JP2011013976A - Analysis system and analysis program - Google Patents

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Toshiko Yamada
俊子 山田
Hideyuki Sakurai
英行 櫻井
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Shimizu Construction Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the efficiency of data creation while maintaining analytical accuracy.SOLUTION: An analysis system includes: a means for creating first mesh data of an analysis target; a means for creating second mesh data only for a structure included in the analysis object; a means for defining two-dimensional elements on a surface to be a physical property boundary of the second mesh data and grouping the two-dimensional elements in each physical property boundary surface; a means for determining a level set function obtained by allocating values with positive and negative signs to all nodes of the first mesh data through the physical property boundary surface; a means for inputting the first mesh data, the level set function and data for defining the structure included in the analysis target, setting a boundary condition and an initial condition and executing analysis using an extended finite element method to obtain analytical result data; a means for calculating the values of nodes of third mesh data for performing post processing by using the analytical result data and an interpolation function used for analyzing the first mesh data; and a means for performing plotting processing of the analytical results.

Description

本発明は、拡張有限要素法を用いた解析システム及び解析プログラムに関する。   The present invention relates to an analysis system and an analysis program using an extended finite element method.

岩盤石油備蓄基地や放射性廃棄物地層処分などの地下施設計画では、地下水流動場の把握や建設による流動場の変化の予測が重要である。特に、水みちを形成する高透水性の断層や急激な水頭変化を生じる難透水性の断層等の内在構造の存在は、地下施設に重大な影響を及ぼす可能性があり、詳細な検討が必要となる。地下水流動場は、地質調査に基づいて作成された三次元水理地質モデルを有限要素法(FEM)に代表される数値解析法によって検討することが多いが、三次元的に複雑に分布する地層群の中に、断層を忠実に表現した解析メッシュを作成するには多大な時間と労力を要する。また、断層の三次元分布情報の不確実性から、その分布状況についてのケーススタディが必要となる場合や、調査や工事の進展に伴う情報更新による解析メッシュの変更が必要となる場合もあり、断層などの薄い内在構造は、簡便な形状に置き換えられて、透水性を平均化するなどの大胆なモデルを用いることが多い(例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3参照)。   In underground facility plans such as bedrock oil storage bases and geological disposal of radioactive waste, it is important to understand the groundwater flow field and predict changes in the flow field due to construction. In particular, the existence of internal structures such as highly permeable faults that form water paths and poorly permeable faults that cause rapid head changes may have a significant impact on underground facilities, requiring detailed examination. It becomes. In the groundwater flow field, the three-dimensional hydrogeological model created based on the geological survey is often examined by a numerical analysis method represented by the finite element method (FEM). It takes a lot of time and labor to create an analysis mesh that faithfully represents a fault within a group. In addition, due to the uncertainty of the three-dimensional distribution information of the fault, there may be cases where a case study on the distribution situation is required, or the analysis mesh may need to be changed due to information updates accompanying the progress of surveys and construction. A thin intrinsic structure such as a fault is often replaced with a simple shape and a bold model such as averaging water permeability is used (see, for example, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Non-Patent Document 3). ).

川西基ほか:高レベル放射性廃棄物地層処分の天然バリア性能評価手法の開発(その1)−割れ目系岩盤中の地下水流動解析手法−,電力中央研究所報告,U93054,pp.1−46,1994.Kawanishi, et al .: Development of evaluation method for natural barrier performance of geological disposal of high-level radioactive waste (Part 1) -Analysis method of groundwater flow in fractured rock mass-, Report of Central Research Institute of Electric Power, U93054, pp. 1-46, 1994. 鈴木克幸ほか:マルチスケール有限被覆法による亀裂性岩盤浸透流解析,計算工学講演会論文集,Vol.7,pp.545−548,2002.5Katsuyuki Suzuki et al .: Fracture rock mass infiltration flow analysis by multi-scale finite covering method, Proceedings of the lecture on computational engineering, Vol. 7, pp. 545-548, 2002.5 櫻井英行ほか:地下施設計画のための地下水浸透流ボクセル解析,土木学会論文集,No.687,III−56,pp.155−168,2001.9Hideyuki Sakurai et al .: Groundwater seepage flow voxel analysis for underground facility planning, JSCE Proceedings, No. 687, III-56, pp. 155-168, 2001.9

しかしながら、平均化手法を用いた際には、特に断層が難透水性の場合、解析精度に問題があることが分かっており、これらを解決する方法が求められている。   However, when the averaging method is used, it is known that there is a problem in analysis accuracy particularly when the fault is hardly permeable, and a method for solving these problems is required.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、解析精度を維持したままデータ作成の効率化を図ることができる拡張有限要素法を適用した解析システム及び解析プログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an analysis system and an analysis program to which an extended finite element method is applied that can improve the efficiency of data creation while maintaining analysis accuracy. And

本発明は、解析対象物の構造を拡張有限要素法によって解析するための第1のメッシュデータを作成する手段と、前記解析対象物に内在する構造物のみの第2のメッシュデータを作成する手段と、前記第2のメッシュデータの物性境界となる表面に二次元要素を定義し、物性境界面ごとにグループ化する手段と、前記二次元要素の各グループと、前記第1のメッシュデータの節点間との距離を計算し、前記物性境界面を介して正負の符号を付けた値を前記第1のメッシュデータの全節点に割り当てることにより得られるレベルセット関数を求める手段と、前記第1のメッシュデータと、前記レベルセット関数と、前記解析対象物に内在する構造物を定義するデータを入力データとし、境界条件及び初期条件を設定して、拡張有限要素法を用いて解析を実行して解析結果データを得る手段と、前記解析結果データと、前記第1のメッシュデータを解析する際に用いた拡張有限要素法の内挿関数とを用いてポスト処理を行うための第3のメッシュデータの節点の値を算出する手段と、前記第1のメッシュデータの節点の値と、前記第3のメッシュデータの節点の値とを用いて解析結果の図化処理を行う手段とを備えたことを特徴とする。   The present invention provides means for creating first mesh data for analyzing the structure of an analysis object by an extended finite element method, and means for creating second mesh data of only the structure inherent in the analysis object. Means for defining a two-dimensional element on a surface that is a physical property boundary of the second mesh data, and grouping for each physical property boundary surface, each group of the two-dimensional element, and a node of the first mesh data Means for calculating a level set function obtained by assigning a value with a sign of positive or negative via the physical property boundary surface to all nodes of the first mesh data; Using mesh data, the level set function, and data defining the structure inherent in the analysis object as input data, set boundary conditions and initial conditions, and use the extended finite element method For performing post-processing using means for obtaining analysis result data by executing analysis, the analysis result data, and the interpolation function of the extended finite element method used when analyzing the first mesh data Means for calculating a value of a node of the third mesh data, means for plotting the analysis result using the value of the node of the first mesh data and the value of the node of the third mesh data It is characterized by comprising.

本発明は、拡張有限要素法を用いて構造解析を行う解析システムのコンピュータ上で動作する解析プログラムであって、解析対象物の構造を拡張有限要素法によって解析するための第1のメッシュデータを作成するステップと、前記解析対象物に内在する構造物のみの第2のメッシュデータを作成するステップと、前記第2のメッシュデータの物性境界となる表面に二次元要素を定義し、物性境界面ごとにグループ化するステップと、前記二次元要素の各グループと、前記第1のメッシュデータの節点間との距離を計算し、前記物性境界面を介して正負の符号を付けた値を前記第1のメッシュデータの全節点に割り当てることにより得られるレベルセット関数を求めるステップと、前記第1のメッシュデータと、前記レベルセット関数と、前記解析対象物に内在する構造物を定義するデータを入力データとし、境界条件及び初期条件を設定して、拡張有限要素法を用いて解析を実行して解析結果データを得るステップと、前記解析結果データと、前記第1のメッシュデータを解析する際に用いた拡張有限要素法の内挿関数とを用いてポスト処理を行うための第3のメッシュデータの節点の値を算出するステップと、前記第1のメッシュデータの節点の値と、前記第3のメッシュデータの節点の値とを用いて解析結果の図化処理を行うステップとを前記コンピュータに行わせることを特徴とする。   The present invention is an analysis program that operates on a computer of an analysis system that performs structural analysis using an extended finite element method, and includes first mesh data for analyzing the structure of an object to be analyzed by the extended finite element method. A step of creating, a step of creating second mesh data of only the structure inherent in the object to be analyzed, a two-dimensional element being defined on a surface serving as a physical property boundary of the second mesh data, and a physical property boundary surface Grouping each step, calculating the distance between each group of the two-dimensional elements and the nodes of the first mesh data, and adding a value with a positive or negative sign via the physical property boundary surface. Obtaining a level set function obtained by assigning to all nodes of one mesh data; the first mesh data; the level set function; Using the data defining the structure inherent in the analysis object as input data, setting boundary conditions and initial conditions, performing analysis using the extended finite element method, and obtaining analysis result data; and Calculating a value of a node of third mesh data for performing post processing using data and an extended finite element method interpolation function used when analyzing the first mesh data; The computer is caused to perform the step of plotting the analysis result using the node value of the first mesh data and the node value of the third mesh data.

本発明によれば、基本となる解析モデルのメッシュとは独立に内在構造のメッシュを作成するようにしたため、メッシュ分割作業が非常に簡単になり、大幅な効率化が図れ、これにより、内在構造の形状や位置の変更も容易になる。また、従来の透水性を平均化した手法よりも、解の劣化が非常に小さい。特に薄い難透水層の場合は、従来の平均化手法では、解の精度に問題があったが、本発明の解析システムでは、良好な結果が得られる。また、本発明による解析システムでは、従来からあるFEMのプリ・ポスト(データ構築・図化処理)処理ソフトをそのまま使用できるため、新たなプリ・ポスト処理ソフトの購入や開発は必要ないという効果が得られる。   According to the present invention, the mesh of the internal structure is created independently of the mesh of the basic analysis model, so that the mesh division work becomes very simple and significant efficiency can be achieved. It becomes easy to change the shape and position. In addition, the degradation of the solution is much smaller than the conventional method of averaging water permeability. In particular, in the case of a thin poorly permeable layer, the conventional averaging method has a problem in the accuracy of the solution, but the analysis system of the present invention provides a good result. In addition, the analysis system according to the present invention can use conventional FEM pre / post (data construction / plotting) processing software as it is, so that it is not necessary to purchase or develop new pre / post processing software. can get.

解析モデルメッシュデータの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of analysis model mesh data. 断層のメッシュデータの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the mesh data of a fault. 断層をモデル化した解析モデルメッシュデータの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the analysis model mesh data which modeled the fault. 断層メッシュを取り込んだ解析モデルメッシュデータの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the analysis model mesh data which took in the tomographic mesh. メッシュデータの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of mesh data. メッシュデータの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of mesh data. 二次元メッシュデータの一例示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of two-dimensional mesh data. 内在構造のデータ定義の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the data definition of an internal structure. メッシュデータの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of mesh data. メッシュデータの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of mesh data. 解析領域内の材料境界面とエンリッチされる節点集合を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the node set enriched with the material boundary surface in an analysis area | region. 解析システム上のコンピュータの処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing operation of the computer on an analysis system. 解析システム上のコンピュータの処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing operation of the computer on an analysis system. 解析システム上のコンピュータの処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing operation of the computer on an analysis system. 解析システム上のコンピュータの処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing operation of the computer on an analysis system. 解析システム上のコンピュータの処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing operation of the computer on an analysis system. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析システム上のコンピュータが扱うデータのデータ構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data structure of the data which the computer on an analysis system handles. 解析モデルの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of an analysis model. 解析メッシュデータの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of analysis mesh data. 解析ケースの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of an analysis case. 解析手法の違いによる全水頭の比較(薄層:難透水)結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the comparison (thin layer: poor water permeability) result of the total head by the difference in an analysis method. 解析結果比較節点の位置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the position of an analysis result comparison node. 解析手法の違いによる全水頭の比較(薄層:高透水)結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the comparison (thin layer: high water permeability) result of the total head by the difference in an analysis method. 解析手法の違いによる解析精度の比較結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the comparison result of the analysis precision by the difference in an analysis method. 解析結果を図化処理した結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of having plotted the analysis result. 解析結果を図化処理した結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of having plotted the analysis result. 解析結果を図化処理した結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of having plotted the analysis result.

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による解析システムを説明する。本発明は、断層等の内在構造を効率よくモデル化することを可能にした拡張有限要素法(X−FEM:eXtended Finite Element Methods)による解析システムである。X−FEMによる解析システムについては、文献「Sukumar, N et al.: Modeling holes and inclusions by level sets in the extended finite-element method, Comput. Methods. Appl. Mech. Engrg. 190, 6183-6200, 2001.」に記載されている。このシステムを用いることにより、内在構造をメッシュ分割とは独立に考慮することが可能となるため、従来非常に困難な作業であった断層のような薄い内在構造のモデル化が簡単になり、大幅な作業の効率化が図れる。また、上述の透水性の平均化を行う手法に比べ、解析精度も維持される。さらに本発明は、従来のFEMで用いられているプリ・ポスト処理ソフトを用いて、メッシュの作成および解析結果の図化処理を行えるため、新たなプリ・ポスト処理ソフトの開発や購入は必要ない。   Hereinafter, an analysis system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is an analysis system based on an extended finite element method (X-FEM) that makes it possible to efficiently model an intrinsic structure such as a fault. Regarding the analysis system by X-FEM, the literature “Sukumar, N et al .: Modeling holes and inclusions by level sets in the extended finite-element method, Comput. Methods. Appl. Mech. Engrg. 190, 6183-6200, 2001 ."It is described in. By using this system, it is possible to consider the underlying structure independently of mesh division, which makes it easier to model thin intrinsic structures such as faults, which was a very difficult task in the past. Efficient work can be achieved. In addition, analysis accuracy is maintained as compared with the above-described method of averaging water permeability. Furthermore, since the present invention can create meshes and plot analysis results using pre / post processing software used in conventional FEMs, development and purchase of new pre / post processing software is not necessary. .

以下、内在構造のモデル化の典型として、解析領域に断層のような薄い構造を三次元的に分布させた解析モデルを取り上げ、具体的に説明する。地下施設の建設計画では、図1に示すように、一般には解析メッシュの作成時に地下施設構造の形状が優先される。これに、図2に示す断層のような三次元的に分布する薄い地質構造を忠実に取り込むことは大変困難であり、通常、図3のように断層が通る要素の物性値を変更してモデル化されることが多い。一方、図4に示すように、図2の断層メッシュを図1の解析メッシュに配置するだけの作業で解析が可能になれば非常に効率的である。しかし、通常のFEM(Finite Element Methods)は要素の空間的な重複を許さないので、図4のようなモデルを解析することは出来ない。本発明は、図4に示すようなメッシュでも解析を可能にするX−FEMを用いた解析システムである。以下、簡単な浸透流問題を例とし、内在構造を効率良くモデル化するためのデータ構造とその構築方法、及び、解析結果の図化方法について説明する。   Hereinafter, an analysis model in which a thin structure such as a fault is three-dimensionally distributed in the analysis region will be taken up as a typical example of modeling of the intrinsic structure, and will be specifically described. In an underground facility construction plan, as shown in FIG. 1, the shape of the underground facility structure is generally given priority when creating an analysis mesh. In addition, it is very difficult to faithfully capture a thin geological structure distributed three-dimensionally like the fault shown in FIG. 2, and usually a model is obtained by changing the physical property value of the element through which the fault passes as shown in FIG. Often used. On the other hand, as shown in FIG. 4, it is very efficient if the analysis can be performed by simply placing the tomographic mesh of FIG. 2 on the analysis mesh of FIG. However, since ordinary FEM (Finite Element Methods) does not allow spatial overlap of elements, the model as shown in FIG. 4 cannot be analyzed. The present invention is an analysis system using an X-FEM that enables analysis even with a mesh as shown in FIG. Hereinafter, taking a simple osmotic flow problem as an example, a data structure for efficiently modeling the underlying structure, a construction method thereof, and a method for plotting an analysis result will be described.

まず、解析手順の概略を説明する。
(1)断層を考慮していないメッシュA(図5)を作成する。
(2)メッシュAとは独立に、断層をモデル化したメッシュB(図6)を作成する。
(3)メッシュBのメッシュAとの物性境界となる表面に、二次元要素(三角形または四角形)を張り、物性境界面ごとにグループ化する(図7)。
(4)(3)で作成した二次元要素のグループを用いて、二つのレベルセット関数(文献「J. A. Sethian:Level Set Methods and Fast Marching Methods, Cambridge University Press, 1999.」)を発生させる。すなわち、図7の物性境界面の各グループとメッシュAの節点間との距離を計算し、物性境界面を介して正負の符号を付けた値(レベルセット関数値)をメッシュAの全節点に割り当てる。
(5)(4)で求めたレベルセット関数にそれぞれユニークなIDを付ける。例えば、F1とF2。レベルセット関数は、物性境界位置でゼロとなるが、ここでは、図8に示すように二つのレベルセット関数(図8では、λ(1)とλ(2))とも物性境界を介して紙面左側がマイナスの値、右側をプラスの値とした。
(6)本解析システムでは、上記のレベルセット関数を入力データとし、内在構造(例えば、IDとしてINC1)を次のように定義する。
INC1,+F1,−F2 ・・・・(入力データ1)
これは、内在構造INC1がF1とF2の二つのレベルセット関数から定義され、F1がプラスでF2がマイナスとなる領域であることを意味する。このデータ形式は、内在構造を定義する境界面の数に依存しない。解析領域を二分する一つの境界面、或いは、解析領域に包含される球体(境界面は一つの球面)のような閉じた領域も定義可能である。また、三つ以上の境界面で囲まれる内在構造も同様に定義可能である。
(7)メッシュA、F1とF2の二つのレベルセット関数、内在構造を定義する(入力データ1)を入力データとし、適切な境界条件、初期条件を設定して、X−FEMにより解析を実行する。
(8)図9に示すようにメッシュBの表面を引き伸ばしたメッシュCを用意する。メッシュAと解析結果を用い、メッシュCの節点における値をメッシュAを解析する際に用いた拡張有限要素法の内挿関数を用いて算出する。
(9)図10に示すようにメッシュAとメッシュCを同時に利用して図化処理を行う。これにより連続したコンター表示を行うことができる。
First, an outline of the analysis procedure will be described.
(1) A mesh A (FIG. 5) that does not consider a fault is created.
(2) Independent of mesh A, mesh B (FIG. 6) that models a fault is created.
(3) A two-dimensional element (triangle or quadrilateral) is stretched on the surface of the mesh B which is a physical property boundary with the mesh A, and is grouped for each physical property boundary surface (FIG. 7).
(4) Using the group of two-dimensional elements created in (3), two level set functions (the literature “JA Sethian: Level Set Methods and Fast Marching Methods, Cambridge University Press, 1999”) are generated. That is, the distance between each group of the physical property boundary surface of FIG. 7 and the nodes of the mesh A is calculated, and a value (level set function value) with a positive or negative sign through the physical property boundary surface is set to all the nodes of the mesh A. assign.
(5) A unique ID is assigned to each level set function obtained in (4). For example, F1 and F2. The level set function becomes zero at the physical property boundary position, but here, as shown in FIG. 8, the two level set functions (λ (1) and λ (2) in FIG. 8) both pass through the physical property boundary. Negative values on the left and positive values on the right.
(6) In this analysis system, the above level set function is used as input data, and the intrinsic structure (for example, ID1 as ID) is defined as follows.
INC1, + F1, -F2 ... (input data 1)
This means that the intrinsic structure INC1 is defined by two level set functions of F1 and F2, and F1 is positive and F2 is negative. This data format does not depend on the number of boundary surfaces that define the underlying structure. One boundary surface that bisects the analysis region or a closed region such as a sphere (boundary surface is one spherical surface) included in the analysis region can be defined. In addition, an intrinsic structure surrounded by three or more boundary surfaces can be similarly defined.
(7) Mesh A, two level set functions of F1 and F2 and defining internal structure (input data 1) are set as input data, appropriate boundary conditions and initial conditions are set, and analysis is performed by X-FEM To do.
(8) A mesh C is prepared by stretching the surface of the mesh B as shown in FIG. Using the mesh A and the analysis result, the value at the node of the mesh C is calculated using the interpolation function of the extended finite element method used when analyzing the mesh A.
(9) As shown in FIG. 10, the plotting process is performed using the mesh A and the mesh C simultaneously. Thus, continuous contour display can be performed.

次に、X−FEMについて説明する。本発明は浸透流解析以外にも適用可能である。また、内材構造の厚さには制約が無いが、ここでは最も本発明の有効性が活かせる薄い内在構造を対象として説明する。   Next, X-FEM will be described. The present invention can be applied to other than osmotic flow analysis. Moreover, although there is no restriction | limiting in the thickness of an internal material structure, it demonstrates for the thin internal structure which can utilize the effectiveness of this invention most here.

X−FEMでは、従来のFEMの離散近似式にエンリッチ関数と呼ばれる関数を局所的に付加することにより、図11に示すようにメッシュ分割とは独立に材料境界面などの不連続性を表現することができる。X−FEMによるスカラーポテンシャルφ(x)に対する離散近似φ(x)は、領域内の任意の点xにおいて、節点自由度φ、局所座標系ζ(x)で表された一般的な有限要素法の形状関数L(ζ(x))およびエンリッチ関数fを用いて式(1)ように記述できる。
ここに、Nは全節点の集合であり、aは節点Iの付加自由度である。
In X-FEM, a function called an enrichment function is locally added to a discrete approximation expression of a conventional FEM to express discontinuities such as a material boundary surface independently of mesh division as shown in FIG. be able to. The discrete approximation φ h (x) for the scalar potential φ (x) by X-FEM is a general finite expression expressed by the node degree of freedom φ I and the local coordinate system ζ (x) at an arbitrary point x in the region. Using the shape function L I (ζ (x)) of the element method and the enrichment function f I , it can be described as in equation (1).
Here, N is a set of all nodes, and a I is an additional degree of freedom of node I.

ここで、材料境界面となる自由表面形状を定義するために、レベルセット法を用いる。レベルセット法は、時々刻々変化する自由表面形状を追跡するための数値計算手法である。X−FEMにおいてもレベルセット関数を導入して、領域内の不連続面を表すことにより、すべての情報が節点上で定義され、形状処理が単純化されるため、プログラミングや計算効率の面で有利である。レベルセット法では、自由表面形状は、レベルセット関数値がゼロとなる等値面によって陰的に定義される。各節点Iから自由表面までの距離を計算し、自由表面を介して符号を付けた値λを各節点に割り当てると領域内の任意の点xにおける材料境界面上からの符号付き距離関数(レベルセット関数)は、FEMの形状関数を用いて式(2)のように表すことができる。
Here, a level set method is used in order to define a free surface shape to be a material boundary surface. The level set method is a numerical calculation method for tracking a free surface shape that changes every moment. In X-FEM, the level set function is introduced to represent the discontinuous surface in the region, so that all information is defined on the nodes and the shape processing is simplified. It is advantageous. In the level set method, the free surface shape is implicitly defined by an isosurface where the level set function value is zero. When the distance from each node I to the free surface is calculated, and a value λ I signed through the free surface is assigned to each node, a signed distance function from the material boundary surface at any point x in the region ( The level set function) can be expressed as in equation (2) using the FEM shape function.

自由表面は、λ(x)=0となる等値面によって表されるため、要素分割とは独立に定義することが可能になる。自由表面が複数存在する場合は、それぞれに対応する式(2)を定めればよい。材料境界面では、着目する物理量が連続でその微分が不連続となる。これに対応するエンリッチ関数は、いくつか提案されているが、最終的な係数行列の条件数が悪化せず、かつ、解の劣化が生じないように設計した式(3)で示す関数を用いる。
Since the free surface is represented by an isosurface where λ (x) = 0, it can be defined independently of the element division. When there are a plurality of free surfaces, the equation (2) corresponding to each may be determined. At the material interface, the physical quantity of interest is continuous and its differentiation is discontinuous. Several enrichment functions corresponding to this have been proposed, but the function shown in Equation (3) designed so that the condition number of the final coefficient matrix does not deteriorate and the solution does not deteriorate is used. .

この関数は、材料境界面に沿って尾根筋となるリッジ関数で、材料境界面上では常に値が1.0、材料境界が横切らない要素では、値がゼロとなる。Mはエンリッチされる節点の集合であり、材料境界が横切る要素を台に持つ節点の集合となる(図11参照)。   This function is a ridge function that forms a ridge along the material boundary surface, and the value is always 1.0 on the material boundary surface, and the value is zero for elements that do not cross the material boundary. M is a set of nodes to be enriched, and is a set of nodes having the elements crossed by the material boundary (see FIG. 11).

材料境界面の数をKとすると、X−FEMの近似関数は式(4)のように書ける。
Assuming that the number of material boundary surfaces is K, an approximate function of X-FEM can be written as in equation (4).

近似関数に式(4)を用いること、および、節点自由度が部分的に増加することを除けば、通常のFEMの手続きと同様に最終的な代数方程式を得ることができる。   A final algebraic equation can be obtained in the same manner as a normal FEM procedure, except that the equation (4) is used as an approximation function and the node degree of freedom is partially increased.

以下に示す三次元定常飽和浸透流問題で説明する。
ここに、φは全水頭、∇は線形の微分演算子、K(太字)は透水係数テンソル、Vは解析領域である。添え字^は既知量を表し、nは領域Vの境界に立てた単位法線ベクトル、qはフラックスである。SφとSは、それぞれ境界条件が規定される境界を表す。
The following three-dimensional steady saturated osmotic flow problem will be described.
Here, φ is the total head, ∇ is a linear differential operator, K (bold) is the hydraulic conductivity tensor, and V is the analysis region. The subscript ^ represents a known amount, n is a unit normal vector set at the boundary of the region V, and q is a flux. S φ and S n each represent a boundary where the boundary condition is defined.

この問題と対応する汎関数Πは、
The functional Π corresponding to this problem is

式(11)に式(4)を代入すると、式(11)の停留条件から次の線形代数方程式を得ることができる。
ここに、Nは全節点の総数、M(K)はエンリッチされる節点の数である。
By substituting equation (4) into equation (11), the following linear algebraic equation can be obtained from the stationary condition of equation (11).
Here, N is the total number of all nodes, and M (K) is the number of nodes to be enriched.

次に、前述した解析手順をコンピュータによって処理する動作を説明する。図12〜図16は、解析プログラムの処理動作を示すフローチャートである。図12〜図16に示す処理動作を実行するコンピュータは、ハードディスクドライブなどの外部記憶装置、キーボードやマウス等の入力装置、液晶ディスプレイ装置などの表示装置を備えている。   Next, an operation for processing the above-described analysis procedure by a computer will be described. 12 to 16 are flowcharts showing the processing operation of the analysis program. A computer that executes the processing operations shown in FIGS. 12 to 16 includes an external storage device such as a hard disk drive, an input device such as a keyboard and a mouse, and a display device such as a liquid crystal display device.

まず、コンピュータは、外部記憶装置に記憶されている解析用FEモデル(図5参照)読み込む(ステップS1)。ここで、外部記憶装置から読み込まれる物性データ、節点データ、要素データ、境界条件データを図17〜図20に示す。図17〜図20に示す各データは、解析者がモデル作成ソフトウェア等を使用して作成し、予め外部記憶装置に記憶しておくものである。   First, the computer reads the FE model for analysis (see FIG. 5) stored in the external storage device (step S1). Here, physical property data, node data, element data, and boundary condition data read from the external storage device are shown in FIGS. Each data shown in FIGS. 17 to 20 is created by an analyst using model creation software or the like and stored in advance in an external storage device.

次に、コンピュータは、外部記憶装置に記憶されている内在構造境界面データ(図7に示す二次元メッシュデータ)を読み込む(ステップS2)。ここで、外部記憶装置から読み込まれる図7に示す二次元メッシュの節点データ、要素データを図22に示す。   Next, the computer reads the internal structure boundary surface data (two-dimensional mesh data shown in FIG. 7) stored in the external storage device (step S2). Here, the node data and element data of the two-dimensional mesh shown in FIG. 7 read from the external storage device are shown in FIG.

次に、コンピュータは、読み込んだデータに基づいて、レベルセット関数値(解析用FEモデルの全節点と二次元メッシュとの符号付き距離)を計算する(ステップS3)。ステップS3は、図13に示すように、全節点に関してレベルセット関数値を計算する処理を、レベルセット関数の数だけ繰り返し行う(ステップS3−1)。コンピュータは、ここで計算した計算結果を外部記憶装置に記憶する。図23に、全節点のレベルセット関数値を計算し、外部記憶装置に記憶するデータの一例を示す。   Next, the computer calculates a level set function value (signed distance between all nodes of the analysis FE model and the two-dimensional mesh) based on the read data (step S3). In step S3, as shown in FIG. 13, the process of calculating the level set function values for all nodes is repeated for the number of level set functions (step S3-1). The computer stores the calculation result calculated here in an external storage device. FIG. 23 shows an example of data stored in the external storage device by calculating the level set function values of all nodes.

次に、コンピュータは、外部記憶装置に予め記憶されている内在構造定義データを読み込む(ステップS4)。ここで、外部記憶装置から読み込まれる内在構造定義データの一例を図24に示す。   Next, the computer reads the intrinsic structure definition data stored in advance in the external storage device (step S4). Here, FIG. 24 shows an example of the intrinsic structure definition data read from the external storage device.

次に、コンピュータは、エンリッチする節点に自由度を付加する(ステップS5)。ステップS5は、図14に示すように、各要素の構成節点について、レベルセット関数の正負が混在するか(物性境界面があるか)を判定し(ステップS5−1)、この判定の結果、レベルセット関数の正負が混在する場合、その構成節点がそのレベルセット関数について既にエンリッチされているかを判定する(ステップS5−2)。この判定の結果、既にエンリッチされていない場合、その構成節点に自由度を1つ付加(エンリッチ)する(ステップS5−3)。コンピュータは、この処理を要素構成節点の数だけ繰り返し、さらに全要素の数、レベルセット関数の数だけ繰り返し行う。   Next, the computer adds a degree of freedom to the nodes to be enriched (step S5). In step S5, as shown in FIG. 14, it is determined whether the positive and negative of the level set function are mixed (whether there is a physical property boundary surface) for the constituent nodes of each element (step S5-1). If the positive and negative of the level set function are mixed, it is determined whether the constituent node has already been enriched for the level set function (step S5-2). If the result of this determination is that it has not already been enriched, one degree of freedom is added (enriched) to that constituent node (step S5-3). The computer repeats this process as many times as the number of element constituent nodes, and further repeats as many times as the number of all elements and the number of level set functions.

次に、コンピュータは、式(12)の構築して(ステップS6)、構築した式(12)に対して境界条件データを代入して、連立一次方程式を解く(ステップS7)。そして、コンピュータは、エンリッチ節点に対するX−FEMの離散近似式の処理を行う(ステップS8)。ステップS8は、図15に示すように、エンリッチされている節点かを判定し(ステップS8−1)、この判定の結果、エンリッチされている節点である場合、式(4)により節点の全水頭値を計算する(ステップS8−2)。コンピュータは、この処理を全節点の数だけ繰り返す。   Next, the computer constructs the equation (12) (step S6), substitutes boundary condition data for the constructed equation (12), and solves the simultaneous linear equations (step S7). And a computer performs the process of the X-FEM discrete approximation formula with respect to an enriched node (step S8). In step S8, as shown in FIG. 15, it is determined whether the node is enriched (step S8-1). If the result of this determination is that the node is enriched, the total head of the node is expressed by equation (4). A value is calculated (step S8-2). The computer repeats this process for all nodes.

次に、コンピュータは、外部記憶装置に記憶されているポスト用モデル(図9、メッシュC)のデータを読み込む(ステップS9)。ここで、外部記憶装置から読み込まれるポスト処理用モデルの節点データ及び要素データを図25、図26に示す。   Next, the computer reads the data of the post model (FIG. 9, mesh C) stored in the external storage device (step S9). Here, the node data and element data of the post-processing model read from the external storage device are shown in FIGS.

次に、コンピュータは、ポスト用モデルの節点値を計算する(ステップS10)。ステップS10は、図16に示すように、ポスト用モデルの節点が解析用FEモデルのどの要素内に存在するか検索し(ステップS10−1)、ポスト用モデル節点の解析用メッシュ要素の局所座標値(ξ)を計算する(ステップS10−2)。そして、ポスト用モデル節点の内挿値(解)を式(4)より算出する(ステップS10−3)。   Next, the computer calculates a node value of the post model (step S10). In step S10, as shown in FIG. 16, in which element of the analysis FE model the node of the post model exists is searched (step S10-1), and the local coordinates of the analysis mesh element of the post model node are searched. A value (ξ) is calculated (step S10-2). Then, the interpolated value (solution) of the post model node is calculated from the equation (4) (step S10-3).

次に、コンピュータは、計算によって求めた解析用FEモデルおよびポスト用モデル節点値を表示装置へ出力する。ここで出力される解析用FEモデルおよびポスト用モデル節点値を図27に示す。   Next, the computer outputs the FE model for analysis and the model node value for post obtained by calculation to the display device. FIG. 27 shows the FE model for analysis and the model node value for post that are output here.

次に、具体例を挙げて、計算例を説明する。三次元定常飽和浸透流問題を対象とし、ベンチマークテストを実施した。図28に10m×6m×6mの矩形領域を2m立方の六面体要素で分割した解析モデルを示す。境界条件は、モデルの上面でx方向の動水勾配が1.0となるように全水頭を拘束し、その他の面は不透水条件とした。この解析領域である母岩の中に、厚さの薄い地層が三次元的に分布するモデルを考え、この薄層の透水係数kが母岩の透水係数kと比較して難透水(k=1/100k)の場合と高透水(k=100k)の場合について、薄層の厚さtに関するケーススタディを実施した。図29(a)は薄層を通常のFEMで要素分割した解析メッシュである。X−FEMの場合には、図29(b)に示すように薄層の要素分割は必要なく、破線で示す境界面をレベルセット法で与えることにより解析を実施できる。 Next, a calculation example will be described with a specific example. A benchmark test was conducted for the 3D steady saturated seepage flow problem. FIG. 28 shows an analysis model in which a rectangular area of 10 m × 6 m × 6 m is divided by 2 m cubic hexahedral elements. As the boundary conditions, the entire head was constrained so that the hydraulic gradient in the x direction was 1.0 on the upper surface of the model, and the other surfaces were impermeable conditions. Some host rock is the analysis region, consider a model in which a thin stratum of thickness are distributed in three dimensions, permeability k f is compared with impermeable and permeability k 0 of rocks of the thin layer ( for the case where the high permeability of k f = 1 / 100k 0) (k f = 100k 0), was carried out case study the thickness t of the thin layer. FIG. 29A shows an analysis mesh obtained by dividing a thin layer into elements by a normal FEM. In the case of X-FEM, as shown in FIG. 29 (b), it is not necessary to divide the elements of the thin layer, and the analysis can be performed by giving a boundary surface indicated by a broken line by the level set method.

また、比較のため、薄層が通る要素の透水係数を平均化する従来の簡便なモデル化による解析も実施した。薄層が通過する要素(図29(c)のハッチ)の全体積を薄層と母岩の境界面の面積で割り、一定厚さtの層に換算し、ハッチの要素全体に等価透水係数を適用する方法である。平均厚さtの母岩の中に、厚さtの薄層がある場合、等価な透水係数は、薄層の面内と面の直行方向に主軸を持つ直交異方性の透水係数として式(20)、(21)で近似できる。
ここに、kvsは薄層に沿う方向の透水係数、kvnはそれに直交する方向の透水係数である。解析ケースの一覧を図30に示す。
For comparison, an analysis was also conducted by conventional simple modeling that averages the hydraulic conductivity of the elements through which the thin layer passes. The total volume of the element thin layer passes (hatched in FIG. 29 (c)) divided by the area of the boundary surface of the thin layer and the host rock, converted into a layer of uniform thickness t v, equivalent water permeation across elements of the hatch This is a method of applying a coefficient. In rocks having an average thickness of t v, if there is a thin layer having a thickness of t f, the equivalent hydraulic conductivity, hydraulic conductivity of orthotropic with main shaft orthogonal direction of the in-plane and the plane of the thin layer Can be approximated by equations (20) and (21).
Here, k vs is the hydraulic conductivity in the direction along the thin layer, and k vn is the hydraulic conductivity in the direction perpendicular to the thin layer. A list of analysis cases is shown in FIG.

図31に薄層が難透水(k=1/100k)の場合の全水頭のx方向分布の比較を示す。薄層厚さtの違いをz座標の順に(a)(b)(c)の3組の図にまとめた。図32に解析結果を比較した節点位置を示す。 FIG. 31 shows a comparison of x-direction distributions of all the heads when the thin layer is hardly permeable (k f = 1/100 k 0 ). Differences in the thin layer thickness t are summarized in three sets of diagrams (a), (b), and (c) in the order of the z coordinate. FIG. 32 shows the node positions where the analysis results are compared.

X−FEMの結果(実線)は、各ケースとも薄層を要素分割したFEMの結果(太線)とよく一致しており、難透水層前後の急激な水頭差を表現している。一方、等価透水係数適用による結果(点線)は断層近傍においてFEMの結果から大きく外れており、透水係数を均質化した影響が顕著に表れる結果となった。   The X-FEM result (solid line) is in good agreement with the FEM result (thick line) obtained by dividing the thin layer into elements in each case, and represents an abrupt water head difference before and after the hardly permeable layer. On the other hand, the result of applying the equivalent hydraulic conductivity (dotted line) is significantly different from the FEM result in the vicinity of the fault, and the effect of homogenizing the hydraulic conductivity was noticeable.

図33は薄層が高透水(k=100k)の場合の比較結果である。薄層が高透水の場合も、X−FEMの結果(実線)は薄層を要素分割したFEMの結果(太線)と良く一致した。等価透水係数適用による結果(点線)もFEMの結果と概ね同様の分布は示すものの、薄層が通る要素全体が高透水になるため、薄層が厚いほどその影響が強く表れ、薄層を要素分割したFEMの結果との差が大きくなっている。 FIG. 33 shows a comparison result when the thin layer has high water permeability (k f = 100 k 0 ). Even when the thin layer had high water permeability, the result of X-FEM (solid line) agreed well with the result of FEM (thick line) obtained by dividing the thin layer into elements. Although the result of the equivalent hydraulic conductivity (dotted line) shows almost the same distribution as the FEM result, the entire element through which the thin layer passes becomes highly permeable, so the influence of the thin layer becomes stronger and the thin layer becomes the element. The difference from the divided FEM results is large.

図34は薄層厚さと解析精度の関係を解析手法の違いで比較したものである。図中、●はX−FEMの結果、▲は等価透水係数適用による結果である。解析精度は、式(8)に示す通常のFEMの解析結果との差を指標とした。
FIG. 34 compares the relationship between the thin layer thickness and the analysis accuracy by the difference in analysis method. In the figure, ● is the result of X-FEM, and ▲ is the result of applying the equivalent hydraulic conductivity. The analysis accuracy was based on the difference from the normal FEM analysis result shown in Equation (8) as an index.

図34に示すように、等価透水係数を適用した解析では、特に薄層が難透水の場合にFEM解析結果との差Eφが大きくなることがわかる。一方、X−FEMによる解析では、薄層の透水性や幅に関わらず、良好な解が得られることが確認できた。 As shown in FIG. 34, in the analysis based on the equivalent permeability, it can be seen that the difference between the FEM analysis result E phi increases particularly when a thin layer is impermeable. On the other hand, in the analysis by X-FEM, it was confirmed that a good solution was obtained regardless of the water permeability and width of the thin layer.

X−FEMの解析結果(全水頭)を解析に用いたメッシュAを用いて図化すると、メッシュAには薄層の境界面上に節点がないので、図35に示すように、薄層近傍の分布は適切に表示できない。図36は、メッシュAとメッシュCを同時に使って図化した全水頭のコンター図である。前述のとおり、メッシュCの節点の全水頭値は、メッシュAの値からX−FEMの内挿関数を使って計算した。図29(a)のFEMによる結果を図化した図37と比較すると、部分的にコンターが不連続になっているが、薄層の存在による全水頭分布の変化が適格に表現できていることが分かる。   When the analysis result (total head) of X-FEM is plotted using the mesh A used for the analysis, the mesh A has no nodes on the boundary surface of the thin layer. The distribution of cannot be displayed properly. FIG. 36 is a contour diagram of the entire head drawn using mesh A and mesh C simultaneously. As described above, the total head value of the node of the mesh C was calculated from the value of the mesh A by using an X-FEM interpolation function. Compared to FIG. 37, which plots the FEM results in FIG. 29 (a), the contours are partially discontinuous, but the change in the total head distribution due to the presence of a thin layer can be adequately expressed. I understand.

以上説明したように、基本となる解析モデルのメッシュとは独立に内在構造のメッシュを作成するようにしたため、メッシュ分割作業が非常に簡単になり、大幅な効率化が図れ、これにより、内在構造の形状や位置の変更も容易になる。また、従来の透水性を平均化した手法よりも、解の劣化が非常に小さい。特に薄い難透水層の場合は、従来の平均化手法では、解の精度に問題があったが、本発明の解析システムでは、良好な結果が得られる。また、本発明による解析システムでは、従来からあるFEMのプリ・ポスト(データ構築・図化処理)処理ソフトをそのまま使用できるため、新たなプリ・ポスト処理ソフトの購入や開発は必要ない。   As explained above, since the mesh of the internal structure is created independently of the mesh of the basic analysis model, the mesh division work becomes very easy and the efficiency is greatly improved. It becomes easy to change the shape and position. In addition, the degradation of the solution is much smaller than the conventional method of averaging water permeability. In particular, in the case of a thin poorly permeable layer, the conventional averaging method has a problem in the accuracy of the solution, but the analysis system of the present invention provides a good result. In the analysis system according to the present invention, since conventional FEM pre / post (data construction / drawing) processing software can be used as it is, it is not necessary to purchase or develop new pre / post processing software.

なお、図1における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによりX−FEMを用いた解析処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)を備えたWWWシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。   Note that a program for realizing the function of the processing unit in FIG. 1 is recorded on a computer-readable recording medium, the program recorded on the recording medium is read into a computer system, and executed to execute the X-FEM. The analysis processing used may be performed. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices. The “computer system” includes a WWW system having a homepage providing environment (or display environment). The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Further, the “computer-readable recording medium” refers to a volatile memory (RAM) in a computer system that becomes a server or a client when a program is transmitted via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In addition, those holding programs for a certain period of time are also included.

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。   The program may be transmitted from a computer system storing the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium. Here, the “transmission medium” for transmitting the program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line. The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, what is called a difference file (difference program) may be sufficient.

Claims (2)

解析対象物の構造を拡張有限要素法によって解析するための第1のメッシュデータを作成する手段と、
前記解析対象物に内在する構造物のみの第2のメッシュデータを作成する手段と、
前記第2のメッシュデータの物性境界となる表面に二次元要素を定義し、物性境界面ごとにグループ化する手段と、
前記二次元要素の各グループと、前記第1のメッシュデータの節点間との距離を計算し、前記物性境界面を介して正負の符号を付けた値を前記第1のメッシュデータの全節点に割り当てることにより得られるレベルセット関数を求める手段と、
前記第1のメッシュデータと、前記レベルセット関数と、前記解析対象物に内在する構造物を定義するデータを入力データとし、境界条件及び初期条件を設定して、拡張有限要素法を用いて解析を実行して解析結果データを得る手段と、
前記解析結果データと、前記第1のメッシュデータを解析する際に用いた拡張有限要素法の内挿関数とを用いてポスト処理を行うための第3のメッシュデータの節点の値を算出する手段と、
前記第1のメッシュデータの節点の値と、前記第3のメッシュデータの節点の値とを用いて解析結果の図化処理を行う手段と
を備えたことを特徴とする解析システム。
Means for generating first mesh data for analyzing the structure of the analysis object by an extended finite element method;
Means for creating second mesh data of only the structure inherent in the analysis object;
Means for defining a two-dimensional element on a surface which is a physical property boundary of the second mesh data, and grouping for each physical property boundary surface;
The distance between each group of the two-dimensional elements and the nodes of the first mesh data is calculated, and the values with positive and negative signs are added to all the nodes of the first mesh data through the physical property boundary surface. Means for obtaining a level set function obtained by assigning;
The first mesh data, the level set function, and data defining a structure inherent in the analysis target are input data, boundary conditions and initial conditions are set, and analysis is performed using an extended finite element method To obtain analysis result data by executing
Means for calculating a value of a node of third mesh data for performing post-processing using the analysis result data and the interpolation function of the extended finite element method used when analyzing the first mesh data When,
An analysis system comprising: means for plotting an analysis result using a node value of the first mesh data and a node value of the third mesh data.
拡張有限要素法を用いて構造解析を行う解析システムのコンピュータ上で動作する解析プログラムであって、
解析対象物の構造を拡張有限要素法によって解析するための第1のメッシュデータを作成するステップと、
前記解析対象物に内在する構造物のみの第2のメッシュデータを作成するステップと、
前記第2のメッシュデータの物性境界となる表面に二次元要素を定義し、物性境界面ごとにグループ化するステップと、
前記二次元要素の各グループと、前記第1のメッシュデータの節点間との距離を計算し、前記物性境界面を介して正負の符号を付けた値を前記第1のメッシュデータの全節点に割り当てることにより得られるレベルセット関数を求めるステップと、
前記第1のメッシュデータと、前記レベルセット関数と、前記解析対象物に内在する構造物を定義するデータを入力データとし、境界条件及び初期条件を設定して、拡張有限要素法を用いて解析を実行して解析結果データを得るステップと、
前記解析結果データと、前記第1のメッシュデータを解析する際に用いた拡張有限要素法の内挿関数とを用いてポスト処理を行うための第3のメッシュデータの節点の値を算出するステップと、
前記第1のメッシュデータの節点の値と、前記第3のメッシュデータの節点の値とを用いて解析結果の図化処理を行うステップと
を前記コンピュータに行わせることを特徴とする解析プログラム。
An analysis program that runs on the computer of an analysis system that performs structural analysis using the extended finite element method,
Creating first mesh data for analyzing the structure of the analysis object by an extended finite element method;
Creating second mesh data of only the structures inherent in the analysis object;
Defining a two-dimensional element on a surface that is a physical property boundary of the second mesh data, and grouping for each physical property boundary surface;
The distance between each group of the two-dimensional elements and the nodes of the first mesh data is calculated, and the values with positive and negative signs are added to all the nodes of the first mesh data through the physical property boundary surface. Obtaining a level set function obtained by assigning;
The first mesh data, the level set function, and data defining a structure inherent in the analysis target are input data, boundary conditions and initial conditions are set, and analysis is performed using an extended finite element method To obtain analysis result data by executing
Calculating a value of a node of third mesh data for performing post-processing using the analysis result data and the interpolation function of the extended finite element method used when analyzing the first mesh data When,
An analysis program causing the computer to perform a step of plotting an analysis result using a node value of the first mesh data and a node value of the third mesh data.
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