使いこなさない、使えるCAEのブログ -23ページ目

グダグダなので整理 まだまだ偏微分を…

偏微分が一番厄介そしてCAEにおける最重要ポイント CAEが飛躍できない最大原因でもあり。
昨今のブログ内容は、その偏微分の説明が、グダグダであります。
なので整理。それがまた簡単でもないので・・・

要素内における歪(ε)を一次式にするため
二次式の内挿函数を利用する それが、三角や四面体要素です
四辺形や六面体要素は、要素の辺におけるε(∂u/∂x等の偏微分成分)を差の計算から直節的に求めて、歪分布を補間計算。内挿函数不要。


●偏微分は、直角直線方向の差の計算。テクニック類を使うと、直角直線の数値合成計算になり、精度悪化を招く。
★完全な直交格子以外は、幾何偏微分は全て合成計算で、最高精度にならない。
(直角の位置関係にない情報を元に、直角の計算を(合成的に)行なう)

●歪や応力を、【Ⅰ】数式の偏微分で計算するか、【Ⅱ】変位差を距離で割って計算するか
前者は、数式の信頼性(数式の信頼性と係数算出の計算誤差) 
後者は、要素の直交性の影響を受ける
●【Ⅰ】は、二次内挿関数の信頼性の問題で、(係数を誤差なく解いても)精度はある程度まで
●【Ⅱ】は、四辺形における直交を利用しており(長短所両面あり)、直交格子なら(直角直線の数値合成に頼らない)最高精度。 歪んだメッシュでは精度が落ちる。

【Ⅰ】【Ⅱ】共にメッシュ変動に弱い。【Ⅰ】は内挿関数【Ⅱ】はヤコビアンが変化して、双方難あり。
【Ⅰ】は、トリックめいており、二次式を直接偏微分。偏微分による誤差解消策っぽいですが。
変位を示す関数は、モデル全体は、二次式で表現できない。 
微小に刻めば、近似的に二次式で表現できるが、変位自体は、二次式に従って挙動している訳でない。

Φx Φyの数式で一部、係数を共有している点も気になります。応力やせん断各成分が、正しく計算されない可能性… 私の認識が間違い?  ×ρ×)


全ての一次要素 = 要素の辺の両端節点間の物理量分布が一次式 
四角系二次要素 = 要素の辺の両端節点間の物理量分布が二次式 (写像変換された座標系で)
三角系二次要素 = 要素全体内の物理量分布が二次式


一次二次いう同じ名称で、対象が、辺か、要素全域か、2つ根本的に異なるような…


要素において、上例の変位は、どこにも
(恐らく)厳密に要素内にて二次式Φに従う挙動はなく、変位挙動を二次式とみなす訳で、
関数を、仮定想定する誤差が起こります。 それは、偏微分による誤差とも言えます。結局、
偏微分困難な位置関係にあるデータから、合成的に偏微分を行う事と同じになる気がします。
補間で計算する手段に較べ、Φ内挿関数を使う方法はメッシュ次第、解が随分ブレる思いますが


メッシュいえば、粗密に目が行きがち。 角度が効く問題が実は厄介。 メッシュを細かくしても
鋭角鈍角は直角にならない⇒計算誤差は解消されない=解析が万年メジャーになれない原因

書籍は、細かさの記述に留まり、詳細を書いてない事が多いです。 学術上も、
偏微分に関る誤差=離散化誤差いう大雑把な分類で、随分と杜撰だったりします。
精度はメッシュ次第。基本的に勉強で克服困難。十分注意が必要。だが十分注意と書いてない
本来、超初心者が優先して学ぶべき、致命的事項が、後回し的な軽視。 短所・欠陥放置で、
『努力不足・勉強不足』それが、うまくいかない理由・普及しない理由。
そんな具合に考える人が多く残念的。 騙されに十分注意。
ひょっとして、『細かいとOK』  なんて認識されている訳でない思いますが・・・

幾何偏微分を解く万能手段はない状況 数値粘性はマンハッタン計画まで遡るようで

CAEの精度向上策は、幾何偏微分を如何に精度良く解くか! そこがかなりの部分を締めます。
感覚的に、構造解析は8割幾何偏微分、2割は現実的モデル化&設定
非現実的モデルを高精度で解く=意味がない 現実的モデル化も重要&高難度 教科書類は、
非現実的モデルのオンパレード。甚だ問題ですが、ブログネタは、暫くは幾何偏微分で…
ⅰ 次数UP ⅱ 直交格子 までなら最高精度。 ですと四角い領域しか解けんいう。
融通性のための写像変換等は、細工なので、誤差要因になります。
直交格子ならば、計算法による差は、演算量多少のみの差になり、プロセスは同一化します。
構造計算の場合、下記のⅰ~ⅲまで。できる事は限定的です。

数値粘性も細工。ドロっとした結果になります。精度悪化だが、解けない状態より精度は良い。
構造では陽解法で利用。ヤコビアンで直交度を検知。
メッシュ歪大きい(怪しい&危ない)箇所は、大きく利かせたりします。(の筈)

結局… マシなメッシュで計算する位しか策がない。 それがCAE離散化の現実で注意。
テクニックの類を使うと、偽装細工された騙し結果になる偏微分の宿命。
構造FEM=直交性気にせずOKいう事ですが、式(偏微分)見る限り、そうは見えないですが。

テトラ二次形状関数を使う策は、ⅰはⅰですが、直線近似の補正でなく、変則過ぎる気が…
テトラは、隙間・埋込・貫通等に適応悪く私は未使用。直角を活用しないため低精度=私の認識

テトラ2次要素は、物理量勾配が Φx=ax+by+cz+d 的な式 応力計算で利用すれば、
要素内のε(ひずみ:変位の勾配)に(圧縮引張等)分布を持たせる事が可能。○に見えます
が、私周囲は、うまく行ってないいう。 形状特性の問題? 内挿函数の特性? テトラは
モデル自体メッシュ荒れ気味で結果×。六面体で綺麗に切った結果は○。それが私周囲の状況

テトラ2次: 物理量は、要素にて2次式。 勾配は ax+by 的な式(勾配は可変値)。
六面体1次: 要素各辺で、物理量勾配は固定値。 要素各辺で勾配は異なる。(勾配は可変)

テトラ2次は、直角直線を気にせず、直角直線方向の勾配が計算可能。そこは画期的ですが
Φ(X、Y,Z)= aX+bY+cZ+αXX+βYY+γZZ+dXY+eYZ+fZX+g 【A】(テトラ2次要素内挿函数)
αXX+βYY+γZZ+dXY+eYZ+fZX  座標×座標 それがシビア過ぎる?
X方向勾配=偏微分は Φx=a+2αX+dY+fZ 【B】(勾配は可変値 ΦyΦzも同様)
(要素内εに分布与えるべく)式【B】の(目的)ため、二次内挿函数式【A】を立てる=テトラ2次要素

方向性ある勾配を、差の計算せず&向き気にせず計算可で画期的。(式が偏微分故当然?)
ですが、極端な鋭角鈍角には、厳しいと予想。 板材を、テトラかシェルかで計算した時
前者が失敗多い言われます。座標×座標が効く、シビアな内挿函数二次式が原因と私は予想。(違うかも)
六面体の偏微分計算は、差を距離で割る差分イメ-ジ。割とタフ。積層構造の場合、実体験では、
相当薄いソリッドでも十分◎。教科書は薄いソリッド=×(非適合要素&非推奨) 恐らく教科書は、
ハリを想定しており、積層構造物は、また違いそうです。結局、適応性はケース次第いう事が多く
やってみて、「行けるからこれで行こう」みたいな。いい加減な世界がCAE。
二次のテトラ内挿函数は怪しく、私は偏微分しても駄目思っていたが、そうでもなさそう?。
解析技術者で、その考えは少数派? 直線直角円弧主体の構造物なら、六面体が断然に◎。
それが私の実体験ですが。世間の六面体メッシャーは、メッシュ方向性バラバラ
単に六面体で切ってるだけ。内挿函数(正規化・写像変換)の変動激しく、駄目っぽい印象。
色々問題だらけ。便利で魔法的なものが普通いう昨今、構造CAEは大丈夫なのか? 私は心配。


数値粘性提案したのは、ノイマン型コンピュータで知られ、コンピュータの祖と呼ばれる 
ハンガリー出身のフォン・ノイマン  計算学では、ノイマン条件等で、名前はよく出て来ます。
マンハッタン計画に熱心。レンズ効果発案。実地実験に熱心だったのが災いして被爆。
同計画のフェルミ同様若くお亡くなり。 同計画では、オッペンハイマーも、そこそこ若く癌死。
国策的プロジェクトに関ると、ロクな事がない点を、基本事項として教科書に… 
ロスアラモスは、かなり汚染されているいう話。CAEで著名なダイナの開発拠点ですが。

腰引けた政治家に京都投下進言。 ノイマンに関る衝撃内容が下記リンク。
https://ja.wikipedia.org/wiki/ジョン・フォン・ノイマン 核兵器関連は衝撃内容
爆発威力増すレンズ効果発案者ですが、物理学の歴史上の偉人が、ジャップ殲滅の旗頭? 
賢いとは、一体何なのか? ウ~ム。 それも教科書に書いておく必要性
ウィキみると、セルオートマトンもフォンノイマンと出てますね
もし存命なら、NASTRAN開発時期に、流体解析コード作る位は、朝飯前程度に実現?

破壊・衝突を解く、世界一の構造ソフト、ダイナの売りは、離散化に伴う陽解法安定化。
その元は、人工粘性見出した、日本撲滅マンハッタン計画。 船頭は、歴史的天才フォン・ノイマン。
物理学の触れて行けないタブーが面白い。 教科書に記載して欲しい事項です。
西欧人の脳内は、悲しくもそんなものなのか? 天才故なのか?

西欧人=独善的なんて言われます。学問・学術分野も西欧影響か、独善的でエラそうで気難しい
そんな先生も時々います。 人によりますが
秀才は独善的でエラそうになる傾向 ノイマンはその典型?
そんな学問・勉学の短所を教科書に… 悪い点は、解消して欲しい気分。

威厳が大事なのか?。最近は減退風。私は、偉い人を見ても、何が偉いのか、理解できん性格。
『世界的権威であります×△先生です』会場:パチパチパチ 私一人だけ拍手してなかったり…
学術界は、信仰宗教みたいで、ついてけんいう。 前からこんなんでしたっけ?

偏微分を解く万能策なし。短所は認めた上、最大限回避した計算をすべき思いますが・・・

幾何偏微分は、直角直線方向の物理量の勾配差分量。離散化計算は直交格子が理想。
そこから外れるほど、直線-直交の物理量を無理に合成する計算になり、精度悪化。

短所を知らぬまま推進。それでは、どっかの国の
クリーンディーゼルみたいな体たらくになりかねず、大変心配です。
深刻なのは、アセンブリが多い構造解析でしょうか?

今のところ、計算できる分野は、構造解析の場合、全体需要からみれば限定的とも言えます。
多結合アセンブリの構造計算等は絶望。実際に事例も少ない。大変勿体無い話です。
モデルをなるべく高品質にして、疑義ないメッシュにて、対応するのが、確実&堅実。
そのためには、CAEは、汎用ソフトでも、モデル化法が、もっと色々あって然るべき思います。
が、全般、自動メッシュ的、似たコンセプト乱立。アイソパラメトリック系が、土木建築等で若干。
今のように、モデリングに、多彩さがない状況では、肝腎な細部が雑になり粗悪化。
支配式を正確に解く、そのモデル化ができる分野は、限定的になります。
結果は運次第になったり、信頼性損ねたり、大変残念的&勿体無い話です。構造計算ですと、
『変形に、しなやかさがない』 そんな結果になりがち。

「偏微分は、ちゃんと解ける」 「モデリングも出来る」
そんな前提で、体系が組上がり、現実そうでない。分野次第問題次第。
やってみないと不明いう、(非論理的な)実態に注意。 解の評価は、みかけの結果のみ比較。
計算仮定は見ない等、非論理的にも見えます。 仮定が間違ってて、偶然に結果が近い事もある思いますが。
現実と分野の乖離や、短所克服して次に進むステップが困難な点に十分注意。

ノーベル賞も出て、3ナンバー車が㍑20キロ走る今日、産業界は
ハイレベル分野(輸出産業)と低レベル分野の同居が言われますが、
今のままでは CAEは、低レベル組に… ×ρ×) 
アメリカで、先端CAEアプリを開発してたインド人が、客先常駐&業務代行&レポート書き
IT分野定番の体たらくですが。 人×工数十分 恵まれ組織限定を脱し、人海術も脱し、世界一の先端を行く必要性。
仕組作らず、コツコツ働き、生産性低くして、残業代せしめる。 そうならぬよう良い子は注意。
西日本は、合理化便利化志向が強過ぎか? CAE導入企画書に、「導入効果=技術者○人削減」 
記載されたり。不景気いう訳でなく、忙しく人手不足っぽいですが。