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24Jun17 MBD-Case - Room and MBD and I Ver3

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This slide was presented at the joint OpenCAE study meeting in 24/06/2017.
Nabla-chan using in this slide is a mascot character of OpenCAE study meething at kansai.
OpenCAE study meething at kansai and kinoko(@donkinoko) own the copyright of nabla-chan.

Published in: Engineering
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24Jun17 MBD-Case - Room and MBD and I Ver3

  1. 1. 部屋とMBDと私 2017/6/24 オープンCAE合同勉強会 Shige 趣味のシミュレーション
  2. 2. 目次 1. 背景 2. MBDとは? 1. MBDの概要とやり方 2. 1DCAEについて 3. 1DCAEツール – OpenModelica 3. 事例-部屋とMBDと私 1. 現状 2. ブロック図 3. 1Dモデル 4. 結果
  3. 3. 背景 オープンCAE勉強会の人達がMBDに手をつけてくれない 複数の方から「遊び方がわからない」とのコメント 何か良い題材はないか? もう夏間近ですが… 冬になると部屋がとても寒いので MBDで何とかしよう!!!
  4. 4. そもそもMBDって? MBD(Model Based Design/Development) 設計対象を言葉や図形(モデル)によって簡略化し、 CAEにより機能や品質を事前検証することを特徴とする設計開発手法 (個人的な定義です。人や会社によって様々な定義があります)
  5. 5. 例.パソコンのモデル化(かなり適当) PCの基本的な役割 外部からの情報に対して 適切に計算を行い 結果を表示する 入力部 出力部 計算 保存 電源モデル化 放熱 Data 電気エネルギー 熱エネルギー モデル化のルール1 対象(システム)の役割や挙動を抜けなく、もれなく、ダブりなくブロックと矢印で表す 光や音 外部からの情報
  6. 6. 例.パソコンのモデル化-階層化(かなり適当) 計算 演算装置 CPUのみの場合 InputData OutputData メモリなどからのInputData 電気エネルギー 放熱 レジスタ/キャッ シュ 入力部 出力部 計算 保存 電源 放熱 光や音 外部からの情報 ブロックは必要十分な領域まで細かく分割する(階層化) モデル化のルール2 階層化 第一階層 第二階層(計算ブロック)
  7. 7. MBDによる製品開発の流れ(V字モデル) V字モデル…構想設計から品質評価までの開発工程とテスト工程の対応関係を表した図 図中の構想設計の段階でCAEによる評価を行うことを一つの特徴とする。 入力部 出力部 計算 保存 電気E 1DCAEの解析モデル CAE(3D,1D)の解析モデル 構想設計段階でCAEによる評価、検証を行い 手戻りを最小化、目標を達成できる!! 速い、安い カンタン、CAD&メッシュいらない (もちろん実験との比較は必要) 構想設計 詳細設計 部品設計 部品試作 単体テスト 製品テスト システムテスト 手戻り最小化 Verification Verification Verification
  8. 8. MBDの嬉しさ  システム全体を図面やモノが無い状態で検証し 不具合対策ができるため手戻りなく、短期の開発ができる  モデルの変更に強く、ロバストな設計ができる  経験や勘に頼っていた部分を理論化することで、 誰もが最適な製品設計の道筋を作ることができる
  9. 9. どうやってやればいい? ① システム(解析対象の系)の定義 ② システムをブロックに分解する ③ ブロック内の計算式、入出力を定義する ④ 計算して精度を確認する ⑤ 設計条件を変更し最適な状態を見つける ⑥ 設計に反映させる 1DCAEによる解析 以下の6ステップに従って設計すればOK!
  10. 10. 1DCAEとは? 狭義・・・微分代数方程式を解くことを前提とした解析手法 どのような系を解くかで0D,1Dと分ける場合もあります 広義・・・対象となる現象をある程度単純な式で表す解析手法 対象となる現象 ある程度単純な式 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = 𝛼 𝜕2 𝑇 𝜕𝑥2 + 𝜕2 𝑇 𝜕𝑦2 + 𝜕2 𝑇 𝜕𝑥2 様々な近似や 過程を行うことで 簡単で、どのような 現象がおこっている か分かりやすい式に! q = k𝐴 dT d𝑥 フーリエの法則 熱エネルギー保存の法則 c𝜌 dT dt = d𝑞 dx Q:熱流束 k:熱伝導率 A:面積 c:比熱 ρ:密度 (例) 熱伝導の場合 T:温度 t:時間 x,y,z:空間座標軸 α:熱拡散係数
  11. 11. 1DCAEのメリット – 3DCAEと比較 すべて個人の感想です 1DCAE 3DCAE 複合領域解析 ◎ 流体、熱、構造、振動、騒音、制御、 電磁気、化学反応、最適化解析が同時に可能 △ 流体構造連成だけでも大変 パラメータスタディ ◎ △ 形状変更のパラスタは大変 モデルのロバスト性 ◎ 様々な製品に対応可能 △ 製品変わればCADからやり直し 操作性(プリポスト) ◎ × 難しい、時間かかる 計算時間 ◎ 数秒~数分 △ 数十分~数時間 費用(ソフト+サポート代) ◎ 安い × 高い 場(PDE)の計算 × ◎ ◎:とても良い 〇:良い △:普通 ×:悪い
  12. 12. 商用ソフトに匹敵するオープンソースの1DCAEツール OpenModelica 使いやすい! ・Windows対応 ・日本語対応 高機能! ・わかりやすいGUI ・パラメータスタディ ・高機能なエディタ ・デバッガ ・Git対応 ・豊富な解析ライブラリ 学びやすい! ・学習用教材の充実 – OMNotebook ・動画のチュートリアル – Spoken tutorials OpenModelicaはOSMC(OSMC Open Source Modelica Consortium)が提供するOSSです
  13. 13. OpenModelicaのBuildin Libraries 87種類のOSSライブラリによって様々な解析が可能(以下は一部) 車両 建築 風力発電 光発電 電力システム 生理現象 核反応炉 サーボ 燃料電池 etc. 物理現象 流体 熱 構造 振動 騒音 電磁気 化学反応 生化学 etc. 解析対象 複素数 ニューラルネットワーク 古典制御 ファジー制御 etc. 数学 出力フォーマット変換 組み込み用デバイスドライバ etc. データ用ツール 各団体や企業が公開しているライブラリや 商用ライブラリを合わせればさらに多くの解析が可能
  14. 14. メリットが多いMBDで 遊んでみよう!
  15. 15. 目次 1. 背景 2. MBDとは? 1. MBDの概要とやり方 2. 1DCAEについて 3. 1DCAEツール – OpenModelica 3. 事例-部屋とMBDと私 1. 現状 2. ブロック図 3. 1Dモデル 4. 結果
  16. 16. 私の寒い部屋の現状
  17. 17. 木造2階建 築ン10年 床冷え、壁、窓からの寒さがこたえる 外 部屋 私 私の部屋
  18. 18. やりたいこと どうやったら私の温度を下げないようにできるか? ただし、お金をあまりかけないようにしたい エアコンの温度を高くするか(電気代が上がる) 床に断熱材を配置するか?(意外と値段が高い) ストーブを置くか? 朝から夜にかけての長時間領域の非定常計算をしたい たくさんのケースを解きたい 様々な物理領域(熱、流体、エアコンの電気駆動&制御、人体の温度制御)を解きたい 高い精度は求めていない 実際に物を買う前に(構想設計段階で)評価を行いたい 引越しした場合に備えて、引越し先の温度の予測も行いたい(ロバスト性)
  19. 19. MBDが最適!!!
  20. 20. ① システム(解析対象の系)の定義 ② システムを部品(モデル)に分解する(階層化) ③ モデル内の計算式、入出力を定義する ④ 計算して精度を確認する ⑤ 設計条件を変更し最適な状態を見つける ⑥ 設計に反映させる 以下の流れに従ってMBDを実施する
  21. 21. 目次 1. 背景 2. MBDとは? 1. MBDの概要とやり方 2. 1DCAEについて 3. 1DCAEツール – OpenModelica 3. 事例-部屋とMBDと私 1. 現状 2. ブロック図 3. 1Dモデル 4. 結果
  22. 22. 外 部屋 私 ①システムの定義 各物理現象によって私の熱量をコントールする系?
  23. 23. ② システムを部品(モデル)に分解する まずはエアコン無しでモデルを作成 外 部屋 私 エアコン Q外 Q私 ΔH(=Hin-Hout)
  24. 24. 外のモデル-第二階層 輻射E 昼の場合 太陽 外 大気・雲 地域 (海、ビル、地面) 住居付近の地面 住居付近の遮蔽物、 反射物 空気 輻射E 熱伝達E 熱伝導E 輻射E (直達日射量、散乱日射量) 熱伝達E 熱伝達E 熱伝導E 部 屋 *もうちょっとざっくり区切ってもよかった Q外
  25. 25. 外のモデル-第二階層 輻射E 夜の場合 太陽 外 大気・雲 地域 (海、ビル、地面) 住居付近の地面 住居付近の遮蔽物、 反射物 空気 輻射E 熱伝達E 熱伝導E 輻射E (直達日射量、散乱日射量) 熱伝達E 熱伝達E 熱伝導E 部 屋 Q外 ③ ② ① *夜が寒いので、夜間の解析さえできれば良い
  26. 26. 部屋のモデル-第二階層 部屋 ⑤熱伝導E③熱伝導E ②熱伝達E ①輻射E 外壁、屋根 より詳細には、建物を各部屋に分ける予定 熱伝導E 熱伝達E ④熱伝達E そ し て 私 へ床 私の部屋の空気 熱伝達E
  27. 27. 私のモデル-第二階層 私 上半身 下半身 ⑤熱伝導E ④熱伝達E 床 私の部屋の空気 部屋 頭 *各部は発熱する おおざっぱな ブロック図は できた 服 Q私 熱伝達E 熱伝導E 熱伝導E
  28. 28. 目次 1. 背景 2. MBDとは? 1. MBDの概要とやり方 2. 1DCAEについて 3. 1DCAEツール – OpenModelica 3. 事例-部屋とMBDと私 1. 現状 2. ブロック図 3. 1Dモデル 4. 結果
  29. 29. とりあえず温度を測定 Validationのため、外と部屋の温度を測定した 今回はモデルの温度の初期値にのみ使用 温度湿度データロガーRC-4HCを 外と部屋に置いて温度測定 Time[hour] Temp[degree] Outdoor 測定期間 2017/2/17 04:00 2017/2/18 09:00 サンプリング間隔 1分間 ×2個
  30. 30. ③ モデル内の計算式、入出力を定義する 各ブロック内に計算式が定義されている 大まかな評価のため、簡易的なモデルを作成(輻射なし、エアコンなし) 今後段階的に詳細化していく
  31. 31. 非定常熱伝導モデルの自作 今回の解析には熱伝導現象が多く含まれるが既存の熱伝導モデルは使い勝手が悪かったので、 操作感と精度の良い熱伝導モデルの作成を目指した 使い勝手の悪さ1 接続するポートによって解析値が異なる 使い勝手の悪さ2 簡単な一次元非定常熱伝導問題が解く際に注意が必要
  32. 32. 非定常熱伝導モデル作成の方針 dT dt = 𝛼 𝜕2T 𝜕2 𝑥 方針1 一次元非定常熱伝導方程式を用いる 方針2 モデルの温度は中心の値で表す dT dt = 𝛼 T𝑛+1 − 2𝑇𝑛 + 𝑇𝑛−1 𝛿𝑥2 空間座標に関する2階微分項を差分式で表せばいける T𝑛+1T𝑛−1 T𝑛 𝛼 = 𝜆 𝜌𝑐 方針3 熱流量も差分式で表す 𝑞 𝑛 = −𝜆𝐴 T𝑛+1 − 𝑇𝑛 𝛿𝑥 𝛿𝑥 c:比熱(J/kg・K) ρ:密度(kg/m^3) λ: 熱伝導率(W/mk) 𝛿𝑥 𝑞 𝑛 = −𝜆𝐴 −𝑇𝑛+2 + 4T𝑛+1 − 3𝑇𝑛 2𝛿𝑥Or前進差分 二次精度差分
  33. 33. 非定常熱伝導モデル作成のコード dT dt = 𝛼 T𝑛+1 − 2𝑇𝑛 + 𝑇𝑛−1 ℎ2 𝛼 = 𝜆 𝜌𝑐 𝑞 = −𝜆𝐴 T𝑛+1 − 𝑇𝑛 ℎ T𝑏 𝑞 𝑏 T𝑎 𝑞 𝑎 T ℎ 連立方程式は好きな方法で自動で解いてくれる & 時間微分オペレータderがあるので コーディングはとても楽 transientTransferモデル 対応する数式 コードの例(熱流量 一次精度差分式での計算) ℎ
  34. 34. 非定常熱伝導の解の比較対象 解析解 dT dt = 𝛼 𝜕2T 𝜕2 𝑥 変数分離形 境界条件 解の重ね合わせ 初期条件 初期温度 100℃ BC 0℃ BC 0℃ 解の比較用の計算対象 物体の初期温度 100℃ 両端温度固定 0℃ 熱拡散係数α 0.1[m^2/s] 𝑇 𝑥, 𝑡 = 4T0 𝜋 𝑛=1 ∞ 1 2𝑛 − 1 𝑠𝑖𝑛 2𝑛 − 1 𝜋𝑥 𝐿 exp − 2𝑛 − 1 𝜋 𝐿 2 𝑘𝑡 OpenFOAM 寸法 1×1×1 メッシュ ヘキサ10×10×10 laplacianFoam 側面は断熱境界
  35. 35. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 温度[℃] 時間[sec] 解の比較 解析解 OM-一次精度 OM-二次精度 OF 非定常熱伝導の解の比較 OMのモデルは10個直列に接続した OM一次精度以外は 解が一致した 自作モデルには OM-2次精度モデル を使用する
  36. 36. 実験データ(部屋の温度) 1Dモデル 夜明けまでは比較的合致している ④ 計算して精度を比較する 夜明け 計算条件 DAEソルバ dassl 計算時間 72000sec 計算間隔 30sec 計算時間 数十秒程度(3DCAEでは この計算は数日かかりそう。。。)
  37. 37. 私の温度について 人体の熱モデル 発熱 30W (本来は 70W程度 だが熱く なりすぎ るので下 げた) 下半身(くるぶしくらい) 上半身真ん中 上半身 下半身 は 熱伝導 モデルを 5個直列に つなげたもの 上半身 下半身 部屋の温度(実験データ) 40 35 30 25 20 15 10 温度[℃] 時間[sec] やはり床と接している下半身から冷えてくる
  38. 38. ⑤ 設計条件を変更し最適な状態を見つける T勉強会のN氏よりこんなアドバイスをいただきました。 「一人暮らしだから寒いんだ。 彼女でも作って一緒に住めばあったかいよ。」
  39. 39. 二人にして計算 私より 小柄に設定 なぶらちゃんは「オープンCAE勉強会@関西」および キャラ製作者の「キノ子(@donkinoko)」様の著作物です。 オープンCAE勉強会@関西 公式マスコットキャラクター なぶらちゃん 1人増やすのに大体3分で終わった。 3DCAEでは小柄な人体CADを用意し、部屋に配置し メッシュを切るのに数時間はかかりそう。 1Dは解析精度を求めるより、このような構想設計がしやすいのが強み。
  40. 40. 二人の時の温度解析結果 二人の時-上半身 二人の時-上半身 一人の時-上半身 一人の時-下半身 寒 く な い ・ ・ ・?
  41. 41. 結果について ・モデル化が不十分だと思われる。 とりあえず人体モデル、部屋モデルについて見直しを計る。 ・部屋モデルは建物全体をモデル化したい。 また、部屋の材料毎(木材、ガラスなど)のモデルを作成する ・人体モデルはPhysioLibraryなど既存のモデルを参考にするが、 現状は使用しない。 人体熱モデルは非常に多くかつ詳細な解析モデルが 提案されている。 http://www.env.go.jp/air/report/h25-02/05-ref1-05.pdf しかし1Dモデルではなく、必要なパラメータや取得データが多く理論も詳細で 実装だけで工数が多くかかる。今回の目的には高い精度は必要ないため 人体モデルではなく全体のモデル(輻射モデル、エアコンなど)を作ることを優先する。
  42. 42. スケジュール ○ 各ブロックのモデル化 ー 外、部屋(熱容量、熱伝導率)、 私、輻射、エアコンのモデルの仕方も検討(8月位まで) ○ 対策の検討(9月) ○ 対策の実施(12月) ○ 振り返り(1月)

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