JP3692460B2 - Numerical analysis system using mixed grid type solution adaptive grid method - Google Patents

Numerical analysis system using mixed grid type solution adaptive grid method Download PDF

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本発明は、混合格子型解適合格子法を用いた数値解析装置に関し、特に、四面体と五面体(ピラミッド要素、プリズム要素)と六面体を組み合わせた格子を変化に応じて分割削除する混合格子型解適合格子法を用い、遷移要素を生成して有限要素法により計算する数値解析装置に関する。   The present invention relates to a numerical analysis apparatus using a mixed lattice type solution-adapted lattice method, and more particularly, to a mixed lattice type in which a lattice combining a tetrahedron, a pentahedron (pyramid element, prism element), and a hexahedron is divided and deleted according to changes. The present invention relates to a numerical analysis apparatus that generates a transition element by using a solution-adapted grid method and performs calculation by a finite element method.

圧縮性の高速流体の非定常解析などにおいては、時間とともに変化する衝撃波のような物理量の不連続を取り扱う。このような場合、高精度な結果を得るためには、要素の細かい格子が必要になる。しかし、解析領域全体を細かい格子で分割すると、計算メモリを大量に消費し、計算速度も低下する。メモリを節約し、計算も高速にするためには、物理量の変化の激しい部分だけ、格子を細かくするとよい。この方法として、解適合格子法がある。解適合格子法としては、p法とr法とh法があるが、衝撃波解析のように不連続部分を取り扱う場合には、要素の細分化を行うh法が最も効果的である。特にh法は、AMR(Adaptive Mesh Refinement)法と呼ばれ、要素を細分化するだけでなく、不要な部分の要素を初期の要素に戻すことで、最小限の計算メモリで高精度な解析を行うことができる。   In unsteady analysis of compressible high-speed fluids, discontinuities of physical quantities such as shock waves that change with time are handled. In such a case, a fine grid of elements is required to obtain a highly accurate result. However, if the entire analysis area is divided by a fine grid, a large amount of calculation memory is consumed and the calculation speed is also reduced. In order to save memory and speed up calculation, it is better to make the grid finer only in the part where the physical quantity changes drastically. As this method, there is a solution fitting lattice method. There are a p-method, an r-method, and an h-method as solution-matching grid methods, but the h-method of subdividing elements is most effective when dealing with discontinuous portions as in shock wave analysis. In particular, the h method is called the AMR (Adaptive Mesh Refinement) method, which not only subdivides elements, but also restores unnecessary elements to the initial elements, enabling high-precision analysis with a minimum of calculation memory. It can be carried out.

また、近年の数値解析においては、解析対象の形状は複雑化しており、格子生成作業の効率化が求められている。解析対象が複雑な形状でも、歪みの少ない高品質な要素を用いて容易に格子生成できることが重要である。三次元解析では、主に四面体要素と六面体要素が用いられる。四面体要素は形状適合性がよいため、複雑な形状の対象に対しても容易に歪みの少ない要素を用いて格子を生成できるが、計算の効率が悪い。六面体要素は、計算の効率はよいが、複雑な形状の対象に対して格子を生成するのは困難であり、要素が歪んでしまう。その他の要素として、ピラミッド要素、プリズム要素がある。プリズム要素は、形状適合性がよく、精度も高い。   In recent numerical analysis, the shape of the analysis object is complicated, and the efficiency of the grid generation work is required. It is important that even if the object to be analyzed is a complicated shape, a grid can be easily generated using high-quality elements with little distortion. In the three-dimensional analysis, tetrahedral elements and hexahedral elements are mainly used. Since the tetrahedron element has good shape adaptability, a lattice can be easily generated using an element with less distortion even for an object having a complicated shape, but the calculation efficiency is poor. Although the hexahedral element is efficient in calculation, it is difficult to generate a lattice for a target having a complicated shape, and the element is distorted. Other elements include a pyramid element and a prism element. The prism element has good shape compatibility and high accuracy.

複雑な形状の対象物を扱う問題では、これらの要素からなるHybrid格子を用いる。解析領域に可能な限り六面体要素の格子を用い、格子生成が困難な箇所のみに、四面体要素の格子を用いて解析を行うのが最も効率が良い。四面体要素とプリズム要素で、形状適合性を満足させることができる。六面体要素とプリズム要素で、計算効率性を満足させることができる。さらに他の要素として、ピラミッド要素がある。四面体要素と六面体要素の間に、ピラミッド要素を用いることで、連続な格子を無理なく構成することができる。Hybrid格子を用いることで特に、複雑な形状の対象物の周りに、歪みの少ない要素を生成でき、高精度な解析を行うことができる。Hybrid格子にAMR法を適用する方法を、混合格子型解適合格子法(Hybrid Grid Adaptation: HGA)という。   In the problem of handling an object having a complicated shape, a hybrid grid composed of these elements is used. It is most efficient to use a hexahedral element grid as much as possible in the analysis region, and to perform an analysis using a tetrahedral element grid only at a location where grid generation is difficult. A tetrahedron element and a prism element can satisfy shape conformity. The calculation efficiency can be satisfied by the hexahedral element and the prism element. Still another element is a pyramid element. By using a pyramid element between a tetrahedron element and a hexahedron element, a continuous lattice can be formed without difficulty. By using the hybrid grid, in particular, an element with less distortion can be generated around an object having a complicated shape, and a highly accurate analysis can be performed. A method of applying the AMR method to the hybrid grid is called a hybrid grid adaptation (HGA).

しかし、AMR法を適用した場合、要素の分割・削除によって、分割された要素とその隣接要素との間や、稜を共有する要素との間に、中間節点(不完全な頂点)が生成される。一般に、このような中間節点が生成されたままであると、計算を実行することができない。そのために、何らかの対策を行う必要がある。要素中心有限体積法を用いる場合には、境界面数を調節することにより、流束を評価して計算を行うことができる。   However, when the AMR method is applied, intermediate nodes (incomplete vertices) are generated between the divided element and its neighboring elements or between the elements sharing the edge by dividing / deleting the element. The In general, if such intermediate nodes remain generated, the calculation cannot be performed. Therefore, it is necessary to take some measures. When the element center finite volume method is used, calculation can be performed by evaluating the flux by adjusting the number of boundary surfaces.

AMR法に関する従来例をいくつか簡単に説明する。本発明者は、特許文献1において、混合格子型解適合格子法を用いて、格子の自由度と計算効率を両立させる数値解析装置を提案した。要素中心有限体積法により数値解析を行う数値解析装置である。四面体要素と六面体要素と五面体要素(ピラミッド要素、プリズム要素)の自由な組み合わせを用いて作成した初期格子データを用いる。要素ごとに密度に基づいて分割削除の指針値を計算する。要素の体積が最小値よりも大きくて、要素の格子レベル(分割回数)が最大でなくて、分割削除の指針値が分割しきい値よりも大きければ、要素の三角形の面を複数の三角形に、四角形の面を複数の四角形に分割するように、要素を分割する。要素の格子レベルが零の初期格子でなくて、分割削除の指針値が削除しきい値よりも小さければ、要素を削除併合して分割前の要素に戻す。   Some conventional examples related to the AMR method will be briefly described. The present inventor has proposed a numerical analysis apparatus in Patent Document 1 that uses a mixed lattice type solution-matching lattice method to achieve both lattice freedom and calculation efficiency. It is a numerical analysis device that performs numerical analysis by the element center finite volume method. Initial lattice data created using a free combination of a tetrahedral element, a hexahedral element, and a pentahedral element (pyramid element, prism element) is used. A guideline value for division deletion is calculated based on the density for each element. If the element volume is larger than the minimum value, the lattice level (number of divisions) of the element is not the maximum, and the division deletion guide value is larger than the division threshold value, the triangular face of the element is changed to multiple triangles. The element is divided so that the quadrangular surface is divided into a plurality of quadrangles. If the element lattice level is not an initial lattice of zero and the division deletion guideline value is smaller than the deletion threshold value, the elements are deleted and merged and returned to the element before the division.

非特許文献1には、適応型メッシュ方法が開示されている。階層的な要素分割に基づく適応型の細分化法を定式化したものである。四面体と六面体とプリズムとピラミッドを任意に混合したメッシュを解析した。必要なメモリを、できるだけ少なくするようにした。この方法は、混合メッシュ上で計算する代数的な多格子流体解析装置とともに用いる。粘性流も非粘性流も、四面体と六面体と混合メッシュを適応的に細分化することで、計算できる。
特願2002-195688号明細書 D. J. Mavriplis; "Adaptive meshing techniques for viscous flowcalculations on mixed element unstructured meshes", Int. J. Numer. Meth.Fluids 2000; 34: 93-111.
Non-Patent Document 1 discloses an adaptive mesh method. It formulates an adaptive subdivision method based on hierarchical element division. We analyzed a mesh that arbitrarily mixed tetrahedron, hexahedron, prism and pyramid. The necessary memory was reduced as much as possible. This method is used with an algebraic multi-lattice fluid analyzer that calculates on a mixed mesh. Both viscous and non-viscous flows can be calculated by adaptively subdividing the tetrahedron, hexahedron and mixed mesh.
Japanese Patent Application No. 2002-195688 Specification DJ Mavriplis; "Adaptive meshing techniques for viscous flowcalculations on mixed element unstructured meshes", Int. J. Numer. Meth. Fluids 2000; 34: 93-111.

しかし、従来の混合格子型解適合格子法を有限要素法に適用することは困難である。一般的には、中間節点を一時的に埋める要素(遷移要素)が用いられる。しかし、遷移要素を使うと、アルゴリズムが複雑になり、要素の形状が歪みやすいため、計算が不安定になるという問題がある。四面体要素のみを用いた場合、四面体要素を用いて遷移要素を作成すればよく、アルゴリズムは簡単である。また、要素の歪みは、ある程度解消される。しかし、六面体要素のみを用いた場合、六面体要素を用いて遷移要素を作成する必要があり、この場合、アルゴリズムが複雑になる。さらに、要素が歪みやすいため、計算が不安定になる。   However, it is difficult to apply the conventional mixed grid type solution fitting grid method to the finite element method. In general, an element (transition element) that temporarily fills an intermediate node is used. However, when transition elements are used, the algorithm becomes complicated and the shape of the elements tends to be distorted. When only tetrahedral elements are used, a transition element may be created using tetrahedral elements, and the algorithm is simple. Further, the distortion of the element is eliminated to some extent. However, when only hexahedral elements are used, it is necessary to create transition elements using hexahedral elements, which complicates the algorithm. Furthermore, since the elements are easily distorted, the calculation becomes unstable.

本発明の目的は、従来のこれらの問題を解決して、有限要素法でも混合格子型解適合格子法で計算できるようにすることである。   An object of the present invention is to solve these conventional problems so that even a finite element method can be calculated by a mixed lattice type solution fitting lattice method.

上記の課題を解決するために、本発明では、有限要素法により混合格子型解適合格子法を用いて数値解析を行う数値解析装置に、四面体要素と六面体要素と五面体要素(ピラミッド要素、プリズム要素)の自由な組み合わせを用いて作成された初期格子データを格納する初期格子記憶手段と、要素の三角形の面を複数の三角形に、四角形の面を複数の四角形に分割するように、要素を複数の要素に分割する格子分割手段と、分割された要素を削除して分割前の要素に戻す格子削除手段と、要素の分割削除によって生じた不完全な節点である中間節点を解消するように遷移要素を生成する遷移要素生成手段と、遷移要素が生成された格子の各要素について分割削除の指針値を計算する指針値計算手段と、指針値に基づいて要素を分割するか削除するかを判定する分割削除判定手段と、遷移要素を削除する遷移要素削除手段とを具備する構成とする。   In order to solve the above problem, in the present invention, a tetrahedral element, a hexahedral element, a pentahedral element (pyramid element, An initial lattice storage means for storing initial lattice data created using a free combination of prism elements), an element so that a triangular surface of the element is divided into a plurality of triangles and a quadrilateral surface is divided into a plurality of rectangles. Grid division means to divide the element into multiple elements, grid deletion means to delete the divided elements and return to the element before division, and to eliminate intermediate nodes that are incomplete nodes caused by element division deletion A transition element generating means for generating a transition element, a guideline value calculating means for calculating a guideline value for dividing and deleting each element of the lattice in which the transition element is generated, and dividing or deleting the element based on the guideline value And determining split deletion determining means Luke, a configuration that includes a transition element removal means for deleting a transition element.

また、遷移要素生成手段に、要素における中間節点の配置状態に応じた個別の分割方法で要素を分割する個別分割処理手段と、個別分割処理手段により要素を分割できない場合に一律的な標準分割方法で要素を分割する標準分割処理手段とを備える構成とする。   In addition, the transition element generation unit includes an individual division processing unit that divides the element by an individual division method according to the arrangement state of the intermediate nodes in the element, and a uniform standard division method when the element cannot be divided by the individual division processing unit And a standard division processing means for dividing the element.

本発明では、上記のように構成したことにより、混合格子型解適合格子法を利用する場合でも有限要素法で安定に計算することができる。AMR法をHybrid格子に対応させることにより、遷移要素の作成・削除のアルゴリズムを、ある程度簡単にすることができ、歪みの少ない遷移要素を作成することができ、低容量計算機で高精度な数値流体解析が行える。さらに、Hybrid格子を用いていることから、形状適合性および計算効率性に優れている。特に、複雑な形状の解析対象物の周りの流体解析においても、格子を容易に生成することができ、高精度な解析を行うことができる。   In the present invention, the configuration as described above enables stable calculation by the finite element method even when the mixed grid type solution-matching grid method is used. By making the AMR method compatible with the Hybrid grid, the transition element creation / deletion algorithm can be simplified to some extent, transition elements with less distortion can be created, and high-precision numerical fluid can be created with a low-capacity computer. Analysis is possible. Furthermore, since the hybrid lattice is used, the shape conformity and the calculation efficiency are excellent. In particular, even in fluid analysis around an analysis object having a complicated shape, a lattice can be easily generated, and highly accurate analysis can be performed.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図1〜図15を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

本発明の実施例1は、四面体要素と六面体要素と五面体要素(ピラミッド要素、プリズム要素)とを用い、分割削除の指針値が分割しきい値よりも大きければ、要素の三角形の面を複数の三角形に、四角形の面を複数の四角形に分割するように、要素を複数の要素に分割し、分割削除の指針値が削除しきい値よりも小さければ、要素を削除して分割前の要素に戻し、分割削除により生じた中間節点を遷移要素により解消して、有限要素法により数値解析を行う数値解析装置である。   The first embodiment of the present invention uses a tetrahedron element, a hexahedron element, and a pentahedron element (pyramid element, prism element), and if the division deletion guideline value is larger than the division threshold value, the triangular face of the element is determined. Divide an element into multiple triangles so that the quadrilateral surface is divided into multiple quadrilaterals.If the split deletion guideline value is smaller than the deletion threshold, delete the element and It is a numerical analysis device that performs numerical analysis by the finite element method by returning to an element, eliminating intermediate nodes caused by division deletion with a transition element.

図1は、本発明の実施例1における数値解析装置の構成を示す機能ブロック図である。図1において、入力装置1は、初期格子データと分割しきい値データと削除しきい値データと物理量などの各種データやパラメータを入力する手段である。初期格子メモリ2は、格子の初期値を格納するメモリである。分割しきい値メモリ3は、格子分割の判定基準を保持するメモリである。削除しきい値メモリ4は、格子削除の判定基準を保持するメモリである。有限要素法演算装置5は、有限要素法により数値解析を行う手段である。格子分割手段6は、格子の要素を分割する手段である。格子削除手段7は、格子を削除し要素を合併してもとのサイズの要素に戻す手段である。指針値計算手段8は、密度などの物理量をもとに指針値を計算する手段である。分割判定手段9は、分割しきい値と指針値を比較する手段である。削除判定手段10は、削除しきい値と指針値を比較する手段である。表示装置11は、数値解析の結果を表示する手段である。遷移要素生成手段12は、遷移要素を生成する手段である。遷移要素削除手段13は、遷移要素を削除する手段である。   FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the numerical analysis device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, an input device 1 is means for inputting various data and parameters such as initial lattice data, division threshold data, deletion threshold data, and physical quantities. The initial lattice memory 2 is a memory that stores initial values of lattices. The division threshold memory 3 is a memory that holds a determination criterion for lattice division. The deletion threshold memory 4 is a memory that holds a determination criterion for lattice deletion. The finite element method computing device 5 is means for performing numerical analysis by the finite element method. The lattice dividing means 6 is means for dividing the elements of the lattice. The lattice deletion means 7 is means for deleting the lattice and returning the elements to the original size even if the elements are merged. The guide value calculation means 8 is a means for calculating the guide value based on a physical quantity such as density. The division determination means 9 is a means for comparing the division threshold value with the guideline value. The deletion determination means 10 is a means for comparing the deletion threshold value with the guideline value. The display device 11 is means for displaying the result of numerical analysis. The transition element generation means 12 is a means for generating a transition element. The transition element deletion means 13 is a means for deleting a transition element.

図2は、本発明の実施例1における数値解析装置の動作手順を示す流れ図である。図3は、HGA法に関する手順を示す流れ図である。図4は、数値解析装置の分割手順と削除手順を示す流れ図である。   FIG. 2 is a flowchart showing an operation procedure of the numerical analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a flowchart showing a procedure related to the HGA method. FIG. 4 is a flowchart showing a dividing procedure and a deleting procedure of the numerical analysis device.

図5は、本発明の実施例1における数値解析装置で用いる格子要素の分割方法を示す図である。図5(a)は、四面体の8分割法(Type1)を示す図である。図5(b)は、四面体の6分割法(Type2)を示す図である。図5(c)は、ピラミッド(四角錐)要素を、6つのピラミッドと4つの四面体に分割する10分割法を示す図である。図5(d)は、プリズム(三角柱)要素の8分割法を示す図である。図5(e)は、六面体の8分割法を示す図である。図5(f)は、三角形の面を分割する方法を示す図である。図5(g)は、四角形の面を分割する方法を示す図である。図5(h)は、要素のFamily関係を説明する図である。   FIG. 5 is a diagram showing a grid element dividing method used in the numerical analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5A is a diagram illustrating a tetrahedral eight-division method (Type 1). FIG. 5B is a diagram illustrating a tetrahedral six-division method (Type 2). FIG. 5C is a diagram showing a 10-division method for dividing a pyramid (quadrangular pyramid) element into six pyramids and four tetrahedrons. FIG. 5D is a diagram showing an eight-division method for prism (triangular prism) elements. FIG. 5 (e) is a diagram showing a hexahedral dividing method. FIG. 5F is a diagram illustrating a method of dividing a triangular surface. FIG. 5G is a diagram illustrating a method for dividing a quadrangular surface. FIG. 5H is a diagram for explaining the Family relationship of elements.

図6(a)は、二次元における格子レベル差0の要素を分割する方法を示す図である。図6(b)は、二次元における格子レベル差1の要素を分割する方法を示す図である。図6(c)は、二次元における格子レベル差1の要素を削除する方法を示す図である。図6(d)は、二次元における格子レベル差0の要素を削除する方法を示す図である。図6(e)は、二次元における中間節点と遷移要素の説明図である。図7(a)は、遷移要素の生成手順を説明する図である。図7(b)は、遷移要素の削除手順を説明する図である。図7(c)は、遷移要素の生成削除を説明する図である。図8は、遷移要素の生成方法を説明する図である。図9は、遷移要素の生成削除の際に隣接要素のデータを修正するための場合分けの方法を説明する図である。   FIG. 6A is a diagram illustrating a method of dividing an element having a lattice level difference of 0 in two dimensions. FIG. 6B is a diagram illustrating a method of dividing an element having a lattice level difference of 1 in two dimensions. FIG. 6C is a diagram illustrating a method for deleting an element having a lattice level difference of 1 in two dimensions. FIG. 6D is a diagram illustrating a method of deleting elements having a lattice level difference of 0 in two dimensions. FIG. 6E is an explanatory diagram of intermediate nodes and transition elements in two dimensions. FIG. 7A is a diagram for explaining a procedure for generating transition elements. FIG. 7B is a diagram for explaining the transition element deletion procedure. FIG. 7C is a diagram for explaining generation and deletion of transition elements. FIG. 8 is a diagram for explaining a transition element generation method. FIG. 9 is a diagram for explaining a case-classification method for correcting the data of adjacent elements at the time of generation / deletion of transition elements.

上記のように構成された本発明の実施例1における数値解析装置の動作を説明する。最初に、図1を参照しながら、数値解析装置の機能の概要を説明する。数値解析装置の基本的な構成は、従来の装置と同じである。有限要素法で計算できるように、HGA(Hybrid
Grid Adaptation)法のアルゴリズムに、遷移要素の生成削除の手続きを導入したものである。入力装置1から、初期格子データと分割しきい値データと削除しきい値データと物理量などの各種データやパラメータを入力する。格子の初期値は、初期格子メモリ2に格納しておく。格子分割の判定基準を、分割しきい値メモリ3に保持しておく。格子削除の判定基準を、削除しきい値メモリ4に保持しておく。これらのデータに基づいて、有限要素法演算装置5で、有限要素法により数値解析を行う。
The operation of the numerical analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described. First, an overview of the functions of the numerical analysis device will be described with reference to FIG. The basic configuration of the numerical analysis device is the same as that of the conventional device. HGA (Hybrid) so that it can be calculated by the finite element method.
Grid Adaptation) algorithm is a transition element generation / deletion procedure. Various data and parameters such as initial lattice data, division threshold data, deletion threshold data, and physical quantities are input from the input device 1. The initial value of the lattice is stored in the initial lattice memory 2. The determination criterion for lattice division is held in the division threshold memory 3. The determination criterion for lattice deletion is stored in the deletion threshold value memory 4. Based on these data, the finite element method computing device 5 performs numerical analysis by the finite element method.

指針値計算手段8で、密度などの物理量をもとに指針値を計算する。分割判定手段9で、分割しきい値と指針値を比較する。削除判定手段10で、削除しきい値と指針値を比較する。指針値が分割しきい値以上であれば、格子分割手段6で、格子の要素を分割する。指針値が削除しきい値以下であれば、格子削除手段7で、格子を削除し要素を合併してもとのサイズの要素に戻す。遷移要素作成手段12で、格子の生成削除で生じた中間節点を解消するための遷移要素を生成する。中間節点が解消された格子について、有限要素法演算装置5で、有限要素法により数値解析を行う。指針値計算手段8で、密度などの物理量をもとに指針値を計算する。その後、遷移要素削除手段13で、遷移要素を削除する。これを繰り返して、数値解析を進める。数値解析の結果を、表示装置11に表示する。   The guideline value calculation means 8 calculates the guideline value based on a physical quantity such as density. The division determination means 9 compares the division threshold value with the guideline value. The deletion determination means 10 compares the deletion threshold value with the guideline value. If the pointer value is equal to or greater than the division threshold value, the lattice dividing means 6 divides the elements of the lattice. If the guideline value is equal to or smaller than the deletion threshold value, the lattice deletion means 7 deletes the lattice and returns the element to the original size even if the elements are merged. The transition element creating means 12 creates a transition element for eliminating the intermediate node generated by the generation and deletion of the grid. The lattice from which the intermediate nodes are eliminated is subjected to numerical analysis by the finite element method computing device 5 using the finite element method. The guideline value calculation means 8 calculates the guideline value based on a physical quantity such as density. Thereafter, the transition element deletion means 13 deletes the transition element. Repeat this to proceed with numerical analysis. The result of the numerical analysis is displayed on the display device 11.

次に、図2を参照しながら、HGA法による数値解析装置の全体の動作手順の概要を説明する。ステップ1で、有限要素法演算装置5は、初期格子メモリ2から初期格子データを読み込む。ステップ2で、有限要素法による計算を実行する。ここで実行する時間単位数は1つでもよく、複数でもよい。ステップ3で、すべての時間単位について計算が終了したかを検査する。終了していれば、ステップ4で、結果を表示して処理を終了する。終了していなければ、ステップ5で、指針値を計算し、ステップ6で、遷移要素を削除し格子データを更新する。格子データの更新とは、隣接要素などのデータの修正のことである。格子データの更新は、要素の分割、削除、遷移要素の削除、作成後に、それぞれ実行する。   Next, the outline of the overall operation procedure of the numerical analysis apparatus based on the HGA method will be described with reference to FIG. In step 1, the finite element method computing device 5 reads initial lattice data from the initial lattice memory 2. In step 2, calculation by the finite element method is executed. The number of time units executed here may be one or more. In step 3, it is checked whether the calculation has been completed for all time units. If completed, the result is displayed in step 4 and the process is terminated. If not completed, the guideline value is calculated in step 5, and the transition element is deleted and the lattice data is updated in step 6. The update of lattice data is correction of data such as adjacent elements. Update of the lattice data is executed after dividing and deleting elements, deleting and creating transition elements, respectively.

ステップ7で、指針値と分割しきい値を比較し、指針値が分割しきい値以上であれば、ステップ8で要素を分割し格子データを更新する。指針値を削除しきい値と比較し、指針値が削除しきい値以下であれば、ステップ9で要素を削除し格子データを更新する。指針値が分割しきい値と削除しきい値の中間であれば、分割も削除もしない。比較と分割と削除の処理を、格子を構成するすべての要素について行う。その後、ステップ10で、遷移要素を生成し格子データを更新して、ステップ2に戻り、有限要素法による計算を実行する。   In step 7, the guideline value is compared with the division threshold value. If the guideline value is equal to or greater than the division threshold value, the element is divided in step 8 and the lattice data is updated. The guideline value is compared with the deletion threshold value. If the guideline value is equal to or smaller than the deletion threshold value, the element is deleted in step 9 and the lattice data is updated. If the guideline value is between the division threshold and the deletion threshold, neither division nor deletion is performed. The comparison, division, and deletion processes are performed for all elements constituting the grid. Thereafter, in step 10, a transition element is generated and the lattice data is updated, and the process returns to step 2 to execute calculation by the finite element method.

第3に、図3を参照しながら、数値解析装置のHGA法に特に関係する動作手順の概要を説明する。HGA法の主要部は、図3に示すように、大きく分けて以下の手順で実行される。
(1)分割・削除の指針値の計算、要素へのマーキング
(2)遷移要素の削除
(3)要素の分割
(4)要素の削除
(5)中間節点の存在する要素へのマーキング
(6)遷移要素の作成
(7)要素数・節点数のカウント
Thirdly, an outline of an operation procedure particularly related to the HGA method of the numerical analysis apparatus will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the main part of the HGA method is roughly divided into the following steps.
(1) Calculation of guideline values for division / deletion, marking of elements (2) Deletion of transition elements (3) Division of elements (4) Deletion of elements (5) Marking of elements with intermediate nodes (6) Creating transition elements (7) Counting the number of elements and nodes

HGA法の手順(1)では、分割・削除を行う要素を判断する前段階として、要素ごとに指針値を計算する。HGA法では、物理量変化の急激な箇所に要素を集中させることが目的となる。このような箇所を探知するために、通常、密度や、圧力勾配や、圧力の二階微分などを利用する。圧縮性流体の場合、衝撃波や接触不連続面を探知するための指針値に密度が用いられるので、ここでも、密度を分割・削除の指針値として用いる。この指針値に他の物理量を用いることで、他の数値解析分野にも適用が可能である。   In the procedure (1) of the HGA method, a guideline value is calculated for each element as a pre-stage for determining the element to be divided / deleted. The purpose of the HGA method is to concentrate elements at locations where the physical quantity changes rapidly. In order to detect such a location, usually density, pressure gradient, second-order differential of pressure, or the like is used. In the case of a compressible fluid, the density is used as a guide value for detecting a shock wave or a contact discontinuity surface. Therefore, the density is also used as a guide value for division / deletion. By using other physical quantities for this guideline value, the present invention can be applied to other numerical analysis fields.

各要素の指針値を計算して、指針値が分割のしきい値よりも大きければ、分割・削除フラグを「分割」に設定する。削除のしきい値よりも小さければ、分割・削除フラグを「削除」に設定する。その中間であれば、分割・削除フラグを「分割・削除を行わない」に設定する。さらに、各要素の格子レベル(分割回数)が、予め設定しておいた最大値に等しい時は、その要素の分割は行われない。また、要素体積が、予め設定しておいた最小値よりも小さい場合は、格子レベルが最大でなくとも、分割・削除フラグを「分割」に設定しない。また、格子レベルが0(初期格子)の場合、削除は行われない。HGA法の手順(2)では、遷移要素を削除する。   When the guideline value of each element is calculated and the guideline value is larger than the division threshold, the division / deletion flag is set to “division”. If it is smaller than the deletion threshold, the division / deletion flag is set to “delete”. If it is in the middle, the division / deletion flag is set to “no division / deletion”. Further, when the lattice level (number of divisions) of each element is equal to the preset maximum value, the element is not divided. If the element volume is smaller than a preset minimum value, the division / deletion flag is not set to “division” even if the lattice level is not maximum. If the lattice level is 0 (initial lattice), the deletion is not performed. In the procedure (2) of the HGA method, the transition element is deleted.

HGA法の手順(3)では、要素の分割を行う前に、着目要素と、その隣接要素や、辺(稜)を共有する要素の情報により、要素の再マーキングを行う。この作業は、着目要素とその隣接要素、節点を共有する要素との格子レベルの差が1以内に抑えられるようになるまで、再帰的に繰り返される。つまり、1つの辺(稜)上に中間節点は1個までしか取れないようになっている。その後、各要素形状に応じた分割ルーチンが実行される。HGA法の手順(4)では、要素を削除する。要素の削除は、分割の逆の方法で行う。要素の削除は、特定の条件を満たす場合に実行される。HGA法の手順(5)では、中間節点の存在する要素へマーキングする。HGA法の手順(6)では、遷移要素を作成する。HGA法の手順(7)では、要素数・節点数をカウントする。HGA法の各手順の詳しい内容は後述する。   In the procedure (3) of the HGA method, before the element is divided, the element is re-marked based on the information of the element of interest, its adjacent element, and the element sharing the side (edge). This operation is recursively repeated until the difference in lattice level between the element of interest and its adjacent elements and elements sharing the node is suppressed to within one. That is, only one intermediate node can be taken on one side (edge). Thereafter, a division routine corresponding to each element shape is executed. In step (4) of the HGA method, elements are deleted. The element is deleted by the reverse method of division. The element deletion is executed when a specific condition is satisfied. In the procedure (5) of the HGA method, an element having an intermediate node is marked. In the procedure (6) of the HGA method, a transition element is created. In step (7) of the HGA method, the number of elements and the number of nodes are counted. The detailed contents of each procedure of the HGA method will be described later.

第4に、図4を参照しながら、要素の分割と削除の手順を説明する。図4(a)を参照して、要素の分割処理手順を説明する。ステップ11で、データの移動及びメモリの確保を行う。分割する前の要素情報を、仮親の要素の一時メモリに移す。そして、新たにできる節点、要素のメモリを確保する。ステップ12で、新たにできた要素の情報の設定を行う。分割によって新たにできた要素を構成する節点のメモリと、隣接する要素のメモリを設定し、物理量を与える。ステップ13で、分割する以前の要素に隣接していた要素の情報を修正する。隣接要素の節点、その隣接要素、要素境界面数のデータを修正する。ステップ14で、節点を共有する要素データの設定と修正を行う。要素の分割により新たに生成された節点と既存の節点との節点共有要素のデータを設定、修正する。ステップ15で、分割する以前の要素と辺を共有する要素のデータを修正する。節点を共有する要素を検索し、新たにできた節点を要素情報に追加し、要素データを修正する。ステップ16で、仮親のメモリの解放を行う。   Fourth, the procedure for dividing and deleting elements will be described with reference to FIG. With reference to FIG. 4A, the element division processing procedure will be described. In step 11, the data is moved and the memory is secured. The element information before the division is transferred to the temporary memory of the temporary parent element. A new node and element memory are secured. In step 12, information on newly created elements is set. Set the memory of the nodes composing the elements newly created by the division and the memory of the adjacent elements, and give physical quantities. In step 13, the information of the element adjacent to the element before the division is corrected. The data of the node of the adjacent element, the adjacent element, and the number of element boundary faces is corrected. In step 14, the element data sharing the node is set and corrected. Set and modify the data of the node sharing element between the node newly generated by dividing the element and the existing node. In step 15, the data of the element sharing the edge with the element before the division is corrected. Search for elements that share a node, add the newly created node to the element information, and modify the element data. In step 16, the temporary parent memory is released.

図4(b)を参照して、要素の削除処理手順を説明する。ステップ21で、仮親のメモリの確保とデータの移動を行う。削除以前の親要素の情報を仮親の要素に移す。ステップ22で、削除後の要素情報の設定を行う。削除後の要素のセルデータと、隣接要素の要素データを設定する。ステップ23で、削除される以前の要素に隣接していた要素の情報を修正する。ステップ24で、節点で隣接する要素データの修正を行う。要素が削除されるのに伴い、節点の隣接要素データを修正する。ステップ25で、削除される以前の要素と辺を共有する要素の要素データを修正する。節点を共有する要素を検索し、格子レベル差を考慮して、その節点を削除するかを決定し、要素データを修正する。節点を削除した場合は、その節点のメモリを解放する。ステップ26で、仮親のメモリの解放と、削除された要素のメモリの解放を行う。   With reference to FIG. 4B, an element deletion processing procedure will be described. In step 21, provisional memory is secured and data is moved. Move parent element information before deletion to temporary parent element. In step 22, the element information after deletion is set. Set the cell data of the element after deletion and the element data of the adjacent element. In step 23, the information of the element adjacent to the previous element to be deleted is corrected. In step 24, the element data adjacent at the node is corrected. As the element is deleted, the adjacent element data of the node is corrected. In step 25, the element data of the element sharing the side with the previous element to be deleted is corrected. The element sharing the node is searched, the lattice level difference is taken into consideration, it is determined whether to delete the node, and the element data is corrected. When a node is deleted, the memory at that node is released. In step 26, the temporary parent memory and the deleted element memory are released.

第5に、図5と図6を参照しながら、要素の分割方法と削除方法を説明する。四面体要素は、8個の四面体要素に分割する方法(図5(a)Type1)と、4個の四面体要素と2個のピラミッド要素に分割する方法(図5(b)Type2)の2種類があり、選択が可能である。また、ピラミッド要素は、図5(c)に示すように、6個のピラミッド要素と4個の四面体要素に分割される。プリズム要素は、図5(d)に示すように、8個のプリズム要素に分割される。六面体要素は、図5(e)に示すように、8個の六面体要素に分割される。削除は、この逆である。このように分割削除を行うことで、要素境界面において、三角形の面、四角形の面は、それぞれ、図5(f)、(g)のようになる。こうすることで、要素境界面の取り扱いが、ある程度容易になり、プログラムの複雑化を防ぐことができる。   Fifth, an element dividing method and a deleting method will be described with reference to FIGS. The tetrahedron element is divided into eight tetrahedron elements (FIG. 5 (a) Type 1) and the method divided into four tetrahedron elements and two pyramid elements (FIG. 5 (b) Type 2). There are two types, which can be selected. Further, as shown in FIG. 5C, the pyramid element is divided into six pyramid elements and four tetrahedron elements. The prism element is divided into eight prism elements as shown in FIG. The hexahedral element is divided into eight hexahedral elements, as shown in FIG. Deletion is the opposite. By performing division deletion in this way, the triangular surface and the quadrangular surface on the element boundary surface become as shown in FIGS. 5 (f) and 5 (g), respectively. By doing so, the handling of the element boundary surface becomes easier to some extent, and the complication of the program can be prevented.

要素の分割の具体的な手順を説明する。
(1)データ移動とメモリ確保:分割する前の要素の情報を、仮親の要素に移す。そして、新たにできる節点、要素のメモリを確保する。
(2)新要素データの設定:分割によって新たにできた要素のデータを設定する。さらに、図5(h)に示すようなFamily関係を設定する。図5(h)では、分かり易くするために、二次元の三角形要素で説明してある。分割以前の要素と形状が同じ要素の1つを親要素とする。ただし、親要素の親要素は自分である。兄弟要素は一緒に分割によって生成された要素のうちの1つである。また、Family関係データは配列になっており、格子レベルごとに設定されている。また、親要素や兄弟要素が存在しない場合は、配列の対応位置にNULL文字が値として入っている。
A specific procedure for dividing elements will be described.
(1) Data movement and memory allocation: The information of the element before the division is moved to the temporary parent element. A new node and element memory are secured.
(2) Setting of new element data: Data of elements newly created by division is set. Furthermore, a Family relationship as shown in FIG. In FIG. 5 (h), a two-dimensional triangular element is used for easy understanding. One element having the same shape as the element before the division is set as a parent element. However, the parent element of the parent element is itself. A sibling element is one of the elements generated by splitting together. Family-related data is arranged in an array and is set for each grid level. If there is no parent element or sibling element, a null character is entered as a value at the corresponding position in the array.

(3)隣接要素の情報修正:要素の分割により、新たな要素が生成されたため、分割以前の要素の隣接要素の各種データを修正する。隣接要素との格子レベル差が0の時(図6(a))には、要素の各種データを修正し、格子レベル差が1の時(図6(b))には、隣接要素の各種データのみを修正する。また、それぞれの要素形状に対応した処理が実行される。
(4)節点データの設定と修正:要素の分割により新たに生成された節点、既存の節点の各種データを設定、修正する。
(5)要素のデータ修正:分割する以前の要素と辺を共有する要素を、節点を共有する要素の各種データを用いて検索し、新たにできた節点を要素情報に追加し、各種データを修正する。
(6)メモリの解放:仮親のメモリを解放する。
(3) Correction of information on adjacent elements: Since a new element is generated by dividing an element, various data of adjacent elements of the element before the division are corrected. When the grid level difference with the adjacent element is 0 (FIG. 6 (a)), various data of the element is corrected, and when the grid level difference is 1 (FIG. 6 (b)) Only correct the data. In addition, processing corresponding to each element shape is executed.
(4) Setting and correction of node data: Setting and correcting various data of nodes newly generated by dividing elements and existing nodes.
(5) Element data correction: Search for elements that share an edge with the previous element using the various data of the elements that share the nodes, add the newly created nodes to the element information, Correct it.
(6) Release memory: Release the temporary parent's memory.

要素の具体的な削除手順を説明する。要素の削除は、分割の逆の方法で行う。要素の削除は、次の条件を満たす場合に実行される。
(条件1)親要素とその全ての兄弟要素の格子レベル(分割回数)が同じ
(条件2)親要素とその全ての兄弟要素に削除マークがついている
(1)メモリ確保とデータ移動:削除以前の親要素のデータを、仮親の要素に移す。
(2)要素データの設定:削除後の要素の各種データを設定する。
(3)隣接要素のデータ修正:要素が削除されたために、削除される以前の要素の隣接要素の各種データを修正する。隣接要素との格子レベル差が1の時(図6(c))には、各種データを修正し、格子レベル差が0の時(図6(d))には、隣接要素情報のみを修正する。それぞれの隣接要素の形状に対応した処理関数が実行される。
A specific procedure for deleting an element will be described. The element is deleted by the reverse method of division. The element is deleted when the following condition is satisfied.
(Condition 1) The lattice level (number of divisions) of the parent element and all its sibling elements is the same (Condition 2) The parent element and all its sibling elements are marked for deletion (1) Memory reservation and data movement: Before deletion The data of the parent element is transferred to the temporary parent element.
(2) Element data setting: Various data of elements after deletion are set.
(3) Data correction of adjacent element: Since the element is deleted, various data of the adjacent element of the element before the deletion is corrected. When the grid level difference with the adjacent element is 1 (FIG. 6C), various data are corrected, and when the grid level difference is 0 (FIG. 6D), only the adjacent element information is corrected. To do. A processing function corresponding to the shape of each adjacent element is executed.

(4)データの設定と修正:要素が削除されるのに伴い、節点の各種データを修正する。
(5)要素のデータ修正:削除される以前の要素と辺を共有する要素を、節点を共有する要素の各種データを用いて検索し、格子レベル差を考慮し、その節点を削除するかを決定し、各種データを修正する。節点を削除した場合は、その節点のメモリを解放する。
(6)メモリの解放:仮親のメモリと、削除された要素のメモリを解放する。
(4) Data setting and correction: Various data of nodes are corrected as elements are deleted.
(5) Element data correction: Searches for elements that share an edge with the previous element to be deleted using various data of elements that share nodes, and considers whether or not to delete the node considering the grid level difference. Determine and correct various data. When a node is deleted, the memory at that node is released.
(6) Release memory: Release the temporary parent memory and the deleted element memory.

第6に、図7を参照しながら、遷移要素の生成方法について説明する。遷移要素とは以下のようなものである。AMR法を適用した場合、要素の分割・削除によって分割された要素と、その隣接要素(辺または稜を共有する要素)との間に、不完全な頂点である中間節点が生成される。中間節点を有する要素を、中間要素と呼ぶことにする。図6(e)に示すように、この中間節点を解消するために、一時的な要素を生成する。この一時的な要素を遷移要素と呼ぶ。遷移要素で構成された格子の部分を遷移格子と呼ぶ。Hybrid格子に対応しているため、四面体要素、ピラミッド要素、プリズム要素、六面体要素を用いて遷移要素を作成することができる。基本的には、図7(a)に示すような2つのプロセス(Process1とProcess2)によって、遷移要素を作成する。遷移要素を作成する前に、中間節点の存在する中間要素にマーキングを行う。また、遷移要素の種類は、遷移要素が作成される前の中間要素の形状、中間節点の位置によって分類され、フラグメモリに格納されている。このようにすることにより、アルゴリズムがある程度簡単になる。   Sixth, the transition element generation method will be described with reference to FIG. Transition elements are as follows. When the AMR method is applied, an intermediate node that is an incomplete vertex is generated between an element divided by element division / deletion and an adjacent element (an element sharing an edge or edge). An element having an intermediate node will be referred to as an intermediate element. As shown in FIG. 6E, a temporary element is generated in order to eliminate this intermediate node. This temporary element is called a transition element. The part of the lattice composed of transition elements is called a transition lattice. Since it corresponds to the Hybrid lattice, a transition element can be created using a tetrahedral element, a pyramid element, a prism element, and a hexahedral element. Basically, a transition element is created by two processes (Process1 and Process2) as shown in FIG. Before creating a transition element, marking is performed on an intermediate element having an intermediate node. The types of transition elements are classified according to the shape of the intermediate element and the position of the intermediate node before the transition element is created, and are stored in the flag memory. By doing so, the algorithm is simplified to some extent.

Process1では、中間節点の存在する中間要素の中心(体心)に、一時的な節点Temporary nodeを作成し、四面体要素またはピラミッド要素を作成する。四面体要素、ピラミッド要素、プリズム要素、六面体要素については、それぞれ図7(c)のようになる。Process1の具体的な手順は、以下のようになる。
(1)データ移動とメモリ確保:遷移要素を作成する前の中間要素のデータを、仮親の要素に移す。新たにできる節点(中間要素の中心に生成された節点)のメモリと、新要素のメモリを確保する。
(2)新要素のデータ設定:遷移要素の作成によって新たにできた要素のデータとFamily関係を設定する。
(3)データの設定と修正:遷移要素の作成により、新たに生成された節点(要素中心に生成された節点)と、既存の節点の各種データを設定、修正する。
(4)メモリの解放:仮親のメモリを解放する。
In Process1, a temporary node Temporary node is created at the center (body center) of the intermediate element where the intermediate node exists, and a tetrahedral element or pyramid element is created. The tetrahedral element, pyramid element, prism element, and hexahedral element are as shown in FIG. The specific procedure of Process1 is as follows.
(1) Data movement and memory allocation: The data of the intermediate element before creating the transition element is moved to the temporary parent element. A memory for a new node (a node generated at the center of the intermediate element) and a memory for the new element are secured.
(2) New element data setting: Set the family data and the element data newly created by creating the transition element.
(3) Data setting and correction: By creating a transition element, a newly generated node (node generated at the element center) and various data of existing nodes are set and corrected.
(4) Release memory: Release the temporary parent's memory.

Process2では、Process1によって作成された四面体要素、ピラミッド要素の中間節点を解消するように、遷移要素を作成する。Process1の処理結果により、中間節点は1つの面にのみ存在しているようになったため、遷移要素を作成する処理関数の種類は、中間節点の存在する面の形状(三角形または四角形)、中間節点のある位置によって場合分けされる。具体的には、図8のようになる。中間節点が存在する面の形状が三角形の場合は、図8(a)のようになる。中間節点が存在する面の形状が四角形の場合は、図8(c)のようになる。このような方法で遷移要素を作成することで、遷移要素の種類を2次元的にとらえることができ、アルゴリズムの複雑化を防ぐことができる。ただし、図中の点線の丸印は、その節点が存在している存在していないの両方を表す。   In Process2, transition elements are created so as to eliminate the intermediate nodes of the tetrahedron and pyramid elements created by Process1. As the result of Process1 processing, the intermediate node now exists on only one surface, so the types of processing functions that create transition elements are the shape of the surface where the intermediate node exists (triangle or square), and the intermediate node. Depending on the location of the case. Specifically, it is as shown in FIG. When the shape of the surface on which the intermediate node exists is a triangle, the shape is as shown in FIG. When the shape of the surface where the intermediate node exists is a quadrangle, the shape is as shown in FIG. By creating transition elements in this way, the types of transition elements can be captured two-dimensionally, and the complexity of the algorithm can be prevented. However, the dotted circle in the figure represents both the presence and absence of the node.

Process2の具体的な手順は以下のようになる。
(1)データ移動とメモリ確保:遷移要素を作成する前の要素のデータを、仮親の要素に移す。新たにできる節点(caseB-6における面中心の節点を作成する場合)のメモリと、新要素のメモリを確保する。
(2)新要素のデータ設定:遷移要素の作成によって新たにできた要素の各種データとFamily関係を設定する。
(3)隣接要素のデータ修正:遷移要素が作成される以前の隣接要素のデータ(面中心の節点を作成する場合)と隣接要素に関するデータを修正する。このとき実行される処理関数は、図9に示すように場合分けされる。
(4)データの設定と修正:新たに生成された節点(面中心の節点を作成する場合)と、既存の節点の各種データを設定、修正する。
(5)メモリの解放:仮親のメモリを解放する。
The specific procedure of Process2 is as follows.
(1) Data movement and memory allocation: The data of the element before creating the transition element is moved to the temporary parent element. Allocate memory for newly created nodes (when creating a node at the center of the surface in caseB-6) and memory for new elements.
(2) New element data setting: Various family data and family relationships are set by creating a transition element.
(3) Adjacent element data correction: data of an adjacent element (when creating a node at the center of the surface) and data related to the adjacent element before the transition element is generated. The processing functions executed at this time are classified according to cases as shown in FIG.
(4) Data setting and correction: A newly generated node (when creating a node at the center of the surface) and various data of existing nodes are set and corrected.
(5) Release memory: Release the temporary parent's memory.

第7に、図7(b)を参照しながら、遷移要素の削除方法を説明する。遷移要素は一時的な要素のため、指針値の計算の後に遷移要素は全て削除される。生成の場合と同様に、削除も以下に示す2つのプロセスによって実行され、作成時の逆のプロセスをたどる。Process1では、遷移要素作成のProcess2により作成された遷移要素を削除し、遷移要素作成のProcess1により作成された四面体要素、ピラミッド要素に戻す。
(1)メモリ確保とデータ移動:遷移要素削除以前の要素のうちの1個の要素のデータを、仮親の要素に移す。
(2)要素のデータ設定:遷移要素削除後の要素の各種データを設定する。
(3)隣接要素のデータ修正:隣接要素の各種データを修正する。このとき実行される処理関数は、図9に示すように場合分けされる。
(4)データの設定と修正:遷移要素が削除されるのに伴い、節点の各種データを修正する。
(5)メモリの解放:仮親のメモリと、削除された要素、節点(CaseB-6における面中心の節点を削除する場合)のメモリを解放する。
Seventh, the transition element deletion method will be described with reference to FIG. Since the transition element is a temporary element, all the transition elements are deleted after the calculation of the guideline value. As with creation, deletion is performed by the following two processes, following the reverse process of creation. In Process1, the transition element created by Process2 for creating the transition element is deleted and returned to the tetrahedral element and pyramid element created by Process1 for creating the transition element.
(1) Memory reservation and data movement: The data of one element among the elements before the transition element deletion is moved to the temporary parent element.
(2) Element data setting: Various element data after transition element deletion is set.
(3) Data correction of adjacent elements: Various data of adjacent elements are corrected. The processing functions executed at this time are classified according to cases as shown in FIG.
(4) Data setting and correction: As transition elements are deleted, various data of nodes are corrected.
(5) Release of memory: Release the memory of the temporary parent and the memory of the deleted element and node (when deleting the node at the center of the surface in Case B-6).

Process2では、遷移要素作成のProcess1によって作成された四面体要素、ピラミッド要素を削除する。
(1)メモリ確保とデータ移動:遷移要素削除以前の親要素のデータを、仮親の要素に移す。
(2)要素のデータ設定:遷移要素削除後の中間要素の各種データを設定する。
(3)データの設定と修正:遷移要素が削除されるのに伴い、節点の各種データを修正する。
(4)メモリの解放:仮親のメモリと、削除された要素のメモリと、要素中心の節点のメモリを解放する。
In Process2, the tetrahedron element and pyramid element created by Process1 of transition element creation are deleted.
(1) Memory reservation and data movement: The data of the parent element before the transition element deletion is moved to the temporary parent element.
(2) Element data setting: Various data of intermediate elements after transition elements are deleted are set.
(3) Data setting and correction: As transition elements are deleted, various data of nodes are corrected.
(4) Release of memory: The temporary parent memory, the deleted element memory, and the node center memory are released.

新たに生じる要素や節点の配列番号の取り方を説明する。分割によって新たに生じる要素や節点の配列番号の取り方としては、以前の削除によってフリーとなっている配列番号を使い回してやれば、最小限の配列番号で済む。しかし、フリーとなった配列番号の検索には莫大な時間がかかるので、避けるべきである。使用する計算機が許す限り、大きく配列番号を取っておく。分割により新たに必要となる配列は、新しい番号をどんどん使っていく。最大配列番号まで使い切る状態に至ったら、配列番号の使いまわしを行う。こうすることで、最大配列番号を使う状態に至るまでは、非常に速くHGA法を実行できる。   Describe how to obtain the array element numbers of newly generated elements and nodes. As a method for obtaining the array numbers of elements and nodes newly generated by the division, if the array numbers that have been freed by the previous deletion are reused, the minimum array number is sufficient. However, searching for free sequence numbers should be avoided because it takes a significant amount of time. Keep as many array numbers as your computer allows. New numbers are required for new arrays required for division. When the maximum sequence number is used up, the sequence number is reused. In this way, the HGA method can be executed very quickly until the maximum sequence number is used.

HGA法は、四面体要素とピラミッド要素とプリズム要素と六面体要素から構成されるHybrid格子で、解析対象を要素に分割して、解析する方法である。HGA法では、Hybrid格子において、物理量の変化が急激である箇所の要素を分割し、変化が急激でなく、細かい要素である必要がない箇所の要素を削除し初期の要素に戻すことを、動的に行う。遷移要素を用いて中間節点を解消するため、その他の特別な処理を行う必要はない。Hybrid格子対応の従来の有限要素法プログラムに対して、インターフェースを統一し、HGA法で使用する変数を追加することで、簡単に組み込むことができ、混合格子型解適合格子法を用いた数値解析装置が実現できる。   The HGA method is a method of performing analysis by dividing an analysis target into elements using a hybrid lattice composed of tetrahedral elements, pyramid elements, prism elements, and hexahedral elements. In the HGA method, in the Hybrid lattice, the element at the location where the change in the physical quantity is abrupt is divided, and the element at the location where the change is not abrupt and does not need to be a fine element is deleted and returned to the initial element. Do it. Since intermediate nodes are eliminated using transition elements, no other special processing is required. It can be easily incorporated by adding variables used in the HGA method to the conventional finite element method program compatible with Hybrid grid, and numerical analysis using a mixed grid type solution adaptive grid method A device can be realized.

上記のように、本発明の実施例1では、数値解析装置を、四面体要素と六面体要素と五面体要素(ピラミッド要素、プリズム要素)とを用い、分割削除の指針値が分割しきい値よりも大きければ、要素の三角形の面を複数の三角形に、四角形の面を複数の四角形に分割するように、要素を複数の要素に分割し、分割削除の指針値が削除しきい値よりも小さければ、要素を削除して分割前の要素に戻し、分割削除により生じた中間節点を遷移要素により解消して、有限要素法により数値解析を行う構成としたので、混合格子型解適合格子法でも有限要素法で計算できる。   As described above, in the first embodiment of the present invention, the numerical analysis apparatus uses a tetrahedron element, a hexahedron element, and a pentahedron element (pyramid element, prism element). Is larger, the element's triangle face is divided into multiple triangles, and the quadrilateral face is divided into multiple squares. For example, the element is deleted and returned to the element before the division, the intermediate node generated by the division deletion is eliminated by the transition element, and the numerical analysis is performed by the finite element method. It can be calculated by the finite element method.

本発明の実施例2は、四面体要素と六面体要素と五面体要素(ピラミッド要素、プリズム要素)とを用い、分割削除の指針値が分割しきい値よりも大きければ、要素の三角形の面を複数の三角形に、四角形の面を複数の四角形に分割するように、要素を複数の要素に分割し、分割削除の指針値が削除しきい値よりも小さければ、要素を削除して分割前の要素に戻し、分割削除により生じた中間節点を、個別分割法を標準分割法に優先して適用する方法で遷移要素を生成して解消して、有限要素法により数値解析を行う数値解析装置である。   Embodiment 2 of the present invention uses a tetrahedron element, a hexahedron element, and a pentahedron element (pyramid element, prism element), and if the division deletion guideline value is larger than the division threshold value, the triangular face of the element is determined. Divide an element into multiple triangles so that the quadrilateral surface is divided into multiple quadrilaterals.If the split deletion guideline value is smaller than the deletion threshold, delete the element and A numerical analysis device that performs numerical analysis by the finite element method by generating transition elements by using the method of applying the individual division method in preference to the standard division method to eliminate intermediate nodes that have been generated by dividing and deleting elements. is there.

図10は、本発明の実施例2における数値解析装置での遷移要素の個別分割法による生成方法を説明する図である。図11は、四面体の遷移要素の個別分割法による生成削除方法を説明する図である。図12は、ピラミッドの遷移要素の個別分割法による生成削除方法を説明する図である。図13は、プリズムの遷移要素の個別分割法による生成削除方法を説明する図である。図14は、六面体の遷移要素の個別分割法による生成削除方法を説明する図である。図15は、遷移要素の個別分割法による生成削除方法を説明する表である。実施例2における数値解析装置の基本的な構成は、実施例1と同じである。個別分割法を優先して遷移要素を生成する点が異なる。   FIG. 10 is a diagram for explaining a method for generating the transition element by the individual division method in the numerical analysis apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 11 is a diagram for explaining a generation / deletion method based on an individual division method for tetrahedral transition elements. FIG. 12 is a diagram for explaining a generation / deletion method based on an individual division method of transition elements of a pyramid. FIG. 13 is a diagram for explaining a generation / deletion method based on the individual division method of the transition elements of the prism. FIG. 14 is a diagram for explaining a generation / deletion method based on an individual division method of hexahedral transition elements. FIG. 15 is a table for explaining a generation / deletion method based on the individual division method of transition elements. The basic configuration of the numerical analysis device according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment. The difference is that the transition elements are generated in preference to the individual division method.

個別分割法による遷移要素の生成と削除を説明する。遷移要素を実施例1の分割法(これを標準分割法とよぶ)のみで生成すると、要素数の増加や要素の歪みのために、計算時間が増加したり、計算が不安定になったりする場合がある。例えば、標準分割法で中間節点が1つある四面体を分割する場合、四面体の体心を頂点とし四面体の各面を底面とする4つの三角錐(四面体)に分割して(図7(c-1))から、さらに中間節点を通る面で分割する(図8(a-2))ので、要素数が6つと多くなり、要素の形状も扁平になる。そこで、中間節点の存在する位置に応じた適切な分割法を個別に適用して、標準分割法とは異なる方法で遷移要素を生成する。   The generation and deletion of transition elements by the individual division method will be described. If a transition element is generated only by the division method of the first embodiment (this is called a standard division method), the calculation time increases or the calculation becomes unstable due to an increase in the number of elements and distortion of the elements. There is a case. For example, when a tetrahedron with one intermediate node is divided by the standard division method, the tetrahedron is divided into four triangular pyramids (tetrahedrons) with the body center of the tetrahedron as the apex and each face of the tetrahedron as the bottom (Fig. 7 (c-1)), and further dividing on the plane passing through the intermediate node (FIG. 8 (a-2)), the number of elements increases to six, and the shape of the elements becomes flat. Therefore, an appropriate division method according to the position where the intermediate node exists is individually applied, and a transition element is generated by a method different from the standard division method.

図10に示すように、標準分割法の図8に対応する方法で、中間節点の存在する位置に応じて要素を分割する。例えば、個別分割法で中間節点が1つある四面体を分割する場合、中間節点を通る面で2つに分割するのみ(図11(c))である。要素の形状も扁平にはならない。この個別分割法による遷移要素の生成削除方法を、標準方法よりも優先して実行する。個別分割法で遷移要素を生成できない場合のみ、標準分割法で遷移要素を生成する。個別分割法で生成した遷移要素を削除する場合は、個別分割法の逆の手順で削除する。個別分割法の個々の分割法は、適宜追加や削除が可能である。   As shown in FIG. 10, the element is divided according to the position where the intermediate node exists by a method corresponding to FIG. 8 of the standard dividing method. For example, when a tetrahedron having one intermediate node is divided by the individual division method, it is only divided into two on a plane passing through the intermediate node (FIG. 11C). The shape of the element does not become flat. This transition element generation / deletion method by the individual division method is executed in preference to the standard method. Only when the transition element cannot be generated by the individual division method, the transition element is generated by the standard division method. When deleting a transition element generated by the individual division method, the transition element is deleted in the reverse procedure of the individual division method. Individual division methods of the individual division method can be added or deleted as appropriate.

個別分割法の遷移要素作成手順を説明する。
(1)データ移動とメモリ確保:遷移要素を作成する前の要素の情報を仮親の要素に移す。そして、新たにできる節点(面中心に節点が生成される場合)と要素のメモリを確保する。
(2)新要素情報の設定:遷移要素の作成によって新たにできた要素の各種データとFamily関係を設定する。
(3)隣接要素の情報修正:遷移要素が生成される以前の要素の隣接要素の各種データを修正する。このとき実行される処理関数は、図9に示すように場合分けされる。
(4)関係データの設定と修正:遷移要素の作成により新たに生成された節点(面中心に節点が生成される場合)と、既存の節点の関係データを設定、修正する。
(5)メモリの解放:仮親のメモリを解放する。
The transition element creation procedure of the individual division method will be described.
(1) Data movement and memory reservation: The information of the element before creating the transition element is moved to the temporary parent element. Then, a new node (when a node is generated at the center of the surface) and an element memory are secured.
(2) Setting of new element information: Various data of a new element created by creating a transition element and a family relationship are set.
(3) Correction of information on adjacent elements: Various data of adjacent elements of elements before transition elements are generated are corrected. The processing functions executed at this time are classified according to cases as shown in FIG.
(4) Setting and correction of relational data: Setting and correction of relational data between a node newly generated by creating a transition element (when a node is generated at the center of the surface) and an existing node.
(5) Release memory: Release the temporary parent's memory.

個別分割法の遷移要素削除時の処理を説明する。
(1)メモリ確保とデータ移動:遷移要素削除以前の親要素の情報を仮親の要素に移す。
(2)削除後の要素情報の設定:遷移要素削除後の要素の各種データを設定する。
(3)隣接要素の情報修正:遷移要素が削除される以前の要素の隣接要素の各種データを修正する。このとき実行される処理関数は、図9に示すように場合分けされる。
(4)関係データの設定と修正:要素が削除されるのに伴い、節点の関係データを修正する。
(5)メモリの解放:仮親と削除された要素、節点(面中心の節点を削除する場合)のメモリを解放する。
A process at the time of transition element deletion in the individual division method will be described.
(1) Memory reservation and data movement: The parent element information before deletion of the transition element is moved to the temporary parent element.
(2) Element information setting after deletion: Various data of elements after transition element deletion is set.
(3) Correction of information on adjacent elements: Various data of adjacent elements of elements before transition elements are deleted are corrected. The processing functions executed at this time are classified according to cases as shown in FIG.
(4) Setting and correction of relational data: As the elements are deleted, the relational data of the nodes is corrected.
(5) Release of memory: Release the memory of the temporary parent, the deleted element, and the node (when deleting the node at the center of the surface).

個別分割法による遷移要素の具体的な生成・削除方法を説明する。図10に示すように、要素の境界面にある中間節点の状態に応じて、境界面を分割する。境界面のこの分割方法は、図8に示す標準分割法の底面の分割法に対応する方法である。この分割法を組み合わせて要素を分割し、遷移要素を生成する。例えば、四面体に1つの中間節点がある場合、図10(a)と(b)とを組み合わせて、図11(c)のように分割する。   A specific method of generating / deleting transition elements by the individual division method will be described. As shown in FIG. 10, the boundary surface is divided according to the state of the intermediate node on the boundary surface of the element. This dividing method of the boundary surface is a method corresponding to the dividing method of the bottom surface of the standard dividing method shown in FIG. The elements are divided by combining the division methods to generate transition elements. For example, when there is one intermediate node in the tetrahedron, FIG. 10A and FIG. 10B are combined and divided as shown in FIG.

四面体要素の場合は、図11と図15(a)に示すように分割する。ただし、CaseC-1とCaseC-2については、通常の格子の要素の分割方法を使って、四面体に分割する(CaseC-1)方法と、四面体とピラミッドに分割する(CaseC-2)方法を用いる。ピラミッド要素の場合は、図12と図15(b)に示すように分割する。ただし、CaseD-1については、通常の格子の要素の分割方法を使って、四面体4個とピラミッド6個に分割する。プリズム要素の場合は、図13と図15(c)に示すように分割する。ただし、CaseE-1については、通常の格子の要素の分割方法を使って、プリズム8個に分割する。六面体要素の場合は、図14と図15(d)に示すように分割する。ただし、CaseF-1については、通常の格子の要素の分割方法を使って、六面体8個に分割する。   In the case of a tetrahedron element, it is divided as shown in FIG. 11 and FIG. However, CaseC-1 and CaseC-2 are divided into tetrahedrons (CaseC-1) using the usual method of dividing elements of the lattice (CaseC-1), and into tetrahedrons and pyramids (CaseC-2). Is used. In the case of a pyramid element, it is divided as shown in FIG. 12 and FIG. However, CaseD-1 is divided into four tetrahedrons and six pyramids using the normal method of dividing the lattice elements. In the case of a prism element, it is divided as shown in FIG. 13 and FIG. However, CaseE-1 is divided into 8 prisms using a normal method of dividing the lattice elements. The hexahedral element is divided as shown in FIGS. 14 and 15 (d). However, CaseF-1 is divided into eight hexahedrons using a normal method of dividing the lattice elements.

上記のように、本発明の実施例2では、数値解析装置を、四面体要素と六面体要素と五面体要素(ピラミッド要素、プリズム要素)とを用い、分割削除の指針値が分割しきい値よりも大きければ、要素の三角形の面を複数の三角形に、四角形の面を複数の四角形に分割するように、要素を複数の要素に分割し、分割削除の指針値が削除しきい値よりも小さければ、要素を削除して分割前の要素に戻し、個別分割法を優先的に実行する方法で、分割削除により生じた中間節点を遷移要素により解消して、有限要素法により数値解析を行う構成としたので、必要最低限の計算メモリで高精度な解析を行うことができる。   As described above, in the second embodiment of the present invention, the numerical analysis apparatus uses a tetrahedron element, a hexahedron element, and a pentahedron element (pyramid element, prism element). Is larger, the element's triangle face is divided into multiple triangles, and the quadrilateral face is divided into multiple squares. For example, the element is deleted and returned to the element before division, and the individual division method is preferentially executed, and the intermediate node caused by the division deletion is eliminated by the transition element, and the numerical analysis is performed by the finite element method Therefore, it is possible to perform highly accurate analysis with the minimum necessary calculation memory.

本発明は、数値流体力学(Computational Fluid Dynamics: CFD)に利用するものである。コンピュータグラフィックスやCADへの組込みも可能である。   The present invention is used for Computational Fluid Dynamics (CFD). It can also be incorporated into computer graphics and CAD.

本発明の実施例1における数値解析装置の構成を示す機能ブロック図、FIG. 2 is a functional block diagram showing the configuration of the numerical analysis device according to the first embodiment of the present invention; 本発明の実施例1における数値解析装置の動作手順を示す流れ図、The flowchart which shows the operation | movement procedure of the numerical analysis apparatus in Example 1 of this invention, 本発明の実施例1における数値解析装置のHGA法に関する手順を示す流れ図、The flowchart which shows the procedure regarding the HGA method of the numerical analyzer in Example 1 of this invention, 本発明の実施例1における数値解析装置の分割手順と削除手順を示す流れ図、The flowchart which shows the division | segmentation procedure and deletion procedure of the numerical analyzer in Example 1 of this invention, 本発明の実施例1における数値解析装置の格子の分割方法を示す図、The figure which shows the division | segmentation method of the grating | lattice of the numerical analyzer in Example 1 of this invention, 本発明の実施例1における数値解析装置の二次元要素を分割する方法を示す図、The figure which shows the method of dividing | segmenting the two-dimensional element of the numerical analyzer in Example 1 of this invention, 本発明の実施例1における数値解析装置の遷移要素の生成削除を説明する図、The figure explaining the generation | occurrence | production deletion of the transition element of the numerical analysis apparatus in Example 1 of this invention, 本発明の実施例1における数値解析装置の遷移要素の生成を説明する図、The figure explaining the production | generation of the transition element of the numerical analysis apparatus in Example 1 of this invention, 本発明の実施例1における数値解析装置の遷移要素の生成削除の際に隣接要素のデータを修正するための場合分けの方法を説明する図、The figure explaining the method of the case classification for correcting the data of an adjacent element in the case of the production | generation deletion of the transition element of the numerical analysis apparatus in Example 1 of this invention, 本発明の実施例2における数値解析装置の個別分割法による遷移要素の生成方法を説明する図、The figure explaining the production | generation method of the transition element by the separate division | segmentation method of the numerical analysis apparatus in Example 2 of this invention, 本発明の実施例2における数値解析装置の個別分割法による四面体の遷移要素の生成を説明する図、The figure explaining the production | generation of the transition element of the tetrahedron by the separate division | segmentation method of the numerical analysis apparatus in Example 2 of this invention, 本発明の実施例2における数値解析装置の個別分割法によるピラミッドの遷移要素の生成削除を説明する図、The figure explaining the generation | occurrence | production deletion of the transition element of a pyramid by the separate division | segmentation method of the numerical analysis apparatus in Example 2 of this invention, 本発明の実施例2における数値解析装置の個別分割法によるプリズムの遷移要素の生成削除を説明する図、FIG. 5 is a diagram for explaining generation and deletion of a transition element of a prism by an individual division method of a numerical analysis device according to a second embodiment of the present invention; 本発明の実施例2における数値解析装置の個別分割法による六面体の遷移要素の生成削除を説明する図、The figure explaining the generation | occurrence | production deletion of the transition element of the hexahedron by the separate division | segmentation method of the numerical analysis apparatus in Example 2 of this invention, 本発明の実施例2における数値解析装置の個別分割法による遷移要素の生成削除を説明する表である。It is a table | surface explaining the production | generation deletion of the transition element by the individual division method of the numerical analysis apparatus in Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 入力装置
2 初期格子メモリ
3 分割しきい値メモリ
4 削除しきい値メモリ
5 有限要素法演算装置
6 格子分割手段
7 格子削除手段
8 指針値計算手段
9 分割判定手段
10 削除判定手段
11 表示装置
12 遷移要素生成手段
13 遷移要素削除手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Input device 2 Initial lattice memory 3 Division | segmentation threshold value memory 4 Deletion threshold value memory 5 Finite element method arithmetic unit 6 Lattice division means 7 Lattice deletion means 8 Guide value calculation means 9 Division determination means
10 Deletion judgment means
11 Display device
12 Transition element generation means
13 Transition element deletion method

Claims (2)

混合格子を用いる有限要素法へ解適合格子法(AMR)を適用して物理量の数値解析を行う数値解析装置であって、四面体要素と六面体要素と五面体要素(ピラミッド要素、プリズム要素)の自由な組み合わせを用いて作成された初期格子データを格納する初期格子記憶手段と、要素の三角形の面を複数の三角形に、四角形の面を複数の四角形に分割するように、要素を複数の要素に分割する格子分割手段と、分割された要素を削除して分割前の要素に戻す格子削除手段と、要素の分割削除によって生じた不完全な節点である中間節点を解消するように遷移要素を生成する遷移要素生成手段と、格子の各要素について分割削除の指針値を計算する指針値計算手段と、指針値に基づいて要素を分割するか削除するかを判定する分割削除判定手段と、遷移要素を削除する遷移要素削除手段とを具備することを特徴とする数値解析装置。 A numerical analysis device that applies solution-adapted lattice method (AMR) to a finite element method using a mixed lattice and performs physical quantity numerical analysis, and includes tetrahedral elements, hexahedral elements, and pentahedral elements (pyramid elements, prism elements). An initial lattice storage means for storing initial lattice data created using any combination, and an element is divided into a plurality of elements such that a triangular surface of the element is divided into a plurality of triangles and a quadrilateral surface is divided into a plurality of rectangles. A grid dividing means for dividing the element into two, a grid deleting means for deleting the divided element and returning it to the element before the division, and a transition element so as to eliminate the intermediate node that is an incomplete node caused by dividing and deleting the element. A transition element generating means for generating, a guideline value calculating means for calculating a guideline value for splitting and deleting each element of the lattice, and a split deletion determining means for determining whether to split or delete the element based on the guideline value Numerical analysis apparatus characterized by comprising a transition element removal means for deleting a transition element. 前記遷移要素生成手段は、要素における中間節点の配置状態に応じた個別の分割方法で要素を分割する個別分割処理手段と、前記個別分割処理手段により要素を分割できない場合に、四面体要素か六面体要素か五面体要素である多面体要素の体心を頂点とし多面体要素の各面を底面とする多面体に分割してからさらに中間節点を通る面で分割するという標準分割方法で要素を分割する標準分割処理手段とを備えることを特徴とする請求項1記載の数値解析装置。
The transition element generating means includes an individual division processing means for dividing an element by an individual division method according to an arrangement state of intermediate nodes in the element, and a tetrahedral element or a hexahedron when the element cannot be divided by the individual division processing means. A standard division that divides an element by a standard division method that divides the polyhedron element, which is an element or pentahedron element, into a polyhedron with the body center of the polyhedron element as the apex and each face of the polyhedron element as the base, and then dividing it into a plane passing through the intermediate nodes The numerical analysis apparatus according to claim 1, further comprising a processing unit.
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