JP2006171867A - Numerical value calculation method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the following problems in a numerical value calculation of a fluid-structure coupled problem; that a numerical value fluctuation occurs when a dynamic interaction between a fluid and a structure is calculated; that a high-frequency component causes a local transformation to a structure to deteriorate accuracy in a solution; and that it is difficult to design a filter necessary for executing a desired filtering operation required for preventing the deterioration of accuracy in a solution. <P>SOLUTION: A desired filter is automatically provided in response to a change in characteristics of an objective structure, and filtering is made to a high-frequency component generated in a pressure field of a fluid to restrain the occurrence of a local transformation in the structure. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、流体・構造連成問題の数値計算に関し、数値的離散化誤差に起因して生じた流体圧力場の数値振動の高周波成分が構造物に局所的な変形を生じさせることを緩和するための流体の圧力場に対するフィルタリング手法に関する。   The present invention relates to a numerical calculation of a fluid-structure interaction problem, and mitigates the occurrence of local deformation in a structure caused by a high-frequency component of a numerical vibration of a fluid pressure field caused by a numerical discretization error. The present invention relates to a filtering technique for a fluid pressure field.

近年、自動車のタイヤの設計やガスタービン、ポンプ水車等の流体機械の連成振動解析において、流体と構造物との相互作用を考慮した数値計算シミュレーション手法が求められている。このような数値シミュレーションを行う際に、流体あるいは構造物に対するシミュレーションを独立して行い互いに他方の計算結果を用いて境界条件を決定することにより相互作用を考慮する手法としては、"Space-Time Finite Element Computation of Incompressible Flows with Emphasis on Flows Involving Oscillating Cylinders" (S. Mittal, A. Ratner, D. Hastreiter and T.E. Tezduyar, International Video Journal of Engineering Research, 1991, 83-96) が知られている。このような連成問題を扱う際に必要とされている付加質量、付加減衰の導入を行うことにより数値精度の向上と計算の安定化を図っている(例えば、[特許文献1]参照)。また、構造解析に有限要素法、流体解析に個別要素法を用いており、構造解析と流体解析とに異なる離散化手法を用いた連成解析方法を示している(例えば、[特許文献2]参照)。これら従来技術では、流体解析と構造解析とを独立して行うことに起因して流体と構造物との両方を含む系全体に対する連立方程式に対する求解を行った場合と異なるシステム方程式に対する求解を行っており、それを補正する技術が導入されている。しかし、従来技術を用いた解析ソフトでは、流体と構造物との力学的相互作用を計算する際に生じる数値振動の高周波成分が構造物に局所的な変形を引き起こし解の精度が悪化することに対する解決策は示されていない。
特開平8−249314号公報 特開2001−305022号公報
2. Description of the Related Art In recent years, there has been a demand for a numerical simulation method that takes into account the interaction between a fluid and a structure in the design of automobile tires and the coupled vibration analysis of fluid machines such as gas turbines and pump turbines. When performing such a numerical simulation, the simulation for fluid or structure is performed independently and the boundary condition is determined by using the calculation result of the other. Element Computation of Incompressible Flows with Emphasis on Flows Involving Oscillating Cylinders "(S. Mittal, A. Ratner, D. Hastreiter and TE Tezduyar, International Video Journal of Engineering Research, 1991, 83-96) is known. By introducing additional mass and additional attenuation required for handling such a coupled problem, numerical accuracy is improved and calculation is stabilized (see, for example, [Patent Document 1]). In addition, a finite element method is used for structural analysis and an individual element method is used for fluid analysis, and a coupled analysis method using different discretization techniques for structural analysis and fluid analysis is shown (for example, [Patent Document 2] reference). In these conventional technologies, due to the fact that the fluid analysis and the structural analysis are performed independently, the solution to the system equation including both the fluid and the structure is solved, and the solution to the system equation different from the case where the solution is solved. And technology to correct it has been introduced. However, in the analysis software using the conventional technology, the high-frequency component of the numerical vibration generated when calculating the mechanical interaction between the fluid and the structure causes local deformation in the structure and the accuracy of the solution deteriorates. No solution is shown.
JP-A-8-249314 JP 2001-305022 A

流体・構造連成問題の数値計算において、流体と構造物間の力学的相互作用を計算する際に生じる数値振動が生ずることが知られている。また、その高周波成分が構造物に局所的な変形を生じさせ、解の精度を悪化させる。解の精度の悪化を防ぐためには所望のフィルタリング操作を行う必要があるが、そのフィルタの設計は困難である。本発明に関する課題としては、対象とする構造物の特性の変化に対応して自動的に所望のフィルタを提供し、流体の圧力場に生じた高周波成分に対するフィルタリングを行うことにより構造物に局所的な変形が生じることを抑制することにある。   In the numerical calculation of fluid-structure interaction problems, it is known that the numerical vibration generated when calculating the mechanical interaction between the fluid and the structure is known. In addition, the high-frequency component causes local deformation in the structure and deteriorates the accuracy of the solution. In order to prevent the solution accuracy from deteriorating, it is necessary to perform a desired filtering operation, but the design of the filter is difficult. As a problem related to the present invention, a desired filter is automatically provided in response to a change in the characteristics of a target structure, and a high frequency component generated in a fluid pressure field is filtered to locally apply the structure. This is to prevent the occurrence of various deformations.

本発明によると、流体と構造物との動的な連成問題を数値的に模擬する数値計算手法において流体と構造物との力学的相互作用を計算する際に生じる数値振動の特定周波数成分を構造物の剛性行列を用いてフィルタリングすることを特徴とする数値計算方法が提供される。   According to the present invention, the specific frequency component of the numerical vibration generated when calculating the dynamic interaction between the fluid and the structure in the numerical calculation method for numerically simulating the dynamic coupling problem between the fluid and the structure is obtained. A numerical calculation method characterized by filtering using a stiffness matrix of a structure is provided.

本発明の流体圧力場に対するフィルタリング手法により、流体と構造物との動的な連成問題を数値的に模擬する数値計算手法において流体と構造物との力学的相互作用を計算する際に生じる数値振動の特定周波数成分に対するフィルタリングを行う際に、どのような系に対しても適切なフィルタリングを行うことが可能である。   The numerical value generated when calculating the dynamic interaction between fluid and structure in the numerical calculation method that numerically simulates the dynamic coupling problem between fluid and structure by the filtering method for the fluid pressure field of the present invention. When filtering a specific frequency component of vibration, appropriate filtering can be performed for any system.

<実施形態1>
本発明の目的は、図6中60002のような本来は滑らかな分布をもつ構造物60001への外力条件が数値的離散化誤差に起因して図5中50002のように高周波成分を含んでしまった場合に、所望のフィルタリング操作によって滑らかな分布を持つ圧力場に変換することにより、構造物に局所的な変形が生じることを抑制することにある。ここでいう離散化誤差が発生した状況とは、例えば流体の圧力場が図7に示すように相対的に圧力の高い格子と低い格子とが交互に並ぶ非現実的の分布となることを指している。このような現象は例えば「数値流体力学」(越塚誠一著,培風館,1997年発行)にチェッカーボード状の分布として紹介されている。このような数値的離散化誤差が発生した場合には、所望のフィルタリングを実施する必要があると考えられる。例えばFFTを用いることにより高周波数成分を除去する方法等が考えられる。このような場合には、対象とする構造物が変更される度に構造物の固有の状況に応じて適切なフィルタを再設計する必要があることが容易に理解される。解析対象に応じてフィルタを設計することは解析者に大きな負担を与えることとなり、その負荷を低減することが強く求められる。本発明では、構造解析において一般的に利用される剛性行列を用いることによりフィルタの設計を行う。ここで、剛性行列とは例えば「有限要素法入門」(三好俊郎著,培風館,1994年発行)に示されるように、有限要素法に基づいた離散化が行われた構造物に対する平衡方程式において、系の固有の特徴を反映した変位ベクトルと外力ベクトルとの関係を示す行列である。このように、構造物固有の特徴を反映した剛性行列を用いることにより、どのような対象に対しても適切なフィルタを提供できる。よって本発明を利用すると解析者の負担を低減するとともに解の精度の向上が期待できる。
<Embodiment 1>
The object of the present invention is that an external force condition on a structure 6601 having an originally smooth distribution such as 6002 in FIG. 6 contains a high frequency component as 50002 in FIG. 5 due to a numerical discretization error. In this case, it is intended to suppress the local deformation of the structure by converting the pressure field having a smooth distribution by a desired filtering operation. The situation where the discretization error occurs here means that, for example, the pressure field of the fluid has an unrealistic distribution in which a grid with relatively high pressure and a grid with low pressure are alternately arranged as shown in FIG. ing. Such a phenomenon is introduced as a checkerboard-like distribution in, for example, “Computational Fluid Dynamics” (Seiichi Koshizuka, Baifukan, 1997). When such a numerical discretization error occurs, it is considered necessary to perform desired filtering. For example, a method of removing high frequency components by using an FFT can be considered. In such a case, it is easily understood that an appropriate filter needs to be redesigned according to the specific situation of the structure every time the target structure is changed. Designing a filter according to the analysis target places a heavy burden on the analyst, and it is strongly required to reduce the load. In the present invention, the filter is designed by using a stiffness matrix generally used in structural analysis. Here, the stiffness matrix is an equilibrium equation for a structure that has been discretized based on the finite element method, as shown in, for example, “Introduction to the Finite Element Method” (by Toshiro Miyoshi, Baifukan, published in 1994) It is a matrix which shows the relationship between the displacement vector and external force vector which reflected the characteristic of the system. As described above, by using the stiffness matrix reflecting the characteristics unique to the structure, an appropriate filter can be provided for any target. Therefore, the use of the present invention can reduce the burden on the analyst and improve the accuracy of the solution.

以下に示すアルゴリズムは図8及び図9に示す計算機内のハードディスクに収められている。本実施例は図1に示したフローチャートに従って本発明を計算機上で行う場合を説明するものである。ここでいう計算機とは図8及び図9に示すようにCPU(116)やメモリ(118)等からなる演算処理部、ハードディスク(117)やフロッピー(登録商標)ディスク110からなる記憶装置部、キーボード115やマウス114等からなる入力部そしてディスプレイ112等からなる出力表示部などで構成されているシステムである。各演算部等は、本体111に収まっている。   The following algorithm is stored in the hard disk in the computer shown in FIGS. In this embodiment, the case where the present invention is performed on a computer according to the flowchart shown in FIG. 1 will be described. As shown in FIGS. 8 and 9, the computer here is an arithmetic processing unit including a CPU (116) and a memory (118), a storage device unit including a hard disk (117) and a floppy (registered trademark) disk 110, a keyboard. In this system, an input unit including 115 and a mouse 114 and an output display unit including a display 112 are included. Each calculation unit and the like are accommodated in the main body 111.

計算機はメモリ上に図1に示したフローチャートに沿って設計、コード化されたプログラムをロードし、必要な計算領域を確保し、適当な方法で入力された画像やパラメータに基づき所定の演算処理を行い、その結果得られた領域上での物理量の値をハードディスク等に書き込んで記憶させる。また、ディスプレイ上に表示させる。   The computer loads a program designed and coded according to the flowchart shown in FIG. 1 onto the memory, secures the necessary calculation area, and performs predetermined arithmetic processing based on images and parameters input in an appropriate manner. And the value of the physical quantity in the area obtained as a result is written and stored in a hard disk or the like. It is also displayed on the display.

本発明は図1の流れ図に示すように流体解析の計算結果を用いて構造解析に必要な外力条件を設定した後に、構造物の剛性行列を用いたフィルタリング操作により外力条件の修正を行うことを特徴とする。以下、図1の流れ図に沿って構造物の剛性行列を用いて流体の圧力場に発生した数値振動の高周波成分をフィルタリングする方法を説明する。ここでは、高周波成分とは構造物の平衡方程式から導かれる複数の固有振動数の中で、材料定数等より決定される所望の振動数よりも大きな振動数をもつ周波数成分を指すものとする。また、初期条件または前ステップまでの計算結果により前ステップにおける流体、構造物の状態量は既知であるものとする。   In the present invention, as shown in the flowchart of FIG. 1, after setting the external force condition necessary for the structural analysis using the calculation result of the fluid analysis, the external force condition is corrected by a filtering operation using the stiffness matrix of the structure. Features. Hereinafter, a method of filtering high-frequency components of numerical vibration generated in the fluid pressure field using the structure stiffness matrix will be described with reference to the flowchart of FIG. Here, the high frequency component refers to a frequency component having a frequency larger than a desired frequency determined from a material constant or the like among a plurality of natural frequencies derived from the balance equation of the structure. Further, it is assumed that the state quantities of the fluid and the structure in the previous step are known from the initial conditions or the calculation results up to the previous step.

第1のステップでは流体解析を行う準備として流体領域と速度境界条件を設定する。この時、構造物と流体との界面においては構造物の状態量から所望の操作により設定される。また、その他の領域の境界条件についてはデータとして与えられるものとする。   In the first step, a fluid region and a velocity boundary condition are set as preparation for fluid analysis. At this time, the interface between the structure and the fluid is set by a desired operation from the state quantity of the structure. Further, the boundary conditions of other regions are given as data.

第2のステップでは、流体の状態量の更新を行う。この時、必ず圧力場の更新を行う必要があるが、速度場に関しては必ずしも更新を行う必要は無い。また、速度場の更新方法としてfractional step法等複数の段階を経て行う手法を選択した場合には、その第1段階のみあるいは初期の数段階のみを行うといったように任意の速度更新方法を用いることが可能である。そのような場合には、後述する第7のステップで該速度更新手法を鑑みた速度場に対する修正を行うことが必要となる。fractional step法の第1ステップのみを用いた更新方法を選択した場合には、fractional step法の第2ステップ以降の影響を第7のステップで考慮する必要がある。fractional step法とは、「流れの有限要素法解析」(棚橋隆彦著,朝倉書店,1997年発行)等で紹介されるように、数値流体解析において用いられる時間積分手法の1つである。   In the second step, the state quantity of the fluid is updated. At this time, it is necessary to update the pressure field, but it is not always necessary to update the velocity field. In addition, if a method that involves multiple steps, such as the fractional step method, is selected as the method for updating the velocity field, use an arbitrary velocity update method, such as performing only the first step or only the initial few steps. Is possible. In such a case, it is necessary to correct the velocity field in consideration of the velocity update method in the seventh step described later. When the update method using only the first step of the fractional step method is selected, it is necessary to consider the influence after the second step of the fractional step method in the seventh step. The fractional step method is one of the time integration methods used in numerical fluid analysis, as introduced in “Fine element analysis of flow” (Takahiko Tanahashi, Asakura Shoten, 1997).

第3のステップでは、構造解析を行う準備として構造物に対する外力条件の設定を行う。第2のステップで算出された圧力を所望の方法で構造物と流体との境界上で積分することにより流体が構造物に与える外力ベクトルを算出する。外力ベクトル等の構造解析における用語については「有限要素法入門」(三好俊郎著,培風館,1994年発行)等に定義が示されており、これ以降の記述はそれに従うこととする。   In the third step, an external force condition for the structure is set as preparation for structural analysis. An external force vector applied to the structure by the fluid is calculated by integrating the pressure calculated in the second step on the boundary between the structure and the fluid by a desired method. Terminology in structural analysis such as external force vector is defined in “Introduction to Finite Element Method” (written by Toshiro Miyoshi, Baifukan, published in 1994), and so on.

第4のステップでは、流体が構造物に与える外力の高周波成分をフィルタリングする準備として構造物の剛性行列を算出する。構造解析においては剛性行列を算出することが必須であり、そのプログラムを流用することにより新たなプログラムを開発することなく剛性行列を計算することが可能である。   In the fourth step, the stiffness matrix of the structure is calculated as a preparation for filtering the high-frequency component of the external force applied to the structure by the fluid. In the structural analysis, it is essential to calculate the stiffness matrix, and by using the program, the stiffness matrix can be calculated without developing a new program.

第5のステップでは、第3のステップで設定された構造物の外力条件の修正を行う。外力条件の修正は(数1)により行う。ここで、(数2)は構造物の平衡方程式であり、Kは剛性行列、Uは変位ベクトル、Fは外力ベクトルを表すものとする。(数2)を流体力が作用する領域に対応する変位成分U1とその他の成分U2とに分離して表示すると(数3)のように変形可能である。ここで(数3)右辺F1、F2、Ffluは(数4)を満たすものとする。Ffluは流体の状態量から与えられる外力条件であり、F1、F2は他の外力成分を流体力が作用する領域に対応する外力成分とそれ以外の成分とに分離したものである。このようにして(数2)〜(数4)を用いて定義されたK11を用いて流体からの外力条件Ffluに対して(数1)の操作を行ことにより修正された流体からの外力条件F'を算出する。なお、(数1)中のαは(数5)を満たすように決定するパラメータまたはその近似値であり、例えば(数6)を用いることができる。また、(数1)においては、剛性行列Kの近似値として接線剛性行列等他の行列を用いることも可能である。 In the fifth step, the external force condition of the structure set in the third step is corrected. The external force condition is corrected by (Equation 1). Here, (Equation 2) is an equilibrium equation of the structure, K is a stiffness matrix, U is a displacement vector, and F is an external force vector. When (Equation 2) is separately displayed for the displacement component U 1 and the other component U 2 corresponding to the region where the fluid force acts, it can be transformed as (Equation 3). Here, it is assumed that (Equation 3) right sides F 1 , F 2 , and F flu satisfy ( Equation 4). F flu is an external force condition given from the fluid state quantity, and F 1 and F 2 are obtained by separating other external force components into an external force component corresponding to a region where the fluid force acts and other components. In this way, from the fluid corrected by performing the operation of ( Equation 1) for the external force condition F flu from the fluid using K 11 defined using (Equation 2) to (Equation 4). The external force condition F ′ is calculated. Note that α in (Equation 1) is a parameter determined to satisfy (Equation 5) or an approximate value thereof, and for example, (Equation 6) can be used. In (Equation 1), another matrix such as a tangential stiffness matrix can be used as an approximate value of the stiffness matrix K.

Figure 2006171867
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このように外力条件に対するフィルタリングを行うことにより、第3のステップで図5中50002のような滑らかでない分布を持つ外力条件が設定された場合でも、図6中60002のような滑らかな分布を持つ外力条件に修正することができる。図5、6中において、構造物50001,60001周辺部50003, 60003は流体領域を表している。
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By performing filtering on the external force condition in this way, even if an external force condition having a non-smooth distribution such as 50002 in FIG. 5 is set in the third step, it has a smooth distribution such as 6002 in FIG. It can be corrected to external force conditions. In FIGS. 5 and 6, peripheral portions 50003 and 60003 of the structures 50001 and 6001 represent fluid regions.

第6のステップでは、第5のステップで得られた修正された外力条件を用いて構造物の状態量の更新を行う。   In the sixth step, the state quantity of the structure is updated using the corrected external force condition obtained in the fifth step.

第7のステップでは流体の状態量の修正を行う。ここでは採用した圧力計算手法、速度更新手法と第2のステップで行った流体の状態量の更新を鑑みて、所望の操作により状態量の修正を行う必要がある。   In the seventh step, the fluid state quantity is corrected. Here, it is necessary to correct the state quantity by a desired operation in view of the adopted pressure calculation method, speed update technique and the update of the fluid state quantity performed in the second step.

第8のステップでは収束判定を行う。第7のステップが終了した時点で流体と構造物との間での平衡条件が満たされていない場合には第3のステップに戻り平衡条件が満たされるまでループを繰り返す。平衡条件が満たされた場合あるいは予め指定した最大ループ数に達した場合にはループを終了する。   In the eighth step, convergence determination is performed. If the equilibrium condition between the fluid and the structure is not satisfied when the seventh step is completed, the process returns to the third step and the loop is repeated until the equilibrium condition is satisfied. When the equilibrium condition is satisfied or when the maximum number of loops specified in advance is reached, the loop is terminated.

第4のステップでフィルタリングに構造物の剛性行列を用いるのは、剛性行列が局所的な荷重を全体の変形に変換するという特徴を有するからである。例えば図2中20002に示すような局所的な外力条件が構造物に生じた場合の変形を考えると、図3中領域30003に示すのような局所的な領域に変形が生じることはなく、図4中40001のように構造物全体が変形する滑らかな変位分布が生じる。構造物の剛性行列が有するこのような特徴を用いることにより、第3のステップで計算された図5中50002に示すような高周波成分を含む構造物に対する外力条件にフィルタリング操作を施し、図6中60002に示すような滑らかな分布を持つ外力条件に修正することが可能となる。このように構造物の剛性行列が有する特性の考慮の下に、新たなプログラムの開発を行うことなく流体と構造物間の力学的相互作用を計算する際に生じる数値振動の特定周波数成分を構造物の剛性行列を用いてフィルタリングする点が本実施例の最大の特徴である。   The reason why the stiffness matrix of the structure is used for filtering in the fourth step is that the stiffness matrix has a feature of converting a local load into an overall deformation. For example, considering the deformation when a local external force condition as shown in 20002 in FIG. 2 occurs in the structure, the local region as shown in area 30003 in FIG. A smooth displacement distribution in which the entire structure is deformed, such as 40001 in 4, occurs. By using such a characteristic of the structure stiffness matrix, a filtering operation is applied to the external force condition for the structure including a high frequency component as indicated by 50002 in FIG. 5 calculated in the third step. It becomes possible to correct to an external force condition having a smooth distribution as shown in 60002. In this way, the specific frequency component of the numerical vibration that occurs when calculating the mechanical interaction between the fluid and the structure without developing a new program is taken into consideration, taking into account the characteristics of the structure's stiffness matrix. The point of filtering using the object stiffness matrix is the greatest feature of this embodiment.

<実施形態2>
以下、本発明による力学的相互作用の数値振動をフィルタリングする方法のその他の実施例を具体的に述べる。以後は、第一の実施例とは同一の点については説明を省略する。第二の実施例におけるフローチャートは第一の実施例と同一である。異なる点は第4のステップにおけるフィルタリング方法である。第一実施例では(数1)を用いてフィルタリングを行うが、第二の実施例では(数7)を用いてフィルタリングを行う。なお、(数7)中の?は、(数8)を満たすように決定されるパラメータまたはその近似値であり、例えば(数9)の値を用いることができる。
<Embodiment 2>
Hereinafter, other embodiments of the method for filtering the numerical vibration of the mechanical interaction according to the present invention will be described in detail. Henceforth, description is abbreviate | omitted about the same point as a 1st Example. The flowchart in the second embodiment is the same as that in the first embodiment. The difference is the filtering method in the fourth step. In the first embodiment, filtering is performed using (Equation 1), but in the second embodiment, filtering is performed using (Equation 7). Note that? In (Equation 7) is a parameter determined to satisfy (Equation 8) or an approximate value thereof. For example, the value of (Equation 9) can be used.

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(数7)においてaは任意の正の数であり、指定可能なパラメータである。aが大きな値を持つ場合には(数10)が成立することからフィルタリングが行われない。ここで、(数10)右辺Iは単位行列とする。反対に、aに小さな値を用いた場合には大きなフィルタリングの効果が得られることとなる。このようにパラメータaを与えることによりフィルタリングの効果を調整可能である点が第二の実施例の最大の特徴である。
Figure 2006171867
In (Expression 7), a is an arbitrary positive number and is a parameter that can be specified. When a has a large value, (Equation 10) is satisfied, and thus filtering is not performed. Here, the right side I of (Equation 10) is a unit matrix. Conversely, when a small value is used for a, a large filtering effect is obtained. The point that the effect of filtering can be adjusted by giving the parameter a in this way is the greatest feature of the second embodiment.

<実施形態3>
以下、本発明による力学的相互作用の数値振動をフィルタリングする方法のその他の実施例を具体的に述べる。以後は、第一の実施例とは同一の点については説明を省略する。第三の実施例におけるフローチャートは第一の実施例と同一である。異なる点は第4のステップにおけるフィルタリング方法である。第一実施例では(数1)を用いてフィルタリングを行うが、第三の実施例では(数11)を用いてフィルタリングを行う。ここでbは任意な正の整数である。式(1)右辺のK-1をそのTaylor展開で置き換えたものである。なお、(数11)中のパラメータ?の決定方法は、第一の実施例に同じである。また、(数11)中のDは(数3)で定義したK11行列の対角成分のみを有する行列であり、Aは非対角成分のみを有する行列である。
<Embodiment 3>
Hereinafter, other embodiments of the method for filtering the numerical vibration of the mechanical interaction according to the present invention will be described in detail. Henceforth, description is abbreviate | omitted about the same point as a 1st Example. The flowchart in the third embodiment is the same as that in the first embodiment. The difference is the filtering method in the fourth step. In the first embodiment, filtering is performed using (Equation 1), but in the third embodiment, filtering is performed using (Equation 11). Here, b is an arbitrary positive integer. K- 1 on the right side of equation (1) is replaced by its Taylor expansion. Note that the method for determining the parameter? In (Equation 11) is the same as in the first embodiment. Further, the D (Equation 11) in a matrix with only the diagonal elements of K 11 matrix defined in equation (3), A is a matrix with only off-diagonal elements.

Figure 2006171867
ここでbを零とすればF'はFと厳密に一致し、フィルタリングの効果が除外される。一方、bの値を大きくすればK-1に漸近し、(数1)とほぼ同様のフィルタリング効果を得ることが可能となる。第三の実施例においては、剛性行列の逆行列の計算は必要としない。逆行列の計算が必要なのはD行列に対してのみである。D行列は対角行列であるため、逆行列は高速に計算可能である。このようにフィルタリングの効果の強弱を調整可能であり、かつ高速に計算可能である点が第三の実施例の特徴である。
Figure 2006171867
Here, if b is zero, F ′ matches F exactly and the filtering effect is excluded. On the other hand, if the value of b is increased, it becomes asymptotic to K −1 , and it is possible to obtain a filtering effect almost the same as in (Equation 1). In the third embodiment, calculation of the inverse matrix of the stiffness matrix is not required. The inverse matrix needs to be calculated only for the D matrix. Since the D matrix is a diagonal matrix, the inverse matrix can be calculated at high speed. Thus, the feature of the third embodiment is that the strength of the filtering effect can be adjusted and the calculation can be performed at high speed.

このように、有限要素法に基づく構造解析において必須となる剛性行列を用いることにより、対象とする構造物の特性に依存することなく適切なフィルタリング操作を実現し、しかもフィルタリングのための新たなプログラムの開発を必要としない点が本発明の特徴である。本発明によるフィルタリング方法は、平衡方程式内の行列が構造物の剛性行列のように正定な性質を有する場合には、他の物理則に基づく対象に対しても応用可能であると考えられる。また、他の有限差分法等の他の離散化手法を用いた場合にも適用可能であると考えられる。   In this way, by using the stiffness matrix that is essential in structural analysis based on the finite element method, an appropriate filtering operation is realized without depending on the characteristics of the target structure, and a new program for filtering The feature of the present invention is that no development is required. The filtering method according to the present invention is considered to be applicable to objects based on other physical laws when the matrix in the equilibrium equation has a positive definite property like the stiffness matrix of the structure. Further, it is considered that the present invention can also be applied when other discretization methods such as other finite difference methods are used.

本発明による数値振動の特定周波数成分フィルタリング方法の流れ図。5 is a flowchart of a specific frequency component filtering method for numerical vibration according to the present invention. 構造物に作用する局所的外力。Local external force acting on the structure. 局所的外力による非現実的な構造物の変形。Unrealistic deformation of structures due to local external forces. 局所的外力による現実的な構造物の変形。Realistic deformation of structures due to local external forces. フィルタリング無しで計算された流体から構造物に作用する外力。An external force acting on the structure from the fluid calculated without filtering. フィルタリングされた流体から構造物に作用する外力。An external force acting on the structure from the filtered fluid. 流体の圧力場分布。Fluid pressure field distribution. 本発明の亀裂接続方法を搭載した装置の説明図1。Explanatory drawing 1 of the apparatus which mounts the crack connection method of this invention. 本発明の亀裂接続方法を搭載した装置の説明図2。Explanatory drawing 2 of the apparatus carrying the crack connection method of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

20001 構造物
20002 構造物に作用する局所的な外力
30001 構造物
30002 構造物に作用する局所的な外力
30003 局所的な変形が生じた領域
40001 構造物
40002 構造物に作用する局所的な外力
50001 構造物
50002 流体から構造物へ与えられる外力条件(フィルタリング前)
50003 流体領域
60001 構造物
60002 流体から構造物へ与えられる外力条件(フィルタリング後)
60003 流体領域
70001 相対的に圧力の高い格子
70002 相対的に圧力の低い格子
110 フロッピー(登録商標)ディスク
111 計算機の本体
112 ディスプレイ
113 フロッピー(登録商標)ディスクドライブ
114 マウス
115 キーボード
116 CPU
117 ハードディスク
118 メモリ
20001 Structure 20002 Local external force acting on the structure 30001 Structure 30002 Local external force acting on the structure 30003 Local deformation region 40001 Structure 40002 Local external force acting on the structure 50001 Structure Article 50002 External force condition applied to structure from fluid (before filtering)
50003 Fluid region 60001 Structure 60002 External force condition applied to structure from fluid (after filtering)
60003 Fluid region 70001 Relatively high pressure grid 70002 Relatively low pressure grid 110 Floppy disk 111 Computer body 112 Display 113 Floppy disk drive 114 Mouse 115 Keyboard 116 CPU
117 hard disk 118 memory

Claims (1)

流体と構造物との動的な連成問題を数値的に模擬する数値計算手法において流体と構造物との力学的相互作用を計算する際に生じる数値振動の特定周波数成分を構造物の剛性行列を用いてフィルタリングすることを特徴とする数値計算方法。   Stiffness matrix of the structure is a specific frequency component of the numerical vibration generated when calculating the dynamic interaction between the fluid and the structure in the numerical calculation method that numerically simulates the dynamic coupling problem between the fluid and the structure A numerical calculation method characterized by filtering using a filter.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2014201984A1 (en) * 2013-06-18 2014-12-24 深圳市网蓝实业有限公司 Super-unit construction method based structure-function analysis method and device therefor

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