JP5546339B2 - Analysis method and analysis apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、系を解析する解析方法および解析装置に関する。   The present invention relates to an analysis method and an analysis apparatus for analyzing a system.

一定の力やトルクを入力した系がどのような状態でつりあい位置に収束するかを知るには、有限要素法による陰解法が広く用いられている。しかしながら、特に多数の接触を伴う場合等は極めて収束が悪くなり、特に物体が剛体運動を伴う場合、計算が破綻することも珍しくない。   An implicit method using the finite element method is widely used to know in what state a system to which a constant force or torque is input converges to a balanced position. However, the convergence is extremely poor particularly when a large number of contacts are involved, and it is not uncommon for the calculation to fail especially when the object is accompanied by a rigid body motion.

越塚 誠一、「弾性体に対する陰的な粒子計算モデルの開発」、計算工学講演会論文集、1999、4、p.37−40Seiichi Koshizuka, “Development of an implicit particle calculation model for elastic bodies”, Proceedings of the Lecture on Computational Engineering, 1999, 4, p. 37-40

そこで近年、粒子法(例えば、非特許文献1参照)の陽解法による解析が行われ始めているが、そのままではエネルギ保存則より振動が残留してしまう。   Therefore, in recent years, analysis by the explicit method of the particle method (for example, see Non-Patent Document 1) has begun to be performed, but vibration remains due to the energy conservation law as it is.

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、陽解法において効率よくエネルギを散逸し、系の定常状態を素早く得るための手法の提供にある。   The present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a technique for efficiently dissipating energy and obtaining a steady state of a system quickly in an explicit solution.

本発明のある態様は解析方法に関する。この解析方法は、多数の粒子を含む系について粒子の運動方程式を数値的に演算することによりその系を解析する解析方法であって、粒子に働く非保存力であって系のエネルギを散逸させる前提で得られる非保存力を取得するステップと、取得された非保存力を含む粒子の運動方程式を数値的に演算するステップと、演算結果に基づいて、系が定常状態に達したか否かを判定するステップと、を含む。   One embodiment of the present invention relates to an analysis method. This analysis method is an analysis method for analyzing a system by numerically calculating a motion equation of a particle for a system including a large number of particles, and is a non-conservative force acting on the particles and dissipating the energy of the system. The step of acquiring the non-conservative force obtained on the premise, the step of numerically calculating the motion equation of the particle including the acquired non-conservative force, and whether or not the system has reached a steady state based on the calculation result Determining.

この態様によると、系のエネルギを散逸させる前提で得られる非保存力を考慮することで、系のエネルギを効率よく散逸できる。   According to this aspect, the energy of the system can be efficiently dissipated by considering the non-conservative force obtained on the premise of dissipating the energy of the system.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   It should be noted that any combination of the above-described constituent elements, or those obtained by replacing the constituent elements and expressions of the present invention with each other between apparatuses, methods, systems, computer programs, recording media storing computer programs, and the like are also included in the present invention. It is effective as an embodiment of

本発明によれば、陽解法において効率よくエネルギを散逸できる。   According to the present invention, energy can be efficiently dissipated in an explicit solution.

実施の形態に係る解析処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the analysis process which concerns on embodiment. 解析装置の機能および構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function and structure of an analyzer. 図3(a)、(b)は、実施の形態に係る解析方法の機構解析への応用例を示す説明図である。FIGS. 3A and 3B are explanatory diagrams illustrating an application example of the analysis method according to the embodiment to mechanism analysis. 各種エネルギ散逸過程を取り入れた場合とそうでない場合とで運動エネルギの減衰を示すグラフである。It is a graph which shows attenuation | damping of a kinetic energy by the case where various energy dissipation processes are taken, and the case where it is not so.

粒子法による陽解法による解析では振動が残留するので、定常状態を得るためには何らかの方法でエネルギを除去する必要がある。このとき、例えばある一定の間隔で運動エネルギをゼロにするなどの方法も考えられるが、問題によっては適切でない場合もある。   In the analysis by the explicit method using the particle method, vibration remains, and it is necessary to remove energy by some method in order to obtain a steady state. At this time, for example, a method of zeroing the kinetic energy at certain intervals may be considered, but depending on the problem, it may not be appropriate.

一般的な有限要素法では、陰解法が主流であり、陽解法は主に非定常な動解析で用いられる場合が多い。最近では静的陽解法という手法も提案されているが、これは力の釣り合い位置を探索しながら時間発展させる方法である。これらのことから、有限要素法ではエネルギ散逸をさせるという発想そのものがないと言える。   In general finite element methods, the implicit method is the mainstream, and the explicit method is often used mainly for unsteady dynamic analysis. Recently, a method called a static explicit method has also been proposed, which is a method of developing time while searching for a balance position of forces. From these facts, it can be said that the finite element method has no idea of dissipating energy.

粒子法は主に陽解法で解かれるが,解析の目的が破壊や摩擦などの動的なものが多いため、やはりエネルギを散逸させるような発想は無い。片持ち梁の曲げ位置を求める解析を行った例もある(例えば、非特許文献1参照)が、この場合は陰的なアルゴリズムを用いている。   The particle method is solved mainly by the explicit method, but there are no ideas to dissipate energy because the purpose of analysis is mostly dynamic such as fracture and friction. There is also an example in which the bending position of the cantilever beam is analyzed (for example, see Non-Patent Document 1), but in this case, an implicit algorithm is used.

DEM(Distinct Element Method)では衝突時の減衰係数を経験的に決定しているが、これは反発係数を模擬しているのであり、定常状態を得る目的で用いられているのではない。   In DEM (Distinct Element Method), the damping coefficient at the time of collision is determined empirically, but this simulates the coefficient of restitution and is not used for the purpose of obtaining a steady state.

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。   The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate.

実施の形態に係る解析方法では、粒子法の陽解法において、解析対象の系のエネルギの散逸を考慮に入れてその系の定常状態を求める。これにより、より素早く系の定常状態を得ることができる。   In the analysis method according to the embodiment, in the explicit method of the particle method, the steady state of the system is obtained in consideration of the energy dissipation of the system to be analyzed. Thereby, the steady state of the system can be obtained more quickly.

図1は、実施の形態に係る解析処理を説明するためのフローチャートである。図1に示される処理は、実施の形態に係る解析装置10(図2参照)により実行される。解析装置10はまず、解析モデルを生成する(S102)。解析装置10は、ユーザからの入力情報に基づいて解析モデルを作成してもよいし、既に作成されている解析モデルを読み込むことによりモデルを取得してもよい。この解析モデルは、分子動力学法に適する粒子モデルであり、N個の粒子からなる粒子系Sとして構成される。粒子は原子または分子であってもよい。
粒子系SではN個の粒子のそれぞれが初期配置され、またN個の粒子のそれぞれに初期速度が与えられる。
FIG. 1 is a flowchart for explaining an analysis process according to the embodiment. The process shown in FIG. 1 is executed by the analysis apparatus 10 (see FIG. 2) according to the embodiment. First, the analysis apparatus 10 generates an analysis model (S102). The analysis apparatus 10 may create an analysis model based on input information from the user, or may acquire a model by reading an analysis model that has already been created. This analysis model is a particle model suitable for the molecular dynamics method, and is configured as a particle system S composed of N particles. The particles may be atoms or molecules.
In the particle system S, each of the N particles is initially arranged, and an initial velocity is given to each of the N particles.

解析装置10は、粒子系Sの各粒子に働く保存力を取得する(S104)。解析装置10は、ユーザからの入力情報に基づいて粒子に働く保存力を取得してもよい。あるいはまた、解析装置10は、粒子系Sにおいて粒子間の相互作用を表すポテンシャルエネルギ関数(以下では適宜、ポテンシャル関数または単にポテンシャルとも称する)に基づいて、粒子に働く保存力を演算して取得してもよい。   The analysis apparatus 10 acquires the preserving force that acts on each particle of the particle system S (S104). The analysis device 10 may acquire a preserving force acting on the particles based on input information from the user. Alternatively, the analysis device 10 calculates and obtains a preservative force acting on the particles based on a potential energy function (hereinafter, also referred to as a potential function or simply a potential as appropriate) representing an interaction between particles in the particle system S. May be.

解析装置10は、粒子に働く非保存力であって粒子系Sのエネルギを散逸させる前提で得られる非保存力を取得する(S106)。非保存力を取得するステップS106では、解析装置10は、粒子に働く非保存力のうち、粒子系Sの内部の振動を減衰させる前提で得られる散逸力と、粒子系Sの並進運動を減衰させる前提で得られる粘性力と、を取得する(S108、S110)。粒子系S内部の粒子i、jがバネ定数kで結合されていると仮定する場合の、粒子i、jの一方が他方に及ぼす散逸力は以下の式1から計算され、粒子系S内部の粒子iに働く粘性力は以下の式2から計算される。   The analysis apparatus 10 acquires a non-conservative force that is a non-conservative force acting on the particles and is obtained on the premise that the energy of the particle system S is dissipated (S106). In step S106 for obtaining the non-conservative force, the analysis apparatus 10 attenuates the dissipative force obtained on the assumption that the internal vibration of the particle system S is attenuated and the translational motion of the particle system S among the non-conservative forces acting on the particles. And the viscous force obtained on the premise of performing (S108, S110). When it is assumed that the particles i and j in the particle system S are coupled with the spring constant k, the dissipative force exerted on one of the particles i and j on the other is calculated from the following Equation 1, The viscous force acting on the particle i is calculated from Equation 2 below.

但し、mは粒子iの質量、mは粒子jの質量、vは粒子iの速度、vは粒子jの速度、tは時間、vは粒子i、jの相対速度、
はnを任意の整数として(n−1/2)dtにおける粒子i、jの相対速度、Mは粒子i、jの相対運動における換算質量、である。
Where m i is the mass of particle i, m j is the mass of particle j, v i is the velocity of particle i, v j is the velocity of particle j, t is time, v r is the relative velocity of particles i and j,
Is the relative velocity of the particles i and j at (n-1 / 2) dt, where n is an arbitrary integer, and M is the reduced mass in the relative motion of the particles i and j.

但し、
はnを任意の整数として(n−1/2)dtにおける粒子iの速度、τは粘性抵抗の大きさによって定まる時定数、である。
式1および式2からも理解されるとおり、散逸力や粘性力は粒子の速度に依存した力である。
However,
Is the velocity of the particle i at (n-1 / 2) dt, where n is an arbitrary integer, and τ is a time constant determined by the magnitude of the viscous resistance.
As understood from Equations 1 and 2, the dissipative force and the viscous force are forces depending on the velocity of the particles.

解析装置10は、各粒子について散逸力と粘性力と保存力とを合算し、その粒子に働く合計の力(以下、合算力と称す)を得る(S112)。
解析装置10は、得られた合算力を含む粒子の運動方程式を数値的に解くことにより、その粒子の位置および速度のうちの少なくともひとつを演算する。解析装置10はその演算結果に基づき粒子を移動させる(S114)。
The analysis device 10 adds the dissipative force, the viscous force, and the storage force for each particle, and obtains a total force (hereinafter referred to as a combined force) acting on the particle (S112).
The analysis apparatus 10 calculates at least one of the position and velocity of the particle by numerically solving the obtained equation of motion of the particle including the total force. The analysis apparatus 10 moves the particles based on the calculation result (S114).

解析装置10は、粒子の位置および速度のうちの少なくともひとつの演算結果に基づき、粒子系Sが定常状態に達したか否かを判定する(S116)。解析装置10は、例えば粒子系Sの全運動エネルギが所定の下限値より小さい場合、粒子系Sが定常状態に達したと判定する。解析装置10は、粒子系Sが定常状態に達していないと判定された場合(S116のN)、ステップS104に処理を戻す。解析装置10は、粒子系Sが定常状態に達していると判定された場合(S116のY)、分子動力学計算処理を終了し、定常状態における粒子系Sの物理量をユーザに提供する。   The analysis apparatus 10 determines whether or not the particle system S has reached a steady state based on the calculation result of at least one of the particle position and velocity (S116). For example, when the total kinetic energy of the particle system S is smaller than a predetermined lower limit value, the analysis apparatus 10 determines that the particle system S has reached a steady state. When it is determined that the particle system S has not reached the steady state (N in S116), the analysis apparatus 10 returns the process to step S104. When it is determined that the particle system S has reached the steady state (Y in S116), the analysis apparatus 10 ends the molecular dynamics calculation process and provides the physical quantity of the particle system S in the steady state to the user.

図2は、解析装置10の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのCPU(central processing unit)をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。   FIG. 2 is a block diagram illustrating the function and configuration of the analysis apparatus 10. Each block shown here can be realized by hardware such as a computer (CPU) (central processing unit) and other elements and mechanical devices, and software can be realized by a computer program or the like. Here, The functional block realized by those cooperation is drawn. Therefore, it is understood by those skilled in the art who have touched this specification that these functional blocks can be realized in various forms by a combination of hardware and software.

解析装置10は、演算部12と、記憶部24と、入力部26と、出力部28と、を備える。演算部12は、モデル生成部14と、保存力取得部16と、非保存力取得部18と、合算部20と、分子動力学演算部22と、定常状態判定部30と、を含む。   The analysis device 10 includes a calculation unit 12, a storage unit 24, an input unit 26, and an output unit 28. The calculation unit 12 includes a model generation unit 14, a conserving force acquisition unit 16, a non-conserving force acquisition unit 18, a summation unit 20, a molecular dynamics calculation unit 22, and a steady state determination unit 30.

モデル生成部14は、入力部26を介したユーザからの入力情報または記憶部24に既に記憶されている情報に基づき、粒子系SのN個の粒子の初期位置および初期速度を設定する。
保存力取得部16は粒子系Sの各粒子に働く保存力を取得する。保存力取得部16は、粒子系Sにおいて粒子間の相互作用を表すポテンシャルのグラジエント(Gradient)を演算し、演算されたグラジエントに応じた保存力を取得する。
The model generation unit 14 sets initial positions and initial velocities of N particles of the particle system S based on information input from the user via the input unit 26 or information already stored in the storage unit 24.
The storage force acquisition unit 16 acquires the storage force acting on each particle of the particle system S. The storage force acquisition unit 16 calculates a gradient of potential representing the interaction between particles in the particle system S, and acquires the storage force according to the calculated gradient.

非保存力取得部18は、式1に基づき散逸力を演算して取得する。非保存力取得部18は、式2に基づき粘性力を演算して取得する。以下、式1および式2の導出過程を説明する。   The non-preserving force acquisition unit 18 calculates and acquires the dissipative force based on Equation 1. The non-preserving force acquisition unit 18 calculates and acquires a viscous force based on Equation 2. Hereinafter, the derivation process of Equation 1 and Equation 2 will be described.

(散逸力、式1)
散逸力は、粒子系Sの内部の振動を減衰させる前提で導出される。粒子系Sの粒子i、jが,バネ定数kで結合されている場合を考える.散逸方程式は以下の式3で与えられる。
但し、γ(t)は散逸の強さを示す係数である。
(Dissipative force, Formula 1)
The dissipative force is derived on the assumption that the internal vibration of the particle system S is attenuated. Consider a case where particles i and j of a particle system S are coupled with a spring constant k. The dissipation equation is given by Equation 3 below.
However, γ (t) is a coefficient indicating the strength of dissipation.

ここで、以下の式4の通りに相対速度vと重心速度vを定義し、重心の運動と相対運動に分ける。
Here, to define the relative velocity v r and center-of-gravity velocity v g according to Equation 4 below, divided into motion and relative motion of the center of gravity.

このとき、式3の散逸方程式は、
となる。相対運動の解は、
となる。
At this time, the dissipation equation of Equation 3 is
It becomes. The relative motion solution is
It becomes.

式5、式6から、散逸過程においても,重心の運動量は保存され,相対運動のエネルギが散逸されることが分かる。以下、これらに対し数値積分を実行する。
式6を離散化すると、
となる。但し、
はnを任意の整数として(n+1/2)dtにおける粒子i、jの相対速度、γn−1/2はnを任意の整数として(n−1/2)dtにおけるγの値、である。
式8をまとめると、
となる。
From Equations 5 and 6, it can be seen that even during the dissipation process, the momentum of the center of gravity is preserved and the energy of the relative motion is dissipated. Hereinafter, numerical integration is performed on these.
When Equation 6 is discretized,
It becomes. However,
Is the relative velocity of particles i and j at (n + 1/2) dt, where n is an arbitrary integer, and γ n−1 / 2 is the value of γ at (n−1 / 2) dt, where n is an arbitrary integer. .
Summarizing Equation 8,
It becomes.

式3から、粒子iに対する離散化された散逸方程式は
となるので、式9を式10に代入すると、
が得られる。
From Equation 3, the discretized dissipation equation for particle i is
Therefore, substituting Equation 9 into Equation 10,
Is obtained.

ここで、粒子系Sを振動させず過減衰させるためには、
とすればよい。式12を式11に代入することで、式1のうちvについての式が得られる。式1のうちvについての式も同様にして得られる。
Here, in order to overdampen the particle system S without vibrating,
And it is sufficient. By substituting equation 12 into equation 11, the equation for v i in equation 1 is obtained. The equation for v j in Equation 1 can be obtained in the same manner.

この離散化は相対速度の値として前ステップのものを用いているため、部分的に陰解法となっており(過去の情報のみ使用している)、極端にバネ定数kが大きい場合などを除いて破綻しにくい特徴がある。   Since this discretization uses the value of the previous step as the relative velocity value, it is partially implicit (only past information is used), except when the spring constant k is extremely large. It is difficult to break down.

(粘性力、式2)
粘性力は、粒子系Sの並進運動を減衰させる前提で導出される。この並進運動の減衰は粘性抵抗による減衰として表される。
粒子系Sの内部の粒子iに働く粘性抵抗に係る方程式(以下、粘性方程式と称す)は、以下の式13で与えられる。
但し、γ(t)は粘性の強さを示す係数である。
式13を解くことにより、
を得る。
(Viscous force, equation 2)
The viscous force is derived on the assumption that the translational motion of the particle system S is attenuated. This translational attenuation is expressed as attenuation by viscous resistance.
An equation relating to the viscous resistance acting on the particle i inside the particle system S (hereinafter referred to as a viscosity equation) is given by the following Equation 13.
However, γ (t) is a coefficient indicating the strength of viscosity.
By solving Equation 13,
Get.

式14より、時定数τは、
で与えられる。
このτの値によって粘性抵抗の大きさが決まる。本発明者の当業者としての経験から、τは1000dt〜10000dt程度の大きさが適している。
From Equation 14, the time constant τ is
Given in.
The value of τ determines the magnitude of viscous resistance. From the experience of the present inventor as a person skilled in the art, τ is suitably about 1000 dt to 10000 dt.

式8、式9、式10と同様の手順により、
が得られる。したがって、式15を式16に代入することで式2が得られる。式1および式2を使用することで、振動・並進のエネルギを効率良く散逸することが可能である。
By the same procedure as Equation 8, Equation 9, and Equation 10,
Is obtained. Therefore, Expression 2 is obtained by substituting Expression 15 into Expression 16. By using Formula 1 and Formula 2, it is possible to dissipate vibration and translation energy efficiently.

合算部20は、粒子iについて、他の粒子j(j=1、2、…、N(j≠i))との相互作用を表すポテンシャルのグラジエントに応じた保存力FCijを保存力取得部16から取得してjについて合算する。粒子iについて、このように合算された保存力を合算保存力ΣFCと称す。
合算部20は、粒子iについて、他の粒子(j=1、2、…、N(j≠i))から及ぼされる散逸力FDijを非保存力取得部18から取得してjについて合算する。粒子iについて、このように合算された散逸力を合算散逸力ΣFDと称す。
合算部20は、粒子iについて、粘性力FVを非保存力取得部18から取得する。
合算部20は、粒子iについて、合算保存力ΣFCと合算散逸力ΣFDと粘性力FVとを合算して、粒子iに働く合算力FT(=ΣFC+ΣFD+FV)を得る。
The summing unit 20 stores a conserving force FC ij according to a potential gradient representing an interaction between the particle i and other particles j (j = 1, 2,..., N (j ≠ i)). 16 and add up for j. For the particle i, the storage power thus added is referred to as the total storage power ΣFC i .
The summation unit 20 acquires the dissipating force FD ij exerted from other particles (j = 1, 2,..., N (j ≠ i)) from the non-conservative force acquisition unit 18 and adds up the j for the particle i. . For the particle i, the combined dissipative force is referred to as a combined dissipative force ΣFD i .
The summation unit 20 acquires the viscous force FV i from the non-preserving force acquisition unit 18 for the particle i.
The summation unit 20 adds the total storage force ΣFC i , the total dissipation force ΣFD i, and the viscous force FV i for the particle i to obtain a total force FT i (= ΣFC i + ΣFD i + FV i ) acting on the particle i. .

分子動力学演算部22は、合算部20で得られた合算力FTを含む粒子iの運動方程式を数値積分する。なお、数値積分には、Verlet法が用いられることが多い。Verlet法については、例えば、J.M.Thijssen,“Computational Physics”,Cambridge University Press(1999)のp.175に説明されている。 The molecular dynamics calculation unit 22 numerically integrates the equation of motion of the particle i including the total force FT i obtained by the summation unit 20. Note that the Verlet method is often used for numerical integration. Regarding the Verlet method, for example, J. et al. M.M. Thijssen, “Computational Physics”, Cambridge University Press (1999), p. 175.

分子動力学演算部22は、粒子iの位置および速度を、運動方程式を数値積分することによって得られる粒子iの新たな位置および速度で更新する。なお、位置および速度の両方を更新することは必須ではなく、いずれか一方のみを更新するようにしてもよい。   The molecular dynamics calculation unit 22 updates the position and velocity of the particle i with the new position and velocity of the particle i obtained by numerically integrating the equation of motion. Note that it is not essential to update both the position and the speed, and only one of them may be updated.

定常状態判定部30は、粒子系Sの全運動エネルギが下限値より小さい場合、粒子系Sが定常状態に達したと判定する。定常状態判定部30は、粒子系Sが定常状態に達していないと判定した場合、処理を保存力取得部16に戻し、分子動力学演算部22で更新された各粒子の位置および速度を使用した新たな分子動力学演算を開始させる。定常状態判定部30は、粒子系Sが定常状態に達していると判定した場合、分子動力学演算を終了する。   The steady state determination unit 30 determines that the particle system S has reached a steady state when the total kinetic energy of the particle system S is smaller than the lower limit value. When it is determined that the particle system S has not reached the steady state, the steady state determination unit 30 returns the processing to the storage force acquisition unit 16 and uses the position and velocity of each particle updated by the molecular dynamics calculation unit 22. The new molecular dynamics calculation is started. When the steady state determination unit 30 determines that the particle system S has reached the steady state, the molecular dynamics calculation is terminated.

記憶部24は、実施の形態に係る解析方法を実施するための分子動力学計算プログラムや粒子モデル生成プログラム等を格納する。また、記憶部24は、これらプログラムの実行に要する各種のデータを格納する。演算部12は記憶部24から必要なプログラム及びデータを読み込んで処理を実行する。   The storage unit 24 stores a molecular dynamics calculation program, a particle model generation program, and the like for performing the analysis method according to the embodiment. The storage unit 24 stores various data necessary for executing these programs. The calculation unit 12 reads necessary programs and data from the storage unit 24 and executes processing.

入力部26は、演算部12で実行される処理に関係するユーザの入力を受けるためのキーボード、マウス等の入力装置を含む。入力部26は、フレキシブルディスク、CD、DVD等の記録媒体から入力を受けるよう構成されていてもよい。
出力部28は、ディスプレイ等の表示機器やプリンタ等を含む出力装置である。ユーザは、出力部28を介して、定常状態に達した粒子系Sの応力などの各種物理量を確認する。出力部28は、記録媒体に結果を出力するよう構成されていてもよい。
The input unit 26 includes an input device such as a keyboard and a mouse for receiving user input related to processing executed by the calculation unit 12. The input unit 26 may be configured to receive input from a recording medium such as a flexible disk, CD, or DVD.
The output unit 28 is an output device including a display device such as a display, a printer, and the like. The user confirms various physical quantities such as stress of the particle system S that has reached a steady state via the output unit 28. The output unit 28 may be configured to output the result to a recording medium.

図3(a)、(b)は、実施の形態に係る解析方法の機構解析への応用例を示す説明図である。図3(a)は、トルクを与えて回転する機構50と固定剛体ピン60との初期状態を示す説明図である。機構50は、軸部52と歯部54とを有する。本応用例では、軸部52に図3(a)のようにトルクが付加され、同時に機構50全体が固定剛体ピン60に向けて動かされる。機構50と固定剛体ピン60とが十分近づくと機構50の歯部54と固定剛体ピン60とが接触する。本応用例では、定常状態、すなわち接触後の釣り合い位置を決定する。   FIGS. 3A and 3B are explanatory diagrams illustrating an application example of the analysis method according to the embodiment to mechanism analysis. FIG. 3A is an explanatory diagram showing an initial state of the mechanism 50 that rotates by applying torque and the fixed rigid pin 60. The mechanism 50 includes a shaft portion 52 and a tooth portion 54. In this application example, torque is applied to the shaft portion 52 as shown in FIG. 3A, and at the same time, the entire mechanism 50 is moved toward the fixed rigid body pin 60. When the mechanism 50 and the fixed rigid pin 60 are sufficiently close, the tooth portion 54 of the mechanism 50 and the fixed rigid pin 60 come into contact with each other. In this application example, the steady state, that is, the balance position after contact is determined.

このとき、エネルギを散逸させないと、全エネルギが保存することから、機構50は固定剛体ピン60との間で衝突を繰り返し続けることになる。これを避けるために、定期的に運動エネルギを強制的にゼロにする場合を考える。   At this time, if energy is not dissipated, all energy is stored, and the mechanism 50 continues to repeatedly collide with the fixed rigid pin 60. To avoid this, consider the case where the kinetic energy is forced to zero periodically.

この場合、機構50は固定剛体ピン60に当たるまでの距離を移動する必要があるため、一旦運動エネルギをゼロにしてしまうとまた加速からやり直さなければならず、効率が悪い。また,モデルによってはエネルギ散逸のタイミングと振動の周期が共振してしまい、振動が大きくなる場合もある。   In this case, since the mechanism 50 needs to move the distance until it hits the fixed rigid body pin 60, once the kinetic energy is reduced to zero, it must be restarted from the acceleration, which is inefficient. In addition, depending on the model, the timing of energy dissipation and the period of vibration may resonate and vibration may increase.

そこで、本実施の形態に係る解析方法のように、系のエネルギを散逸させる前提で得られる非保存力を導入する。この場合で、非保存力として散逸力を導入する場合、機構50は速やかに固定剛体ピン60に当たるので、シミュレーションにかかる時間を短縮できる。また、散逸力を導入することで定常状態に至るまでの時間を十分に低減できる場合は、粘性力と散逸力との両方を考慮する場合と比べて計算負荷を低減できるので好適である。
ただし、散逸力の場合では、機構50が固定剛体ピン60に当たった後、幾度か固定剛体ピン60との衝突を繰り返すことになりうる。その際、次第に衝突間隔は短くなりいずれは釣り合い位置に達すると考えられる。しかしながらその釣り合い位置を得るためには、衝突が終わるのを待つ必要がある。
Therefore, as in the analysis method according to the present embodiment, non-conservative force obtained on the premise of dissipating system energy is introduced. In this case, when the dissipating force is introduced as the non-preserving force, the mechanism 50 quickly hits the fixed rigid body pin 60, so that the time required for the simulation can be shortened. Moreover, when the time to reach a steady state can be sufficiently reduced by introducing the dissipative force, it is preferable because the calculation load can be reduced as compared with the case where both the viscous force and the dissipative force are considered.
However, in the case of dissipative force, after the mechanism 50 hits the fixed rigid body pin 60, the collision with the fixed rigid body pin 60 may be repeated several times. At that time, it is considered that the collision interval gradually becomes shorter and eventually reaches the balanced position. However, in order to obtain the balanced position, it is necessary to wait for the collision to end.

非保存力として粘性力を導入する場合、やはり機構50は速やかに固定剛体ピン60に当たるので、シミュレーションにかかる時間を短縮できる。また、粘性力を導入することで定常状態に至るまでの時間を十分に低減できる場合は、粘性力と散逸力との両方を考慮する場合と比べて計算負荷を低減できるので好適である。
ただし、固定剛体ピン60との衝突後,その衝撃で内部に発生した振動はなかなか散逸されないと予想される。仮に内部振動がすぐに散逸するほど粘性抵抗が大きいようだと、運動エネルギを定期的にゼロとする場合と同様に固定剛体ピン60に衝突するまでの時間が無視できなくなる可能性がある。
When a viscous force is introduced as a non-preserving force, the mechanism 50 quickly hits the fixed rigid body pin 60, so that the time required for the simulation can be shortened. Further, when the time required to reach a steady state can be sufficiently reduced by introducing the viscous force, it is preferable because the calculation load can be reduced as compared with the case where both the viscous force and the dissipating force are considered.
However, after the collision with the fixed rigid body pin 60, it is expected that the vibration generated inside due to the impact is not easily dissipated. If the viscous resistance seems to be large enough to dissipate the internal vibration immediately, there is a possibility that the time until the collision with the fixed rigid pin 60 cannot be ignored as in the case where the kinetic energy is periodically made zero.

散逸力と粘性力の両方を導入する場合、衝突の繰り返しを抑えつつ衝突の衝撃で内部に発生した振動も効果的に減衰できるので、機構50のエネルギを効率的に散逸して素早く釣り合い位置を得ることができる。   When both dissipative force and viscous force are introduced, vibration generated inside due to the impact of the collision can be effectively damped while suppressing the repetition of the collision. Can be obtained.

図3(b)は、機構50と固定剛体ピン60とが釣り合い位置となったときのMises応力の分布を示す説明図である。本応用例では、実施の形態に係る解析方法に、図3(a)の初期状態を与えて図3(b)の定常状態を素早く得ることができ、シミュレーションにかかる時間を短縮できる。   FIG. 3B is an explanatory diagram showing the Mises stress distribution when the mechanism 50 and the fixed rigid pin 60 are in a balanced position. In this application example, the initial state of FIG. 3A can be given to the analysis method according to the embodiment to quickly obtain the steady state of FIG. 3B, and the time required for simulation can be shortened.

図4は、各種エネルギ散逸過程を取り入れた場合とそうでない場合とで運動エネルギの減衰を示すグラフである。図4の縦軸は機構50の運動エネルギを任意の単位で示し、横軸は時間を任意の単位で示す。図4の符号70で示されるデータは、図3に示される応用例において、散逸力も粘性力も取り入れない場合に対応する。図4の符号72で示されるデータは、図3に示される応用例において、散逸力を取り入れた場合に対応する。図4の符号74で示されるデータは、図3に示される応用例において、散逸力および粘性力を取り入れた場合に対応する。図4から明らかなとおり、本実施の形態に係る解析方法によると、散逸力および粘性力を分子動力学演算に導入することで、好適に系のエネルギを散逸させてより速く定常状態を得ることができる。   FIG. 4 is a graph showing the attenuation of kinetic energy with and without various energy dissipation processes. 4 indicates the kinetic energy of the mechanism 50 in arbitrary units, and the horizontal axis indicates time in arbitrary units. The data indicated by reference numeral 70 in FIG. 4 corresponds to the case where neither the dissipative force nor the viscous force is taken in the application example shown in FIG. The data indicated by reference numeral 72 in FIG. 4 corresponds to the case where the dissipative force is incorporated in the application example shown in FIG. The data indicated by reference numeral 74 in FIG. 4 corresponds to the case where the dissipation force and the viscous force are taken in the application example shown in FIG. As is clear from FIG. 4, according to the analysis method according to the present embodiment, by introducing the dissipative force and the viscous force into the molecular dynamics calculation, the energy of the system is preferably dissipated to obtain a steady state faster. Can do.

上述の実施の形態において、記憶装置の例は、ハードディスクやメモリである。また、本明細書の記載に基づき、各部を、図示しないCPUや、インストールされたアプリケーションプログラムのモジュールや、システムプログラムのモジュールや、ハードディスクから読み出したデータの内容を一時的に記憶するメモリなどにより実現できることは本明細書に触れた当業者には理解されるところである。   In the above-described embodiment, examples of the storage device are a hard disk and a memory. Based on the description in this specification, each unit is realized by a CPU (not shown), an installed application program module, a system program module, a memory that temporarily stores the contents of data read from the hard disk, and the like. It is understood by those skilled in the art who have touched this specification that they can do this.

以上、実施の形態に係る解析方法および解析装置10の構成と動作について説明した。これらの実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。   The configuration and operation of the analysis method and the analysis apparatus 10 according to the embodiment have been described above. These embodiments are exemplifications, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to each component and combination of processes, and such modifications are within the scope of the present invention. .

図3および図4では、機構50と固定剛体ピン60からなる系に本実施の形態に係る解析方法を適用する場合について説明したが、これに限られず、例えば負荷印加時の歯車の接触解析にも応用できる。特に、歯車などの接触箇所が多い場合の構造・機構解析について、接触箇所が多いと陰的な解析では収束解が得られにくいが、本実施の形態に係る解析方法は陽的な解法であり必ず解が見つかるので好適である。   3 and 4, the case where the analysis method according to the present embodiment is applied to the system including the mechanism 50 and the fixed rigid pin 60 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, for contact analysis of a gear when a load is applied. Can also be applied. Especially for structure / mechanism analysis where there are many contact points such as gears, it is difficult to obtain a convergent solution if there are many contact points, but the analysis method according to this embodiment is an explicit solution. This is preferable because a solution is always found.

実施の形態では、非保存力として散逸力や粘性力を採用する場合について説明したが、これに限られず、例えば摩擦力を採用してもよい。   In the embodiment, the case where a dissipative force or a viscous force is employed as the non-preserving force has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, a frictional force may be employed.

10 解析装置、 12 演算部、 14 モデル生成部、 16 保存力取得部、 18 非保存力取得部、 20 合算部、 22 分子動力学演算部、 24 記憶部、 26 入力部、 28 出力部、 30 定常状態判定部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Analysis apparatus, 12 Computation part, 14 Model production | generation part, 16 Conservation force acquisition part, 18 Non-conservation force acquisition part, 20 Summation part, 22 Molecular dynamics calculation part, 24 Storage part, 26 Input part, 28 Output part, 30 Steady state determination unit.

Claims (5)

分子動力学法を使用して多数の粒子を含む系について粒子の運動方程式を数値的に演算することによりその系を解析する解析方法であって、
粒子に働く非保存力であって前記系のエネルギを散逸させる前提で得られる非保存力を取得するステップと、
取得された非保存力を含む粒子の運動方程式を数値的に演算するステップと、
演算結果に基づいて、前記系が定常状態に達したか否かを判定するステップと、を含み、
前記非保存力を取得するステップは、粒子の速度に依存した非保存力を取得するステップを含むことを特徴とする解析方法。
An analysis method for analyzing a system by numerically calculating a motion equation of a particle for a system including a large number of particles using a molecular dynamics method ,
Obtaining a non-conservative force acting on the particles and obtained on the premise of dissipating the energy of the system;
Numerically calculating the equation of motion of the particle including the acquired non-conservative force;
Based on the calculation results, seen including a determining whether the system has reached a steady state,
The method for obtaining the non-conserving force includes the step of obtaining the non-conserving force depending on the velocity of the particles .
前記非保存力を取得するステップは、粒子に働く非保存力であって前記系の内部の振動を減衰させる前提で得られる非保存力を取得するステップを含むことを特徴とする請求項に記載の解析方法。 Step of acquiring the nonconservative force to claim 1, characterized in that it comprises a step of obtaining a nonconservative force obtained on the assumption damping vibrations of the inside of the system to a non-conserved force acting on the particle Analysis method described. 前記非保存力を取得するステップは、粒子に働く非保存力であって前記系の並進運動を減衰させる前提で得られる非保存力を取得するステップを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の解析方法。 Step of acquiring the nonconservative force, according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a step of obtaining a nonconservative force obtained on the assumption that attenuates the translational movement of the system a nonconservative force acting on the particle Analysis method described in 1. 分子動力学法を使用して多数の粒子を含む系について粒子の運動方程式を数値的に演算することによりその系を解析する解析装置であって、
粒子に働く非保存力であって前記系のエネルギを散逸させる前提で得られる非保存力を取得する非保存力取得部と、
前記非保存力取得部によって取得された非保存力を含む粒子の運動方程式を数値的に演算する演算部と、
前記演算部における演算結果に基づいて、前記系が定常状態に達したか否かを判定する定常状態判定部と、を備え
前記非保存力取得部は、粒子の速度に依存した非保存力を取得することを特徴とする解析装置。
An analysis device for analyzing a system by numerically calculating a motion equation of a particle for a system including a large number of particles using a molecular dynamics method ,
A non-conserving force acquisition unit that acquires a non-conserving force obtained on the premise of dissipating energy of the system, which is a non-conserving force acting on particles
A calculation unit that numerically calculates a motion equation of a particle including the non-conservative force acquired by the non-conservative force acquisition unit;
A steady state determination unit that determines whether or not the system has reached a steady state based on a calculation result in the calculation unit ;
The non-conserving force acquisition unit acquires a non-conserving force depending on the velocity of particles .
分子動力学法を使用して多数の粒子を含む系について粒子の運動方程式を数値的に演算することによりその系を解析する機能をコンピュータに実現させるコンピュータプログラムであって、
粒子に働く非保存力であって前記系のエネルギを散逸させる前提で得られる非保存力を取得する機能と、
取得された非保存力を含む粒子の運動方程式を数値的に演算する機能と、
演算結果に基づいて、前記系が定常状態に達したか否かを判定する機能と、を前記コンピュータに実現させ
前記取得する機能は、粒子の速度に依存した非保存力を取得することを特徴とするコンピュータプログラム。
A computer program for causing a computer to perform a function of analyzing a system by numerically calculating a motion equation of a particle using a molecular dynamics method for a system including a large number of particles,
A non-conservative force acting on the particles and a non-conservative force obtained on the premise of dissipating the energy of the system;
A function for numerically calculating the equation of motion of the particle including the acquired non-conservative force;
A function of determining whether or not the system has reached a steady state based on a calculation result ;
The computer program is characterized in that the acquiring function acquires a non-conservative force depending on the velocity of particles .
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