JP5046222B2 - Finite element analysis apparatus, finite element analysis method, and computer program - Google Patents

Finite element analysis apparatus, finite element analysis method, and computer program Download PDF

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本発明は、マルチグリッド法を用いて、有限要素を構成するグリッドを辺要素単位で解析する有限要素解析時に、ユーザによるグリッド生成の負荷を軽減しつつ、解析解の収束性を高く維持することができる有限要素解析装置、有限要素解析方法、及びコンピュータプログラムに関する。   The present invention maintains a high convergence of the analytical solution while reducing the load of grid generation by the user at the time of finite element analysis in which the grid constituting the finite element is analyzed in units of side elements using the multigrid method. The present invention relates to a finite element analysis apparatus, a finite element analysis method, and a computer program.

近年、コンピュータ技術の急速な進展に伴い、より詳細な現象を扱う非線形問題、過渡問題等の応答解析をコンピュータシミュレーションで行うことが実用上可能となってきている。斯かるコンピュータシミュレーションにおいては、様々な物理現象を扱うことができ、適用範囲が広いことから、解析手法として有限要素法(Finite Element Method:以下、FEM)が良く用いられており、解析精度はメッシュ分割の粗密に依存するものと考えられている。   In recent years, with the rapid development of computer technology, it has become practically possible to perform response analysis of nonlinear problems, transient problems, etc. that handle more detailed phenomena by computer simulation. In such computer simulation, various physical phenomena can be handled and the range of application is wide, so the Finite Element Method (FEM) is often used as an analysis method, and the analysis accuracy is mesh. It is thought to depend on the density of the division.

コンピュータシミュレーションの精度を高めるべくメッシュ分割を細かくした場合、例えばICCG(Incomplete Cholesky Conjugate Gradient Method )法等の反復法を用いて求解する場合、演算時間は級数的に増加し、演算処理時間を短縮することが困難となる。斯かる問題を解決すべく、例えば特許文献1では、ICCG法よりも高速に解くことができると考えられているマルチグリッド法を用いている。   When mesh division is made finer to increase the accuracy of computer simulation, for example, when solving using an iterative method such as the ICCG (Incomplete Cholesky Conjugate Gradient Method) method, the computation time increases exponentially and the computation processing time is shortened. It becomes difficult. In order to solve such a problem, for example, Patent Document 1 uses a multigrid method that is considered to be able to solve faster than the ICCG method.

マルチグリッド法では、粗密の異なる複数のメッシュのうち、一番細かいメッシュに対する連立方程式をガウスザイデル法等の反復解法を用いて近似解を求める。例えばガウスザイデル法は、誤差の空間的高周波成分が反復の初期段階で速やかに収束する一方、低周波成分の収束は非常に遅い性質を有する。したがって、数回の反復計算で打ち切って得られた近似解に含まれる誤差は低周波成分のみとなる。次に、近似解に対する残差を粗いメッシュに投影する。細かいメッシュからみると低周波に見える誤差も粗いメッシュから見ると高周波に見えることから、粗いメッシュに対して同様に近似解を求めることで、残った誤差を速やかに取り除くことが可能となる。
特開平5−324696号公報 金堀、他2名、「電磁界有限要素解析への代数マルチグリッド法の適用」、平成12年電気・情報関連学会中国支部連合大会、457(2000) 亀有、「幾何マルチグリッド法の電磁場数値解析への適用」、静止器・回転機合同研究会、SA−01−9、RM−01−79(2001)
In the multigrid method, an approximate solution is obtained by using an iterative solution method such as a Gauss-Seidel method for simultaneous equations for the finest mesh among a plurality of meshes of different coarse and dense. For example, the Gauss-Seidel method has the property that the spatial high-frequency component of the error converges quickly at the initial stage of the iteration, while the convergence of the low-frequency component is very slow. Therefore, the error included in the approximate solution obtained by truncating several iterations is only the low frequency component. Next, the residual for the approximate solution is projected onto a coarse mesh. Since an error that appears as a low frequency when viewed from a fine mesh also appears as a high frequency when viewed from a coarse mesh, the remaining error can be quickly removed by obtaining an approximate solution in the same manner for the coarse mesh.
JP-A-5-324696 Kanahori and 2 others, “Application of Algebraic Multigrid Method to Electromagnetic Field Finite Element Analysis”, 2000 China Federation of Electrical and Information Related Associations, 457 (2000) Kameari, “Application of Geometric Multigrid Method to Numerical Analysis of Electromagnetic Fields”, Joint Study Group for Static and Rotating Machine, SA-01-9, RM-01-79 (2001)

マルチグリッド法は、代数マルチグリッド法と幾何マルチグリッド法とに大別される。代数マルチグリッド法は、マルチグリッド法で必要な階層別の係数行列をソルバー内部で作成することから、ユーザはメッシュの節点分布を考慮する必要がなく負担が少ない。しかし、安定した収束解を得ることができるとは限らないというデメリットを有する(非特許文献1参照)。   The multigrid method is roughly classified into an algebraic multigrid method and a geometric multigrid method. In the algebraic multigrid method, since the coefficient matrix for each hierarchy required in the multigrid method is created inside the solver, the user does not need to consider the mesh node distribution and has a low burden. However, it has a demerit that a stable convergence solution cannot always be obtained (see Non-Patent Document 1).

一方、幾何マルチグリッド法は、階層ごとに解析用のメッシュを事前に準備し、準備したメッシュ情報に基づいてグリッドごとの係数行列を作成する。したがって、有限要素の形状関数を用いることから、階層間のメッシュで誤差ベクトルを連続的に近似することができ、代数マルチグリッド法と比較して安定的に収束解を得ることができる場合が多い。しかし、解の収束性は各階層で準備するメッシュに依存しており、ユーザの負担が大きいというデメリットがある(非特許文献2参照)。   On the other hand, in the geometric multigrid method, a mesh for analysis is prepared in advance for each layer, and a coefficient matrix for each grid is created based on the prepared mesh information. Therefore, since the shape function of a finite element is used, the error vector can be continuously approximated by a mesh between layers, and a convergent solution can be obtained more stably than the algebraic multigrid method in many cases. . However, the convergence of the solution depends on the mesh prepared in each layer, and has a demerit that the burden on the user is large (see Non-Patent Document 2).

また、節点要素で離散化することが可能な熱解析、構造解析等では、代数マルチグリッド法又は幾何マルチグリッド法を用いた場合に収束解を得ることができる事例も存在するが、例えば辺要素で離散化する電磁界解析では、いずれの方法を用いた場合であっても安定的に収束解を得ることは困難であるという問題点があった。   In thermal analysis and structural analysis that can be discretized with nodal elements, there are cases where a convergent solution can be obtained when using an algebraic multigrid method or a geometric multigrid method. In the electromagnetic field analysis that is discretized, there is a problem that it is difficult to stably obtain a convergent solution regardless of which method is used.

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、辺要素で離散化する電磁界解析においても、安定的に収束解を得ることが可能なグリッド生成を実現する有限要素解析装置、有限要素解析方法、及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a finite element analysis apparatus and finite element that realize grid generation capable of stably obtaining a convergent solution even in electromagnetic field analysis discretized by side elements An object is to provide an analysis method and a computer program.

上記目的を達成するために第1発明に係る有限要素解析装置は、マルチグリッド法を用いて、有限要素を構成するグリッドを辺要素単位で解析する有限要素解析を行う有限要素解析装置であって、解析対象となる形状モデルを受け付ける形状モデル受付手段と、受け付けた形状モデルの最上位階層のグリッドの節点を所定の規則に基づいて生成するファイングリッド生成手段と、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づく、一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度、並びに節点自身に設定する重要度を算出する重要度算出手段と、算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択する節点選択手段と、選択された節点を用いて下位階層のグリッドを生成する第1のコースグリッド生成手段と、生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、前記幾何学的情報に基づいて再算出する重要度再算出手段と、再算出した重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から再算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対するさらなる下位階層のグリッド生成時の節点として再選択する節点再選択手段と、再選択された節点を用いてさらなる下位階層のグリッドを生成する第2のコースグリッド生成手段と、グリッドの生成が完了したか否かを判断する判断手段とを備え、該判断手段でグリッドの生成が完了していないと判断された場合、生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、前記幾何学的情報に基づいて再算出するようにしてあり、前記判断手段でグリッドの生成が完了したと判断された場合、グリッド階層間のオペレータを推定して解を算出するようにしてあることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a finite element analysis apparatus according to a first aspect of the present invention is a finite element analysis apparatus that performs a finite element analysis for analyzing a grid constituting a finite element in units of side elements using a multigrid method. A geometric model receiving means for receiving a geometric model to be analyzed, a fine grid generating means for generating a node of a grid of the highest hierarchy of the received geometric model based on a predetermined rule, and a geometry relating to an edge connecting the node and the node Importance calculation means for calculating the importance related to the connection relationship between one node and other nodes based on scientific information, and the importance set for the node itself, and the connection relationship between the calculated one node and other nodes If the importance related to is greater than the value calculated from the importance of one node itself and the importance of the other node itself, the other node is assigned a lower rank relative to the one node. The node selection means for selecting as a node at the time of grid generation, the first course grid generation means for generating a lower hierarchy grid using the selected node, and the importance of the nodes of the generated lower hierarchy grid, Importance recalculation means that recalculates based on the geometric information, and when the recalculated importance is greater than the value recalculated from the importance of one node itself and the importance of another node itself A node reselecting means for reselecting the other node as a node at the time of generating a grid of a further lower layer for the one node, and a second node for generating a grid of a further lower layer using the reselected node A course grid generation means and a determination means for determining whether or not the generation of the grid has been completed, and if the determination means determines that the generation of the grid has not been completed, The importance of the nodes of the layer grid is recalculated based on the geometric information, and if the determination means determines that the generation of the grid is completed, the operator between the grid layers is estimated. Thus, the solution is calculated.

また、第2発明に係る有限要素解析装置は、第1発明において、前記重要度算出手段及び前記重要度再算出手段は、下位階層のグリッドに射影された誤差が集中する節点ほど大きくなるよう、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づいて重要度を算出するようにしてあることを特徴とする。   Further, in the finite element analysis apparatus according to the second invention, in the first invention, the importance calculation means and the importance recalculation means are such that the nodes where the errors projected onto the grid in the lower hierarchy are concentrated become larger. The importance is calculated on the basis of geometric information on the nodes and the sides connecting the nodes.

また、第3発明に係る有限要素解析装置は、第1又は第2発明において、前記節点選択手段及び節点再選択手段は、算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きく、かつ、既に選択された節点に隣接しない場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択するようにしてあることを特徴とする。 Further, in the finite element analysis apparatus according to the third invention, in the first or second invention, the node selection means and the node reselection means have an importance degree related to the connection relation between the calculated one node and another node, If it is greater than the value calculated from the importance of one node itself and the importance of the other node itself and is not adjacent to the already selected node, the other node It is characterized in that it is selected as a node at the time of grid generation .

また、第4発明に係る有限要素解析装置は、第1乃至第3発明のいずれか1つにおいて、前記判断手段は、グリッドを生成した階層数を計数する手段と、計数された階層数が所定数を超えたか否かを判断する手段とを備え、該手段で所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断するようにしてあることを特徴とする。   In the finite element analysis apparatus according to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects of the invention, the determination means includes means for counting the number of hierarchies that generated the grid, and the number of hierarchies counted is predetermined. Means for determining whether or not the number has been exceeded, and when the means determines that the predetermined number has been exceeded, it is determined that generation of the grid has been completed.

また、第5発明に係る有限要素解析装置は、第1乃至第3発明のいずれか1つにおいて、前記判断手段は、生成したグリッドの総数を計数する手段と、計数されたグリッドの総数が所定数を超えたか否かを判断する手段とを備え、該手段で所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断するようにしてあることを特徴とする。   In the finite element analysis apparatus according to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the determination means includes means for counting the total number of generated grids, and the total number of counted grids is predetermined. Means for determining whether or not the number has been exceeded, and when the means determines that the predetermined number has been exceeded, it is determined that generation of the grid has been completed.

また、第6発明に係る有限要素解析方法は、マルチグリッド法を用いて、有限要素を構成するグリッドを辺要素単位で解析するプロセッサを備えた有限要素解析装置による有限要素解析に使用する有限要素解析方法であって、前記有限要素解析装置は、前記プロセッサにより、解析対象となる形状モデルを受け付ける形状モデル受付ステップ、受け付けた形状モデルの最上位階層のグリッドの節点を所定の規則に基づいて生成するファイングリッド生成ステップ、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づく、一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度、並びに節点自身に設定する重要度を算出する重要度算出ステップ、算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択する節点選択ステップ、選択された節点を用いて下位階層のグリッドを生成する第1のコースグリッド生成ステップ、生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、前記幾何学的情報に基づいて再算出する重要度再算出ステップ、再算出した重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から再算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対するさらなる下位階層のグリッド生成時の節点として再選択する節点再選択ステップ、再選択された節点を用いてさらなる下位階層のグリッドを生成する第2のコースグリッド生成ステップ、グリッドの生成が完了したか否かを判断する判断ステップ、及びグリッドの生成が完了していないと判断された場合、生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、前記幾何学的情報に基づいて再算出し、グリッドの生成が完了したと判断された場合、グリッド階層間のオペレータを推定して解を算出するステップを実行することを特徴とする。 A finite element analysis method according to a sixth aspect of the invention is a finite element used for finite element analysis by a finite element analysis apparatus including a processor that analyzes a grid constituting a finite element in units of side elements using a multigrid method. In the analysis method, the finite element analysis device generates, based on a predetermined rule, a shape model reception step of receiving a shape model to be analyzed by the processor based on a predetermined rule. Step for generating a fine grid, importance level calculating step for calculating the importance level related to the connection relationship between one node and another node, and the importance level set for the node itself, based on geometric information about the nodes and the edges connecting the nodes The importance related to the connection relation between one node and other nodes calculated is the importance of one node itself and the importance of other nodes themselves. A node selection step of selecting another node as a node when generating a lower layer grid for the one node, and generating a lower layer grid using the selected node. A first course grid generation step, an importance recalculation step for recalculating the importance of the nodes of the generated lower hierarchy grid based on the geometric information, and the recalculated importance is determined by the one node itself A node reselecting step of reselecting the other node as a node when generating a grid of a further lower hierarchy with respect to the one node when the importance is greater than a value recalculated from the importance of the other node itself , A second course grid generation step for generating a grid of a further lower layer using the reselected nodes; a judgment for determining whether or not the generation of the grid is completed; If it is determined that the generation of the step and the grid is not completed, the importance of the nodes of the generated lower-level grid is recalculated based on the geometric information, and it is determined that the generation of the grid is completed. If so, the step of calculating the solution by estimating the operator between the grid layers is performed.

また、第7発明に係る有限要素解析方法は、第6発明において、前記重要度算出ステップ及び前記重要度再算出ステップは、前記有限要素解析装置が、前記プロセッサにより、下位階層のグリッドに射影された誤差が集中する節点ほど大きくなるよう、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づいて重要度を算出することを特徴とする。 In the finite element analysis method according to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the invention, the importance level calculation step and the importance level recalculation step are performed by the processor that projects the finite element analysis device onto a lower-level grid. The importance is calculated on the basis of the geometric information about the nodes and the edges connecting the nodes so that the errors are concentrated at the nodes where the errors are concentrated.

また、第8発明に係る有限要素解析方法は、第6又は第7発明において、前記節点選択ステップ及び節点再選択ステップは、前記有限要素解析装置が、前記プロセッサにより、算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きく、かつ、既に選択された節点に隣接しない場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択することを特徴とする。 The finite element analysis method according to an eighth aspect of the present invention is the sixth or seventh aspect, wherein the node selection step and the node reselection step are performed by the finite element analysis apparatus using one processor and the other calculated by the processor. If the importance related to the connection relationship of one node is greater than the value calculated from the importance of one node itself and the importance of another node, and is not adjacent to the already selected node, A node is selected as a node at the time of grid generation of a lower hierarchy with respect to the one node .

また、第9発明に係る有限要素解析方法は、第6乃至第8発明のいずれか1つにおいて、前記判断ステップは、前記有限要素解析装置が、前記プロセッサにより、グリッドを生成した階層数を計数するステップ及び計数された階層数が所定数を超えたか否かを判断するステップ、を実行するようにしてあり、所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断することを特徴とする。 The finite element analysis method according to a ninth aspect is the method according to any one of the sixth to eighth aspects, wherein the determination step counts the number of layers in which the finite element analysis device has generated a grid by the processor. steps, and the step number counted hierarchy determines whether exceeds a predetermined number, Yes so as to run, that determine the formation of the grid is completed when it is determined that the ratio exceeds a predetermined number Features.

また、第10発明に係る有限要素解析方法は、第6乃至第8発明のいずれか1つにおいて、前記判断ステップは、前記有限要素解析装置が、前記プロセッサにより、生成したグリッドの総数を計数するステップ、計数されたグリッドの総数が所定数を超えたか否かを判断するステップ及び所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断するステップを実行するようにしてあることを特徴とする。 Furthermore, finite element analysis method according to a tenth invention, in any one of the sixth to eighth aspects, wherein the determination step, the finite element analysis device counts the total number of by the processor, to generate the grid step, wherein the total number of counted grid are so as to perform the step of determining the formation of the grid is completed when it is determined that the ratio exceeds the steps and a predetermined number to determine whether more than a predetermined number And

また、第11発明に係るコンピュータプログラムは、マルチグリッド法を用いて、有限要素を構成するグリッドを辺要素単位で解析する有限要素解析を実行するコンピュータで実行することが可能なコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、解析対象となる形状モデルを受け付ける形状モデル受付ステップ、受け付けた形状モデルの最上位階層のグリッドの節点を所定の規則に基づいて生成するファイングリッド生成ステップ、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づく、一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度、並びに節点自身に設定する重要度を算出する重要度算出ステップ、算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択する節点選択ステップ、選択された節点を用いて下位階層のグリッドを生成する第1のコースグリッド生成ステップ、生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、前記幾何学的情報に基づいて再算出する重要度再算出ステップ、再算出した重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から再算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対するさらなる下位階層のグリッド生成時の節点として再選択する節点再選択ステップ、再選択された節点を用いてさらなる下位階層のグリッドを生成する第2のコースグリッド生成ステップ、グリッドの生成が完了したか否かを判断する判断ステップ、及び該判断ステップで階層数が所定数を超えていないと判断された場合、前記重要度再算出ステップへ戻すステップとして機能させることを特徴とする。 A computer program according to an eleventh aspect of the invention is a computer program that can be executed by a computer that executes a finite element analysis that analyzes a grid constituting a finite element in units of side elements using a multigrid method. , A shape model receiving step for receiving a shape model to be analyzed, a fine grid generating step for generating a node of a grid in the highest hierarchy of the received shape model based on a predetermined rule, a side connecting the node and the node Importance calculation step to calculate the importance related to the connection relationship between one node and other nodes based on geometric information about the node, and the importance set for the node itself, connection of the calculated one node and other nodes The importance of the relationship is calculated from the importance of one node itself and the importance of another node itself A node selection step for selecting the other node as a node when generating a lower layer grid for the one node, and a first course grid for generating a lower layer grid using the selected node. A generation step, an importance recalculation step for recalculating the importance of the nodes of the generated lower hierarchy grid based on the geometric information, and the recalculated importance is the importance of one node itself and other importance Node reselection step that reselects the other node as a node at the time of grid generation of a further lower layer for the one node when the value is larger than the value recalculated from the importance of the node itself , the reselected node A second course grid generation step for generating a grid of a further lower layer using the step, a determination step for determining whether the generation of the grid is completed, and the step If the number of layers in the cross-sectional step is determined not to exceed a predetermined number, wherein the function as the step of the returning to the importance recalculation step.

また、第12発明に係るコンピュータプログラムは、第11発明において、前記重要度算出ステップ及び前記重要度再算出ステップは、前記コンピュータを、下位階層のグリッドに射影された誤差が集中する節点ほど大きくなるよう、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づいて重要度を算出するステップとして機能させることを特徴とする。 In the computer program according to a twelfth aspect of the present invention, in the eleventh aspect, the importance calculation step and the importance recalculation step increase the computer at a node where errors projected on a grid in a lower hierarchy are concentrated. As described above, the method is characterized in that it functions as a step of calculating the importance based on the geometric information regarding the nodes and the sides connecting the nodes.

また、第13発明に係るコンピュータプログラムは、第11又は第12発明において、前記節点選択ステップ及び節点再選択ステップは、前記コンピュータを、算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きく、かつ、既に選択された節点に隣接しない場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択するステップとして機能させることを特徴とする。 The computer program according to a thirteenth aspect of the invention is the computer program according to the eleventh or twelfth aspect, wherein the node selection step and the node reselection step are performed according to the importance of the computer relating to the connection relationship between the calculated one node and the other nodes. Is greater than the value calculated from the importance of one node and the importance of the other node itself, and if it is not adjacent to the already selected node, the other node is subordinate to the one node. It is made to function as a step of selecting as a node when generating a grid of a hierarchy .

また、第14発明に係るコンピュータプログラムは、第11乃至第13発明のいずれか1つにおいて、前記判断ステップは、前記コンピュータを、グリッドを生成した階層数を計数するステップ、計数された階層数が所定数を超えたか否かを判断するステップ、及び該ステップで所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断するステップとして機能させるようにしてあることを特徴とする。 The computer program according to a fourteenth aspect of the present invention is the computer program according to any one of the eleventh to thirteenth aspects, wherein the determining step includes the step of counting the number of hierarchies that generated the grid, It is configured to function as a step for determining whether or not a predetermined number has been exceeded, and a step for determining that generation of a grid is completed when it is determined that the predetermined number has been exceeded.

また、第15発明に係るコンピュータプログラムは、第11乃至第13発明のいずれか1つにおいて、前記判断ステップは、前記コンピュータを、生成したグリッドの総数を計数するステップ、計数されたグリッドの総数が所定数を超えたか否かを判断するステップ、及び該ステップで所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断するステップとして機能させることを特徴とする。 The computer program according to a fifteenth aspect of the present invention is the computer program according to any one of the eleventh to thirteenth aspects, wherein the determining step includes the step of counting the total number of grids generated by the computer, It is characterized by functioning as a step of determining whether or not a predetermined number has been exceeded, and a step of determining that generation of a grid has been completed when it is determined that the predetermined number has been exceeded.

第1発明、第6発明、及び第11発明では、マルチグリッド法を用いて、有限要素を構成するグリッドを辺要素単位で解析する有限要素解析を行う場合、受け付けた形状モデルの最上位階層のグリッドの節点を所定の規則に基づいて生成し、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づいて、節点の重要度を算出する。算出した重要度が所定値より大きい節点を、下位階層のグリッド生成時の節点として選択し、選択された節点を用いて下位階層のグリッドを生成する。生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、幾何学的情報に基づいて再算出し、再算出した重要度が所定値より大きい節点を、さらなる下位階層のグリッド生成時の節点として再選択し、再選択された節点を用いてさらなる下位階層のグリッドを生成する。グリッドの生成が完了したか否かを判断し、グリッドの生成が完了していないと判断された場合、生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、幾何学的情報に基づいて再算出し、グリッドの生成が完了したと判断された場合、グリッド階層間のオペレータを推定して解を算出する。これにより、下位階層でのコースグリッドを生成する場合に、幾何マルチグリッド法で用いる幾何学的情報に基づいて誤差が集中しやすいと判断される節点、すなわち重要度が高い節点を選択し、選択された節点を結んだ、ファイングリッドとは形態の相違するコースグリッドを生成することができる。したがって、誤差の空間的高周波成分を速やかに収束させることができ、代数マルチグリッド法におけるグリッド生成の簡便さを残しつつ、幾何マルチグリッド法と同様に階層間のオペレータを推定することにより、解の安定的な収束性を維持することが可能となる。   In the first invention, the sixth invention, and the eleventh invention, when performing the finite element analysis for analyzing the grid constituting the finite element by the side element unit using the multi-grid method, the top layer of the accepted shape model The nodes of the grid are generated based on a predetermined rule, and the importance of the nodes is calculated based on the geometric information about the nodes and the sides connecting the nodes. A node having a calculated importance greater than a predetermined value is selected as a node when the lower layer grid is generated, and a lower layer grid is generated using the selected node. Recalculate the importance of the nodes of the generated lower layer grid based on geometric information, and reselect the nodes whose recalculated importance is greater than the specified value as the nodes when generating the grid of the further lower layer. Then, use the reselected nodes to generate a further lower level grid. Determine whether the grid generation is complete, and if it is determined that the grid generation is not complete, recalculate the importance of the nodes of the generated lower layer grid based on the geometric information. When it is determined that the generation of the grid has been completed, an operator between the grid layers is estimated to calculate a solution. As a result, when generating a course grid in a lower hierarchy, select nodes that are judged to be likely to concentrate errors based on geometric information used in the geometric multigrid method, that is, nodes having high importance, and select them. It is possible to generate a course grid that connects the nodes and has a different form from the fine grid. Therefore, the spatial high-frequency component of the error can be quickly converged, and the solution can be solved by estimating the operator between hierarchies in the same way as in the geometric multigrid method, while leaving the simplicity of grid generation in the algebraic multigrid method. It becomes possible to maintain stable convergence.

第2発明、第7発明、及び第12発明では、下位階層のグリッドに射影された誤差が集中する節点ほど大きくなるよう、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づいて重要度を算出する。これにより、節点間の結びつきが強く、誤差が集中して射影される節点を選択することにより、誤差の空間的高周波成分を速やかに収束させることができ、代数マルチグリッド法におけるグリッド生成の簡便さを残しつつ、幾何マルチグリッド法における解の安定的な収束性を維持することが可能となる。   In the second invention, the seventh invention, and the twelfth invention, the importance is calculated based on the geometric information about the nodes and the edges connecting the nodes so that the errors projected onto the lower-level grids become larger as the nodes are concentrated. To do. This makes it possible to quickly converge the spatial high-frequency component of the error by selecting nodes that have strong connections between nodes and are projected with concentrated errors, making it easy to generate grids in the algebraic multigrid method. It is possible to maintain stable convergence of the solution in the geometric multigrid method while leaving

第3発明、第8発明、及び第13発明では、選択された節点に隣接しており、該節点を一端として辺をなす他端の節点を除外し、選択された節点をそれぞれ結ぶ辺で構成されたグリッドを生成する。これにより、節点間の結びつきが強く、誤差が集中して射影される節点を選択して、メッシュの粗いコースグリッドを生成することができ、誤差の空間的高周波成分を速やかに収束させることが可能となる。   In the third invention, the eighth invention, and the thirteenth invention, each node is adjacent to the selected node, and the other node forming the side with the node as one end is excluded, and the selected node is connected to each other. A generated grid. This makes it possible to select coarsely projected nodes with strong connections between nodes and generate coarse coarse grids, and to quickly converge spatial high-frequency components of errors. It becomes.

第4発明、第9発明、及び第14発明では、グリッドを生成した階層数を計数し、計数された階層数が所定数を超えたか否かを判断し、所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断する。また、第5発明、第10発明、及び第15発明では、生成したグリッドの総数を計数し、計数されたグリッドの総数が所定数を超えたか否かを判断し、所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断する。これにより、コースグリッドの生成処理を適切に終了させることができ、解の収束性を維持しつつ、マルチグリッド法を用いて辺要素単位で解析する有限要素解析を実行することが可能となる。   In the fourth invention, the ninth invention, and the fourteenth invention, when the number of hierarchies that generated the grid is counted, it is determined whether or not the counted number of hierarchies exceeds a predetermined number, and when it is determined that the predetermined number is exceeded. It is determined that grid generation is complete. In the fifth, tenth, and fifteenth inventions, the total number of generated grids is counted, whether or not the total number of grids counted exceeds a predetermined number, and is determined to have exceeded the predetermined number. In this case, it is determined that the generation of the grid is completed. As a result, the course grid generation process can be appropriately terminated, and it is possible to execute a finite element analysis that performs analysis in units of side elements using the multigrid method while maintaining solution convergence.

第1発明、第6発明、及び第11発明によれば、下位階層でのコースグリッドを生成する場合に、幾何マルチグリッド法で用いる幾何学的情報に基づいて誤差が集中しやすいと判断される節点、すなわち重要度が高い節点を選択し、選択された節点を結んだ、ファイングリッドとは形態の相違するコースグリッドを生成することができる。したがって、誤差の空間的高周波成分を速やかに収束させることができ、代数マルチグリッド法におけるグリッド生成の簡便さを残しつつ、幾何マルチグリッド法と同様に階層間のオペレータを推定することにより、解の安定的な収束性を維持することが可能となる。   According to the first invention, the sixth invention, and the eleventh invention, it is determined that errors are likely to be concentrated based on geometric information used in the geometric multigrid method when generating a course grid in a lower hierarchy. It is possible to select a node, that is, a node having high importance, and to generate a course grid having a form different from that of the fine grid in which the selected nodes are connected. Therefore, the spatial high-frequency component of the error can be quickly converged, and the solution can be solved by estimating the operator between hierarchies in the same way as in the geometric multigrid method, while leaving the simplicity of grid generation in the algebraic multigrid method. It becomes possible to maintain stable convergence.

第2発明、第7発明、及び第12発明によれば、節点間の結びつきが強く、誤差が集中して射影される節点を選択することにより、誤差の空間的高周波成分を速やかに収束させることができ、代数マルチグリッド法におけるグリッド生成の簡便さを残しつつ、幾何マルチグリッド法における解の安定的な収束性を維持することが可能となる。   According to the second invention, the seventh invention, and the twelfth invention, it is possible to quickly converge the spatial high-frequency component of the error by selecting a node that is strongly connected between the nodes and in which errors are concentrated and projected. Therefore, it is possible to maintain the stable convergence of the solution in the geometric multigrid method while maintaining the simplicity of grid generation in the algebraic multigrid method.

第3発明、第8発明、及び第13発明によれば、節点間の結びつきが強く、誤差が集中して射影される節点を選択して、メッシュの粗いコースグリッドを生成することができ、誤差の空間的高周波成分を速やかに収束させることが可能となる。   According to the third invention, the eighth invention, and the thirteenth invention, it is possible to generate a coarse grid with coarse meshes by selecting nodes that are strongly linked and have errors concentrated and projected. It is possible to quickly converge the spatial high-frequency component.

第4発明、第5発明、第9発明、第10発明、第14発明、及び第15発明によれば、コースグリッドの生成処理を適切に終了させることができ、解の収束性を維持しつつ、マルチグリッド法を用いて辺要素単位で解析する有限要素解析を実行することが可能となる。   According to the fourth invention, the fifth invention, the ninth invention, the tenth invention, the fourteenth invention, and the fifteenth invention, the course grid generation process can be properly terminated while maintaining the convergence of the solution. Then, it becomes possible to execute finite element analysis in which analysis is performed in units of side elements using the multigrid method.

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るグリッド生成方法を適用した有限要素解析装置1の構成を示すブロック図である。図1において、有限要素解析装置1は、少なくとも、CPU(中央演算装置)11、記憶手段12、ROM13、RAM14、通信回線に接続する通信手段15、マウス及びキーボード等の入力手段16、ディスプレイ等の出力手段17及び補助記憶手段18で構成される。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings showing embodiments thereof. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a finite element analysis apparatus 1 to which a grid generation method according to an embodiment of the present invention is applied. In FIG. 1, a finite element analysis apparatus 1 includes at least a CPU (Central Processing Unit) 11, a storage unit 12, a ROM 13, a RAM 14, a communication unit 15 connected to a communication line, an input unit 16 such as a mouse and a keyboard, a display, and the like. It comprises output means 17 and auxiliary storage means 18.

CPU11は、内部バス19を介して有限要素解析装置1の上述したようなハードウェア各部と接続されており、上述したハードウェア各部を制御するとともに、ROM13に格納された制御プログラム又は補助記憶手段18であるCD−ROM、DVD等の(可搬型)記録媒体2を用いて記憶手段12へ導入された制御プログラムに従って、種々のソフトウェア的機能を実行する。なお、記憶手段12は、ハードディスク等の固定型記憶媒体であり、上述した制御プログラムの他、処理に必要なデータを事前に記憶しておく。   The CPU 11 is connected to the above-described hardware units of the finite element analysis apparatus 1 via the internal bus 19, and controls the above-described hardware units, and a control program or auxiliary storage unit 18 stored in the ROM 13. Various software functions are executed according to a control program introduced into the storage means 12 using a (portable) recording medium 2 such as a CD-ROM or DVD. The storage unit 12 is a fixed storage medium such as a hard disk, and stores data necessary for processing in addition to the control program described above.

RAM14は、SRAM、フラッシュメモリ等で構成されソフトウェアの実行時に発生する一時的なデータを記憶する。通信手段15は、内部バス19に接続されており、外部からのデータの取得、外部装置の動作制御データ等を送受信する。   The RAM 14 is composed of SRAM, flash memory, etc., and stores temporary data generated when software is executed. The communication unit 15 is connected to the internal bus 19 and transmits / receives data acquisition from the outside, operation control data of the external device, and the like.

入力手段16は、有限要素解析装置1を操作するために必要な文字キー、テンキー、各種のファンクションキー等を備えたキーボード、マウス等の入力媒体である。出力手段17は、液晶表示装置、CRTディスプレイ等の表示装置であり、有限要素解析装置1の動作状態を表示したり、ユーザへ操作入力を促す画面を表示したり、解析結果をグラフィカルに表示するための画像データの表示等を行う。なお、出力手段17をタッチパネル方式とすることにより、入力手段16の各種のファンクションキーの内の一部又は全部を出力手段17が代用することも可能である。   The input means 16 is an input medium such as a keyboard or a mouse provided with character keys, numeric keys, various function keys and the like necessary for operating the finite element analysis apparatus 1. The output means 17 is a display device such as a liquid crystal display device or a CRT display, displays the operation state of the finite element analysis device 1, displays a screen for prompting the user to input an operation, and graphically displays the analysis result. For example, image data for display is displayed. It should be noted that the output means 17 can be substituted for some or all of the various function keys of the input means 16 by using the output means 17 as a touch panel system.

なお、有限要素解析装置1は、通信手段15に接続されている外部のコンピュータから本発明に係るコンピュータプログラムをダウンロードし、CPU11にて処理を実行する形態であってもよい。   The finite element analysis apparatus 1 may be in a form in which a computer program according to the present invention is downloaded from an external computer connected to the communication means 15 and processing is executed by the CPU 11.

以下、上述した構成の有限要素解析装置1を用いた電磁界解析処理の手順について説明する。本実施の形態では、電磁場解析のような有限要素を構成するグリッドを辺要素単位で解析する場合に、マルチグリッド法を用いて求解するときに用いる方法について説明する。   Hereinafter, the procedure of electromagnetic field analysis processing using the finite element analysis apparatus 1 having the above-described configuration will be described. In the present embodiment, a method used when finding a solution using a multigrid method when analyzing a grid constituting a finite element, such as electromagnetic field analysis, in units of side elements will be described.

図2は、本発明の実施の形態に係る有限要素解析装置1のCPU11の処理手順を示すフローチャートである。有限要素解析装置1のCPU11は、オペレータによって操作された入力手段16から、又は通信手段15を介して外部のコンピュータから、電磁界解析の対象となる二次元形状モデル又は三次元形状モデルを受け付ける(ステップS201)。CPU11は、受け付けた形状モデルに対して、辺要素で離散化されたメッシュの比較的細かいグリッド(以下、ファイングリッドという)を生成する(ステップS202)。なお、ファイングリッドは、従来の代数マルチグリッド法と同様の方法により代数的に生成する。   FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of the CPU 11 of the finite element analysis apparatus 1 according to the embodiment of the present invention. The CPU 11 of the finite element analysis apparatus 1 receives a two-dimensional shape model or a three-dimensional shape model to be subjected to electromagnetic field analysis from the input means 16 operated by an operator or from an external computer via the communication means 15 ( Step S201). The CPU 11 generates a relatively fine mesh grid (hereinafter referred to as a fine grid) that is discretized by the side elements for the received shape model (step S202). The fine grid is generated algebraically by a method similar to the conventional algebraic multigrid method.

CPU11は、生成したファイングリッドに対して有限要素法を用いて解を求める。CPU11が解くべきマトリクス方程式は(数1)のようになる。(数1)において、K1は、辺要素で離散化されたファイングリッドにおけるシステム行列を、Aは、辺要素で離散化されたファイングリッドにおける解ベクトルを、fは、辺要素で離散化されたファイングリッドにおける外力ベクトルを、それぞれ示している。   CPU11 calculates | requires a solution using a finite element method with respect to the produced | generated fine grid. The matrix equation to be solved by the CPU 11 is as shown in (Equation 1). In (Equation 1), K1 is a system matrix in a fine grid discretized by edge elements, A is a solution vector in a fine grid discretized by edge elements, and f is discretized by edge elements. The external force vectors in the fine grid are shown respectively.

Figure 0005046222
Figure 0005046222

CPU11は、最上層に構成されたファイングリッドの節点に関する幾何学的情報に基づいて作成された、節点の重要度に関する情報、例えば所定の節点i(iは任意の整数)との接続強さを示す接続情報を有する補助行列K2を受け付け(ステップS203)、重要度が所定値より大きい節点を、下位階層のメッシュの粗いグリッド(以下コースグリッドという)生成時の節点として選択する(ステップS204)。   The CPU 11 determines the connection strength with respect to the importance of the node, for example, a predetermined node i (i is an arbitrary integer), created based on the geometric information about the node of the fine grid configured in the uppermost layer. The auxiliary matrix K2 having the connection information shown is received (step S203), and a node having an importance greater than a predetermined value is selected as a node for generating a coarse mesh (hereinafter referred to as a course grid) in a lower layer (step S204).

CPU11は、選択された節点を辺で結ぶことにより、コースグリッドを生成する(ステップS205)。CPU11は、グリッドの生成が完了したか否かを判断し(ステップS206)、CPU11が、グリッドの生成が完了していないと判断した場合(ステップS206:NO)、CPU11は、処理をステップS203へ戻し、生成したコースグリッドについて、節点の重要度に関する情報を再度受け付け、上述した処理を繰り返す。   The CPU 11 generates a course grid by connecting the selected nodes with sides (step S205). The CPU 11 determines whether or not the generation of the grid has been completed (step S206). If the CPU 11 determines that the generation of the grid has not been completed (step S206: NO), the CPU 11 moves the process to step S203. The information about the importance of the node is received again for the generated course grid, and the above-described processing is repeated.

すなわち、生成されたコースグリッドの節点に関する幾何学的情報に基いて作成された節点の重要度に関する情報、例えば所定の節点i(iは任意の整数)との接続強さを示す接続情報を有する補助行列K2を、再度受け付け、重要度が所定値より大きい節点を、さらに粗いメッシュを有するコースグリッド生成時の節点として再選択する。CPU11は、選択された節点を用いて新たなコースグリッドを生成して、グリッドの生成が完了したか否かを判断する(ステップS206)。   That is, it has information on the importance of the node created based on the geometric information about the node of the generated course grid, for example, connection information indicating the connection strength with a predetermined node i (i is an arbitrary integer). The auxiliary matrix K2 is received again, and a node having an importance greater than a predetermined value is reselected as a node for generating a coarse grid having a coarser mesh. The CPU 11 generates a new course grid using the selected node, and determines whether the generation of the grid is completed (step S206).

CPU11が、グリッドの生成が完了したと判断した場合(ステップS206:YES)、CPU11は、コースグリッドの生成処理を終了して、生成されたグリッド階層間のオペレータPを生成する(ステップS207)。代数マルチグリッド法では、オペレータPを特定してコースグリッドを生成しているのに対し、本実施の形態に係る有限要素解析装置では、幾何マルチグリッド法と同様に、先に各階層のコースグリッドを生成しておき、各階層間のオペレータPを生成することにより解の収束性を担保している。CPU11は、生成されたオペレータPを用いて(数1)を解くことにより、解ベクトルAを算出する(ステップS208)。   When the CPU 11 determines that the generation of the grid has been completed (step S206: YES), the CPU 11 ends the course grid generation process and generates the operator P between the generated grid layers (step S207). In the algebraic multigrid method, the course grid is generated by specifying the operator P, whereas in the finite element analysis apparatus according to the present embodiment, the course grid of each layer is first, as in the geometric multigrid method. And the convergence of the solution is ensured by generating an operator P between the layers. The CPU 11 calculates a solution vector A by solving (Equation 1) using the generated operator P (step S208).

グリッドの生成が完了したか否かを判断する方法は特に限定されるものではなく、例えばコースグリッド生成の階層数を事前に設定しておき、コースグリッドを生成する都度、階層数を1インクリメントし、階層数が事前に設定された階層数を超えた場合にグリッド生成が完了したと判断すれば良い。もちろん、事前に設定した階層数から順次1デクリメントして、階層数が0(ゼロ)になったか否かで判断しても良い。   The method for determining whether or not the generation of the grid is completed is not particularly limited. For example, the number of hierarchies for course grid generation is set in advance, and the number of hierarchies is incremented by 1 each time a course grid is generated. If the number of hierarchies exceeds the preset number of hierarchies, it may be determined that the grid generation is completed. Of course, the number of hierarchies set in advance may be sequentially decremented by 1 to determine whether the number of hierarchies has become 0 (zero).

また、生成されたグリッドの総数の限度数を事前に設定しておき、コースグリッドを生成する都度、グリッド数を加算し、グリッド数の総数が事前に設定された限度数を超えた場合にグリッド生成が完了したと判断すれば良い。もちろん、事前に設定した限度数から新たに生成されたグリッド数を順次減算して、限度数が0(ゼロ)になったか否かで判断しても良い。   In addition, the total number of generated grids is set in advance, and the grid number is added each time a course grid is generated. If the total number of grids exceeds the preset limit, the grid It may be determined that the generation is completed. Of course, the number of newly generated grids may be sequentially subtracted from the preset limit number to determine whether the limit number has become 0 (zero).

CPU11による節点の選択処理は、具体的には以下の手順となる。節点iに隣接する節点の集合Niを(数2)に示すように定義する。(数2)において、ωh はファイングリッドにおける全ての節点の集合を、 kijは補助行列K2の係数を示している。 Specifically, the node selection process by the CPU 11 is as follows. A set Ni of nodes adjacent to the node i is defined as shown in (Expression 2). In (Expression 2), ω h represents a set of all nodes in the fine grid, and k ij represents a coefficient of the auxiliary matrix K2.

Figure 0005046222
Figure 0005046222

(数2)では、節点iに隣接する節点jは、補助行列K2の係数kijが0でない場合には接続関係にあることを意味している。CPU11は、節点の重要度を示す接続関係が所定値以上である節点、すなわち補助行列K2の係数kijが乗算平均値に係数値θを乗じた値以上である節点を、コースグリッド生成時に用いる節点として選択する。選択される節点の集合Siは(数3)のように定義される。 In (Expression 2), the node j adjacent to the node i means that the node k is connected when the coefficient k ij of the auxiliary matrix K2 is not 0. The CPU 11 uses, at the time of course grid generation, a node whose connection relationship indicating the importance of the node is equal to or greater than a predetermined value, that is, a node whose coefficient k ij of the auxiliary matrix K2 is equal to or greater than the multiplication average value multiplied by the coefficient value θ. Select as a node. A set Si of nodes to be selected is defined as (Equation 3).

Figure 0005046222
Figure 0005046222

係数値θは、正方行列の対角項の広がりを示す係数であり、θが0(ゼロ)である場合には対角項そのもの、すなわち節点iに隣接する全ての他の節点が選択されることを意味している。選択された節点iは、下位階層のグリッドに射影された場合に誤差が集中する節点となる。   The coefficient value θ is a coefficient indicating the spread of the diagonal term of the square matrix. When θ is 0 (zero), the diagonal term itself, that is, all other nodes adjacent to the node i are selected. It means that. The selected node i is a node on which errors are concentrated when projected onto a lower-layer grid.

また、オペレータPは、以下の手順で生成する。本実施の形態では、未知数は辺に割り振られており、オペレータPはファイングリッドの辺とコースグリッドの辺に割り振られている未知数との関係を示すマトリクスとなる。ファイングリッドの辺の数をI、コースグリッドの辺の数をLとした場合、オペレータPのサイズはI×Lとなる。   The operator P is generated by the following procedure. In the present embodiment, the unknowns are assigned to the sides, and the operator P becomes a matrix indicating the relationship between the fine grid sides and the unknown numbers assigned to the course grid sides. When the number of sides of the fine grid is I and the number of sides of the coarse grid is L, the size of the operator P is I × L.

図3は、コースグリッドの辺が、ファイングリッドの複数の要素を跨いで生成されている場合の例示図である。例えばコースグリッドの辺Eが、ファイングリッドの3要素を横切っている場合、辺Eはファイングリッドの要素辺により3つの線分E1、E2、E3に分割される。辺Eに関するオペレータPE の生成時には、線分E1、E2、E3ごとにオペレータPE1、PE2、PE3を生成し、これらのオペレータを合算したオペレータPE(=PE1+PE2+PE3)を算出することになる。 FIG. 3 is an exemplary diagram when the sides of the course grid are generated across a plurality of elements of the fine grid. For example, when the side E of the coarse grid crosses three elements of the fine grid, the side E is divided into three line segments E1, E2, and E3 by the element side of the fine grid. When generating operator P E related sides E, generates operator P E1, P E2, P E3 for each line segment E1, E2, E3, the operator P E obtained by summing these operators (= P E1 + P E2 + P E3) Will be calculated.

具体的には、線分E1、E2、E3ごとの辺ベクトルをl1 、l2 、l3 とし、線分E1、E2、E3が含まれるファイングリッドを構成する辺のベクトル形状関数をN1 、N2 、N3 とする。線分Ek(k=1、2、3)に関するオペレータPEkは、(数4)に示すように算出する。 Specifically, the side vectors for the line segments E1, E2, and E3 are defined as l 1 , l 2 , and l 3, and the vector shape function of the side that forms the fine grid including the line segments E1, E2, and E3 is represented by N 1. , N 2 and N 3 . The operator P Ek related to the line segment Ek (k = 1, 2, 3) is calculated as shown in ( Expression 4).

Figure 0005046222
Figure 0005046222

(数4)において、記号「・」はベクトルの内積を示しており、NDは線分Ekが含まれるファイングリッドの辺の数である。また、em (mは自然数)は、それぞれのグリッドに含まれる辺を示している。すなわち、グリッドの各辺とグリッドを横切る辺との対応関係を算出していることになる。算出した線分ごとのオペレータPEkを線形加算することにより(数5)、辺Eに関するオペレータPE を生成することができる。なお(数5)において、Neは、辺Eのファイングリッドの要素辺による分割数示している。 In (Expression 4), the symbol “·” indicates the inner product of the vectors, and ND is the number of sides of the fine grid including the line segment Ek. Moreover, e m (m is a natural number) indicates the edge included in each of the grid. That is, the correspondence between each side of the grid and the side crossing the grid is calculated. The operator P Ek for each calculated line by linear addition (5), it is possible to generate an operator P E related edges E. In yet (number 5), Ne represents the number of division by the elements side of the fine grid edge E.

Figure 0005046222
Figure 0005046222

したがって、純粋に代数マルチグリッド法を用いてグリッド生成する場合と比べて、幾何マルチグリッド法を用いた場合と同様に解の収束性が高いグリッドを準備することができ、該グリッドに対するオペレータを用いてマルチグリッド法を適用することにより、安定的に解を収束させることが可能となる。   Therefore, compared to the case of generating a grid using a purely algebraic multigrid method, it is possible to prepare a grid with high solution convergence as in the case of using the geometric multigrid method, and use an operator for the grid. By applying the multigrid method, the solution can be converged stably.

図4は、上述したコースグリッド生成処理を模式的に示す図である。図4(a)に示すように、集合I1、I2、・・・が複数存在するファイングリッドにおいて、集合I1を代表する節点P1を中心として、ファイングリッドの辺要素により隣接している節点Q1、Q2、・・・、Q6が存在している。   FIG. 4 is a diagram schematically illustrating the course grid generation process described above. As shown in FIG. 4A, in a fine grid having a plurality of sets I1, I2,..., Nodes Q1, which are adjacent to each other by side elements of the fine grid, centered on a node P1 representing the set I1, Q2, ..., Q6 exist.

コースグリッドで用いる節点を選択する場合、図4(b)に示すように、節点P1と辺要素により隣接している節点Q1、Q2、・・・、Q6は、コースグリッドを構成する節点から除外する。そして、補助行列に含まれている幾何学的情報、すなわち誤差が集中しやすいと判断される節点をサーチする。図4(c)に示すように節点P2が選択された場合、節点P2を中心として、上述した処理と同様の処理を繰り返すことで、例えば図4(d)のようにコースグリッドを形成する節点P1、P2、P3、・・・が選択される。   When selecting the nodes used in the course grid, as shown in FIG. 4B, the nodes Q1, Q2,..., Q6 that are adjacent to the node P1 by the side elements are excluded from the nodes constituting the course grid. To do. Then, the geometric information included in the auxiliary matrix, that is, a node at which it is determined that errors are likely to concentrate is searched. When the node P2 is selected as shown in FIG. 4C, the same process as described above is repeated with the node P2 as the center, for example, the nodes forming the course grid as shown in FIG. 4D. P1, P2, P3,... Are selected.

このように、コースグリッド生成時には、選択された節点に隣接しており、該節点を一端として辺をなす他端の節点は、コースグリッドで用いる節点から除外する。このようにすることで、節点間の結びつきが強く、誤差が集中して射影される節点を選択してメッシュの粗いコースグリッドを生成することができ、誤差の空間的高周波成分を速やかに収束させることにより安定的な解の収束性を担保することが可能となる。   Thus, at the time of generating the course grid, the other node that is adjacent to the selected node and forms a side with the node as one end is excluded from the nodes used in the course grid. By doing this, the connection between the nodes is strong, and it is possible to select a node that is projected with concentrated errors, and to generate a coarse grid of the mesh, and to quickly converge the spatial high-frequency component of the error This makes it possible to ensure the convergence of a stable solution.

以上のように本実施の形態によれば、下位階層でのコースグリッドを生成する場合に、幾何マルチグリッド法で用いる幾何学的情報に基づいて誤差が集中しやすいと判断される節点、すなわち重要度が高い節点を選択し、選択された節点を結んだ、ファイングリッドとは形態の相違するコースグリッドを生成することができる。したがって、誤差の空間的高周波成分を速やかに収束させることができ、代数マルチグリッド法におけるグリッド生成の簡便さを残しつつ、幾何マルチグリッド法における解の安定的な収束性を維持することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, when generating a course grid in a lower hierarchy, nodes that are determined to have errors easily concentrated based on geometric information used in the geometric multigrid method, that is, important It is possible to select a node having a high degree and generate a course grid having a different form from that of the fine grid in which the selected nodes are connected. Therefore, the spatial high-frequency component of the error can be quickly converged, and it is possible to maintain the stable convergence of the solution in the geometric multigrid method while retaining the simplicity of grid generation in the algebraic multigrid method. Become.

本発明の実施の形態に係るグリッド生成方法を適用した有限要素解析装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the finite element analysis apparatus to which the grid generation method which concerns on embodiment of this invention is applied. 本発明の実施の形態に係る有限要素解析装置のCPUの処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of CPU of the finite element analysis apparatus which concerns on embodiment of this invention. コースグリッドの辺が、ファイングリッドの複数の要素を跨いで生成されている場合の例示図である。It is an illustration figure in case the side of a course grid is generated ranging over a plurality of elements of a fine grid. コースグリッド生成処理を模式的に示す図である。It is a figure which shows a course grid production | generation process typically.

符号の説明Explanation of symbols

1 有限要素解析装置
11 CPU
12 記憶手段
13 ROM
14 RAM
15 通信手段
16 入力手段
17 出力手段
18 補助記憶手段
1 Finite Element Analyzer 11 CPU
12 storage means 13 ROM
14 RAM
15 Communication means 16 Input means 17 Output means 18 Auxiliary storage means

Claims (15)

マルチグリッド法を用いて、有限要素を構成するグリッドを辺要素単位で解析する有限要素解析を行う有限要素解析装置であって、
解析対象となる形状モデルを受け付ける形状モデル受付手段と、
受け付けた形状モデルの最上位階層のグリッドの節点を所定の規則に基づいて生成するファイングリッド生成手段と、
節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づく、一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度、並びに節点自身に設定する重要度を算出する重要度算出手段と、
算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択する節点選択手段と、
選択された節点を用いて下位階層のグリッドを生成する第1のコースグリッド生成手段と、
生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、前記幾何学的情報に基づいて再算出する重要度再算出手段と、
再算出した重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から再算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対するさらなる下位階層のグリッド生成時の節点として再選択する節点再選択手段と、
再選択された節点を用いてさらなる下位階層のグリッドを生成する第2のコースグリッド生成手段と、
グリッドの生成が完了したか否かを判断する判断手段と
を備え、
該判断手段でグリッドの生成が完了していないと判断された場合、生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、前記幾何学的情報に基づいて再算出するようにしてあり、
前記判断手段でグリッドの生成が完了したと判断された場合、グリッド階層間のオペレータを推定して解を算出するようにしてあることを特徴とする有限要素解析装置。
A finite element analysis device that performs a finite element analysis using a multigrid method to analyze a grid constituting a finite element in units of side elements,
A shape model receiving means for receiving a shape model to be analyzed;
Fine grid generation means for generating the nodes of the grid of the highest hierarchy of the received shape model based on a predetermined rule;
An importance calculation means for calculating the importance related to the connection relationship between one node and another node based on geometric information about the nodes and the edges connecting the nodes, and the importance set for the node itself;
If the importance related to the connection relationship between the calculated one node and the other nodes is greater than the value calculated from the importance of the one node itself and the importance of the other nodes, the other node A node selecting means for selecting as a node when generating a grid of a lower hierarchy for one node;
First course grid generation means for generating a lower hierarchy grid using the selected nodes;
Importance recalculation means for recalculating the importance of the nodes of the generated lower hierarchy grid based on the geometric information;
If the recalculated importance is greater than the importance of one node itself and the importance of the other nodes themselves, the other nodes are generated as grids of further lower layers for the one node. A node reselection means to reselect as a node of time,
Second course grid generation means for generating a further lower-level grid using the reselected nodes;
A determination means for determining whether or not the generation of the grid is completed,
When it is determined that the generation of the grid is not completed by the determination means, the importance of the nodes of the generated lower layer grid is recalculated based on the geometric information,
A finite element analysis apparatus characterized in that, when it is determined by the determination means that generation of a grid is completed, an operator between grid hierarchies is estimated to calculate a solution.
前記重要度算出手段及び前記重要度再算出手段は、下位階層のグリッドに射影された誤差が集中する節点ほど大きくなるよう、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づいて重要度を算出するようにしてあることを特徴とする請求項1記載の有限要素解析装置。   The importance calculating means and the importance recalculating means calculate importance based on geometric information about nodes and edges connecting the nodes so that the nodes where errors projected on the lower layer grid are concentrated become larger. The finite element analysis apparatus according to claim 1, wherein the finite element analysis apparatus is configured as described above. 前記節点選択手段及び節点再選択手段は、
算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きく、かつ、既に選択された節点に隣接しない場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択するようにしてあることを特徴とする請求項1又は2記載の有限要素解析装置。
The node selection means and the node reselection means are:
The importance related to the connection relationship between the calculated one node and other nodes is greater than the value calculated from the importance of one node itself and the importance of other nodes, and is adjacent to an already selected node 3. The finite element analysis apparatus according to claim 1 , wherein, if not, the other node is selected as a node at the time of grid generation of a lower hierarchy with respect to the one node . 4.
前記判断手段は、
グリッドを生成した階層数を計数する手段と、
計数された階層数が所定数を超えたか否かを判断する手段と
を備え、
該手段で所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断するようにしてあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の有限要素解析装置。
The determination means includes
Means for counting the number of layers that have generated the grid;
Means for determining whether or not the counted number of hierarchies exceeds a predetermined number,
The finite element analysis apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein when the means determines that the predetermined number has been exceeded, it is determined that the generation of the grid has been completed.
前記判断手段は、
生成したグリッドの総数を計数する手段と、
計数されたグリッドの総数が所定数を超えたか否かを判断する手段と
を備え、
該手段で所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断するようにしてあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の有限要素解析装置。
The determination means includes
Means for counting the total number of generated grids;
Means for determining whether the total number of grids counted exceeds a predetermined number,
The finite element analysis apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein when the means determines that the predetermined number has been exceeded, it is determined that the generation of the grid has been completed.
マルチグリッド法を用いて、有限要素を構成するグリッドを辺要素単位で解析するプロセッサを備えた有限要素解析装置による有限要素解析に使用する有限要素解析方法であって、
前記有限要素解析装置は、前記プロセッサにより、
解析対象となる形状モデルを受け付ける形状モデル受付ステップ、
受け付けた形状モデルの最上位階層のグリッドの節点を所定の規則に基づいて生成するファイングリッド生成ステップ、
節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づく、一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度、並びに節点自身に設定する重要度を算出する重要度算出ステップ、
算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択する節点選択ステップ、
選択された節点を用いて下位階層のグリッドを生成する第1のコースグリッド生成ステップ、
生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、前記幾何学的情報に基づいて再算出する重要度再算出ステップ、
再算出した重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から再算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対するさらなる下位階層のグリッド生成時の節点として再選択する節点再選択ステップ、
再選択された節点を用いてさらなる下位階層のグリッドを生成する第2のコースグリッド生成ステップ、
グリッドの生成が完了したか否かを判断する判断ステップ、及び
グリッドの生成が完了していないと判断された場合、生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、前記幾何学的情報に基づいて再算出し、グリッドの生成が完了したと判断された場合、グリッド階層間のオペレータを推定して解を算出するステップ
を実行することを特徴とする有限要素解析方法。
A finite element analysis method used for finite element analysis by a finite element analysis apparatus including a processor that analyzes a grid constituting a finite element in units of side elements using a multigrid method,
The finite element analysis device uses the processor to
A shape model reception step for receiving a shape model to be analyzed;
A fine grid generation step for generating the nodes of the grid of the highest hierarchy of the received geometric model based on a predetermined rule;
An importance calculation step for calculating the importance related to the connection relationship between one node and another node based on the geometric information about the nodes and the edges connecting the nodes, and the importance set for the node itself;
If the importance related to the connection relationship between the calculated one node and the other nodes is greater than the value calculated from the importance of the one node itself and the importance of the other nodes, the other node A node selection step for selecting a node for generating a lower-level grid for one node,
A first course grid generation step of generating a lower hierarchy grid using the selected nodes;
Importance recalculation step of recalculating the importance of the nodes of the generated lower hierarchy grid based on the geometric information,
If the recalculated importance is greater than the importance of one node itself and the importance of the other nodes themselves, the other nodes are generated as grids of further lower layers for the one node. Node reselection step to reselect as the node of time,
A second course grid generation step of generating a further lower level grid using the reselected nodes;
A determination step for determining whether or not the generation of the grid is completed; and when it is determined that the generation of the grid is not completed, the importance of the nodes of the generated lower layer grid is determined based on the geometric information. And calculating the solution by estimating the operator between the grid layers when it is determined that the generation of the grid is completed.
前記重要度算出ステップ及び前記重要度再算出ステップは、前記有限要素解析装置が、前記プロセッサにより、
下位階層のグリッドに射影された誤差が集中する節点ほど大きくなるよう、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づいて重要度を算出することを特徴とする請求項6記載の有限要素解析方法。
In the importance calculation step and the importance recalculation step, the finite element analysis device uses the processor to
7. The finite element analysis according to claim 6, wherein the importance is calculated based on geometric information relating to the nodes and the edges connecting the nodes so that the nodes where the errors projected onto the lower layer grid are concentrated become larger. Method.
前記節点選択ステップ及び節点再選択ステップは、前記有限要素解析装置が、前記プロセッサにより、
算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きく、かつ、既に選択された節点に隣接しない場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択する
ことを特徴とする請求項6又は7記載の有限要素解析方法。
In the node selection step and the node reselection step, the finite element analysis apparatus uses the processor to
The importance related to the connection relationship between the calculated one node and other nodes is greater than the value calculated from the importance of one node itself and the importance of other nodes, and is adjacent to an already selected node 8. The finite element analysis method according to claim 6 or 7 , wherein, if not, the other node is selected as a node at the time of grid generation of a lower hierarchy with respect to the one node .
前記判断ステップは、前記有限要素解析装置が、前記プロセッサにより、
グリッドを生成した階層数を計数するステップ、及び
計数された階層数が所定数を超えたか否かを判断するステップ
を実行するようにしてあり、
所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断する
ことを特徴とする請求項6乃至8のいずれか一項に記載の有限要素解析方法。
In the determination step, the finite element analysis device is configured to be executed by the processor.
Step step for counting the number of hierarchical generated grid, and the number counted hierarchy determines whether exceeds a predetermined number
And run
The finite element analysis method according to any one of claims 6 to 8, wherein it is determined that the generation of the grid is completed when it is determined that the predetermined number is exceeded.
前記判断ステップは、前記有限要素解析装置が、前記プロセッサにより、
生成したグリッドの総数を計数するステップ
計数されたグリッドの総数が所定数を超えたか否かを判断するステップ、及び
所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断するステップ
を実行するようにしてあることを特徴とする請求項6乃至8のいずれか一項に記載の有限要素解析方法。
In the determination step, the finite element analysis device is configured to be executed by the processor.
The step of counting the total number of generated grid,
The step of the total number of counted grid determines that generation of the grid is completed when it is determined that exceeds the steps, and the predetermined number to determine whether more than a predetermined number
The finite element analysis method according to claim 6, wherein the finite element analysis method is executed .
マルチグリッド法を用いて、有限要素を構成するグリッドを辺要素単位で解析する有限要素解析を実行するコンピュータで実行することが可能なコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータを、
解析対象となる形状モデルを受け付ける形状モデル受付ステップ、
受け付けた形状モデルの最上位階層のグリッドの節点を所定の規則に基づいて生成するファイングリッド生成ステップ、
節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づく、一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度、並びに節点自身に設定する重要度を算出する重要度算出ステップ、
算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択する節点選択ステップ、
選択された節点を用いて下位階層のグリッドを生成する第1のコースグリッド生成ステップ、
生成した下位階層のグリッドの節点の重要度を、前記幾何学的情報に基づいて再算出する重要度再算出ステップ、
再算出した重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から再算出される値より大きい場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対するさらなる下位階層のグリッド生成時の節点として再選択する節点再選択ステップ、
再選択された節点を用いてさらなる下位階層のグリッドを生成する第2のコースグリッド生成ステップ、
グリッドの生成が完了したか否かを判断する判断ステップ、及び
該判断ステップで階層数が所定数を超えていないと判断された場合、前記重要度再算出ステップへ戻すステップ
として機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。
A computer program that can be executed by a computer that executes finite element analysis that analyzes a grid constituting a finite element in units of side elements using a multigrid method,
The computer,
A shape model reception step for receiving a shape model to be analyzed;
A fine grid generation step for generating the nodes of the grid of the highest hierarchy of the received geometric model based on a predetermined rule;
An importance calculation step for calculating the importance related to the connection relationship between one node and another node based on the geometric information about the nodes and the edges connecting the nodes, and the importance set for the node itself;
If the importance related to the connection relationship between the calculated one node and the other nodes is greater than the value calculated from the importance of the one node itself and the importance of the other nodes, the other node A node selection step for selecting a node for generating a lower-level grid for one node,
A first course grid generation step of generating a lower hierarchy grid using the selected nodes;
Importance recalculation step of recalculating the importance of the nodes of the generated lower hierarchy grid based on the geometric information,
If the recalculated importance is greater than the importance of one node itself and the importance of the other nodes themselves, the other nodes are generated as grids of further lower layers for the one node. Node reselection step to reselect as the node of time,
A second course grid generation step of generating a further lower level grid using the reselected nodes;
A determination step for determining whether or not the generation of the grid is completed, and a step for returning to the importance recalculation step when the determination step determines that the number of hierarchies does not exceed a predetermined number. A computer program.
前記重要度算出ステップ及び前記重要度再算出ステップは、前記コンピュータを、
下位階層のグリッドに射影された誤差が集中する節点ほど大きくなるよう、節点及び節点を結ぶ辺に関する幾何学的情報に基づいて重要度を算出するステップとして機能させることを特徴とする請求項11記載のコンピュータプログラム。
The importance calculation step and the importance recalculation step include the computer,
12. The function of calculating importance based on geometric information about nodes and sides connecting the nodes so that the nodes where errors projected onto the lower layer grid are concentrated becomes larger. Computer program.
前記節点選択ステップ及び節点再選択ステップは、前記コンピュータを、
算出した一の節点及び他の節点の接続関係に係る重要度が、一の節点自身の重要度及び他の節点自身の重要度から算出される値より大きく、かつ、既に選択された節点に隣接しない場合に、当該他の節点を、当該一の節点に対する下位階層のグリッド生成時の節点として選択するステップとして機能させる
ことを特徴とする請求項11又は12記載のコンピュータプログラム。
The node selection step and the node reselection step include the computer,
The importance related to the connection relationship between the calculated one node and other nodes is greater than the value calculated from the importance of one node itself and the importance of other nodes, and is adjacent to an already selected node 13. The computer program according to claim 11 or 12, wherein if not, the computer is caused to function as a step of selecting the other node as a node at the time of grid generation of a lower hierarchy with respect to the one node .
前記判断ステップは、前記コンピュータを、
グリッドを生成した階層数を計数するステップ、
計数された階層数が所定数を超えたか否かを判断するステップ、及び
該ステップで所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断するステップ
として機能させるようにしてあることを特徴とする請求項11乃至13のいずれか一項に記載のコンピュータプログラム。
In the determining step, the computer is
Counting the number of hierarchies that generated the grid;
And functioning as a step for determining whether or not the counted number of hierarchies exceeds a predetermined number, and a step for determining that generation of a grid is completed when it is determined that the predetermined number is exceeded. The computer program according to claim 11, wherein the computer program is characterized by the following.
前記判断ステップは、前記コンピュータを、
生成したグリッドの総数を計数するステップ、
計数されたグリッドの総数が所定数を超えたか否かを判断するステップ、及び
該ステップで所定数を超えたと判断した場合にグリッドの生成が完了したと判断するステップ
として機能させることを特徴とする請求項11乃至13のいずれか一項に記載のコンピュータプログラム。
In the determining step, the computer is
Counting the total number of generated grids;
A step of determining whether or not the total number of grids counted exceeds a predetermined number, and a step of determining that the generation of the grid is completed when it is determined that the predetermined number has been exceeded. The computer program according to any one of claims 11 to 13.
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