第10回ADVENTURE定期セミナー発表資料

1. http://adventure.sys.t.u-tokyo.ac.jp
e-mail: adv-info@save.sys.t.u-tokyo.ac.jp
ADVENTUREの他のモジュール・関連
プロジェクトの紹介
吉村 忍
ADVENTUREプロジェクトリーダー
東京大学大学院工学系研究科システム創成学専攻
http://save.sys.t.u-tokyo.ac.jp
e-mail: yoshi@sys.t.u-tokyo.ac.jp
第10回ADVENTURE定期セミナー（2015.6.26）
1

2. ADVENTUREプロジェクトの経緯(1)
1997.8-2002.3
日本学術振興会 未来開拓学術研究推進事業「計算科学」分野
「設計用大規模計算力学システムの開発」プロジェクト
2002.4-現在
オープンソースCAEソフトウエア開発プロジェクト（ADVENTUREシステム）
2002.7-2012 日本原子力機構 システム計算科学センターとの協力研究
「ADVENTUREシステムのITBLシステムのコミュニティーソフトウエア化」
2002.12-2008.9 地球シミュレータへの展開
「バーチャル実証試験のための次世代計算固体力学シミュレータの開発」
2009.4-2013.3 地球シミュレータ２への展開
「安全・安心な持続可能社会のための次世代計算破壊力学シミュレータの開発」
2005.7-2008.3 文科省革新的シミュレーションソフト開発プロジェクト
「革新的連成シミュレーションシステム」への展開
2008.10-2013.3 文科省イノベーション基盤シミュレーションソフト開発プロジェクト
「マルチ力学解析システム」への展開
⇒ REVOCAPファミリー（Coupler, Mesh, Visual, Magnetic） 2

3. ADVENTUREプロジェクトの経緯(２)
2007.10-2013.3 JST-CRESTマルチスケール・マルチフィジクス統合シミュレーション
「原子力発電プラントの地震耐力シミュレーション」
⇒ ADVENTURE_Solid Ver.2, ADVENTURE_Coupler Ver.1等を開発、公開
2011-2016 HPCI戦略プログラム分野４「次世代ものづくり」
課題５「原子力施設等の大型プラントの次世代耐震シミュレーションに関する研究開発」
2011-2017
JST-CREST「ポストぺタスケール高性能計算に資するシステムソフト技術の創出」
「ポストペタスケールシミュレーションのための階層分割型数値解法ライブラリ開発」
⇒ LexADVライブラリー公開
2015.1-2020.3
ポスト「京」重点課題⑥「革新的クリーンエネルギーシステムの実用化」
2002.4-現在
様々な産業界（自動車、電力、鉄鋼、重工、情報機器など）の実用問題への応用研究
2003.4-現在
日本機械学会計算力学技術者認定事業・付帯講習用ソフト
3

4. ADVENTUREシステムの特徴
(1) 数百～数十億自由度メッシュによる丸ごと解析
(2) 数千～数万プロセッサの超並列計算機環境でも高い並列効率
(3) 優れた移植性 : 単一プロセッサ, PCクラスター, 超並列計算機（京など）,
2005.3.10 Windows版公開(登録ユーザー数3,938人)
(4) ライセンスフリー / オープンソース : 登録ユーザー数8,579人
ダウンロードされたモジュール数40,515本
（ADV_Solid ver.2のダウンロード数 83本）
商用バージョン ADVENTURECluster（アライドエンジニアリング)
⇒ IEEE/ACM SC2006 Gordon Bell Award finalist
2008年日本機械学会賞（技術）
2009年科学技術分野の文部科学大臣表彰・科学技術賞
2013年日本計算工学会賞・技術賞
(5) 拡張性と保守性 :モジュール構造とIOの標準化、Commodity技術 4

5. ADV_CAD 商用CAD
ADV_TriPatch
ADV_TetMesh
ADV_BCtool
ADV_Metis
ADV_Solid / ADV_Forge / ADV_Impact /ADV_sFlow
ADV_Thermal / ADV_Fluid / ADV_Magnetic / ADV_Coupler
ADV_POSTtool
ADVENTUREシステムのモジュール構造
（23 モジュール） http://adventure.sys.t.u-tokyo.ac.jp
ユーティリティ :
ADV_iAgent
ADV_Material
ADV_FEMAPtool
ADV_DecisionMaker
ADV_Mates
ADV_IO
ADV_Opt/ADV_Shape
withADV_Auto
5

6. その他モジュールの主なR&D状況
（１） ADVENTURE_Solid v2 & Metis v2 & POStool v1
・「京」を使って、軽水型原子炉の（建屋＋炉容器・格納容器＋機器）丸ごと
地震応答解析を実施中
・コンプリート鉄骨締結部の非線形破壊解析を実施中
（２） ADVENTURE_Coupler v1
・ADV_Solid & ADV_Thermalを連携活用し、原子炉燃料集合体の地震応答解析
（音響流体連成解析）を実施済
・ADV_Solid & FrontFrow/blueを連携活用し、人工飛翔体のはばたき飛行解析
（流体構造連成解析）を実施中
・ADV_Solid & ADV_Magneticを連携活用し、簡易MRIモデルの磁場構造連成振
動解析を実施中
・ADV_Solid & LexADV_EMPSを連携活用し、津波・洪水による構造物の変形・
破壊解析（流体構造連成解析）を実施予定
6

7. 連成解析(Coupled Analysis)とは
■ 別々の物理現象が互いに影響を及ぼしあっている
場を連成して解く。
■ 従来の人工物の設計評価においては、利用可能な
計算機資源の制限と取り扱いの容易さから、連成
効果を無視して単一現象として解析することが多か
った。
■ 流体－構造連成振動に代表されるように、連成現
象に起因する事故が起こると、「予見できなかった
事故」という印象を抱かれる。 7

8. 連成解析とは
■ しかし、現象を予見できなかったのではなく、精密
で定量的な連成現象の評価ができていないことが
原因である。
■ 連成現象は常に起こっているのであるが、それが
顕在化するか無視し得るかは条件次第であり、従
来の解析技術では十分な精度で予測できていない。
8

9. 代表的な連成現象
(a)流体－構造連成
（FSI: Fluid-Structure Interaction）
(b)熱－流体－構造連成
(c)電磁－構造連成
(d)電磁－流体－構造連成
(e)音響－構造連成
(f)地盤－構造連成
(g)制御－構造連成
(h)電磁－音響－制御－構造連成 9

10. 工学分野におけるFSI 現象
Tacoma橋の落下事故
高速増殖炉もんじゅの
熱電対細管の流体構
造連成振動破壊
タービン翼の流力振動破壊
10
https://archive.org/details/SF121

11. 自然界におけるFSI現象
11
Flapping Flight of Insects and Birds
Micro flying Robot Laboratory, Nihon Bunri Univ.
http://www.nbu.ac.jp/~mfrl/research.html
風にそよぐ葉
ホバリングする鳥

12. 流体構造連成現象の模式図
12

13. カルマン渦による
流体構造連成振動のメカニズム
13

14. 変形
圧力
流体・構造連成問題
)(tFUKUCUM SSSSSSS
 
)(tFUK fff

0nσnσ  ssff
t
s
sf



d
uu連続条件
平衡条件
流体解析
構造解析
14

15. 連成解析法の分類
一括型解法（Monolithic Approach） 強連成
連成系全体を一括して解く
安定である （境界面での条件を陰に満たす）
解析の大規模化に工夫が必要
分離型解法（Partitioned Approach）
各物理現象を独立に解く
境界面での条件を満たすよう工夫
既存コード、ノウハウを利用しやすい
解が求まらない場合がある
反復計算により、境界面の条件をほぼ陰的に満たす ⇒ （準）強連成
反復計算を行わず、境界面の条件を陽にしか満たさない ⇒ 弱連成
15

16. 流体解析 流体解析
時刻 t 時刻 t+Δt
構造解析 構造解析
圧力 圧力
t
p tt
p 
連成解析法の分類
片方向連成（流体 → 構造）／Off-line vs. On-line
姜玉雁，吉村忍，今井隆太，桂裕之，吉田哲也，加藤千幸，”多段遠心ポンプの流体誘起固体伝播
音の高精度計算法と騒音発生機構の解明”，日本機械学会論文集C編，72-719 (2006), 2065-2072 16

17. 流体解析 流体解析
時刻 t 時刻 t+Δt
構造解析 構造解析
構造予測子
構造予測子
圧力 圧力
変位
tt
d 
ttttt
dtdtdd  2
)(
2
1

t
p tt
p 
連成解析法の分類
双方向連成（流体 → 構造）：単純互い違い法の場合
17

18. )1()()(
)1( 
 ititit
ddd 
流体解析 流体解析
時刻 t 時刻 t+Δt
構造解析 構造解析
圧力 圧力
変位
)(it
d
)1( it
p
)1(  itt
p
変位
)(itt
d 
反復計算
連成解析法の分類
双方向連成（流体 ⇔ 構造）：分離反復法の場合
T. Yamada, S. Yoshimura, “Line Search Partitioned Approach for Fluid-Structure Interaction Analysis of
Flapping Wing”, Computer Modeling in Engineering and Sciences, 24-1 (2008), 51-60
S. Minami, S. Yoshimura, “Performance Evaluation on Nonlinear Algorithms with Line-Search for
Partitioned Coupling Techniques for Fluid-Structure Interactions”, International Journal for Numerical
Methods in Fluids, 64(10-12) (2010), 1129-1147 18

19. ADVENTURE
Coupler
ADVENTURE_Couplerによる分離反復型連成解析
 11 
 nn
F dp 
)( 11 
 nn
S pd
tn-1 tn
d p d p d p
構造解析
流体解析
ADVENTURE_Solid
収束判定
更新量の計算
(Broyden法など)
物理量マッピング
d
ADVENTURE_Thermal
物理量マッピング
p
構造解析ソルバー 音響流体用ポアソン解析ソルバー
反復
19
S.Kataoka, S.Minami, H.Kawai, T.Yamada, S.Yoshimura,“A Parallel Iterative Partitioned
Coupling Analysis System for Large-Scale Acoustic Fluid-Structure Interactions”,
Computational Mechanics, Vol.53, No.6, pp.1299-1310, (2014)

20. 連成反復アルゴリズムの選択
■ 種々の連成アルゴリズムが提案されてきた。
■ その中から、次の判断基準に基づき、アルゴリズムを選定した。
(1) ロバストな収束
(2)各ソルバをブラックボックス的に活用
(3) 容易かつ効率的な並列化
Requires matrix &
Jacobian
Newton’s
method
Inexact
Newton
Ability to treat each solver as a black box
Gauss
Seidel
Matrix free
Newton-Klyrov
Quasi-Newton
(Broyden
Method)
S. Minami, S. Yoshimura, “Performance Evaluation on Nonlinear Algorithms with Line-Search for
Partitioned Coupling Techniques for Fluid-Structure Interactions”,
International Journal for Numerical Methods in Fluids, 64(10-12) (2010), 1129-1147. 20

21. インターフェースモデル構築プロセス
■ 第一段階：REVOCAP_Visualによる作業工程
①構造解析用メッシュ、②流体解析用メッシュ等を入力データとして、
連成界面ペアを特定する ．．． マニュアル指定
■ 第二段階：REVOCAP_Couplerのインターフェースモデラによる作業工程
③構造解析用の領域分割メッシュ、④流体解析用の領域分割メッシュファイル、
⑤第一段階で作成した連成界面ペアを入力データとして、領域分割を考慮した要素、
要素内節点の対応関係（インターフェースモデル）を構築 ．．． 自動処理
（分割型メッシュから連成界面におけるメッシュの全体情報を再構築し、探索を行なう。
探索結果は再び分割型情報に変換する。）
領域分割線領域分割線
要素
節点
要素
節点
連成界面（構造側） 連成界面（流体側）
インターフェースモデル
21

22. MPI
ADVENTURE_Couplerの特徴
MPI並列
(M+N) プロセス、構造解析はMプロセス、流体解析はNプロセス
通信ライブラリを各ソルバに実装
非適合メッシュの場合、物理量を内挿
ADVENTURE Coupler
M+Nプロセス
構造解析
Mプロセス
流体解析
Nプロセス
Unix socket Unix socket
MPI
MPI
22

23. ADVENTURE_Coupler :
トータル計算時間
TS
TFTcommunication反復回数
分離反復連成解法の総計算時間
TCoupler
構造解析
の時間
流体解
析時間
23
通信時間連成の
ための非
線形解析
の時間数回～10回
これらすべては完全に並列化されている
反復回数の削減が
大きな課題

24. 応用
原子炉燃料集合体の地震応答
(AFSI, 総方向, 解析済) フィン付角柱周りの流れ
(ベンチマーク問題)
(FSI, 双方向, 解析済)
弾性翼の羽ばたき飛行
(FSI, 双報告, 進行中)
自動車の流体起因振動・騒音
(FSI, 片方向, 解析済)
石炭ガス化炉の熱流体構造連成
(燃焼FSI, 双方向, 次期ターゲット)

25. 大規模並列流体構造連成解析を
用いた燃料集合体の地震応答解析
ADVENTURE_Solid + ADVENTURE_Coupler
+ ADVENTURE_Thermal
25
S.Kataoka, S.Minami, H.Kawai, T.Yamada, S.Yoshimura,
“A Parallel Iterative Partitioned Coupling Analysis System for
Large-Scale Acoustic Fluid-Structure Interactions”,
Computational Mechanics, Vol.53, No.6, pp.1299-1310, (2014)

26. BWR炉内構造物耐震実証試験の耐震解析
NUPECによるBWR炉内構造物耐震実証試験
1986
26

27. BWR燃料集合体の流体構造連成振動解析
側面 断面
A
B
C
D E
自由表面条件
pressure=0
構造領域： ６００万自由度
流体領域： ３００万自由度
27
入力地震波(1.5S2B)X方向に 1.5S2B 地震加速度を付加

28. ＢＷＲ燃料集合体の並列流体構造連成解析
28

29. 時刻歴応答解析結果とNUPEC実験の比較
10.0 20.0 30.0 40.0
Time (sec)
0.04
0.02
0.00
-0.02
-0.04
Disp.(mm) 0.0
【NUPECの実験結果「(1986)】
Fuel arrangement
Fuel
Shroud
X
Y
Shaking direction
【解析結果】
解析結果と実験結果
は定量的にも一致
29

30. 燃料集合体位置
による変位応答
スペクトルの違い
R1
R2
R3
燃料集合体グループ

31. 0.01 0.12
0.006
0.045 0. 01 0. 14
0.04
Inflow
u=0.53m/sec
slip-bc
slip-bc
x
y
z
y
0.01
Top view Side view
フィン付角柱周りの流れと流力連成振動
ADVENTURE_Solid + ADVENTURE_Coupler
+ ALE付FrontFlow/blue
流体
密度 1.18 kg/m3
粘性係数 1.82ｘ10-5
(Pa.s)
構造
ヤング率：2.5x105 Pa
ポアソン比： 0.35
質量密度: 100 kg/m3
時間ステップ Δｔ＝5x10-
4
31

32. 解析モデル
メッシュ：156,312要素、31,187節点
32

33. アニメーション
33

34. -1.50E-02
-1.00E-02
-5.00E-03
0.00E+00
5.00E-03
1.00E-02
1.50E-02
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
displacement(m)
time(sec)
本解析
Yamada & Yoshimura (CMES 2008)
Peric et. al (Comp. Mech. 2008)
他の解析結果との比較 (V & V)
先端部の垂直変位
34

35. 昆虫や鳥の羽ばたき飛行
35
Micro flying Robot Laboratory, Nihon Bunri Univ.
http://www.nbu.ac.jp/~mfrl/research.html
Hovering Bird

36. 羽ばたき飛行: 運動の定義(1)
３次元の羽ばたき運動は、次の３つの基本モードの重ね合わせで
表現できる。 (1) flapping, (2) feathering, and (3) lead-rag.
Feathering (rotation)
Flapping
(translation)
Lead-rag
Body axis
x (horizontal)
Wing section
y (vertical)
Lead-rag
Flapping
Feathering
Body axis
36

37. 羽ばたき飛行: 運動の定義 (2)
Flapping Feathering
90
45
0
-45
-90
もしflappingとfeatheringモードを組み合わせると・・・
combined, …
Combination
37

38. Disp. BC at Leading-edge
Flexible
(elastic)
Rigid
Prescribed Rotation of
Flapping at Wing Root
Flapping Motion
翼長, 翼幅, 翼厚 5.36, 1.00, 0.075
翼幅方向の弾性部の長さ 0.25
石原らの実験*を参考に、
翼サイズを設定した。
*D.Ishihara, Y.Yamashita, T. Horie, S. Yoshida and T. Niho, “Passive Maintenance of High
Angle of Attack and Its Lift Generation during Flapping Translation in Crane Fly Wing”, The
Journal of Experimental Biology, 212 (2009), 3882-3891.
y
z x
Ishihara’s Experimental Model
38
弾性羽ばたき翼のパラメトリックスタディー
ガガンボ

39. 解析条件(1)
次の２変数を変化させた：
(1) Flapping角の最大値
(2) 弾性部分のヤング率
3.25 - 4.25サイクルの1サイク
ル分(800時間ステップ)を性能
評価に活用
流体部要素数 404,159
翼部要素数 154,080
総要素数 558,239
流体部自由度数 273,392
翼部自由度数 729,729
総自由度数 1,003,121
ニューマークb法 b 0.6
g 0.3025
1サイクル T 1.0
時間刻み幅 t 0.00125
時間ステップ数 4,000
プロセッサ数 4
1時間ステップ当たり
のCPU
約100秒
総CPU時間 約5日
39

40. 解析条件 (2)
Flapping角最大値 q [deg] 30 45 60
ヤング率の係数 c 0.25 0.1
0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.015
0.01 0.0075 0.006 0.005
40

41. メッシュ移動技術
Flapping角 : 30度
Feathering角 : 30度
位相差 : 60度
38

42. 42
c=0.02, q = 60度

43. 43
c=0.005, q = 60度

44. 鉛直方向の定義
Step 1 : はじめに、適当に座標系を定める
Step 2 : 1サイクルのflapping運動を計算し、揚力と抗力の平均値を求める
Step 3 : 平均揚力が最大となる方向を見つける
Step 4 : その方向が鉛直方向となるように、座標系を定め直す
Feathering (rotation)
Flapping
(translation)
Body axis
x (horizontal)
Wing section
y (vertical)
Flapping
Feathering
Body axis
44

45. 受動的Feathering角の定義
Disp BC at Leading-Edge
Flexible
Rigid
Prescribed Rotation of
Flapping at Wing Root
45

46. c=0.005
c=0.03
hard
soft
Flapping Direction
左図: Feathering角の時間変化
右図 : 翼の剛体部分の動き
ガガンボや石原らの実験結果と一致
Cが十分小さくなる（柔らかくなる）と、
feathering角のflapping角に対する
位相遅れは約45度になる 46
計算されたFEATHERING角(q=60度)

47. パラメトリックスタディーのまとめ :
平均揚力と消費エネルギー
0.0E+00
2.0E-07
4.0E-07
6.0E-07
8.0E-07
1.0E-06
1.2E-06
1.4E-06
1.6E-06
0.0E+00 5.0E-09 1.0E-08 1.5E-08 2.0E-08 2.5E-08 3.0E-08
Energy
Lift Force
Smaller C values
( Pareto Optimum)
47
θ=60deg.
θ=45deg.
θ=30deg
Averaged Lift

48. 流体→構造
※構造領域において、有限要素法メッシュと
MPS法壁粒子を重ねて配置する
MPS法流体解析を行い境界上の壁粒子の
圧力を取得
↓
各境界上節点の両近傍にある2粒子の圧力
値から、節点上の圧力を線形内挿
↓
圧力値と境界の法線ベクトルから、節点荷重
を求める
物理量の受け渡し方法
48
津波と構造物のＭＰＳ-ＦＥＭ連成解析

49. 49
弾性体障壁へのダムブレイクした
水の衝突解析

50. 50
建物への水の侵入解析

51. ご清聴ありがとうございました
http://adventure.sys.t.u-tokyo.ac.jp/
adv-info@save.sys.t.u-tokyo.ac.jp
51