マルチフィジックスモデリングとスタンドアロンシミュレーションアプリがイノベーションを推進

マルチフィジックスのモデリングとシミュレーションは, 企業がより速く, より賢く, より低コストでイノベーションを起こすのに役立ちます. COMSOL Multiphysics^® ソフトウェアを R&D ワークフローに組み込むことで, エンジニアリングチームは, より多くのチーム, 部門, 顧客にマルチフィジックスモデリングの利点を広めるために, 独自のスタンドアロンシミュレーションアプリを作成するだけでなく, 実世界の設計, デバイス, プロセスの正確なモデルを構築することができます. これは最終的に, 製品の挙動をより深く理解し, 開発サイクルにおいてより迅速に答えを導き出すことにつながります.

本日, COMSOL Multiphysics^® バージョン 6.4 がリリースされました. このバージョンでは, GPU アクセラレーションソルバーによるすべてのフィジックスシミュレーションの高速化, バルクプロセスにおける固体粒子の動きをシミュレートする新製品, および時間陽解法による構造動的解析の新しいフレームワークにより, ソフトウェアがさらに強化されました.

なぜマルチフィジックスなのか?

モデルは現実世界の対応物を表現するものであり, 私たちを取り巻く世界はマルチフィジックスです. 言い換えれば, 2つ以上の物理現象を完全にカップリングできることが, 現実を正確に模倣した数値シミュレーションを生成するために不可欠なのです. 

例として, ラウドスピーカーを考えてみましょう. 単一物理モデルでボイスコイルの磁場だけを測定することもできますが, 磁場が他のスピーカー部品とどのように相互作用して力や振動を発生させるかを調べる方がより有用でしょう. COMSOL Multiphysics^® を使えば, 現実的なモデルに必要な物理現象をいくつでも追加して結合することができます. ラウドスピーカーの場合, 電磁気学, 構造力学, 音響学を組み合わせて完全な解析を行います. COMSOL モデルで結合できる現象や数に制限はありません. 

左: ボイスコイルに作用する電磁力を可視化した単一物理スピーカーのモデル. 右: 音響構造相互作用も考慮したマルチフィジックスモデル.

とはいえ, COMSOL Multiphysics^® ソフトウェアは, 完全に連成されたマルチフィジックスとシングルフィジックスの両方のモデリング機能を提供するモデリングおよびシミュレーションプラットフォームです. つまり, 業界や分野の垣根を越えたエンジニアや科学者は, すべてのタイプのモデルに対して一貫したユーザーインターフェースを備えた1つのモデリングソフトウェアを使用できます. つまり, マルチフィジックスモデリングは, 組織がよりスマートな設計決定を下し, 新しいアイデアを生み出し, 物理的なプロトタイプや実験のコストを削減し, 製品開発をスピードアップするのに役立ちます.

モデルは現実世界の対応物を表すため, 物理法則に従って動作する必要がありますが, その外観も重要です. 適切なテクスチャと色, そしてよく考えられた照明を追加することで, モデルをそれが表す実際のオブジェクトとして可視化し, 基礎となるプロセスを理解しやすくなります. 実行する分析の種類によっては, プロットタイプまたはカラーテーブルの選択によって結果の解釈方法も変わる場合があります. COMSOL Multiphysics^® ソフトウェアプラットフォームには, ジオメトリの構築, 材料割り当て, メッシュ作成の機能のほか, 多数の可視化機能が含まれています. 

COMSOL^® モデリングおよびシミュレーションソフトウェアの概要

シミュレーション主導の研究開発ワークフローが最も成功するのは, チーム, 部門, 組織, 企業全体の同僚が, イノベーション, 設計, 最適化に使用できる正確なモデルにアクセスして作成に貢献できる場合です. そのために, COMSOL Multiphysics^® プラットフォームには3つの主要なワークスペースが含まれています:

• モデルビルダー
  • モデリングとシミュレーションのスペシャリストが, 物理ベースのモデルを構築し, 解析し, 可視化し, 評価するために必要なすべての機能を備えています.
• アプリケーションビルダー
  • モデリングのスペシャリストに, 同僚や顧客が使用するカスタムシミュレーションアプリを構築するためのユーザーフレンドリーなツールを提供します.
• モデルマネージャー
  • モデルとアプリを整理するための構造化されたワークスペースを提供します. バージョン管理, 検索およびフィルター機能, 効率的なストレージ, および1つのモデルから別のモデルに操作シーケンスをコピーして再利用する機能も備えています.

左: マルチフィジックスモデルである IGBT モジュールの設定と結果を表示するモデルビルダー. 中央: シミュレーションアプリの構築中に表示されるアプリケーションビルダー. 右: 2つのモデルファイルを比較する機能を示すモデルマネージャー.

1つのソフトウェア環境, あらゆるエンジニアリング分野

当面のタスクに応じて, コアモデリング機能を特殊な機能で拡張したい場合があります. 電磁気学, 構造力学, 音響学, 流体流れ, 熱伝達, 化学工学に特有の機能を含むさまざまなアドオンモジュールがあります. COMSOL^® ソフトウェアはマルチフィジックスソフトウェアであるため, 製品のすべてがプラットフォーム製品を通じてシームレスに接続されます. さらに, LiveLink™ 製品を介して CAD やその他のサードパーティーソフトウェアと簡単に接続できます. 

ヒント: ユーザーストーリーギャラリで, 世界中の組織が COMSOL Multiphysics^® をどのように使用しているかをご覧ください.

スタンドアロンのシミュレーションアプリがイノベーションを加速

COMSOL Multiphysics^® ソフトウェアライセンスを持っている人なら誰でも, 独自のシミュレーションアプリを構築して維持できます. また, COMSOL Compiler™ を追加した人は, 自分のアプリをスタンドアロンの実行可能ファイルに変換して, 誰にでも配布し, 世界中のどこでも実行できます. スタンドアロンアプリを使用すると, モデリングスペシャリストの時間を奪うことなく, 同僚が設計のバリエーションをテストできます. モデリングスペシャリストから遠く離れた人でも, アプリを使用して特定の入力に基づいて結果を予測し, 基礎となるモデルの設定方法や実行方法を知らなくても (場合によっては, シミュレーション結果に基づいて決定を下すことができます (マルチフィジックスシミュレーションを使用していることすら知らない場合もあります).

アプリケーションビルダーでユーザーインターフェースコンポーネントとウィジェットをドラッグアンドドロップすると, 特定のニーズに合わせてカスタマイズされた入力と出力を備えたカスタムインターフェースを含むアプリを簡単に構築できます. これにより, アプリユーザーは, 基礎となるモデルの構築に労力を費やすことなく, シミュレーションのすべての利点を享受できます. スタンドアロンアプリにコンパイルするのはボタンをクリックするのと同じくらい簡単で, アプリを販売するか無料で提供するか, パスワード保護を追加するか無制限に共有するか, 有効期限を設定するかなど, 自由に決めることができます. COMSOL^® ソフトウェアを使用して独自のスタンドアロンアプリを構築すると, 作成するアプリの数, 配布先, 配布方法を完全に制御できます.

一部の組織では, シミュレーションアプリにアクセスできるユーザーと, どのバージョンのアプリを使用できるようにするかを完全に制御したい場合があります. その場合, スタンドアロンアプリにコンパイルするのではなく, 独自の COMSOL Server™ 環境からアプリをアップロード, 管理, 実行できます. COMSOL Server™ には, アプリへのユーザーアクセス, ユーザーアカウントとグループ, およびマルチプロセッサーの使用率を管理するための管理ツールが付属しています.

代理モデルを使用した超高速シミュレーションアプリの構築

COMSOL Multiphysics^® のアプリケーションビルダーとアドオン製品 COMSOL Compiler™ は, 長年にわたって利用されてきました. その後, 2023年に, 機械学習を使用して代理モデルをトレーニングする機能をリリースし, 超高速アプリの構築を可能にしました. シミュレーションアプリにデータ駆動型の代理モデルを含めると, アプリのユーザーは入力に基づいてほぼ瞬時にシミュレーション結果を得ることができます. これは, 代理モデルが, 精度を犠牲にすることなく, より計算コストの高い本格的な有限要素モデルの動作を近似するようにトレーニングされるためです.

ソフトウェアバージョン6.3では, GPUベース学習のサポートにより代理モデルが迅速に作成できるようになったほか, 代理モデルの使用とシミュレーションアプリの外部センサー, データベース, ウェブサービスとの連携も可能になりました. これらのアップデートにより, ユーザーはアプリを効果的なデジタルツインとして構築・運用できるようになります.

本日, COMSOL Multiphysics^® バージョン 6.4 がリリースされ, ユーザーはディープニューラルネットワーク (DNN) 代理モデルのネットワークパラメーターをエクスポートし, 代理モデルのトレーニングデータ生成のためにバッチコンピューティングとクラスターコンピューティングを実行できるようになりました. これにより, 大規模なトレーニングデータセットの効率的な並列計算が可能になります.

COMSOL Multiphysics^® の最新バージョンに関するその他のニュース

COMSOL Multiphysics^® プラットフォームの新バージョンでは, あらゆる全フィジックスに対応する GPU アクセラレーションシミュレーション, 時間陽解法による構造ダイナミクス, 粒状流れ向けの新製品, そして製品全体にわたる多くの新機能が導入され, ユーザーはこれまで以上に優れたモデリング機能を利用できるようになります.

待つことが好きな人はいませんが, モデル結果の解析にあたっては尚更です.  当社の開発者は, ソルバーの速度向上に継続的に取り組んでおり, 様々なモデルの精度を維持しつつ計算時間の短縮を目指しています. 現代のハードウェアアーキテクチャは多様化しており, パフォーマンスの向上は NVIDIA GPU を含むこれらのプラットフォームの活用と密接に結びついています. そのため, COMSOL Multiphysics^® は, 幅広い設計, デバイス, プロセスをシミュレーションするための多様な数値ソルバーと設定を CPU 用に提供してきましたが, 今では NVIDIA GPU も加わっています.

このソフトウェアで利用可能なソルバーの1つに直接法ソルバーがあります. これは, 高度に連成したマルチフィジックス問題に対して信頼性の高いパフォーマンスを提供し, 構造力学などの分野で広く使用されています.

バージョン 6.4 では, NVIDIA CUDA^® 直接法疎行列ソルバー (cuDSS) が追加され, ソフトウェアの直接法ソルバーの選択肢が広がりました. これにより, あらゆる物理計算領域で GPU サポートが利用可能になります. cuDSS は, CPU および GPU のハイブリッド計算向けに最適化された GPU アクセラレーション対応のスパース直接法ソルバーで, 最新の NVIDIA^® GPU カードすべてで使用できます. シングル GPU 構成でもマルチ GPU 構成でも利用可能な cuDSS は, シングルフィジックスシミュレーションとマルチフィジックスシミュレーションの両方の速度を大幅に向上させます. 特に, 密にカップリングした非線形問題や, 直接法ソルバーが既に使用されているモデリングシナリオで効果を発揮します. このソルバーを用いたベンチマークモデルのテストでは, 5倍以上の高速化が実証されています.

新しい cuDSS ソルバーを使用して解いた, 175 万の自由度を持つ穿孔板の音響伝達インピーダンスモデル.

以前のバージョンでは, 音響モジュールの 圧力音響 (陽的時間発展) インターフェース向けに, 高速ソルバー (新しい cuDSS ソルバーとは異なる) を導入しました. このソルバーは, CUDA-X (cuBLAS) ライブラリを活用し, 時間領域での圧力音響シミュレーションに初めて GPU サポートを導入しました. これにより, 室内および車内音響を扱うユーザーは, 以前よりも大幅に迅速にモデリング結果を得ることができるようになりました. バージョン 6.4 では, このソルバーは単一マシン上の複数の GPU と, クラスター構成の GPU をサポートするようになりました. この進歩により, 室内および車内音響シミュレーションはさらに高速化し, 解像波長に対してモデルスケールをさらに拡大できます. 

マルチ GPU サポートによる圧力音響 (陽的時間発展) 解析の実行速度がどれだけ向上するかを示すため, 車内音響 — 過渡解析 チュートリアルモデルを用いたテストを実施しました. モデルの最初のスタディにおける計算と結果解析の合計時間は, バージョン 6.3 では57分でした. バージョン 6.4 では, シングル GPU (NVIDIA^® RTX 6000 Ada) を使用した場合, この時間は50分に短縮されました. 2枚の GPU カードでシミュレーションを実行した場合, 時間はほぼ半分の29分に短縮されました. 

注: 圧力音響 (陽的時間発展) インターフェースは, 単一の GPU を使用する場合はすべてのライセンスタイプでサポートされますが, 複数の GPU を使用する場合はフローティングネットワークライセンスが必要です.

車内の音響シミュレーションでは, COMSOL Multiphysics^® バージョン 6.4 の NVIDIA^® GPU アクセラレーションの恩恵を受け, より高速でスケーラブルな解析が可能になります.

粒状流れモジュール

COMSOL Multiphysics^® プラットフォームに, ホッパー排出, サイロ貯蔵, シュート輸送, 粉体散布, 混合といった粉体プロセスのモデル化に特化した新しいアドオンモジュールが追加されました. このモジュールは, 衝突, 接触, 回転抵抗, 伝熱といった粒子スケールの相互作用を解析する機能を備えています. このモジュールは, エンジニアや研究者がマイクロスケールの粒子ダイナミクスとマクロスケールのバルク挙動の両方について洞察を得るのに役立ちます.

製薬, 化学処理, 農業, 鉱業, 積層造形など, バルク固体の挙動を理解することが効率的かつ信頼性の高いオペレーションに不可欠な業界や分野において, このモジュールは特に重要な役割を果たします.

粒状流れモジュール の詳細をご覧ください. 

スクリューコンベアで輸送される粒状体. 粒状体は出射時刻に応じて色分けされています.

陽解法による構造ダイナミクス

バージョン 6.4 で導入されたもう一つの主要なアップデートを説明するために, スマートフォンを例に考えてみましょう. タッチスクリーンやボタンは連携して機能する機械的・電気的要素で構成されており, バッテリはイオン移動や電流を伴う化学反応など, さまざまなプロセスが進行しています. これまでのソフトウェアでも, このような相互作用をシミュレーションすることは可能でしたが, ユーザーが実行できなかった重要なシナリオが一つありました.

最新バージョンでは, 時間陽解法による構造ダイナミクス解析が可能になりました. スマートフォンの例で言えば, この新機能により, 落下試験による衝撃の影響を解析できます. これにより, 落下によってアルミニウム製筐体のどの部分が損傷し, その損傷が落下高さに応じてどのように広がるかを特定できます. 時間陽解法による構造ダイナミクス解析は, 衝撃, 圧潰, 金属成形, 弾性波の伝播といった, 高速, 過渡的, 高度に非線形なイベントといったイベントを追跡するうえでも同様に重要です.

COMSOL Multiphysics^® バージョン 6.4 では, 時間陽解法による構造ダイナミクス機能により, 携帯型家電製品の落下試験など, 新しいクラスのシミュレーションが可能になります.

陽解法は, 以下を含む幅広い非線形構造材料をサポートしています:

• 超弾性
• 塑性
• 粘塑性
• クリープ

時間陽解法による構造ダイナミクス解析の機能は, 新しい接触モデリング機能と併用することもできます. バージョン 6.4 では, 多数のオブジェクト間の接触条件を任意に自動設定する接触モデリングが可能になりました. これにより, 多数の接触相互作用を考慮したモデルを容易に作成できます. 

木のブロックの塔にボールが当たる様子. このシミュレーションでは, 相互作用をする可能性のあるオブジェクトが56個あり, 通常では予測が難しいものとなっています.

次のステップ

COMSOL Multiphysics^® は初めてですか? 取り組んでいる内容をお知らせください. あなたのビジネスニーズに関する情報を共有します.

すべてのソフトウェアアップデートについて詳しく知りたい場合は, COMSOL Multiphysics^® バージョン 6.4 リリースハイライトページ にアクセスしてください.

     
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