【構造解析】 Simulation control の設定項目

概要

このページでは、構造解析における Simulation control (シミュレーション制御)について詳しく説明します。構造解析においては、 Simulation control (シミュレーション制御) では主にシミュレーションの時間に関する設定を行います。

解析タイプによって設定項目が異なるため、各解析タイプごとに説明いたします。

Static, linear (線形静解析)

線形静解析における時間の考え方

Static 解析タイプで線形静解析を行う場合 (Non-linear をオフとした場合) の設定を説明いたします。

定義上、線形静解析では、材料特性・境界条件・結果の時間依存性はありません。しかしながら、擬似時間スキームを使用して、1回のシミュレーション実行で複数の荷重ケースを計算することができます。その場合、時間の変数は単に各荷重ケースを選択するために使用されます。

荷重はテーブル入力を用いて時間ごとの値を入力必要します。各荷重ケースは個別の静解析として実行されるため、各荷重ケース間には関係がないことに注意してください。

設定項目

設定項目は以下の通りです。

図1.SimScaleにおける線形静解析の Simulation control の設定パネル

• Pseudo time stepping (擬似時間ステップ)
  • 単一の時間ステップを解くか、時間ステップのリストを解くかを以下から選択します。
    • Single step: 単一の荷重ケースを実行します。
    • Stepping list: 擬似時間変数ごとに設定した荷重ケースを実行できます。

Pseudo time stepping を Single step とした場合:

• Static time steps (静的時間ステップ)
  • どの時間ステップを実行するかを選択します。時間ごとの荷重値の設定を使用しない場合は、デフォルトのゼロとします。

Pseudo time stepping を Stepping list とした場合:

• Simulation intervals: シミュレーション時間
  • 擬似時間変数の終了値。デフォルト値は1です。
• Time step length: 時間ステップの長さ
  • 擬似時間変数の増分値。デフォルト値は0.1です。 Simulation intervals もデフォルト値の1とした場合、0.1、0.2、0.3......と1までの時間値で10ケースを実行することになります。

Static, non-linear (非線形静解析) と Dynamic (動解析)

Static 解析タイプで Non-linear をオンにした場合 (非線形静解析) または Dynamic 解析タイプ (動解析)では 、材料特性・荷重曲線・物理的接触などの非線形性など、1つまたは複数の特性が時間とともに変化することが許容されます。したがって、終了時間や時間ステップ長などの時間積分値を制御する必要があります。

設定項目

SimScaleでは、時間ステップの定義に手動設定のほかに、自動のアダプティブ型時間ステップ定義もご利用いただけます。ここでは、手動と自動のそれぞれの場合に分けて設定項目を説明します。

手動・自動は以下の項目で設定します。

• Time step definition: 時間ステップの定義。以下から選択します。
  • Manual: 手動で定義します。
  • Automatic: 自動で時間ステップが決定されるアダプティブ時間ステップを利用します。

それぞれの場合の設定パネルと項目の説明を以下に示します。

図2.手動(左)と自動のタイムステップ定義による非線形静的シミュレーションのコントロールパネル。

手動の時間ステップ定義

Time step definition を Manual とした場合です。

この設定では、時間の増分ステップはユーザーが設定した一定値となります。荷重や変位の変化に伴う計算結果の変化に対して時間ステップが大きすぎると、計算の収束に問題が生じることがあります。

設定項目は以下の通りです。

• Simulation interval: シミュレーションの終了時間
• Time step length: 時間ステップの長さ
  • シミュレーション時間全体に対して1つの値を指定することもできますが、時間ごとに異なる値を指定することもできます。このためには、表入力のボタンをクリックし、 Specify Value ウィンドウを開きます(図参照)。この表では、各行が1つの時間区間における時間ステップを入力します。図の例では、0.5秒までは時間ステップは0.1秒、0.5秒から1.0秒までは時間ステップは0.5秒になります。
    • t: 各時間区間の終了時刻を指定します。
    • Time step length: 各区間の時間ステップを指定します。

図3: 複数の固定時間ステップ入力のための値指定ウィンドウ

• Automatic boundary condition ramping: オンにすると、境界条件の値を自動でランプアップ（増加）するようになります。
  • 非線形静解析では多くの場合、計算の収束を良くするために、荷重や変位の境界条件について表形式または数式入力して、値を徐々に大きくするように設定します。ここで、境界条件の設定において定数で設定された荷重や変位しかない場合、 この機能を使用すると設定値まで自動で増大させながら計算します。
  • 次の境界条件について適用されます。
    • fixed value, remote displacement, rotating motion, centrifugal force, follower pressure, force, nodal load, pressure, remote force, surface load, volume load, and gravity.
  • Material (材料物性)の設定においてクリープモデルが有効になっている材料が定義されている場合、自動ランプアップは適用されません 。

ご存知でしたか？

時間ステップの長さを手動で指定する場合は注意が必要です。十分に小さくしないと、計算が収束せずに失敗してしまいます。

時間ステップの長さを決定する方法については こちらの記事(英語)をご覧ください。

自動(アダプティブ)時間ステップ

このオプションを使用すると、アダプティブ時間ステップ方式を使用できます。この方式は、エラー・イベントが発生するたびに、現在の時間ステップをより小さな時間ステップに分割します。この方法を用いると、より小さな時間ステップを自動で使用することによってほとんどの収束問題は解決されます。設定項目は以下の通りです。

• Simulation interval: シミュレーションの終了時間
• Maximum time step length: 最大時間ステップ長
  • 時間ステップの細分化が実行される前のシミュレーションに使用される初期時間ステップ間隔。ここでは、手動時間ステップ設定時と同じスキームが使用されます。
• Maximum time step length: 最小時間ステップ長
  • 細分化後の最小許容時間ステップ間隔。ステップカット後にこの閾値を超えた場合、次の' Automatic timestepping lead to a timestep below the minimum threshold ' エラーが発生します。
• Maximum residual: 最大残差
  • ニュートン反復で許容される最大残差。この値を超えると計算発散エラーとなります。
• Retiming event: 時間ステップ再設定イベント
  • 時間ステップの細分化 (subdivision) をトリガーするイベントを選択します。選択可能なイベントとそのトリガーは以下の通りです:
    • Error (エラー) : 発散または行列の特異点
    • Collision (衝突) : 物理的接触状態のオープンからクローズへの変化
    • Field change: 指定した値の変化に対するしきい値を設けます。例えば、変位のX成分が0.1 mより大きい場合など。
    • Non-monotonous residual (非単調残差): 残差が過去3回の繰り返しで減少していない場合。これにより、ニュートンの反復を早めに切り上げて計算時間を節約できます。
• Time step calculation: 時間ステップの計算
  • 時間ステップを細分化する際の計算方法を選択します。 Retiming event の選択によって設定項目は異なります。
  • Manual (手動):
    • Error (エラー)、Collision (衝突)、Non-monotonous residual (非単調残差減少)で使用可能です。現在の時間ステップの長さは、Fixed subdivision セクションのパラメータに従って、等しいステップ数に細分化されます。また、計算時間を節約するために、与えられた状況下では Fixed augmentation セクションで与えられたパラメータに従って、時間ステップ長を拡張し直すことができます。
    • Additional percentage of New Iterations (ニュートン反復の追加割合):
      • 残差が単調減少し、与えられた追加反復回数内で閾値に達すると予想される場合、ソルバーは現在の時間ステップで反復を続けることができます。許容される追加反復回数は、 Numerics で指定された最大ニュートン反復回数に対するパーセンテージで表されます。
    • Fixed subdivision (時間ステップ細分化パラメータ)
      • Number of subdivisions (分割数): 現在の時間ステップからの等分割数。
      • Maximum subdivision depth (最大細分割深さ): 細分割の最大回数。
    • Fixed augmentation (時間ステップ拡大パラメータ)
      • Newton iteration threshold (ニュートン反復の閾値): 時間ステップの拡大をトリガーする基準。ある時間ステップにおいて、このパラメータより低いニュートン反復回数で収束が達成された場合、その時間ステップは拡大されます。
      • Time step augmentation: 時間ステップの拡大割合を指定します。例えば、デフォルト値の100%では、時間ステップは2倍になります。
  • Newton iteration target (ニュートン反復によるターゲット設定):
    • Error (エラー)、Collision (衝突)、Non-monotonous residual (非単調残差減少)の場合に使用できます。最後の時間ステップの残差変化に基づいて、収束までにニュートン反復の目標値を達成するために必要な時間ステップの長さをソルバーは推定します。
      • Value: 反復回数の目標値を設定します。
  • Field change target:
    • Field change を設定した場合のみ使用可能です。最後の時間ステップの解析値の変化に基づいて、目標とする変化量を達成するために必要な時間ステップの長さを推定します。
  • Mixed:
    • Field change を設定した場合のみ使用可能です。 Manual と同様に、細分化数 (Number of subdivision) を指定します。拡張された時間ステップは、目標となる変化量を達成するためにソルバーによって推定されます。
• Automatic boundary condition ramping: オンにすると、境界条件の値を自動でランプアップ（増加）するようになります。
  • 非線形静解析では多くの場合、計算の収束を良くするために、荷重や変位の境界条件について表形式または数式入力して、値を徐々に大きくするように設定します。ここで、境界条件の設定において定数で設定された荷重や変位しかない場合、 この機能を使用すると設定値まで自動で増大させながら計算します。
  • 次の境界条件について適用されます。
    • fixed value, remote displacement, rotating motion, centrifugal force, follower pressure, force, nodal load, pressure, remote force, surface load, volume load, and gravity.
  • Material (材料物性)の設定においてクリープモデルが有効になっている材料が定義されている場合、自動ランプアップは適用されません 。
• Write control definition: 結果出力の時間ステップを設定します。利用可能なオプションは以下の通りです。
  • Write interval (出力間隔): 何ステップおきに出力するかを Write interval 値で指定します。
  • All computer (すべての計算ステップ): 細分化によって生成されたものも含めて、計算されたすべての時間ステップが出力されます。
  • Initial time step (初期時間ステップ):  Maximum time step length で指定された時間ステップと同じになります。
  • User defined (ユーザー定義): ユーザーが出力時間ステップを Write increment で[s]で指定できます。

Heat transfer (熱伝導解析)

伝熱解析では、線形、非線形を問わず、定常状態が仮定されます。

なお、熱解析で設定できる唯一の非線形性は、境界条件と材料特性の温度依存性です。

Thermomechanical (熱応力解析)

熱応力解析では、熱伝導解析と構造解析を続けて行います。まず温度場が計算され、次に構造解析のための熱膨張ひずみが計算されます。 Simulation control の設定項目は、 Static (線形解析)、 Non-linear (非線形解析)、Dynamic (動解析)などのグローバル設定で指定する解析の種類によって異なります。

Frequency (固有周波数解析)

固有振動数を求めるにあたって、探索方法を指定できます。

• Eigenfrequency Scope (固有振動数範囲)
  • First modes: 低周波から高周波の順に探索していき、何番目まで計算するか指定します。
    • Number of modes:  求めるモードの数
  • Frequency range: 周波数のレンジ。指定した周波数レンジ内のすべてのモードが探索され計算されます。
    • Start frequency: 開始周波数
    • End frequency: 終了周波数

図4: 周波数解析のシミュレーションコントロールパネル

Harmonic (周波数応答解析)

Numerics で Simulation method (シミュレーション方法) を Direct (直接法) と Moda-based (モーダル法) とした場合で Simulation control の設定項目が異なります。

Direct (直接法)

2種類の励起周波数の与え方があります。

• Excitation frequencies (励起周波数):
  
  • Single frequencies: 単一周波数を指定します。
    • Frequency: 指定する周波数を設定します。
  • Frequency list (周波数のリスト): 周波数のレンジを指定します。
    • Start frequency: 開始周波数を指定します。
    • End frequency: 終了周波数を指定します。
    • Frequency stepping: 周波数の間隔。なお、規則的でないステップを指定したい場合は、テーブル入力を使用して周波数ステップのリストを指定することができます。

図5: Harmonic の Simulation control の設定パネル

図 6: 可変周波数ステップ入力の値指定ウィンドウ。

表オプションを使用する場合、連続する各行は周波数サブ範囲を定義し、区間の終了周波数は f 列で指定され、周波数の間隔は Frequency stepping列で指定されます。

Modal-based (モーダル法)

リリース直後の機能のため、現在ドキュメント整備中です。ご迷惑をおかけいたします。