CFDメッシュ生成におけるジオメトリモデルの課題を克服

私はよく、ジオメトリモデリングはメッシュ生成にとって、CFDにおける乱流モデリングのようなものだと言っていますが、それは大きな挑戦です。以下のインタビューでは、Cadence社のNick Wyman（ワイマン）氏がこの課題の範囲についてEngineering.comに語っています。記事全文はCFD Mesh Generators: Engineering.comの記事でCFD Mesh Generators: Top 3 Reasons They Slow Analysis and How to Fix Them（執筆者：Shawn Wasserman）または下記の記事（若干編集）をご覧ください。

CFD アナリストの多くは、モデルの準備を to-do リストに書き込むのを嫌います。新しい設計空間を探索するエキサイティングなチャンスであるはずが、数時間、場合によっては数日にも及ぶスカベンジャーハントのために遅れてしまうことがよくあります。

このモデルのCFDメッシュ生成の準備は、シミュレーションプロセスの中で最も時間のかかる部分です。

アナリストは、エンジニアリングの専門知識を使用して興味深い設計を開発、最適化、評価するのではなく、3Dソリッドでスライバー、カスプ、ギャップなど、メッシュを壊す可能性のあるものを探します。

Cadence (formerly Pointwise) の製品開発チームのマネージャーであるNick Wyman氏は、”CFD用のメッシュ生成は、CFDシミュレーションプロセスの中で最も時間のかかる部分だと言われています”と述べています。

シミュレーションを活用した設計と最適化戦略により、製品設計の反復回数が増えれば、開発サイクルの大部分がこのWhere's Waldo（ウォーリーはどこだ）ゲームに費やされることになります　-海外では、Where's Wallyと呼ばれています。

では、何が問題なのでしょうか？Wymanは、この問題を特定の個人やプロセスに押し付けることはできないと指摘します。実際、責任のなすり合いを避けるために、Wymanは”モデルの不適合”という言葉を使うようになりました。結局のところ、CADモデルをCFDメッシュに変換するという課題はどこにでもあるものなので、問題はシステム的なものでなければならないと彼は説明しています。

モデルの不適合は、多くの場合、モデルの意図の対立から生じる3つの問題によって引き起こされます。それは以下の通りです：

1.     モデルの相互運用性とトランスレーション

2.     サーフェスの交点、トリミングと許容範囲

3.     ジオメトリック詳細の不一致

これらの課題について以下で簡単に説明するか、ケイデンスのホワイトペーパー “Preparation of Geometry Models for Mesh Generation and CFD" をダウンロードして詳細を確認してください。

モデルの目的がCFDジオメトリの相互運用性と変換の課題をどのように生み出すか

CADソフトウェアの目的は、ジオメトリを作成することです。一見、当たり前のことのように思えるかもしれませんが、このことは、そのCADジオメトリを使用するソフトウェアにも大きな影響を与えます。

このような複雑なモデルでは、曖昧な部分が出てきてしまい、ファイルの変換が複雑になってしまいます。元画像はITI社のMark Gammon氏のプレゼンテーションより。下記リンク先のホワイトペーパーで参考資料をご覧ください。

"ほとんどの場合、使用するジオメトリモデラーに関わらず、情報を作成ソフトウェアからメッシングソフトウェアに変換する必要があります” とワイマン氏は詳しく説明しました。”これは、ほとんどのメッシングパッケージが、ジオメトリのクエリ操作に最適化されたジオメトリカーネルを使用しており、メッシングの際には、ジオメトリの作成操作ではなく、何百万ものクエリが実行されるからです。”

ジオメトリ作成に最適化されたソフトウェアから、クエリに最適化されたソフトウェアにモデルを移行することは、思ったほど簡単ではありません。元のモデルを作成したエンジニアに関わらず、そのモデルには変換に影響する曖昧さがあります。イギリス英語からアメリカ英語への翻訳のようなものです。”colours”をすべて”colors”に変えるのは簡単ですが、’Bob's your uncle’のようなフレーズは’少し変’になってしまいます。

"ファイル交換のための規格や仕様がある一方で、規格の解釈の違いや一般的な慣習、そして単なるバグなどにより、注意を払わないとモデルの不整合が発生します” とWyman氏は説明します。" 1つのジオメトリモデルが、その使用期間中に複数のソフトウェアパッケージと受け渡しされることは珍しくなく、変換のたびに少しずつエラーが発生します。

"プロプライエタリなフォーマットは、標準規格が公表されていないため、最悪の場合、相互運用性ツールを使ってデータフォーマットをリバースエンジニアリングすることになります。” このような場合、サードパーティのツールや相互運用性ライブラリは、独自のファイルを標準のファイルに変換して近似させようと最善を尽くします。これは、それ自体が問題であるだけでなく、標準ファイルが必然的に別のものに変換されるため、ライフサイクルにさらなる変換を加えることになります。

"メッシングには元のジオメトリカーネルを使用するため、変換エラーを避けることができるからです”とWymanは言います。

CADモデルの交点、トリミング、公差がCFDメッシングを複雑にする理由

ほとんどのCADモデルは、ユーザーインターフェース（UI）上で見られるよりもはるかに複雑であることがわかりました。

Wymanは、これらのモデルはキルトのようなものだと説明しています。数学的な形状やサーフェスの集まりが、ブール演算やルールによって編み込まれ、境界や全体的な共有サーフェスが定義されています。余分な面をすべてカットすると、解析や製造のための明確な定義がなされたパーツができあがります。

グラフィカル・インターフェース上のCADモデルと、その形状を決定する実際のサーフェスとの比較。(画像提供：Benjamin Urick, nVariate, Inc.およびBenjamin Marussig, TU Graz. 詳しくはこちら)

"最も一般的なジオメトリモデリングは、境界表現トポロジーを用いたもので、トリムされたサーフェスの集まりが共有されたエッジで論理的に結合され、ボリューム（固体部品）を構成します”とWymanは説明します。"その背後にあるすべての数学を表示すると、その複雑な部分が見えてきます。"

"課題は、CADモデルがこれらの交点を分析的に定義することを意図していないことです。もしそうであれば、交差点を完全に定義するために必要な計算資源は実用的ではありません。“

Wymanは、”特に現代のデザインでよく見られる有機的な形状の場合、サーフェス間の交差カーブが分析的に定義されることはほとんどありません。" その代わり、サーフェスの交差カーブは、2つのサーフェスの接合部を所定の許容範囲内で近似的に定義することで決定されます。つまり、2つのサーフェスのどちらか一方に交点曲線が正確に存在するわけではないのです。

"境界を切り詰めるために使用される交差曲線は近似値であるため、水密性の高い固体のシミュレーションを行いたいエンジニアにとっては問題となります。具体的には、この曲線は許容範囲内で矛盾した答えを返すことがあり、それによってメッシュが無効になる可能性があります。”

Wymanは、トリムされたカーブとサーフェスの間にジオメトリな不整合があると、メッシングプロセスにおいてロバスト性が損なわれます。特に、要素サイズが交差カーブの許容範囲と同じかそれ以下のスケールである場合には、ロバスト性が損なわれます”と説明します。 "このような場合、解析者はメッシュの挙動を制御し、メッシュの有効性を維持するために手動で介入しなければなりません” と説明しています。

2つの曲面の交差曲線を近似したときにできる隙間。(画像提供：Benjamin Urick, nVariate, Inc.およびBenjamin Marussig, TU Graz. 詳しくはこちら)

モデルの詳細がCFDメッシングを複雑にする原因

また、モデル内のディテールの量は、ジオメトリの使用目的によっても異なります。"ジオメトリモデルには多くのエンドユーザーが存在します” とWymanは説明します。そのため、’完全性’のためにできるだけ多くのディテールを盛り込みたくなるのです。”

また、”CFD解析を行う際には、部品の製造に必要な幾何学的な詳細が不要な場合があります。例えば、CFDメッシュ作成時に接液面を超えるジオメトリを省略する必要がありますが、これは非常に手間のかかる作業です” と述べています。

車のボンネットのような濡れた表面は、外側は滑らかかもしれません。しかし、その表面の下には、支柱などの構造的なジオメトリが含まれています。これらのジオメトリは空気との相互作用はありませんが、複雑なメッシュを生成してしまいます。"これらの構造を取り除く” ためには、”ジオメトリの各部分を何千回もクリックしなければならないこともあります” とWymanは言います。

流体と相互作用しない表面に加えて、意図的なものとそうでないものがあります。流体の流れに重要な影響を及ぼさない幾何学的ジオメトリがあります。これらのジオメトリは結果にはほとんど影響しませんが、メッシュを複雑にしてしまうので、排除しなければなりません。

過剰な情報は、’詳細度’ の問題だけではありません。Wymanは次のように述べています。 ”逆もまた真なり。” ファーフィールド境界面やアセンブリ内の部品間の共通面など、シミュレーションに必要な機能を省略すると、解析者が手動で定義する必要があるため、CFDメッシングのワークフローが中断されてしまいます。

"ジオメトリが欠けているといっても、ホイールやフロントガラス、ミラーのことではありません。欠けているCFDジオメトリは、デザインそのものに加えて、そのジオメトリを定義する必要があります。例えば、デザイン周辺の流体の流れに影響を与える特徴（地面など）を定義する必要があります。これらのパーツがないため、手作業で追加する必要があり、自動化が難しいのです。”

CFDメッシングのためにジオメトリを簡略化する方法

エンジニアは、CFDメッシングのジオメトリを単純化するいくつかの方法を用意しています:

1.     トポロジー抽象化では、メッシュを単一のコンポーネントとして扱い、境界を無視します

2.     リペアやヒーリングは、モデルの妥当性を向上させるために、局所的なサーフェスの近似値を作成します

3.     シュリンクラッピングは、モデルの上に敷き詰めるまで、防水メッシュのサイズを縮小します

機械学習（ML）ツールを使っても、ジオメトリ固定の多くを自動化することができます。しかし、この方法では、エンジニアがモデルをコントロールできる範囲が限られてしまいます。

Wymanは、ケイデンスが、エンジニアが仕事をこなすために必要な多くのツールを提供していることを指摘しています。 “私たちは、モデルの公差に起因する幾何学的妥当性の問題を自動的に解決する洗練されたツールを提供しています。当社の生産性ツールは、過度に詳細なモデルを扱うために設計されており、当社のフォルトトレラントメッシングツールは、メッシュ要素のサイズをモデルの許容値よりも小さくすることができます” と述べています。また、ケイデンス社は、CADと解析パッケージ間の相互運用ツールを提供していることにも言及しています。

CFDメッシュ生成のためにジオメトリモデルを準備する方法についてのより詳細な議論については、ケイデンスのホワイトペーパー “Preparation of Geometry Models for Mesh Generation and CFD.” をダウンロードしてください。

Shawn Wassermanが2021年5月4日にengering.comで発表した CFD Mesh Generators: Top 3 Reasons They Slow Analysis and How to Fix Them 記事に基づいています。

この記事に関するお問合せは、cdsj_info@cadence.com までお願いいたします。
Author: John Chawner
Translator: Norikazu Takada
このブログの英語版は こちら より