使いこなさない、使えるCAEのブログ -24ページ目

偏微分を最高精度で解くのは、直交格子の差分法いう、そんなパラドクスに注意

偏微分は、例えば下記が偏微分です。(私個人は、解析全体の中で8・9割の比重)
X軸に平行にX方向1(mm)進む時、温度や変位がいくらUPか? その 1⇒0 が偏微分
(Xでの偏微分時、YZは変化してはいけない)

差分法は、中心差分なら、偏微分対象点の前後の値の差を、2点間距離で割ると
偏微分が計算できて、簡単です。 実はそれが最高精度。
簡単な方法が高精度、逆は逆って、変じゃない? 
複雑高度なテクニック採用で高精度でしょう。

なんて思いがち。しかし
簡単な差分法(1次2次3次4次…)が最高精度。(3次は冴えない気配)
そこから外れるほど悪化する
安定化・タフ化・融通性のため、テクニックを盛込むほど、余計な混じりが増大化



何か、凄い手法が登場して、劇的に精度向上いう。そんな話があると、嬉しいですが
偏微分に関しては、望みが大変薄い。
融通性・安定性確保の何かは、支配式を解く事でなく、
混じり物の添加、細工は細工であって、解く事ではない。 なので
望み薄・期待薄っと、教科書に書いておかないと、間違う人が続出する懸念あり。
形状関数・内挿関数・写像変換も細工。直交メッシュ=細工せず計算した状態に等しくなる。
単なる微分を偏微分とみなす手法もいくつかあります。メッシュ増やしても精度は大雑把ですが。

偏微分な大雑把な解法は、色々新手法も出てきます。(単に微分を偏微分とみなすのが昨今流行?)
このあたり本質見破る優秀者は分野を去り、無頓着な人・判ってない人が残留?
私は、昔は、本屋の専門書コーナに、良く行ったもの。まぁ、ダメっぽい
判ってから、この分野は、勉強類にたいした価値はない。悟ってしまい
専門書読んでテンション上がる事もなくなり、すっかり欝に…。
今は、駄目さ加減の確認で、時々読むみたいな状況。大体、離散化の幾何偏微分の箇所を
見れば、解法の精度は判る思いますが。(FEMのアイソパラメトリック要素が一番丁寧律儀)

差分法に近いイメージでモデルを組めば、特徴が良く判る結果が出まして
満足感も高いいう。差や差の差が良好に解けるモデルを組む。
それが一番堅実。その融通効く&万能的手法がない点が、普及足枷です。
CAEが普及せんのは、努力不足&啓蒙不足ッ! 等の類は、正論に見える間違い意見。
問題は偏微分。致命的問題を十分説明せず解消もさせず普及促進=随分無責任で注意。
▲クリーンディーゼル:実態は、窒素酸化物撒散らし?日本勢はセーフ?
▲原子力     :実態は、地震で崩壊&電源水没の体たらく
▲電気自動車  :安全性、稀少金属利用、重量増、電池劣化、電力浪費、等の問題は大丈夫か
▲離散技術計算:偏微分が誤差なく計算できない実態 (問題次第、全般に、全域で致命的)

★短所克服 ⇒ 実用化 そのあるべき姿に対し、短所放置なまま実用化。残念的現実★
短所克服に皆邁進すべきで、世に普及してる技術は、その努力の集積。  しかっし。
専門家が力持つと、短所放置になり、一方、保身メンツ優先で、革新は拒絶しがち。
最悪は問題勃発。それも教科書に…。短所軽視は、学問全体覆う悪式慣例に思いますが。
特に、普及ありき・推進ありきには十分注意を。…
とはいえ、難しさ理解する人が離反
判ってない人がガリガリ頑張り、画期的ヒット商品=普通に設計分野で多い光景 だったりします。
(理屈屋お利口さんは、問題熟知するが故に、「出来ませんッ」否定派になり、成果出せぬ傾向。 開発メンツから外されたりします)

私のような)ベテランは、その分野における問題・限界・短所熟知。常識に染まって駄目。
そんな話も割と普通。(端的には老害) 全般、解析者は、昨今ブログに書いてきた偏微分を、
判っていない?。 弱点あるにも関らず、十分説明せず、まずは体験から…
とか何とか、安易に普及煽るのは無責任。 離散化誤差は、偏微分で発生で注意。
1)偏微分 2)モデル化(&諸設定)両者は相当難。偏微分とモデル化の厄介さは、
万年解消しない構造解析の弱点。そんな短所は、最優先で知って貰う必要性。

特に偏微分は、後から判っても手遅れ的&致命的で…。

全般に、最近は、何でもテトラで計算。或いは、単なる差分勾配を偏微分とみなす方法も盛ん。
メッシュ方向性・直交性 気にせずOK 或いはメッシュ不要が持てはやされ、
(それを追い求めるのが解析技術者いう)安易な道は注意。
『使えない』 CAEが一蹴される一因が偏微分で。
(分布緩慢)静磁場や、(一階偏微分でOK)伝熱解析は、問題なし。(メッシュ依存性殆どなし)
問題は、テンソルや粘性の二階偏微分で、万年未解決いう。

偏微分と現実的モデル化 2つ超難な構造CAE   偏微分は解き方は2種類

三角と四角は差があり、四角が優れていると言われますが
三角(一次要素)は、勾配を分布として持たせる事ができない

三角:全域同一勾配 
四角:物理量勾配に分布を持たせる事が可 

『三角はゴツゴツ固そう』そんな直観的なイメージがそのまま、反映みたいな、



Xでの偏微分→Y一定としてXで微分
Yでの偏微分→X一定としてYで微分


角度が90度で、辺が軸に平行なら、ルール満たすため
偏微分=物理量勾配=2節点の物理量差/2節点間距離
各辺にて、微分と同じ式で、偏微分を解くことが可能です。

アイソパラメトリック要素は 図の右側で(X-Y)⇔(ξ-η)写像変換を行います。
上図(ξ-η)で解いた偏微分を、(X-Y)に移す
その写像変換は変則。
天才技でもあるのですが… 歪みが大きいほど×。注意を要します。

よい解析モデル(メッシュ)+諸設定=良い結果  偏微分の罠に注意 (専門家が意外に無頓着)

熱交換器でどんなのがあるのかな?(嫌らしく最新技術の確認)
HeatExchanger と Finite Element Mesh とか何とか ググると、
三角系統要素による分布が乱れた解析も、出てきます。 分布乱れた解析をプロが実施。
評価上重要な接合部が乱れたメッシュは多く、単にモデラーの問題? 解を決定づけるのは
支配式+メッシュ+次数。四角は1次2次似た解。テトラは1次2次で変化⇒3次は変わる筈で注意

偏微分は、XYZ軸方向の物理量の差分勾配。 多くのCAEで、三成分皆必要。線形近似で…
四角系統要素 :要素全域の物理量と偏微分(分布)まで、算出される
三角系統要素:点の物理量は合う。要素内の偏微分まで合うかは、怪しい

両者差異があり、そこは重要ですが、書籍に、ちゃんと記載されていない気がします。
何度か、本ブログで紹介していますが、偏微分や形状函数は、ベテラン解析者が意外に判ってくれず
反対に、設計者は理解が良いいう。もう少し念入りに記述すべきか?
縦横奥行の三方向直交性・線形近似・偏微分  3つ、かなり要注意です。
四辺形や六面体要素は、形状函数が幾何線型近似に一致し、分布図が綺麗です。

偏微分は、直角直線方向の差分量。向きが重要になる宿命に注意。ベテランが意外と判ってなく注意。
四辺形や六面体要素は、方向性や、ある程度の直交性が必須。 それは大きな短所。
方向性・直交性の必要性は、面積体積等を求める場合は短所になります。
偏微分を求める場合は逆に長所になる。そんな特性に注意。


形状函数もですが、メカは理論の限界が沢山あり、限界察知する人は、去ってしまう傾向。
メカは設計業も、優秀者の離反多く、鈍感人が、エース設計者としてバリバリ設計実施。
そんな傾向があります。  実機確認主体の設計分野と違い、技術計算は、
理論の限界に無頓着で鈍感でOK とは行かない筈で注意。

想定外が起こりやすい、理論限界に留意して勉強が○。
他分野から来た人は想定外に無頓着な傾向で注意。ベテランも意外に判ってなく注意。
社内勉強会に熱心なのはエレキ系に多い印象ですが、教科書による騙されに注意。
何かと理論通りに行かず、メカ企業は、勉強当てにしない&頼らない傾向。
勉強せん人が、騙されず一流品開発。ヒット生むエースは学卒。後追い二番煎じ二流品は院卒。
高卒設計エースも多い。
メカはそんな傾向もあり。 本来、院卒が圧勝すべきですが、教育に問題あり、
教育あてにせん人が成果出し、逆は逆いう困った問題。 無論学卒も短所あり。
短所留意して対応すれば、道開けます。そこは先生は教えず、残念的&無責任的。

老害・革新性なさ・余計なスキルテクニック作る・メンツや保身優先等 そんな短所を、
設計筋・幹部筋は見破るので注意。それも、教科書に書いておいて欲しい気がします。
全般に、教育が酷く注意。 酷い教育を推奨する、無責任で判ってない人に騙されぬよう、
又は、騙し人にならぬよう、良い子は十分注意。
 
官の土地柄だからか、東京は、騙されて老害に染まってる的な、残念的な人が多い印象。

技術計算で問題多いのは、構造解析。 その中では、膨張係数や圧力や密度や温度から解ける 
流体っぽい? 問題が合いやすい傾向。 純なメカ計算は、非現実的想定に陥りやすく注意。
固定、直角、平面等の仮定想定が、現実的に見えてそうでない点が原因。
現実と合致性高い計算には、
策が必要だったり、接合箇所等、細部が重要だったりします。(私周辺) 
非連続的な細部の設定やモデル化は、教科書に殆ど出てなく注意。 偏微分もですが、
努力では克服しずらい問題が多く、何かと注意いう…。

偏微分は、方向性持つ差分量。細かいメッシュならOKと行かず、メッシュの幾何位置関係が重要。
特に、テトラ(三角錐)要素は、直交3成分と角度差大。1次2次解の差が大⇒2次要素も不十分
2次要素でもテンソル全成分や偏微分算出には情報不足気味
   そんな罠があり、
やたらメッシュ細かくしても駄目だったりしますが、専門家も判ってない? V&V言ってる割に…
騙されぬよう注意。 成否が運次第になったり、分布鋭敏性が弱い、簡単問題限定になりがちです。
面積・体積の計算同様には行きませんで注意。 メッシュ歪が招く離散化誤差を判りよく分類しない等、
いい加減・無頓着・無責任な人が群がる。そんな具合にも見えますが。 全般に老害なのか?

現実的・実務的・実践的になるべく 改善すべきと感じてるのは若手。 ベテランが判ってない?
計算分野は、ベテラン=優秀 思ってる人が多い? 教育分野全般に、そんな人しか残ってない?
第二外国語がドイツ語だったり、何かと教育界は旧体質&実用や効率に無頓着で注意。
「デジタル化花開く今日、技術計算は蚊帳の外」 てな事になり兼ねず注意。 全般、活力ある会社は、
若手が強く、データ収集して、旧常識や間違いや老害を、『バシッ』 正しますが。 老害組織は逆で。