JP3337608B2

JP3337608B2 - 解析シミュレーション装置

Info

Publication number: JP3337608B2
Application number: JP12364596A
Authority: JP
Inventors: 一朗西垣; 誠小野寺; 孝志横張; 陸郎高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2002-10-21
Anticipated expiration: 2016-05-17
Also published as: JPH09305651A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、計算機を用いて解
析シミュレーションを行い、その解析結果をディスプレ
イ上に表示する解析シュミレーション装置に係わり、特
に、大規模解析における解析結果のディスプレイ表示を
高速で行うことの可能な解析シミュレーション装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年のコンピュータ技術の発展に伴い、
有限要素法や差分法などを用いて構造解析、熱伝導解
析、波動解析、電磁気解析を行う解析シミュレーション
装置は種々知られており、また、実用化されている。例
えば、３次元ＨＩＣＡＤ／ＣＡＤＡＳ／ＷＸの製品マニ
ュアル（日立製作所）によれば、解析用プリプロセッサ
で作成した解析用メッシュデータと、その解析用メッシ
ュをもとに有限要素法や差分法などを用いて計算した解
析結果のデータとを、解析用ポストプロセッサが入力
し、これを装置の端末画面に表示している。なお、解析
結果のデータは、解析用メッシュを構成する節点や要素
に対して、応力や変位などの物理量の値として付加され
ている。

【０００３】また、特開平２-１９７９６５号公報によ
り知られる「３次元の解析データを図形として表示する
方法」によれば、物体内部の解析結果表示方法につい
て、特に３次元の解析データを分かり易く図形的に表示
するため、３次元領域の形状をディスプレイ上に表示
し、この形状において、カーソルを移動させることによ
って断面を定義させるするものである。これにより、従
来技術における断面の数値計算などの面倒な断面指定方
法に代え、ディスプレイ上のカーソルの移動という簡単
で容易な方法による解析結果表示断面の指定を可能と
し、もって、断面の指定における間違いをなくし、誰で
も容易に短期間で３次元の現象を把握できるようにして
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、上記の従
来技術によれば、表示のために用いるメッシュは、解析
用ポストプロセッサで解析計算に用いるために作成する
解析用メッシュと同一である。具体的には、有限要素を
構成する節点の応力値を形状関数を用いて内挿し、解析
用メッシュ上に応力のコンタ図（等高線図などで、例え
ば応力分布を色分けして表示した図など）を表示し、あ
るいは、各節点の変位量をその節点の座標値に加えて解
析用メッシュの変形図を表示したりすることが行われて
いた。また、上記特開平２-１９７９６５号公報にも知
られるように、物体内部の物理量を表示する場合には、
切断面を指定し、その切断面と解析用メッシュとの交差
するメッシュ上に物理量を表示することが行われてい
た。

【０００５】上記の従来技術になる解析結果を表示する
ためのポストプロセッサでは、しかしながら、その解析
規模が大きくなると、解析結果の表示処理に膨大な時間
がかかり、そのため、システムの対話性や応答性が悪化
するという問題があった。さらに、解析対象全体におけ
る解析結果を表示するには、全ての解析用メッシュデー
タと解析結果のデータを必要するが、例えば大規模な解
析の場合には、それらのデータをデータベースから一度
に取り出すことが出来ず、そのため、全体の解析結果が
表示できない場合も生じていた。特に、複雑な構造物を
多数のブロックに分けて各々のブロックについて並列に
計算する構造解析や、タイムステップごとに多量の解析
結果データが出力される流体解析の場合においては、前
述のような不具合が起きている。

【０００６】また、物体内部における解析結果の表示に
ついても、上述のように、従来は解析用メッシュを切断
することにより表示のためのメッシュを生成している。
しかしながら、この方法では、この表示用メッシュの粗
密は解析用メッシュの粗密に依存するため、表示を高速
化するための粗い表示用メッシュの生成は出来ず、その
ため、解析規模が大きくなると、やはり解析結果の表示
処理に膨大な時間がかかり、システムの対話性や応答性
が悪化するという問題点があった。また、立体的な領域
の表面を表示面とする場合であって、特に、それを回転
させながら種々の角度から観察しようとする場合にも、
やはり解析結果の表示処理に時間がかかることから、表
示される解析対象である物体の回転速度が遅くなり、ユ
ーザが思うように回転させることが不可能で見難くなる
という問題点も指摘されていた。

【０００７】本発明では、上記したような従来技術にお
ける課題を解決するためになされたものであり、その目
的は、解析規模に依らず、すなわち、解析規模の増大に
も拘わらず、解析結果の表示処理を常に高速でかつ安定
に行い、もって、安定した対話性や応答性が得られる解
析シミュレーション装置を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくともデ
ィスプレイと入力手段を含んだ入出力装置と、入力され
た解析対象の形状モデルから解析用メッシュデータを生
成する解析用プリプロセッサ部と、前記生成した解析用
メッシュデータを用いて解析計算を行い、解析結果のデ
ータを出力する解析プログラム部と、前記解析結果のデ
ータを用いて解析結果を前記入出力装置のディスプレイ
画面上に表示する解析用ポストプロセッサ部とを備え、
更に、前記解析用ポストプロセッサ部は、前記解析結果
の分布或いは解析結果の勾配の分布に応じて表示用メッ
シュの粗密を制御し、前記解析用メッシュデータにより
算出された解析結果のデータを前記制御を設けた表示用
メッシュデータに基づいて表示する手段を見えるものと
した解析シュミレーション装置を開示する。

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、添付の図面を用いて詳細に説明する。（１）本実施例の全体システム構成：図１には、本発明
の一実施の形態になる解析シミュレーション装置全体の
システム構成が示されている。すなわち、解析シミュレ
ーション装置は、データベースを構成する記憶手段を含
む計算機システムにより構成されており、図からも明ら
かなように、基本的には、解析用プリプロセッサ１０１
と、解析プログラム１０２と、解析用ポストプロセッサ
１０３と、データベース１０７と、入出力装置１０８と
から構成されている。

【００１３】かかる全体システム構成において、上記解
析用プリプロセッサ１０１は、解析対象の形状モデル及
び解析条件を入力し、解析用メッシュモデルを作成す
る。解析プログラム１０２は、解析用メッシュデータを
入力し、解析結果のデータを出力する。また、解析用ポ
ストプロセッサ１０３は、上記解析プログラム１０２か
らの解析結果のデータを入力し、その解析結果を以下に
も述べる入出力装置の端末画面上に表示する。さらに、
データベース１０７は、解析シミュレーションに用いる
形状モデル、メッシュ、解析結果等のデータを保管する
ものであり、入出力装置１０８は、例えばキーボード、
マウス、ディスプレイなどから構成され、ユーザはこれ
らキーボードやマウスを介して入力を行い、また、端末
画面を構成するディスプレイ上に出力を表示するもので
ある。

【００１４】さらに、本発明を特徴づける上記の解析用
ポストプロセッサ１０３は、解析結果に基づいて端末画
面上に表示するための表示用メッシュのメッシュデータ
を作成する、いわゆる、表示用メッシュ生成部１０４
と、上記解析用メッシュから表示用メッシュに解析結果
を写像するための手段である表示用解析結果生成部１０
５と、そして、上記の表示用メッシュのデータと表示用
解析結果のデータを用いて端末画面、すなわち、上記入
出力装置１０８のディスプレイ上に解析結果を表示する
ための、いわゆる、解析結果表示部１０６とから構成さ
れている。

【００１５】（２）各プログラムの処理内容とデータフ
ロー：次に、図２を用いて、上記図１により示した各プ
ログラムの処理と上記解析シミュレーション装置のシス
テム全体のデータの流れについて説明する。なお、図２
は、上記データベース１０７と各プログラム、すなわ
ち、解析用プリプロセッサ１０１、解析プログラム１０
２、解析用ポストプロセッサ１０３の表示用メッシュ生
成部１０４、表示用解析結果生成部１０５、そして、解
析結果表示部１０６との間のデータ入出力図である。

【００１６】上記図１に示した解析シミュレーション装
置の構成において、まず、解析用プリプロセッサ１０１
では、ユーザは入出力装置１０８、すなわち、キーボー
ドやマウスを用いて解析対象の形状モデルを入力し、そ
の入力した形状モデルのデータをデータベース１０７に
格納する。さらに、この解析用プリプロセッサ１０１で
は、この形状モデルを解析用メッシュに分割し、その解
析用メッシュデータもデータベース１０７に格納する。
なお、この時、解析用メッシュの粗密は解析精度に影響
するため、要求する精度に応じて、ユーザは、メッシュ
を細かく設定する必要がある。メッシュに分割する方法
としては、例えば、分割対象の形状モデルを六面体のブ
ロックに予め分割し、そのブロック群をさらに格子状に
細分化することにより六面体要素からなる解析用メッシ
ュを作成する方法、あるいは、自動メッシュ分割法を用
いてメッシュを生成する場合には、まず対象形状の表面
に自動的に節点群を配置し、これらの節点を頂点とする
互いに重なり合わない三角形群で形状の表面を分割し、
さらに形状内部に節点群を配置し、形状表面の三角形群
を全て表面に持ち、形状内部の節点群を頂点とする互い
に重なり合わない四面体要素からなる解析用メッシュを
生成する方法をも採用することができる。この後者の場
合、表面部分に形成された四面体要素を取り除くと、そ
こは一般に凹凸のある表面となるから、これらを表面の
三角形として以下同様に分割を繰り返す。

【００１７】添付の図３には、上述した、分割対象の形
状モデルを六面体のブロックに予め分割し、そのブロッ
ク群をさらに格子状に細分化することにより六面体要素
からなる解析用メッシュを作成する方法による分割の一
例が、そして、図４には、上述した後者になる、すなわ
ち、対象形状の表面に自動的に節点群を配置し、これら
の節点を頂点とする互いに重なり合わない三角形群で形
状の表面を分割してゆく方法の一例が示されている。

【００１８】このようにして、解析用プリプロセッサ１
０１で解析対象の形状モデルを解析用メッシュに分割し
てデータベース１０７に格納した後、続いて、解析プロ
グラム１０２は、上記データベース１０７から解析用メ
ッシュデータを入力し、有限要素法や差分法などを用い
て解析計算を行った後に、その解析結果のデータを、再
び上記データベース１０７に格納する。具体的には、構
造解析の場合には、応力や変位のデータを、流体解析の
場合には、流速ベクトルや圧力分布などのデータを解析
結果として出力する。なお、この解析結果のデータは、
上記データベース１０７に格納する際には、各積分点、
各節点、各要素ごとの値としてデータベースに格納され
ることとなる。

【００１９】次に、上記解析用ポストプロセッサ１０３
の表示用メッシュ生成部１０４は、上記のデータベース
１０７から形状データを入力し、これを端末画面である
入出力装置１０８のディスプレイ上に形状モデルを表示
する。ここで、ユーザは、解析結果を表示したい領域を
上記ディスプレイの表示画面上の形状モデルにより指定
し、その領域に対して、前述の解析用プリプロセッサ１
０１と同様に、表示用メッシュを生成する。なお、この
表示用メッシュは、上記解析用プリプロセッサ１０１に
よる解析用メッシュに比べ、粗いメッシュで十分であ
る。

【００２０】なお、ここで、上記の表示用メッシュを生
成する領域を指定する方法について、添付の図５から図
８を用いて説明する。まず、図５は、解析対象である形
状モデル全体を表示用領域とする場合であり、ここで
は、ユーザは表示用メッシュの要素寸法を入力し、これ
により、形状全体に四面体要素を自動生成した例であ
る。また、図６は、解析対象である形状モデルの一つの
平面、すなわち、面１を表示領域とする場合であり、こ
の表示領域である面１を例えばマウスなどにより表示画
面上を移動する矢印により指示し、もって、上記面１の
上に三角形要素を生成した例である。

【００２１】また、図７は、解析対象である形状モデル
を切断した切断面を表示領域とする場合であり、まず、
この切断面を入力し、これにより算出される形状モデル
の切断面上に三角形要素を生成した例である。そして、
図８は、上記解析対象である形状モデルと３次元指定領
域（この場合は、立方体）との共通部分を表示領域とす
る場合であり、その共通部分に対して六面体要素を生成
した例である。

【００２２】なお、上記には、表示用メッシュを生成す
る領域を指定する方法として、解析対象である形状モデ
ルの全体（図５）、その表面の一つの面（図６）、切断
面（図７）、及び、共通部分（図８）を表示領域とする
場合について説明したが、しかしながら、この表示領域
の指定方法についてはこれらのみに限定されることな
く、さらに、表示領域が曲面の場合には、その表示領域
の曲率半径を計算し、その分布に応じてメッシュの粗密
を制御することにより、希望する表示領域に対する形状
近似性の高い表示が可能である。また、上記の表示用メ
ッシュを生成する領域を指定する方法では、表示用メッ
シュの密度については、ユーザが表示用メッシュの要素
寸法を入力することとして説明したが、これに代え、例
えば解析結果の分布、あるいは、解析結果の勾配の分布
に応じて、この表示用メッシュの粗密を制御することに
より、又は、部分的に表示用メッシュの粗密を制御する
手段を設けることなどにより、表示に最適で精度の高い
解析結果の表示が可能となる。また、この表示用メッシ
ュの粗密の設定については、表示処理を行う計算機の表
示性能やメモリ、さらには、そのディスク容量などに応
じて、表示用メッシュのデータ量の上限を設定すること
により、表示処理時間を安定化させることが可能とな
る。加えて、上記の表示用メッシュの粗密付けについて
は、例えば、上記図５により示した四面体要素の自動生
成の場合、上記四面体要素の分布に応じて、その節点の
配置や分布密度を設定することにより、メッシュの粗密
を制御することができる。なお、上記のようにして生成
した表示用メッシュは、やはり、上記データベース１０
７に格納されることとなる。

【００２３】続いて、上記解析用ポストプロセッサ１０
３を構成する表示用解析結果生成部１０５では、上記デ
ータベース１０７から、解析用メッシュデータと解析結
果データに加え、さらに、上記のようにして生成された
表示用メッシュデータを入力する。すなわち、入力した
解析用メッシュデータと解析結果データにより、解析用
メッシュの各節点に対して与えられている解析結果を求
め、さらに、入力した表示用メッシュデータにより、表
示用メッシュの各節点における表示用解析結果データを
求め、これを上記データベース１０７に格納する。

【００２４】ここで、上記表示用メッシュの各節点にお
ける表示用解析結果データを求める方法について、添付
の図９と図１０を用いて説明する。まず、その算出原理
について説明すると、図９（ｂ）に示す表示用メッシュ
の節点ｎ１における表示用解析結果データを求める場合
は、図９（ａ）に示す解析用メッシュの中で、上記節点
ｎ１を含む要素Ｅ１を探索し、さらに、上記要素Ｅ１を
構成する解析用メッシュの節点Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３とそれ
らの節点に対応する物理量Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を検索す
る。

【００２５】続いて、上記の要素Ｅ１を拡大して表示し
た図１０にも示すように、求める節点ｎ１の物理量ｗ１
を、要素Ｅ１の形状関数を用いて、物理量Ｗ１、Ｗ２、
Ｗ３を内挿して求める。例えば、アイソパラメトリック
要素の形状関数を用いる場合には、解析用メッシュにお
ける節点Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３からなる三角形要素における
節点ｎ１の面積座標（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を求め、さた
に、以下の式により、上記表示メッシュにおける節点ｎ
１の物理量ｗ１を求めることができる。

【数１】ｗ１＝Ｌ１×Ｗ１＋Ｌ２×Ｗ２＋Ｌ３×Ｗ３

【００２６】図１１には、上記の表示用解析結果データ
を求める方法におけるアルゴリズムについて詳細に説明
する。処理が開始されると、まず、表示用メッシュ（上
記図９（ｂ）を参照）における節点ｎｉを、一旦上記デ
ータベース１０７から読み込んだ表示用メッシュデータ
から検索する（ステップＳ１１）。続いて、やはり、上
記データベース１０７から読み込んだ解析用メッシュデ
ータから、解析用メッシュ（上記図９（ａ）を参照）の
中で、上記節点ｎｉを内包する要素Ｅｊを検索して求め
る（ステップＳ１２）。これにより求められた三角形の
要素Ｅｊを構成する解析用メッシュの節点Ｎ１、Ｎ２、
Ｎ３と、これら各節点における物理量Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３
を、やはり、上記データベース１０７から読み込んだ解
析結果データから検索する（ステップＳ１３）。その
後、上記の要素Ｅｊにおける節点ｎｉの面積座標（Ｌ
１、Ｌ２、Ｌ３）を求め（ステップＳ１４）、上記の式
（数１）により、上記表示用メッシュの節点ｎｉにおけ
る物理量Ｗ１を求める（ステップＳ１５）。以上の処理
を、これを表示用メッシュにおける全ての節点ｎｉ（ｉ
＝１〜ｍ：ｍ＝自然数）について繰り返して行い、これ
ら全ての表示用メッシュの節点ｎｉについて物理量Ｗ１
を求めて完了し（ステップＳ１６）、その処理を終了す
る。

【００２７】なお、上記の実施の形態では、上記解析用
メッシュデータ及び解析結果データは、一旦、上記デー
タベース１０７から計算機内の記憶装置（メモリ）に読
み込んだ後、これを検索するものとして説明したが、例
えば、大規模解析などのように、その解析用メッシュの
データと解析結果のデータが膨大なデータ量の場合に
は、表示用メッシュを含む領域についてのみ、上記デー
タベース１０７から解析用メッシュのデータと解析結果
のデータを取り出して処理することも可能である。この
ように、表示用メッシュを含む領域についてのみその解
析用メッシュデータと解析結果のデータを取り出して処
理することにより、上記図１１に示した処理をさらに高
速に行うことが可能になる。

【００２８】さらに、上記解析用ポストプロセッサ１０
３の解析結果表示部１０６では、上記のデータベース１
０７から、上記解析用プリプロセッサ１０１により分割
して格納した表示用メッシュデータと、上記解析用ポス
トプロセッサ１０３の表示用解析結果生成部１０５によ
り算出された表示用解析結果データとを入力し、ユーザ
が指定した表示領域に関する解析結果を端末画面である
ディスプレイ上に表示する。なお、この画面に表示した
表示用メッシュの上に解析結果を表示する方法として
は、上述の形状関数によって各要素内の物理量を内挿に
よって算出し、その物理量に関して等高線図などを描く
方法が考えられる。

【００２９】このように、上記に詳細に説明した本発明
の実施の形態になる解析シミュレーション装置によれ
ば、解析対象に関する解析結果の表示に必要なデータ、
すなわち、表示用メッシュ及び表示用解析結果のデータ
は、解析のために必要なデータである、いわゆる、解析
用メッシュ及び解析結果のデータとは異なり、そのデー
タ量は、解析用メッシュ及び解析結果のデータに比べて
格段に少なくなる。そのため、大規模解析などによる解
析規模の増大にも拘わらず、その解析結果の表示に必要
なデータの処理及び表示のための時間は短くなり、これ
により、解析結果の表示処理を、常に、高速でかつ安定
に行うことが可能になり、さらには、システムとしての
安定しかつ良好な対話性や応答性が得られることに繋が
ることとなる。

【００３０】さらに、特に、解析対象全体の形状を表示
領域とする場合にも、上記の表示用メッシュ生成部１０
４において表示メッシュの粗さを指定するだけで、上記
表示用解析結果生成部１０５及び上記解析結果表示部１
０６までの処理を上記データベース１０７を介して自動
的に行うことが出来ることから、これにより、解析プロ
グラム１０２の起動から表示用メッシュ及び表示用解析
結果のデータ生成までが、一貫して、対話的な操作を必
要とせずに処理することができることとなる。さらに、
ユーザは、解析結果を評価したい部分だけを指示して表
示用メッシュを生成させることもできるので、使い勝手
も良く、更に高速に解析結果を表示することもできる。

【００３１】

【発明の効果】以上の詳細な説明からも明らかなよう
に、本発明になる解析シミュレーション装置とその高速
表示方法によれば、その解析結果の表示時間は表示用メ
ッシュのデータ量だけに依存するようになるため、大規
模な解析シミュレーションの解析結果を端末画面に表示
する場合においても、その対話性や応答性を悪化させる
ことなく、高速に表示することができるという、技術的
にも優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態になる解析シミュレーショ
ン装置のシステム構成図である。

【図２】解析シミュレーション装置におけるデータの流
れを説明するためのデータフロー図である。

【図３】解析用メッシュの一例である六面体メッシュの
生成を示す説明図である。

【図４】解析用メッシュの一例である四面体メッシュの
生成を示す説明図である。

【図５】表示用メッシュ生成の一例を示す説明図であ
る。

【図６】表示用メッシュ生成の他の例を示す説明図であ
る。

【図７】表示用メッシュ生成の更に他の例を示す説明図
である。

【図８】３次元指定領域による表示用メッシュ生成の一
例を示す説明図である。

【図９】表示用解析結果の生成方法を説明する説明図で
ある。

【図１０】解析結果の写像方法の原理を説明する説明図
である。

【図１１】表示用解析結果の生成アルゴリズムを示すフ
ローチャート図である。

【符号の説明】

１０１解析用プリプロセッサ１０２解析プログラム１０３解析用ポストプロセッサ１０４表示用メッシュ生成部１０５表示用解析結果生成部１０６解析結果表示部１０７データベース１０８入出力装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋陸郎神奈川県川崎市幸区鹿島田890番地株式会社日立製作所情報システム事業部内 (56)参考文献特開平５−282407（ＪＰ，Ａ) 特開平７−287727（ＪＰ，Ａ) 特開平７−55656（ＪＰ，Ａ) 特開平５−46712（ＪＰ，Ａ) 特開平７−129634（ＪＰ，Ａ) 特開平７−192037（ＪＰ，Ａ) 特開平７−200640（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 17/50 612

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともディスプレイと入力手段を含
んだ入出力装置と、入力された解析対象の形状モデルか
ら解析用メッシュデータを生成する解析用プリプロセッ
サ部と、前記生成した解析用メッシュデータを用いて解
析計算を行い、解析結果のデータを出力する解析プログ
ラム部と、前記解析結果のデータを用いて解析結果を前
記入出力装置のディスプレイ画面上に表示する解析用ポ
ストプロセッサ部とを備え、更に、前記解析用ポストプ
ロセッサ部は、前記解析結果の分布或いは解析結果の勾
配の分布に応じて表示用メッシュの粗密を制御し、前記
解析用メッシュデータにより算出された解析結果のデー
タを前記制御を設けた表示用メッシュデータに基づいて
表示する手段を見えるものとした解析シュミレーション
装置。