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Simulation CFD / Simulation Mechanical アプリケーションケーススタディ

岩本康栄製造ソリューションデジタルシミュレーション

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シミュレーション概要製品開発プロセス

物理テスト

シミュレーションプロセス

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製造パーツ

組立

テスト:

成功または

失敗?

失敗: 設変

製品開発開始

• 製品スペック

• マーケティング &

セールスニーズ

コアソース

コンポーネント

• スペックを満足

• コスト

• リードタイム

パッケージ

コンポーネント

• “パッケージ内のすべての情報を入手”

• “エンベローブ” ないで設計

• コンポーネントの関係を確認

設計完了

• 詳細図面

• 製造に転送

製品開発プロセス

製品生産

試作サイクル

デジタル

プロトタイピング

の組込み

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物理テスト

最終的な定量データの供給

正確なオペレーション性能

コスト

時間

リソース

価値; ただし限定されたもの, 例えば:

流れ再循環部が可視化できない

スモークテスターや製品コンポーネントのみ分かること

シミュレーションは物理テストをなくすというよりは試作回数を減らすという考え方で

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アップフロントシミュレーション

2D で解析

パラメータの確認

修正インパクトの評価

OKまたはNG

徐々に複雑に

3Dで現象を評価

問題解決により設計の確証を得る

設計検証完了

シミュレーションプロセス

現在の

ステージ

コンセプト

アイデアプロジェクト

完了

• これまでの設計検証

– 専任の解析者

– 詳細設計後のCADモデル

– 設パラメータスペックを満たさない場合

– リコール

– 設計出戻り

– より多くの試作

これまでの

検証ステージ

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シミュレーションの適用分野

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シミュレーションの適用分野 (一部)

自動車・輸送機器

コンシューマーエレクトロニクス・

電子機器

LED・照明機器

ポンプ・バルブ・流体制御装置

加熱 / 冷却 / 混合など各種デバイス装置

熱交換器

外部流れ

建築構造・耐震・免震

HVAC・建築設備・工場レイアウト

データセンター

バイオ・医療・計測機器

産業機械・建設機械

回転機械

駆動装置の振動・疲労

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•防衛 / 軍事

•テレコム / ネットワーク

•半導体設計 / 製造

•航空宇宙

•自動車

•コンシューマー

•産業機器

•医療機器

•日射

•伝導-冷却

•自然 / 強制対流

•コンポーネント, ボード, システムレベル

コンシューマーエレクトロニクス・電子機器

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•バルブ

•マニフォールド

•オイル / ガス

•自動車

•産業ツール

•コンシューマー製品

•医療デバイス

• HVACシステム

•工場廃水

•エロージョン/キャビテーション

•駆動・モーション

ポンプ・バルブ・流体制御機器

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•自然換気

•強制換気

•熱的快適性

•放射加熱/冷却

•汚染物質除去

•温度成層

•煙排出

•排気効果

•風/伴流パターン


連成解析

メッシュディフューザー

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•非線形解析

•機構 - 構造連成

•アセンブリ接触解析

•振動・応答解析

•複合材料

•落下テスト

•疲労解析

http://www.applycon.com/examples/vibration/

http://www.applycon.com/examples/vibration/

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コンシューマーエレクトロニクス・電子機器

(Simulation CFD – 基礎編)

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ルール 1: まず簡単なモデルでシミュレーションを開始し、必要に応じて徐々に詳細&複雑な設定に移行する。

設計プロセスにおけるアップフロントシミュレーションの組込み

詳細モデリングが完了する前段階で適用

簡単に結果を確認する上で2D解析も検討!!

全体のコンポーネント特性

o 3Dジオメトリ

oデフォルト材料データベース

徐々に詳細設定を進める

コンポーネント数&詳細形状を増やしていく

カスタム材料物性値を設定

サーフェス接触 / 表面処理部の考慮

...etc.

ベストプラクティス – 全般

ここから開始しない!!

2Dで開始

徐々に忠実な形状へ

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モデル化 - 2D解析

X-Y平面における断面形状

Z=0!

メッシュ

均一メッシュ

細かいメッシュ数で

メッシュ感度確認

反復回数を多めに

収束感度の確認

複数コンフィギュレーションにて

シミュレーション!!

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複数のサーフェスボディ

必要なすべてのコンポーネントをすべてモデル化

自動流体ボリューム作成なし

アセンブリまたはマルチボディパーツ

4

2

5 3

1

CAD

流速結果温度結果

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CADモデルはシミュレーションのための基本構成ブロックとなる

シミュレーションのために形状を最適化!!

仮定&変更の適用

アップフロント解析

CAD形状をなるべくシンプルに、シミュレーションのための最適化

詳細検証解析:

CADモデルが複雑、製造前の設計データおよび簡略化が必要な場合

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アセンブリまたはマルチボディパーツ

マルチボディパーツ利用もあり!! なぜ?

利点

外部参照パーツの管理はより複雑 vs. 内部参照

フィーチャー参照における柔軟性

より尐ないパーツファイルの管理

アセンブリコンポーネント拘束必要なし

欠点

アセンブリ / サブアセンブリ構造情報はロスト

シミュレーションでのパーツ名がボディの名前から転送されないケースあり

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モデル化 - 3D解析 (干渉部分の除去)

干渉部分において小さなボリュームやサーフェスが作成される場合がある

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(シミュレーションのための最適化 – 小さな面)

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(シミュレーションのための最適化 – 小さな面に対する

メッシュの影響)

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モデル化 - 解析領域 (入口および出口)

流体出入口ボリュームの拡張

十分に発達した流れの構築

計算安定性の改善

結果の改善

ガイドライン

ヘルプシステム

大雑把な目安

経験則

http://wikihelp.autodesk.com/jpn

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材料 - サーフェス材料?

1 mm 以下のコーティング材料または薄板材料はモデル化しない

サーフェスパーツの使用

塗装は放射率のみでコントロール (サーフェスパーツ必要なし)

抵抗モデルに有効!!

メッシュ数をより削減 (内部の要素が不要!!)

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材料 - 抵抗

数学的には複雑な構造のモデルを作成することなく、抵抗を引き起こすようなモデルとして考慮される

ポーラスメディア、フィルター

複数パイプ配管による抵抗

グリルメッシュ、ベント

開口率 (OAR)

抵抗係数 (K)

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材料 - ファン&ブロワー特性

ノードを

共有しない!

拡張部

1 1 2

発散

解決策:

ファン

入口および出口側に

ハブ&空気ボリューム

を作成

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材料 - 固体空気材料

対流 / 流体の移動が無視される熱伝導のみの計算の場合

メッシュエンハンスメント(境界層メッシュ)不要

小さな隙間部において有効

閉空間でシールされている領域

対流がほとんどない

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材料 - 環境設定

材料の密度を一定または可変に設定するシナリオの環境設定

圧力または温度依存の材料密度に対して、固定(密度は変化させない、強制対流および非圧縮性流れ)または可変(材料設定のとおり密度を可変させる、自然対流または圧縮性流れ解析の場合)

各環境設定に対する新規材料の作成は必要なし

材料環境

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材料 – 材料設定のまとめ

デフォルトデータベースの材料から開始

各種デバイス材料の設定 (ファン、抵抗、CTM他)

サーフェス材料

固体空気

環境設定

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境界条件 – 全般

流れ入口および出口を考慮

流れおよび/または伝熱

なにも設定のない外部サーフェスは断熱として考慮される

過剰に拘束しない

流体の入口または出口には、流量または圧力または流速

𝑉 = 𝑣 ∗ 𝐴、Aは一定、𝑉 および 𝑣 の両方を入力すると解けない!!

質量流量バランスを強制しない、質量流量バランスは計算によって求められる

入口流量および出口流量の両方を定義しない

流量と出口圧力(またはその逆)を定義

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メッシュサイズ – 全般自動サイズで設定およびシミュレーション

ジオメトリキャプチャー

メッシュ形状が入力形状とどの程度異なっているか確認

円弧は要確認!!

入口および出口サーフェスの領域が適切にキャプチャーされているか

STOP

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メッシュ - デバイスパーツに対するメッシング

均一メッシュを使用

均一な分布要素で

必要に応じて内部のノードを再分割

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メッシュサイズ – 詳細コントロール

アドバンストメッシュ設定

ギャップ再分割はヒートシンクや狭い流路等に有効

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ソルバー - 計算実行

ソリューションコントロール

ファンに対して緩和係数

物理特性

流れ、伝熱、流れ計算後に伝熱計算

乱流

デフォルト

自然対流のみ例外

混合長さ

収束

自動停止にはせず各変数の振幅が小さくなるまで!!

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結果 – 全般

結果可視化およびデータ取り出し

ディシジョンセンターの利用!!

比較結果の可視化およびクリティカルな値

ビューのリンク & 複数ビューポート表示

プロットレンジを一致

等値面

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ベストプラクティス - サマリー

CADモデルがシミュレーションのベース

最初はなるべくシンプルに

設定ワークフロー (上から下に、左から右へ)

デフォルトでスタート

過剰に境界条件で拘束しない

徐々に複雑、詳細に

結果比較はディシジョンセンター

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ポンプ・バルブ・流体制御機器

(Simulation CFD – アプリケーション編)

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混合器解析事例

混合ミキサー

NaClO(次亜塩素酸ナトリウム)

による消毒

低濃度

<5ppm

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3つのデザイン案

左が現行デザイン

右上がブレードが全体的に45°回転され、チューブが拡張されたもの…変更されたデザインの結果を見て初めては“まだ改善の余地”があることが分かった。

右下 – 2枚のブレードを完全に対称にした場合

非表示 –拡張されていないチューブ部分

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初期のデザインは非常に不十分な混合

一方に傾いたデザインが旋回流を引き起こしているが、NaClOの吹き出しが下流部で十分に混合されていない

対称のミキサーデザインがベスト、ただしチューブの拡張によってさらなる混合が期待できる..

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右側2つのデザインにおい

て、再循環部分が違いがわずかにみられ、より早い段階でNaClOの混合を引

き起こし、出口でのより良い混合を導いている。

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ベストプラクティス – 混合 – サマリー

スカラー混合解析

最初の混合するポイントでより細かなメッシュ必要

ADV5を推奨

2013新バージョンより追加

コンターのレンジを見やすくするために、混合される流体コンポーネントをスカラー 1とする

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ベストプラクティス – キャビテーション

V字カットバルブ

バルブ開口時に負圧領域によって引き起こされる

開口時の挙動およびキャビテーションの影響が検証可能

http://www2.kanazawa-it.ac.jp/sato/cavi.htm

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ベストプラクティス – キャビテーション

左 – 流速

右 – キャビテーション領域

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ベストプラクティス – キャビテーション – サマリー

圧縮性

キャビテーションモデルをオン

モーション解析の場合

定常解析後の結果より非定常解析実行

内部反復数1

モーションをキャプチャーするために時間ステップを小さく

モーション部分の領域により細かなメッシュ

予測されるキャビテーション領域により細かなメッシュ

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ベストプラクティス – エロージョン

流体制御バルブ

流体における砂粒のような表現がエロージョンで、これによりバルブ内壁が浸食される(蒸気管の凝縮ドレンによる高速水滴の衝撃による配管浸食)

適切な材料選択や管厚みに対してエロージョンの影響を確認できる

http://www.tlv.com/ja/steam_story/1006erosion.html



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ベストプラクティス – エロージョン

通常と同様に流れ解析

ポスト処理における質量粒子設定によりエロージョン結果表示が可能

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ベストプラクティス – エロージョン – サマリー

アダプティブメッシュ

必須ではない、ただしより詳細な結果が必要な場合

Default_trace_multiplier

フラグ

各アプリケーションにおいてより適切な粒子サイズにて設定を保存

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ベストプラクティス – ポンプカーブ

流れ性能、特にポンプ設計の効率を決めるために必要

pump automationアドインを使って自動計算

シナリオセットアップ

抱いた出力

手間なく計算

SimCFD360のマルチジョブ同時計算が有効

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ベストプラクティス – ポンプカーブ

pump automationアドインが非常に有効

時間ステップに対して3°刻み、10-20回転分の計算を推奨

ポンプカーブを完全自動で出力

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ベストプラクティス – ポンプ – サマリー

メッシュ

自動サーフェス再分割

時間ステップ当たり3°刻み

Sim360の利用で、回転機械設計自動化

ADV5

ほとんどの解析において実用的

ポンプの計算の場合、ADV5がより早く収束するように思える

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(Simulation CFD – アプリケーション編)

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グリーンビルのマーケットニーズが増加

建築設計者の55%およびエンジニアの36%がグリーンプロジェクトのメイン領域で業務を行ったことが報告されている

世界的に需要が急増中

建築設備 - 最近のトレンド (エコ / 省エネ / 効率)

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工場レイアウト : 最近のトレンド

ほとんどのプラント/工場の建設 >20年以上前

3D / シミュレーション等はまだあまり使われていない – 経験則が使われている

重要な過去データ

EPA (環境保護庁) レギュレーションが強制的に増加

$600M の除去装置

数ミリオンUSD単位での罰金

操業停止

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採算性:工場における換気システムの需要に

おいて、電力削減が68%まで到達2

1. Source: National Institute of Standards and Technology

2. Source: http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01998590709509499#preview

3. U.S. Energy Information Administration

4. http://mhlnews.com/news/Energy_Reduction_is_Industrys_Cost_Cutting_Priority_0906/?NL=QMN-01&Issue=QMN-01_20120906_QMN-

01_196&[email protected]&YM_MID=1337808

リスク軽減: 米国では年間$31Bを超えるお金が工場汚染コントロールに費やされている1

さらなるインダストリービジネスチャレンジ

エネルギー: 産業セクターで全放出エネルギーの1/3が消費されている3

HVAC: HVACオペレーションおよびシステムにおける基本的な改善によって、エネルギー支出の平均11%が削減できる4

http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01998590709509499

http://www.eia.gov/

http://mhlnews.com/news/Energy_Reduction_is_Industrys_Cost_Cutting_Priority_0906/?NL=QMN-01&Issue=QMN-01_20120906_QMN-01_196&[email protected]&YM_MID=1337808







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デジタルファクトリーにおけるシミュレーション

EPA (環境保護庁) / OSHA (労働安全衛生法) 要求を満たす

制御された / 一時的エミッション(放出)

2次汚染軽減

温度コントロール

エネルギー消費を削減

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ワークフローデモンストレーション

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カスタマー成功事例| SNC Lavelin Emission control systems optimized with CFD

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ROI

電力コスト >$1,000,000/月!

15%まで削減 = $1.8M 前年度比

機械, 製造, または化学プロセス等のより良いコントロール

品質向上

有害プロセスにおける安全性の改善

障害削減

工場からの有毒ガスによる呼吸器障害で、中国では毎年700,000人が死亡

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(Simulation Mechanical – アプリケーション編)

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ヘキサ - ドミナントソリッドメッシャー

ソリッドメッシュオプション:

• ブリック＆4面体

• すべて4面体

• 4面体およびウェッジ(境界層)

• ブリックおよびウェッジ(薄肉部品の層状メッシュ)

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Simulation Mechanical (すべてソリッド) マニュアルメッシュ (ソリッド & シェル)

要素数 211,687 105,249 (62,015 – 43,234)

メッシュ作成時間 1h 20min 1.5 Month / 2人

マニュアルメッシュ

ソリッド & シェル要素

Autodesk Simulation Mechanical自動メッシュ

自動ソリッド要素 (ハイブリッドメッシュ : ブリック & 4面体)

自動ハイブリッドメッシュ ( ブリック & 4面体要素)

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パワフルなシェルおよびソリッドメッシャー

http://dfabnus.files.wordpress.com/2010/02/picture-1.png

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薄肉ソリッドパーツにおける自動シェルメッシュ

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混合要素メッシュ

3D ソリッド

要素

利点:

• クリティカルな部分に対して詳細の挙動をキャプチャー

• 周辺構造の影響/剛性を含める

• ボルト、リベット、溶接のような結合部のモデリングを許容

ビーム

要素

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混合要素メッシュライン要素

ビーム要素

ギャップ要素

剛体要素

バネ要素

トラス要素

サーフェス要素

2D要素

薄膜要素

平面要素

厚板複合要素

薄板複合要素

3Dソリッド

要素

シェル要素

ビーム要素

ソリッド要素

ブリック要素

4面体要素

境界層要素

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材料モデルの幅広い選択肢

• 弾性体材料

• Plastic

• Variable tangent

• Curve description

• Curve description with cutoff tension

• Drucker-Prager

• 等方硬化性フォンミーゼス材料

• von Mises with kinematic hardening

• von Mises curve with isotropic hardening

• von Mises curve with kinematic hardening

• Temperature-dependent orthotropic

• Thermoelastic

• Thermoplastic

• Viscoelastic (thermal-creep)

• Viscoplastic (thermal-creep)

• 超弾性材料 (2, 5 および 9 拘束)

• Ogden (1st - 6th order)

• Blatz-Ko (thermal and finite-strain

viscoelastic)

• Hyperfoam (1st - 6th order)

• Linear elastic isotropic

• Linear elastic orthotropic

• 線形温度依存等方性

• Linear temperature-dependent orthotropic

• Gasket (geometrically linear and nonlinear)

• Piezoelectric

• General piezoelectric

• General piezoelectric temperature-dependent

anisotropic

• Anisotropic

• Temperature-dependent composite

• 複合ラミネート材料 Arruda-Boyce (thermal and finite-strain

Viscoelastic)

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流体 – 構造連成

流体圧力結果に基づく構造解析

Autodesk Labs のProject Hydraをチェック!!!

../../../Videos/Algor/CFD/Solar Panel 3D Streamlines symmetric volume.avi

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サマリー

• 建設分野での解析テクニック

• Detailed models with part simplification

• Bolt wizard

• Welding

• MES(メカニカルイベントシミュレーション)を使った構造架設解析

• 混合モデリング

• 既定の変位

• Simulation 360 計算パワーの利用

• 最適化および疲労解析

• Project Hydra

• 応力 vs. ひずみ疲労

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その他 AU での多くの事例…

Autodesk Universityサイトより資料ダウンロード

handout_2896_SM2896.pdf






http://au.autodesk.com/?nd=au_las_vegas

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