JP6530180B2

JP6530180B2 - マルチフィジックス連成解析システムおよびマルチフィジックス連成解析方法

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Publication number: JP6530180B2
Application number: JP2014249861A
Authority: JP
Inventors: 塩田　広; 広塩田; 霜村　英二; 英二霜村
Original assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Current assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: JP2016110561A

Description

本発明の実施形態は、複数の異なる物理系の解析を連成して行うマルチフィジックス連成解析システムおよびマルチフィジックス連成解析方法に関する。

近年、物理現象を数値解析により解くシミュレーション技術は、コンピュータの進歩に連動して長足の進歩を果たしている。そして、このようなシミュレーション技術は、例えば、電気工学の分野では、磁界解析、電界解析、回路解析などで応用が進み、機械工学の分野では、強度解析、流体解析、熱解析、振動解析、ノイズ解析などに多用されるようになっている。さらに、異分野のシミュレーション技術を組み合わせて、複数の異なる事象を経時的に連成しながら解析する、いわゆるマルチフィジックス連成解析も一般化しつつある。

特開２０１４−１３５０９５号公報

ここで、一例として、磁界解析と回路解析とを組み合わせたマルチフィジックス連成解析について説明する。即ち、この解析では、まず各々の物理系に物理量として初期値を与える。そして、例えば磁界解析側の物理量を定数とみなして回路解析側の処理を１ステップ行い、その結果を磁界解析側に返す。磁界解析側では、回路解析側から受け取った結果を基に磁界解析側の処理を１ステップ行う。そして、その結果を回路解析側に返す。このような処理を順次繰り返すことで、異なる２つの物理系の経時的な変化を相互の影響を考慮しながら解析していく。

ところで、近年の磁界解析では、例えば数十万といった多数の要素を用いて解析対象の三次元モデルを精密に構築して解析を行うことが至極普通のこととなっている。そのため、磁界解析のシミュレーションでは、物理系が大規模となる。しかし、磁界解析では、解析対象とする事象、即ち磁界の時定数が比較的大きい。即ち、磁界解析では、比較的変化が緩やかな物理系の解析が行われる。

一方、回路解析は、解析対象の過渡事象の把握を主目的として用いられることが多く、例えば高速でスイッチングするインバータやコンバータなどといった電力変換器の動作解析に用いられる必須のツールとなっている。回路解析のモデルは、比較的要素が少なく小規模でシンプルである。しかし、高速スイッチングにより激しく変化する物理系、即ち時定数の小さな物理系を解析対象とするため、より精密な解析を行うためには、処理ステップをできるだけ細かくして行う必要がある。

このように、変化が緩やかな物理系を解析する磁界解析と変化が激しい物理系を解析する回路解析とでは、その特徴が相反する。そして、このように相反する特徴を有する複数の物理系の解析を連成して行う場合には、次のような不都合が生じる。

まず、変化が激しい回路解析側の処理ステップに合わせて磁界解析側の処理ステップ数を増やすと、磁界解析側の解析に要する所要時間が長くなり、ひいては、連成解析全体の所要時間も長くなる。そのため、解析を開始してから終了するまでに数カ月を要する場合も生じる。

また、回路解析側の変化が磁界解析側の変化よりも激しいことから、磁界解析側から回路解析側に順次フィードバックされる物理量の変化が小さくなる傾向がある。そのため、磁界解析側から回路解析側にフィードバックされる解析値が理論値に僅かでも達していないと、あるいは、理論値を僅かでも超えていると、回路解析側の解析が不安定となり、解析結果が発散してしまうことが頻発する。つまり、解析結果が収束しないようになる。また、解析結果が発散していることが判明するまでには相当な時間を要する。そのため、発散を解消するための対策が遅れ、全体の解析に大きな支障をきたすおそれがある。

そこで、本実施形態は、複数の異なる物理系の解析を連成して行う場合において、解析時間の長期化を回避し、また、解析結果の発散を回避することができるマルチフィジックス連成解析システムおよびマルチフィジックス連成解析方法を提供する。

本実施形態に係るマルチフィジックス連成解析システムは、複数の異なる物理系の解析を連成して行う解析システムであって、解析回数設定手段と、第１反映手段と、第２反映手段と、を備える。解析回数設定手段は、前記物理系のうち緩やかに変化する物理系を緩性物理系として設定するとともに、当該緩性物理系以外の物理系を非緩性物理系として設定し、前記緩性物理系の単位時間あたりの解析回数を、前記非緩性物理系の単位時間あたりの解析回数よりも少なく設定する。第１反映手段は、前記緩性物理系から得られた解析値を前記非緩性物理系の解析に定数として反映させる。第２反映手段は、前記非緩性物理系の解析が所定回数行われると、当該非緩性物理系から得られた解析値を前記緩性物理系の解析に反映させる。そして、前記第２反映手段は、前記非緩性物理系の解析回数が前記所定回数を超え、且つ、前記非緩性物理系の変動が所定条件を満たしている場合に、当該非緩性物理系から得られた解析値を前記緩性物理系の解析に反映させる。

本実施形態に係るマルチフィジックス連成解析方法は、コンピュータが、複数の異なる物理系の解析を連成して行う解析方法であって、解析回数設定処理と、第１反映処理と、第２反映処理と、を前記コンピュータが実行するマルチフィジックス連成解析方法である。解析回数設定処理は、前記物理系のうち緩やかに変化する物理系を緩性物理系として設定するとともに、当該緩性物理系以外の物理系を非緩性物理系として設定し、前記緩性物理系の単位時間あたりの解析回数を、前記非緩性物理系の単位時間あたりの解析回数よりも少なく設定する処理である。第１反映処理は、前記緩性物理系から得られた解析値を前記非緩性物理系の解析に定数として反映させる処理である。第２反映処理は、前記非緩性物理系の解析が所定回数行われると、当該非緩性物理系から得られた解析値を前記緩性物理系の解析に反映させる処理である。そして、前記コンピュータが、前記第２反映処理において、前記非緩性物理系の解析回数が前記所定回数を超え、且つ、前記非緩性物理系の変動が所定条件を満たしている場合に、当該非緩性物理系から得られた解析値を前記緩性物理系の解析に反映させる。

本実施形態に係るマルチフィジックス連成解析システムの一構成例を概略的に示す図解析回数設定処理の一例を示すフローチャート第１実施形態に係るマルチフィジックス連成解析処理の一例を示すフローチャート第２実施形態に係るマルチフィジックス連成解析処理の一例を示すフローチャート

以下、マルチフィジックス連成解析システムおよびマルチフィジックス連成解析方法に係る複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態で実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

（第１実施形態）
図１に例示するマルチフィジックス連成解析システム１０は、例えば高性能のコンピュータなどで構成されるシミュレータ１１を主体として構成される。以下、マルチフィジックス連成解析システム１０を、単に「解析システム１０」と称する。シミュレータ１１は、複数の異なる物理系の解析を連成して行うものであり、この場合、磁界解析モデル１２を用いた磁界解析および回路解析モデル１３を用いた回路解析を、相互の影響を考慮しながら経時的に解析する。

磁界解析モデル１２は、例えば数十万といった多数の要素を用いて、解析対象であるリアクトルなどといった磁界要素を精密に構築した三次元モデルである。回路解析モデル１３は、例えば高速でスイッチングするインバータやコンバータなどといった電力変換器を精密に構築したモデルである。磁界解析モデル１２は、回路解析モデル１３に比べて大規模である。そして、磁界解析モデル１２は、時定数が比較的大きい物理系、つまり比較的変化が緩やかな物理系を解析対象とする。一方、回路解析モデル１３は、磁界解析モデル１２に比べて小規模である。そして、回路解析モデル１３は、時定数が比較的小さい物理系、つまり比較的変化が激しい物理系を解析対象とする。このように、磁界解析モデル１２と回路解析モデル１３とは、相互に相反する特徴を示す。

シミュレータ１１は、解析プログラムを実行することにより、解析回数設定処理部２１、第１反映処理部２２、第２反映処理部２３などといった各処理部をソフトウェアにより仮想的に実現する。なお、各処理部は、ハードウェアにより構成してもよい。

解析回数設定処理部２１は、解析回数設定手段の一例として解析回数設定処理を行う。即ち、図２に例示するように、解析回数設定処理部２１は、上記した２つの物理系のうちより緩やかに変化する物理系、この場合、磁界解析モデル１２を「緩性物理系」として設定する（Ａ１）。また、解析回数設定処理部２１は、緩性物理系以外の物理系、この場合、回路解析モデル１３を「非緩性物理系」として設定する（Ａ２）。即ち、解析回数設定処理部２１は、上記した２つの物理系のうちより激しく変化する物理系を「非緩性物理系」として設定する。そして、解析回数設定処理部２１は、緩性物理系である磁界解析モデル１２の単位時間あたりの解析回数Ｎ１を、非緩性物理系である回路解析モデル１３の単位時間あたりの解析回数Ｎ２よりも少なく設定する（Ａ３）。即ち、解析回数設定処理部２１は、例えば、１日当たりの解析回数Ｎ１を「１回／日」と設定するのに対し、１日当たりの解析回数Ｎ２を「１００回／日」と設定する。なお、この設定回数は、あくまでも例示であり、解析回数設定処理部２１は、「Ｎ１＜Ｎ２」という関係を満たすことを条件に、解析回数Ｎ１，Ｎ２を設定することが可能である。

この解析回数設定処理は、詳しくは後述するマルチフィジックス連成解析処理の実行に先立ち、予め実行されるものである。よって、マルチフィジックス連成解析処理が実行される際には、解析回数Ｎ１＜解析回数Ｎ２の関係で、各物理系の単位時間あたりの解析回数が設定されている。

また、解析回数設定処理部２１は、設定した解析回数Ｎ１および解析回数Ｎ２を調整可能に構成されている。即ち、解析回数設定処理部２１は、図示しない操作入力部を介して入力される入力値に応じて、解析回数Ｎ１および解析回数Ｎ２を変更可能に構成されている。なお、操作入力部は、例えばキーボードやタッチパネルボタンなどといった操作入力装置で構成される。また、解析回数設定処理部２１は、解析対象となる物理系の性質、特に変化の緩やかさや激しさに応じて、解析回数Ｎ１および解析回数Ｎ２を自動的に調整するように構成してもよい。即ち、解析回数設定処理部２１は、比較的変化が緩やかな物理系については、その単位時間あたりの解析回数を自動的に少なく調整し、比較的変化が激しい物理系については、その単位時間あたりの解析回数を自動的に多く調整するように構成してもよい。

第１反映処理部２２は、第１反映手段の一例として第１反映処理を行う。即ち、第１反映処理部２２は、緩性物理系の解析モデル、この場合、磁界解析モデル１２から得られた解析値を、非緩性物理系の解析モデル、この場合、回路解析モデル１３の解析に定数として反映させる。即ち、第１反映処理部２２は、磁界解析モデル１２から解析値を得ると、その解析値を、定数として回路解析モデル１３に与える。その後、第１反映処理部２２は、磁界解析モデル１２から新たな解析値が得られると、その新たに得られた解析値を、新たな定数として回路解析モデル１３に与える。

第２反映処理部２３は、第２反映手段の一例として第２反映処理を行う。即ち、第２反映処理部２３は、非緩性物理系である回路解析モデル１３の解析が所定回数「Ｎ回」行われると、当該回路解析モデル１３から得られた解析値を、緩性物理系である磁界解析モデル１２の解析に反映させる。なお、このとき、磁界解析モデル１２に与える解析値は、例えば、所定回数「Ｎ回」の解析により得られた複数の解析値の平均値であってもよいし、累積値であってもよい。即ち、Ｎ回の解析処理に得られる複数の解析値に基づいて得られる値であれば、種々の値を与えることができる。また、所定回数は、適宜変更して設定することができる。この場合、所定回数は、図示しない操作入力部を介した入力値に基づいて設定してもよいし、シミュレータ１１が、例えば物理系の性質などに応じて自動的に設定するように構成してもよい。

詳しくは後述するマルチフィジックス連成解析処理において、解析システム１０は、第１反映処理部２２による第１反映処理および第２反映処理部２３による第２反映処理を繰り返し実行するように構成されている。これにより、相互に相反する性質を有する２つの物理系、この場合、磁界解析モデル１２と回路解析モデル１３の経時的な変化が、相互の影響が反映されながら解析される。

次に、解析システム１０によるマルチフィジックス連成解析処理の一例について説明する。即ち、解析システム１０は、複数の異なる物理系、この場合、磁界解析モデル１２と回路解析モデル１３に、それぞれ初期値を与える（Ｂ１，Ｃ１）。なお、この場合、非緩性物理系である回路解析モデル１３への初期値の入力は必須ではない。そして、解析システム１０は、その初期値に基づいて磁界解析モデル１２の解析処理を１回実行する（Ｂ２）。そして、解析システム１０は、その解析処理により得られた磁界解析モデル１２の解析値を、定数として回路解析モデル１３に出力する（Ｂ３）。このステップＢ３の処理は、第１反映処理の一例である。

解析システム１０は、磁界解析モデル１２から与えられた定数に基づいて回路解析モデル１３の解析処理を１回実行する（Ｃ２）。そして、解析システム１０は、回路解析モデル１３の解析処理の実行回数が所定回数「Ｎ回」となったか否かを確認する（Ｃ３）。解析システム１０は、回路解析モデル１３の解析処理の実行回数が所定回数「Ｎ回」となっていない場合には（Ｃ３：ＮＯ）、回路解析モデル１３の解析処理を繰り返し実行する（Ｃ２）。そして、解析システム１０は、回路解析モデル１３の解析処理の実行回数が所定回数「Ｎ回」となると（Ｃ３：ＹＥＳ）、所定回数の解析処理により得られた回路解析モデル１３の解析値を磁界解析モデル１２に出力する（Ｃ４）。このステップＣ４の処理は、第２反映処理の一例である。

解析システム１０は、回路解析モデル１３から解析値が得られると（Ｂ４：ＹＥＳ）、その解析値に基づいて磁界解析モデル１２の解析処理を１回実行する（Ｂ２）。解析システム１０は、このような処理を順次繰り返すことで、異なる２つの物理系である磁界解析モデル１２と回路解析モデル１３の経時的な変化を相互の影響を考慮しながら解析していく。

本実施形態によれば、解析システム１０は、膨大な要素数で構成された時定数の長い物理量、この場合、緩性物理系である磁界解析モデル１２の解析値を定数とみなして、時定数の短い物理量、この場合、回路解析モデル１３の解析を所定回数行う。そして、解析システム１０は、回路解析モデル１３の解析を所定回数行うと、その解析結果を磁界解析モデル１２にフィードバックする。そして、解析システム１０は、再び、磁界解析モデル１２の解析結果を定数として回路解析モデル１３に与え、その定数に基づいて回路解析モデル１３の解析を進める。

このような解析方法を採用する解析システム１０によれば、時定数の長い磁界解析モデル１２の解析回数を削減することができ、複数の異なる物理系の解析を連成して行う場合であっても、マルチフィジックス連成解析に要する全体の時間を大幅に短縮することができる。また、時定数の短い回路解析モデル１３の解析においては、他方の物理系、即ち、時定数が長い磁界解析モデル１２の解析結果が「定数」として与えられる。そのため、解析値と理論値との極僅かな差異に起因して生じていた解析結果の発散、特に時定数が短い物理量の解析結果の発散を回避することができる。

また、本実施形態によれば、解析システム１０は、緩性物理系から得られた解析値を非緩性物理系の解析に定数として反映させる第１反映処理、および、非緩性物理系の所定回数の解析により得られた解析値を緩性物理系の解析に反映させる第２反映処理を、繰り返し実行する。これにより、解析時間の長期化および解析結果の発散を回避しつつ、複数の異なる物理系の連成解析を進めることができ、より精度の良い解析結果を得ることができる。

また、本実施形態によれば、解析システム１０は、解析回数設定処理部２１により、緩性物理系の単位時間あたりの解析回数および非緩性物理系の単位時間あたりの解析回数を調整することが可能である。これにより、緩性物理系および非緩性物理系のそれぞれに適した解析回数を設定して連成解析を進めることができ、より精度の良い解析結果を得ることができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、解析システム１０による連成解析処理の内容が異なる。即ち、解析システム１０は、回路解析モデル１３に、初期値（Ｄ１）を与え、さらに、磁界解析モデル１２からの定数（Ｂ３）を与えると、磁界解析モデル１２から与えられた定数に基づいて回路解析モデル１３の解析処理を１回実行する（Ｄ２）。そして、解析システム１０は、回路解析モデル１３の解析処理の実行回数が所定回数となったか否かを確認する（Ｄ３）。

解析システム１０は、回路解析モデル１３の解析処理の実行回数が所定回数となるまで、回路解析モデル１３の解析処理を繰り返し実行する（Ｄ３：ＮＯ，Ｄ２）。そして、解析システム１０は、回路解析モデル１３の解析処理の実行回数が所定回数となると（Ｄ３：ＹＥＳ）、その所定回数の解析における回路解析モデル１３の変動量が所定条件を満たしているか否かを確認する（Ｄ４）。この所定条件としては、種々の条件を設定することができ、この場合、回路解析モデル１３の変動量が所定値よりも大きいこと、が所定条件として設定されている。また、この所定値も、適宜変更して設定することができる。

解析システム１０は、回路解析モデル１３の変動量が所定条件を満たしていない場合には（Ｄ４：ＮＯ）、再び、回路解析モデル１３の解析処理に移行する（Ｄ２）。一方、解析システム１０は、回路解析モデル１３の変動量が所定条件を満たしている場合には（Ｄ４：ＹＥＳ）、所定回数の解析処理により得られた回路解析モデル１３の解析値を磁界解析モデル１２に出力する（Ｄ５）。このステップＤ５の処理は、第２反映処理の一例である。

本実施形態によれば、第２反映処理部２３は、非緩性物理系である回路解析モデル１３の解析回数が所定回数を超え、且つ、その所定回数の解析で示された回路解析モデル１３の変動が所定条件を満たしている場合に、回路解析モデル１３から得られた解析値を磁界解析モデル１２の解析に反映させる。即ち、本実実施形態によれば、回路解析モデル１３の変動が所定条件を満たしている場合に限り、当該回路解析モデル１３の解析結果が磁界解析モデル１２の解析に反映される。従って、回路解析モデル１３の変動量が小さい場合などに、その解析結果が磁界解析モデル１２に反映されてしまうことを回避でき、磁界解析モデル１２に無用な情報が与えられてしまうことを回避できる。よって、マルチフィジックス連成解析全体の精度向上を図ることができる。

（その他の実施形態）
本実施形態は、上述した実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で拡張あるいは変更をすることができる。
例えば、シミュレータ１１は、３つ以上の複数の物理系を連成解析するように構成してもよい。この場合、解析回数設定処理部２１は、複数の物理系のうち最も緩やかに変化する物理系を緩性物理系として設定するとともに、当該緩性物理系以外の全ての物理系をそれぞれ非緩性物理系として設定する。そして、解析回数設定処理部２１は、緩性物理系の単位時間あたりの解析回数を、何れの非緩性物理系の単位時間あたりの解析回数よりも少なく設定する。

また、マルチフィジックス連成解析システムにより解析される物理系は、磁界解析および回路解析に限られず、例えば、電界、磁場、電磁力、強度、流体、熱、振動、ノイズ、音響など、あらゆる物理系を対象とすることができる。

以上に説明した実施形態に係るマルチフィジックス連成解析システムは、複数の異なる物理系の解析を連成して行う解析システムであって、解析回数設定手段と、第１反映手段と、第２反映手段と、を備える。解析回数設定手段は、前記物理系のうち緩やかに変化する物理系を緩性物理系として設定するとともに、当該緩性物理系以外の物理系を非緩性物理系として設定し、前記緩性物理系の単位時間あたりの解析回数を、前記非緩性物理系の単位時間あたりの解析回数よりも少なく設定する。第１反映手段は、前記緩性物理系から得られた解析値を前記非緩性物理系の解析に定数として反映させる。第２反映手段は、前記非緩性物理系の解析が所定回数行われると、当該非緩性物理系から得られた解析値を前記緩性物理系の解析に反映させる。

また、以上に説明した実施形態に係るマルチフィジックス連成解析方法は、複数の異なる物理系の解析を連成して行う解析方法であって、解析回数設定処理と、第１反映処理と、第２反映処理と、を含む。解析回数設定処理は、前記物理系のうち緩やかに変化する物理系を緩性物理系として設定するとともに、当該緩性物理系以外の物理系を非緩性物理系として設定し、前記緩性物理系の単位時間あたりの解析回数を、前記非緩性物理系の単位時間あたりの解析回数よりも少なく設定する処理である。第１反映処理は、前記緩性物理系から得られた解析値を前記非緩性物理系の解析に定数として反映させる処理である。第２反映処理は、前記非緩性物理系の解析が所定回数行われると、当該非緩性物理系から得られた解析値を前記緩性物理系の解析に反映させる処理である。

本実施形態に係る解析システムあるいは解析方法によれば、複数の異なる物理系の解析を連成して行う場合において、解析時間の長期化を回避することができ、また、解析結果の発散を回避することができる。

なお、本実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。本実施形態およびその変形は、発明の範囲および要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１０はマルチフィジックス連成解析システム、２１は解析回数設定処理部（解析回数設定手段）、２２は第１反映処理部（第１反映手段）、２３は第２反映処理部（第２反映手段）を示す。

Claims

複数の異なる物理系の解析を連成して行う解析システムであって、
前記物理系のうち緩やかに変化する物理系を緩性物理系として設定するとともに、当該緩性物理系以外の物理系を非緩性物理系として設定し、前記緩性物理系の単位時間あたりの解析回数を、前記非緩性物理系の単位時間あたりの解析回数よりも少なく設定する解析回数設定手段と、
前記緩性物理系から得られた解析値を前記非緩性物理系の解析に定数として反映させる第１反映手段と、
前記非緩性物理系の解析が所定回数行われると、当該非緩性物理系から得られた解析値を前記緩性物理系の解析に反映させる第２反映手段と、
を備え、
前記第２反映手段は、前記非緩性物理系の解析回数が前記所定回数を超え、且つ、前記非緩性物理系の変動が所定条件を満たしている場合に、当該非緩性物理系から得られた解析値を前記緩性物理系の解析に反映させるマルチフィジックス連成解析システム。
前記第１反映手段による反映処理と前記第２反映手段による反映処理とを繰り返し実行する請求項１に記載のマルチフィジックス連成解析システム。
前記解析回数設定手段は、前記緩性物理系の単位時間あたりの解析回数および前記非緩性物理系の単位時間あたりの解析回数を調整する請求項１または２に記載のマルチフィジックス連成解析システム。
コンピュータが、複数の異なる物理系の解析を連成して行う解析方法であって、
前記物理系のうち緩やかに変化する物理系を緩性物理系として設定するとともに、当該緩性物理系以外の物理系を非緩性物理系として設定し、前記緩性物理系の単位時間あたりの解析回数を、前記非緩性物理系の単位時間あたりの解析回数よりも少なく設定する解析回数設定処理と、
前記緩性物理系から得られた解析値を前記非緩性物理系の解析に定数として反映させる第１反映処理と、
前記非緩性物理系の解析が所定回数行われると、当該非緩性物理系から得られた解析値を前記緩性物理系の解析に反映させる第２反映処理と、
を前記コンピュータが実行するマルチフィジックス連成解析方法であり、
前記コンピュータが、前記第２反映処理において、前記非緩性物理系の解析回数が前記所定回数を超え、且つ、前記非緩性物理系の変動が所定条件を満たしている場合に、当該非緩性物理系から得られた解析値を前記緩性物理系の解析に反映させるマルチフィジックス連成解析方法。
前記第１反映処理と前記第２反映処理とを前記コンピュータが繰り返し実行する請求項４に記載のマルチフィジックス連成解析方法。