳しい説明は省略するが、必
要であれば、文献1などを参照されたい。
However, the product expression of the discrete nabla operator of the coefficient matrix is defined including the hourglass term. For example, in the diffusion matrix D ab = Ω e ∇ a · ∇ b = J e g e i · g e j <(∂N a / ∂ξ i) (∂N b / ∂ξ j)> e = J e g e i · g e j <∂N a / ∂ξ i > e <∂N b / ∂ξ j > e + (ho
urglass section). In other words, when ∇ a and ∇ b are independently dot-products, the hourglass term (secondary part)
Need to be added. Since the coefficient matrix is well known, further detailed description will be omitted, but if necessary, refer to Document 1 and the like.

【0057】[表4] 係数行列と離散nabla演算子
(その1 2階微分) Open行列 非対称行列 Oab=∫∇Na∇NbdΩ(r) =Ωe(r)∇ab =ΣiΣjΩe(r)ge ie j<(∂Na/∂ξi)(∂Nb/∂ξ
j)> Cross行列 反対称行列 Rab=∫∇Na×∇NbdΩ(r) =Ωe(r)∇a×∇b =ΣiΣjΩe(r)ge i×ge j<(∂Na/∂ξi)(∂Nb/∂
ξj)> Dot行列 対称行列 Dab=∫∇Na・∇NbdΩ(r) =Ωe(r)∇a・∇b =ΣiΣjΩe(r)ge i・ge j<(∂Na/∂ξi)(∂Nb/∂
ξj)>
[0057] [Table 4] coefficient matrix and discrete nabla operator (Part 1 2 derivative) Open matrix asymmetric matrix O ab = ∫∇N a ∇N b dΩ (r) = Ω e (r) ∇ a ∇ b = Σ i Σ j Ω e (r) g e i g e j <(∂N a / ∂ξ i ) (∂N b / ∂ξ
j)> Cross matrix antisymmetric matrix R ab = ∫∇N a × ∇N b dΩ (r) = Ω e (r) ∇ a × ∇ b = Σ i Σ j Ω e (r) g e i × g e j <(∂N a / ∂ξ i ) (∂N b / ∂
ξ j)> Dot matrix symmetric matrix D ab = ∫∇N a · ∇N b dΩ (r) = Ω e (r) ∇ a · ∇ b = Σ i Σ j Ω e (r) g e i · g e j <(∂N a / ∂ξ i ) (∂N b / ∂
ξ j )>

【0058】[表5] 係数行列と離散nabla演算子
(その2) 質量行列(対称行列) Mab=∫NabdΩ(r) 集中質量行列(nは要素の節点数) M* ab=Jeδabe=Ωe(r)/n 移流行列(非対称行列) Aab=∫Nav・∇NbdΩ(r) =ΣjΩe(r)ve・ge j<Na(∂Nb/∂ξj)> 拡散行列(Dot行列) Dab=∫∇Na・∇NbdΩ(r) =Ωe(r)∇a・∇b =ΣiΣjΩe(r)ge i・ge j<(∂Na/∂ξi)(∂Nb/∂
ξj)> BTD行列(対称行列) Bab=∫v・∇Nav・∇NbdΩ(r) =Ωe(r)ve・∇ae・∇b =ΣiΣjΩe(r)ve・ge ie・ge j<(∂Na/∂ξi)
(∂Nb/∂ξj)> 計算に必要なものは、<∂r/∂ξi>(i=1,2,3)
及び<Na(∂Nb/∂ξj)>,<(∂Na/∂ξi)(∂Nb/∂
ξj)>だけである。
[Table 5] Coefficient matrix and discrete nabla operator (No. 2) Mass matrix (symmetric matrix) M ab = ∫N a N b dΩ (r) Concentrated mass matrix (n is the number of nodes of elements) M * ab = J e δ ab J e = Ω e (r) / n advection matrix (non-symmetric matrices) A ab = ∫N a v · ∇N b dΩ (r) = Σ j Ω e (r) v e · g e j <N a (∂N b / ∂ξ j)> diffusion matrix (Dot matrix) D ab = ∫∇N a · ∇N b dΩ (r) = Ω e (r) ∇ a · ∇ b = Σ i Σ j Ω e (r) g e i · g e j <(∂N a / ∂ξ i ) (∂N b / ∂
xi] j)> BTD matrix (symmetric matrix) B ab = ∫v · ∇N a v · ∇N b dΩ (r) = Ω e (r) v e · ∇ a v e · ∇ b = Σ i Σ j Ω e (r) v e · g e i v e · g e j <(∂N a / ∂ξ i)
(∂N b / ∂ξ j )> What is needed for the calculation is <∂r / ∂ξ i > (i = 1, 2, 3)
And <N a (∂N b / ∂ξ j)>, <(∂N a / ∂ξ i) (∂N b / ∂
ξ j )> only.

【0059】この係数行列を記憶すると、莫大なメモリ
ーが必要とされる。記憶しないで毎回すべて計算する
と、計算時間が長くなる。よって、非記憶化と高速計算
法が必要である。そのために、行列計算において、行列
要素を2つの部分に分解し、積和で表示する。すなわ
ち、 (係数行列要素)=Σ(係数行列基底)×〈部分係数因
子〉 とする。
Storing this coefficient matrix requires an enormous amount of memory. If all calculations are performed each time without storing, the calculation time becomes longer. Therefore, non-memory and a high-speed calculation method are required. For this purpose, in the matrix calculation, the matrix elements are decomposed into two parts and displayed as a sum of products. That is, (coefficient matrix element) = Σ (coefficient matrix base) × <partial coefficient factor>.

【0060】〈部分係数因子〉は、各要素の形状によら
ない部分で、解析的に求める。計算空間で計算できる
〈部分係数因子〉は、基本的には、<(∂Na/∂ξi)(∂
b/∂ξj)>e,<Na(∂Nb/∂ξi)>eの2個のみであ
る。これらは必要になる度に生成し非記憶化する。一
方、残りの部分を(係数行列基底)と呼ぶ。(係数行列基
底)は、要素形状に依存する部分である。これは、共変
基底ベクトルgi(≡∂r/∂ξi(i=1,2,3))を
用いて容易に計算できる。(係数行列基底)は、要素の種
類だけ計算する。例えば、全体が8種類の要素から構成
されていれば、8個の要素について計算しておけばよ
い。1億個の要素があっても、皆同じ形状の要素である
ならば、ただ1個の要素についての情報<∂r/∂ξi>e
(i=1,2,3)が記憶されていればよい。この部分を
係数行列基底記憶装置に格納しておく。行列計算で係数
行列要素が必要になる時、(係数行列基底)を読み出し、
〈部分係数因子〉を生成し、積和演算で合成して係数行
列要素を生成することにより、非記憶化する。
<Partial factor> is obtained analytically in a portion that does not depend on the shape of each element. Can be calculated by the calculation space <partial coefficient factor> basically, <(∂N a / ∂ξ i ) (∂
N b / ∂ξ j)> e , only two <N a (∂N b / ∂ξ i)> e. These are generated and unstored each time they are needed. On the other hand, the remaining part is called (coefficient matrix base). (Coefficient matrix basis) is a part that depends on the element shape. This can be easily calculated using the covariant basis vector g i (≡∂r / ∂ξ i (i = 1, 2, 3)). (Coefficient matrix basis) calculates only the types of elements. For example, if the whole is composed of eight types of elements, it is sufficient to calculate eight elements. 100 million of even elements, everyone if an element of the same shape, only information about one of the elements <∂r / ∂ξ i> e
(i = 1, 2, 3) should just be stored. This part is stored in the coefficient matrix basis storage device. When coefficient matrix elements are needed for matrix calculation, read (coefficient matrix basis)
A <partial coefficient factor> is generated and combined by a product-sum operation to generate a coefficient matrix element, thereby making it non-memory.

【0061】第6に、反変基底ベクトルのObject化につ
いて説明する。離散nabla演算子は、 ∇e≡Σie i<∂Na/∂ξi>e で定義されている。ここで、反変基底ベクトルge iの計
算が重要である。そして、反変基底ベクトルge iは、有
限体積法と有限要素法に共通である。要素の種類が増加
すると、計算量も増加する。かつ、記憶容量も増大す
る。そこで、要素の種類とその座標が与えられたら、こ
の反変基底ベクトルge iを計算するルーチンをObject化
し、かつLSI化して、メッセージとして節点座標を送れ
ばge iを得られるように、組込み関数的に利用できるよ
うにする。3次元の4/5/6面体要素に対して、チッ
プ化すれば、混合要素での解析が可能となり、格子生成
が極めて容易になる。これがデルチップである(図7参
照)。名前デルは、nabla演算子の別名である。
Sixth, the conversion of the contravariant basis vector into an object will be described. Discrete nabla operator is defined by ∇ e ≡Σ i g e i < ∂N a / ∂ξ i> e. Here, the calculation of the contravariant basis vector g e i is important. And the invariant basis vector g e i is common to the finite volume method and the finite element method. As the types of elements increase, the amount of calculation also increases. In addition, the storage capacity also increases. Then, given the type of element and its coordinates, the routine for calculating this contravariant basis vector g e i is converted into an object and an LSI, and if node coordinates are sent as a message, g e i can be obtained. Make it available as a built-in function. If a three-dimensional 4/5 / 6-hedron element is formed into chips, analysis using a mixed element becomes possible, and grid generation becomes extremely easy. This is a Dell chip (see FIG. 7). The name del is an alias for the nabla operator.

【0062】図8と図9を参照して、離散nabla演算子
を使った有限要素法の非記憶型計算手順を説明する。ス
テップ1で、偏微分方程式の種類を選択し、パラメータ
と境界条件を入力する。偏微分方程式情報記憶装置6に
格納してある計算可能な偏微分方程式に関する情報を表
示装置7に表示し、入力装置1から、必要な情報を入力
する。入力された偏微分方程式のパラメータと境界条件
のデータをパラメータ境界条件記憶装置2に格納してお
く。ステップ2で、節点位置のベクトルを、入力装置1
から入力する。これは、必ずしも個別データを入力する
ことだけではなく、自動的に格子を生成する場合も含
む。節点位置ベクトル記憶装置3に、すべての節点の座
標値を格納しておく。
Referring to FIGS. 8 and 9, a non-memory type calculation procedure of the finite element method using the discrete nabla operator will be described. In step 1, the type of partial differential equation is selected, and parameters and boundary conditions are input. Information about the computable partial differential equations stored in the partial differential equation information storage device 6 is displayed on the display device 7, and necessary information is input from the input device 1. The input parameters and boundary condition data of the PDE are stored in the parameter boundary condition storage device 2. In step 2, the vector of the node position is input to the input device 1
Enter from. This includes not only inputting individual data but also generating a grid automatically. The coordinate values of all nodes are stored in the node position vector storage device 3.

【0063】ステップ3で、既知ベクトル演算手段4に
より、パラメータと境界条件から既知ベクトルを計算し
て、既知ベクトル記憶装置5に、既知ベクトルを格納し
ておく。ステップ4で、係数行列基底演算手段8によ
り、節点座標から反変基底ベクトルと要素体積などを計
算し、係数行列基底記憶装置9に、係数行列基底を格納
しておく。この係数行列基底演算手段8として、図7の
デルチップ72を利用することができる。
In step 3, the known vector calculation means 4 calculates a known vector from the parameters and the boundary conditions, and stores the known vector in the known vector storage device 5. In step 4, the coefficient matrix basis calculation means 8 calculates the invariant basis vector and the element volume from the nodal coordinates, and stores the coefficient matrix basis in the coefficient matrix basis storage device 9. As the coefficient matrix base calculation means 8, the Delchip 72 of FIG. 7 can be used.

【0064】ステップ5で、解析的に計算した形状関数
のデータから部分係数因子生成手段11により生成した部
分係数因子と、係数行列基底記憶装置9から読み出した
係数行列基底から、係数行列要素演算手段12により、係
数行列要素を計算する。係数行列要素を、行列要素記憶
ワークエリア14の一時的に格納する。ステップ6で、行
列演算手段13により、係数行列要素と既知ベクトルから
解ベクトルを求める計算を行なう。このステップ5とス
テップ6を繰り返して、係数行列基底と部分係数因子か
ら計算した係数行列要素を、ワークエリアを使って一時
的に記憶して行列計算を行なうことを続けることによ
り、解を求める。ステップ7で、CRTディスプレイな
どの表示装置7に解析結果を表示する。このように、行
列計算において必要になるたびに、係数行列要素を計算
するので、係数行列全体を記憶するメモリーは必要な
い。係数行列要素は、(節点数)×(節点数)だけある
が、0でない値をとるのは、1行につき数十個程度で、
対角成分付近に集中しているので、ワークエリアも少な
くて済む。
In step 5, the coefficient matrix element calculating means is obtained from the partial coefficient factors generated by the partial coefficient factor generating means 11 from the analytically calculated shape function data and the coefficient matrix base read from the coefficient matrix base storage device 9. According to 12, the coefficient matrix element is calculated. The coefficient matrix elements are temporarily stored in the matrix element storage work area 14. In step 6, the matrix operation means 13 calculates a solution vector from the coefficient matrix element and the known vector. Steps 5 and 6 are repeated to temporarily store the coefficient matrix elements calculated from the coefficient matrix bases and the partial coefficient factors using the work area and continue the matrix calculation to obtain a solution. In step 7, the analysis result is displayed on a display device 7 such as a CRT display. As described above, since the coefficient matrix element is calculated each time it becomes necessary in the matrix calculation, a memory for storing the entire coefficient matrix is not required. Although there are only (number of nodes) × (number of nodes) coefficient matrix elements, non-zero values take about several tens per row.
The work area is small because it is concentrated near the diagonal components.

【0065】上記のように、本発明の実施の形態では、
非構造格子の有限体積法または有限要素法により計算す
る数値解析装置を、離散nabla演算子で記述された係数
行列要素の要素形状に依存する因子を記憶し、要素形状
に依存しない因子を解析的に計算しておき、必要になる
たびに係数行列要素をこれから生成する構成としたの
で、記憶容量を少なくしながらも、計算を高速化でき
る。
As described above, in the embodiment of the present invention,
A numerical analysis device that calculates by the finite volume method or the finite element method of unstructured grids stores the factors that depend on the element shape of the coefficient matrix element described by the discrete nabla operator, and analyzes the factors that do not depend on the element shape Since the coefficient matrix element is generated from now on whenever it is needed, the calculation can be speeded up while reducing the storage capacity.

【0066】[0066]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
では、非構造格子の有限体積法または有限要素法により
偏微分方程式の境界値問題の解を計算する数値解析装置
を、離散nabla演算子で表わした係数行列要素のうちの
要素形状に依存する因子を要素形状に対応させて記憶す
る係数行列基底記憶手段と、離散nabla演算子で表わし
た係数行列要素のうちの要素形状に依存しない因子を種
類別に非記憶化し部分係数因子を生成する部分係数因子
生成手段と、行列計算で必要になるたびに係数行列基底
記憶手段を参照して得た係数行列基底と部分係数因子生
成手段で生成された部分係数因子とから係数行列要素を
生成する計算手段とを具備する構成としたので、記憶容
量を少なくしながらも、計算を高速化できるという効果
が得られる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, a numerical analysis apparatus for calculating a solution of a boundary value problem of a partial differential equation by a finite volume method or a finite element method of an unstructured grid is provided by a discrete nabla operation. Coefficient matrix base storage means for storing factors depending on element shapes of coefficient matrix elements represented by children in correspondence with element shapes, and independent of element shapes of coefficient matrix elements represented by discrete nabla operators A partial coefficient factor generating means for non-storing factors for each type to generate a partial coefficient factor, and a coefficient matrix base and a partial coefficient factor generating means obtained by referring to a coefficient matrix base storing means each time a matrix calculation is required Since it is configured to include a calculation means for generating a coefficient matrix element from the obtained partial coefficient factors, an effect is obtained that the calculation can be sped up while the storage capacity is reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態における数値解析装置で利
用する1次元単体要素のこう配・発散・回転の説明図、
FIG. 1 is an explanatory diagram of gradient, divergence, and rotation of a one-dimensional single element used in a numerical analysis device according to an embodiment of the present invention;

【図2】本発明の実施の形態における数値解析装置で利
用する2次元単体要素のこう配・発散・回転の説明図、
FIG. 2 is an explanatory diagram of gradient, divergence, and rotation of a two-dimensional single element used in the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention;

【図3】本発明の実施の形態における数値解析装置で利
用する3次元単体要素のこう配・発散・回転の説明図、
FIG. 3 is an explanatory diagram of gradient, divergence, and rotation of a three-dimensional single element used in the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention;

【図4】本発明の実施の形態における数値解析装置で利
用する1次元の対称要素のこう配・発散・回転の説明
図、
FIG. 4 is an explanatory diagram of gradient, divergence, and rotation of a one-dimensional symmetric element used in the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention;

【図5】本発明の実施の形態における数値解析装置で利
用する2次元の対称要素のこう配・発散・回転の説明
図、
FIG. 5 is an explanatory diagram of gradient, divergence, and rotation of a two-dimensional symmetric element used in the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention;

【図6】本発明の実施の形態における数値解析装置で利
用する3次元の対称要素のこう配・発散・回転の説明
図、
FIG. 6 is an explanatory diagram of gradient, divergence, and rotation of a three-dimensional symmetric element used in the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention;

【図7】本発明の実施の形態における数値解析装置のデ
ルチップの概念図である。
FIG. 7 is a conceptual diagram of a Dell chip of the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施の形態における数値解析装置の処
理手順を示す流れ図、
FIG. 8 is a flowchart showing a processing procedure of the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention;

【図9】本発明の実施の形態における数値解析装置の機
能ブロック図である。
FIG. 9 is a functional block diagram of the numerical analysis device according to the embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 入力装置 2 パラメータ境界条件記憶装置 3 節点位置ベクトル記憶装置 4 既知ベクトル演算手段 5 既知ベクトル記憶装置 6 偏微分方程式情報記憶装置 7 表示装置 8 係数行列基底演算手段 9 係数行列基底記憶装置 10 形状関数記憶装置 11 部分係数因子生成手段 12 係数行列要素演算手段 13 行列演算手段 14 行列要素記憶ワークエリア 71 要素の節点座標生成手段 72 デルチップ 73 データ利用手段 REFERENCE SIGNS LIST 1 input device 2 parameter boundary condition storage device 3 node position vector storage device 4 known vector calculation device 5 known vector storage device 6 partial differential equation information storage device 7 display device 8 coefficient matrix base calculation device 9 coefficient matrix base storage device 10 shape function Storage device 11 Partial coefficient factor generation means 12 Coefficient matrix element calculation means 13 Matrix calculation means 14 Matrix element storage work area 71 Element node coordinate generation means 72 Delchip 73 Data utilization means

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 非構造格子の有限体積法または有限要素
法により偏微分方程式の境界値問題の解を計算する数値
解析装置において、離散nabla演算子で表わした係数行
列要素のうちの要素形状に依存する因子を要素形状に対
応させて記憶する係数行列基底記憶手段と、離散nabla
演算子で表わした係数行列要素のうちの要素形状に依存
しない因子を種類別に非記憶化し部分係数因子を生成す
る部分係数因子生成手段と、行列計算で必要になるたび
に前記係数行列基底記憶手段を参照して得た係数行列基
底と前記部分係数因子生成手段で生成された部分係数因
子とから係数行列要素を生成する計算手段とを具備する
ことを特徴とする数値解析装置。
1. A numerical analysis apparatus for calculating a solution of a boundary value problem of a partial differential equation by a finite volume method or a finite element method of an unstructured grid, wherein the element shape of a coefficient matrix element represented by a discrete nabla operator is used. Coefficient matrix basis storage means for storing dependent factors in association with element shapes, discrete nabla
A partial coefficient factor generating means for storing a factor independent of the element shape among coefficient matrix elements represented by an operator for each type to generate a partial coefficient factor; and a coefficient matrix base storing means each time a matrix calculation is required. And a calculating means for generating a coefficient matrix element from a coefficient matrix base obtained by referring to (1) and the partial coefficient factor generated by the partial coefficient factor generating means.
【請求項2】 非構造格子の有限体積法または有限要素
法により偏微分方程式の境界値問題の解を計算する数値
解析方法において、離散nabla演算子で表わした係数行
列要素のうちの要素形状に依存する因子を係数行列基底
として要素形状に対応させて記憶し、離散nabla演算子
で表わした係数行列要素のうちの要素形状に依存しない
因子を部分係数因子として種類別に生成し、行列計算で
必要になるたびに前記係数行列基底と前記部分係数因子
とから係数行列要素を生成して、係数行列要素すべてを
記憶することなく行列計算を実行することを特徴とする
数値解析方法。
2. A numerical analysis method for calculating a solution of a boundary value problem of a partial differential equation by a finite volume method or a finite element method of an unstructured grid, wherein the element shape of a coefficient matrix element represented by a discrete nabla operator is used. Dependent factors are stored as coefficient matrix bases corresponding to element shapes, and factors that do not depend on element shape among the coefficient matrix elements expressed by the discrete nabla operator are generated for each type as partial coefficient factors, which are necessary for matrix calculation A numerical analysis method, wherein a coefficient matrix element is generated from the coefficient matrix base and the partial coefficient factor each time the matrix matrix becomes, and a matrix calculation is executed without storing all the coefficient matrix elements.
【請求項3】 要素eの節点aに対応する離散nabla演
算子∇aを、 ∇a=Σie i<∂Na/∂ξi>e (和は、i=1〜k、
kは次元数) (ただし、aは、要素の節点番号である。iは、座標軸
の番号である。Naは、形状関数である。ξiは計算座標
である。ge iは、 ge i≡<gi>e=<∇ξi>e =(1/Ωe(x))∫{∇ξidΩ(x)} (積分範囲はΩe) である。)とすることを特徴とする請求項2記載の数値
解析方法。
Discrete nabla operator ∇ a corresponding to the node a of 3. Element e, ∇ a = Σ i g e i <∂N a / ∂ξ i> e ( sum, i = 1 to k,
k is the number of dimensions (where a is the node number of the element, i is the number of the coordinate axis, N a is the shape function, ξ i is the calculated coordinate, and g e i is g e i ≡ <g i > e = <∇ξ i > e = (1 / Ω e (x)) ∫ {∇ξ i dΩ (x)} (the integration range is Ω e ). The numerical analysis method according to claim 2, wherein:
【請求項4】 要素eの節点aに対応する離散nabla演
算子のうちの要素形状に依存しない部分係数因子を、 <∂Na/∂ξi>e (i=1〜k) で計算して求め、要素eの節点aに対応する離散nabla
演算子のうちの要素形状に依存する係数行列基底を、 ge i=<gi>e (i=1〜k) で計算して求めて、 (係数行列要素)=(係数行列基底)×〈部分係数因
子〉 という積和演算により係数行列要素を計算することを特
徴とする請求項2記載の数値解析方法。
The partial coefficient factor that is independent of the element shapes of the discrete nabla operator corresponding to the node a as claimed in claim 4 Element e, calculated in <∂N a / ∂ξ i> e (i = 1~k) Discrete nabla corresponding to node a of element e
The coefficient matrix base depending on the element shape of the operator is obtained by calculating g e i = <g i > e (i = 1 to k), and (coefficient matrix element) = (coefficient matrix base) × 3. The numerical analysis method according to claim 2, wherein a coefficient matrix element is calculated by a product-sum operation called <partial coefficient factor>.
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