JSCES 不 確 かさのモデリング シミュレーション 法 に 関 する 研 究 会 ( 第 3 回 会 合 ) 日 本 計 算 工 学 会 学 会 標 準 解 説 (2) ( 続 )&002:2015 2015 年 11 月 13 日 慶 應 義 塾 大 学 理 工 学 部 機 械 工 学 科 高 野 直 樹 naoki@mech.keio.ac.jp 前 回 資 料 日 本 計 算 工 学 会 (JSCES) 学 会 標 準 S-HQC001:2011 ( 第 2 版 ) 工 学 シミュレーションの 品 質 マネジメント Quality Management of Engineering Simulation S-HQC002:2011 S-HQC002:2015( 第 2 版 ) 工 学 シミュレーションの 標 準 手 順 A Model Procedure for Engineering Simulation S-HQC003:2015 学 会 標 準 (HQC001&002) 事 例 集 The Application Examples for Quality Management of Engineering Simulation (HQC001) & A Model Procedure For Engineering Simulation (HQC002) 1
前 回 資 料 海 上 石 油 プラットフォームの 崩 壊 事 故 (1) 発 生 日 時 : 1991 年 8 月 23 日 場 所 : 北 海 の 大 規 模 天 然 ガス 生 産 地 Sleipner Field 1. SINTEF, Sleipner A GBS Loss Report 16 Quality Assurance, STF38 A97428, 1997. 2. M. P. Collins, F. J. Vecchio, R. G. Selby, and P. R. Gupta, The failure of an offshore platform, Concrete International, pp. 29-35, 1997. 3. B. Jakobsen and F. Rosendahl, The Sleipner platform accident, Structural Engineering International, Vol. 3, pp. 190-193, 1994. 前 回 資 料 海 上 石 油 プラットフォームの 崩 壊 事 故 (2) 海 上 石 油 プラットフォームの 基 礎 が 崩 壊, 沈 没 した. FEM 解 析 で 発 生 する 応 力 を 低 く 見 積 もってしまった. 損 失 額 :7 億 ドル Tricellの 壁 が 水 圧 ( 水 深 65 m)に 耐 え られず せん 断 破 壊 Tricell 2
前 回 資 料 海 上 石 油 プラットフォームの 崩 壊 事 故 (3) 破 損 位 置 使 用 ソフト NASTRAN 要 素 種 類 8 節 点 ソリッド 要 素 ただし 縮 退 したプリズム 要 素 も 併 用 事 故 後 の 検 証 実 験 で 破 壊 モードが 再 現 された せん 断 応 力 を 実 際 の47%と 見 積 って しまった 前 回 資 料 海 上 石 油 プラットフォームの 崩 壊 事 故 (4) Company B ( 補 強 部 材 の 解 析 設 計 担 当 ) FEM 解 析 による 応 力 データ Company A ( 海 中 構 造 部 分 のGlobal Analysis 担 当 ) Design & Analysis 業 務 の 依 頼 Principal company (プラットフォームの 設 計 製 造 管 理 ) Verification の 依 頼 補 強 部 材 の 設 計 図 面 海 中 構 造 部 分 の 最 終 設 計 解 析 結 果 Documentation 結 果 の 報 告 Company C ( 海 中 構 造 部 分 の 解 析 結 果 のチェック 担 当 ) 3
前 回 資 料 海 上 石 油 プラットフォームの 崩 壊 事 故 (5) 補 強 部 材 の 設 計 会 社 (Company B)はプリズム 要 素 の 精 度 の 悪 さの 可 能 性 を 指 摘 したが Tricell 含 む 一 部 にはプリズム 要 素 が 残 った Company Aでは, 荷 重 のつりあい 支 持 反 力 いつかの 注 目 部 位 の 変 形 に 関 してチェックが 行 われたが Tricellに 注 意 が 向 けられることはなかった Company Bでも 各 断 面 に 発 生 する 力 を 計 算 応 力 集 中 は 周 辺 の 要 素 の 値 から 外 挿 して 求 め 適 切 なプロセスに 基 づき, 補 強 部 材 の 設 定 が 行 われたが Tricellのプリズム 要 素 には 注 意 が 払 われなかった Company Cでは プリズム 要 素 による 精 度 低 下 の 指 摘 はなく 別 プログラムでシェル 要 素 を 用 いた 解 析 は 簡 易 なモデルで 局 部 の 応 力 集 中 の 検 証 にはいたらなかった また 検 証 にかけら れる 時 間 と 予 算 は 限 られていた 事 故 後 の 実 験 検 証 にかかった 費 用 労 力 は 約 4 倍 レビューができる 人 材 他 部 署 レビューができる 人 材 体 制 の 構 築 ( 協 業 作 業 ) 説 明 能 力 モデル 化 ができる 人 材 FEM 解 析 データ を 作 成 できる 人 材 理 論 の 知 識 経 験 知 4
前 回 資 料 品 質 保 証 とV&Vの 体 制 確 立 の 必 要 性 (1) 人 材 の 力 量 と 体 制 (マネジメント) 数 名 の 経 験 豊 富 な 技 術 者 だけがFEM 解 析 するなら 大 きな 問 題 は 起 こりにくいが 多 人 数 の 多 様 な 熟 練 度 の 社 員 がかかわる 場 合 や 外 注 を 用 いる 場 合 の 品 質 保 証 をどうするか? レビューの 必 要 性 プロ 野 球 のエース 投 手 でも 失 投 はある ダブルチェック トリプルチェック うっかりミス 思 い 込 み 人 材 の 力 量 を 体 制 (マネジメントシステム)でカバー 前 回 資 料 品 質 保 証 とV&Vの 体 制 確 立 の 必 要 性 (2) 人 材 の 力 量 と 体 制 (マネジメント) 過 去 の 解 析 例 を 生 かす 文 書 化 非 常 に 手 間 時 間 コストがかかる 失 敗 例 を 残 すのは 難 しい( 心 理 的 にも すぐに 直 して 正 しい 結 果 が 欲 しくなる) 膨 大 なデータ 管 理 PDMS(プロセスデータマネージメントシステム) コスト 文 書 化 レビューはコストがかかる 実 験 検 証 は 非 常 にコストがかかる リスク( 万 が 一 の 時 のコスト) 5
前 回 資 料 補 遺 シミュレーション(Simulation) シミュレーションとは 数 値 シミュレーションを 意 味 する 現 象 を 記 述 するモデルを 作 成 し このモデルから 数 値 計 算 モデル を 作 成 し 数 値 計 算 モデルにより 自 然 現 象 の 挙 動 を 計 算 するこ とを 数 値 シミュレーションという 工 学 シミュレーション(Engineering simulation) 工 学 シミュレーションとは 問 題 の 記 述 シミュレーション 結 果 の 工 学 的 な 解 釈 のすべてのプロセスをいう 本 書 では 工 学 シミュレーションをシミュレーションと 呼 ぶ シミュレーションのプロセスの 例 を 附 属 書 Aに 示 す 6
補 遺 シミュレーションツール(Simulation tools) シミュレーションツールとは シミュレーションソフトウェア とコンピュータのハードウェアをいう シミュレーションの 実 施 にコンサルタントや 請 負 業 者 が 不 可 欠 の 場 合 は これらもシ ミュレーションツールに 含 まれる 供 給 者 (Supplier) 供 給 者 とは シミュレーションツール(シミュレーションを 実 施 する 際 に 使 用 する シミュレーションソフトウェア コン ピュータのハードウェア コンサルタントと 請 負 業 者 )の 供 給 者 をいう 補 遺 製 品 (Product) 製 品 とは シミュレーション 結 果 シミュレーション 結 果 の 解 釈 報 告 及 び 契 約 で 明 確 にされる 納 品 物 を 含 めた 工 学 シミュ レーションの 結 果 をいう 組 織 (Organization) 組 織 とは 工 学 的 用 途 の 工 学 的 評 価 において 計 算 手 法 を 採 用 して 工 学 シミュレーションを 実 施 することに 責 任 を 持 つ 部 門 を いう 解 析 者 (Analyst) 解 析 者 とは 要 求 事 項 に 応 じてシミュレーションする 問 題 を 記 述 し データの 準 備 シミュレーションの 設 計 と 実 施 に 責 任 を 持 つ 要 員 をいう 7
補 遺 工 学 的 用 途 (Engineering application) 工 学 的 用 途 とは シミュレーションの 対 象 物 をいう 既 に 存 在 している 場 合 もあるし これから 作 られる 場 合 もある 用 途 の 種 類 (Application type) 用 途 の 種 類 とは 工 学 的 用 途 の 種 類 をいう 例 えば 原 子 力 プ ラント 航 空 機 橋 梁 など 工 学 的 評 価 (Engineering assessment) 工 学 的 評 価 とは 許 容 範 囲 内 で 工 学 的 用 途 の 安 全 性 や 機 能 的 な 信 頼 性 を 示 すプロセスをいう 補 遺 シミュレーションの 種 類 (Simulation type) シミュレーションの 種 類 とは シミュレーションと 関 係 した 解 析 方 法 の 種 類 をいう 例 えば 音 響 解 析 流 体 解 析 熱 解 析 構 造 解 析 計 算 手 法 (Computational method) 計 算 手 法 とは シミュレーションに 採 用 される 数 値 計 算 的 な 技 法 である 数 値 的 近 似 (Numerical approximation) 数 値 的 近 似 とは 数 値 計 算 のための 数 学 ( 数 理 )モデルの 離 散 的 近 似 をいう 8
補 遺 問 題 の 理 想 化 (Problem idealization) 問 題 の 理 想 化 とは 工 学 的 問 題 を 概 念 的 な 数 学 ( 数 理 )モデル として 表 現 するプロセスをいう 結 果 の 解 釈 (Results interpretation) 結 果 の 解 釈 とは 工 学 的 な 観 点 からシミュレーションの 結 果 を 解 釈 することをいう 重 要 性 の 区 分 (Category of importance) 重 要 性 の 区 分 とは シミュレーションの 重 要 性 の 区 分 をいう これは 工 学 的 用 途 の 評 価 における 工 学 シミュレーションの 重 要 性 及 び 工 学 的 用 途 の 破 損 を 人 間 の 生 命 に 対 するリスクと 機 能 不 全 のコストという 観 点 から 見 た 場 合 の 重 要 性 の 両 方 から 決 ま る 補 遺 検 証 (Verification) 検 証 とは 客 観 的 な 証 拠 を 提 示 することによって 規 定 要 求 事 項 が 許 容 範 囲 内 で 満 たされていることを 確 認 することをいう 例 えば ソフトウェアの 検 証 は シミュレーションソフトウェ アが 正 しい 理 論 的 基 礎 を 有 し 定 義 された 機 能 的 仕 様 を 満 たし ていることを 実 証 することが 要 求 される シミュレーションの 検 証 は シミュレーションのデータが 正 しく 作 成 され 入 力 され て 計 算 が 適 切 に 実 行 されていることを 確 認 することが 要 求 され る 9
補 遺 妥 当 性 確 認 (Validation) 妥 当 性 確 認 とは すべての 検 証 が 完 了 し また 意 図 された 用 途 又 はシミュレーションの 適 用 に 関 する 要 求 事 項 が 許 容 範 囲 内 で 満 たされていることを 確 認 することをいう シミュレーショ ンの 妥 当 性 確 認 の 範 囲 には 問 題 の 理 想 化 データ 数 値 的 近 似 及 び 結 果 の 解 釈 が 含 まれる 補 遺 参 照 解 析 (Reference simulation) 参 照 解 析 とは 既 存 の 工 学 的 対 象 の 目 的 に 適 したシミュレー ション 結 果 であることが 独 立 した 手 段 で 確 認 できるシミュレー ションである このようなシミュレーションは シミュレー ションソフトウェアの 実 行 だけでなく すべての 適 切 なシミュ レーションプロセス 例 えば 問 題 の 理 想 化 数 値 近 似 結 果 の 解 釈 に 適 用 できる 参 照 解 析 は 同 様 の 状 態 にある 類 似 の 工 学 的 用 途 に 対 しては シミュレーション 手 順 の 適 格 性 確 認 に 使 用 できる 10
補 遺 適 格 性 確 認 (Qualification) 適 格 性 確 認 とは 規 定 要 求 事 項 を 満 たす 能 力 があることを 証 明 することをいう 適 格 性 確 認 の 適 用 範 囲 (Scope of Qualification) 適 格 性 確 認 の 適 用 範 囲 とは 文 書 化 され 適 格 性 確 認 された 手 順 又 はプロセスの 適 用 性 の 範 囲 のことをいう 適 格 性 確 認 の 適 用 範 囲 は 次 のものを 考 慮 して 定 義 しなければならない 1 工 学 的 用 途 の 種 類 2 解 析 方 法 のプロセス 3 使 用 されるソ フトウェア 4 適 格 性 確 認 の 適 用 範 囲 の 基 礎 となっている 参 照 解 析 に 関 係 し 手 順 又 はプロセスの 適 用 可 能 性 に 影 響 を 及 ぼす 1~3 以 外 の 要 因 補 遺 適 格 性 確 認 されたプロセス(Qualified process) 適 格 性 確 認 されたプロセスとは 規 定 要 求 事 項 を 満 たす 能 力 が あることが 証 明 されたプロセスをいう 適 格 性 確 認 された 手 順 (Qualified procedure) 適 格 性 確 認 された 手 順 とは 参 照 解 析 又 は 類 似 の 工 学 的 用 途 で 同 じ 手 順 を 採 用 し 妥 当 性 が 確 認 されている 複 数 のシミュレー ションにより 適 格 性 が 確 認 された 手 順 をいう 適 格 性 確 認 され た 手 順 には シミュレーションにおける 問 題 の 理 想 化 シ ミュレーションソフトウェアの 実 行 結 果 の 工 学 的 な 解 釈 が 含 まれる 適 格 性 確 認 された 手 順 はルーチンのシミュレーション 業 務 ( 定 型 的 なシミュレーション 業 務 )を 意 図 したものである 11
補 遺 手 順 の 適 格 性 確 認 (Procedure qualfication) 手 順 の 適 格 性 確 認 とは 解 析 者 により 管 理 されたソフトウェア の 実 行 を 含 むすべての 文 書 化 した 手 順 が 工 学 的 用 途 の 重 要 性 や 目 的 に 対 して 適 切 なものであることを 証 明 することをいう S-HQC002:2015 契 約 内 容 の 確 認 業 務 範 囲 の 明 確 化 とレビュー 実 行 計 画 書 の 作 成 解 析 計 画 書 の 作 成 及 びレビュー 解 析 モデルの 作 成 及 び 計 算 実 行 解 析 の 妥 当 性 確 認 とレビュー 図 化 処 理 : 報 告 用 報 告 書 作 成 最 終 報 告 納 品 データの 管 理 12
解 析 計 画 書 の 標 準 的 な 構 成 S-HQC002:2015 1. 序 論 概 要 解 析 の 目 的 目 標 とする 精 度 適 用 する 解 析 手 順 書 適 用 する 品 質 保 証 基 準 2. 必 要 な 成 果 物 数 値 データ グラフィック 図 表 報 告 書 の 詳 細 度 のレベル( 基 本 的 標 準 的 包 括 的 ) 3. 解 析 対 象 4. 解 析 モデル 5. 解 析 方 法 6. 検 証 と 妥 当 性 確 認 の 方 法 7. 参 照 図 書 解 析 報 告 書 の 標 準 的 な 構 成 S-HQC002:2015 0. 要 約 1. 序 論 2. 解 析 モデル モデル 化 の 方 針 解 析 モデル 境 界 条 件 及 び 荷 重 条 件 材 料 定 数 ( 物 理 定 数 ) 単 位 系 3. 解 析 方 法 4. 検 証 及 び 妥 当 性 確 認 の 結 果 5. 解 析 結 果 6.まとめ 7. 参 照 図 書 付 録 13
S-HQC002:2015 レビュー レビュー レビュー S-HQC002:2015 (1) 契 約 内 容 の 確 認 (2) 業 務 範 囲 の 明 確 化 とレビュー (3) 実 行 計 画 書 の 作 成 (4) 解 析 計 画 書 の 作 成 及 びレビュー (5) 解 析 モデルの 作 成 及 び 計 算 実 行 1) 形 状 モデルの 作 成 2)メッシュの 作 成 3) 入 力 データの 設 定 4) 事 前 検 証 5) 計 算 の 実 行 (8) 図 化 処 理 6) 後 処 理 (9) 報 告 書 作 成 (6) 解 析 の 検 証 (10) 最 終 報 告 納 品 (7) 解 析 の 妥 当 性 確 認 とレビュー (11)データの 保 管 14
S-HQC002:2015 解 析 の 検 証 と 妥 当 性 確 認 の 方 法 1. 事 前 検 証 1.1 入 力 データの 整 合 性 の 確 認 1.2 予 備 計 算 による 入 力 データの 確 認 2. 解 析 の 検 証 事 前 検 証 と 本 計 算 の 結 果 の 検 証 結 果 を 併 せて 計 画 した 解 析 が 正 しく 行 われたことを 確 認 する 3. 解 析 の 妥 当 性 確 認 入 力 データ 及 び 数 値 計 算 に 関 わる 一 連 の 検 証 過 程 を 確 認 した 上 で 問 題 の 理 想 化 及 び 解 析 結 果 が 顧 客 の 意 図 された 用 途 に 対 して 許 容 される 範 囲 で 工 学 的 に 妥 当 であることを 確 認 する S-HQC002:2015 解 析 の 検 証 と 妥 当 性 確 認 の 方 法 3. 解 析 の 妥 当 性 確 認 (つづき) 解 析 結 果 の 妥 当 性 確 認 には 何 等 かの 独 立 した 手 法 の 結 果 と 比 較 することを 要 求 する 独 立 した 手 法 としては 工 学 式 理 論 解 などを 用 いた 手 計 算 参 照 解 析 結 果 代 替 計 算 及 び 実 験 などがある 問 題 の 理 想 化 (モデル 化 )の 妥 当 性 を 確 認 する 方 法 と しては 簡 易 モデルによる 見 通 し 計 算 階 層 的 モデリ ング 及 び 感 度 解 析 などがある 階 層 的 モデリング: 使 用 する 要 素 あるいはメッシュの 細 密 度 が 異 なる 別 の モデルによる 計 算 を 行 ってモデル 化 の 妥 当 性 を 判 断 する シェルでモデル 化 することの 妥 当 性 を 評 価 するために ソリッド 要 素 による 部 分 モデル あるいは 全 体 モデルによる 計 算 を 行 って 比 較 するなどの 方 法 である 15
S-HQC002:2015 解 析 の 検 証 と 妥 当 性 確 認 の 方 法 4. 解 析 プロセスの 妥 当 性 確 認 解 析 業 務 が 適 格 性 確 認 ( 認 定 )された 解 析 手 順 に 従 って 正 しく 実 施 されたことを 確 認 することによって 解 析 の 品 質 を 管 理 する 方 法 である 解 析 の 検 証 と 妥 当 性 確 認 (V&V)と 解 析 プロセスの 妥 当 性 確 認 による 品 質 管 理 を 並 行 して 行 い 後 者 は 前 者 を 支 援 するとともに 簡 素 化 が 可 能 となる S-HQC002:2015 16
S-HQC002:2015 妥 当 性 確 認 の 手 順 と 論 証 材 料 の 取 得 解 析 計 画 の 再 確 認 検 証 過 程 の 再 確 認 理 想 化 (モデル 化 )の 適 切 性 の 確 認 独 立 した 手 法 の 結 果 との 比 較 S-HQC002:2015 妥 当 性 確 認 の 手 順 と 論 証 材 料 の 取 得 1) 解 析 計 画 の 再 確 認 2) 検 証 過 程 の 再 確 認 3) 理 想 化 (モデル 化 )の 適 切 性 の 確 認 基 礎 的 解 析 モデルによる 予 備 計 算 ( 見 通 し 計 算 ) 感 度 解 析 あるいは 上 下 界 評 価 階 層 的 モデリング 格 子 収 束 性 試 験 やアダプティブ 法 4) 独 立 した 手 法 の 結 果 との 比 較 ( 外 部 的 な 論 証 材 料 ) 工 学 式 理 論 解 などによる 手 計 算 結 果 参 照 解 析 代 替 解 析 実 験 あるいは 実 機 ( 製 品 )の 応 用 17
S-HQC002:2015 モデル 化 = 数 理 モデル 化? モデル 化 離 散 化 実 現 象 ( 解 析 対 象 ) 解 くべき 偏 微 分 方 程 式 FEM 解 析 データ 数 理 モデル 化 種 々の 仮 定 Validationの 対 象 離 散 モデル 化 離 散 化 誤 差 Verificationの 対 象 18
モデル 化 = 数 理 モデル 化? 解 析 種 類 [ 仮 定 を 含 む] 線 形 or 非 線 形 静 的 or 動 的 微 小 変 形 or 大 変 形 等 の 解 析 種 類 の 選 択 は 解 くべき 偏 微 分 方 程 式 の 選 択 である 要 素 選 択 [ 仮 定 を 含 む] 基 本 は3Dソリッド 要 素 であり 変 位 場 の 仮 定 により はり 要 素 などの 構 造 要 素 が 選 択 される 形 状 = 解 析 対 象 = 偏 微 分 方 程 式 が 成 立 する 領 域 [ 仮 定 を 含 む] 細 かな 穴 を 省 略 する 等 の 形 状 のモデル 化 は 数 理 モデル 化 の 範 囲 に 含 める 材 料 特 性 = 構 成 式 [ 仮 定 を 含 む] 拘 束 条 件 ( 強 制 変 位 接 触 条 件 ) [ 仮 定 を 含 む] 荷 重 条 件 ( 変 動 荷 重 を 含 む) [ 仮 定 を 含 む] Validation( 妥 当 性 確 認 )するのは 数 理 モデル 化 の 際 の 仮 定 COMSOLによる 片 持 はりの 曲 げ 解 析 2.2 ジオメトリ 2.4 固 体 力 学 Selection Geometric entity level Domain Equations Selection Domain 1 2.4.1 材 料 Equations 19
COMSOLによる 片 持 はりの 曲 げ 解 析 2.4.4 固 定 拘 束 2.4.5 辺 荷 重 Equations Equations COMSOLによるFSI 解 析 2.2 ジオメトリ 2.4.1 材 料 ( 固 体 ) Equations F: 変 形 勾 配 テンソル dx dx du F I dx dx du dx グリーン ラグランジュひずみ 1 u I uj uk uk EIJ 2 X J X I X I X J S: 第 2Piola-Kirchhoff 応 力 s: コーシー 応 力 大 変 形 20
2.3.6 流 体 - 固 体 界 面 境 界 Equations COMSOLによるFSI 解 析 モデル 化 = 数 理 モデル 化? 仮 定 モデル 化 を 思 考 試 行 錯 誤 実 現 象 しながら 入 力 する 概 念 モデル 観 察 計 測 何 を? どうやって? (センサの 定 格 値 の 決 定?) 知 識 の 集 積 の 体 系 化? FEMデータ アルゴリズム 離 散 化 21
モデル 化 = 数 理 モデル 化? 仮 定 モデル 化 を 思 考 試 行 錯 誤 実 現 象 しながら 入 力 する 概 念 モデル 観 察 計 測 離 散 化 キャリブレーション 何 を? どうやって? (センサの 定 格 値 の 決 定?) 知 識 の 集 積 の 体 系 化? FEMデータ アルゴリズム 物 理 パラメータを 決 める ためのキャリブレーション ( 予 備 実 験 )も 用 意 する モデル 化 = 数 理 モデル 化? 仮 定 モデル 化 を 思 考 試 行 錯 誤 実 現 象 しながら 入 力 する 概 念 モデル 観 察 計 測 何 を? どうやって? (センサの 定 格 値 の 決 定?) 知 識 の 集 積 の 体 系 化? 数 式 と1 対 1で みる はかる FEMデータ アルゴリズム 離 散 化 数 理 モデル パラメータ 入 力 するだけ キャリブレーション 22