2014 Fiscal Year Research-status Report
粒子法と有限要素法を組み合わせた強非線形流体・構造連成解析法の構築
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26630454
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
橋本 博公 神戸大学, 海事科学研究科(研究院), 准教授 (30397731)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 粒子法 / 有限要素法 / MPS法 / SPH法 / 流体・構造連成 / 強非線形流れ / 弾性構造応答 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
海水打ち込みや砕波などの強非線形流れと構造物の動的応答を連成させて解くため、粒子法と有限要素法（FEM）を組み合わせた強非線形流体・構造連成解析手法の構築を行った。強非線形流れの解析には半陰解法のMPS法、構造物の弾性応答解析には陽解法のFEMを用いることで、各タイムステップで反復計算を要することなく安定した時間発展が可能であることを確認した。
流体・構造間の情報伝達に関しては、MPS法側では構造物の変形を移動物体境界として考慮し、陰的に時間発展させることで流体の流れと圧力場を計算する。FEM側では各接点に対して圧力場から重み平均値として得られる圧力を荷重として作用させ、陽的に時間発展させることで構造物の変位を得ることができる。
構築したMPS/FEM連成解法について、弾性板へのダム崩壊流の衝突問題に関する実験結果と数値計算結果の比較により、強非線形流れと弾性構造体との連成問題に適用可能であることが確認できた一方で、流体・構造ソルバー間のタイムステップが3桁程度異なることが判明した。そこで、課題遂行のための選択肢を増やすべく、陽解法型の粒子法と陰解法型の有限要素法の組み合わせについても検討することとした。陽的粒子法であるSPH法に着目し、GPGPU対応のオープンソースであるDualSPHysicsを船舶への海水打ち込み問題に適用し、拘束模型実験、自由動揺計測実験との比較を行った。その結果、甲板への海水打ち込みを伴う水波と船体の相互作用を高精度に再現できることが判明した。これはDualSPHysicsが演算処理にGPUを利用しているため、単一のGPUでも数千万粒子まで取り扱えることによるところが大きい。
次年度はMPS/FEM連成解法への構造非線形性の考慮、SPH/ FEMの構築を通じて、強非線形流体・構造連成解析手法としての確立を目指すことが望まれる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度は半陰的MPS法と陽的FEMを組み合わせた強非線形流体・構造連成解析手法を構築すべく、コーディングを行った。構築したMPS/FEM連成解法の妥当性について、ダム崩壊流と弾性板の2次元相互干渉に関する模型実験との比較を行い、強非線形流れと弾性応答を定性的に再現可能であることを確認した。当初の研究計画ではMPS/FEMの組み合わせについてのみ検討を行う予定であったが、流体・構造ソルバー間のタイムステップの桁数が大きく異なることが判明し、この問題が今後の課題遂行に支障となる可能性を懸念して、陽解法型の粒子法と陰解法型の有限要素法の組み合わせについても新たに検討することとした。その結果として、MPS/FEM連成解法への幾何学的非線形、材料非線形の組み込みが未着手となっている。
陽的な粒子法としてSPH法に着目し、船舶工学分野における強非線形流れの問題のひとつである波浪中の海水打ち込み解析への適用を試みた結果、SPH法の有用性自体は確認されたが、陰的FEMとの連成部分のコーディングについては時間不足のため未着手となっている。
以上より、当該年度の計画に対して研究がやや遅れているものと判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
構築したMPS/FEM連成解法について、流体、構造の各ソルバー自体は3次元対応プログラムであり、実問題への適用という観点からも、今後は3次元の強非線形流体・構造連成問題について精度検証を行っていく必要がある。砕波寸前の水波と大変形する低剛性構造体との相互干渉計測など、本課題に特化した検証用模型実験の実施が望まれるため、効果的な検証実験の計画と実施が重要となる。計算手法の妥当性の検証という意味では、大局的な流体運動や構造変位に関する比較だけにとどまらず、局所圧力値の比較や流体・構造間のエネルギー保存などに関しても調査を進める必要がある。また、幾何学的非線形や材料非線形の考慮が計算結果に及ぼす影響について、問題に応じて段階的に明らかにしていくことも重要である。
SPH/FEM連成解法については、GPGPUに対応した陰解法FEMのコーディングを行い、2次元ダム崩壊流の弾性板への衝突問題についての精度検証を実施する中で、MPS/FEM連成解法との差異についても明らかにする予定である。
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| Causes of Carryover |
少額であり次年度に繰り越す方が有効に活用できると考えたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
物品費等の一部として使用を予定している。
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