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Autodesk Simulation Mechanical/CFD

におけるメッシュ テクニカルトピックス

オートデスクコンサルタント 冠者 実

Autodesk Simulation Mechanicalメッシュトピックス

サーフェスが重複しているケース

Simulation Mechanicalで修正する方法

Fusionで修正する方法

アセンブリでモデルが意図した状態になっていないケース

アセンブリ部品が干渉していたり、接触していないケース

面が複雑で面のオーバラップやブレンド面がうまくメッシュが切れないケース

面がオーバラップしているケース

面が複雑でブレンド面がうまくメッシュが切れないケース

APPENDIX

Autodesk Simulation CFDメッシュトピックス

アジェンダ

Autodesk Simulation Mechanical メッシュトピックス

サーフェスが重複しているケース

なんらかの要因でサーフェスが重複しているケース

Simulation Mechanicalで修正する方法

Fusionで修正する方法

サーフェスが重複しているケース

サーフェスが重複しているケースのサマリー

Simulation Mechanicalでの修正 メッシュ作成後の“問題”タブでどこに問題があるかを確認

サーフェスが重複しているケースのサマリー

面の隙間なのかそうではないかを確認

重複の可能性を確認するには、部品の“表面”ツリーで“問題”で指摘された面を非表示にするなどして確認

複数の重複も考えられるのでその場合は非表示の作業を続ける

サーフェスが重複しているケースのサマリー

重複をなくすには、“CADメッシュオプション“で”メッシュ作成のために抑制”を選択する。

メッシュ作成

サーフェスが重複しているケースのサマリー

Fusionでの修正 サーフェスオペレーションでソリッドを“ステッチ解除”コマンドでサーフェスの

集合体にする

問題の面を削除する。（複数ある場合は複数削除）

ポップアップの絵挿入

サーフェスが重複しているケースのサマリー

全ての面を選択して、再度“ステッチ”する

Simulation Mechanicalを起動

メッシュが問題なく作成

アセンブリでモデルが意図した状態になっていないケース

アセンブリ部品が干渉していたり、接触していないケース

Simulation Mechanicalでどこが接触しているか確認

メッシュ作成後意図した状況で無い場合、Fusionで干渉部を見つけて修正したり、隙間を修正する方法

アセンブリでモデルが意図した状態になっていないケース

Simulation Mechanicalで接触を確認する方法 接触を自動作成した場合、全ての接触を選択して“選択表示”することで現状の

接触部を確認できる

アセンブリでモデルが意図した状態になっていないケース

“作成タブ、レイヤコントロール”で層15が接触部で、層14がエッジ、層1がモデルなので、層15を表示して確認することもできる。その場合、表示は“メッシュ“で確認

アセンブリでモデルが意図した状態になっていないケース

Fusionでの修正 隙間がある場合は、面を選択し、“押す/引く“コマンドで伸ばす先の面を選択す

ることで隙間はなくなる

アセンブリでモデルが意図した状態になっていないケース

干渉部を確認するには、部品を2つ選択し、“管理パネル/干渉”コマンドで確認

アセンブリでモデルが意図した状態になっていないケース

干渉部をなくすには、モデリングパネルで“ソリッド”を選択し、ソリッドパネルで“ブーリアン演算”を選択し、ターゲット部品とツール部品を選択し、オプションで“切り取り”を選択、“ツールを維持”でOKを押す

アセンブリでモデルが意図した状態になっていないケース

面が複雑で面のオーバラップやブレンド面がうまくメッシュが切れないケース

面がオーバラップしているケース

Simulation MechanicalでCAD形状を手修正してメッシュ作成

Fusionでオーバラップしている形状を修正するケース

面が複雑でブレンド面がうまくメッシュが切れないケース

必要に応じてブレンド面をFusionで削除

面が複雑で面のオーバラップやブレンド面がうまくメッシュが切れないケース

Simulation MechanicalでCAD形状を手修正してメッシュを作成する方法 問題の面を確認

必要に応じて不必要な面のメッシュを抑制

抑制後再メッシュ生成

面がオーバラップしているケース

問題の面の周辺をだけをメッシュ表示

“作成タブ/修正パネル/ポイント移動“で表面メッシュの頂点（節点でない）を移動

面がオーバラップしているケース

表面番号を面を選択し、“問合せ”で確認

確認された表面番号に“作成タブ/作成/ライン”でラインを追加して表面メッシュを手修正

面がオーバラップしているケース

表面メッシュからソリッドメッシュを作成するコマンド、“ソリッドメッシュ作成”を実行してソリッドメッシュを作成

面がオーバラップしているケース

Fsionでオーバラップしている形状を修正するケース ソリッドを“サーフェス/ステッチ解除”で面の集合体にする

オーバラップしている面を“サーフェス/サーフェストリム”でトリムする

面がオーバラップしているケース

ある程度のトレランスを考慮して“サーフェス/サーフェススティッチ”を実行し、サーフェスからソリッドを作成

面がオーバラップしているケース

面が複雑でブレンド面がうまくメッシュが切れないケース

Simulation Mechanicalでメッシュを作成したときにメッシュサイズを変更してもエラーになるような場合

必要に応じてブレンド面をFusionで削除 Fusionで“モデリング/ソリッド”を指定した後、“ソリッド/削除”で問題のブ

レンド面を構成している全ての面を選択、削除する

面が複雑でブレンド面がうまくメッシュが切れないケース

モデルを別名で保存後、Simulation Mechanicalを実行して再メッシュ生成

面が複雑でブレンド面がうまくメッシュが切れないケース

表面幾何形状を変更したときに、メッシュサイズを変更 頂点移動などで表面幾何形状を変更し、CADとのリンクがなくなった形状のメッ

シュサイズを変更するには、“メッシュタブ/表面メッシュ拡張機能”を実行し、メッシュサイズをスライダ、もしくは新しいサイズを入力してメッシュサイズを変更し、最後に“メッシュ”ボタンを押す。

APPENDIX

Autodesk Simulation CFD メッシュトピックス

はじめに

①本資料を作成するきっかけは、多くのユーザ様では自動メッシュで解析して最初の評価をされると思いますが、その精度がどのくらいの精度なのかを理解して評価資料として使ってもらう必要があると思い、熱流体解析の温度結果に焦点をあてて参考になる資料を作成しようとしたものです。

②本資料の精度は、何か実験値と比較しての絶対的精度ではなく、細メッシュが誤差が少ない結果であると仮定して、他のメッシュ分割がどの程度細メッシュの結果に対して誤差を持っているかの相対的誤差を評価したものです。

③今回調査したモデルは、

1. 自然対流での定常解析で輻射がある場合とない場合

比較的結果の温度が高くなる場合

2. 強制空冷での定常解析で輻射がある場合とない場合

比較的結果の温度が低くなる場合

3. 2のモデルで発熱量を半分にした場合

かなり温度が低くなるモデル

目的

①実際の解析をする際に、Autodesk Simulation CFDでは自動メッシュを利用して解析し、評価する場合が多いと思います。その際に、自動メッシュで解析した結果がどの程度の精度かを認識することを目的としました。

②つまりできるだけ短時間で設計上の参考結果が欲しい場合、輻射計算をしなければいけないのかどうか、メッシュは粗い場合、どの程度の誤差を持っていそうかなどを事前に知っておくことで解析を効率よく行うことを目的としています。

③今回の調査対象は、

結果の温度から輻射を考慮する場合としない場合の考察

定常解析における強制空冷と自然対流での考察

解析モデル

①解析モデルはチュートリアルのreceiverのモデルを自然対流のモデルとしてそのまま使用し、強制空冷用モデルはそのreceiverモデルの中のPCBを取り出し、解析しました。

解析条件

①自然対流モデル

チュートリアル参照

自動メッシュ（粗：16万171要素、中：59万8939要素、細：243万3275要素

②強制空冷モデル（通常発熱）

1. 材料設定

流体： 空気（デフォルト）

PCB： デフォルトPCB

チップ：シリコン

2. 境界条件

大きいチップ＝20W、小さいチップ＝10W

入口：25℃、5m/s 出口：圧力＝0

3. メッシュ

自動メッシュ

粗：5万5797要素、中：22万5090要素、細：81万7762要素

4. 解析設定（定常）

収束計算数＝300

解析条件

③強制空冷モデル（1/2発熱）

1. 材料設定

流体： 空気（デフォルト）

PCB： デフォルトPCB

チップ：シリコン

2. 境界条件

大きいチップ＝10W、小さいチップ＝5W

入口：25℃、5m/s 出口：圧力＝0

3. メッシュ

自動メッシュ

粗：5万5797要素、中：22万5090要素、細：81万7762要素

4. 解析設定（定常）

収束計算数＝300

解析結果

①自然対流モデル

輻射考慮 輻射なし

解析結果

①自然対流モデル

輻射あり温度結果(測定：A区間,B区間の2区間）

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

(メッシュ粗A輻射)

(メッシュ細A輻射)

(メッシュ中A輻射)

(メッシュ粗B輻射)

（メッシュ細B輻射)

（メッシュ中B輻射)

解析結果

①自然対流モデル

輻射なし温度結果(測定：A区間,B区間の2区間）

0

20

40

60

80

100

120

140

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

(メッシュ粗A)

(メッシュ細A)

(メッシュ中A)

(メッシュ粗B)

（メッシュ細B)

（メッシュ中B)

解析結果

②強制空冷モデル

輻射考慮1/2発熱 輻射なし1/2発熱

輻射考慮 輻射なし

解析結果

②-A 強制空冷モデル

輻射ありA区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）

25

30

35

40

45

50

55

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

(メッシュ粗A輻射）温度

(メッシュ中A輻射）温度

(メッシュ細A輻射）温度

(メッシュ粗A輻射) 温度熱半分

(メッシュ中A輻射) 温度熱半分

(メッシュ細A輻射) 温度熱半分

解析結果

②-A 強制空冷モデル

輻射なしA区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）

25

30

35

40

45

50

55

60

65

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

(メッシュ粗A）温度

(メッシュ中A）温度

(メッシュ細A）温度

(メッシュ粗A) 温度熱半分

(メッシュ中A) 温度熱半分

(メッシュ細A) 温度熱半分

解析結果

②-B 強制空冷モデル

輻射ありB区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

(メッシュ粗B輻射）温度

(メッシュ中B輻射）温度

(メッシュ細B輻射）温度

(メッシュ粗B輻射) 温度熱半分

(メッシュ中B輻射) 温度熱半分

(メッシュ細B輻射) 温度熱半分

解析結果

②-B 強制空冷モデル

輻射なしB区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

(メッシュ粗B）温度

(メッシュ中B）温度

(メッシュ細B）温度

(メッシュ粗B) 温度熱半分

(メッシュ中B) 温度熱半分

(メッシュ細B) 温度熱半分

解析結果

②-C 強制空冷モデル

輻射ありC区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

(メッシュ粗C輻射) 温度 (メッシュ中C輻射) 温度 (メッシュ細C輻射) 温度 (メッシュ粗C輻射) 温度熱半分 (メッシュ中C輻射) 温度熱半分 (メッシュ細C輻射) 温度熱半分

解析結果

②-C 強制空冷モデル

輻射なしC区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

(メッシュ粗C) 温度 (メッシュ中C) 温度 (メッシュ細C) 温度 (メッシュ粗C) 温度熱半分 (メッシュ中C) 温度熱半分 (メッシュ細C) 温度熱半分

まとめ

① 輻射の考慮あり、なしでの結果への影響

環境温度と温度結果の差が75℃くらいで13％

環境温度と温度結果の差が35℃くらいで3.5％

環境温度と温度結果の差が15℃くらいで2.5％

② 輻射計算

環境温度と温度結果の差が大きい場合、メッシュは細分割されていないと誤差が大きくなる

中メッシュと細メッシュの間の誤差はほぼ5％で一定くらいである可能性がある 中くらいのメッシュを作成して5％の誤差があると認識して評価できる可能性

温度が下がることで当然ではあるが、輻射の影響は小さくなり、環境温度と温度結果の差が15℃くらいではメッシュ数にあまり関係なく誤差が一定となる。 温度差が15℃くらいではメッシュ数、輻射考慮の有無にあまり気にする必要はない

15 35 75輻射ありなしの誤差 2.5% 3.5% 13.0%

y = 0.0093e0.8243x

0.0%2.0%4.0%6.0%8.0%

10.0%12.0%14.0%

誤差

輻射ありなしの誤差

まとめ

③ 強制空冷モデル

環境温度との差が35℃の場合、メッシュが粗いと9％近くの誤差が生じるが、メッシュを中くらい程度にすると誤差は1％以内くらいになる メッシュは中くらいで精度のある解析結果が得られる

④ 計算時間

計算時間は輻射あり、なしとも要素数の約2.5乗に比例

輻射計算を実施すると20％くらい計算時間が長くなる

総まとめ 熱流体解析の基本的な流れとして ①自動メッシュで解析(輻射オン） →自動メッシュの場合、要素数も抑えれるので輻射の計算 増20％はあまり気にならない ②温度結果が雰囲気温度との差で35℃以上ある場合は、メッシュを中くらいにして（メッシュ倍率0.5）再解析して結果には5％程度の誤差の可能性を認識。温度差がそれ以下の場合は、そのまま評価可能 ③5％の誤差を小さくして結果を評価したい場合は、メッシュを細（更にメッシュ倍率を0.5）にして解析する

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