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幾何マルチグリッド法による非構造人体解析の高速・高精度化の研究

研究課題

研究課題/領域番号 20J15006
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分60100:計算科学関連
研究機関宮崎大学

研究代表者

野村 政宗  宮崎大学, 農学工学総合研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード数値人体モデル / 静電界解析 / 階段近似誤差 / メッシュスムージング / マーチングキューブ法 / 幾何マルチグリッド法 / 混合要素有限要素解析 / ラプラシアスムージング
研究開始時の研究の概要

人体モデルの階段近似に起因する電流密度解析における電界の過大評価を緩和するため、境界を滑らかにするマーチングキューブ法を応用したメッシュスムージングの開発を数値解析プラットフォームであるUG4をもとに行う。また、本手法によって、増大した計算時間に関して、代数マルチカラーオーダリングなど、UG4の主要なソルバである幾何マルチグリッド法を並列化させる手法を取り入れる。トレードオフの関係であった人体解析の計算時間・解析精度について、2つの手法を取り入れることで、高精度・高速化を両立する数値解析を目指す。

研究実績の概要

特別研究員1年度では、ボクセル数値人体モデルをもちいた接触電流密度解析において、異材境界に現れる電界強度の過大評価を緩和させるため、マーチングキューブ法に基づくメッシュスムージング機能の開発を行い、簡単な球体モデルを用いて精度評価を行った。解析結果より、電界強度の過大評価を緩和させることができていることを確認したが、スムージングする箇所においては、電界強度緩和の度合が小さいことが分かったため、さらにマーチングキューブ法によるメッシュスムージングの上から、ラプラシアスムージングによるメッシュスムージングを適用する2段階スムージング機能の開発を行った。開発した2段階スムージング機能を球体モデルに適用し、精度評価を行った結果、1段階スムージング(マーチングキューブ法)よりも、電界強度の過大評価を緩和させることができた。次に、数値人体モデルの一部に2段階スムージングを適用し、開発した混合要素メッシュに特化した幾何マルチグリッド法と前処理付きCG法(ILUCG)を用いて、細分化モデルごとの収束性、計算時間の観点で性能評価を行った。結果的に、開発した幾何マルチグリッド法を用いることで、前処理付きCG法よりも、良い収束性、計算時間で解析を行うことができた。しかしながら、2段階スムージング機能を適用したモデルについては細分化したモデルでは一部解けない問題があることが分かった。最後に数値人体モデル全体の数値解析を行った。結果、2段階スムージングモデルは解くことができなかったが、1段階スムージングモデルでは解くことができた。特に、幾何マルチグリッド法を用いることで、ボクセルモデルでは解けなかった幾何マルチグリッド法が、メッシュスムージングを用いることで解くことができ前処理付きCG法よりも高速な計算時間で、かつメッシュスムージングが線形代数ソルバでいう前処理のような役割を果たすことがわかった。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Contact Current Density Analysis Inside Human Body in Low-Frequency Band Using Geometric Multi-Grid Solver2020

    • 著者名/発表者名
      M. Nomura, Y. Nakamura, H. Tarao, A. Takei
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Electronics

      巻: E103.C 号: 11 ページ: 588-596

    • DOI

      10.1587/transele.2019ESP0009

    • NAID

      130007933909

    • ISSN
      0916-8524, 1745-1353
    • 年月日
      2020-11-01
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Geometric Multi-Grid Method for Accurate and Fast Electrostatic Analysis with Unstructured Numerical Human Body Model2021

    • 著者名/発表者名
      Masamune Nomura
    • 学会等名
      COMPUMAG2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 数値人体モデルのメッシュスムージングと幾何マルチグリッド法による非構造静電界解析2021

    • 著者名/発表者名
      野村政宗
    • 学会等名
      電子情報通信学会研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Accurate and Fast Electrostatic Field Analysis with Unstructured Numerical Human Body Model Using Parallel Geometric Multi-Grid Method2021

    • 著者名/発表者名
      Masamune Nomura
    • 学会等名
      JSST2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 非構造格子を用いた大規模静電界人体解析に対する幾何マルチグリッド法の適用2021

    • 著者名/発表者名
      野村政宗
    • 学会等名
      日本機械学会 第34 回計算力学講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] マーチングキューブ法を応用したメッシュスムージングによる人体内高精度電界解析2021

    • 著者名/発表者名
      野村政宗
    • 学会等名
      第33回「電磁力関連のダイナミクス」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] マーチングキューブ法を応用 したメッシュスムージングによる人体内電界解析の高精度化2020

    • 著者名/発表者名
      野村政宗、武居周
    • 学会等名
      大規模電磁界数値解析手法に関する研究シンポジウム(LSCEM2021)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 数値人体モデルにおける階段近似誤差緩和のためのマーチングキューブ 法を応用したメッシュスムージング2020

    • 著者名/発表者名
      野村政宗、武居周
    • 学会等名
      電子情報通信学会研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Improvement of the Accuracy for the Electric Field Analysis by Contact Currents inside a Human Body Using the Marching Cubes Algorithm in a Low Frequency Domain2020

    • 著者名/発表者名
      NOMURA Masamune、NAKAMURA Yuki、TARAO Hiroo、TAKEI Amane
    • 学会等名
      CEFC2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 数値人体モデルにおける階段近似誤差改善に向けたマーチングキューブ法に基づく メ ッシュスムージング2020

    • 著者名/発表者名
      武居周、野村政宗
    • 学会等名
      Magda2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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