ADVENTURE Autoモジュールについて
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Ingenieurwesen
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ADVENTURE Autoモジュールについて
- 2. 目次 • 上級者セミナーの背景 – ADVENTUREの紹介とそのシステム構成 – ADVENTUREをより深く理解し、使いこなすために • ADVENTURE Autoモジュール – ADV/Autoモジュールとは？ – ADV/Autoの各主要機能の紹介 – ADV/Autoを用いた解析自動化の流れ – 上級者向けのアドバイス • ADV/Auto最新版の動向
- 4. ADVENTUREプロジェクトの 研究開発目標 • 数百万から数億自由度の有限要素解析を可能とする。 • PCクラスタや地球シミュレータまで、各種の分散並列環 境で動作する。 • 大規模解析のためのプレ・メイン・ポスト機能を装備する。 • さまざまな解析分野（構造、熱、流体、電磁場）向けの 機能を有する。 • 設計最適化や連成解析に対応する。 • 複数のモジュールより構成される。 – 現在約２０個ほどのモジュールが公開されている。 • ソースコードをフリーで公開する。
- 5. オープンソース版 ADVENTUREシステム • 市販CADからのIGESデータを入力 • 四面体メッシュを自動生成 • 材料物性、境界条件をGUIベースで設定 • 三次元ソリッドの構造静解析（弾性、弾塑性） • 変形図、応力コンターをGUIベースで可視化 ADVENTURE正式版の機能正式版の機能正式版の機能正式版の機能 ２０００年１２月より、ベータ版がリリース。 ２０００年３月(未来開拓プロジェクト終了時）に、正式版リリース。 以後、正式版、ベータ版とも開発改良作業が継続されている。 http://adventure.q.t.u-tokyo.ac.jp
- 6. 正式版のモジュール構成 • TriPatch IGESデータから表面パッチを生成 • TetMesh 表面パッチから四面体メッシュを生成 • BCtool メッシュに材料物性と境界条件を設定 • Metis 一体型データを領域分割 • Solid 領域分割データを構造解析 • Visual 領域分割データを可視化
- 8. モジュールの紹介（ベータ版、ソルバ） • Impact – 陽解法ベースの構造解析（衝撃解析） • Forge – 剛塑性解析（塑性加工解析） • Thermal – 固体の熱伝導 • Magnetic – 静磁場、渦電流 • Fluid – 熱流体
- 9. モジュールの紹介（ベータ版、プレポスト） • CAD – ソリッドモデリングと表面パッチ生成 • Auto – 解析の自動化、グラフィックス処理ユーティリティ • Opt – パラメトリック最適化（勾配法、遺伝的アルゴリズム） • Shape – 形状最適化（力法）、位相最適化 • iAgent – 知的エージェントによるユーザー支援（GUIフロントエンド） • Material – 材料パラメータ同定
- 10. ADVENTURE をより深く理解し、 使いこなすためには？ • 「ADV/BCtoolではうまく選びにくい場所に境界条件を設定したい。」 • ｢解析結果から、特定の部品や指定範囲内での最大変位、最大応力 等を知りたい。」 • 「ソルバー側には…という機能があるのに、プレポストの ADV/BCtoolやADV/Visualでは直接サポートされていないので、…」 • ｢パラメトリックスタディをしたいのだが、ケースごとにいちいちGUIで マウスオペレーションが絡むのはちょっと…」 • 「プレポストを介さず、直接ADV/Solidの入出力ファイルを読み書きし たいのだが、ADVENTURE I/O形式っていったい….」 • 「ADVENTURE I/Oライブラリのマニュアルを読んだが、意味がよく 分からない。具体的には何をすればいいのか…」 • 「オープンソースって、もしかして、ソースコードを読んで書き直せソースコードを読んで書き直せソースコードを読んで書き直せソースコードを読んで書き直せって ことか….!?」 さすがに、そこまでやらなくても、 ADVENTURE Autoモジュールモジュールモジュールモジュールがあります。
- 11. ADVENTURE Autoモジュール 開発の背景 • 解析者・研究者コミュニティの数値シミュレーションへの ニーズ – 解析の自動化とバッチ処理 – パラメトリックスタディ – 確率論的手法、設計最適化 • そのためには、解析者・研究者自身が以下のような項 目について自由自在に設定／カスタマイズ／自動化で きる必要がある。 – モデル形状とメッシュ – 解析条件（境界条件、初期条件、材料物性） – 解析スキームや線形代数ソルバーに関するパラメータ – 解析結果の整理と再評価
- 12. ＡＤＶＥＮＴＵＲＥを用いた 解析の自動化とバッチ処理化の実現 • 解析形状を定義するには、市販ＣＡＤによるＧＵＩベース の対話的な操作が要求される。 ADVENTURE CADモジュールの利用 • 境界条件の設定には、ADV/BCtoolのｂｃＧＵＩコマンドを 用いた、ＧＵＩベースの対話的な操作が必要とされる。 • 解析結果から必要なサマリー情報を抽出するには、 ADV/Visualを用いて対話的に読み取る必要がある。 ADVENTURE Autoモジュールモジュールモジュールモジュールの利用 ADVENTUREを用いた解析プロセス全体にわたって これを自動化、バッチ処理化自動化、バッチ処理化自動化、バッチ処理化自動化、バッチ処理化するためには、
- 13. ADVENTURE Autoモジュールとは？ • 非対話的な操作方法を提供する。 – GUI(マウスやキーボード操作）を用いないで – バッチスクリプトを作成して全自動で実行する。 • パラメトリックスタディを支援する。 – 材料物性や境界条件を変更しながら – メッシュや形状モデルの寸法を変更しながら • ADVENTURE CADモジュールと組み合わせる。 – モンテカルロ法、確率破壊力学への応用 • ADVENTURE Optモジュールと組み合わせることによ り、設計最適化を実現する。 – 鶴岡高専の三村先生により開発 – 最急降下法、GA、応答曲面法など ADVENTUREを用いた解析の自動化を用いた解析の自動化を用いた解析の自動化を用いた解析の自動化
- 14. 機能一覧 • 有限要素モデルの境界情報の抽出有限要素モデルの境界情報の抽出有限要素モデルの境界情報の抽出有限要素モデルの境界情報の抽出 – msh2pchコマンドから生成される、*.fgrファイルを利用する。 – 面グループ(face group)の認識 – 節点と要素面の抽出 – 境界条件データの生成 • 節点ごとのデータ（集中荷重、温度境界条件など） • 要素面ごとのデータ（分布荷重、熱伝達など） • 節点自由度ごとのデータ（変位拘束、流速固定など） • 解析結果サマリ情報の抽出解析結果サマリ情報の抽出解析結果サマリ情報の抽出解析結果サマリ情報の抽出 – 変位の最大、最小 – 相当応力の最大、最小 – 体積や重量 ｍｓｈ２ｐｃｈ ｍｓｈ２ｐｃｈ ｍｓｈ２ｐｃｈ ｍｓｈ２ｐｃｈ: メッシュファイル (*.msh)を読み込んで、その境界 三角形表面パッチを抽出し、さら にそれを面グループに分類する コマンド。ADVENTURE BCtool モジュールに所属。
- 15. 機能一覧(続） • 作業確認のための簡易ビューア – 表面パッチやメッシュの可視化 – 面グループの可視化 – 変形図、応力コンター、温度コンターなど • ADVENTURE I/Oを簡単に扱うツール群 – メッシュデータ、材料物性値、境界条件データなどについて、それ ぞれ個別のADVENTURE I/O形式ファイルに変換する。 – これらのADVENTURE I/Oファイルをadvcatコマンドにより結合し、 最終的に、領域分割ツールADV/Metisの入力ファイルとなる一体 型解析モデルファイル（ADVENTURE I/O形式）を作成する。 advcat: 複数のADVENTURE I/O形式ファイルを“cat”して 単一のADVENTURE I/Oファイルに連結するコマンド。 ADVENTURE I/Oモジュールに所属。
- 16. ADVENTURE I/Oについて • ADVENTUREシステムの共通ファイルI/O – 多様な物理現象(構造、熱、流体、電磁場）表現 – 多様なソルバー間でのデータ交換（連成解析のサポート） – 多様なソルバー間でのプレ・ポストツールの共有 • 特に、領域分割ツール ADV/Metis • 大規模解析への対応 – バイナリデータ表現 • アクセスが高速 • 省スペース • 高精度表現が可能 • ランダムアクセスが可能 – バイナリデータの異機種間での移植性を考慮 • 専用のライブラリ(ADVENTURE I/Oライブラリライブラリライブラリライブラリ）を用いる 必要がある。
- 17. ADVENTURE I/Oについて（続） • 各ファイルは一つまたは複数のドキュメントから成り立つ。 • 各ドキュメントは、以下のどれかに属する。 – メッシュデータ • 節点座標 • 要素コネクティビティ – 材料物性、境界条件、初期条件、解析結果など • 定数データ • 節点ごとデータ • 要素ごとデータ FEGA (Finite Element Generic Attribute) 有限要素についての統一データ表現 ドキュメントの概念 ADV/Autoでは、各ドキュメントごとにADVENTURE I/O形式ファイルを 対応するテキストファイルから生成し、これらを最後にadvcatコマンドで 連結して一つのファイル（一体型解析モデルファイル）を生成する、とい うアプローチを取っている。
- 21. ADV/Auto(プレ）の詳細(続） 一体型解析モデル (ADV_IO) メッシュ (テキスト） msh2adv bc2.nodebcbc1.elementbc bc3.dofbc mesh.adv material.adv CASE.msh CASE.adv 自由度ごと自由度ごと自由度ごと自由度ごと境界条件 (テキスト） 節点ごと節点ごと節点ごと節点ごと境界条件 (テキスト） 要素面ごと要素面ごと要素面ごと要素面ごと境界条件 (テキスト） メッシュ (ADV_IO) bc1.adv 要素面ごと要素面ごと要素面ごと要素面ごと境界条件 （ADV_IO） 定数（ADV_IO） elementbc2adv nodebc2adv dofbc2adv material.constant constant2adv 材料定数、グローバルな 解析条件などの定数 (テキスト） bc2.adv 節点ごと節点ごと節点ごと節点ごと境界条件 （ADV_IO） bc3.adv 自由度ごと自由度ごと自由度ごと自由度ごと境界条件 （ADV_IO） advcat ADV/Metisへ ADVENTURE I/O形式への変換形式への変換形式への変換形式への変換 ADVENTURE I/O形式ファイル群の結合形式ファイル群の結合形式ファイル群の結合形式ファイル群の結合
- 22. ADVENTURE Autoによる 境界条件設定の自動化 １． 自作プログラムで、形状モデルの面を指定形状モデルの面を指定形状モデルの面を指定形状モデルの面を指定 する頂点列データする頂点列データする頂点列データする頂点列データ(赤の点）赤の点）赤の点）赤の点）をテキストファイ ルに出力する。 ２． ADV/Autoのツールで、面グループＩＤを検 索する。 ３． 自作プログラムで、面グループＩＤとそれに 対応する境界条件(荷重や変位、温度や熱 流束など）をテキストファイル(*.fgrbcまたは *.fgrdofbc)に出力する。 ４． 自作プログラムで、材料物性などをテキスト ファイル(*.constant)に出力する。 ５． ADV/Autoのツールで、メッシュおよび境界 条件、材料物性データなどをまとめ、 ADVENTURE I/O形式の一体型解析モデ ルファイルとして出力する。 面グループ１ 面グループ３ 面グループ６
- 23. 各ソルバー向けの注意点 • ADVENTURE I/Oに関する基礎的な知識が必要。 – FEGA(Finite Element Generic Attribute)タイプ • AllNodeConstant 定数 • AllNodeVariable すべての節点、それぞれについて • NodeVariable 選択された節点、それぞれについて • AllElementConstant 定数 • AllElementVariable すべての要素、それぞれについて • ElementVariable 選択された要素、それぞれについて – FEGAラベル 各物理量ごとにつけられた名前 • 各ソルバーが具体的にどのようなADVENTURE I/O形式 のファイルを読むのかを知っておく必要がある。 – ADVENTURE I/Oのマニュアルではなく、各ソルバーのマニュア ル（またはADV BCtoolやADV/Metis)等に記載されている。 – 一部、マニュアルには記載されていない情報もあるので、詳しく は付属のサンプルデータまたはソースコードを確認されたし。
- 24. ADV/Solidの場合 • 変位拘束境界条件 – FEGAタイプはNodeVariableで、節点自由度ごとのスカラー • 各データアイテムごとに、節点番号 ＋ （自由度番号、変位成分値） – FEGAラベルはForcedDisplacement • 荷重境界条件 – FEGAタイプはNodeVariableで、節点自由度ごとのスカラー • 各データアイテムごとに、節点番号 ＋ (自由度番号、荷重成分値） – FEGAラベルはLoad • ヤング率、ポアソン比 – FEGAタイプはAllElementConstantで、スカラー – FEGAラベルはそれぞれ、YoungModulus、PoissonRatio • 変位の解析結果 – FEGAタイプはAllNodeVariableで、節点ごとのベクトル • 各節点ごとに、（変位u成分の値、変位v成分の値、変位ｗ成分の値） – FEGAラベルはDisplacement • 節点相当応力の解析結果 – FEGAタイプはAllNodeVariableで、節点ごとのスカラー • 各節点ごとに、（相当応力値） – FEGAラベルはNodalEquivalentStress
- 25. ADV/Auto(プレ）の詳細 : ADV/Solidの場合 メッシュ (テキスト） msh2adv load_bc.dofbc mesh.adv material.adv CASE.msh 自由度ごと自由度ごと自由度ごと自由度ごと荷重 (テキスト） メッシュ (ADV_IO) 定数（ADV_IO） dofbc2adv material.constant constant2adv ヤング率、ポアソン比 などの定数 (テキスト） load_bc.adv 自由度ごと自由度ごと自由度ごと自由度ごと荷重 （ADV_IO） advcat ADV/Metisへ ADVENTURE I/O形式への変換形式への変換形式への変換形式への変換 ADVENTURE I/O形式ファイル群の結合形式ファイル群の結合形式ファイル群の結合形式ファイル群の結合 displacement_bc .dofbc 自由度ごと自由度ごと自由度ごと自由度ごと変位拘束 (テキスト） dofbc2adv displacement_bc.adv 自由度ごと自由度ごと自由度ごと自由度ごと変位拘束 （ADV_IO） 一体型解析モデル (ADV_IO) CASE.adv FEGAラベルを指定する。
- 27. ADV/Thermalの場合 • 温度拘束境界条件 – FEGAタイプはNodeVariableで、節点自由度ごとのスカラー • 各データアイテムごとに、節点番号 ＋ （自由度番号=0、温度値） – FEGAラベルはTemperature • 熱流束境界条件 – FEGAタイプはNodeVariableで、節点自由度ごとのスカラー • 各データアイテムごとに、節点番号 ＋ （自由度番号=0、熱流束値） – FEGAラベルはHeatFlux • 熱伝達境界条件 – FEGAタイプはElementVariableで、要素面ごとのスカラー２つ • 各データアイテムごとに、要素番号 ＋ （面番号、雰囲気温度、熱伝達率） – FEGAラベルはHeatConvection • 熱伝達率 – FEGAタイプはAllElementConstantで、スカラー – FEGAラベルはHeatConductivity • 温度の解析結果 – FEGAタイプはAllNodeVariableで、節点ごとのスカラー • 各節点ごとに、（温度値） – FEGAラベルはTemperature
- 28. ADV/Auto(プレ）の詳細 : ADV/Thermalの場合 メッシュ (テキスト） msh2adv convection_bc .elementbc mesh.adv material.adv CASE.msh 要素面ごと要素面ごと要素面ごと要素面ごと熱伝達 (テキスト） メッシュ (ADV_IO) 定数（ADV_IO） elementbc2adv material.constant constant2adv ヤング率、ポアソン比 などの定数 (テキスト） convection_bc.adv 要素面ごと要素面ごと要素面ごと要素面ごと熱伝達 （ADV_IO） advcat ADV/Metisへ ADVENTURE I/O形式への変換形式への変換形式への変換形式への変換 ADVENTURE I/O形式ファイル群の結合形式ファイル群の結合形式ファイル群の結合形式ファイル群の結合 一体型解析モデル (ADV_IO) CASE.adv temperature_bc .dofbc 自由度ごと自由度ごと自由度ごと自由度ごと温度拘束 (テキスト） dofbc2adv temperature_bc.adv 自由度ごと自由度ごと自由度ごと自由度ごと温度拘束 （ADV_IO） heatflux_bc .dofbc 自由度ごと自由度ごと自由度ごと自由度ごと熱流束 (テキスト） dofbc2adv heatflux_bc.adv 自由度ごと自由度ごと自由度ごと自由度ごと熱流束 （ADV_IO） FEGAラベルを指定する。
- 30. サンプルの説明 • ADV/Solidを用いる構成例 – 各種線形代数ソルバを用いる構成例 • run_solid_cg.c CGソルバーを使用する例 • run_solid_bdd.c BDDソルバーを使用する例 – ADV/BCtoolやADV/VisualのGUIツールとの連携例 • run_solid_gui.c – シングル環境で、MPIを一切用いない構成例 • run_solid_single.c, run_solid_single.sh – ADV/CADによって形状寸法を変更するパラメトリックスタディの 構成例 • run_l_shape.c • ADV/Thermalを用いる構成例 – run_thermal.c 詳しくは、ディレクトリsample/ およびdemo/を参照 注意：ほとんどが、C言語で記述されています。
- 31. ADV/Autoのプログラミングモデル • ホワイトボックス “オープンソース” モデル – 平易なANSI C言語で記述されている。 – 各コマンドは３００行程度に収められている。 – 非対話的に（GUIなしで）用いる。 – パラメトリックスタディや、最適化のツールとして • ADVENTURE AutoGL （「おてがる」） – 三次元グラフィックスとGUIのライブラリ – Linux、各種商用UNIXやWindowsで動作する。 – 解析作業確認のための独自ビューア作成に使う。 – ADV/Autoの各ビューアコマンドの実装に利用されて いる。
- 32. 上級者のためのアドバイス • 要素の種類としては、四面体二次要素のみ対応。 • 解析規模としては、百万節点、百万要素以内。 – #define MAX_NODES 1000000 • 対応ソルバーとしては、ADV/SolidとADV/Thermal用のサンプルし か提供されていない。 • ADV/TetMeshの古いバージョン(Ver.0.8)に対応。 • advtmesh9p(表面パッチ修正） • advtmesh9m(四面体メッシュ生成） • advtmesh9s(二次要素の生成） 近いうちに、なんとかします。(夏ごろまでにバージョンアップ予定） それまでは、各自コードを書き換えて対応して下さい。 ADV/Autoの現バージョンの現バージョンの現バージョンの現バージョン(Ver.0.1beta)における制約における制約における制約における制約
- 33. 上級者のためのアドバイス(続） • msh2pchコマンドと*.fgrファイル(面グループ情報）を使う。 – メッシュの表面境界にある要素面が記述されている。 – 各面グループごとに、要素面のリストが並んでいる。 – 各要素面は、要素番号、要素面番号、これを構成する各節点につい ての節点番号より構成される。 – 詳しくは、ADV/BCtoolモジュールを参照。 • hddmmrgコマンドを使う。 – メッシュと解析結果ファイルを読み込むプログラムを作成する。 • ADVENTURE I/Oを直接使ってみる。 – 変換コマンド *2adv のソースコードをのぞいてみる。 – 各ソルバーモジュールのソースコードの中でADVENTURE I/Oが使 われているところを読んでみる。 • AutoGL「おてがる」を直接使ってみる。 – ビューアコマンド *view のソースコードをのぞいてみる。 – AutoGL「おてがる」のサンプルをいじってみる。 ADV/Autoをより深く楽しむには？をより深く楽しむには？をより深く楽しむには？をより深く楽しむには？
- 34. ADVENTURE Autoの最新動向 • もともとは、ADVENTUREの各モジュールを統合し、パラ メトリックスタディや自動化、設計最適化をおこなうための ユーティリティ群として開発された。 • ADVENTUREの上級者ユーザーのための、比較的高レ ベルなインターフェイスをサポートする。 – ADVENTURE I/Oを使わなくてもよい。 – 各モジュールのソースコードにまで踏み込まなくてもよい。 • シミュレーションの研究者むけのツールキット（統合数値統合数値統合数値統合数値 計算プラットフォーム計算プラットフォーム計算プラットフォーム計算プラットフォーム）として、現在も開発が進行中である。 – C、C++またはFortran(77/90)が使えるプログラマを対象とする。 – 複数のライブラリとコマンド群より構成される。
- 35. ｢生命化」された 統合数値解析プラットフォーム Grid、、、、Web環境環境環境環境 生命的機能 の付加 グリッドミドルウェア、グリッドミドルウェア、グリッドミドルウェア、グリッドミドルウェア、 ＷｅｂミドルウェアＷｅｂミドルウェアＷｅｂミドルウェアＷｅｂミドルウェア OS、、、、ハードウェアハードウェアハードウェアハードウェア 数値計算数値計算数値計算数値計算 ミドルウェアミドルウェアミドルウェアミドルウェア 統合統合統合統合プラットフォームプラットフォームプラットフォームプラットフォーム アプリケーションソフト群アプリケーションソフト群アプリケーションソフト群アプリケーションソフト群 本研究のスコープ HPC環境環境環境環境 ジョブスケジューリング機能ジョブスケジューリング機能ジョブスケジューリング機能ジョブスケジューリング機能 ジョブ監視・ステアリング・トラッキングジョブ監視・ステアリング・トラッキングジョブ監視・ステアリング・トラッキングジョブ監視・ステアリング・トラッキング Webアプリケーション化アプリケーション化アプリケーション化アプリケーション化 グリッドポータル化グリッドポータル化グリッドポータル化グリッドポータル化 FDM、FVM、 FEM 、BEM 、 メッシュレス法など 線型代数ソルバー 格子／メッシュ生成と再構成 領域分割 可視化、物理量補間 UNIX、Linux、Windows スパコン、SMPサーバ、PCクラスタ 通信、認証、遠隔実行、データ転送
- 37. ADV/Auto最新版のライブラリ群（１） • AutoGL「「「「おてがる」おてがる」おてがる」おてがる」 – グラフィックスとGUI、可視化 – OpenGLや各種GUIライブラリのサポート • AutoGL MP －－－分散メモリ環境向け並列版 • AutoResource「「「「おとりそうさ」おとりそうさ」おとりそうさ」おとりそうさ」 – データ構造とアルゴリズム、検索とソート – リスト、バケット、ハッシュテーブルなど • AutoNOSim「「「「おたのしみ」おたのしみ」おたのしみ」おたのしみ」 – 分散メモリ環境での並列化のための通信ライブラリ – MPIのサポート • AutoGAMI「「「「おてがみ」おてがみ」おてがみ」おてがみ」 – 広域分散環境におけるメッセージ通信 – Grid環境のためのインフラ、ジョブスケジューラ、ポータルなど １．共通基盤ライブラリ
- 38. ADV/Auto最新版のライブラリ群（２） • AutoLinAS「「「「おとりなし」おとりなし」おとりなし」おとりなし」 – 線形代数ソルバー – スパコン、SMP、PCクラスタなど、HPC環境のサポート • AutoLinAS MP ーーー分散メモリ環境向け並列版 • AutoMESH「「「「おためし」おためし」おためし」おためし」 – メッシュ（とその上にある物理量）を操作するライブラリ – メッシュ生成、解析条件設定、領域分割、ポストプロセスなど • Auto２２２２DI「「「「おてつだい」おてつだい」おてつだい」おてつだい」 – ファイルコンバート – 商用シミュレーションパッケージのサポート ２．数値計算、応用向けライブラリ