実在ホテルのロビーにおける換気シミュレーションです。
適切に換気をしないと空間に淀む部分ができてしまい、新鮮な空気が置換されにくくなります。
この効率の良し悪しをCFDによって可視化することで最も効率的な空調の条件を評価します。

技術情報

使用ツール

Fluent

キーワード

コロナ、ウイルス、換気、空調、拡散、飛散

詳細

解析モデル

• 実在ホテルのロビーのモデル

実際の吸気口と排気口の位置

• 換気系統図から、実際の位置・換気口の種類やサイズ・流量を設定

左：換気口の種類・流量・寸法／右：換気口寸法

メッシュ

解析結果

• 速度コンター図

• 速度ベクトル図（断面１）

• 速度ベクトル図（断面２）

事例は以上です。

技術情報

使用ツール

Ansys 18.2 APDL

解析手法

1. 静解析（自重）
2. 固有値解析
3. 地震波時刻歴応答解析

キーワード

鉄筋コンクリート、固有値解析、地震波、時刻歴応答解析

詳細

解析モデル

• 梁・柱をビーム要素でモデル化

解析結果

①静解析（自重）

• 鉄筋／コンクリートについてそれぞれ応力を評価

②固有値解析

• 1次モード

• ２次モード

③地震波時刻歴応答解析

• アニメーション（変形、等価応力）

事例は以上です

技術コラム

鉄筋コンクリート

構造物が破壊する際には、材料や荷重条件などによっていくつかの破壊形態があります。
鉄筋コンクリートは鉄筋とコンクリートを組み合わせた構造で、それぞれの特徴を生かした構造部材として一般的に使われます。
コンクリートは大きな圧縮荷重を負担することができますが、塑性変形をほとんど伴わない脆性破壊をする材料の代表例です。一方、鉄筋は引張や曲げ荷重に強く、破断する時は金属の代表的な破壊形態である延性破壊となります。

ガラス張り面を有する会議室を対象として以下を考慮した室内の空調伝熱解析を行います。

1. 太陽の日射
2. 空調設備
3. 換気設備

太陽の日射の計算にはAnsys　Fluentの太陽カリキュレータ機能を使用し、緯度・軽度・日時を指定することで任意の場所での日射量を算出して相当の熱量を伝熱解析で考慮します。

今回は 8月5日15:00@東京都庁位置を想定した日射量で解析するものとし、 ガラス面が南向きの場合と南西向きの場合の2パターンでの比較を行いました。

技術情報

使用ツール

Fluent2022R1
太陽カリキュレータ

キーワード

日射、太陽負荷、伝熱解析、空調解析

詳細

解析モデル

• 日射がガラス面から室内に入射する際は日射量の内、室内への透過分を熱源として考慮する。
• エアコン及び換気設備のある会議質を対象とする。

• ガラス面の向きを2パターン用意。
• 8月5日15:00 @東京都庁位置の太陽位置からFluentの太陽カリキュレーター機能により日射量を算出し熱源として考慮した。

解析結果

• 南西向きの場合は室内が高温になっています。南向きと同じエアコン設定では十分に空調できないことが分かります。
• 快適な温度にするためにはさらにエアコンの温度を下げる必要がありそうです。

• 南西向きの場合、エアコンの吐出温度が何度であれば快適な温度になるか追加解析をしてみました。
• エアコンの吐出温度を10℃程下げることで適温になりました。
• 平均温度を比較すると約2℃程異なるので、実際はエアコンの設定温度を2℃下げる必要があり、消費電力としては20％程増加する予測となりました。

事例は以上です。

レストランで見かけるチョコレートファウンテン。
上から流れる溶けたチョコレートの滝でマシュマロをコーティングする様子をシミュレーションしました。

1. マシュマロという構造領域の移動を伴うCFD計算
2. VoFの手法により温めたチョコレートの自由表面(界面)を模擬
3. アニメーションでリアルに表現

技術情報

使用ツール

ANSYS Fluent 2021R1

キーワード

流体解析、自由表面、VOF、ダイナミックメッシュ、オーバーセットメッシュ、overset-mesh

詳細

解析モデル

• チョコレートファウンテン本体（半径60[mm]、1/12ケーキカットモデル）
• マシュマロ： 長さ2[cm]
• チョコレートの流量 95[g/s]

解析結果

• チョコレートと周辺領域は青いメッシュ部分
• 移動するマシュマロ領域は赤いメッシュ（オーバーセットメッシュ）

事例は以上です。

技術コラム

オーバーセットメッシュ

オーバーセットは大きな流体領域の格子と、物体側からの格子を別々に生成し、両者を重ね合わせる手法である。

一般的なCFDでは大きな運動を伴う解析を苦手としてきた。
その理由の一つは、物体の運動に伴って計算格子を変形させる必要があり、大きな移動では格子が潰れてしまうが、下図のようにオーバーセットメッシュはこの問題を回避することができる。

VOF(Volume-of-Fluid)法

界面形状を追跡するために使用されます。
複数の流体相（例：液体と気体等）が存在する場合、それらの界面を正確に捉えることが重要です。
VOF手法は、流体相の混合領域や分離領域、界面の変形や接触を追跡し、その位置や形状を解析的に計算します。

気体と液体の混相流解析のうち自由表面流れの解析手法で、界面捕獲法の一つです。
図のように、メッシュのうち液体が占める体積の割合を液体充填率Fという関数として定義し、移流方程式を解いて界面を求めていきます。

F値は0から1までの値をとり、F値が0であればそのメッシュの物性は気体（例えば空気）、F値が1であればそのメッシュの物性は液体（例えば水）として取り扱います。

電車内で荷物を載せる網棚は、下の写真のような部品（ハンガー）で壁面で固定支持されています。
電車がより多くの人や荷物を運ぶためには、ハンガーのような個々の部品も含めて車両の軽量化が大変重要です。
耐荷重性能を満たしつつ贅肉をそぎ落としたハンガーの形状を、トポロジー最適化で求めた事例です。

• 最大応力を制約条件として質量を最小化
• レベルセット法により最適化

技術情報

使用ツール

Ansys Workbench
SpaceClaim

キーワード

トポロジー最適化、密度法、レベルセット法

詳細

解析モデル

• 制約条件：最大応力 3.0[MPa]以下
• 目的条件：質量最小化
• 材料：構造用鋼
• 初期質量：1.48[kg]
• 減肉対象：フレーム部（リングと壁面取付部以外）

解析結果

形状と質量

• 質量：71[%]減　0.44[kg]

応力

• 最大相当応力＜3.0[MPa]

技術コラム

トポロジー最適化（Topology Optimization）

トポロジー最適化とは、荷重など決められた設計条件下で、制約条件（例えば質量・応力・部材サイズなど）満たした上で、要求する性能（例えば軽量化）を最大限得られる構造・形状を求める方法です。

孔を空けるなど形態を変更できるため自由度が高いという特徴があります。
対象パターン、抜き方向、抜き勾配、空洞回避などの製造制約も設定できます。

レベルセット法

レベルセット法では領域の輪郭の曲線状態（収縮、膨張、曲率変化等）を偏微分方程式により表し、状態変化させながら必要な領域を判定する方法です。
曲線を変化させながら解くため滑らかな形状を保つことができます。

引用元：倉爪亮, レベルセット法の実装について

密度法（SIMP法）

有限要素のグリッドに領域を離散化します。 独立した各領域要素の密度を変化させながら必要な領域、除去する領域を判定する方法です。

引用元：トポロジー最適化のためのSIMPメソッド

技術情報

使用ツール

LS-DYNA R10.1.0
LS-PrePost 4.6

解析手法

1. 破壊解析（要素削除）
2. 破壊解析（SPH法）
3. クラック解析

キーワード

鉄筋コンクリート、陽解法動解析、衝撃解析、破壊解析、粒子法、SPH法、クラック

詳細

解析モデル

• 左右端部固定されたコンクリートスラブに鉄球が衝突
• 鉄筋：弾塑性体
• 鉄球：剛体

解析結果

破壊解析１（要素削除）

• 衝突面の裏側が大きく損傷する裏面剥離が発生
• 衝突部は損傷、破壊により応力は低くなり、両端部の応力が高くなる

破壊解析２（SPH法）

• 破壊解析1と同様に裏面剥離が発生
• SPH要素によりコンクリートの破片が飛散する様子が分かる

クラック解析

• 衝突部が破損しないため、中央部の応力が高くなる
• ひび割れの状態を可視化

事例は以上です

技術コラム

鉄筋コンクリート

構造物が破壊する際には、材料や荷重条件などによっていくつかの破壊形態があります。
鉄筋コンクリートは鉄筋とコンクリートを組み合わせた構造で、それぞれの特徴を生かした構造部材として一般的に使われます。
コンクリートは大きな圧縮荷重を負担することができますが、塑性変形をほとんど伴わない脆性破壊をする材料の代表例です。一方、鉄筋は引張や曲げ荷重に強く、破断する時は金属の代表的な破壊形態である延性破壊となります。

LS-DYNAでは、破壊基準を満たした要素を削除することで破壊を表現できます。ひずみや応力等の複数の破壊基準の中からどの基準を使うかは、ユーザーがモデルの破壊形態を理解して選択する必要があります。

粒子法（SPH法）

Smoothed Particle Hydrodynamics 法 (SPH法)は流体力学や材料力学にて用いられる微分方程式の数値解析手法の一つで、粒子法の一種です。粒子法は対象となる連続体を有限個の粒子の集団に置き換え、ナビエ・ストークス方程式などの連続体の支配方程式を元に導かれる粒子間相互作用に従って粒子を移動させる手法です。

SPH法は物体が破断したり小さな破片や飛沫が飛び散ったりするような現象も自然に計算可能であるため、流体の飛散や航空機エンジンのバードストライクなどの解析に使用されています。

JIS規格のボルトの寸法パラメータを設定するだけで自動CADモデル作成ツールを開発しました。
ツールを使った強度解析の事例です。

1. JIS規格ボルトのCADモデルを簡単に作成
2. 寸法パラメータ入力から解析実行までExcelのGUI上で完結

技術情報

使用ツール

ANSYS SpaceClaim
Mechanical APDL 2020R2
Altair HyperMesh 2019
ExcelVBA

キーワード

自動化、品質向上、生産性向上、JIS規格、ボルト、ねじ

詳細

解析モデル

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• ボルト形状をSpace Claimで自動作成

• 要素数増加を抑えながらねじ山の接触に適したメッシュを自動作成

解析結果

• 境界条件等を設定して計算を実行、結果を評価
• ANSYS Mechanicalで計算実行

事例は以上です

技術情報

使用ツール

ANSYS Fluent

キーワード

複数基準座標モデル (MRF)、撹拌、混合液

詳細

解析モデル

• 円筒形のタンク
• インペラー２か所
• 水とグリセリンの混合溶液
• 比較条件：インペラーの回転方向２通り（同回転／逆回転）

• メッシュ

解析結果

• インペラの回転方向による撹拌効率の比較

事例は以上です。

技術コラム

オーバーセットメッシュ

一般的なCFDでは大きな運動を伴う解析を苦手としてきた。
その理由の一つは、物体の運動に伴って計算格子を変形させる必要があり、大きな移動では格子が潰れてしまうためである。
オーバーセットは大きな流体領域の格子と、物体側からの格子を別々に生成し、両者を重ね合わせる手法であり、この問題を回避することができる。

技術情報

使用ツール

ANSYS Fluent

キーワード

オーバーセットメッシュ（Overset）

大きな流体領域の格子と、物体側からの格子を別々に生成し、両者を重ね合わせる手法である。

ディスクリート フェーズモデル（Descrate phase model(particle)）

気体の流れを可視化する方法であり、さらには色を温度として表示している。

詳細

解析モデル

• 単身者用 ２ドア冷蔵庫 (156L・右開き)
• 庫内温度：10℃
• 室温：28℃
• 扉を開ける速度：0.5秒で90度開

• メッシュ

解析結果

事例は以上です。

技術コラム

オーバーセットメッシュ

オーバーセットは大きな流体領域の格子と、物体側からの格子を別々に生成し、両者を重ね合わせる手法である。

一般的なCFDでは大きな運動を伴う解析を苦手としてきた。
その理由の一つは、物体の運動に伴って計算格子を変形させる必要があり、大きな移動では格子が潰れてしまうが、下図のようにオーバーセットメッシュはこの問題を回避することができる。

流体と固体が相互に力を及ぼす事象のシミュレーション例です。

1. ALE法を用いることで流体力を受ける構造物の解析が可能
2. 水の挙動についても再現することが可能
3. 解の発散等もなく、比較的短時間で解析実施

ポイント

• 衝突などの構造の非線形陽解法をイメージされる場合が多いLS-DYNAで、構造流体連成解析を実施
• 複雑な現象でありながら、スーパーコンピュータなどの特別ではない環境上で比較的短時間で計算可能
  (弊社環境のﾜｰｸｽﾃｰｼｮﾝで飛翔体が剛体：約10分、飛翔体が弾塑性体：約150分）

水面へ衝突する小型飛翔体

技術情報

使用ツール

LS-PrePost 4.6、LS-DYNA R10.1.0　

キーワード

構造流体連成、FSI、ALE法、陽解法動解析

流体構造連成（FSI：Fluid Structure Interaction）

流体－構造連成解析は、流体と構造の相互作用を含む解析のことです。
略してFSIと呼ばれることがあります。

一般的に、流体解析と構造解析で異なるソルバーを用いることが多いため、流体と構造を別々に解析するシーケンシャル法が一般的に用いられます。
流体→構造（または構造→流体）の一方通行でデータを渡す片方向連成解析と、流体→構造と構造→流体の双方向でデータをやり取りする双方向連成解析があります。

引用元:サイバネットシステム株式会社様HP

LS-DYNAのALE法（Arbitrary Lagrangian and Eularian Method）

ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）法は、移動する物体を含む解析など、境界面が移動する問題に対する解析手法の一種です。

流体運動の記述には、観測点（節点）が空間に固定されているオイラーの方法と、流体粒子とともに移動するラグランジュの方法とがあります。

ALE法はこれらの中間的な方法で、観測点を流体粒子の運動とは独立に物体や界面の運動に関連付けて任意に移動させて計算を行います。

引用元：株式会社ソフトウェアクレイドル様HP

解析結果

以下詳細（上級者向け）

★閲覧するには右側の「V」をクリック

解析モデル

• 小型飛翔体（全長：1m、重量：150kg）
• 海面に衝突する現象を再現

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• 要素／節点数：50万以上

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• ANSYS Workbenchのエンジニアリングデータの値を使用
• LS-DYNAのチュートリアル参考

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• 空気層、海面をALE空間に設定

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• LAGRANGEモデルとEulerモデルのFSIカップリングを設定

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• 飛翔体に局所座標系を作成し、局所座標系Y軸方向に設定

解析結果

• 飛翔体は弾塑性体、入射角45度（水面と飛翔体中心軸のなす角）の場合
• ステップ終了時間　0.02秒
• 時間ステップ　プログラムによるコントロールで実施

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事例は以上です。