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工学シミュレーションの品質向上を目指してー計算と計測のコラボレーションー
2013FTRセンシングテクノロジーセミナー
2013.11.26
横浜国立大学名誉教授
FTR 特別顧問
白鳥正樹
FBI-Gauge概要
① センサーコストを大幅に削減
② 容易な設置で、作業時間を短縮
③ 分解能と計測点を自由に設定
④ 1本でひずみ・温度と多彩な計測
光ファイバ1本で、広範囲なひずみ・温度計測を実現
構造物材料試験
σB, σY, σW
材料採取
荷重評価
応力解析
σmax=Mmax/Z
強度評価
σmax σa= σB/F
P
強度設計における計算力学の役割
計算力学
モデル化
3
理論 Theoretical or Applied Mechanics
実験 Experimental Mechanics
計算 Computational Mechanics
4
理論 Theoretical or Applied Mechanics
実験 Experimental Mechanics
計算 Computational Mechanics
5
CAEの失敗事例
プロの指導が欲しかった-損失額7億ドル
◇北海でオイルとガスを産出する海上プラットフォーム(Sleipner A platform)が1991年8月23日、ノルウェーStavanger沖のGandsfjordenにて沈没した。
◇本事故の経済的な損失は約7億ドル。FEMの専門家ならまず間違えない部分でモデル化のミスが発生。世界的な定番のソフトウエアNASTRANも、使う人の技術不足を補うことは不可能だった。
Sleipner A Platform7
◇破損時、上部デッキは重量約44000トン、200名の人員の住居、と掘削設備を搭載。浮きは、24本の直径24mの柱体(壁厚55cm)からなる重力土台(面積12200m2)
Use of Finite Element Analysis in The Design Process,Chapter8:When Design by FE goeswrong ?,1999,NAFEMS Ltd. より FEMのメッシュ
破損位置
tricell構造
破損位置
全体の1/4モデルをFEMで解析
8
線形要素と2次要素による最大主応力の差異
線形要素
2次要素
最大主応力 σ1=4.2MPa
線形要素
最大主応力 σ1=16.1MPa
2次要素
9
誤差発生の要因:
(1)自然現象を連続体力学の問題として近似することによるモ
デル化の誤差
(2)材料データの持つ誤差(構成式、減衰率、熱伝達率等)
(3)形状の近似による誤差
(4)境界条件・初期条件の設定による誤差
(5)離散化誤差(要素分割の方法も含む)
(6)丸め誤差
(7)結果の表示にかかわる誤差
(8)単純な間違い
(9)その他:知的財産保護によるソフトのブラックボックス化など
11
京コンピューターシンポジウム2013(2013.5.31)「持続可能社会に向けたHPCへの期待」 中村道治(JST)
京コンピューターシンポジウム2013(2013.5.31)「持続可能社会に向けたHPCへの期待」 中村道治(JST)
品質保証のための方策
1.高品質計算(High Quality Computing) の学術研究の推進と体系化・標準化
2.品質マネジメントシステムの構築
3.人材の育成と技術者の力量認定
14
15
ASME V&V 10‐2006 図4
物理現象
計算の生データ
概念的モデル
離散化された数式
Code Verification
数学的モデル化
数理モデル
計算結果
実験データ
実験のデザイン
物理モデル
実験結果
離散化して実装
計算
不確定性の定量的評価
予備計算
実装
実験
不確定性の定量的評価
定量的比較
物理的モデル化
Calculation Verification
Validation16
18
学会標準の発行(HQC001 & 002)
2011年 7月発行、学会事務局にて直売
内容紹介
本書はISO9001に基づいた工学シミュレーションの品質を管理するプロセスを学ぶための一冊である.具体的には,・工学シミュレーションの品質保証の必要性,・工学シミュレーションをめぐる海外の動向,・V&V [検証(Verification)と妥当性確認(Validation)]の考え方,・モデリング& シミュレーションの方法論
・シミュレーションの予測性能,誤差の要因,
について解説されている.
シミュレーション技術の要求性能を満たしつつ,その品質を担保することが求められる現代の工学シミュレーションの技術者にとって,格好の入門書といえる.
工学シミュレーションの品質保証とV&V,丸善出版,2013
20
HQC001 & 2の標準手順
顧客要件の明確化
PJ計画書の立案
解析計画書の立案
・V&V実施方法
メッシュ・データの作成
計算実行
解析結果の検証
解析の妥当性確認とレビュー
報告書作成 レビュー
事前検証(予備計算)
検証記録
最終レビュー・納品
本番解析前のモデルのチェック、試解析等
工学式、別モデルによる計算、過去の計算事例、実験との比較等、独立した方法により工学的妥当性を示す。
参照解析
解析手順書(定型解析むけ)
顧客とのコミュニケーション
業務範囲の合意
PJ計画の報告
解析計画の報告
結果概要の報告
報告書(案)提示
最終報告
進捗報告
技術的な実施要領書、計画段階で必要な技術検討を十分行う 。
事前検証の結果も用いて計画した通りに正しく解析が行われたことを確証
V&V
プロセスの妥当性確
認
(例)ハニカムサンドイッチ構造
計算と計測のコラボレーション
(a) Gs≒GYZ
(b) GYZ≒0
素材の横弾性係数
ハニカム材料の横弾性係数 GYZ >> 0Gs >>
Shearing rigidity of core material
Z
Y
22
Ratio of shearing deformation(s=9.525, t=0.0254, hc=10, h=12, E=71GPa)
0
20
40
60
80
1 00
0 200 400 600 800 1000
Span : L [ mm]
2
δ[ %
]δ
PL3
48EI PL
4GA
1
2
hc h
b
Sectional view
23
理論 Theoretical or Applied Mechanics
実験 Experimental Mechanics
計算 Computational Mechanics
24
Buckled Honeycomb
Col
laps
ing
stres
s [M
Pa]
1.5
1.0
0.5
0.0
Mean collapsing stress
Displacement [mm]10.00.0 5.0
Collapsing Stress σ- Displacement curve
XZ
Dia
l G
auge
Microscope
Micr
osco
pe
Honeycomb Specimen
Qua
si-s
tatic
Loa
d
debonding
Progressive Buckling σ=P/A
Scheme of Quasi-static Loading Condition
Z-velocity
0.5 mm/min
Initial peak stress
25
s
A
B CO
BC
OA
2tt
O'B'A'
Rigid wall
Velocity : 0.5mm/min
Y
Y
Z
YX
Element 2880 Node 2997
Upper side view
FEM model (1/6 model)
Ignore the debonding
2t
26
The buckling wave lengths are shorter,
and the collapsing stress is bigger
than the experimental results.
The debonding failure cannot be represented.
Deformed shape (1/6 model)
Displacement: 50% of h (10mm)
Z
YX
27
1/12 model1/6 model
1/6 adhesive model
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0.0 5.0 10.0Displacement [ mm ]
Colla
psin
g st
ress
[ M
Pa ]
mean collapsing stress ( experiment )
0.0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0.0 5.0 10.0
1/6 model1/12 model1/6 adhesive modelexperiment
Displacement [ mm ]
Abs
orbe
d en
ergy
[J /
m ]2
Collapsing-Displacement curve Equivalent absorbed-Displacement curve
28
B O
A
tt
B' O'
A'
Y
Y
Rigid wall
Velocity : 0.5mm/min
Ignore the debonding
Upper side view
Z
YX
Element 1920 Node 2025
FEM model (1/12 model)
A
BO
s
29
The buckling wave lengths are longer,
and the collapsing stress is smaller
than the experimental results.
Some parts of the double thickness wall be
without debonding.
Deformed shape (1/12 model)
Displacement: 50% of h (10mm)
Z
YX
30
1/12 model1/6 model
1/6 adhesive model
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0.0 5.0 10.0Displacement [ mm ]
Colla
psin
g st
ress
[ M
Pa ]
mean collapsing stress ( experiment )
0.0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0.0 5.0 10.0
1/6 model1/12 model1/6 adhesive modelexperiment
Displacement [ mm ]
Abs
orbe
d en
ergy
[J /
m ]2
Collapsing-Displacement curve Equivalent absorbed-Displacement curve
31
BCO2
t + tt
A2O1
A1
Tying
B' A2'O1'A1'
A
B CY
Y
Upper side view
Rigid wall
Velocity : 0.5mm/min
Element 3840 Node 4050
FEM model (1/6 adhesive model)
Z
YX
Considering debonding failure
s
O
61
32
Simulating of debonding failures
The degrees of freedom of the opposite nodes
on two walls are tied up with each other.
The degrees are untied when the tying force
reaches debonding force.
This model gives good representation
of the mechanical behavior.
Deformed shape (1/6 adhesive model)
Displacement: 50% of h (10mm)
Z
YX
debonding
33
1/12 model1/6 model
1/6 adhesive model
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0.0 5.0 10.0Displacement [ mm ]
Colla
psin
g st
ress
[ M
Pa ]
mean collapsing stress ( experiment )
0.0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0.0 5.0 10.0
1/6 model1/12 model1/6 adhesive modelexperiment
Displacement [ mm ]
Abs
orbe
d en
ergy
[J /
m ]2
Collapsing-Displacement curve Equivalent absorbed-Displacement curve
34
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020
Colla
psin
g st
ress (
MPa
)
Core density t/s
Experimental resultsAnalysis resultsProposed expressionT. Wiertzbicki expression
衝撃平均圧潰応力 CR m P h
m 2460
ts
1.594
MPa t 16.56 0
ts
53 MPa T. Wierzbickiの理論式
準静的平均圧潰応力
Mean collapsing stress-core density (t/s)
35
理論 Theoretical or Applied Mechanics
実験 Experimental Mechanics
計算 Computational Mechanics
36
Front-Loading化の重要性
生産準備試作詳細設計概念設計
CAE業務量
時間
性能・品質到達度
現状のCAE業務量
初期検討不十分で不具合顕在化
後工程への過大な負荷
現行CAE適用による設計プロセス
Front Loading
70%
無理がなく、高いレベルで目標到達
多くの設計案を早期検討できる
Front Loadingによる設計プロセス
Front-Loading化
計算時間の短いコンセプト解析モデルを用いることで、多くの設計方案の検討に向く
概念設計段階におけるシミュレーション(CAE)を基にした設計が可能に
現状のCAE適用
大規模詳細CAEモデルが主であるため、多くの設計方案を検討する概念設計には不向き
設計の検証や不具合対策が主な適用目的
(補遺)システム・インテグレーションにおけるV&V
図1 モデルベース開発におけるVサイクル(dSPACE社ホームページより)
39
まとめ
理論 Theoretical or Applied Mechanics
実験 Experimental Mechanics
計算 Computational Mechanics
ご清聴ありがとうございました