JP4745870B2 - 衝突解析装置および衝突解析プログラム - Google Patents

Description

本発明は、解析対象の構造体の衝突による変形の有限要素法によるシミュレーションを行う衝突解析装置および衝突解析プログラムに関する。

有限要素法はコンピュータによるシミュレーション手法の一つであり、無限の自由度を持つ解析対象の構造体を有限個の要素の集合体として近似させ、その近似モデルの各要素の衝突による変形をシミュレーションにより解析するものである。

図８は、有限要素法による自動車の車体の近似モデルの一例である。

図８には、自動車の車体を有限個の要素の集合体として近似させた有限要素モデルの例が示されている。

衝突解析の分野では、有限要素法のうちでも特に陽解法と呼ばれる解析手法が広く用いられている。この陽解法では、時間に関してはタイムステップと呼ばれる極く短い時間増分に分割しその時間増分ごとにシミュレーションが繰り返される。

陽解法を用いる場合、運動方程式を安定的に解くためには時間増分Δｔの大きさが次に示すクーラン条件を満足させる必要がある。

Δｔ＝Ｌ／Ｃｓ
Ｃｓ＝√（Ｅ／ρ）
ここで、Ｌは要素有効幅（最小値）、Ｃｓは材料内の音速、Ｅはヤング率、ρは質量密度を表す。

一般に、衝突現象は短時間で発生し、衝突解析における現象時間は１０^-3秒〜１０^-1秒程度である。一方、クーラン条件から算出される時間増分Δｔは、１０^-8秒〜１０^-6秒程度であり、最終的な解を得るまでに、１０⁵回程度のタイムステップ（時間増分）が繰り返される。

衝突解析では、時々刻々に衝突対象の形状が変化するので現象時間毎に変形や状態量を算出するまでに要する演算量が異なり、各タイムステップごとのコンピュータＣＰＵ動作時間に差異が生じる。

図９は、図８に示した自動車車体の有限要素モデルの衝突前の状態を示す上面図であり、図１０は、図８に示した自動車車体の有限要素モデルの衝突後の状態を示す上面図である。

図１０に示すように、衝突後の自動車の車体前部の各要素は衝撃により変形して相互に密着した状態となっており、図９に示した衝突前の状態からは大きく変化している。

このように、衝突によって要素が歪みその結果、要素有効幅の極めて短い要素が出現すると、前述のクーラン条件により最小の要素有効幅に応じて決定される時間増分もまた極めて小さい値となり、そのため、演算量は飛躍的に増加し、ＣＰＵ動作時間も増大する。

こうして得られた演算結果は画像データとして一旦、記憶装置に保存され、その画像データをコンピュータの表示画面上に出力することにより解析結果の評価が行われるが、衝突解析のように演算量が多く膨大なデータ量が得られる場合には、解析作業時間を短縮する必要から全てのタイムステップについてのデータ出力を行わずに、適当な出力間隔を設定し時間を間引いてデータ出力し画像表示されることが多い。しかし、出力間隔の設定のしかたが不適切な場合は、衝突現象を解析するために必要な決定的な場面を見逃してしまったり、解析作業時間の短縮が不十分であったりするという問題がある。

一般に、複雑な衝突現象を含む解析は極めて難しい処理であり、コンピュータを用いるにしてもＣＰＵに大きな負荷がかかるため、大規模なシステム環境が必要とされる。そこで、例えば、建設機械や農林漁業における作業機械の訓練を行うためのシミュレータの分野において、ＣＰＵの計算負荷を軽減するために、衝突検出用簡易形状モデルを含む簡易なモデル化を行うことによって実時間の演算処理が可能なように工夫した実時間運動シミュレーション表示装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２８８２１１号公報

しかし、上記特許文献１に開示された技術は、衝突現象をリアルタイムで演算しかつその演算結果をリアルタイムで表示するために簡易なモデル化を行うという技術であり、演算結果をリアルタイムで表示する必要はない代わりに、衝突現象のシミュレーション結果を精密に評価したいというニーズには適用することはできない。

本発明は、上記事情に鑑み、衝突現象のシミュレーション結果を評価する際の操作性に優れた、効率のよい衝突解析装置および衝突解析プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の衝突解析装置は、
解析対象の構造体の衝突による変形の有限要素法によるシミュレーションを行う衝突解析装置において、
１回のシミュレーションの後に最小の要素有効幅を探索し該最小の要素有効幅に応じて次のシミュレーションを実行すべき実時間上の時点を決定して該時点におけるシミュレーションを行うというサイクルを繰り返す演算手段と、
上記演算手段による上記サイクルを繰り返す間の演算量をモニタして実時間の単位時間当たりの演算量の変化を検出する負荷検出手段と、
上記負荷検出手段により検出された単位時間当たりの演算量に基づいて衝突による変形が大きく進んでいる時点もしくは時間領域を認識して解析対象の構造体の変形途中の、該時点もしくは時間領域の画像を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の衝突解析装置によれば、単位時間当たりの演算量に基づいて衝突による変形が大きく進んでいる時点もしくは時間領域が認識され、膨大な量の解析データの中からその時点もしくは時間領域の画像を取り出して表示するので、衝突現象のシミュレーション結果を評価する際の操作性に優れた、効率のよい衝突解析装置を得ることができる。

ここで、上記演算手段は、コンピュータのＣＰＵ（中央演算処理装置）での有限要素法によるシミュレーションを行うソフトウエアの実行により構成される手段であり、上記負荷検出手段は、上記ＣＰＵの動作時間をモニタして、実時間の単位時間当たりのＣＰＵの動作時間の変化を求める手段であり、上記表示手段は、上記コンピュータの表示画面上に上記画像を表示する手段であることが好ましい。

本発明の衝突解析装置を上記のように構成した場合には、コンピュータを用いて演算し負荷検出を行い画像を表示するので、衝突現象のシミュレーション結果を評価する際の操作性に優れた、効率のよい衝突解析を行うことができる。

また、上記表示手段は、上記負荷検出手段により検出された実時間の単位時間当たりの演算量の、変化カーブにおける演算量の最大ピークの、実時間軸上の時点の画像を表示するものであってもよい。

本発明の衝突解析装置を上記のように構成した場合には、衝突現象のシミュレーション結果を評価する際の操作性に優れた衝突解析装置を得ることができる。

また、上記目的を達成する本発明の衝突解析プログラムは、
コンピュータ内で実行され、該コンピュータを、解析対象の構造体の衝突による変形の有限要素法によるシミュレーションを行う衝突解析装置として動作させる衝突解析プログラムにおいて、
上記コンピュータを、１回のシミュレーションの後に最小の要素有効幅を探索し該最小の要素有効幅に応じて次のシミュレーションを実行すべき実時間上の時点を決定して該時点におけるシミュレーションを行うというサイクルを繰り返す演算手段と、
上記演算手段による上記サイクルを繰り返す間の演算量をモニタして実時間の単位時間当たりの演算量の変化を検出する負荷検出手段と、
上記負荷検出手段により検出された単位時間当たりの演算量に基づいて衝突による変形が大きく進んでいる時点もしくは時間領域を認識して解析対象の構造体の変形途中の、該時点もしくは時間領域の画像を表示する表示手段とを備えた衝突解析装置として動作させることを特徴とする。

本発明の衝突解析プログラムによれば、コンピュータ上に、衝突現象のシミュレーション結果を評価する際の操作性に優れた、効率のよい衝突解析装置を容易に形成することができる。

本発明によれば、衝突現象のシミュレーション結果を評価する際の操作性に優れた、効率のよい衝突解析装置、およびコンピュータ上に、効率がよくかつ操作性のよい衝突解析装置を容易に形成することの可能な衝突解析プログラムを実現することができる。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態が適用されるコンピュータを示す外観斜視図である。

このコンピュータ１００は、ＣＰＵ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ハードディスク等を内蔵した本体部１０１、本体部１０１からの指示により表示画面１０２ａに画面表示を行うディスプレイ１０２、このコンピュータ内にユーザの指示や文字情報を入力するためのキーボード１０３、表示画面１０２ａ上の任意の位置を指定することによりその位置に応じた指示を入力するマウス１０４を備えている。

本体部１０１は、さらに、外観上、フレキシブルディスク２１０（図１には図示せず；図２参照）が装填されるフレキシブルディスク装填口１０１ａ、およびＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２００（図２参照）が装填されるＣＤ装填口１０１ｂを有しており、その内部には、装填されたフレキシブルディスクやＣＤをドライブする、フレキシブルディスクドライブ１１４、ＣＤドライブ１１５（図２参照）も搭載されている。

本実施形態では、ＣＤ−ＲＯＭ２００に衝突解析プログラムが記憶されており、このＣＤ−ＲＯＭがＣＤ装填口１０１ｂから本体部１０１内に装填され、そのＣＤ−ＲＯＭに記憶された衝突解析プログラムがＣＤドライブによりこのコンピュータ１００のハードディスクにインストールされる。このコンピュータ１００のハードディスク内にインストールされた衝突解析プログラムが起動されると、このコンピュータ１００上に、本発明の一実施形態に相当する衝突解析装置が構築される。

図２は、図１に示すコンピュータのハードウェア構成図である。

ここに示すようにコンピュータ１００には、ＣＰＵ１１１、ＲＡＭ１１２、ハードディスクコントローラ１１３、フレキシブルディスクドライブ１１４、ＣＤドライブ１１５、マウスコントローラ１１６、キーボードコントローラ１１７、およびディスプレイコントローラ１１８が備えられており、それらはバス１１０で相互に接続されている。

フレキシブルディスクドライブ１１４、ＣＤドライブ１１５は、図１を参照して説明したように、フレキシブルディスク２１０、ＣＤ−ＲＯＭ２００が装填され、装填されたフレキシブルディスク２１０、ＣＤ−ＲＯＭ２００をアクセスするものである。

また、ここには、ハードディスクコントローラ１１３によりアクセスされるハードディスク２２０、マウスコントローラ１１６により制御されるマウス１０４、キーボードコントローラ１１７により制御されるキーボード１０３、およびディスプレイコントローラ１１８により制御されるディスプレイ１０２も示されている。

前述したように、ＣＤ−ＲＯＭ２００には衝突解析プログラムが記憶されており、ＣＤドライブ１１５により、そのＣＤ−ＲＯＭ２００から衝突解析プログラムが読み込まれ、バス１１０を経由し、ハードディスクコントローラ１１３によりハードディスク２２０内に格納される。実際の実行にあたっては、そのハードディスク２２０内の衝突解析プログラムはＲＡＭ１１２上にロードされ、ＣＰＵ１１１により実行される。

図３は、本発明の一実施形態に相当する衝突解析プログラムを示す図である。

ここでは、この衝突解析プログラム３００は、ＣＤ−ＲＯＭ２００に記憶されている。

この衝突解析プログラム３００は、演算手段３１０と、負荷検出手段３２０と、表示手段３３０とを要素として構成されている。この衝突解析プログラム３００が、図１に示すコンピュータ１００内で実行されると、そのコンピュータ１００は、本発明の一実施形態の衝突解析装置として動作する。

なお、本発明の衝突解析プログラムを記憶する記憶媒体は、プログラムを記憶することができるものであればその種類を問うものではなく、例えばハードディスク装置の磁気ディスクであってもよく、あるいはフレキシブルディスクやＭＯディスクやＤＶＤであってもよく、あるいはカード型やテープ型の記憶媒体であってもよい。

また、本発明の衝突解析プログラムは、記憶媒体に記憶されているものに限定されるものではなく、例えば通信回線で通信されるものであってもよい。

この図３に示す衝突解析プログラム３００の各要素の詳細については後述する。

図４は、本発明の一実施形態の衝突解析装置の機能ブロック図である。

この衝突解析装置４００は、図３の衝突解析プログラム３００が、図１に示すコンピュータ１００にインストールされて実行されることにより形成される。

この衝突解析装置４００は、解析対象の構造体の衝突による変形の有限要素法によるシミュレーションを行う装置であり、演算手段４１０と、負荷検出手段４２０と、表示手段４３０とを備えている。

なお、本実施形態における演算手段４１０は、コンピュータ１００（図１参照）のＣＰＵ１１１（図２参照）での有限要素法によるシミュレーションを行うソフトウエアの実行により構成される手段であり、負荷検出手段４２０は、上記ＣＰＵの動作時間をモニタして実時間の単位時間当たりのＣＰＵの動作時間の変化を求める手段であり、表示手段４３０は、上記コンピュータの表示画面上に、負荷検出手段４２０により検出された実時間の単位時間当たりの演算量の、変化カーブにおける演算量の最大ピークの、実時間軸上の時点の画像を表示する手段として構成されている。

また、この衝突解析装置４００には、上記各手段のほかに、図４に示すように、操作者の操作に基づく指示が入力される操作指示手段４１２、演算結果データ４１１を読み込むデータ読込手段４１４、および表示画面４３１が備えられている。

次に、本実施形態の衝突解析装置４００の各手段の機能について説明する。

演算手段４１０は、各シミュレーションごとに最小の要素有効幅を探索し、該最小の要素有効幅に応じて次のシミュレーションを実行すべき実時間上の時点を決定して該時点におけるシミュレーションを行うというサイクルを繰り返すものであり、その演算の結果、図４に示すように、演算結果データ４１１が得られる。この演算結果データ４１１は、一旦、コンピュータ１００（図１参照）のハードディスク２２０（図２参照）内に記憶される。

次に、操作者の操作に応じて操作指示手段４１２から操作指示データ４１３が入力されると、データ読込手段４１４は、上記ハードディスク２２０から演算結果データ４１１が読み込まれる。

負荷検出手段４２０は、その演算結果データ４１１の中からＣＰＵ動作時間データ４１５、すなわちシミュレーションサイクルを繰り返す間のＣＰＵの演算量をモニタして実時間の単位時間当たりの演算量の変化を検出する。

表示手段４３０は、負荷検出手段４２０により検出された単位時間当たりの演算量に基づいて衝突による変形が大きく進んでいる時点もしくは時間領域を認識して解析対象の構造体の変形途中の、該時点もしくは時間領域の画像データ４２１を、表示画面４３１、すなわちコンピュータディスプレイ１０２（図１参照）の表示画面１０２ａ上に表示する。

図５は、本実施形態の衝突解析装置により得られたＣＰＵ動作時間を実時間軸上にプロットしたグラフである。

前述のように、有限要素法による衝突解析においては、クーラン条件により要素有効幅が時間増分に寄与するため、衝突によって要素が歪むと時間増分が変化して演算量に影響を与える。そのため、図５に示すように、衝突が起きてからある時間経過後に衝突による変形が大きく進みその結果、ＣＰＵ動作時間は急激に増大して独特の変化カーブを描く。この変化カーブにおけるＣＰＵ動作時間の最大ピークＰを示す時点ｔｐでは、解析対象の構造体に重大な変化が起きている可能性が高く、その時点の画像データは、その構造体の衝突解析結果を評価するための重要な指針となり得る。

そこで、本実施形態の衝突解析装置では、上記負荷検出手段４２０（図４参照）により実時間の単位時間当たりの演算量の変化を検出し、表示手段４３０により、負荷検出手段４２０により検出された単位時間当たりの演算量に基づいて衝突による変形が大きく進んでいる時点もしくは時間領域を認識して解析対象の構造体の変形途中の、該時点もしくは時間領域の画像データを表示画面上に表示するように構成されている。

次に、本実施形態の衝突解析プログラムの動作について説明する。

図６は、本実施形態の衝突解析プログラムの動作を示すフローチャートである。

本実施形態の衝突解析プログラムは、図１に示したコンピュータ１００を、図４に示した演算手段４１０と、負荷検出手段４２０と、表示手段４３０とを備えた衝突解析装置４００として動作させるために、コンピュータ１００内で実行され、コンピュータ１００を、解析対象の構造体の衝突による変形の有限要素法によるシミュレーションを行う衝突解析装置として動作させるものである。

図６に示すように、この衝突解析プログラムは、先ず第１段階として、シミュレーションの仕様を定めた入力データファイルを読み込み（ステップＳ０１）、上記演算手段４１０により、１回のシミュレーションの後に最小の要素有効幅を探索し該最小の要素有効幅に応じて次のシミュレーションを実行すべき実時間上の時点を決定してその時点におけるシミュレーションを行うというサイクルを繰り返す演算処理を行い（ステップＳ０２）、その演算結果データを所定の記憶装置に出力する（ステップＳ０３）。

次に、第２段階として、上記演算結果データを読み込み（ステップＳ１１）、その演算結果データに基づき、上記サイクルを繰り返す間の演算量をモニタして実時間の単位時間当たりの演算量の変化を検出する。すなわち、先ず、タイムステップｎ＝１、すなわちシミュレーションが実行された実時間上の最初の時点の演算結果データを初期値として設定した（ステップＳ１２）後、そのタイムステップにおけるＣＰＵ動作時間が最大値であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。

ステップＳ１３における判定の結果、最大値であった場合には、ＣＰＵ動作時間最大値を更新しそのときのタイムステップｍを記憶した（ステップＳ１４）後、ステップＳ１５に進む。

一方、ステップＳ１３における判定の結果、最大値でない場合には、ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、タイムステップｎが、最終タイムステップに達したか否かを判定する。

ステップＳ１５における判定の結果、最終タイムステップに達していない場合には、ステップＳ１６に進みタイムステップｎをｎ＋１にセットした後、ステップＳ１３以降の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１３における判定の結果、最終タイムステップＮに達している場合には、ステップＳ１７に進みタイムステップｍの画像を表示し、全ての処理を終了する。

こうして、ＣＰＵ動作時間が最大値を示しているタイムステップｍの画像が、コンピュータ１００（図１，２参照）のディスプレイ１０２の表示画面１０２ａ上に表示される。

図７は、本実施形態の衝突解析装置の表示手段により画面上に表示された自動車の変形途中の画像を示す図である。

図７に示すように、この画像により、解析対象の構造体である自動車前部の各要素が衝突によりどのように変形していくかを的確にかつ効率的に評価することができる。

本発明の一実施形態が適用されるコンピュータを示す外観斜視図である。 図１に示すコンピュータのハードウェア構成図である。 本発明の一実施形態に相当する衝突解析プログラムを示す図である。 本発明の一実施形態の衝突解析装置の機能ブロック図である。 本実施形態の衝突解析装置により得られたＣＰＵ動作時間を実時間軸上にプロットしたグラフである。 本実施形態の衝突解析プログラムの動作を示すフローチャートである。 本実施形態の衝突解析装置の表示手段により画面上に表示された自動車の変形途中の画像を示す図である。 有限要素法による自動車の車体の近似モデルの一例である。 図８に示した自動車車体の有限要素モデルの衝突前の状態を示す上面図である。 図８に示した自動車車体の有限要素モデルの衝突後の状態を示す上面図である。

符号の説明

１００ コンピュータ
１０１ 本体部
１０１ａ フレキシブルディスク装填口
１０１ｂ ＣＤ装填口
１０２ ディスプレイ
１０２ａ 表示画面
１０３ キーボード
１０４ マウス
１１０ バス
１１１ ＣＰＵ
１１２ ＲＡＭ
１１３ ハードディスクコントローラ
１１４ フレキシブルディスクドライブ
１１５ ＣＤドライブ
１１６ マウスコントローラ
１１７ キーボードコントローラ
１１８ ディスプレイコントローラ
２００ ＣＤ−ＲＯＭ
２１０ フレキシブルディスク
２２０ ハードディスク
３００ 衝突解析プログラム
３１０ 演算手段
３２０ 負荷検出手段
３３０ 表示手段
４００ 衝突解析装置
４１０ 演算手段
４１１ 演算結果データ
４１２ 操作指示手段
４１４ データ読込手段
４２０ 負荷検出手段
４３０ 表示手段
４３１ 表示画面

Claims (4)

1. 解析対象の構造体の衝突による変形の有限要素法によるシミュレーションを行う衝突解析装置において、
   １回のシミュレーションの後に最小の要素有効幅を探索し該最小の要素有効幅に応じて次のシミュレーションを実行すべき実時間上の時点を決定して該時点におけるシミュレーションを行うというサイクルを繰り返す演算手段と、
   前記演算手段による前記サイクルを繰り返す間の演算量をモニタして実時間の単位時間当たりの演算量の変化を検出する負荷検出手段と、
   前記負荷検出手段により検出された単位時間当たりの演算量に基づいて衝突による変形が大きく進んでいる時点もしくは時間領域を認識して解析対象の構造体の変形途中の、該時点もしくは時間領域の画像を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする衝突解析装置。
2. 前記演算手段は、コンピュータのＣＰＵでの有限要素法によるシミュレーションを行うソフトウエアの実行により構成される手段であり、
   前記負荷検出手段は、前記ＣＰＵの動作時間をモニタして、実時間の単位時間当たりのＣＰＵの動作時間の変化を求める手段であり、
   前記表示手段は、前記コンピュータの表示画面上に前記画像を表示する手段であることを特徴とする請求項１記載の衝突解析装置。
3. 前記表示手段は、前記負荷検出手段により検出された実時間の単位時間当たりの演算量の、変化カーブにおける演算量の最大ピークの、実時間軸上の時点の画像を表示するものであることを特徴とする請求項１記載の衝突解析装置。
4. コンピュータ内で実行され、該コンピュータを、解析対象の構造体の衝突による変形の有限要素法によるシミュレーションを行う衝突解析装置として動作させる衝突解析プログラムにおいて、
   前記コンピュータを、１回のシミュレーションの後に最小の要素有効幅を探索し該最小の要素有効幅に応じて次のシミュレーションを実行すべき実時間上の時点を決定して該時点におけるシミュレーションを行うというサイクルを繰り返す演算手段と、
   前記演算手段による前記サイクルを繰り返す間の演算量をモニタして実時間の単位時間当たりの演算量の変化を検出する負荷検出手段と、
   前記負荷検出手段により検出された単位時間当たりの演算量に基づいて衝突による変形が大きく進んでいる時点もしくは時間領域を認識して解析対象の構造体の変形途中の、該時点もしくは時間領域の画像を表示する表示手段とを備えた衝突解析装置として動作させることを特徴とする衝突解析プログラム。

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