Webキャンパス資料 (2013/07/11)
空中超音波解析等に最適!
FEM­外挿法ハイブリッド解析の紹介
伊藤忠テクノソリューションズ株式会社
科学システムサポートチーム
Copyright (c)2013 ITOCHU Techno-Solutions Corporation
本日の説明内容
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ComWAVEの概要および特徴
空中(水中)超音波解析
FEM‐外挿法ハイブリッド解析
解析事例
まとめ
お知らせ
伊藤忠テクノソリューションズ株式会社
1
超音波シミュレーションソフトComWAVETM
ComWAVEは、超音波の見える化により、製品、設備、各種構造物の超音波検査・計測
の最適化、各種超音波装置の設計、超音波計測ノイズの評価など、様々な超音波現
象を評価できます。
溶接部探傷解析
レールの探傷解析
(Bスコープ表示)
超音波洗浄装置
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コンクリート探傷解析
ワイヤーボンダ装置
配管亀裂探傷解析
超音波流量計測解析
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ComWAVEの特徴
1.有限要素法を採用し、超音波伝搬現象を忠実に再現。
2.異方性・不均質性材料を忠実にモデル化。
3.数十億要素の大規模問題への対応によりフル3D超音波解析を実現。
4.Aスコープ、Bスコープ表示機能により、実験結果と容易に比較可能。
5.拡張リスタート機能。
6.プローブ遅延時間自動計算機能。
7.レイリー減衰機能。
8.プローブテンプレート機能により、複雑なフェーズドアレイプローブ
等を容易に作成。
9.モデル作成・表示機能。
10.GPGPUによる超高速計算に対応。
6月のWebキャンパスで
紹介。
11.FEM外挿法JIS試験片テンプレートによるモデル化機能。
12.超音波速度角度依存性入力による異方性材料定義機能。
13.FEM-外挿法ハイブリッド解析機能。
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本日の説明内容
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ComWAVEの概要および特徴
空中(水中)超音波解析
FEM‐外挿法ハイブリッド解析
解析事例
まとめ
お知らせ
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空中(水中)超音波解析(1/2)
• 空中(水中)超音波
– 特長
• 対象物に非接触で超音波を送受信できる。
• 減衰により空中は、水中より遠くまで伝わらない。
(空気中では100m程度、水中では10km程度伝搬。)
• 空気を介した非破壊検査のエコーは微弱なため、大
出力、高感度なセンサ開発が必須。
–例
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コウモリ、イルカのエコーロケーション
自動車等の超音波式バックセンサー
非破壊検査:接触媒質を使えない検査に適している。
超音波診断装置(医療) 等
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空中(水中)超音波解析(2/2)
• 長距離伝搬時のフルFEMモデルの課題
– 送信子、受信子を含めた領域を丸ごと計算しようとすると、超音波伝搬部分
のメッシュも必要なため、計算規模が大きくなり、使用メモリ・計算時間を要す
る計算となる。
– 伝搬距離が長くなるにつれ、数値分散による計算誤差が大きくなり、計算精
度が悪くなる。
数値分散
20λ伝搬後の観測波形
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100λ伝搬後の観測波形
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本日の説明内容
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ComWAVEの概要および特徴
空中(水中)超音波解析
FEM‐外挿法ハイブリッド解析
解析事例
まとめ
お知らせ
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FEM‐外挿法ハイブリッド解析(1/7)
• FEM-外挿法ハイブリッド解析の原理
Step1.FEM計算
音源近傍の媒質中に、音源を取り囲む
仮想的な面(積分面)を設けて、FEM計
算を実行し、振動子近傍の音場を求め
る。
このとき、音源から伝搬した時刻歴波
形を、積分面上の各点で保存する。
Step2.外挿計算
振動子近傍の音場をFEMで計算し、
その結果を元に、遠方領域へ引き継ぐ
音場を、外挿計算により求める。
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Step1で保存した波形が伝搬するもの
とし、ホイヘンスの原理に従って、積分
面上各節点からの寄与を足し合わせ、
任意の遠方領域の音場を求める。
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FEM‐外挿法ハイブリッド解析(2/7)
• 検証計算1:フルFEMモデルとの結果比較
●フルFEMモデル
Step 1
175kHz ウェーブレット3波 λ = 8.6 mm
500
400mm(約47λ) 観測点
φ10mm
縦波音速:1500e3 [mm/s]
水
円形振動子
密度:1e-6 [kg/mm3]
620mm
500
要素サイズ[mm]
0.4
要素数
12億
必要メモリ [GB]
伝搬時間 [μs]
413
計算時間
@4コア計算
40時間
●FEM-外挿ハイブリッドモデル
160
100
積分面
リスタート
領域
640
Step1(FEM)
Step2(外挿)
Step3(FEM):
外挿計算により求めた、遠方領域へ引き
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継ぐ音場を元にリスタート計算を実行。
Step 2
Step 3
0.4
-
0.8
0.4億
-
0.9億
必要メモリ [GB]
2.8
6
6.5
伝搬時間 [μs]
100
100
200
計算時間
@4コア計算
10分
2時間
40分
要素サイズ[mm]
160
Step3(FEM)
要素数が激減
Step 1
230
640
85
CPU:Xeon 3.0GHz
要素数
※対称条件を適用し、1/2モデルで計算。
ハイブリッドモデルでは、途中の超音波伝搬部分
(Step 2:外挿計算部分)のメッシュが不要なため、
メモリ、計算時間を大幅に節約・短縮できる。
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FEM‐外挿法ハイブリッド解析(3/7)
●フルFEMモデル
観測点
●FEM-外挿ハイブリッドモデル
観測点
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フルFEMモデル、ハイブリッドモデルの計算結果
がよく一致しているのが分かる。
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FEM‐外挿法ハイブリッド解析(4/7)
• 検証計算2:長距離伝搬時の計算精度
(500λ)
フルFEMモデル:
100λの長距離伝搬時
に数値分散の影響が
出ていた。
ハイブリッドモデル:
500λの長距離伝搬時
でも、数値分散の影響
が出ていない。
ハイブリッドモデルの利
用により、精度の高い計
算が可能。
参考文献:広瀬、永野、池上「有限要素法による超音波伝搬解析の高精度化」超音波テクノ7-8月号 2012.
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FEM‐外挿法ハイブリッド解析(5/7)
• プロトタイプ画面(1/3)
プロジェクトの種類に、外挿計算
タイプを新しく追加
FEMプロジェクト
外挿計算プロジェクト
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FEM‐外挿法ハイブリッド解析(6/7)
• プロトタイプ画面(2/3)
観測波形を取得する積分面を設定
FEMプロジェクト > 積分面 設定画面
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FEM‐外挿法ハイブリッド解析(7/7)
• プロトタイプ画面(3/3)
外挿先領域を設定
外挿計算プロジェクト > 外挿先領域 設定画面
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本日の説明内容
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ComWAVEの概要および特徴
空中(水中)超音波解析
FEM‐外挿法ハイブリッド解析
解析事例
まとめ
お知らせ
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解析事例:非接触空中超音波(1/3)
Step1(FEM) 100 x 100 x 100 mm
水
空気の泡
40kHz ウェーブレット3波
λ = 8.6 mm
積分面
ボイド
1m (117λ)
Step2(外挿)
リスタート領域
ボイド、空気の泡、
水など
観測面
検査体モデル
貼り合わせた
アクリル板
Step3(FEM) 240 x 240 x 100 mm
Step 1
送信解析
Step 2
外挿
Step 3
反射解析
0.4
-
0.4
1500万
-
9000万
1
2.0
6.3
伝搬時間 [μs]
100
2800
138
計算時間 [時間]
@4コア計算
2分
2時間
1.3時間
要素サイズ[mm]
材料
縦波音速
[m/s]
横波音速
[m/s]
密度
[kg/mm3]
空気
343
-
1.24e-9
水
1480
-
1.0e-6
アクリル
2700
1400
1.2e-6
要素数
必要メモリ [GB]
参考URL:http://www.jma.or.jp/ouen/reading/jpprobe_20110829.html
伊藤忠テクノソリューションズ株式会社
アクリル板 100x100x10 mm
CPU:Xeon 3.0GHz
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解析事例:非接触空中超音波(2/3)
圧力コンター図(上段:平面図、下段:側面図)
空気の泡
平面図:アクリル板の下半分の中央断面
側面図:アクリル板の中央断面
水
観測面
アクリル板
ボイド
t = 2.927 [ms]
伊藤忠テクノソリューションズ株式会社
t = 2.951 [ms]
t = 2.975 [ms]
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解析事例:非接触空中超音波(3/3)
圧力コンター図(上段:平面図、下段:側面図)
空気の泡
空気の泡、ボイドの箇所の圧力が大きく
なっている(赤くなっている)のが分かる。
水
観測面
アクリル板
ボイド
t = 2.999 [ms]
伊藤忠テクノソリューションズ株式会社
t = 3.022 [ms]
t = 3.046 [ms]
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解析事例:イルカのエコーロケーション(反響定位)
200 x 200 x 180 mm
Step1(FEM)
50 m(3378λ)
Step2(外挿)
水中縦波音速:1480 [m/s]
密度:1.0e-6 [kg/mm3]
Step5(FEM)
100kHzウェーブレット3波
λ = 14.8 mm
Step4(外挿)
対象物からの反射波についても、同様に外挿計算することで
(Step 4) 、最終的な受信波形を得ることが可能。
受信波形
Step3(FEM)
800 x 2100 x 750 mm
Step 1
送信解析
Step 2
外挿(往路)
Step 3
反射解析
Step 4
外挿(復路)
Step 5
受信解析
要素サイズ[mm]
1.25
-
1.25
-
1.25
要素数
360万
-
6.5億
-
360万
必要メモリ [GB]
0.3
3
46
16
0.3
伝搬時間 [μs]
100
33780
410
33780
100
計算時間
@4コア計算
1分
2時間
5時間
41時間
1分
CPU:Xeon 3.0GHz
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本日の説明内容
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ComWAVEの概要および特徴
空中(水中)超音波解析
FEM‐外挿法ハイブリッド解析
解析事例
まとめ
お知らせ
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まとめ
• 超音波伝搬部分にメッシュを作らずに、音場および波形を得
ることができる、FEM-外挿法を用いたハイブリッド解析機能
を開発。
• 液体や気体中の超音波伝搬部分にメッシュを作らないため、
メモリおよび計算時間を大幅に節約・短縮できる。
• フルFEMとハイブリッド法を用いた計算結果が良く一致する
ことを確認。
• ハイブリッド法では超音波の伝搬による数値分散の影響を
受けないため、長距離伝搬問題でも高精度な計算が可能。
• ハイブリッド法の利用により、伝搬距離に依存しない大空間
の超音波解析を高精度かつ短時間で計算可能。
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本日の説明内容
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ComWAVEの概要および特徴
空中(水中)超音波解析
FEM‐外挿法ハイブリッド解析
解析事例
まとめ
お知らせ
伊藤忠テクノソリューションズ株式会社
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お知らせ(1/2)
• 次回 Webキャンパス
– 9月5日(木) 15:00-15:30
– 「超音波励振、伝搬、受信までを高精度に解析!
PZFlex と ComWAVE 連携解析の紹介」
– 本日より申込み受付開始!
ctc comwave
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検索
または
ctc pzflex
検索
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お知らせ(2/2)
超音波研究会 開催決定!
今年も CAE POWER 2013 内で開催
– 日時:11月26日(火)
– 場所:東京コンファレンスセンター・品川
– 9月末より受付開始予定
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ダウンロード

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