JP2006330893A - Apparatus and method for analyzing particle behavior, and computer program - Google Patents

Apparatus and method for analyzing particle behavior, and computer program Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform particle calculations through parallel computations based on the distinct element method by applying a distributed computer constructed by the coordination of a plurality of computers on a network. <P>SOLUTION: An apparatus for analyzing particle behavior calculates a time-step variation (ts) on the basis of the longest distance traveled by particles in a previous step; determines (n) different candidates ts'<SB>n</SB>(n = 1-N) for the time-step variation by increasing or decreasing the variation at predetermined intervals; and sets each of the candidates to the time step of each node (number of nodes N + 1) to calculate particle behavior. The result of node calculation that maximizes the longest distance traveled is set as the result of particle analysis of the current step, and the set time-step value of that node is set as the time-step value of the current step. Thereafter, similar calculations are repeated. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、所定の空間内で運動する多数の粒子の挙動をシミュレーションにより解析する粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、現像、転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスにおける現像剤の挙動を解析する粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。   The present invention relates to a particle behavior analysis apparatus, a particle behavior analysis method, and a computer program for analyzing the behavior of a large number of particles moving in a predetermined space by simulation, and in particular, an electron including each process such as development and transfer. The present invention relates to a particle behavior analysis apparatus, a particle behavior analysis method, and a computer program for analyzing the behavior of a developer in a photographic process.

さらに詳しくは、本発明は、粒子に作用するさまざまな力を基に運動方程式を立て、粒子毎の挙動を解析する個別要素法に基づいた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、ネットワーク上の複数の計算機を連携させて構築される分散コンピュータを適用し、個別要素法による粒子計算を並列処理する粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。   More specifically, the present invention relates to a particle behavior analysis apparatus, a particle behavior analysis method, and a computer program based on an individual element method for establishing a motion equation based on various forces acting on particles and analyzing the behavior of each particle. In particular, the present invention relates to a particle behavior analysis apparatus, a particle behavior analysis method, and a computer program, which apply a distributed computer constructed by linking a plurality of computers on a network and perform parallel processing of particle calculations by the individual element method.

粉体や粒体などの粒子を取り扱う分野では、粒子の挙動を把握することか重要な課題である。従来は、このような粒子の挙動を試行錯誤の実験により把握することが多かった。このような場合、現実に用いる粒子の組成、実機に近い実験装置や実験環境を用意しなければ、粒子の挙動解析を行なうことはできない。また、これらの仕様を変更する度に改めて実験しなければならず、時間やコストの面で問題があった。   In the field of handling particles such as powder and granules, it is an important issue to grasp the behavior of the particles. Conventionally, the behavior of such particles has often been grasped by trial and error experiments. In such a case, the behavior analysis of the particles cannot be performed unless the composition of the particles actually used and the experimental apparatus and experimental environment close to the actual machine are prepared. In addition, every time these specifications are changed, a new experiment has to be performed, which is problematic in terms of time and cost.

そこで、最近では、粉体や粒体などの粒子の挙動を数式化若しくはモデル化し、ほぼ同じ法則に支配されるシステムの挙動をコンピュータ上で模擬すること、すなわちシミュレーションが広く利用されている。シミュレーション技術を利用することにより、粒子の挙動を現実に体験する前に予測することができる。また、投入する条件やパラメータを変えて、同じシミュレーション計算を繰り返し行なうことにより、さまざまな粒子組成や装置設計・制御体系の性能を評価することができる。シミュレーションによれば、実験を行なう場合に比較して、より最適な解を低コストで得ることができる。さらに、シミュレーションにより得られたパラメータに基づいてシステムを制御し、システムのエラーを回避することができる。   Therefore, recently, the behavior of particles such as powders and granules is expressed or modeled, and the behavior of a system governed by almost the same law is simulated on a computer, that is, simulation is widely used. By using simulation technology, it is possible to predict the behavior of particles before actually experiencing them. In addition, by changing the input conditions and parameters and repeatedly performing the same simulation calculation, it is possible to evaluate the performance of various particle compositions and apparatus design / control systems. According to the simulation, a more optimal solution can be obtained at a lower cost than in the case where an experiment is performed. Further, the system can be controlled based on the parameters obtained by the simulation, and system errors can be avoided.

粉体を取り扱う装置の代表例として、電子写真技術を利用した複写機やプリンタなどの画像形成装置を挙げることができる。この場合、画像構成剤としてのトナー及びトナーを搬送するための磁性体からなるキャリアという2成分からなる現像剤を粉体挙動解析の対象として取り扱う。電子写真プロセスは、電子写真感光体に対する帯電、スキャンした原稿イメージの露光、現像すなわち感光体へのトナー重畳、用紙へのトナー転写及びトナー定着、感光体のクリーニングという複数の工程からなる。このような電子写真プロセスでは、例えば現像、転写などの各プロセスにおいて粉体挙動解析シミュレーションを適用することで、現実に画像形成実験を行なうことなく、形成される画像を予測し評価することができる。   As a typical example of an apparatus for handling powder, an image forming apparatus such as a copying machine or a printer using an electrophotographic technique can be cited. In this case, a developer composed of two components, that is, a toner as an image forming agent and a carrier made of a magnetic material for conveying the toner is handled as an object of powder behavior analysis. The electrophotographic process includes a plurality of steps of charging the electrophotographic photosensitive member, exposing a scanned original image, developing, that is, superimposing toner on the photosensitive member, transferring toner to a sheet and fixing the toner, and cleaning the photosensitive member. In such an electrophotographic process, for example, by applying a powder behavior analysis simulation in each process such as development and transfer, an image to be formed can be predicted and evaluated without actually performing an image formation experiment. .

粒子挙動解析の主な手法として、粒子毎の挙動を解析する個別要素法(例えば、非特許文献1を参照のこと)と、複数の粒子を等価な物性値を持つ流体モデルに置き換えて解析する流体解析法などが挙げられる。   As a main method of particle behavior analysis, an individual element method (for example, see Non-Patent Document 1) for analyzing the behavior of each particle and a fluid model having equivalent physical property values are used for analysis. Examples include fluid analysis methods.

前者の個別要素法によれば、すべての粒子に作用するさまざまな力(例えば、弾性力や粘性力などの接触による作用力、ファンデルワース力や鏡像力、液架橋力などの外力)を基に運動方程式を立てて、粒子毎の挙動を解析するので、より現実に近い評価を行なうことができる。   According to the former discrete element method, various forces acting on all particles (for example, acting force by contact such as elastic force and viscous force, external force such as van der Worth force, mirror image force, and liquid bridge force) are used. Since the equation of motion is set up and the behavior of each particle is analyzed, a more realistic evaluation can be performed.

例えば、電子写真の現像器における穂切りの最適化、トナー飛散対策、クリーニングといった課題を解決するために、磁場や電場における粒子に加わる力を計算して現像剤の挙動をシミュレートする粒子挙動解析装置が開発されている(例えば、特許文献1を参照のこと)。同装置では、初回の演算時には、粒子以外に起因する電磁場に基づいて各粒子の双極子モーメントが求められ、以降の演算時には、前回の処理時に求められた他の粒子に起因する電磁場と、粒子以外に起因する電磁場とに基づいて各粒子の双極子モーメントが求められる。   For example, particle behavior analysis that simulates developer behavior by calculating the force applied to particles in a magnetic or electric field to solve issues such as optimizing ear cutting, countermeasures against toner scattering, and cleaning in electrophotographic developers An apparatus has been developed (see, for example, Patent Document 1). In this device, the dipole moment of each particle is obtained based on the electromagnetic field caused by other than the particles at the first calculation, and the electromagnetic field caused by other particles obtained at the previous processing and the particle at the subsequent calculation. The dipole moment of each particle is obtained on the basis of the electromagnetic field caused by other than the above.

個別要素法によれば、より正確な粒子挙動を計算により求めることができる。しかしながら、粒子の接触判定や磁気相互作用(あるいは粒子が受けるその他の作用力)の計算量が多いため、計算時間が長くなるという問題がある。   According to the individual element method, more accurate particle behavior can be obtained by calculation. However, there is a problem that the calculation time becomes long because of the large amount of calculation of particle contact determination and magnetic interaction (or other acting force that the particle receives).

そこで、タイムステップを変更することで計算を高速化するという手法により個別要素法における計算時間の問題を解決することが考えられる。この手法においては、粒子同士の接触距離が大きくなり計算が不安定になる現象が起きない範囲でタイムステップを大きくする必要がある。例えば、ステップ当たりの移動距離が所定値に近くなるようにし、移動距離が所定値を超えた場合はステップを小さくして再度計算することで計算を高速化する手法が使われている(例えば、特許文献1を参照のこと)。   Therefore, it is conceivable to solve the problem of calculation time in the individual element method by a method of speeding up the calculation by changing the time step. In this method, it is necessary to increase the time step within a range where the phenomenon that the contact distance between particles becomes large and the calculation becomes unstable does not occur. For example, a method is used in which the movement distance per step is close to a predetermined value, and when the movement distance exceeds a predetermined value, the calculation is speeded up by reducing the step and calculating again (for example, (See Patent Document 1).

しかしながら、このような解決手法では、変更したタイムステップが不適切でタイムステップを小さくする場合、再度粒子挙動計算を行なうことから、かえって計算時間が長くなる可能性がある。   However, in such a solution method, when the changed time step is inappropriate and the time step is reduced, the particle behavior calculation is performed again, so that the calculation time may become longer.

他方、最近では、ネットワーク上の複数の計算機を連携させ、その協調動作により高い演算性能を実現するとともに、投資対効果を高める分散コンピューティング技術に関する研究開発が進められている。そこで、個別要素法による粒子挙動計算に分散コンピュータを適用することが考えられている。しかし、この場合は並列計算に適したタイムステップの変更方法が必要であると思料される。   On the other hand, recently, research and development on distributed computing technology that promotes high computing performance by coordinating a plurality of computers on a network and achieving a high computing performance through the cooperative operation has been advanced. Therefore, it is considered to apply a distributed computer to the particle behavior calculation by the individual element method. However, in this case, it seems that a time step changing method suitable for parallel computation is necessary.

特開平7−140059号公報JP-A-7-140059 粉体工学会「粉体シミュレーション入門―コンピュータで粉体技術を創造する―」(産業図書株式会社、1998年3月30日)、第3章「粒子要素法シミュレーション」Japan Society for Powder Technology "Introduction to Powder Simulation-Creating Powder Technology with Computers" (Sangyo Tosho Co., Ltd., March 30, 1998), Chapter 3 "Particle Element Method Simulation"

本発明の目的は、所定の空間内で運動する多数の粒子の挙動をシミュレーションによって高精度に解析することができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an excellent particle behavior analysis device, a particle behavior analysis method, and a computer program capable of analyzing the behavior of a large number of particles moving in a predetermined space with high accuracy by simulation. It is in.

本発明のさらなる目的は、粒子に作用するさまざまな力を基に運動方程式を立てる個別要素法に基づいて粒子毎の挙動をより高精度に解析することができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。   A further object of the present invention is to provide an excellent particle behavior analyzer and particle capable of analyzing the behavior of each particle with higher accuracy based on the individual element method that establishes a motion equation based on various forces acting on the particle. To provide a behavior analysis method and a computer program.

本発明のさらなる目的は、ネットワーク上の複数の計算機を連携させて構築される分散コンピュータを適用し、個別要素法による粒子計算を並列計算することができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。   A further object of the present invention is to apply a distributed computer constructed by coordinating a plurality of computers on a network, and to perform an excellent particle behavior analysis apparatus and particle behavior analysis capable of performing parallel computation of particle computations by an individual element method. It is to provide a method and a computer program.

本発明のさらなる目的は、個別要素法による粒子計算を並列計算する際に、並列計算に適したタイムステップを与えることにより、粒子挙動再計算の発生を抑制して、粒子挙動計算を高速化することができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。   A further object of the present invention is to increase the speed of particle behavior calculation by suppressing occurrence of particle behavior recalculation by providing a time step suitable for parallel computation when particle computation by the discrete element method is performed in parallel. An object of the present invention is to provide an excellent particle behavior analysis apparatus, particle behavior analysis method, and computer program.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第1の側面は、解析領域内に存在する多数の粒子の挙動を個別要素法により計算するための処理を、複数のノードからなる分散コンピュータを用いて並列処理する粒子挙動解析装置であって、前記の個別要素法による粒子の挙動解析計算を前記の各ノードに分散し、ノード毎に所定のタイムステップで粒子挙動計算を行なわせる分散処理手段と、粒子の移動距離に応じて各ノードのタイムステップを適応的に変更するタイムステップ変更手段とを具備することを特徴とする粒子挙動解析装置である。   The present invention has been made in consideration of the above problems, and a first aspect of the present invention is that processing for calculating the behavior of a large number of particles existing in an analysis region by an individual element method is performed from a plurality of nodes. A particle behavior analysis apparatus that performs parallel processing using a distributed computer, wherein the particle behavior analysis calculation by the individual element method is distributed to each of the nodes, and the particle behavior calculation is performed at a predetermined time step for each node. A particle behavior analysis apparatus comprising: a dispersion processing unit for generating a time step; and a time step changing unit for adaptively changing a time step of each node according to a moving distance of the particle.

例えば電子写真技術では、現像、転写などの各プロセスにおいて粉体挙動解析シミュレーションを適用することで、現実に画像形成実験を行なうことなく、形成される画像を予測し評価することができる。粒子挙動解析の主な手法として、粒子毎の挙動を解析する個別要素法が挙げられる。   For example, in electrophotographic technology, by applying a powder behavior analysis simulation in each process such as development and transfer, an image to be formed can be predicted and evaluated without actually performing an image formation experiment. As a main method of particle behavior analysis, there is an individual element method for analyzing the behavior of each particle.

個別要素法によれば、より正確な粒子挙動を計算により求めることができる。しかしながら、粒子の接触判定や磁気相互作用などの計算量が多いため、計算時間が長くなる。タイムステップを変更することで計算を高速化するという手法が考えられるが、粒子同士の接触距離が大きくなり計算が不安定になる現象が起きない範囲でタイムステップを大きくする必要がある。   According to the individual element method, more accurate particle behavior can be obtained by calculation. However, since the amount of calculation such as particle contact determination and magnetic interaction is large, the calculation time becomes long. Although a method of speeding up the calculation by changing the time step can be considered, it is necessary to increase the time step within a range in which the phenomenon that the contact distance between particles becomes large and the calculation becomes unstable does not occur.

また、シミュレーションのように厖大量の繰り返し計算を行なう処理は、複数のノードからなる分散コンピュータ技術を適用すると投資対効果が高いと考えられる。しかし、この場合は並列計算に適したタイムステップの変更方法が必要である。   In addition, it is considered that a process that performs a large amount of repetitive calculation such as simulation has a high return on investment if a distributed computer technology composed of a plurality of nodes is applied. However, in this case, a time step changing method suitable for parallel computation is required.

そこで、本発明に係る粒子挙動解析装置では、分散コンピュータの各ノードに処理を分配して、個別要素法による粒子挙動解析を並列計算する際に、解析領域内の粒子の移動距離に基づいて各ノードのタイムステップを適応的に変更していくことで、粒子挙動再計算の発生を抑制しながら、計算の高速化を図った。   Therefore, in the particle behavior analysis apparatus according to the present invention, when processing is distributed in parallel to each node of the distributed computer and particle behavior analysis by the individual element method is calculated in parallel, each particle behavior analysis device is based on the moving distance of the particles in the analysis region. By adaptively changing the time step of the node, the calculation speed was increased while suppressing the recalculation of particle behavior.

例えば、前記タイムステップ設定手段は、前ステップにおいて算出された粒子の最大移動距離からタイムステップ変更値を計算し、現ステップにおいて該タイムステップ変更値に基づいてノード毎に異なるタイムステップを与えるようにする。このとき、前記分散処理手段は、現ステップにおいて粒子の最大移動距離が所定の範囲内で最大となったノードの計算結果を該ステップにおける粒子挙動解析結果として採用するとともに、前記タイムステップ設定手段は、現ステップにおいて計算結果が採用されたノードに対して設定したタイムステップを現ステップのタイムステップ値とする。   For example, the time step setting means calculates a time step change value from the maximum movement distance of the particles calculated in the previous step, and gives a different time step for each node based on the time step change value in the current step. To do. At this time, the dispersion processing means adopts the calculation result of the node in which the maximum movement distance of the particle in the current step becomes the maximum within a predetermined range as the particle behavior analysis result in the step, and the time step setting means The time step set for the node for which the calculation result is adopted in the current step is set as the time step value of the current step.

このようにすれば、並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析にタイムステップを変更する手法を適用する場合において、粒子の最大移動距離が所定値を超えたときに行なわれるタイムステップ再変更及び粒子挙動再計算の発生が抑制されるので、粒子挙動解析を高速化することができる。   In this way, when applying the method of changing the time step to the particle behavior analysis by the individual element method using a parallel computer, the time step re-change performed when the maximum moving distance of the particle exceeds a predetermined value Since the occurrence of particle behavior recalculation is suppressed, the particle behavior analysis can be speeded up.

また、解析対象領域を領域分割により並列処理化する際に、前記タイムステップ設定手段は、ノード毎に、割り当てられた領域内の粒子の最大移動距離に基づいてタイムステップを逐次変更し、前記分散処理手段は、タイムステップがより大きなノードに対し、タイムステップが細かいノードの計算の補助をさせるようにしてもよい。   Further, when the analysis target region is parallelized by region division, the time step setting means sequentially changes the time step based on the maximum moving distance of the particles in the assigned region for each node, and the dispersion The processing means may assist the calculation of a node having a fine time step with respect to a node having a larger time step.

具体的には、前記タイムステップ設定手段は、各ノードn(但し、ノード数をNとし、n=1〜Nとする)の領域内粒子の最大移動距離からノード毎のタイムステップ変更値tsnを計算し、各ノードnのタイムステップ変更値の最小値ts_minを求め、各ノードnのタイムステップ変更値tsnをtsn以下で最大のts_minの2のn乗倍のts'n又はts_minの整数倍に設定する。また、前記分散処理手段は、各ノードnのタイムステップts'nの最大値ts'_maxまで粒子挙動計算を行なわせる。そして、すべてのノードがts'_maxまで計算完了するまでの間、先に計算が終了した領域を担当するノードに対し、計算負荷の大きい他のノードの計算の補助又はその他の処理をさせるようにする。例えば、前記分散処理手段は、計算負荷の大きいノードが担当する領域内の粒子を分割して、当該ノード及び先に計算が終了した領域を担当するノードにそれぞれ割り当てて計算させるようにすればよい。 Specifically, the time step setting means calculates the time step change value ts n for each node from the maximum moving distance of the particles in the region of each node n (where N is the number of nodes and n = 1 to N). was calculated to obtain the minimum value ts _min time steps change value of each node n, 2 n-th power of ts' n or a maximum of ts _min the time step change value ts n of each node n in the following ts n Set to an integer multiple of ts_min . Further, the distributed processing means to perform the particle behavior calculations to _max 'maximum value ts of n' time step ts of each node n. Until all the nodes have completed the calculation up to ts′_max, the node in charge of the area where the calculation has been completed first is allowed to assist the calculation of another node having a large calculation load or perform other processing. To do. For example, the distributed processing means may divide the particles in the area handled by the node with a large calculation load, and assign the node and the area for which the calculation has been completed to the assigned node to be calculated. .

このよう、並列計算機を用いた領域分割による粒子挙動解析において、他の領域と比べて粒子移動速度が小さい領域を担当するノードのタイムステップを大きくして計算を高速化し、他のノードより先に計算が終了したノードが計算負荷の大きい他のノードの計算を補助するよう構成したので、全領域の粒子挙動解析を高速化することができる。解析領域内の粒子の移動速度が大きい部分と小さい部分に偏っている場合にとりわけ効果が高い。   In this way, in particle behavior analysis by region division using a parallel computer, the time step of the node in charge of the region where the particle movement speed is small compared to other regions is increased to speed up the calculation, before the other nodes Since the node that has completed the calculation is configured to assist the calculation of other nodes having a large calculation load, the particle behavior analysis in the entire region can be speeded up. The effect is particularly high when the moving speed of the particles in the analysis region is biased toward a large portion and a small portion.

また、前記分散処理手段は、前記解析領域を分割して各ノードに割り当てるとともに、ノード間の処理負荷の隔たりに応じて分割した領域の結合又は再分割を行なうようにしてもよい。あるいは、前記分散処理手段は、前記解析領域を分割して各ノードに割り当てるとともに、各ノードが担当する領域のタイムステップに応じて粒子数を変更するようにしてもよい。   The distributed processing means may divide the analysis area and assign it to each node, and may combine or re-divide the divided areas according to the processing load gap between the nodes. Alternatively, the distributed processing means may divide the analysis region and assign it to each node, and change the number of particles according to the time step of the region in charge of each node.

具体的には、前記タイムステップ設定手段は、各ノードn(但し、ノード数をNとし、n〜1〜Nとする)それぞれの領域An内の粒子の最大移動距離から各ノードのタイムステップ変更値tsnを計算する。そして、前記分散処理手段は、隣接する領域AaとAbをそれぞれ担当しているノードa及びノードbのタイムステップ変更値tsaとtsbを比較して(但し、a及びbはともに1〜N)、tsaとtsbがともに所定の変更値ts_maxより大きく且つtsaとtsbの差が所定値ts_df未満である場合には、領域AaとAbを1つの領域Aa'として結合し、領域Aaを担当していたノードaに当該領域Aa'の計算を担当させるとともに、領域Abを担当していたノードbに対し計算負荷の大きいノードの計算の補助又は他の処理を行なわせるようにする。また、前記タイムステップ設定手段は、該結合された領域Aa'におけるタイムステップtsa'はtsaとtsbのうち小さい方に設定する。 Specifically, the time step setting means, time step of each node n to (provided that the number of nodes is N, and N~1~N) each node from the maximum travel distance of the particles in each region A n The change value ts n is calculated. Then, the distributed processing means compares the time step change values ts a and ts b of the nodes a and b which are in charge of the adjacent areas A a and A b respectively (provided that both a and b are 1). to N), ts a and ts b are both in the case the difference and greater than a predetermined change value ts _max ts a and ts b is less than a predetermined value ts _Df, the area a a and a b one region a As a ', the node a that was in charge of the area A a is in charge of the calculation of the area A a ', and at the same time, the node b that was in charge of the area A b assists in the calculation of the node having a large calculation load Alternatively, other processing is performed. The time step setting means sets the time step ts a ′ in the combined area A a ′ to the smaller one of ts a and ts b .

このようにすれば、並列計算機を用いた領域分割による粒子挙動解析において、隣接する領域のタイムステップ変更値を比較して、両方とも所定値ts_maxよりも大きく且つ差が所定値ts_df未満である場合に領域を結合し、結合した領域は片方の領域を担当していたノードに担当させ、もう片方のノードは計算負荷の大きいノードの計算を補助するように構成することができる。 Thus, in particle behavior analysis by region segmentation using a parallel computer, by comparing the time step change values of adjacent areas, both larger and the difference than the predetermined value ts _max is less than a predetermined value ts _Df In some cases, the areas can be combined, the combined area can be assigned to the node that was in charge of one area, and the other node can be configured to assist the calculation of a node with a large calculation load.

これによって、移動距離が少なくタイムステップを大きくできる領域の粒子数を増やし、移動距離が大きいためタイムステップを小さくなり計算負荷が大きい領域の計算に多くのノードを割り当てることができるので、全領域の粒子挙動解析を高速化することができる。領域分割により並列計算を行なう場合、解析領域内の粒子の移動速度が大きい部分と小さい部分に偏っている場合にとりわけ効果が高い。   As a result, the number of particles in the region where the moving distance is small and the time step can be increased is increased, and since the moving distance is large, the time step can be reduced and a large number of nodes can be assigned to the calculation of the region where the calculation load is large. Particle behavior analysis can be speeded up. When parallel computation is performed by area division, the effect is particularly high when the movement speed of particles in the analysis area is biased toward a large part and a small part.

また、本発明の第2の側面は、解析領域内に存在する多数の粒子の挙動を個別要素法により計算するための処理を、複数のノードからなる分散コンピュータを用いて並列計算するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータ・プログラムに対し、前記の個別要素法による粒子の挙動解析計算を前記の各ノードに分散し、ノード毎に所定のタイムステップで粒子挙動計算を行なわせる分散処理手順と、粒子の移動距離に応じて各ノードのタイムステップを適応的に設定・変更するタイムステップ設定手順とを実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラムである。   The second aspect of the present invention provides a process for calculating the behavior of a large number of particles existing in the analysis region by the individual element method in parallel using a distributed computer composed of a plurality of nodes. A computer program written in a computer-readable format so as to be executed on a computer system, the particle behavior analysis calculation by the individual element method being distributed to each of the nodes for the computer program. A distributed processing procedure for performing particle behavior calculation at a predetermined time step for each node, and a time step setting procedure for adaptively setting / changing the time step of each node according to the moving distance of the particles. It is a featured computer program.

本発明の第2の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第2の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによって、コンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、本発明の第1の側面に係る粒子挙動解析装置と同様の作用効果を得ることができる。   The computer program according to the second aspect of the present invention defines a computer program described in a computer-readable format so as to realize predetermined processing on a computer system. In other words, by installing the computer program according to the second aspect of the present invention in the computer system, a cooperative action is exhibited on the computer system, and the particle behavior according to the first aspect of the present invention. The same effects as the analysis device can be obtained.

本発明によれば、粒子に作用するさまざまな力を基に運動方程式を立てる個別要素法に基づいて粒子毎の挙動をより高精度に解析することができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。   According to the present invention, an excellent particle behavior analysis apparatus and particle behavior that can analyze the behavior of each particle with higher accuracy based on the individual element method that establishes an equation of motion based on various forces acting on the particle. An analysis method and a computer program can be provided.

また、本発明によれば、ネットワーク上の複数のノードを連携させて構築される分散コンピュータを適用し、個別要素法による粒子計算を並列計算することができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。   In addition, according to the present invention, an excellent particle behavior analysis apparatus and particle behavior that can be applied to a distributed computer constructed by linking a plurality of nodes on a network and can perform parallel computation of particle computation by the individual element method. An analysis method and a computer program can be provided.

本発明によれば、並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析にタイムステップを変更する手法を適用する場合において、粒子の最大移動距離が所定値を超えたときに行なわれるタイムステップ再変更及び粒子挙動再計算の発生が抑制されるので、粒子挙動解析を高速化することができる。   According to the present invention, in the case of applying the method of changing the time step to the particle behavior analysis by the individual element method using the parallel computer, the time step re-change performed when the maximum moving distance of the particles exceeds a predetermined value. Since the occurrence of particle behavior recalculation is suppressed, the particle behavior analysis can be speeded up.

また、本発明によれば、並列計算機を用いた領域分割による粒子挙動解析において、他の領域と比べて粒子移動速度が小さい領域を担当するノードのタイムステップを大きくして計算を高速化し、他のノードより先に計算が終了したノードが計算負荷の大きい他のノードの計算を補助するよう構成したので、全領域の粒子挙動解析を高速化することができる。解析領域内の粒子の移動速度が大きい部分と小さい部分に偏っている場合にとりわけ効果が高い。また、先に計算が終了したノードは計算負荷の大きいノードの計算を補助するのではなく、先に計算が終了したノードは結果出力画像作成などの別作業を行なうようにしてもよい。   Further, according to the present invention, in the particle behavior analysis by region division using a parallel computer, the time step of the node in charge of the region in which the particle moving speed is small compared to other regions is increased to speed up the calculation. Since the node that has completed the calculation prior to the other node is configured to assist the calculation of other nodes having a large calculation load, the particle behavior analysis in the entire region can be speeded up. The effect is particularly high when the moving speed of the particles in the analysis region is biased toward a large portion and a small portion. Further, the node whose calculation has been completed does not assist the calculation of the node having a large calculation load, but the node whose calculation has been completed may perform another work such as creation of a result output image.

また、本発明によれば、並列計算機を用いた領域分割による粒子挙動解析において、隣接する領域のタイムステップ変更値を比較して、両方とも所定値ts_maxよりも大きく且つ差が所定値ts_df未満である場合に領域を結合し、結合した領域は片方の領域を担当していたノードに担当させ、もう片方のノードは計算負荷の大きいノードの計算を補助するように構成することができる。これによって、移動距離が少なくタイムステップを大きくできる領域の粒子数を増やし、移動距離が大きいためタイムステップを小さくなり計算負荷が大きい領域の計算に多くのノードを割り当てることができるので、全領域の粒子挙動解析を高速化することができる。解析領域内の粒子の移動速度が大きい部分と小さい部分に偏っている場合にとりわけ効果が高い。また、領域結合した後に計算を行なわなくなるノードは、計算負荷の大きいノードの計算を補助するのではなく、先に計算が終了したノードは結果出力画像作成などの別作業を行なうようにしてもよい。 Further, according to the present invention, the particle behavior analysis by region segmentation using a parallel computer, by comparing the time step change values of adjacent areas, both predetermined value ts _max large and the difference is the predetermined value ts _Df than If the number of the nodes is less than the limit, the areas are combined, the combined area is assigned to the node that was in charge of one area, and the other node is configured to assist the calculation of the node having a large calculation load. As a result, the number of particles in the region where the moving distance is small and the time step can be increased is increased, and because the moving distance is large, the time step is reduced and a large number of nodes can be assigned to the calculation of the region where the calculation load is large. Particle behavior analysis can be speeded up. The effect is particularly high when the moving speed of the particles in the analysis region is biased toward a large portion and a small portion. In addition, a node that does not perform calculation after region combination does not assist calculation of a node with a large calculation load, but a node for which calculation has been completed may perform another operation such as creation of a result output image. .

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。   Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明は、電子写真プロセス方式の画像形成装置における粉体の挙動解析に関する。この種の画像形成装置は、画像構成剤としてのトナー及びトナーを搬送するための磁性体からなるキャリアという2成分からなる現像剤を用い、電子写真感光体に対する帯電、スキャンした原稿イメージの露光、現像すなわち感光体へのトナー重畳、用紙へのトナー転写及びトナー定着、感光体のクリーニングという複数のプロセスからなる。   The present invention relates to powder behavior analysis in an electrophotographic process type image forming apparatus. This type of image forming apparatus uses a two-component developer of toner as an image forming agent and a carrier made of a magnetic material for conveying the toner, charges the electrophotographic photosensitive member, exposes a scanned original image, It consists of a plurality of processes such as development, that is, toner superimposition on the photosensitive member, toner transfer and fixing on the paper, and cleaning of the photosensitive member.

まず、電子写真プロセスについて説明する。図8には、電子写真プロセスの機能的構成を模式的に示している。   First, the electrophotographic process will be described. FIG. 8 schematically shows a functional configuration of the electrophotographic process.

感光体の表面を帯電器によって一様な表面電位に帯電させた後、原稿をスキャンして得た画像データに従って感光体表面にレーザ・ビームをスキャンすることによって露光して所望の潜像電位からなる静電潜像を形成する。続いて、現像器においてトナー濃度やトナー帯電量を整えながら、トナーを静電潜像に重畳してトナー像を形成し、転写器は外部から搬送されてきた印刷用紙上にトナー像を転写する。そして、定着器により加熱溶融・圧着作用によりトナー像を印刷用紙上に定着してから、画像形成装置の外に排紙する。転写後の感光体表面は、残留トナーをクリーナによって除去する。清掃後の感光面には残留電位が残っているが、初期電位を印加してから次の電子写真プロセスに利用される。   After charging the surface of the photoconductor to a uniform surface potential with a charger, the surface of the photoconductor is exposed by scanning a laser beam in accordance with image data obtained by scanning a document, and a desired latent image potential is obtained. Forming an electrostatic latent image. Subsequently, while adjusting the toner density and toner charge amount in the developing unit, the toner is superimposed on the electrostatic latent image to form a toner image, and the transfer unit transfers the toner image onto the printing paper conveyed from the outside. . Then, the toner image is fixed on the printing paper by the heat melting and pressure-bonding action by the fixing device, and then discharged out of the image forming apparatus. Residual toner is removed from the surface of the photoreceptor after the transfer by a cleaner. Although the residual potential remains on the photosensitive surface after cleaning, it is used for the next electrophotographic process after the initial potential is applied.

図9には、現像プロセスを中心に装置構成を図解している。   FIG. 9 illustrates an apparatus configuration centering on the development process.

感光体13の回りには、回転方向bに沿って順に中間転写ベルト14、ブラシローラ34、帯電ローラ36、現像ユニットが設けられている。中間転写ベルト14、ブラシローラ34、帯電ローラ36はいずれも感光体13の感光面に当接している。また、帯電ローラ36と現像ユニットとの間には、感光面をライン露光するLEDアレイヘッド40が配置されている。   Around the photosensitive member 13, an intermediate transfer belt 14, a brush roller 34, a charging roller 36, and a developing unit are sequentially provided along the rotation direction b. The intermediate transfer belt 14, the brush roller 34, and the charging roller 36 are all in contact with the photosensitive surface of the photoreceptor 13. In addition, an LED array head 40 that performs line exposure on the photosensitive surface is disposed between the charging roller 36 and the developing unit.

現像ユニットは、感光体13に相対するように配設された現像ローラ38と、現像ローラ38の下方に位置し、現像ローラ38に2成分系現像剤を供給するスクリュー・フィーダ39A及び39Bと、現像ローラ38とスクリュー・フィーダ39A及び39Bとを収容する筐体37とを備える。2成分系現像剤は、トナーと磁性キャリア粒子とを主用成分として含有している。筐体37の感光体13に相対する部分には開口部37Aが設けられている。   The developing unit includes a developing roller 38 disposed so as to face the photosensitive member 13, screw feeders 39 </ b> A and 39 </ b> B that are positioned below the developing roller 38 and supply a two-component developer to the developing roller 38, A developing roller 38 and a housing 37 for accommodating the screw feeders 39A and 39B are provided. The two-component developer contains toner and magnetic carrier particles as main components. An opening 37 </ b> A is provided in a portion of the housing 37 that faces the photoreceptor 13.

現像ローラ38は、感光体13の感光面との間に間隙即ち現像ギャップが形成されるように配設されている。現像ローラ38は、円柱状のマグネット・ロール38Bと、マグネット・ロール38Bに被せられたスリーブ38Aとを有する。マグネット・ロール38Bは、円柱状であって画像形成装置本体に対して固定され、スリーブ38Aは、マグネット・ロール38Bの軸線の回りを、感光体13の回転方向bと同じ反時計回り方向、すなわち感光体13との対向部において感光体13に相対するアゲインスト方向に回転している。これにより、現像ローラ38から感光体13へのトナーの転移効率が高められている。   The developing roller 38 is disposed so that a gap, that is, a developing gap is formed between the photosensitive roller 13 and the photosensitive surface. The developing roller 38 includes a cylindrical magnet roll 38B and a sleeve 38A that covers the magnet roll 38B. The magnet roll 38B has a cylindrical shape and is fixed to the main body of the image forming apparatus. The sleeve 38A has the same counterclockwise direction as the rotation direction b of the photoconductor 13 around the axis of the magnet roll 38B, that is, the sleeve 38A. It rotates in the opposite direction relative to the photoconductor 13 at the portion facing the photoconductor 13. Thereby, the transfer efficiency of the toner from the developing roller 38 to the photosensitive member 13 is enhanced.

マグネット・ロール38Bは、フェライトや希土類磁石合金などの磁性材料の粉末を円柱状又は円筒状に成形したマグローラであり、N極とS極とが所定のパターンで配設されるように着磁しつつ燒結することにより形成される。その着磁パターンとして、感光体13に相対する部分が現像極S1であり、スリーブ38Aの回転方向に沿って現像極S1の隣にピックオフ極N1が位置し、その隣にピックアップ極N2、トリミング極S2、搬送極N3の順で磁極が配置されるパターンなどが挙げられる。なお、現像極S1とトリミング極S2はいずれもS極であり、ピックオフ極N1、ピックアップ極N2、搬送極N3はいずれもN極である。   The magnet roll 38B is a mag roller in which magnetic material powder such as ferrite or rare earth magnet alloy is formed into a columnar shape or a cylindrical shape, and is magnetized so that the N pole and the S pole are arranged in a predetermined pattern. It is formed by sintering while. As the magnetized pattern, a portion facing the photosensitive member 13 is the developing pole S1, and a pick-off pole N1 is located next to the developing pole S1 along the rotation direction of the sleeve 38A, and a pickup pole N2 and a trimming pole are adjacent to the pick-up pole N1. Examples include a pattern in which magnetic poles are arranged in the order of S2 and the transport pole N3. The development pole S1 and the trimming pole S2 are all S poles, and the pickoff pole N1, the pickup pole N2, and the transport pole N3 are all N poles.

現像極S1における現像ニップに対応する部分は、法線方向磁束密度Brの変化が±5[mT]になるように着磁されている。ここで、搬送極N3とトリミング極S2との境界部を0度とし、時計回りの方向を正の角度とすると、240〜270度の部分に現像ニップが位置し、前記現像ニップ部を包含するように現像極S1が形成されている。そして、マグネット・ロール38Bにおける角度240〜270度の部分においては法線方向磁束密度Brの変化が±5[mT]である。これは、マグネット・ロール38Bにおける現像ニップの部分における法線方向磁束密度Brの変化が±5[mT]になるように着磁されていることを示す。マグネット・ロール38Bは、さらに法線方向磁気拘束力Frの極大値が現像ニップに位置するように着磁されている。   The portion corresponding to the developing nip in the developing pole S1 is magnetized so that the change in the normal direction magnetic flux density Br becomes ± 5 [mT]. Here, assuming that the boundary between the transport pole N3 and the trimming pole S2 is 0 degree and the clockwise direction is a positive angle, the development nip is located at a part of 240 to 270 degrees and includes the development nip part. Thus, the development pole S1 is formed. The change in the normal magnetic flux density Br is ± 5 [mT] at the angle of 240 to 270 degrees in the magnet roll 38B. This indicates that the change in the normal magnetic flux density Br at the developing nip portion of the magnet roll 38B is magnetized so as to be ± 5 [mT]. The magnet roll 38B is further magnetized so that the maximum value of the normal magnetic restraining force Fr is located in the developing nip.

トリミング極S2の対向部には、トリミング極S2と協働して磁気ブラシの高さを揃えるトリミングブレード41が現像ローラ38に向かって延びている。現像ローラ38には、マイナスの現像バイアス電圧が印加されている。   A trimming blade 41 that aligns the height of the magnetic brush in cooperation with the trimming pole S <b> 2 extends toward the developing roller 38 at the opposing portion of the trimming pole S <b> 2. A negative developing bias voltage is applied to the developing roller 38.

現像モードにおいて、感光体13は一定速度で反時計回りに回転するので、その感光面は帯電ローラ36によってマイナスに帯電される。次いで、感光面の帯電面がLEDアレイヘッド40によって露光されることにより、帯電面の露光部分の電位が低下して静電潜像が形成される。そして、現像ユニットにおいて、現像ローラ38によって、感光体13と同様にマイナス電圧に帯電されたトナーが感光面に形成された静電潜像すなわち帯電面の電位低下部に電気的に付着されて現像され、トナー画像が形成される。感光面上に付着したトナーは、トナーと逆極性のプラスの転写電圧が印加された転写ローラ32によって中間転写ベルト14に向かって電気的に引き寄せられる。これによって、感光面13A上のトナー像が、感光体13から中間転写ベルト14へと転写される。   In the developing mode, the photosensitive member 13 rotates counterclockwise at a constant speed, so that the photosensitive surface is negatively charged by the charging roller 36. Next, the charged surface of the photosensitive surface is exposed by the LED array head 40, whereby the potential of the exposed portion of the charged surface is lowered to form an electrostatic latent image. In the developing unit, the developing roller 38 causes the toner charged to a negative voltage to be electrically attached to the electrostatic latent image formed on the photosensitive surface, that is, the potential lowering portion of the charging surface, similarly to the photosensitive member 13 and developed. As a result, a toner image is formed. The toner adhering to the photosensitive surface is electrically drawn toward the intermediate transfer belt 14 by the transfer roller 32 to which a positive transfer voltage having a polarity opposite to that of the toner is applied. As a result, the toner image on the photosensitive surface 13A is transferred from the photosensitive member 13 to the intermediate transfer belt.

転写する度にトナーが消費されるが、オーガには新たなトナーが供給され、キャリアと混合攪拌され、適正なトナー濃度を保ちながら、摩擦帯電によりトナーを帯電させる(図10を参照のこと)。   Toner is consumed each time it is transferred, and new toner is supplied to the auger, mixed and stirred with the carrier, and charged with frictional charging while maintaining an appropriate toner concentration (see FIG. 10). .

スリーブ38Aが回転すると、スクリュー・フィーダ39A、39Bで筐体37内部に供給された現像剤は、ピックアップ極N2によってスリーブ38Aの表面に吸着される。ここで、スリーブ38Aの表面には、搬送極N3から現像極S1に向かう磁界、ピックオフ極N1から現像極S1に向かう磁界、ピックアップ極N2からトリミング極S2に向かう方向の磁界、及び搬送極N3からトリミング極S2に向かう磁界が形成され、しかも現像剤は、磁性キャリア粒子の表面にトナーが付着した構造を有している。したがって、図11に示すように、スリーブ38Aの表面に吸着された現像剤は、スリーブ38Aの表面において磁力線の方向に配列され、穂立ちして磁気ブラシを形成する。   When the sleeve 38A rotates, the developer supplied into the housing 37 by the screw feeders 39A and 39B is adsorbed on the surface of the sleeve 38A by the pickup pole N2. Here, on the surface of the sleeve 38A, there are a magnetic field from the transport pole N3 toward the development pole S1, a magnetic field from the pick-off pole N1 toward the development pole S1, a magnetic field in the direction from the pickup pole N2 toward the trimming pole S2, and from the transport pole N3. A magnetic field directed to the trimming pole S2 is formed, and the developer has a structure in which toner adheres to the surface of the magnetic carrier particles. Therefore, as shown in FIG. 11, the developer adsorbed on the surface of the sleeve 38A is arranged in the direction of the lines of magnetic force on the surface of the sleeve 38A and rises to form a magnetic brush.

ピックアップ極N2の近傍においてスリーブ38Aの表面に形成された磁気ブラシは、図11中において矢印で示すように、スリーブ38Aが回転するのに伴い、トリミング極S2→搬送極N3→現像極S1→ピックオフ極N1へと紙面右から左に向かって搬送される。そして、トリミング極S2を通過するときに磁気ブラシの高さが整えられ、現像極S1近傍で磁気ブラシ上のトナーが感光体13に転移して、スリーブ38Aの表面にはほとんど磁性キャリアだけになった磁気ブラシが残る。ほとんど磁性キャリアだけになった磁気ブラシは、スリーブ38Aの回転に伴い、ピックオフ極N1でスリーブ38Aの表面から脱落して筐体37内に戻る。   As shown by the arrow in FIG. 11, the magnetic brush formed on the surface of the sleeve 38A in the vicinity of the pickup pole N2 is trimming pole S2, transport pole N3, developing pole S1, and pick-off as the sleeve 38A rotates. It is conveyed from the right side to the left side of the page toward the pole N1. Then, the height of the magnetic brush is adjusted when passing through the trimming pole S2, and the toner on the magnetic brush is transferred to the photosensitive member 13 in the vicinity of the developing pole S1, so that the surface of the sleeve 38A is almost only a magnetic carrier. The magnetic brush remains. As the sleeve 38A rotates, the magnetic brush that has almost only the magnetic carrier drops off from the surface of the sleeve 38A at the pick-off pole N1 and returns to the inside of the housing 37.

現像モードでは、このようにスリーブ38Aが回転することにより、ピックアップ極N2では常に新鮮な現像剤が補充されて現像極S1に搬送され、現像極S1にてトナーが感光体13に転移して感光面13Aの潜像が現像される。   In the developing mode, the sleeve 38A rotates in this manner, so that fresh developer is always replenished at the pickup pole N2 and conveyed to the developing pole S1, and the toner is transferred to the photosensitive member 13 at the developing pole S1 to be photosensitive. The latent image on the surface 13A is developed.

このような電子写真技術では、例えば現像、転写などの各プロセスにおいて粉体挙動解析シミュレーションを適用することで、現実に画像形成実験を行なうことなく、形成される画像を予測し評価することができる。   In such an electrophotographic technique, for example, by applying a powder behavior analysis simulation in each process such as development and transfer, an image to be formed can be predicted and evaluated without actually performing an image formation experiment. .

また、粒子挙動解析計算は、条件パラメータを変化させながら繰り返し実行する必要がある。このような演算処理には分散コンピューティング技術を利用した並列処理化が適当であると本発明者らは思料する。分散コンピューティング・システムによれば、ネットワーク上の複数の計算機を連携させ、その協調動作により高い演算性能を実現するとともに、投資対効果を高めることができる。   Moreover, it is necessary to repeatedly execute the particle behavior analysis calculation while changing the condition parameters. The present inventors consider that parallel processing using distributed computing technology is appropriate for such arithmetic processing. According to the distributed computing system, it is possible to link a plurality of computers on the network and realize high calculation performance through the cooperative operation, and increase the return on investment.

図12には、分散コンピューティング・システムの構成を模式的に示している。ネットワーク上には、シミュレーション計算などの演算処理を統括するサーバと、1台以上のクライアントPC(ノード)が接続されている。ネットワークは、単一のLANセグメントである以外に、ルータ若しくはゲートウェイ経由で相互接続される複数のLANセグメントや、インターネットなどの広帯域ネットワークで構成することができる。   FIG. 12 schematically shows the configuration of the distributed computing system. On the network, a server that controls arithmetic processing such as simulation calculation and one or more client PCs (nodes) are connected. In addition to a single LAN segment, the network can be composed of a plurality of LAN segments interconnected via routers or gateways, or a broadband network such as the Internet.

並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析方法として、以下の手法を用いることができる。   The following methods can be used as a particle behavior analysis method by a discrete element method using a parallel computer.

(1)各ノードの計算領域はそのままとし、各ノードに挙動計算を担当する粒子を割り当てる粒子分割:
一般に、粒子に粒子番号を付けておき、各ノードに担当させる粒子数に相当する粒子番号を割り当てる。各ノードは、割り当てられた粒子番号の粒子についてのみ挙動計算を行なう。通常、各ノードの負荷を均等にするため、ノード毎に担当させる粒子数は。全粒子数をノード数で割った値が用いられる。
(1) Particle division in which the calculation area of each node is left as it is, and the particles in charge of behavior calculation are assigned to each node:
In general, a particle number is assigned to each particle, and a particle number corresponding to the number of particles assigned to each node is assigned. Each node performs a behavior calculation only for the particle with the assigned particle number. Usually, in order to equalize the load on each node, what is the number of particles assigned to each node? The value obtained by dividing the total number of particles by the number of nodes is used.

(2)計算領域を分割して各ノードに割り当て、各ノードが分割された領域内の粒子の挙動計算を行なう領域分割:
この場合、隣接する領域の情報は隣接する領域を担当するノード間で共有して境界部の粒子挙動を計算することになる。
(2) Region division for dividing a calculation region and assigning it to each node, and calculating the behavior of particles in the region where each node is divided:
In this case, the information on the adjacent region is shared between the nodes in charge of the adjacent region, and the particle behavior at the boundary is calculated.

以下では、並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析に関する実施例について詳解する。   Below, the Example regarding the particle behavior analysis by the discrete element method using a parallel computer is explained in detail.

本実施例では、並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析を、以下のような手順で実施する。   In this embodiment, the particle behavior analysis by the individual element method using a parallel computer is performed in the following procedure.

前ステップでは、それぞれ異なるタイムステップ値が与えられた各ノードが平行して粒子挙動計算を行なっているとする。そして、前ステップにおける粒子の最大移動距離からタイムステップ変更値tsを計算する。   In the previous step, it is assumed that each node having different time step values is performing particle behavior calculation in parallel. Then, the time step change value ts is calculated from the maximum movement distance of the particles in the previous step.

このタイムステップ変更値tsを所定の間隔で増減させたn個のタイムステップ変更候補値ts'n(但し、nは1〜Nの整数)を求める。そして、並列計算を行なう各ノード(ここで、ノード数をN+1とする)に対しts及び変更候補値ts'nというそれぞれ異なるタイムステップ値に設定して、現ステップにおける粒子挙動計算を行なわせる。 N time step change candidate values ts ′ n (where n is an integer from 1 to N) obtained by increasing or decreasing the time step change value ts at a predetermined interval are obtained. Then, different time step values, ts and change candidate value ts ′ n , are set for each node performing parallel calculation (here, the number of nodes is N + 1), and particle behavior calculation in the current step is performed.

各ノードの最大移動距離が所定の範囲内で最大であるノードの計算結果を現ステップにおける挙動解析結果として採用する。ここで、最大移動距離を得ても計算が破綻してしまったノードの計算結果は破棄する。また、最大移動距離を得たノードのタイムステップ設定値を現ステップにおけるタイムステップ値とする。このような計算を繰り返して、粒子挙動計算を行なう。   The calculation result of the node having the maximum movement distance of each node within a predetermined range is adopted as the behavior analysis result in the current step. Here, the calculation result of the node whose calculation has failed even if the maximum moving distance is obtained is discarded. Further, the time step setting value of the node that has obtained the maximum movement distance is set as the time step value in the current step. By repeating such calculation, particle behavior calculation is performed.

このように、各ノードの最大移動距離が所定の範囲内で最大であるノードの計算結果を現ステップにおける挙動解析結果として採用し、最大移動距離を得たノードのタイムステップ設定値を現ステップにおけるタイムステップ値とするという計算を繰り返し実行して、粒子挙動計算を行なう。   As described above, the calculation result of the node having the maximum movement distance of each node within the predetermined range is adopted as the behavior analysis result in the current step, and the time step setting value of the node that has obtained the maximum movement distance is determined in the current step. The calculation of the time step value is repeatedly executed to calculate the particle behavior.

このような粒子挙動解析の並列計算手法によれば、粒子の最大移動距離が所定値を超えたときに行なわれるタイムステップ再変更及び粒子挙動再計算の発生が抑制されるので、粒子挙動解析を高速化することができる。   According to such a parallel calculation method of particle behavior analysis, the occurrence of re-calculation of time step and particle behavior re-calculation performed when the maximum moving distance of particles exceeds a predetermined value is suppressed. The speed can be increased.

図1には、本実施例に係る並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析の動作の様子を図解している。図示の例では、5台のノードが粒子挙動解析を並列計算するものとする。   FIG. 1 illustrates the behavior of particle behavior analysis by the discrete element method using the parallel computer according to the present embodiment. In the illustrated example, it is assumed that five nodes perform parallel calculation of particle behavior analysis.

M番目のステップでは、それぞれ異なるタイムステップ値が与えられた各ノード#1〜#5が平行して粒子挙動計算を行なっている。そして、ノード#2において、計算が破綻することなく、粒子の最大移動距離が得られた。そこで、ノード#2で計算された粒子の最大移動距離を当該M番目のステップにおける最大移動距離とするとともに、この最大移動距離からタイムステップ変更値tsを計算する。   In the M-th step, each of the nodes # 1 to # 5 to which different time step values are given performs the particle behavior calculation in parallel. In node # 2, the maximum movement distance of the particles was obtained without causing the calculation to fail. Therefore, the maximum movement distance of the particle calculated at the node # 2 is set as the maximum movement distance in the M-th step, and the time step change value ts is calculated from the maximum movement distance.

このタイムステップ変更値tsを所定の間隔で増減させた4個のタイムステップ変更候補値ts'n(但し、nは1〜4の整数)を求める。そして、並列計算を行なう各ノード#1〜#5に対し、ts及び変更候補値ts'nというそれぞれ異なるタイムステップ値に設定して、次のM+1番目のステップにおける粒子挙動計算を行なわせる。 Four time step change candidate values ts ′ n (where n is an integer of 1 to 4) obtained by increasing or decreasing the time step change value ts at predetermined intervals are obtained. Then, for each node # 1 to # 5 for parallel computation, set to different time step value that ts and change candidate value ts' n, to perform the particle behavior calculations in the next M + 1 th step.

M+1番目のステップでは、ノード#4において、計算が破綻することなく、粒子の最大移動距離が得られた。そこで、ノード#4で計算された粒子の最大移動距離を当該M+1番目のステップにおける最大移動距離とするとともに、この最大移動距離から、さらに次のM+2番目のタイムステップ変更値tsを計算する。   In the (M + 1) th step, the maximum moving distance of the particle was obtained at node # 4 without any calculation failure. Therefore, the maximum movement distance of the particle calculated at the node # 4 is set as the maximum movement distance in the M + 1th step, and the next M + 2 time step change value ts is further calculated from the maximum movement distance.

図2には、本実施例に係る並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析の処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 2 shows a processing procedure of particle behavior analysis by the individual element method using the parallel computer according to the present embodiment in the form of a flowchart.

所定の初期化を行なった後(S1)、前ステップの粒子最大移動距離から、タイムステップ変更値tsを算出する(S2)。そして、N個のタイムステップ変更候補値ts'n(n=1〜N)を算出する(S3)。 After performing a predetermined initialization (S1), a time step change value ts is calculated from the maximum particle movement distance of the previous step (S2). Then, N time step change candidate values ts ′ n (n = 1 to N) are calculated (S3).

次いで、タイムステップ変更値ts及びN個のタイムステップ変更候補値は、次のステップのタイムステップ値として並列動作するN+1個のノードにそれぞれ与えられる。そして、異なるタイムステップ値を設定された各ノードは、前ステップで求められた粒子最大移動距離を用い、個別要素法による粒子挙動解析をそれぞれ実行する(S4)。   Next, the time step change value ts and the N time step change candidate values are given to N + 1 nodes operating in parallel as time step values of the next step, respectively. Then, each node set with a different time step value performs particle behavior analysis by the individual element method using the maximum particle movement distance obtained in the previous step (S4).

次いで、各ノードの粒子最大移動距離の評価を行なう(ステップS5)。ここでは、粒子移動距離が所定距離で最大のノードの計算結果を当該ステップにおける計算結果として採用するとともに、この最大移動距離から算出されるタイムステップをタイムステップ変更値として採用する。   Next, the maximum particle movement distance of each node is evaluated (step S5). Here, the calculation result of the node having the maximum particle movement distance at the predetermined distance is adopted as the calculation result in the step, and the time step calculated from the maximum movement distance is adopted as the time step change value.

所定時間に到達するまで(S6)、S2〜S5の処理を繰り返し実行する。所定時間に到達すると、計算結果を要求元に返し、本処理ルーチン全体を終了する。   Until the predetermined time is reached (S6), the processes of S2 to S5 are repeated. When the predetermined time is reached, the calculation result is returned to the request source, and the entire processing routine is terminated.

図3には、図2に示したフローチャートのS4で行なわれる、個別要素法による粒子挙動計算を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 3 shows a processing procedure for performing particle behavior calculation by the individual element method performed in S4 of the flowchart shown in FIG. 2 in the form of a flowchart.

まず、粒子に対する接触力を算出して、接触力の判定を行なう(ステップS11)。   First, the contact force with respect to the particles is calculated, and the contact force is determined (step S11).

次いで、静電気力、磁気力、重力といった粒子に対する他の作用力を算出する(ステップS12)。   Next, other acting forces on the particles such as electrostatic force, magnetic force, and gravity are calculated (step S12).

そして、粒子に対する全作用力(接触力と作用力の和)を算出して、運動方程式から粒子の加速度、速度、変位を求めることにより、粒子状態を算出する(ステップS13)。   Then, the total acting force on the particle (the sum of the contact force and the acting force) is calculated, and the particle state is calculated by obtaining the acceleration, velocity, and displacement of the particle from the equation of motion (step S13).

本実施例によれば、並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析にタイムステップを変更する手法を適用する場合において、粒子の最大移動距離が所定値を超えたときに行なわれるタイムステップ再変更及び粒子挙動再計算の発生が抑制されるので、粒子挙動解析を高速化することができる。   According to this embodiment, in the case of applying the method of changing the time step to the particle behavior analysis by the individual element method using the parallel computer, the time step re-execution performed when the maximum moving distance of the particles exceeds a predetermined value. Since the occurrence of change and particle behavior recalculation is suppressed, the particle behavior analysis can be speeded up.

なお、上述した説明では粒子分割や領域分割を行なっていないが、粒子分割や領域分割を行ない各ノードに計算粒子又は計算領域を割り当てた場合にも同様に適用することができる。   In the above description, particle division or region division is not performed. However, the present invention can be similarly applied to cases where particle division or region division is performed and a calculation particle or calculation region is assigned to each node.

本実施例では、領域分割により並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析を行なう。領域毎に粒子数や粒子挙動に偏りがあることから、領域分割では並列計算するノード間でタイムステップに開きが生じ易い。本実施例では、このような点を鑑み、タイムステップが大きいノードは負荷が低いので、タイムステップが小さいノードの計算の一部を分割して負担するようにしている。   In this embodiment, particle behavior analysis is performed by an individual element method using a parallel computer by region division. Since there is a bias in the number of particles and particle behavior for each region, time division is likely to occur between nodes that perform parallel calculation in region division. In the present embodiment, in view of such points, a node having a large time step has a low load, and therefore, a part of calculation of a node having a small time step is divided and burdened.

図4には、本実施例に係る並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析の動作の様子を図解している。図示の例では、5台のノードが粒子挙動解析を並列計算するものとする。   FIG. 4 illustrates the behavior of the particle behavior analysis by the individual element method using the parallel computer according to the present embodiment. In the illustrated example, it is assumed that five nodes perform parallel calculation of particle behavior analysis.

同図では、ノード#1のタイムステップts1が4に設定されているのに対し、ノード#4のタイムステップts4が1に設定されている。このような場合、ノード#1の方がノード#4よりも計算負荷が低いので、ノード#1がノード#4が分担する粒子計算の一部を負担することによって、ノード間での処理負荷の均等化を図る。 In the figure, the time step ts 1 of the node # 1 is set to 4, whereas the time step ts 4 of the node # 4 is set to 1. In such a case, the calculation load of node # 1 is lower than that of node # 4. Therefore, when node # 1 bears a part of the particle calculation shared by node # 4, the processing load between the nodes is reduced. Equalize.

本実施例では、並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析を、以下のような手順で実施する。   In this embodiment, the particle behavior analysis by the individual element method using a parallel computer is performed in the following procedure.

まず、各ノードn(但し、ノード数をNとし、n=1〜Nとする)に領域を割り当てる。各ノードは、領域内粒子について、所定のタイムステップで最初のステップの粒子挙動計算を行なう。そして、各ノードnは、それぞれの領域内粒子の最大移動距離から自ノードのタイムステップ変更値tsnを計算する。 First, an area is allocated to each node n (where N is the number of nodes and n = 1 to N). Each node calculates the particle behavior of the first step at a predetermined time step for the in-region particles. Then, each node n calculates the time step change value ts n of its own node from the maximum movement distance of the particles in each region.

次いで、各ノードnのタイムステップ変更値の最小値ts_minを求め、各ノードnのタイムステップ変更値tsnをtsn以下で最大のts_minの2のn乗倍のts'nに設定する。各ノードnのタイムステップts'nの最大値ts'_maxを求め、それぞれのノードでts'_maxまで粒子挙動計算を行ない、各領域の境界部の粒子情報を同期する。このような挙動計算を繰り返し行なう。 Then, determining the minimum value ts _min time steps change value of each node n, sets the time step change value ts n of each node n to ts' n of 2 n th power of the largest ts _min below ts n . Seeking _max 'maximum ts of n' time step ts of each node n, performs particle behavior calculated in each node to ts' _max, synchronize particle information of the boundary of each region. Such behavior calculation is repeated.

すべてのノードがts'_maxまでの計算を完了するまでの間、先に計算が終了した領域を担当するノードeは計算負荷の大きいノードm(粒子数が多い/タイムステップが細かい)の計算を補助する。計算の補助は以下の手順で行なう。計算負荷の大きいノードmが担当する領域Amを粒子分割し、ノードeに粒子番号を割り当てて計算する。このような粒子挙動計算を繰り返し行なう。 Until all the nodes are completed the calculation of up ts'_ max, compute large nodes of the node e is computational load in charge of the area previously calculated is completed m (the number of particles is large / time step fine) To assist. The calculation is aided by the following procedure. The area A m of large nodes m computational load is assigned to the particle divided calculate assign a particle number to the node e. Such particle behavior calculation is repeated.

各ノードのタイムステップ変更値ts'nはts_minの2のn乗倍にすることにより粒子情報の同期が容易になる。但し、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、例えば、ts'nをts_minの整数倍にしてts'nの最小公倍数で同期することもできる。 Time step change value ts' n for each node facilitates synchronization of particle information by the second n th power of ts _min. However, the gist of the present invention is not limited to this, and for example, ts ′ n can be synchronized with the least common multiple of ts ′ n by making ts ′ n an integral multiple of ts_min .

図5には、本実施例に係る並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析の処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 5 shows a processing procedure of particle behavior analysis by the individual element method using the parallel computer according to the present embodiment in the form of a flowchart.

まず所定の初期化処理を行なった後(S21)、領域分割に基づいて並列計算機ノード1〜Nに領域A1〜ANを割り当てる(S22)。 First, after performing a predetermined initialization process (S21), areas A 1 to A N are allocated to the parallel computer nodes 1 to N based on the area division (S22).

次いで、各ノードの領域内での粒子の最大移動距離に基づいて、各ノードのタイムステップ変更値tsnを算出し(S23)、各ノードのタイムステップ変更値ts'nを算出するとともに、ts'nの最大値ts'max算出を算出する(S24)。ここで、ts'nはtsnの最小値ts_minの2のn乗倍且つtsn以下である。そして、並列計算機としての各ノードnは、それぞれの領域Anにおける個別要素法による粒子挙動計算を、タイムステップts'nで、時刻ts'maxまで繰り返し行なう(S25)。個別要素法による粒子挙動計算の処理手順は、図3(前述)と同様なので、ここでは説明を省略する。 Next, the time step change value ts n of each node is calculated based on the maximum movement distance of the particles in the region of each node (S23), and the time step change value ts' n of each node is calculated, and ts The “ n maximum value ts” max calculation is calculated (S24). Here, ts' n is less than 2 n-th power and ts n of the minimum value ts _min of ts n. Then, each node n as a parallel computer repeatedly performs the particle behavior calculation by the individual element method in each region An at time step ts ′ n until time ts ′ max (S25). Since the processing procedure of the particle behavior calculation by the individual element method is the same as that in FIG. 3 (described above), the description is omitted here.

時刻ts'maxが到来した時点で、すべての領域の粒子挙動計算が完了したかどうかをチェックする(S26)。 When the time ts ′ max arrives, it is checked whether the particle behavior calculation for all regions is completed (S26).

ここで、すべての領域で計算が完了していない場合には、先に計算が終了した領域を担当するノードに対し、他の領域xの粒子挙動計算の補助を行なわせる(S27)。具体的には、計算が先に終了したノードが領域xの計算粒子を分割し、個別要素法による粒子挙動計算をts'maxまで計算させる。個別要素法による粒子挙動計算の処理手順は、図3(前述)と同様である。 Here, when the calculation is not completed in all the regions, the node in charge of the region for which the calculation has been completed is assisted in the particle behavior calculation in the other region x (S27). Specifically, the node for which the calculation has been completed first divides the calculation particle in the region x, and the particle behavior calculation by the individual element method is calculated up to ts ′ max . The processing procedure of particle behavior calculation by the individual element method is the same as that in FIG. 3 (described above).

一方、すべての領域で計算が完了した場合には、各ノードnの粒子情報の同期をとる(S28)。各ノードのタイムステップ変更値ts'nはts_minの2のn乗倍にすることにより粒子情報の同期が容易になる。 On the other hand, when the calculation is completed in all regions, the particle information of each node n is synchronized (S28). Time step change value ts' n for each node facilitates synchronization of particle information by the second n th power of ts _min.

所定時間に到達するまで(S29)、S23〜S28の処理を繰り返し実行する。所定時間に到達すると、計算結果を要求元に返し、本処理ルーチン全体を終了する。   Until the predetermined time is reached (S29), the processes of S23 to S28 are repeated. When the predetermined time is reached, the calculation result is returned to the request source, and the entire processing routine is terminated.

本実施例によれば、並列計算機を用いた領域分割による粒子挙動解析において、他の領域と比べて粒子移動速度が小さい領域を担当するノードのタイムステップを大きくして計算を高速化し、他のノードより先に計算が終了したノードが計算負荷の大きい他のノードの計算を補助するよう構成したので、全領域の粒子挙動解析を高速化することができる。解析領域内の粒子の移動速度が大きい部分と小さい部分に偏っている場合にとりわけ効果が高い。   According to the present embodiment, in the particle behavior analysis by region division using a parallel computer, the time step of the node in charge of the region where the particle moving speed is small compared to other regions is increased to speed up the calculation. Since the configuration is such that the node that has completed the calculation before the node assists the calculation of other nodes having a large calculation load, it is possible to speed up the particle behavior analysis of the entire region. The effect is particularly high when the moving speed of the particles in the analysis region is biased toward a large portion and a small portion.

なお、図5に示したフローチャートのS27で、先に計算が終了したノードは計算負荷の大きいノードの計算を補助するのではなく、先に計算が終了したノードは結果出力画像作成などの別作業を行なうようにしてもよい。   Note that in S27 of the flowchart shown in FIG. 5, the node for which the calculation has been completed first does not assist the calculation of the node having a large calculation load, but the node for which the calculation has been completed first performs another operation such as creating a result output image. May be performed.

本実施例では、領域分割により、並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析を、以下のような手順で実施する。   In the present embodiment, the particle behavior analysis by the individual element method using a parallel computer is performed in the following procedure by area division.

解析対象領域内では粒子の活動度合いには分布がある。例えば、現像プロセスすなわち現像装置内におけるトナーの混合攪拌、移送、及び感光体表面の静電潜像への現像が行なわれる空間を解析対象領域とした場合、図6で示すように、現像ローラの回転速度で移動され、現像剤の移動速度が速い領域と、逆に、層形成部材裏に現像剤が溜まり圧縮されて、現像剤の移動速度が遅い領域が存在する。本実施例では、粒子挙動の活動度合いに応じて領域分割、あるいは一旦分割した領域同士の統合を行なうことにより、各ノードに分配する負担の均一化を図るようにしている(但し、以下では統合すなわち領域結合する場合についてのみ説明する)。   Within the analysis target area, there is a distribution of the degree of particle activity. For example, when a development process, that is, a space where toner is mixed and agitated and transported in the developing device, and the electrostatic latent image on the surface of the photosensitive member is developed is an analysis target region, as shown in FIG. There is a region where the developer moves at a rotational speed and the developer moves at a high speed, and conversely, there is a region where the developer accumulates and is compressed behind the layer forming member and the developer moves at a slow speed. In the present embodiment, by dividing the region according to the activity level of the particle behavior, or by integrating the divided regions, the burden distributed to each node is made uniform (however, in the following, integration is performed). That is, only the case of region combination will be described).

まず、各ノードn(但し、ノード数をNとし、n=1〜Nとする)に領域を割り当てる。各ノードnは領域内の粒子について,所定のタイムステップで最初のステップの粒子挙動計算を行なう。そして、各ノードnそれぞれの領域An内の粒子の最大移動距離から各ノードのタイムステップ変更値tsnを計算する。 First, an area is allocated to each node n (where N is the number of nodes and n = 1 to N). Each node n calculates the particle behavior of the first step at a predetermined time step for the particles in the region. Then, to calculate the time step change value ts n of each node from the maximum moving distance of each node n particles in each region A n.

次いで、隣接する領域AaとAbをそれぞれ担当しているノードa及びノードbのタイムステップ変更値tsaとtsbを比較する(但し、a及びbはともに1〜N)。そして、tsaとtsbがともに所定の変更値ts_maxより大きく、且つtsaとtsbの差が所定値ts_df未満である場合には、領域AaとAbを1つの領域Aa'として結合し、領域Aaを担当していたノードaが計算を担当し、タイムステップtsa'はtsaとtsbのうち小さい方に設定する。また、領域Abを担当していたノードbは上述した実施例2と同様に、計算負荷の大きいノードの計算を補助する。そして、このような粒子挙動計算を繰り返し行なう。 Next, the time step change values ts a and ts b of the nodes a and b which are in charge of the adjacent areas A a and A b are compared (where a and b are both 1 to N). Then, ts a and ts b are both greater than a predetermined change value ts _max, and ts when the difference between a and ts b is less than a predetermined value ts _Df, the area A a and A b one region A a The node “a”, which is connected as “, and is in charge of the area A a, is in charge of calculation, and the time step ts a ” is set to the smaller one of ts a and ts b . Also, the node b that has been in charge of the area Ab assists the calculation of a node having a large calculation load, as in the second embodiment. Such particle behavior calculation is repeated.

図7には、本実施例に係る並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析の処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 7 shows a processing procedure of particle behavior analysis by the individual element method using the parallel computer according to the present embodiment in the form of a flowchart.

まず所定の初期化処理を行なった後(S31)、領域分割に基づいて並列計算機ノード1〜Nに領域A1〜ANを割り当てる(S32)。 First, after performing a predetermined initialization process (S31), areas A 1 to A N are allocated to parallel computer nodes 1 to N based on area division (S32).

次いで、各ノードの領域内での粒子の最大移動距離に基づいて、各ノードのタイムステップ変更値tsnを算出し(S33)、S32で割り当てた計算領域を変更する必要があるかどうかを判定する(S34)。この計算領域の変更判定は、隣接する領域A及びAbをそれぞれ担当するノードa及びノードbのタイムステップ変更値tsa及びtsbがtsa、tsb≧ts_max且つ|tsa−tsb|<ts_dfが成立するかどうかによって行なわれる。 Next, the time step change value ts n of each node is calculated based on the maximum movement distance of the particles in the area of each node (S33), and it is determined whether the calculation area allocated in S32 needs to be changed. (S34). The change determination calculation region, the time step change value ts a and ts b of the node a and node b in charge adjacent the region A a and A b each ts a, ts b ≧ ts _max and | ts a -ts This is performed depending on whether b | < ts_df is satisfied.

ここで、計算領域を変更すべきと判定された場合には、これら隣接する計算領域AaとAbの結合を行なう(S35)。具体的には領域AとAbを結合して新たな計算領域Aa'としてこれを一方のノードaが計算を担当するように設定する。また、他方のノードbには他のノードの計算粒子を分割して担当させるようにする。 If it is determined that the calculation area should be changed, the adjacent calculation areas Aa and Ab are combined (S35). Specifically, the areas A a and A b are combined to be set as a new calculation area A a ′ so that one node a is in charge of calculation. In addition, the other node b is in charge of dividing the calculation particles of the other node.

次いで、並列計算機としての各ノードnは、それぞれの領域Anにおける個別要素法による粒子挙動計算を、タイムステップts'nで、時刻ts'maxまで繰り返し行なう(S36)。個別要素法による粒子挙動計算の処理手順は、図3(前述)と同様なので、ここでは説明を省略する。 Then, each node n as parallel machines, particle behavior calculation by DEM in the respective regions A n, 'in n, the time ts' time step ts repeatedly performed until max (S36). Since the processing procedure of the particle behavior calculation by the individual element method is the same as that in FIG. 3 (described above), the description is omitted here.

時刻ts'maxが到来すると、各ノードnの粒子情報の同期をとる(S37)。そして、所定時間に到達するまで(S38)、S33〜S37の処理を繰り返し実行する。所定時間に到達すると、計算結果を要求元に返し、本処理ルーチン全体を終了する。 When the time ts ′ max arrives, the particle information of each node n is synchronized (S37). Then, the processes of S33 to S37 are repeatedly executed until the predetermined time is reached (S38). When the predetermined time is reached, the calculation result is returned to the request source, and the entire processing routine is terminated.

本実施例によれば、並列計算機を用いた領域分割による粒子挙動解析において、隣接する領域のタイムステップ変更値を比較して、両方とも所定値ts_maxよりも大きく且つ差が所定値ts_df未満である場合に領域を結合し、結合した領域は片方の領域を担当していたノードに担当させ、もう片方のノードは計算負荷の大きいノードの計算を補助するように構成することができる。 According to this embodiment, in the particle behavior analysis by region segmentation using a parallel computer, by comparing the time step change values of adjacent areas, both large and the difference is less than the predetermined value ts _Df than the predetermined value ts _max In such a case, the areas can be combined, the combined area can be assigned to the node that was in charge of one area, and the other node can be configured to assist the calculation of a node with a large calculation load.

これによって、移動距離が少なくタイムステップを大きくできる領域の粒子数を増やし、移動距離が大きいためタイムステップを小さくなり計算負荷が大きい領域の計算に多くのノードを割り当てることができるので、全領域の粒子挙動解析を高速化することができる。領域分割により並列計算を行なう場合、解析領域内の粒子の移動速度が大きい部分と小さい部分に偏っている場合にとりわけ効果が高い。   As a result, the number of particles in the region where the moving distance is small and the time step can be increased is increased, and since the moving distance is large, the time step can be reduced and a large number of nodes can be assigned to the calculation of the region where the calculation load is large. Particle behavior analysis can be speeded up. When parallel computation is performed by area division, the effect is particularly high when the movement speed of particles in the analysis area is biased toward a large part and a small part.

また、領域結合した後に計算を行なわなくなるノードは、計算負荷の大きいノードの計算を補助するのではなく、先に計算が終了したノードは結果出力画像作成などの別作業を行なうようにしてもよい。   In addition, a node that does not perform calculation after region combination does not assist calculation of a node with a large calculation load, but a node for which calculation has been completed may perform another operation such as creation of a result output image. .

本発明者らは、ノード数8の並列計算機を用いて、直径16mmの現像ローラの下部に直径65μmのキャリア粒子8000個配置した場合の5秒間の粒子挙動計算を、上述した実施例1〜3の手法で行なってみた。また、これらに対する比較例として、並列計算を行なわず1ノードのみ使用し従来の手法でタイムステップを変更した場合(比較例1)、全ノードを使用した粒子分割による並列計算でタイムステップを固定した場合(比較例2)について粒子挙動計算を行なってみた。これらの計算時間を以下の表1に示している。同表からも分かるように、本発明により粒子挙動計算が従来の手法に比べて高速化されている。   The present inventors calculated the particle behavior for 5 seconds when 8000 carrier particles having a diameter of 65 μm were arranged under a developing roller having a diameter of 16 mm using a parallel computer having 8 nodes. I tried this method. Moreover, as a comparative example for these, when only one node is used without performing parallel calculation and the time step is changed by a conventional method (Comparative Example 1), the time step is fixed by parallel calculation by particle division using all nodes. In the case (Comparative Example 2), particle behavior calculation was performed. These calculation times are shown in Table 1 below. As can be seen from the table, according to the present invention, the particle behavior calculation is speeded up as compared with the conventional method.

Figure 2006330893
Figure 2006330893

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。   The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiment without departing from the gist of the present invention.

本明細書では、電子写真方式の画像形成装置におけるシミュレーション計算を例にとって、並列計算機を用いた粒子挙動解析の実現形態について説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。個別要素法を用いて粒子挙動の解析を行なう必要のあるその他のシステムに対しても同様に本発明を適用することができる。   In this specification, the implementation form of the particle behavior analysis using the parallel computer has been described by taking the simulation calculation in the electrophotographic image forming apparatus as an example, but the gist of the present invention is not limited to this. The present invention can be similarly applied to other systems that need to analyze particle behavior using the discrete element method.

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。   In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims should be taken into consideration.

図1は、実施例1に係る並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析の動作の様子を示した図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an operation state of particle behavior analysis by an individual element method using the parallel computer according to the first embodiment. 図2は、実施例1に係る並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析の処理手順を示したフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart illustrating a processing procedure of particle behavior analysis by an individual element method using the parallel computer according to the first embodiment. 図3は、個別要素法による粒子挙動計算を行なうための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure for performing particle behavior calculation by the individual element method. 図4は、実施例2に係る並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析の動作の様子を示した図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the behavior of the particle behavior analysis by the individual element method using the parallel computer according to the second embodiment. 図5は、実施例3に係る並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析の処理手順を示したフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart illustrating a processing procedure of particle behavior analysis by an individual element method using the parallel computer according to the third embodiment. 図6は、現像剤の移動速度を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the moving speed of the developer. 図7は、実施例に係る並列計算機を用いた個別要素法による粒子挙動解析の処理手順を示したフローチャートである。FIG. 7 is a flowchart illustrating a processing procedure of particle behavior analysis by an individual element method using the parallel computer according to the embodiment. 図8は、電子写真プロセスの機能的構成を模式的に示した図である。FIG. 8 is a diagram schematically showing a functional configuration of the electrophotographic process. 図9は、現像プロセスまわりの装置構成例を示した図である。FIG. 9 is a diagram showing an apparatus configuration example around the development process. 図10は、オーガ内でトナーとキャリアを混合・攪拌しながら移送する様子を示した図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which the toner and the carrier are mixed and stirred in the auger. 図11は、スリーブ38Aの表面において磁力線の方向に配列され、穂立ちして磁気ブラシを形成する様子を示した図である。FIG. 11 is a view showing a state in which the magnetic brush is formed by being arranged in the direction of the lines of magnetic force on the surface of the sleeve 38A. 図12は、分散コンピューティング・システムの構成を模式的に示した図である。FIG. 12 is a diagram schematically showing the configuration of the distributed computing system.

符号の説明Explanation of symbols

13…感光体
14…中間転写ベルト
32…転写ローラ
34…ブラシローラ
36…帯電ローラ
37…筐体
38…現像ローラ
39…スクリュー・フィーダ
40…LEDアレイヘッド
41…トリミングブレード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Photoconductor 14 ... Intermediate transfer belt 32 ... Transfer roller 34 ... Brush roller 36 ... Charging roller 37 ... Housing 38 ... Developing roller 39 ... Screw feeder 40 ... LED array head 41 ... Trimming blade

Claims (19)

解析領域内に存在する多数の粒子の挙動を個別要素法により計算するための処理を、複数のノードからなる分散コンピュータを用いて並列処理する粒子挙動解析装置であって、
前記の個別要素法による粒子の挙動解析計算を前記の各ノードに分散し、ノード毎に所定のタイムステップで粒子挙動計算を行なわせる分散処理手段と、
粒子の移動距離に応じて各ノードのタイムステップを適応的に設定・変更するタイムステップ設定手段と、
を具備することを特徴とする粒子挙動解析装置。
A particle behavior analysis device that performs parallel processing using a distributed computer composed of a plurality of nodes, for calculating the behavior of a large number of particles existing in an analysis region by an individual element method,
Dispersion processing means for distributing the particle behavior analysis calculation by the individual element method to each of the nodes, and performing the particle behavior calculation at a predetermined time step for each node;
A time step setting means for adaptively setting and changing the time step of each node according to the moving distance of the particles;
A particle behavior analysis apparatus comprising:
前記タイムステップ設定手段は、前ステップにおいて算出された粒子の最大移動距離からタイムステップ変更値を計算し、現ステップにおいて該タイムステップ変更値に基づいてノード毎に異なるタイムステップを与える、
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子挙動解析装置。
The time step setting means calculates a time step change value from the maximum movement distance of the particles calculated in the previous step, and gives a different time step for each node based on the time step change value in the current step.
The particle behavior analysis apparatus according to claim 1, wherein:
前記分散処理手段は、現ステップにおいて粒子の最大移動距離が所定の範囲内で最大となったノードの計算結果を該ステップにおける粒子挙動解析結果として採用し、
前記タイムステップ設定手段は、現ステップにおいて計算結果が採用されたノードに対して設定したタイムステップを現ステップのタイムステップ値とする、
ことを特徴とする請求項2に記載の粒子挙動解析装置。
The dispersion processing means adopts as a particle behavior analysis result in the step the calculation result of the node in which the maximum movement distance of the particle in the current step is the maximum within a predetermined range,
The time step setting means sets the time step set for the node for which the calculation result is adopted in the current step as the time step value of the current step.
The particle behavior analysis apparatus according to claim 2, wherein:
前記分散処理手段は、前記解析領域を分割して各ノードに割り当て、
前記タイムステップ設定手段は、ノード毎に、割り当てられた領域内の粒子の最大移動距離に基づいてタイムステップを逐次変更し、
前記分散処理手段は、タイムステップがより大きなノードに対し、タイムステップが細かいノードの計算の補助をさせる、
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子挙動解析装置。
The distributed processing means divides the analysis area and assigns it to each node,
The time step setting means sequentially changes the time step based on the maximum moving distance of the particles in the allocated region for each node,
The distributed processing means allows a node having a larger time step to assist calculation of a node having a smaller time step.
The particle behavior analysis apparatus according to claim 1, wherein:
前記タイムステップ設定手段は、各ノードn(但し、ノード数をNとし、n=1〜Nとする)の領域内粒子の最大移動距離からノード毎のタイムステップ変更値tsnを計算し、各ノードnのタイムステップ変更値の最小値ts_minを求め、各ノードnのタイムステップ変更値tsnをtsn以下で最大のts_minの2のn乗倍のts'n又はts_minの整数倍に設定し、
前記分散処理手段は、各ノードnのタイムステップts'nの最大値ts'_maxまで粒子挙動計算を行なわせ、すべてのノードがts'_maxまで計算完了するまでの間、先に計算が終了した領域を担当するノードに対し、計算負荷の大きい他のノードの計算の補助又はその他の処理をさせる、
ことを特徴とする請求項4に記載の粒子挙動解析装置。
The time step setting means calculates a time step change value ts n for each node from the maximum movement distance of the particles in the region of each node n (where N is the number of nodes and n = 1 to N), determining the minimum value ts _min time steps change value of node n, an integer multiple of ts' n or ts _min of 2 n th power of the largest ts _min the time step change value ts n of each node n in the following ts n Set to
Said distributed processing means, the time step ts to perform the particle behavior calculations to _max 'maximum value ts of n' of each node n, until all nodes to compute complete until ts' _max, the previously calculated ended Let the node in charge of the area assist the calculation of other nodes with a heavy calculation load or perform other processing.
The particle behavior analysis apparatus according to claim 4, wherein:
前記分散処理手段は、計算負荷の大きいノードが担当する領域内の粒子を分割し、先に計算が終了した領域を担当するノードにそれぞれ割り当てて計算させる、
ことを特徴とする請求項5に記載の粒子挙動解析装置。
The distributed processing means divides the particles in the region in charge of the node having a large calculation load, and assigns the region in which the calculation has been completed to the node in charge of the calculation.
The particle behavior analysis apparatus according to claim 5, wherein
前記分散処理手段は、前記解析領域を分割して各ノードに割り当てるとともに、ノード間の処理負荷の差に応じて分割した領域の結合又は再分割を行なう、
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子挙動解析装置。
The distributed processing means divides the analysis area and assigns it to each node, and combines or re-divides the divided areas according to the difference in processing load between the nodes.
The particle behavior analysis apparatus according to claim 1, wherein:
前記分散処理手段は、前記解析領域を分割して各ノードに割り当てるとともに、各ノードが担当する領域のタイムステップに応じて粒子数を変更する、
ことを特徴とする請求項7に記載の粒子挙動解析装置。
The distributed processing means divides the analysis region and assigns it to each node, and changes the number of particles according to the time step of the region that each node is in charge of,
The particle behavior analysis apparatus according to claim 7, wherein:
前記タイムステップ設定手段は、各ノードn(但し、ノード数をNとし、n〜1〜Nとする)それぞれの領域An内の粒子の最大移動距離から各ノードのタイムステップ変更値tsnを計算し、
前記分散処理手段は、隣接する領域AaとAbをそれぞれ担当しているノードa及びノードbのタイムステップ変更値tsaとtsbを比較して(但し、a及びbはともに1〜N)、tsaとtsbがともに所定の変更値ts_maxより大きく且つtsaとtsbの差が所定値ts_df未満である場合には、領域AaとAbを1つの領域Aa'として結合し、領域Aaを担当していたノードaに当該領域Aa'の計算を担当させるとともに、領域Abを担当していたノードbに対し計算負荷の大きいノードの計算の補助又は他の処理を行なわせ、
前記タイムステップ設定手段は、該結合された領域Aa'におけるタイムステップtsa'はtsaとtsbのうち小さい方に設定する、
ことを特徴とする請求項8に記載の粒子挙動解析装置。
The time step setting means, each node n (where, the number of nodes is N, and N~1~N) the time step change value ts n of each node from the maximum travel distance of the particles in each region A n Calculate
The distributed processing means compares the time step change values ts a and ts b of the nodes a and b that are in charge of the adjacent areas A a and A b , respectively (provided that both a and b are 1 to N). ), when the difference between ts a and ts b is and both greater than a predetermined change value ts _max ts a and ts b is less than a predetermined value ts _Df, the area a a and a b one region a a ' bound as, it causes the charge of the calculations of the area a a 'to node a which was in charge of the area a a, the auxiliary or other computing large nodes of the computational load with respect to the node b, which was in charge of the area a b Process
The time step setting means sets the time step ts a ′ in the combined region A a ′ to the smaller one of ts a and ts b .
The particle behavior analysis apparatus according to claim 8.
解析領域内に存在する多数の粒子の挙動を個別要素法により計算するための処理を、複数のノードからなる分散コンピュータを用いて並列処理する粒子挙動解析方法であって、
前記の個別要素法による粒子の挙動解析計算を前記の各ノードに分散し、ノード毎に所定のタイムステップで粒子挙動計算を行なわせる分散処理ステップと、
粒子の移動距離に応じて各ノードのタイムステップを適応的に設定・変更するタイムステップ設定ステップと、
を具備することを特徴とする粒子挙動解析方法。
A particle behavior analysis method in which processing for calculating the behavior of a large number of particles existing in an analysis region by a discrete element method is processed in parallel using a distributed computer composed of a plurality of nodes,
Dispersing the particle behavior analysis calculation by the individual element method to each of the nodes, a dispersion processing step for performing the particle behavior calculation at a predetermined time step for each node;
A time step setting step for adaptively setting and changing the time step of each node according to the moving distance of the particle;
A particle behavior analysis method comprising:
前記タイムステップ設定ステップでは、前ステップにおいて算出された粒子の最大移動距離からタイムステップ変更値を計算し、現ステップにおいて該タイムステップ変更値に基づいてノード毎に異なるタイムステップを与える、
ことを特徴とする請求項10に記載の粒子挙動解析方法。
In the time step setting step, a time step change value is calculated from the maximum movement distance of the particles calculated in the previous step, and a different time step is given to each node based on the time step change value in the current step.
The particle behavior analysis method according to claim 10.
前記分散処理ステップでは、現ステップにおいて粒子の最大移動距離が所定の範囲内で最大となったノードの計算結果を該ステップにおける粒子挙動解析結果として採用し、
前記タイムステップ設定ステップでは、現ステップにおいて計算結果が採用されたノードに対して設定したタイムステップを現ステップのタイムステップ値とする、
ことを特徴とする請求項10に記載の粒子挙動解析方法。
In the dispersion processing step, the calculation result of the node in which the maximum movement distance of the particle in the current step is the maximum within a predetermined range is adopted as the particle behavior analysis result in the step,
In the time step setting step, the time step set for the node for which the calculation result is adopted in the current step is set as the time step value of the current step.
The particle behavior analysis method according to claim 10.
前記分散処理ステップでは、前記解析領域を分割して各ノードに割り当て、
前記タイムステップ設定ステップでは、ノード毎に、割り当てられた領域内の粒子の最大移動距離に基づいてタイムステップを逐次変更し、
前記分散処理ステップでは、タイムステップがより大きなノードに対し、タイムステップが細かいノードの計算の補助をさせる、
ことを特徴とする請求項10に記載の粒子挙動解析方法。
In the distributed processing step, the analysis area is divided and assigned to each node;
In the time step setting step, for each node, the time step is sequentially changed based on the maximum moving distance of the particles in the allocated region,
In the distributed processing step, for a node having a larger time step, the calculation of a node having a fine time step is assisted.
The particle behavior analysis method according to claim 10.
前記タイムステップ設定ステップでは、各ノードn(但し、ノード数をNとし、n=1〜Nとする)の領域内粒子の最大移動距離からノード毎のタイムステップ変更値tsnを計算し、各ノードnのタイムステップ変更値の最小値ts_minを求め、各ノードnのタイムステップ変更値tsnをtsn以下で最大のts_minの2のn乗倍のts'n又はts_minの整数倍に設定し、
前記分散処理ステップでは、各ノードnのタイムステップts'nの最大値ts'_maxまで粒子挙動計算を行なわせ、すべてのノードがts'_maxまで計算完了するまでの間、先に計算が終了した領域を担当するノードに対し、計算負荷の大きい他のノードの計算の補助又はその他の処理をさせる、
ことを特徴とする請求項13に記載の粒子挙動解析方法。
In the time step setting step, a time step change value ts n for each node is calculated from the maximum moving distance of the particles in the region of each node n (where N is the number of nodes and n = 1 to N), determining the minimum value ts _min time steps change value of node n, an integer multiple of ts' n or ts _min of 2 n th power of the largest ts _min the time step change value ts n of each node n in the following ts n Set to
In the distributed processing step, the time step ts to perform the particle behavior calculations to _max 'maximum value ts of n' of each node n, until all nodes to compute complete until ts' _max, the previously calculated ended Let the node in charge of the area assist the calculation of other nodes with a heavy calculation load or perform other processing.
The particle behavior analysis method according to claim 13.
前記分散処理ステップでは、計算負荷の大きいノードが担当する領域内の粒子を分割し、先に計算が終了した領域を担当するノードにそれぞれ割り当てて計算させる、
ことを特徴とする請求項14に記載の粒子挙動解析方法。
In the distributed processing step, the particles in the region in charge of the node having a large calculation load are divided, and the region in which the calculation is completed is assigned to the node in charge of the calculation,
The particle behavior analysis method according to claim 14.
前記分散処理ステップでは、前記解析領域を分割して各ノードに割り当てるとともに、ノード間の処理負荷の差に応じて分割した領域の結合又は再分割を行なう、
ことを特徴とする請求項10に記載の粒子挙動解析方法。
In the distributed processing step, the analysis area is divided and assigned to each node, and the divided areas are combined or subdivided according to the difference in processing load between the nodes.
The particle behavior analysis method according to claim 10.
前記分散処理ステップでは、前記解析領域を分割して各ノードに割り当てるとともに、各ノードが担当する領域のタイムステップに応じて粒子数を変更する、
ことを特徴とする請求項16に記載の粒子挙動解析方法。
In the distributed processing step, the analysis area is divided and assigned to each node, and the number of particles is changed according to the time step of the area in charge of each node.
The particle behavior analysis method according to claim 16.
前記タイムステップ設定ステップでは、各ノードn(但し、ノード数をNとし、n〜1〜Nとする)それぞれの領域An内の粒子の最大移動距離から各ノードのタイムステップ変更値tsnを計算し、
前記分散処理ステップでは、隣接する領域AaとAbをそれぞれ担当しているノードa及びノードbのタイムステップ変更値tsaとtsbを比較して(但し、a及びbはともに1〜N)、tsaとtsbがともに所定の変更値ts_maxより大きく且つtsaとtsbの差が所定値ts_df未満である場合には、領域AaとAbを1つの領域Aa'として結合し、領域Aaを担当していたノードaに当該領域Aa'の計算を担当させるとともに、領域Abを担当していたノードbに対し計算負荷の大きいノードの計算の補助又は他の処理を行なわせ、
前記タイムステップ設定手段は、該結合された領域Aa'におけるタイムステップtsa'はtsaとtsbのうち小さい方に設定する、
ことを特徴とする請求項17に記載の粒子挙動解析方法。
In the time step setting step, each node n (where, the number of nodes is N, and N~1~N) the time step change value ts n of each node from the maximum travel distance of the particles in each region A n Calculate
In the distributed processing step, the time step change values ts a and ts b of the nodes a and b which are in charge of the adjacent areas A a and A b are compared (where both a and b are 1 to N). ), when the difference between ts a and ts b is and both greater than a predetermined change value ts _max ts a and ts b is less than a predetermined value ts _Df, the area a a and a b one region a a ' bound as, it causes the charge of the calculations of the area a a 'to node a which was in charge of the area a a, the auxiliary or other computing large nodes of the computational load with respect to the node b, which was in charge of the area a b Process
The time step setting means sets the time step ts a ′ in the combined region A a ′ to the smaller one of ts a and ts b .
The particle behavior analysis method according to claim 17.
解析領域内に存在する多数の粒子の挙動を個別要素法により計算するための処理を、複数のノードからなる分散コンピュータを用いて並列計算するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータ・プログラムに対し、
前記の個別要素法による粒子の挙動解析計算を前記の各ノードに分散し、ノード毎に所定のタイムステップで粒子挙動計算を行なわせる分散処理手順と、
粒子の移動距離に応じて各ノードのタイムステップを適応的に設定・変更するタイムステップ設定手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
A computer that executes processing for calculating the behavior of a large number of particles in the analysis region by a discrete element method in parallel using a distributed computer including a plurality of nodes on a computer system. A computer program written in a readable format, for the computer program,
Dispersing the particle behavior analysis calculation by the individual element method to each of the nodes, a distributed processing procedure for performing the particle behavior calculation at a predetermined time step for each node;
A time step setting procedure that adaptively sets and changes the time step of each node according to the moving distance of the particle,
A computer program for executing
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