FUJITSU. 63, 1, p. 95-100 （01, 2012） 95

あ ら ま し

プロダクト製品のQCD（Quality：品質，Cost：コスト，Delivery：納期）の改善のためには，高精度なシミュレーション技術と短期間での結果提示が重要になっている。シミュ

レーションにおいては，モデリング・計算・結果分析に至るまでの処理時間短縮に向け

た取組みを継続し，テクニカルコンピューティング環境での適用を推進している。これ

により，製品開発・設計の加速，製造工程内・顧客先での品質向上を図ってきた。

本稿では，シミュレーションをテクニカルコンピューティング環境で活用する際の工

夫点，CADシステムとの連携，および構造・冷却設計に向けた構造，熱流体の各種シミュレーション適用事例とその効果について紹介する。

Abstract

In order to improve quality, cost, and delivery (QCD) of products, it is important to apply accurate simulation technologies and rapidly output simulation results for the development and design of their structure and cooling. Fujitsu continues to develop simulation technology to shorten the processing time required for simulation modeling, calculations and results analysis. So, it has been promoting the application of simulations in technical computing environments. In this way, Fujitsu has accelerated its product development and design, and improved the quality of products that are in the manufacturing stage and that are being used by customers in the field. This paper introduces points to adjust when applying simulations in a technical computing environment, and the linkage of simulations with computer-aided design (CAD) systems. It goes on to describe examples of applying a variety of structural and thermal fluid simulations in the design of structures and cooling systems, and mentions their effects.

● 山岡伸嘉　　　● 酒井秀久　　　● 石川重雄　　　● 諏訪多聞

構造・熱流体シミュレーションとCAD連携事例

Structural and Thermal Fluid Simulation and CAD System Cooperation

FUJITSU. 63, 1 （01, 2012）96

構造・熱流体シミュレーションとCAD連携事例

ま　え　が　き

サーバ，ストレージシステム，通信機器，パソコン，携帯電話，金融・流通端末などのあらゆるプロダクト製品の開発における構造・熱流体技術の分野でも，シミュレーションソフトの進展と計算機リソースの充実により，シミュレーションが幅広く用いられるようになっている。シミュレーションは，何といっても開発の上流段階からの取組みが重要である。著者らは，シミュレーションが設計に直結するように，ソルバ，ハードウェア，利用技術の面から様々な施策を講じてきた。そして現在，テクニカルコンピューティング環境を活用しながら設計上流でシミュレーションを適用し，開発期間短縮，設計品質向上に努めている。本稿では，シミュレーションをテクニカルコンピューティング環境で適用する際に工夫している点，CADシステムとの連携，および構造・冷却設計に向けた構造・熱流体の各種シミュレーション適用事例とその効果について紹介する。（1）

構造・熱流体シミュレーション事例

本章では，各種構造・熱流体シミュレーションとその効果について紹介する。

ま　え　が　き

構造・熱流体シミュレーション事例

● プリント基板の反りシミュレーションプリント基板は，製造プロセスなどにおいて熱負荷時の膨張によって反りが発生する。電子機器の小型化，薄型化による配線密度の高密度化と薄型化の急進展により，基板の反りは増大する。電子部品を実装する際のはんだ接合部の剥離や断線などの原因となり，この回避のためにプリント基板の反りを低減した設計に向け，配線設計時に基板の反りを事前に数値的に求める必要がある。プリント基板には数千本の配線やビア，パッドなどが存在し，この構造や位置関係を忠実に再現したシミュレーションモデルが必要とされる。反りの原因がプリント基板中の銅密度の偏在であることに着眼し，プリント基板用CADデータからプリント基板中の銅の密度分布を導出し，それに基づき形状を粗視化（ある変数空間で定義された連続的な物理量を，その変数を任意の単位スケールで離散化し，単位スケール内で物理量の平均を取ることで，その物理量そのものも離散化し情報量を減らす手法）した数値シミュレーションモデル化技術を開発した｛図-1（a）｝。（2）

以下は，この技術を適用した実際の携帯電話のプリント基板の反りシミュレーションの一例である｛図-1（b）｝。配線変更とビアの追加により，初期設計時の反りを約3分の1以下に低減することができた。本事例は，テクニカルコンピューティン

FEMメッシュサイズに応じた粗視化

PCB-CADデータ

FEMモデルデータ

構成材料の密度分布

プリント板CAD

粗視化

変換結果

L6層L2層

L1層・・・・・

（a）プリント基板反りシミュレーションの流れ

対策前 対策後：配線変更，ビア追加

（b）プリント基板反りシミュレーションの実例　　（リフロー温度での反り予測）

FEM：Finite Element Method（有限要素法）

図-1　プリント基板反りシミュレーション評価

FUJITSU. 63, 1 （01, 2012） 97

構造・熱流体シミュレーションとCAD連携事例

ンピューティング環境上での計算コストの低減を図った。図-2に示すように，下段シェルフの角部や装置下部の台足取付け部に応力が集中していることが示されている。シミュレーションの結果と筐体材料の物性値を考慮し，使用している板金の板厚や補強構造の見直しを設計に反映した。また試作回数や評価回数の削減にも結び付けている。● 携帯電話端末の落下衝撃シミュレーション携帯電話のユーザ利用時では，特に落下に代表されるような衝撃など過渡的外荷重に対する装置信頼度の確保が求められている。例えば，ケースが丈夫な場合は外力には強いが内部のクリアランスが大きいためにケース内部で衝撃により実装基板が大きくたわみ，サイズの大きい電子部品のはんだ接合部からの剥がれや部品そのものを破損する場合がある。特に，薄型や小型化が進展する実装基板ではそのような問題が起こりやすい。そのため，実装基板については落下衝撃シミュレーションによる詳細な評価が重要となる。

図-3は，テクニカルコンピューティング環境上でのシミュレーションを活用し，携帯電話端末の落下衝撃シミュレーションにより実装基板全体の歪

ひずみ

分布を可視化し，検証を行った例である。（3） テクニカルコンピューティング環境上での計算は4 CPU並列で行い，設計へのフィードバックが行える計算スピードで実行した。シミュレーションモデルの

グ環境上での計算は4 CPU並列で行い，設計へのフィードバックが十分に行える計算スピードで実行した。反りを未然に防ぎ配線設計品質を高めることに貢献している。● スーパーコンピュータの振動シミュレーションサーバやスーパーコンピュータにおいては，高性能化や高密度実装が進展する中で，筺体に使用する材料の最適化や軽量化によるグリーンIT化が進展している。これに向け筺体を含め装置の堅ろう性を高めていくこと，特に最近では装置を地震から守ることが重要な課題となっている。富士通では装置の耐震性を評価するため

1000 Gal，震度6強相当の振動評価を実施している。今般2011年度より稼働開始したスーパーコンピュータ「京」（注）の振動評価基準をクリアするため，設計段階で筐体全体の振動シミュレーションを実施した結果を図-2に示す。部品点数が約5000点を有する動的な振動シミュレーションをテクニカルコンピューティング環境上で行い，共振周波数や応力分布を算出した。テクニカルコンピューティング環境上での計算は8 CPU並列で行い，設計へのフィードバックが行える計算スピードで実行した。シミュレーションモデル化においては，形状修正システムを活用しながらシミュレーションに不要な微細形状を除去し，シミュレーションに最適な形状に修正することで，モデルの肥大化を抑制し，テクニカルコ

（注） 理化学研究所が2010年7月に決定したスーパーコンピュータの愛称。

下段シェルフ角部

台足取付け部周辺（拡大）

台足取付け部

装置断面変形

実装基板の歪分布 大型電子部品近傍の基板歪波形

大型電子部品

最大値

大型電子部品

図-2　地震時のスーパーコンピュータ筺体の応力分布図-3　携帯電話の落下衝撃シミュレーションによる基板

実装部品耐力の評価

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構造・熱流体シミュレーションとCAD連携事例

作成においては効率化のために，外装ケースでは先に述べた形状修正システムを活用し，プリント板ユニットではプリント板CAD上の基板，電子部品の情報を3次元形状に変換しながらCADとシミュレーションソルバ間の連携を図った。最大歪みは大型電子部品の近傍に現れるが，部品の耐力としては問題ないことが確認できた。このようなシミュレーションにより，落下による部品耐力が向上しフィールド品質向上，試作回数や評価回数の削減にも結び付いている。● スーパーコンピュータの熱流体シミュレー

ション電子機器の高性能化に伴い，装置の発熱対策は極めて重要となっている。電子機器の省エネ化を進めると同時に，装置発熱を抑制する技術は環境対応力を直接アピールすることができるためである。一般にサーバやスーパーコンピュータの実装構造は冗長電源・メモリ・CPU・I/Oなどのオプション構成をサポートするため，冷却風の流路には様々なパターンが存在する。どの構造においても最適な冷却空気流を確保するため，設計早期段階から高精度の熱流体シミュレーションの実行が不可欠である。装置全体の一括シミュレーションを高速かつ高精度に行い，サーバやスーパーコンピュータの最適冷却設計を行っている。本事例は，スーパーコンピュータ「京」の冷却構造を対象としたものである。システムボードユニット（幅480×奥行500×高さ44 mm）には，水冷，空冷のハイブリッド冷却を採用している。システムボードは12段重ねでシェルフに高密度に実装され，更に筐体に搭載される。装置内の実装効率を高めるため，図-4（a）のように，シェルフの

両サイド（吸気側，排気側）で空気流が大きく曲がる構造となっており，この部分も含めて，シェルフ全体の冷却状況を検証することを目的に，シェルフ全体の一括シミュレーションを行った。（4）

テクニカルコンピューティング環境上での計算は4 CPU並列で行い，設計へのフィードバックが行える計算スピードで実行した。シミュレーションモデル化においては，形状修正システムを活用しながらシミュレーションに不要な微細形状を除去し，シミュレーションに最適な形状に修正する。これによって，モデルの肥大化を抑制し，プリント板ユニットではプリント板CAD上の基板，電子部品の情報を3次元形状に変換しながらCADとシミュレーションソルバ間の連携をとり，テクニカルコンピューティング環境上での計算コスト低減を図った。解析結果を図-4（b），（c）に示す。システムボードユニット内の空冷部品（主にDIMM：Dual Inline Memory Module）の温度分布が実測とほぼ一致することを確認した。さらに，システムボードユニット内の流路構造を変えることで各システムボード内の風の流れを均一にさせた場合の流路構造を設計にフィードバックすることにより，全部品を許容温度以下に収めることができた。● 粒子法による携帯電話防水封止剤の挙動粒子法とは，物理現象を従来の有限要素法のメッシュではなく粒子によってモデル化するもので，計算領域の密度・圧力などの物理量は近傍粒子によって表現される。この近傍粒子は時間とともに入れ替わるため，粒子法はメッシュベースの手法と比べると変形自由度が高く，粒子分布がどのように変形しても計算を続けられるという特徴があ

DIMMファン

風の流れ

システムボードユニット

ファンユニットシステムボードユニット×12段 システムボード

ユニット外観シェルフ組立

吸気口

排気口空気流空気流

（a）シミュレーションモデル概要（システムボード）

DIMM max.69℃（上限95℃）

（b）風速分布 （c）温度分布

図-4　シミュレーションモデルの概要，およびシステムボードの風速分布，温度分布

FUJITSU. 63, 1 （01, 2012） 99

構造・熱流体シミュレーションとCAD連携事例

な圧力が確保されていることが分かる。今後は今回紹介したシール剤の挙動だけでなく，特にデバイス製品で扱われる柔軟な構造物の挙動を解明し，製造プロセスにおける品質向上に貢献できる事例を積み上げていく所存である。

活動成果と今後の課題

プロダクト製品の具体的な開発，設計課題に対し，シミュレーションの精度とスピードが両立できるように，テクニカルコンピューティング環境とCAD・シミュレーションツール間の連携を活用して大規模計算を実施してきた。開発の初期段階で，理論的な解析をもとにした設計や検証を行うことで，効率的で高品質な装置開発が実現でき，QCDを向上させることに結び付けることができた。今後は，ますます増加する膨大なシミュレー

ション計算量に対応できるように更に集約した計算機リソースをクラウド・コンピューティング環境上で実現すること，超大規模並列計算の実現，それを支えるモデリング技術や検証を行う上でのシミュレーション用モデリングデータや出力結果

活動成果と今後の課題

る。また，メッシュ生成が不要である点も粒子法の特徴である｛図-5（a）｝。（5）

ゴムや粘土など，柔軟体の大変形解析を得意としており，座標を示す点で表される粒子要素のみで計算モデルを表現し大きな変形問題でも破綻なく計算することが可能であることから，従来有限要素法で計算困難であった分野での適用が見込まれる。本事例は，携帯電話端末のフレキ引出部にできる隙間にゲルを詰め込むことで止水できるかどうかをシミュレーションしたものである。フレキケーブル止水部へゲルを詰める際，フレキケーブルとケースおよびケース間ガスケットとの間にできる隙間にゲルが十分入り込めるかと，ゲルの表面に止水に必要な一定値以上の圧力が加わっていることを確認することが目的である。テクニカルコンピューティング環境上での計算は32並列で行い，ゲル状シール剤の挙動解明につながる計算スピードで実行した。解析結果を図-5（b），（c），（d）に示す。止水部断面からゲル状シール剤の正常な充填とフレキケーブルの防水に必要

有限要素法イメージメッシュ点上で物理量を評価

粒子法イメージ粒子の分布で物理量を表現

（a）粒子法の考え方

止水ゲル

ケース間ガスケット

フレキケーブル

止水ゲル

ケース間ガスケット

フレキケーブル

（d）計算結果：フレキケーブル上の圧力分布

ゲル挿入部に一定値以上の圧力が加わっていることを確認。

（c）計算結果：フレキ止水部断面

（b）粒子法計算モデル

図-5　粒子法の特徴と適用事例

FUJITSU. 63, 1 （01, 2012）100

構造・熱流体シミュレーションとCAD連携事例

参 考 文 献

（1） 植田 晃ほか：モバイルパソコン設計へのシミュレーション適用．FUJITSU，Vol.51，No.5，p.324-328（2000）．

（2） 久保田哲行ほか：プリント基板の数値解析におけるモデリング技術の開発．第18回マイクロエレクトロニクスシンポジウム論文集，2008，p.267-270．

（3） 岩渕 敦ほか：シミュレーションの活用による携帯電話端末のTTMの短縮．FUJITSU，Vol.56，No.6，p.598-604（2005）．

（4） 鵜塚良典ほか：グリーンIT化の電源・冷却・筺体技術．FUJITSU，Vol.61，No.6，p.549-554（2010）．

（5） 諏訪多聞ほか：SPH法による表面波伝播解析．第16回計算工学講演会論文集，Vol.16，2011，D-1-3．

データのハンドリングが課題と考える。

む　　す　　び

本稿では，プロダクト製品の設計へのシミュレーション適用事例と効果について述べた。今後も，装置の高性能化，小型化・軽量化は加速し，開発期間の短縮，信頼性の向上が予測される。それに対応するため，高精度かつ短時間で実現するシミュレーション技術の開発と実適用に尽力し，シミュレーションが最適設計のための必要不可欠なツールとなるようにしていく所存である。

む　　す　　び

山岡伸嘉（やまおか　のぶよし）

富士通アドバンストテクノロジ（株）HPC適用推進統括部 所属現在，装置開発を支える機構シミュレーション技術の開発と製品設計適用推進に従事。

酒井秀久（さかい　ひでひさ）

富士通アドバンストテクノロジ（株）HPC適用推進統括部 所属現在，装置開発を支える機構シミュレーション技術の開発と製品設計適用推進に従事。

石川重雄（いしかわ　しげお）

富士通アドバンストテクノロジ（株）HPC適用推進統括部 所属現在，装置開発を支える機構シミュレーション技術の開発と製品設計適用推進に従事。

諏訪多聞（すわ　たもん）

次世代テクニカルコンピューティング開発本部アプリケーション開発統括部 所属現在，粒子法の研究開発に従事。

著 者 紹 介