JP2017194884A - Analysis apparatus and analysis method - Google Patents
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Abstract
【課題】磁気ビーズ法による演算処理の精度向上および高速化を両立させた解析技術を提供する。【解決手段】解析装置200は、仮想空間内に定義される粒子系の粒子に磁気モーメントを付与する磁気モーメント付与部110と、磁気モーメントが付与される基準粒子が作る磁場の数値解を基準粒子の周りに設定される複数の格子点ごとにあらかじめ算出し、基準粒子に付与される磁気モーメントのベクトル量と磁場の数値解のベクトル量との対応関係を複数の格子点ごとに保持する基準データ保持部230と、基準データ保持部230に保持される対応関係を用いて、磁気モーメント付与部110によって磁気モーメントが付与される各粒子が作る磁場を演算する磁場演算部121と、磁場演算部121における演算結果を用いて、各粒子の運動を支配する支配方程式を数値的に演算する粒子状態演算部124と、を備える。【選択図】図19The present invention provides an analysis technique that simultaneously improves the accuracy and speed of arithmetic processing by a magnetic bead method. An analysis apparatus includes a magnetic moment applying unit that applies a magnetic moment to particles of a particle system defined in a virtual space, and a numerical solution of a magnetic field generated by a reference particle to which the magnetic moment is applied. Reference data that is calculated in advance for each of a plurality of lattice points set around and holds the correspondence between the vector amount of the magnetic moment applied to the reference particle and the vector amount of the numerical solution of the magnetic field for each of the plurality of lattice points. Using the holding unit 230 and the correspondence relationship held in the reference data holding unit 230, the magnetic field calculation unit 121 that calculates the magnetic field generated by each particle to which the magnetic moment is applied by the magnetic moment applying unit 110, and the magnetic field calculation unit 121 And a particle state calculation unit 124 that numerically calculates a governing equation that governs the motion of each particle using the calculation result in. [Selection] Figure 19
Description
本発明は、粒子系を解析する解析装置および解析方法に関する。 The present invention relates to an analysis apparatus and an analysis method for analyzing a particle system.
近年、コンピュータの計算能力の向上に伴い、モータなどの電気機器の設計開発の現場では磁場解析を取り入れたシミュレーションがよく使用される。シミュレーションを使用すると、実際にプロトタイプを製作しなくてもある程度の評価が可能となるので、設計開発のスピードが向上しうる。 In recent years, simulations incorporating magnetic field analysis are often used in the field of design and development of electric devices such as motors as computer computing power increases. When simulation is used, it is possible to evaluate to some extent without actually creating a prototype, so that the speed of design development can be improved.
例えば特許文献1には、磁場解析を実行する演算処理装置を具えるモータ解析装置が記載されている。演算処理装置は、ユーザの操作に基づく外部指令に応じて、有限要素法による静磁場解析やマクスウェルの応力法によるトルク計算を実行する。有限要素法による静磁場解析のためにメッシュ分割が行われる。メッシュ分割は、コア領域及びハウジング領域、さらには外部空気層領域についても行われる。磁場解析の他の手法は差分法および磁気モーメント法を含む。 For example, Patent Document 1 describes a motor analysis device including an arithmetic processing device that performs magnetic field analysis. The arithmetic processing unit executes a static magnetic field analysis by a finite element method and a torque calculation by Maxwell's stress method according to an external command based on a user operation. Mesh division is performed for static magnetic field analysis by the finite element method. The mesh division is also performed on the core region and the housing region, and also on the outer air layer region. Other techniques for magnetic field analysis include the difference method and the magnetic moment method.
古典力学や量子力学等を基に計算機を用いて物質科学全般の現象を探るための方法として、分子動力学法をマクロスケールの系を扱えるように発展させた繰り込み群分子動力学法に基づくシミュレーションが知られている(例えば、特許文献2参照)。粒子法は静的な現象だけでなく流れなどの動的な現象をも取り扱えるので、主に静的な現象を解析対象とする上述の有限要素法などに代わるシミュレーション手法として注目されている。例えば、各粒子に磁気モーメントを付与し、各粒子の球対称性に基づく厳密解を利用して磁気的な物理量を演算することで、比較的精度の高いシミュレーション結果を高速に得ることのできる磁気ビーズ法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。 Simulation based on the renormalization group molecular dynamics method developed to handle macro-scale systems as a method for exploring phenomena in general materials science using computers based on classical mechanics and quantum mechanics. Is known (see, for example, Patent Document 2). Since the particle method can handle not only a static phenomenon but also a dynamic phenomenon such as a flow, it is attracting attention as a simulation method replacing the above-mentioned finite element method which mainly analyzes a static phenomenon. For example, by applying a magnetic moment to each particle and calculating a magnetic physical quantity using an exact solution based on the spherical symmetry of each particle, it is possible to obtain a relatively accurate simulation result at high speed. A bead method has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
上述の磁気ビーズ法では、対象物を複数個の要素に分割し、各要素を球形状の粒子とみなして球対称性に基づく厳密解を利用して演算している。このとき、対象物を複数の粒子で充填させようとすると粒子間に隙間が生じるため、その隙間や球形状の粒子に起因する誤差が生じうる。計算精度を高めるためには、対象物を立方体などのボクセルで隙間なく分割し、ボクセルの形状に応じた厳密解に基づく面積分を実行する必要があるが、面積分を高精度で計算しようとすると計算時間が膨大となる。 In the magnetic bead method described above, an object is divided into a plurality of elements, each element is regarded as a spherical particle, and calculation is performed using an exact solution based on spherical symmetry. At this time, if an object is filled with a plurality of particles, gaps are formed between the particles, and errors due to the gaps or spherical particles may occur. In order to increase the calculation accuracy, it is necessary to divide the target object with a voxel such as a cube without gaps and execute the area based on the exact solution according to the shape of the voxel, but trying to calculate the area with high accuracy Then, the calculation time becomes enormous.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気ビーズ法による演算処理の精度向上および高速化を両立させた解析技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide an analysis technique that achieves both improvement in accuracy and speed of arithmetic processing by the magnetic bead method.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の解析装置は、仮想空間内に定義される粒子系の粒子に磁気モーメントを付与する磁気モーメント付与部と、磁気モーメントが付与される基準粒子が作る磁場の数値解を基準粒子の周りに設定される複数の格子点ごとにあらかじめ算出し、基準粒子に付与される磁気モーメントのベクトル量と磁場の数値解のベクトル量との対応関係を複数の格子点ごとに保持する基準データ保持部と、基準データ保持部に保持される対応関係を用いて、磁気モーメント付与部によって磁気モーメントが付与される各粒子が作る磁場を演算する磁場演算部と、磁場演算部における演算結果を用いて、各粒子の運動を支配する支配方程式を数値的に演算する粒子状態演算部と、を備える。 In order to solve the above-described problem, an analyzer according to an aspect of the present invention includes a magnetic moment applying unit that applies a magnetic moment to particles of a particle system defined in a virtual space, and a reference particle to which the magnetic moment is applied. The numerical solution of the magnetic field to be created is calculated in advance for each of the plurality of lattice points set around the reference particle, and the correspondence between the vector amount of the magnetic moment applied to the reference particle and the vector amount of the numerical solution of the magnetic field A reference data holding unit for each lattice point, and a magnetic field calculation unit for calculating a magnetic field generated by each particle to which a magnetic moment is applied by the magnetic moment applying unit, using a correspondence relationship held in the reference data holding unit; A particle state calculation unit that numerically calculates a governing equation that governs the motion of each particle using a calculation result in the magnetic field calculation unit.
本発明の別の態様は、解析方法である。この方法は、仮想空間内に定義される粒子系の粒子に磁気モーメントを付与し、磁気モーメントが付与される基準粒子が作る磁場の数値解を基準粒子の周りに設定される複数の格子点ごとにあらかじめ算出し、基準粒子に付与される磁気モーメントのベクトル量と磁場の数値解のベクトル量との対応関係を複数の格子点ごとに保持し、あらかじめ算出して保持される対応関係を用いて、磁気モーメントが付与される各粒子が作る磁場を演算し、各粒子が作る磁場の演算結果を用いて、各粒子の運動を支配する支配方程式を数値的に演算する。 Another aspect of the present invention is an analysis method. This method assigns a magnetic moment to the particles of the particle system defined in the virtual space, and the numerical solution of the magnetic field created by the reference particles to which the magnetic moment is applied is set for each of a plurality of lattice points set around the reference particles. The correspondence between the vector quantity of the magnetic moment applied to the reference particle and the vector quantity of the numerical solution of the magnetic field is held for each of the plurality of lattice points, and the correspondence relation calculated and held in advance is used. The magnetic field generated by each particle to which a magnetic moment is applied is calculated, and the governing equation governing the motion of each particle is numerically calculated using the calculation result of the magnetic field generated by each particle.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements, or those obtained by replacing the constituent elements and expressions of the present invention with each other between apparatuses, methods, systems, computer programs, recording media storing computer programs, and the like are also included in the present invention. It is effective as an embodiment of
本発明によれば、シミュレーションにおいて磁気的な現象を好適に扱うことができる。 According to the present invention, a magnetic phenomenon can be suitably handled in a simulation.
以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。 Hereinafter, the same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated description is appropriately omitted.
(第1の実施の形態)
古典力学や量子力学等を基に計算機を用いて物質科学全般の現象を探るための方法として、分子動力学法(Molecular Dynamics Method、以下MD法と称す)や、量子分子動力学法(Quantum Molecular Dynamics Method)や、MD法をマクロスケールの系を扱えるように発展させた繰り込み群分子動力学法(Renormalized Molecular Dynamics、以下RMD法と称す)に基づくシミュレーションが知られている(例えば、特許文献2参照)。正確にはMD法やRMD法は運動論的手法(物理量の算出には統計力学を使う)であり、粒子法は、連続体を記述する微分方程式を離散化する手法であり、別ものであるが、ここではMD法やRMD法も粒子法と呼ぶ。
(First embodiment)
Molecular dynamics method (MD method) and quantum molecular dynamics method (Quantum Molecular) are methods for exploring phenomena in general material science using computers based on classical mechanics and quantum mechanics. Dynamics Method) and simulation based on Renormalized Molecular Dynamics (hereinafter referred to as RMD method), which is an MD method developed to handle a macro-scale system, is known (for example, Patent Document 2). reference). To be precise, the MD method and the RMD method are kinetic methods (using statistical mechanics to calculate physical quantities), and the particle method is a method for discretizing differential equations that describe a continuum. However, the MD method and the RMD method are also called particle methods here.
粒子法は静的な現象だけでなく流れなどの動的な現象をも取り扱えるので、主に静的な現象を解析対象とする上述の有限要素法などに代わるシミュレーション手法として注目されている。 Since the particle method can handle not only a static phenomenon but also a dynamic phenomenon such as a flow, it is attracting attention as a simulation method replacing the above-mentioned finite element method which mainly analyzes a static phenomenon.
粒子法には、連続体を粒子で離散化することにより解析対象の粒子系を得る、という微分的な見方がある。例えば、粒子法において流体を扱う場合、ナビエストークス(Navier-Stokes)方程式を粒子で離散化することが多い。 The particle method has a differential view of obtaining a particle system to be analyzed by discretizing a continuum with particles. For example, when dealing with fluids in the particle method, the Navier-Stokes equation is often discretized with particles.
一方、粒子法の別の見方として、多くの粒子を集めて連続体を形成する、という積分的な見方もある。これは例えば、小さな鉄の粒を集めて固めて大きな鉄球を形成するという見方である。 On the other hand, as another view of the particle method, there is also an integral view that many particles are collected to form a continuum. This is, for example, the view that small iron grains are collected and hardened to form a large iron ball.
一般に、多くの磁気モーメントが存在する空間内のある点の磁場を求める場合、重ね合わせの原理により、各磁気モーメントがその点に作る磁場を磁気モーメントに亘って足し合わせる。本発明者は、このような磁気モーメントの集まりから磁場を求める手法と、積分的な見方をした場合の粒子法と、の親和性を独自に見い出し、粒子法における粒子に磁気モーメントを付与することに想到した。これにより、対流や大変形の解析に強いという粒子法の利点を維持しつつ、粒子法の適用範囲を磁場解析にまで広げることが可能となる。 In general, when a magnetic field at a certain point in a space where many magnetic moments exist is obtained, the magnetic fields generated by the magnetic moments at the point are added over the magnetic moments by the principle of superposition. The present inventor uniquely found the affinity between the method for obtaining the magnetic field from such a collection of magnetic moments and the particle method in the case of an integral view, and imparts a magnetic moment to the particles in the particle method. I came up with it. This makes it possible to extend the application range of the particle method to magnetic field analysis while maintaining the advantage of the particle method that is strong in convection and large deformation analysis.
さらに、本発明者は、粒子法における各粒子に付与される磁気モーメント同士の相互作用項に加えて各粒子に誘起される誘導磁化を考慮に入れることで、粒子法の適用範囲を電磁誘導現象を含む動磁場解析にまで拡張できることに想到した。これにより、誘導モータにおける固定子と回転子の相互作用といった、大変形を伴うとともに電磁誘導の考慮が必要な物理現象に対して、粒子法による動磁場解析を実現することができる。 Furthermore, the present inventor considers the induced magnetization induced in each particle in addition to the interaction term between the magnetic moments applied to each particle in the particle method, thereby reducing the application range of the particle method to the electromagnetic induction phenomenon. It was thought that it can be extended to dynamic magnetic field analysis including. As a result, it is possible to realize a dynamic magnetic field analysis by the particle method for a physical phenomenon that involves a large deformation and requires consideration of electromagnetic induction, such as an interaction between a stator and a rotor in an induction motor.
図1は、実施の形態に係る解析装置100の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのCPU(central processing unit)をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。 FIG. 1 is a block diagram illustrating functions and configurations of an analysis apparatus 100 according to an embodiment. Each block shown here can be realized by hardware such as a computer (CPU) (central processing unit) and other elements and mechanical devices, and software can be realized by a computer program or the like. Here, The functional block realized by those cooperation is drawn. Therefore, it is understood by those skilled in the art who have touched this specification that these functional blocks can be realized in various forms by a combination of hardware and software.
本実施の形態ではRMD法に倣って粒子系を解析する場合について説明するが、繰り込みを行わないMD法やDEM(Distinct Element Method)やSPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)やMPS(Moving Particle Semi-implicit)などの他の粒子法に倣って粒子系を解析する場合にも、本実施の形態に係る技術的思想を適用できることは本明細書に触れた当業者には明らかである。 In this embodiment, a case where a particle system is analyzed following the RMD method will be described. However, an MD method without renormalization, DEM (Distinct Element Method), SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), or MPS (Moving Particle Semi-implicit). It will be apparent to those skilled in the art who have touched the present specification that the technical idea according to the present embodiment can be applied to the case where a particle system is analyzed following other particle methods.
解析装置100は入力装置102およびディスプレイ104と接続される。入力装置102は、解析装置100で実行される処理に関係するユーザの入力を受けるためのキーボード、マウスなどであってもよい。入力装置102は、インターネットなどのネットワークやCD、DVDなどの記録媒体から入力を受けるよう構成されていてもよい。 The analysis device 100 is connected to the input device 102 and the display 104. The input device 102 may be a keyboard, a mouse, or the like for receiving user input related to processing executed by the analysis device 100. The input device 102 may be configured to receive input from a network such as the Internet or a recording medium such as a CD or a DVD.
解析装置100は、粒子系取得部108と、磁気モーメント付与部110と、数値演算部120と、表示制御部118と、粒子データ保持部114と、を備える。 The analysis apparatus 100 includes a particle system acquisition unit 108, a magnetic moment application unit 110, a numerical calculation unit 120, a display control unit 118, and a particle data holding unit 114.
粒子系取得部108は、入力装置102を介してユーザから取得する入力情報に基づき、1、2または3次元の仮想空間内に定義されるN(Nは自然数)個の粒子からなる粒子系のデータを取得する。粒子系はRMD法を使用して繰り込まれた粒子系である。 The particle system acquisition unit 108 is based on input information acquired from the user via the input device 102, and is a particle system composed of N (N is a natural number) particles defined in one, two, or three-dimensional virtual space. Get the data. The particle system is a particle system that has been brought in using the RMD method.
粒子系取得部108は、入力情報に基づき仮想空間内にN個の粒子を配置し、配置されたそれぞれの粒子に速度を付与する。粒子系取得部108は、配置された粒子を特定する粒子IDと、その粒子の位置と、その粒子の速度と、を対応付けて粒子データ保持部114に登録する。 The particle system acquisition unit 108 arranges N particles in the virtual space based on the input information, and gives a speed to each of the arranged particles. The particle system acquisition unit 108 registers the particle ID that identifies the arranged particle, the position of the particle, and the velocity of the particle in the particle data holding unit 114 in association with each other.
磁気モーメント付与部110は、入力装置102を介してユーザから取得する入力情報に基づき、粒子系取得部108によって取得された粒子系の粒子に磁気モーメントを付与する。例えば、磁気モーメント付与部110は、ディスプレイ104を介してユーザに、粒子系の粒子の磁気モーメントの入力を求める。磁気モーメント付与部110は、入力された磁気モーメントを粒子IDと対応付けて粒子データ保持部114に登録する。 The magnetic moment imparting unit 110 imparts a magnetic moment to the particle-based particles acquired by the particle-based acquiring unit 108 based on input information acquired from the user via the input device 102. For example, the magnetic moment applying unit 110 requests the user to input the magnetic moment of the particle-based particles via the display 104. The magnetic moment applying unit 110 registers the input magnetic moment in the particle data holding unit 114 in association with the particle ID.
以下では粒子系の粒子は全て同質または同等なものとして設定され、かつ、ポテンシャルエネルギ関数は2体のポテンシャルであって粒子によらずに同じ形を有するものとして設定される場合について説明する。しかしながら、他の場合にも本実施の形態に係る技術的思想を適用できることは、本明細書に触れた当業者には明らかである。 In the following, a case will be described in which all particles of the particle system are set to be the same or equivalent, and the potential energy function is set to have two potentials and have the same shape regardless of the particles. However, it will be apparent to those skilled in the art who have touched this specification that the technical idea according to the present embodiment can be applied to other cases.
数値演算部120は、粒子データ保持部114によって保持されるデータが表す粒子系の各粒子の運動を支配する支配方程式を数値的に演算する。特に数値演算部120は、離散化された粒子の運動方程式にしたがった繰り返し演算を行う。粒子の運動方程式は磁気モーメントに依存する項を有する。
数値演算部120は、磁場演算部121と、力演算部122と、粒子状態演算部124と、状態更新部126と、終了条件判定部128と、を含む。
The numerical calculation unit 120 numerically calculates a governing equation that governs the motion of each particle in the particle system represented by the data held by the particle data holding unit 114. In particular, the numerical calculation unit 120 repeatedly performs calculations according to the discretized equation of motion of particles. The equation of motion of particles has a term that depends on the magnetic moment.
Numerical calculation unit 120 includes a magnetic field calculation unit 121, a force calculation unit 122, a particle state calculation unit 124, a state update unit 126, and an end condition determination unit 128.
磁場演算部121は、粒子データ保持部114によって保持されるデータが表す粒子系が生成する磁場を演算する。磁場演算部121は、粒子データ保持部114によって保持される各粒子の磁気モーメントに基づいて磁場を演算する。磁場は、粒子系に関連する磁気的な物理量である。磁場演算部121は磁場の代わりにまたは磁場に加えて磁束密度や磁化を演算してもよい。 The magnetic field calculation unit 121 calculates the magnetic field generated by the particle system represented by the data held by the particle data holding unit 114. The magnetic field calculation unit 121 calculates a magnetic field based on the magnetic moment of each particle held by the particle data holding unit 114. A magnetic field is a magnetic physical quantity associated with a particle system. The magnetic field calculation unit 121 may calculate the magnetic flux density and magnetization instead of or in addition to the magnetic field.
力演算部122は粒子データ保持部114によって保持される粒子系のデータを参照し、粒子系の各粒子について、粒子間の距離に基づきその粒子に働く力を演算する。粒子に働く力は、磁気モーメント間の相互作用に基づく力を含む。力演算部122は、粒子系のi番目(1≦i≦N)の粒子について、そのi番目の粒子との距離が所定のカットオフ距離よりも小さな粒子(以下、近接粒子と称す)を決定する。 The force calculation unit 122 refers to the particle data held by the particle data holding unit 114, and calculates the force acting on the particles based on the distance between the particles for each particle in the particle system. The force acting on the particle includes a force based on an interaction between magnetic moments. The force calculation unit 122 determines, for the i-th particle (1 ≦ i ≦ N) in the particle system, a particle whose distance from the i-th particle is smaller than a predetermined cutoff distance (hereinafter referred to as a close particle). To do.
力演算部122は、各近接粒子について、その近接粒子とi番目の粒子との間のポテンシャルエネルギ関数およびその近接粒子とi番目の粒子との距離に基づいて、その近接粒子がi番目の粒子に及ぼす力を演算する。特に力演算部122は、その近接粒子とi番目の粒子との距離の値におけるポテンシャルエネルギ関数のグラジエント(Gradient)の値から力を算出する。力演算部122は、近接粒子がi番目の粒子に及ぼす力を全ての近接粒子について足し合わせることによって、i番目の粒子に働く力を算出する。 For each neighboring particle, the force calculation unit 122 determines that the neighboring particle is the i-th particle based on the potential energy function between the neighboring particle and the i-th particle and the distance between the neighboring particle and the i-th particle. Calculate the force exerted on. In particular, the force calculator 122 calculates the force from the gradient value of the potential energy function at the distance value between the adjacent particle and the i-th particle. The force calculation unit 122 calculates the force acting on the i-th particle by adding the force exerted by the adjacent particle on the i-th particle for all the adjacent particles.
粒子状態演算部124は粒子データ保持部114に保持される粒子系のデータを参照し、粒子系の各粒子について、離散化された粒子の運動方程式に力演算部122によって演算された力を適用することによって粒子の位置および速度のうちの少なくともひとつを演算する。本実施の形態では、粒子状態演算部124は粒子の位置および速度の両方を演算する。 The particle state calculation unit 124 refers to the particle system data stored in the particle data storage unit 114, and applies the force calculated by the force calculation unit 122 to the discrete particle motion equation for each particle in the particle system. To calculate at least one of the position and velocity of the particles. In the present embodiment, the particle state calculation unit 124 calculates both the position and velocity of the particle.
粒子状態演算部124は、力演算部122によって演算された力を含む離散化された粒子の運動方程式から粒子の速度を演算する。粒子状態演算部124は、粒子系のi番目の粒子について、蛙跳び法やオイラー法などの所定の数値解析の手法に基づき所定の微小な時間刻みΔtを使用して離散化された粒子の運動方程式に、力演算部122によって演算された力を代入することによって、粒子の速度を演算する。この演算には以前の繰り返し演算のサイクルで演算された粒子の速度が使用される。 The particle state calculation unit 124 calculates the velocity of the particle from the discretized particle motion equation including the force calculated by the force calculation unit 122. The particle state calculation unit 124 uses the predetermined minute time step Δt based on a predetermined numerical analysis method such as the jumping method or the Euler method for the i-th particle in the particle system to move the particle. By substituting the force calculated by the force calculation unit 122 into the equation, the velocity of the particle is calculated. For this calculation, the velocity of the particle calculated in the previous cycle of repetition is used.
粒子状態演算部124は、演算された粒子の速度に基づいて粒子の位置を算出する。粒子状態演算部124は、粒子系のi番目の粒子について、所定の数値解析の手法に基づき時間刻みΔtを使用して離散化された粒子の位置と速度の関係式に、演算された粒子の速度を適用することによって、粒子の位置を演算する。この演算には以前の繰り返し演算のサイクルで演算された粒子の位置が使用される。 The particle state calculation unit 124 calculates the position of the particle based on the calculated particle velocity. The particle state calculation unit 124 calculates, for the i-th particle in the particle system, a relational expression between the position and velocity of the particle that is discretized using the time step Δt based on a predetermined numerical analysis technique. The particle position is calculated by applying the velocity. For this calculation, the position of the particle calculated in the previous cycle of repetition calculation is used.
状態更新部126は、粒子データ保持部114に保持される粒子系の各粒子の位置および速度のそれぞれを、粒子状態演算部124によって演算された位置および速度で更新する。 The state update unit 126 updates the position and velocity of each particle of the particle system held in the particle data holding unit 114 with the position and velocity calculated by the particle state calculation unit 124.
終了条件判定部128は、数値演算部120における繰り返し演算を終了すべきか否かを判定する。繰り返し演算を終了すべき終了条件は、例えば繰り返し演算が所定の回数行われたことや、外部から終了の指示を受け付けたことや、粒子系が定常状態に達したことである。終了条件判定部128は、終了条件が満たされる場合、数値演算部120における繰り返し演算を終了させる。終了条件判定部128は、終了条件が満たされない場合、処理を力演算部122に戻す。すると力演算部122は、状態更新部126によって更新された粒子の位置、速度で再び力を演算する。 The end condition determination unit 128 determines whether or not the repetitive calculation in the numerical value calculation unit 120 should be ended. Termination conditions for ending the repetitive calculation are, for example, that the repetitive calculation has been performed a predetermined number of times, that an end instruction has been received from the outside, or that the particle system has reached a steady state. When the end condition is satisfied, the end condition determination unit 128 ends the repetitive calculation in the numerical value calculation unit 120. The end condition determination unit 128 returns the process to the force calculation unit 122 when the end condition is not satisfied. Then, the force calculation unit 122 calculates the force again based on the particle position and speed updated by the state update unit 126.
表示制御部118は、粒子データ保持部114に保持されるデータが表す粒子系の各粒子の位置、速度、磁気モーメントに基づき、ディスプレイ104に粒子系の時間発展の様子やある時刻における状態を表示させる。この表示は、静止画または動画の形式で行われてもよい。 The display control unit 118 displays the state of time evolution of the particle system and the state at a certain time on the display 104 based on the position, velocity, and magnetic moment of each particle of the particle system represented by the data held in the particle data holding unit 114. Let This display may be performed in the form of a still image or a moving image.
図2は、粒子データ保持部114の一例を示すデータ構造図である。粒子データ保持部114は、粒子IDと、粒子の位置と、粒子の速度と、粒子の磁気モーメントと、を対応付けて保持する。 FIG. 2 is a data structure diagram illustrating an example of the particle data holding unit 114. The particle data holding unit 114 holds the particle ID, the position of the particle, the velocity of the particle, and the magnetic moment of the particle in association with each other.
上述の実施の形態において、保持部の例は、ハードディスクやメモリである。また、本明細書の記載に基づき、各部を、図示しないCPUや、インストールされたアプリケーションプログラムのモジュールや、システムプログラムのモジュールや、ハードディスクから読み出したデータの内容を一時的に記憶するメモリなどにより実現できることは本明細書に触れた当業者には理解されるところである。 In the above-described embodiment, examples of the holding unit are a hard disk and a memory. Based on the description in this specification, each unit is realized by a CPU (not shown), an installed application program module, a system program module, a memory that temporarily stores the contents of data read from the hard disk, and the like. It is understood by those skilled in the art who have touched this specification that they can do this.
以上の構成による解析装置100の動作を説明する。
図3は、解析装置100における一連の処理の一例を示すフローチャートである。粒子系取得部108は、RMD法に倣って繰り込まれた粒子系を取得する(S12)。磁気モーメント付与部110は、取得された粒子系の粒子に磁気モーメントを付与する(S14)。磁場演算部121は、粒子系によって生成される磁場を演算する(S16)。力演算部122は、粒子間の距離と各粒子の磁気モーメントから粒子に働く力を演算する(S18)。粒子状態演算部124は、演算された力を含む粒子の運動方程式から粒子の速度と位置を演算する(S20)。状態更新部126は、粒子データ保持部114に保持される粒子の位置、速度を演算された位置、速度で更新する(S22)。終了条件判定部128は、終了条件が満たされるか否かを判定する(S24)。終了条件が満たされない場合(S24のN)、処理はS16〜S22のステップを繰り返す。終了条件が満たされる場合(S24のY)、表示制御部118は、演算結果を出力する(S26)。
The operation of the analysis apparatus 100 configured as above will be described.
FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a series of processes in the analysis apparatus 100. The particle system acquisition unit 108 acquires a particle system that has been transferred in accordance with the RMD method (S12). The magnetic moment imparting unit 110 imparts a magnetic moment to the acquired particle-based particles (S14). The magnetic field calculation unit 121 calculates a magnetic field generated by the particle system (S16). The force calculator 122 calculates the force acting on the particles from the distance between the particles and the magnetic moment of each particle (S18). The particle state calculation unit 124 calculates the velocity and position of the particle from the equation of motion of the particle including the calculated force (S20). The state update unit 126 updates the position and speed of the particles held in the particle data holding unit 114 with the calculated position and speed (S22). The termination condition determination unit 128 determines whether the termination condition is satisfied (S24). If the end condition is not satisfied (N in S24), the process repeats steps S16 to S22. When the end condition is satisfied (Y in S24), the display control unit 118 outputs the calculation result (S26).
粒子法は一般に、流体や分離現象や切断加工などの動的な解析対象をより好適に扱える。
そして本実施の形態に係る解析装置100によると、粒子法による解析と磁気モーメントに基づく磁場解析とを連成することができる。したがって、動的な解析対象を、磁場などの磁気的な性質も含めてより精度高くかつ短時間で解析することが可能となる。
In general, the particle method can more appropriately handle dynamic analysis objects such as fluid, separation phenomenon, and cutting.
And according to the analysis apparatus 100 which concerns on this Embodiment, the analysis by a particle method and the magnetic field analysis based on a magnetic moment can be coupled. Therefore, it is possible to analyze a dynamic analysis target with higher accuracy and in a short time including magnetic properties such as a magnetic field.
例えば解析対象が砂鉄の場合、従来の有限要素法などのメッシュベースの解析手法ではメッシュを好適に設定することができないので、うまくシミュレーションすることが困難である。そこで本実施の形態に係る解析装置100によると、砂鉄の磁性を考慮に入れた形で砂鉄を粒子法で好適に解析することができる。 For example, when the object to be analyzed is iron sand, meshes cannot be suitably set by a mesh-based analysis method such as a conventional finite element method, so that it is difficult to simulate well. Therefore, according to the analysis apparatus 100 according to the present embodiment, the iron sand can be suitably analyzed by the particle method in a form that takes into account the magnetism of the iron sand.
また例えば解析対象がモータの場合、固定体に対して回転体が回転するので、やはりメッシュベースの解析手法は不向きであり静解析に止まる。そこで、本実施の形態に係る解析装置100によると、回転体の回転を粒子法により高精度にシミュレーションしつつ、回転体と固定体との磁気的相互作用を動的に扱うことができる。さらに、誘導モータのように電磁誘導現象を含む解析対象であっても、電磁誘導現象を考慮に入れた誘導磁化と、誘導磁化に基づいた磁気モーメントを付与することにより、磁場の時間変化を加味した磁気的相互作用を扱うことができる。 For example, when the analysis target is a motor, the rotating body rotates with respect to the fixed body, so that the mesh-based analysis method is not suitable and the static analysis is stopped. Therefore, according to the analysis apparatus 100 according to the present embodiment, the magnetic interaction between the rotating body and the fixed body can be dynamically handled while simulating the rotation of the rotating body with high accuracy by the particle method. Furthermore, even for an analysis object including an electromagnetic induction phenomenon, such as an induction motor, the time variation of the magnetic field can be taken into account by applying an induction magnetization that takes the electromagnetic induction phenomenon into account and a magnetic moment based on the induction magnetization. Can handle magnetic interactions.
以下、解析装置100で使用される解析手法の原理について説明する。 Hereinafter, the principle of the analysis method used in the analysis apparatus 100 will be described.
磁場はマクロなベクトルポテンシャル:
なお、真球のバルク材に本手法を適用する場合、n=0のみ採用すると、一様な磁化が得られず、磁気モーメント法と同様な結果になる。高次の項を加える事で改善できる。FEMは一様になる。
Magnetic field is a macro vector potential:
When this method is applied to a true spherical bulk material, if only n = 0 is adopted, uniform magnetization cannot be obtained, and the same result as the magnetic moment method is obtained. It can be improved by adding higher order terms. The FEM becomes uniform.
デカルト座標系に変換(
P−13はマトリクスが優対角でない(j=pが除外されている) から収束は遅い。そこで、以下の運動方程式から解を得る。
FIRE(非特許文献1参照)を追加すればさらに高速化が可能。以下にFIREのコードを示す。なお、粒子数802、残差<10−8における計算で10.05[s]である。FIRE無しでは、残差が10−5以下にならなかった。
以下にLegendre 関数と倍Legendre 関数の特別な場合を列挙する。(x:=cosθj)
以下に、x軸方向にBox=0.1[T]の一様な外場においた磁性球(帯磁率が999)の磁化
図4は、n=1次までの展開に対応する計算結果を示す図である。厳密解μoMx=0.2991[T]に対し計算値は平均0.346231[T]である。磁化は外場Bx=0.1[T]に平行かつ一様であることが確認できる。残差1e−13以下で、計算時間は約80分であった。 FIG. 4 is a diagram showing calculation results corresponding to expansions up to n = 1. For the exact solution μ o M x = 0.2991 [T], the calculated value is an average of 0.346231 [T]. It can be confirmed that the magnetization is parallel and uniform to the external field B x = 0.1 [T]. The residual was less than 1e-13 and the calculation time was about 80 minutes.
図5は、n=2次までの展開に対応する計算結果を示す図である。厳密解μoMx=0.2991[T]に対し計算値は平均0.321891[T]である。磁化は外場Bx=0.1[T]に平行かつ一様であることが確認できる。残差1e−8以下で、計算時間は約3 時間であった。残差は1e−9以下に落ちなかった。 FIG. 5 is a diagram showing a calculation result corresponding to the expansion up to n = 2 order. For the exact solution μ o M x = 0.2991 [T], the calculated value is an average of 0.321891 [T]. It can be confirmed that the magnetization is parallel and uniform to the external field B x = 0.1 [T]. The residual was less than 1e-8 and the calculation time was about 3 hours. The residual did not fall below 1e-9.
図6は、n=3次までの展開に対応する計算結果を示す図である。厳密解μoMx=0.2991[T]に対し計算値は平均0.312444[T]である。磁化は外場Bx=0.1[T]に平行かつ一様であることが確認できる. FIG. 6 is a diagram showing calculation results corresponding to expansions up to n = third order. For the exact solution μ o M x = 0.2991 [T], the calculated value is an average of 0.312444 [T]. It can be confirmed that the magnetization is parallel and uniform to the external field B x = 0.1 [T].
図7は、n=4次までの展開に対応する計算結果を示す図である。厳密解μoMx=0.2991[T]に対し計算値は平均0.312222[T]である。磁化は外場Bx=0.1[T]に平行かつ一様であることが確認できる。約5時間後において、残差は1e−9以下に落ちなかった。 FIG. 7 is a diagram illustrating calculation results corresponding to expansions up to n = 4th order. For the exact solution μ o M x = 0.2991 [T], the calculated value is an average of 0.312222 [T]. It can be confirmed that the magnetization is parallel and uniform to the external field B x = 0.1 [T]. After about 5 hours, the residual did not fall below 1e-9.
図8は、球面調和関数の次数と計算値との関係を示す図である。次数を上げると厳密解に近づくことが分かる。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the order of the spherical harmonic function and the calculated value. It can be seen that increasing the order approaches the exact solution.
解析装置100で使用される解析手法の原理を、次のように説明することもできる。 The principle of the analysis method used in the analysis apparatus 100 can also be described as follows.
スピンの向きをz軸に取り、aを原子半径とする。格子点jにあるスピンSjz(磁気モーメントmjz)を発生させる円電流は
デカルト座標系に変換(
ここで、Q−21の右辺第1項(またはQ−21−2)は、時間変化する外部磁場により各粒子に誘起される誘導磁化Mantを表す項である。また、Q−21の右辺第2項およびQ−22の右辺は、Q−21−4式で表される各粒子の誘導磁化に基づいた磁気モーメントmant同士の相互作用により得られる磁場を表す項である。誘導磁場をこのように表すことで、時間変化する外部磁場による影響を考慮した動磁場解析を実現することができる。 Here, the first term (or Q-21-2) on the right side of Q-21 is a term representing the induced magnetization M ant induced in each particle by an external magnetic field that changes over time. Further, the second term on the right side of Q-21 and the right side of Q-22 represent the magnetic field obtained by the interaction between magnetic moments mant based on the induced magnetization of each particle represented by the formula Q-21-4. Term. By expressing the induced magnetic field in this way, it is possible to realize a dynamic magnetic field analysis that takes into account the influence of a time-varying external magnetic field.
なお、繰り込みに際し、電気伝導度σは
Q−21−2右辺のLagrange 微分
磁性体内部に生じる磁場は、
非線形磁化とヒステリシス
Q−27とQ−24から磁場
図9は、ヒステリシスカーブを示す図である。ヒステリシスカーブとB+2μoH=3Boの交点からMを求める。今
磁場の粒子化法
Q−19はマトリクスが優対角でない(j=pが除外されている)から収束は遅い。そこで、以下の運動方程式から解を得る。
模型を考える:
離散化
蛙飛び法(速度はnとn+1の中間点における評価)に従い離散化すれば、収束回数をsと書き、
FIREによる高速化:静磁場解析にのみ有効
FIRE(非特許文献1参照)を追加すればさらに高速化が可能。以下にFIREのコードを示す。なお、粒子数802、残差<10−8における計算で10.05[s]である。FIRE無しでは、残差が10−5以下にならなかった。
精度検証:球体の一様磁化
図10は、ビーズにより構成される導体球の解析モデルを示す図である。精度検証では、x軸方向にHext,x=HOsin(2πft)となる空間一様な外部磁界を印加した。ここで、HO=7.958×104[A/m]、f=200[Hz]、導体球の半径A=10[mm]、電気電導率σ=59×106[S/m]とした。導体球を構成する粒子(原子)数は、6099個とし、fcc構造に配置した。
Accuracy Verification: Uniform Magnetization of Sphere FIG. 10 is a diagram showing an analysis model of a conductor sphere composed of beads. In the accuracy verification, a spatially uniform external magnetic field satisfying H ext, x = H O sin (2πft) was applied in the x-axis direction. Here, H 2 O = 7.958 × 10 4 [A / m], f = 200 [Hz], radius of the conductor sphere A = 10 [mm], electrical conductivity σ = 59 × 10 6 [S / m] It was. The number of particles (atoms) constituting the conductor sphere was 6099, and the conductor sphere was arranged in an fcc structure.
図11は、導体球表面での時間変化する磁界の計算値を示すグラフであり、導体表面近傍に位置する粒子の重心位置(rx=9.89[mm]、ry=rz=0)上の磁界Hxの時間変化を示す。なお、本図では、シミュレーションによる計算結果とともに、外部磁界および厳密解による値も示している。誘導磁界の影響により、導体内部の磁界が外部磁界に対して位相が遅れて変化する様子を再現することができており、計算結果と厳密解の傾向は良く一致することが示された。 FIG. 11 is a graph showing the calculated value of the time-varying magnetic field on the surface of the conductor sphere, on the barycentric position (rx = 9.89 [mm], ry = rz = 0) of the particles located near the conductor surface. The time change of the magnetic field Hx is shown. In addition, in this figure, the value by an external magnetic field and exact solution is also shown with the calculation result by simulation. It was shown that the magnetic field inside the conductor changed with a phase lag with respect to the external magnetic field due to the influence of the induced magnetic field, and the tendency of the exact solution was in good agreement with the calculation result.
図12は、計算値の位相誤差と振幅誤差を示すグラフであり、x軸上に位置する粒子の重心位置における磁界の位相誤差εphaseと振幅誤差εamplitudeを示す。位相誤差εphaseおよび振幅誤差εamplitudeは、
Legendre関数の級数表示
以下にLegendre関数と倍Legendre関数の特別な場合を列挙する。(x:=cosθj)
粒子に働く力の導出
粒子(電子と核)と、粒子磁場間の相互作用を記述するLagrangeanは
粒子に働く力は、直接Maxwellの応力テンソルからも求まる。
磁化による電流
微係数の計算
以下に必要な微分係数を書き出す。
磁気モーメントが作る磁化電流の計算
z軸に平行に磁化したとき
今一度、z軸に磁化したときの磁場を書く
x軸に平行に磁化したとき
x軸に磁化したときの磁場を書く:
y軸に平行に磁化したとき
y軸に磁化したときの磁場を書く:
誘導磁界が作る渦電流の計算
導体内部の誘導磁場は、Q−21より、
粒子に働く力の計算
mx、my、mzと渦電流による寄与を加えれば、全電流が得られる。
(第2の実施の形態)
上述の第1の実施の形態では、Q−21の右辺第1項に示される誘導磁化と、右辺第2項に示される磁気モーメントの相互作用とにより表される誘導磁場の式(Q−21)を用いて動磁場解析を行う場合を示した。本実施の形態では、Q−21の式を用いる代わりに、ベクトルポテンシャルの微分方程式から導出されるベクトルポテンシャルの厳密解を利用して誘導磁場を定式化する。以下、第1の実施の形態との相違点を中心に述べる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, the induced magnetic field equation (Q-21) expressed by the induced magnetization shown in the first term on the right side of Q-21 and the interaction of the magnetic moment shown in the second term on the right side. ) Was used to perform the dynamic magnetic field analysis. In the present embodiment, instead of using the equation of Q-21, the induced magnetic field is formulated using the exact solution of the vector potential derived from the differential equation of the vector potential. Hereinafter, the difference from the first embodiment will be mainly described.
ベクトルポテンシャルAについて、以下の微分方程式が成立する。
このとき、各対象物を粒子に分割することにより、ベクトルポテンシャルAの並進対称性を失うおそれがある。そこで、本発明者は、下記S−4に示されるゲージ変換を導入することにより、ベクトルポテンシャルAの並進対称性を回復できることを見いだした。なお、このゲージ変換を本明細書において「ビーズゲージ」ともいう。
上記のビーズゲージについて、磁束密度BとベクトルポテンシャルAの関係式
ここで、S−4に示すゲージ変換から、S−3の右辺に含まれるベクトルポテンシャルの時間微分
ベクトルポテンシャルAの厳密解を導出するため、まず、磁束密度Bのz成分の時間微分である、
解析対象とする導体内部を記述する誘導磁場Hは、
磁場演算部121は、粒子系により生成される誘導磁場を、S−13に示す誘導磁場の式を用いて演算する。誘導磁場の時間変化値を得るための計算は、上述の第1の実施の形態で示したものと同様の方法を用いればよい。磁場演算部121は、得られた誘導磁場から電流密度を計算してもよい。また、力演算部122は、得られた磁場および電流の値から、各粒子に作用する電磁力を計算してもよい。 The magnetic field calculation unit 121 calculates the induction magnetic field generated by the particle system using the expression of the induction magnetic field shown in S-13. The calculation for obtaining the time change value of the induced magnetic field may be performed using the same method as that shown in the first embodiment. The magnetic field calculation unit 121 may calculate the current density from the obtained induced magnetic field. Moreover, the force calculation part 122 may calculate the electromagnetic force which acts on each particle | grain from the value of the obtained magnetic field and electric current.
本実施の形態において、S−5に示す局所重心ベクトルgiは、互いに同電位となる粒子群に対して導入され、電気的に互いに絶縁される複数の粒子群に対しては、それぞれ別の局所重心ベクトルが導入される。例えば、解析対象とする粒子系において、互いが電気的に絶縁される複数の部分を有する場合、それぞれの部分を構成する粒子群に対して重心位置の異なる局所重心ベクトルが適用される。また、解析対象とする物体が時間経過とともに変形して複数の物体に分裂し、分裂した部分同士が互いに絶縁した状態となる場合には、それぞれの部分を構成する粒子群に対して重心位置の異なる局所重心ベクトルを適用する。 In this embodiment, the local centroid vector g i shown in S-5 is introduced to the particle group to be the same potential, for multiple particle groups electrically insulated from one another, the separate A local centroid vector is introduced. For example, when the particle system to be analyzed has a plurality of portions that are electrically insulated from each other, local centroid vectors having different centroid positions are applied to the particle groups constituting each portion. In addition, when the object to be analyzed deforms over time and splits into a plurality of objects, and the split parts are insulated from each other, the center of gravity position is set to the particle group constituting each part. Apply different local centroid vectors.
したがって、解析対象の粒子系に、電気的に互いが絶縁される第1粒子群および第2粒子群を含む複数の粒子群が配置される場合、磁場演算部121は、それぞれの粒子群に対応する誘導磁場の式を用いて解析をする。例えば、第1粒子群における誘導磁場は、第1粒子群の重心位置を表す第1局所重心ベクトルを用いたゲージ変換により導出される第1の誘導磁場の式を用いて演算される。また、第2粒子群における誘導磁場は、第2粒子群の重心位置を表す第2局所重心ベクトルを用いたゲージ変換により導出される第2の誘導磁場の式を用いて演算される。より具体的には、S−13に示す誘導磁場の式において、右辺第1項に含まれるdijがそれぞれの粒子群での計算において異なる値をとることとなる。 Therefore, when a plurality of particle groups including the first particle group and the second particle group that are electrically insulated from each other are arranged in the particle system to be analyzed, the magnetic field calculation unit 121 corresponds to each particle group. Analyze using the induction magnetic field formula. For example, the induced magnetic field in the first particle group is calculated using the first induced magnetic field equation derived by gauge conversion using the first local centroid vector representing the centroid position of the first particle group. The induced magnetic field in the second particle group is calculated using the second induced magnetic field expression derived by gauge conversion using the second local centroid vector representing the centroid position of the second particle group. More specifically, in the induction magnetic field equation shown in S-13, dij included in the first term on the right side takes a different value in the calculation for each particle group.
本実施の形態に係る誘導磁場の式(S−13)を用いた解析手法について精度検証を行った。第1の実施の形態と同様に、図10に示す導体球の解析モデルを用い、x軸方向にHext,x=HOsin(2πft)となる空間一様な外部磁界を印加した。計算条件は、HO=7.948×104[A/m]、f=100[Hz]、導体球の半径A=10[mm]、電気電導率σ=59×106[S/m]とした。導体球を構成する粒子(原子)数は、6099個とし、fcc構造に配置した。 The accuracy of the analysis method using the induction magnetic field formula (S-13) according to the present embodiment was verified. Similar to the first embodiment, a spatially uniform external magnetic field of H ext, x = H O sin (2πft) is applied in the x -axis direction using the conductor sphere analysis model shown in FIG. The calculation conditions are: H 2 O = 7.948 × 10 4 [A / m], f = 100 [Hz], radius of the conductor sphere A = 10 [mm], electric conductivity σ = 59 × 10 6 [S / m ]. The number of particles (atoms) constituting the conductor sphere was 6099, and the conductor sphere was arranged in an fcc structure.
図13は、導体球表面での磁界、電流密度および電磁力の計算値を示すグラフである。本図は、導体表面近傍に位置する粒子の重心位置における、(a)磁界Hx、(b)電流密度jz、(c)電磁力Fyの時間変化を示す。本図では、厳密解の値を実線で、計算値を破線で示している。図示されるように、本実施の形態に係る解析手法を用いると、計算結果と厳密解がよく一致することがわかった。 FIG. 13 is a graph showing calculated values of the magnetic field, current density, and electromagnetic force on the surface of the conductor sphere. This figure shows the time change of (a) magnetic field Hx, (b) current density jz, and (c) electromagnetic force Fy at the position of the center of gravity of particles located near the conductor surface. In the figure, the exact solution value is indicated by a solid line, and the calculated value is indicated by a broken line. As shown in the figure, it has been found that when the analysis method according to the present embodiment is used, the calculation result and the exact solution agree well.
(第3の実施の形態)
上述の第1の実施の形態では、対象物を粒子に分割し、各粒子の球対称性に基づく厳密解を利用することで、高速かつ精度の優れた演算結果を得ている。しかしながら、連続体である対象物を粒子で分割すると粒子間に隙間が生じるため、その隙間に起因する計算誤差がどうしても生じてしまう。特に、粒子間の距離が近い場合の粒子近傍の磁場を計算する場合に誤差の影響が大きくなる。計算精度を高めるためには、対象物を立方体やボロノイ多面体といったボクセルに分割し、これらのボクセルにより隙間なく対象物を分割する必要がある。この場合、ボクセルの形状に応じた厳密解に基づく面積分を実行する必要があるため計算時間が膨大となる。
(Third embodiment)
In the above-described first embodiment, an object is divided into particles, and an exact solution based on the spherical symmetry of each particle is used to obtain a calculation result with high speed and excellent accuracy. However, when an object that is a continuum is divided by particles, gaps are generated between the particles, and calculation errors due to the gaps are inevitably generated. In particular, when calculating the magnetic field near the particle when the distance between the particles is short, the influence of the error becomes large. In order to increase the calculation accuracy, it is necessary to divide the object into voxels such as a cube and a Voronoi polyhedron, and to divide the object without gaps by these voxels. In this case, since it is necessary to execute the area based on the exact solution according to the shape of the voxel, the calculation time becomes enormous.
本実施の形態では、粒子近傍の磁場を演算する場合にボクセル形状に応じた厳密解を利用し、近似による誤差がほぼ無視できる粒子遠方の磁場を演算する場合に双極子近似を利用する。このとき、ボクセル形状に応じた厳密解の計算を都度実行するのではなく、あらかじめボクセルに付与される磁気モーメントのベクトル量とそのボクセルが作る磁場のベクトル量との対応関係を厳密解に基づいて算出しておき、その対応関係を参照することで各粒子の近傍における磁場を演算する。したがって、本実施の形態によれば、負荷の高い面積分の都度演算を回避しつつ、あらかじめ算出した厳密解に基づく対応関係を用いて磁場を高精度かつ高速に演算することができる。以下、本実施の形態について、上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。 In the present embodiment, an exact solution corresponding to the voxel shape is used when calculating the magnetic field in the vicinity of the particle, and dipole approximation is used when calculating the magnetic field far from the particle where the error due to the approximation can be almost ignored. At this time, instead of executing the exact solution calculation according to the voxel shape each time, the correspondence between the vector amount of the magnetic moment given to the voxel in advance and the vector amount of the magnetic field created by the voxel is based on the exact solution. The magnetic field in the vicinity of each particle is calculated by calculating and referring to the correspondence. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to calculate the magnetic field with high accuracy and at high speed using the correspondence relationship based on the exact solution calculated in advance while avoiding the calculation for each area with a high load. Hereinafter, the present embodiment will be described focusing on differences from the above-described embodiment.
仮想空間内に定義される観測点riの磁場は、各微小体積dv’の磁化M(r’)が作る磁場を全空間にわたって積分することにより得られ、下記式(T−1)により表される。式(T−1)は、体積分の項と面積分の項に分けることによって、式(T−2)に変形できる。なお、Vは領域体積、Sは表面積、nSは表面の法線ベクトルである。
磁気ビーズ法では、対象空間をN個の粒子(ビーズ)に分割し、各ビーズ内部の磁化ベクトルMjが一定であるとし、式(T−1)を双極子近似して得られる下記式(T−3)により座標riの磁場ベクトルH(ri)を計算する。ここで、rij=ri−rj,nij=rij/|rij|であり、ΔVjはビーズ体積であり、γjはビーズの充填率である。
一方、磁気モーメント法では、対象をN個の要素(ボクセル)に分割し、要素内部の磁化ベクトルMjは一定であるとし、式(T−2)を変形して得られる下記式(T−4)により座標riの磁場ベクトルH(ri)を計算する。ここで、dsjは各要素の微小表面を意味し、ボクセルが正六面体(立方体)であれば、6つの表面について面積分を実行する必要がある。
磁気ビーズ法と磁気モーメント法を比較すると、計算精度については磁気モーメント法が優れており、計算速度については磁気ビーズ法が優れている。磁気ビーズ法は、連続体をN個の球形状の粒子に分割し、各粒子が作る磁場を双極子近似して求めているため、各粒子近傍の磁場の計算精度が低い。その一方で、各粒子から離れた遠方領域の磁場については双極子近似による誤差が無視できるために計算精度が高い。磁気モーメント法は、各要素間に隙間が生じないように連続体を多面体要素に分割するため、磁気ビーズ法において生じるような近似誤差がなく、計算精度が高い。 Comparing the magnetic bead method and the magnetic moment method, the magnetic moment method is superior in calculation accuracy, and the magnetic bead method is excellent in calculation speed. In the magnetic bead method, the continuum is divided into N spherical particles, and the magnetic field generated by each particle is obtained by dipole approximation, so the calculation accuracy of the magnetic field in the vicinity of each particle is low. On the other hand, for the magnetic field in a distant region away from each particle, the error due to the dipole approximation can be ignored, so the calculation accuracy is high. In the magnetic moment method, the continuum is divided into polyhedral elements so that no gap is generated between the elements, so that there is no approximation error that occurs in the magnetic bead method, and the calculation accuracy is high.
磁気モーメント法では、上記式(T−4)に示される面積分を高精度で実行する必要があり、数値積分法や厳密解での計算が必須である。このとき、多面体要素が有する面数n(立方体であればn=6)の回数だけ面積分を実行する必要があり、積分回数が多くなることによって計算時間が膨大となる。一方、磁気ビーズ法では、ビーズの球形状に基づく厳密解を利用すれば、上記式(T−3)に示されるように面積分が含まれないため、計算時間が少なくて済む。 In the magnetic moment method, it is necessary to execute the area shown in the above formula (T-4) with high accuracy, and calculation with a numerical integration method or an exact solution is essential. At this time, the area needs to be executed by the number of times n (n = 6 in the case of a cube) that the polyhedral element has, and the calculation time becomes enormous as the number of integration increases. On the other hand, in the magnetic bead method, if an exact solution based on the spherical shape of the bead is used, the area is not included as shown in the above formula (T-3), so that the calculation time can be reduced.
そこで、本実施の形態では、計算精度と計算速度を両立させるために、双極子近似が成立する遠方領域内の磁場の計算では、磁気ビーズ法に基づく式(T−3)を利用し、双極子近似が成立しない近傍領域内の磁場の計算では、磁気モーメント法に基づく式(T−4)を利用する。さらに、式(T−4)に基づく演算処理を高速化させるために、面積分の演算結果をあらかじめ算出し、磁化ベクトルMjと、磁化ベクトルMjがその周りに作る磁場Hjとの対応関係を定める磁場テーブルを用意する。シミュレーション実行時の演算処理では、面積分を都度実行する代わりにあらかじめ用意した磁場テーブルを参照して磁場を演算する。 Therefore, in this embodiment, in order to achieve both the calculation accuracy and the calculation speed, the calculation of the magnetic field in the far region where the dipole approximation is established uses the formula (T-3) based on the magnetic bead method, In the calculation of the magnetic field in the vicinity region where the child approximation is not established, the formula (T-4) based on the magnetic moment method is used. Further, in order to speed up the calculation processing based on the equation (T-4), the calculation result for the area is calculated in advance, and the correspondence between the magnetization vector M j and the magnetic field H j formed around the magnetization vector M j Prepare a magnetic field table that defines the relationship. In the calculation processing at the time of executing the simulation, the magnetic field is calculated by referring to a magnetic field table prepared in advance instead of executing the area for each time.
図14は、基準粒子Vjの周りに設定される近傍領域CAおよび遠方領域CBを模式的に示す図である。図14は、対象物が立方体形状の要素(ボクセル)で分割される場合を示しており、各要素の頂点に格子点Gkが設定される。各立方体要素の一辺の長さは、粒子の半径aの2倍(2a)である。基準粒子(基準要素)Vjを中心として直交座標系(ξ,η,ζ)が設定され、立方体の中心に各要素の座標rjが設定される。基準粒子Vjの周りには半径asの仮想的な球が定められ、この球の内部が近傍領域CAとなり、外側が遠方領域CBとなる。近傍領域CAを規定する球の半径asは、双極子近似が成立する距離に応じて決定され、例えば、粒子径aの4倍以上、好ましくは粒子径aの6倍以上の値が半径asとして設定される。図示する例では、球の半径asを粒子径aの6倍(つまり、as=6a)としている。 FIG. 14 is a diagram schematically showing a near region C A and a far region C B set around the reference particle V j . FIG. 14 shows a case where the object is divided by cubic elements (voxels), and lattice points Gk are set at the vertices of each element. The length of one side of each cubic element is twice the particle radius a (2a). An orthogonal coordinate system (ξ, η, ζ) is set around the reference particle (reference element) V j, and the coordinates r j of each element are set at the center of the cube. Around the reference particles V j determined that virtual sphere of radius a s, the interior of the sphere becomes neighboring region C A, outside the far region C B. The radius a s of the sphere that defines the neighborhood region C A is determined according to the distance at which the dipole approximation is established. For example, the radius is 4 times or more of the particle diameter a, preferably 6 times or more of the particle diameter a. It is set as a s. In the illustrated example, 6 times the radius a s a particle diameter a sphere (i.e., a s = 6a) is set to.
図14において、基準粒子Vjが周りに作る磁場のうち、遠方領域CBの任意の座標riにおける磁場HB(ri)は、式(T−3)に基づいて算出される。一方、基準粒子Vjが周りに作る磁場のうち、近傍領域CAの内部の任意の座標riにおける磁場HA(ri)は、座標riに近接する複数の格子点G1〜G4(実際には、後述する図15に示す8個の格子点)の磁場を平均化することにより算出される。各格子点の磁場は、式(T−4)に基づいて算出されるものであり、格子点ごとにあらかじめ算出される磁場テーブルの値を用いて演算される。 In FIG. 14, the magnetic field H B (r i ) at an arbitrary coordinate r i in the far region C B among the magnetic fields generated by the reference particle V j around is calculated based on the equation (T-3). On the other hand, among the magnetic fields generated by the reference particle V j around, the magnetic field H A (r i ) at an arbitrary coordinate r i inside the neighboring region C A is a plurality of lattice points G 1 to G that are close to the coordinate r i. 4 (actually, it is calculated by averaging the magnetic field of 8 lattice points shown in FIG. 15 described later). The magnetic field at each lattice point is calculated based on the equation (T-4), and is calculated using the value of the magnetic field table calculated in advance for each lattice point.
図15は、近接する複数の格子点の磁場H1〜H8から観測点riの磁場HAを算出する方法を模式的に示す図である。近傍領域CA内の磁場HAは、磁場HAの演算対象となる座標(ξ,η,ζ)を囲む8個の格子点における磁場Hk(k=1〜8)を平均化することにより算出され、下記式(T−5)で表される。なお、Nk(ξ,η,ζ)は、式(T−6)で表される。
ここで、基準粒子Vjが各格子点Gk(位置ri)に作る磁場Hkは、式(T−4)から下記式(T−7)で表すことができる。
式(T−7)で表される磁場Hkは、面積分を利用した厳密解である。ここで、式(T−7)を変形し、磁場Hkと磁化ベクトルMjの対応関係を定めるテンソルTkを用いて下記式(T−8)のように表すことができれば、任意の磁化ベクトルMjを有する粒子が各格子点Gkに作る磁場Hkを容易に算出できるようになる。式(T−7)から、テンソルTkの各成分は、下記式(T−9)で表すことができる。なお、nx,ny,nzはそれぞれx方向、y方向、z方向の単位ベクトルであり、xij,yij,zijはそれぞれ、基準粒子Vjから観測点(格子点)までの距離rijのx成分、y成分、z成分である。
そこで、本実施の形態では、式(T−9)で表されるテンソルTkの各成分の数値解をあらかじめ算出し、その数値解と磁化ベクトルMjの積から各格子点の磁場Hkを算出し、さらに、近傍領域CA内の磁場HAを算出できるようにする。つまり、下記式(T−10)を用いて近傍領域CA内の磁場HAを演算する。あらかじめテンソルTkの各成分の数値を求めておけば、式(T−10)の計算に面積分が含まれないため、面積分を都度実行する場合よりも非常に短い時間で精度の高い計算結果を得ることができる。
図16は、近傍領域CAの任意の座標riにて磁場HAを演算するために必要となる格子点Gkを模式的に示す図である。仮想的な半径asの球の内部の全ての座標riで磁場HAを計算できるようにするためには、近傍領域CAを囲うことのできるボクセル群の範囲内(太線の範囲内)の全ての格子点Gkについて、磁場HAと磁化ベクトルMjの対応関係を定めるテンソルTkを算出しておけばよい。例えば、近傍領域CAを定める範囲がビーズ径aの6倍であれば、事前計算が必要となる格子点の数は500個未満である。この数は、仮想空間内に定義される粒子系に含まれる全粒子数よりも少ない。そのため、全粒子が作る磁場を面積分を用いて1回計算するよりも短い時間で、磁気的な対応関係を定めるテンソルTkを導出することができる。つまり、磁気テーブルを算出するための演算負荷はそれほど高くなく、全計算時間に占める磁気テーブルの算出時間の割合は小さい。 Figure 16 is a diagram schematically showing the grid points G k which is necessary for calculating the magnetic field H A in any coordinate r i proximity area C A. To be able to calculate the magnetic field H A in all coordinates r i of the internal sphere of the virtual radius a s is in the range of voxels that can surround a neighboring region C A (within the heavy line) The tensor T k that defines the correspondence between the magnetic field HA and the magnetization vector M j may be calculated for all the lattice points G k in FIG. For example, if the range defining the neighborhood region C A is 6 times the bead diameter a, the number of grid points that need to be pre-calculated is less than 500. This number is less than the total number of particles contained in the particle system defined in the virtual space. Therefore, it is possible to derive the tensor T k that defines the magnetic correspondence in a shorter time than calculating the magnetic field generated by all particles once using the area. That is, the calculation load for calculating the magnetic table is not so high, and the ratio of the calculation time of the magnetic table to the total calculation time is small.
つづいて、磁気的な対応関係を定めるテンソルTkの具体的な計算方法の一例を示す。テンソルTkの各成分の数値解の演算方法は、式(T−9)の計算が実行できれば特に問わないが、例えば、非特許文献3に開示される方法を用いることができる。図17(a)、(b)、(c)は、立方体表面の面積分を実行する方法の一例を模式的に示す図である。まず、面積分の対象となる六つの面の一つを取り出し、取り出した正方形を二つに分割した微小な三角形を考える。このようにして六つの面を12個の微小な三角形に分割し、微小三角形ごとに面積分を実行する。 Next, an example of a specific method for calculating the tensor T k that defines the magnetic correspondence will be described. The calculation method of the numerical solution of each component of the tensor T k is not particularly limited as long as the calculation of Expression (T-9) can be performed. For example, the method disclosed in Non-Patent Document 3 can be used. FIGS. 17A, 17 </ b> B, and 17 </ b> C are diagrams schematically illustrating an example of a method for executing the area of the cube surface. First, take out one of the six faces that are the target of the area, and consider a small triangle that is obtained by dividing the square that was taken out into two. In this way, the six surfaces are divided into 12 minute triangles, and the area is executed for each minute triangle.
図18は、微小三角形の面積分を実行する方法を模式的に示す図である。図18に示すローカル座標系(x’,y’,z’)において、面積分の対象となる微小三角形△123がx’y’平面内に配置され、微小三角形△123により作られる磁場ΔHkの座標riがz’軸上に配置されるように座標変換を施す。このとき、微小三角形△123により作られる磁場ΔHkについて、ΔHk=ΔTkMjと表すと、微小三角形Δ123に起因するテンソルΔTkは、下記式(T−11)で表される。式(T−11)に含まれる各変数は、式(T−12)で定義される。 FIG. 18 is a diagram schematically illustrating a method of executing the area of a minute triangle. In the local coordinate system (x ′, y ′, z ′) shown in FIG. 18, the minute triangle Δ123 that is the target for the area is arranged in the x′y ′ plane, and the magnetic field ΔH k created by the minute triangle Δ123. The coordinate transformation is performed so that the coordinates r i of are arranged on the z ′ axis. At this time, if the magnetic field ΔH k created by the minute triangle Δ123 is expressed as ΔH k = ΔT k M j , the tensor ΔT k resulting from the minute triangle Δ123 is expressed by the following formula (T-11). Each variable included in Expression (T-11) is defined by Expression (T-12).
このようにして微小三角形Δ123に起因して得られるテンソルΔTkを基準粒子Vjの全ての面について演算して足し合わせることで、磁気的な対応関係を定めるテンソルTkを導出できる。磁気的な対応関係を定めるテンソルTkは、近傍領域CAの任意の座標riで磁場HAを演算するために必要となる全て格子点Gkについて計算され、その数値解が磁気テーブルとして保持される。 Thus, by calculating and adding up the tensors ΔT k resulting from the minute triangle Δ123 for all the surfaces of the reference particle V j , it is possible to derive the tensors T k that define the magnetic correspondence. The tensor T k that defines the magnetic correspondence is calculated for all lattice points G k that are necessary to calculate the magnetic field H A at an arbitrary coordinate r i of the neighboring region C A , and the numerical solution is used as a magnetic table. Retained.
図19は、実施の形態に係る解析装置200の機能および構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る解析装置200は、基準データ保持部230をさらに備える点で図1に示す解析装置100と相違する。基準データ保持部230は、基準粒子に付与される磁気モーメントのベクトル量と、基準粒子が周りに作る磁場の厳密解のベクトル量との対応関係を保持する。つまり、基準データ保持部230は、磁気的な対応関係を定めるテンソルTkの数値解が格子点Gkごとに定められた磁気テーブルを保持する。 FIG. 19 is a block diagram illustrating functions and configurations of the analysis apparatus 200 according to the embodiment. The analysis apparatus 200 according to the present embodiment is different from the analysis apparatus 100 shown in FIG. 1 in that it further includes a reference data holding unit 230. The reference data holding unit 230 holds a correspondence relationship between the vector amount of the magnetic moment applied to the reference particle and the vector amount of the exact solution of the magnetic field generated by the reference particle. That is, the reference data holding unit 230 holds a magnetic table in which a numerical solution of a tensor T k that defines a magnetic correspondence is determined for each lattice point G k .
磁場演算部121は、粒子系取得部108および磁気モーメント付与部110によって定義された粒子系に応じて、上述の磁気テーブルを導出するための演算処理を実行する。磁場演算部121は、粒子系の定義に応じて近傍領域CAを設定し、磁気的な対応関係を定めるテンソルTkの算出が必要となる複数の格子点Gkを特定する。磁場演算部121は、原点に配置した基準粒子Vjが各格子点Gkの位置に作る磁場Hkに関連する演算を実行し、基準粒子Vjと各格子点Gkの配置関係を示す値とともにテンソルTkの数値解を基準データ保持部230に記憶させる。 The magnetic field calculation unit 121 executes calculation processing for deriving the above magnetic table according to the particle system defined by the particle system acquisition unit 108 and the magnetic moment application unit 110. Field calculation unit 121 sets the neighboring region C A in accordance with the definition of the particle system, identifying a plurality of grid points G k the calculated required tensor T k defining a magnetic relationship. Field arithmetic unit 121 performs operations based particles V j arranged at the origin is related to the magnetic field H k to make the positions of the grid points G k, showing the placement of the reference particles V j and each grid point G k The numerical solution of the tensor T k is stored in the reference data holding unit 230 together with the value.
磁場演算部121は、粒子jが座標riに作る磁場Hj(ri)を演算する場合、座標riが粒子jの近傍領域内であれば磁気テーブルを参照して磁場を演算し、座標riが粒子jの遠方領域(近傍領域外)であれば双極子近似による式を用いて磁場を演算する。磁場演算部121は、粒子jと座標riの距離が所定値を超える場合、つまり、座標riから大きく離れた位置にある粒子jについては、磁場の演算対象とせずに無視をしてもよい。例えば、遠方領域のうち、近傍領域に近い中間領域については、双極子近似による磁場演算を実行し、中間領域よりも遠い領域については磁場演算を実行しなくてもよい。中間領域の範囲は、例えば、粒子径aの10倍程度である。 When calculating the magnetic field H j (r i ) that the particle j creates at the coordinate r i , the magnetic field calculation unit 121 calculates the magnetic field with reference to the magnetic table if the coordinate r i is in the vicinity region of the particle j, If the coordinate r i is a far region (outside the near region) of the particle j, the magnetic field is calculated using an equation based on dipole approximation. When the distance between the particle j and the coordinate r i exceeds a predetermined value, that is, the particle j at a position far away from the coordinate r i is ignored without being subject to the calculation of the magnetic field. Good. For example, a magnetic field calculation by dipole approximation may be performed for an intermediate region close to a nearby region among distant regions, and a magnetic field calculation may not be performed for a region farther than the intermediate region. The range of the intermediate region is, for example, about 10 times the particle diameter a.
磁場演算部121は、磁気テーブルを参照して磁場を演算する場合、座標riの位置を図16に示す直交座標系(ξ,η,ζ)に変換して磁場を算出し、その後、元の座標系に戻すことによって座標riの磁場を演算する。このとき、粒子系の座標系と磁気テーブルの直交座標系(ξ,η,ζ)との間の座標変換は平行移動のみで済むため、座標変換に関する処理負荷を小さくできる。変形例においては、座標変換時に拡大縮小や回転などの座標変換処理を施してもよい。 When calculating the magnetic field with reference to the magnetic table, the magnetic field calculation unit 121 calculates the magnetic field by converting the position of the coordinate r i into the orthogonal coordinate system (ξ, η, ζ) shown in FIG. calculates the magnetic field of the coordinate r i by returning to the coordinate system. At this time, the coordinate transformation between the coordinate system of the particle system and the orthogonal coordinate system (ξ, η, ζ) of the magnetic table only needs to be translated, so the processing load related to the coordinate transformation can be reduced. In the modification, coordinate conversion processing such as enlargement / reduction or rotation may be performed during coordinate conversion.
図20は、解析装置200における一連の処理の一例を示すフローチャートである。粒子系取得部108は、RMD法に倣って繰り込まれた粒子系を取得する(S30)。磁気モーメント付与部110は、取得された粒子系の粒子に磁気モーメントを付与する(S32)。磁場演算部121は、定義された粒子系に応じて磁気テーブルを作成し、基準データ保持部230に保持させる(S34)。磁場演算部121は、粒子系によって生成される磁場を演算する(S36)。力演算部122は、粒子間の距離と各粒子の磁気モーメントから粒子に働く力を演算する(S38)。粒子状態演算部124は、演算された力を含む粒子の運動方程式から粒子の速度と位置を演算する(S40)。状態更新部126は、粒子データ保持部114に保持される粒子の位置、速度を演算された位置、速度で更新する(S42)。終了条件判定部128は、終了条件が満たされるか否かを判定する(S44)。終了条件が満たされない場合(S44のN)、S36〜S42のステップを繰り返す。終了条件が満たされる場合(S44のY)、表示制御部118は、演算結果を出力する(S46)。 FIG. 20 is a flowchart illustrating an example of a series of processes in the analysis apparatus 200. The particle system acquisition unit 108 acquires a particle system that has been transferred according to the RMD method (S30). The magnetic moment applying unit 110 applies a magnetic moment to the acquired particle-based particles (S32). The magnetic field calculation unit 121 creates a magnetic table according to the defined particle system and stores the magnetic table in the reference data holding unit 230 (S34). The magnetic field calculation unit 121 calculates a magnetic field generated by the particle system (S36). The force calculator 122 calculates the force acting on the particle from the distance between the particles and the magnetic moment of each particle (S38). The particle state calculation unit 124 calculates the velocity and position of the particle from the equation of motion of the particle including the calculated force (S40). The state update unit 126 updates the position and speed of the particles held in the particle data holding unit 114 with the calculated position and speed (S42). The end condition determination unit 128 determines whether or not the end condition is satisfied (S44). If the end condition is not satisfied (N in S44), the steps S36 to S42 are repeated. When the end condition is satisfied (Y in S44), the display control unit 118 outputs the calculation result (S46).
図21は、図20のS36の処理の詳細を示すフローチャートである。磁場演算部121は、変数iに初期値i=1を設定する(S50)。磁場演算部121は、基準データ保持部230に保持される磁気テーブルを参照して近傍粒子が座標riに作る磁場を算出し(S52)、双極子近似式を用いて遠方粒子が座標riに作る磁場を算出する(S54)。磁場演算部121は、算出した磁場を足し合わせ、座標riの粒子の磁化ベクトルMi(磁気モーメント)をMi=χHiの関係式を用いて演算する(S56)。変数iに1を加え(S58)、変数iが粒子数N以下であれば(S60のN)、S52〜S58のステップを繰り返し、変数iが粒子数Nより大きければ(S60のY)、S36の処理を終了する。 FIG. 21 is a flowchart showing details of the process of S36 of FIG. The magnetic field calculation unit 121 sets an initial value i = 1 for the variable i (S50). Field calculation unit 121, neighboring particles with reference to the magnetic table held in the reference data holding unit 230 calculates the magnetic field generated by the coordinate r i (S52), distal particles using a dipole approximation equation coordinates r i The magnetic field to be generated is calculated (S54). The magnetic field calculation unit 121 adds the calculated magnetic fields, and calculates the magnetization vector M i (magnetic moment) of the particle at the coordinate r i using the relational expression of M i = χH i (S56). 1 is added to the variable i (S58). If the variable i is equal to or less than the number of particles N (N in S60), the steps S52 to S58 are repeated. If the variable i is greater than the number of particles N (Y in S60), S36 Terminate the process.
図22は、面積分による磁場の厳密解B1と双極子近似による磁場の数値解B2を比較したグラフである。図22において、横軸はソースとなる粒子jと観測点iの距離rijを粒子径aで規格化した値であり、縦軸はx軸方向の磁束密度Bxの値である。図示されるように、粒子jと観測点iの距離rijが2倍となる場合に厳密解B1(実線)と近似解B2(破線)の差が大きくなり、距離rijが大きくなるにつれて差が小さくなり、距離rijが粒子径aの6倍以上になると差がほとんど生じないことがわかる。このことから、近傍領域CAとして粒子径aの6倍程度の範囲を設定すればよく、6倍を超える範囲については双極子近似による誤差がほとんど無視できると言える。 FIG. 22 is a graph comparing an exact magnetic field solution B1 by area and a magnetic field solution B2 by dipole approximation. In FIG. 22, the horizontal axis represents a value obtained by normalizing the distance r ij between the source particle j and the observation point i by the particle diameter a, and the vertical axis represents the value of the magnetic flux density Bx in the x-axis direction. As shown in the figure, when the distance r ij between the particle j and the observation point i is doubled, the difference between the exact solution B1 (solid line) and the approximate solution B2 (broken line) increases, and the difference increases as the distance r ij increases. It can be seen that the difference hardly occurs when the distance r ij becomes 6 times or more of the particle diameter a. Therefore, it can be said that it is sufficient to set the range of about 6 times the particle diameter a as neighboring region C A, error almost negligible by dipole approximation for a range of more than 6 times.
図23(a)、(b)は、本実施の形態に係る計算結果を示す図である。本図は、x方向に10mm、y方向およびz方向に5mmが設定された直方体形状の磁性体の磁化現象の計算例を示す。外部磁場を一定の0.1[T]とし、磁化特性は線形(χ=999)とした。図23(a)は、比較例であり、全ての粒子に対して上記式(T−4)に基づく面積分を実行して磁場を演算した結果を示す。図23(b)は、本実施の形態に係る磁気テーブルを用いて磁場を演算した結果を示す。両者を比較したところ、計算結果がよく一致することが分かった。また、図23(a)の例では1ステップあたりの計算時間が2.15秒であるのに対し、図23(b)の例では1ステップあたりの計算時間が0.03秒であった。したがって、本実施の形態に係る手法により、高い計算精度を維持したまま約70倍の計算速度の高速化を実現できた。 FIGS. 23A and 23B are diagrams showing calculation results according to the present embodiment. This figure shows a calculation example of the magnetization phenomenon of a rectangular parallelepiped magnetic body in which 10 mm is set in the x direction and 5 mm is set in the y direction and the z direction. The external magnetic field was constant 0.1 [T], and the magnetization characteristics were linear (χ = 999). FIG. 23A is a comparative example, and shows the result of calculating the magnetic field by executing the area based on the above equation (T-4) for all particles. FIG. 23B shows the result of calculating the magnetic field using the magnetic table according to the present embodiment. When both were compared, it was found that the calculation results agreed well. In the example of FIG. 23A, the calculation time per step is 2.15 seconds, whereas in the example of FIG. 23B, the calculation time per step is 0.03 seconds. Therefore, by the method according to the present embodiment, the calculation speed can be increased by about 70 times while maintaining high calculation accuracy.
図24は、本実施の形態に係る計算結果を示し、上述の図23に示す計算例のy軸上の磁束密度分布の絶対値|B|を示す。実線で示す磁束密度分布B3は、図23(b)の実施の形態に係る計算例に対応し、破線で磁束密度分布B4は、図23(a)の比較例に係る計算例に対応する。図示されるように、両者の計算結果がよく一致することが分かる。 FIG. 24 shows the calculation result according to the present embodiment, and shows the absolute value | B | of the magnetic flux density distribution on the y-axis in the calculation example shown in FIG. A magnetic flux density distribution B3 indicated by a solid line corresponds to the calculation example according to the embodiment of FIG. 23B, and a magnetic flux density distribution B4 indicated by a broken line corresponds to the calculation example according to the comparative example of FIG. As shown in the figure, it can be seen that the calculation results of both agree well.
本実施の形態によれば、計算過程においてボクセル形状が変化しないという磁気ビーズ法の特徴をうまく利用して高い計算精度を維持しつつ計算速度の高速化を実現できる。有限要素法では、節点位置の変化によりボクセル形状が変化し、ボクセル表面の面要素の形状が変化するため、変化した面要素の形状に応じた面積分を実行する必要がある。一方、磁気ビーズ法では、ボクセルの形状が計算過程にわたって変わらないため、共通する基準粒子を用いた面積分の結果を流用できる。このように本実施の形態では、磁気ビーズ法の特徴を利用し、共通する基準粒子に基づく磁気テーブルをあらかじめ用意することで計算速度を向上させることができる。 According to the present embodiment, it is possible to increase the calculation speed while maintaining high calculation accuracy by making good use of the feature of the magnetic bead method that the voxel shape does not change in the calculation process. In the finite element method, the voxel shape changes due to the change of the node position, and the shape of the surface element on the surface of the voxel changes. Therefore, it is necessary to execute an area corresponding to the changed shape of the surface element. On the other hand, in the magnetic bead method, since the shape of the voxel does not change over the calculation process, the result for the area using the common reference particles can be used. Thus, in the present embodiment, the calculation speed can be improved by preparing in advance a magnetic table based on common reference particles by using the characteristics of the magnetic bead method.
なお変形例においては、粒子系にボクセル形状の異なる複数種類の粒子を定義してもよい。この場合、ボクセル形状の異なる複数種類の基準粒子ごとにあらかじめ磁気テーブルを用意しておき、任意の観測点riの位置に磁場を作る粒子jのボクセル形状に応じて、異なる種類の磁気テーブルを参照して磁場を算出すればよい。これにより、複数種類のボクセル形状を利用する場合であっても上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。ボクセル形状は、多面体であればどのような形状であってもよく、正四面体、正八面体、正十二面体などであってもよい。また、対象空間をボロノイ分割することにより得られるボロノイ多面体であってもよい。 In the modification, a plurality of types of particles having different voxel shapes may be defined in the particle system. In this case, a magnetic table is prepared in advance for each of a plurality of types of reference particles having different voxel shapes, and different types of magnetic tables are prepared according to the voxel shape of the particle j that creates a magnetic field at the position of an arbitrary observation point r i. The magnetic field may be calculated by referring to it. Thereby, even if it is a case where multiple types of voxel shapes are utilized, there can exist an effect similar to the above-mentioned embodiment. The voxel shape may be any shape as long as it is a polyhedron, and may be a regular tetrahedron, a regular octahedron, a regular dodecahedron, or the like. Further, it may be a Voronoi polyhedron obtained by Voronoi division of the target space.
上述の実施の形態では、近傍粒子と遠方粒子とで使用する数式を切り替える場合を示した。変形例においては、遠方に存在する粒子(例えば、粒子径aの10倍より遠い粒子)については磁場演算をせず、磁場演算となる粒子について全て磁気テーブルを参照して演算してもよい。つまり、粒子径aが10倍となる範囲について磁気的な対応関係Tkを算出し、対応関係Tkに基づいて磁場演算を実行してもよい。 In the above-described embodiment, the case where the mathematical expression used for the near particle and the far particle is switched is shown. In a modified example, the magnetic field calculation may not be performed for particles that are far away (for example, particles that are more than 10 times the particle diameter a), and all the particles that are magnetic field calculations may be calculated with reference to the magnetic table. That is, the magnetic correspondence T k may be calculated for a range where the particle diameter a is 10 times, and the magnetic field calculation may be performed based on the correspondence T k .
上述の実施の形態では、磁気テーブルにテンソルTkが保持される場合を示したが、式(T−10)に示される計算の実行に必要な形式であれば、その他の種類の数値解が磁気テーブルとして保持されてもよい。例えば、変形例においては、HA(ξ,η,ζ)=Sk(ξ,η,ζ)Mjと記述されるテンソルSkの数値解を磁気テーブルとして保持してもよい。 In the above-described embodiment, the case where the tensor T k is held in the magnetic table has been shown. However, other types of numerical solutions can be used as long as the form is necessary for executing the calculation represented by the equation (T-10). It may be held as a magnetic table. For example, in a modified example, a numerical solution of a tensor S k described as H A (ξ, η, ζ) = S k (ξ, η, ζ) M j may be held as a magnetic table.
以上、実施の形態に係る解析装置の構成と動作について説明した。これらの実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The configuration and operation of the analysis apparatus according to the embodiment have been described above. These embodiments are exemplifications, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to each component and combination of processes, and such modifications are within the scope of the present invention. .
実施の形態では、数値演算部120において粒子の位置と速度の両方を演算する場合について説明したが、これに限られない。例えば、数値解析の手法にはVerlet法のように、粒子の位置を演算する際に粒子に働く力から粒子の位置を直接演算し、粒子の速度は陽に計算しなくてもよい手法もあり、本実施の形態に係る技術的思想をそのような手法に適用してもよい。 In the embodiment, the case where both the position and the speed of the particle are calculated in the numerical value calculation unit 120 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, there is a numerical analysis method such as the Verlet method in which the particle position is directly calculated from the force acting on the particle when calculating the particle position, and the velocity of the particle does not have to be calculated explicitly. The technical idea according to the present embodiment may be applied to such a method.
200 解析装置、 102 入力装置、 104 ディスプレイ、 108 粒子系取得部、 110 磁気モーメント付与部、 114 粒子データ保持部、 118 表示制御部、 120 数値演算部、 121 磁場演算部、 122 力演算部、 124 粒子状態演算部、 126 状態更新部、 128 終了条件判定部、230 基準データ保持部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 200 Analysis apparatus, 102 Input device, 104 Display, 108 Particle system acquisition part, 110 Magnetic moment provision part, 114 Particle data holding part, 118 Display control part, 120 Numerical calculation part, 121 Magnetic field calculation part, 122 Force calculation part, 124 Particle state calculation unit, 126 state update unit, 128 end condition determination unit, 230 reference data holding unit.
Claims (9)
磁気モーメントが付与される基準粒子が作る磁場の数値解を前記基準粒子の周りに設定される複数の格子点ごとにあらかじめ算出し、前記基準粒子に付与される磁気モーメントのベクトル量と前記磁場の数値解のベクトル量との対応関係を前記複数の格子点ごとに保持する基準データ保持部と、
前記基準データ保持部に保持される前記対応関係を用いて、前記磁気モーメント付与部によって磁気モーメントが付与される各粒子が作る磁場を演算する磁場演算部と、
前記磁場演算部における演算結果を用いて、各粒子の運動を支配する支配方程式を数値的に演算する粒子状態演算部と、を備えることを特徴とする解析装置。 A magnetic moment applying unit for applying a magnetic moment to particles of a particle system defined in a virtual space;
A numerical solution of a magnetic field created by a reference particle to which a magnetic moment is applied is calculated in advance for each of a plurality of lattice points set around the reference particle, and a vector amount of the magnetic moment applied to the reference particle and the magnetic field A reference data holding unit that holds the correspondence with the vector quantity of the numerical solution for each of the plurality of grid points;
A magnetic field calculation unit that calculates a magnetic field generated by each particle to which a magnetic moment is applied by the magnetic moment applying unit, using the correspondence relationship held in the reference data holding unit;
An analysis apparatus comprising: a particle state calculation unit that numerically calculates a governing equation governing the motion of each particle using a calculation result in the magnetic field calculation unit.
前記基準データ保持部は、ボクセル形状の異なる複数種類の基準粒子ごとにあらかじめ算出した複数種類の前記対応関係を保持し、
前記磁場演算部は、前記磁気モーメント付与部によって磁気モーメントが付与される各粒子のボクセル形状に応じた種類の前記対応関係を用いて、各粒子が作る磁場を演算することを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の解析装置。 The magnetic moment imparting unit imparts a magnetic moment to a plurality of types of particles having different voxel shapes defined in the particle system,
The reference data holding unit holds a plurality of types of correspondences calculated in advance for a plurality of types of reference particles having different voxel shapes,
The magnetic field calculation unit calculates a magnetic field generated by each particle using the correspondence relationship according to the voxel shape of each particle to which a magnetic moment is applied by the magnetic moment applying unit. The analysis device according to any one of 1 to 6.
磁気モーメントが付与される基準粒子が作る磁場の数値解を前記基準粒子の周りに設定される複数の格子点ごとにあらかじめ算出し、前記基準粒子に付与される磁気モーメントのベクトル量と前記磁場の数値解のベクトル量との対応関係を前記複数の格子点ごとに保持し、
あらかじめ算出して保持される前記対応関係を用いて、磁気モーメントが付与される各粒子が作る磁場を演算し、
各粒子が作る磁場の演算結果を用いて、各粒子の運動を支配する支配方程式を数値的に演算することを特徴とする解析方法。 Giving a magnetic moment to particles of a particle system defined in virtual space,
A numerical solution of a magnetic field created by a reference particle to which a magnetic moment is applied is calculated in advance for each of a plurality of lattice points set around the reference particle, and a vector amount of the magnetic moment applied to the reference particle and the magnetic field Holding the correspondence with the vector quantity of the numerical solution for each of the plurality of grid points;
Using the correspondence relationship calculated and held in advance, calculate the magnetic field created by each particle to which a magnetic moment is applied,
An analysis method characterized by numerically calculating a governing equation governing the motion of each particle, using a calculation result of a magnetic field generated by each particle.
磁気モーメントが付与される基準粒子が作る磁場の数値解を前記基準粒子の周りに設定される複数の格子点ごとにあらかじめ算出し、前記基準粒子に付与される磁気モーメントのベクトル量と前記磁場の数値解のベクトル量との対応関係を前記複数の格子点ごとに保持する機能と、
あらかじめ算出して保持される前記対応関係を用いて、磁気モーメントが付与される各粒子が作る磁場を演算する機能と、
各粒子が作る磁場の演算結果を用いて、各粒子の運動を支配する支配方程式を数値的に演算する機能と、をコンピュータに実現させることを特徴とするコンピュータプログラム。 A function of giving a magnetic moment to particles of a particle system defined in a virtual space;
A numerical solution of a magnetic field created by a reference particle to which a magnetic moment is applied is calculated in advance for each of a plurality of lattice points set around the reference particle, and a vector amount of the magnetic moment applied to the reference particle and the magnetic field A function of maintaining the correspondence with the vector amount of the numerical solution for each of the plurality of grid points;
A function of calculating a magnetic field created by each particle to which a magnetic moment is applied, using the correspondence relationship calculated and held in advance;
A computer program for causing a computer to realize a function for numerically calculating a governing equation governing the motion of each particle using a calculation result of a magnetic field generated by each particle.
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