1 首 都 大 学 東 京 首 都 大 学 東 京 シ ス テ ム デ ザ イ ン 学 部 シ ス テ ム デ ザ イ ン 学 部 航空宇宙システム工学 コー ス 航空宇宙システム工学 コー ス 大 塩 慧 太 朗 指 導 教 員 金 崎 雅 博 指 導 教 員 金 崎 雅 博 Blender を用いたモデリングと解析.

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1 1 首 都 大 学 東 京 首 都 大 学 東 京 シ ス テ ム デ ザ イ ン 学 部 シ ス テ ム デ ザ イ ン 学 部 航空宇宙システム工学 コー ス 航空宇宙システム工学 コー ス 大 塩 慧 太 朗 指 導 教 員 金 崎 雅 博 指 導 教 員 金 崎 雅 博 Blender を用いたモデリングと解析

2 2 インデックス 1.Blender によるモデリング 2.DEXCS-OpenFOAM による簡単な物体周りの 流れ解析

3 1.Blender によるモデリング 3  DEXCS のサイトを見ている時、次のような意見がアップされていた。 ■ ご意見： Blender の敷居が高いので、モデル作成まで至っていません。任意形状の断面を持 つ柱（できれば少し湾曲したもの）を定義しようとしているのですが、 Blender に最初からあ る直方体を起点にしたのでは所望する形状が作り辛く、そこから再定義するにはどうすれば よいか、マニュアル等調査しているところです。因みに、 CalculiX や gCAD などではプリがシ ンプルな分、習得し易いです。 ⇒ご回答：ご指摘は色々な方からも伺っており、 Blender の操作性とモデリング機能について は、我々も何らかの対応を考えたいと思っております。ご助言の CalculiX については、骨組解 析や動的解析を目指して検証を進めており、いずれ DEXCS に導入したいと思っています。 gCAD については知りませんでした。情報を提供いただければ調査したいと思います。さらに モデリングの手軽さを狙って Google Sketchup の利用を検討しています。完全ではありません が、 DEXCS 上でも動作させることは出来そうなので、情報公開を計画したいと思います。 ■ ご意見： VMware で使用しているので、使い慣れない Blender ではなく Windows 上のフリーの 3D CAD でモデリングしています。 Adventure 自体は複数物性の解析もできるようですが、境 界面のメッシュやブロック指定を最悪手作業で行なわないといけないのか？というところが ネックになりそうです。 ⇒ご回答：皆さん Blender で苦心されているようです。こちらでは Googl Sketchup の活用も検討 しています。モデラーは馴染んだものでないと難しいのですね。また、 Adventure の解析機能 は非常に高度で、複数物性や弾塑性解析・座屈解析などが可能です。ただ、 DEXCS のプリポ ストの対応が出来ていません。是非、ご協力ご支援をお願いします。 ( アンケートより一部抜粋 )

4 4 アンケートを見て自分と同様に、こう感じている方が多いのではないか ? Blender は扱いにくい ! なぜ Blender は取っ付きにくいのか ? ①非常に癖のあるインターフェイス。 ②独特なアイコンやファイル・システム。 ③独自の操作性と機能性。 今回の発表では、 DEXCS ユーザーや CG 初心者が Blender に取り組みやすくなるように、主要な機能を紹介しながら 航空機の翼を例にモデリングの流れを説明する。

5 5 Blender のインターフェイス 下記のサイトで Blender をダウンロードしインストールします。 http://www.blender.org/index.php Blender を起動するとコンソールウィンドウとメインウィンドウが出ます。 コンソールウィンドウは無視していて良いです。 資料提供 : 市川朋典氏

6 よく使うショートカット・キー 6 平行移動 [Shift] キー + 中マウスボタン・ドラッグ ズーム [Ctrl] キー + 中マウスボタン・ドラッグ 回転中マウスボタン・ドラッグ 拡大・縮小・マウスホイール回転。 ・テン・キーの [Enter] でリセット 3D ウィンドウの操作 トップビュー（ XY 平面）テン・キー [7] フロントビュー（ XZ 平面）テン・キー [1] サイドビュー（ YZ 平面）テン・キー [3] カメラビューテン・キー [0] ※「テン・キー [1] が前」と覚えれば、テン・キー [7] とテン・キー [3] のそれぞれの テン・キー上の位置が、そのままのビューの位置になる。 視点変更 一番近いものを選択右クリック 複数選択・ [Shift] を押しながら右クリック。 ・ [B] キーを 1 回または 2 回押した後、 左クリックで囲む。（ 2 回押して円で選 択する方が使いやすい） 全選択 / 全ての選択解除 [A] キー 一部だけ選択解除・ [Shift] キーを押しながら右クリック ・ [B] キーを 1 回または 2 回押した後、 [Alt] キー + 左クリックで囲む。 選択 その軸のみを操作各軸を左ドラッグ 画面と平行移動白い円を左ドラッグ マニピュレータ

7 よく使うショートカット・キー 7 元に戻す (Undo) [Ctrl]+[Z] やり直す (Redo) [Alt]+[Ctrl]+[Z] または [Shift]+[Ctrl]+[Z] 削除 [X] または [Delete] 移動 (Grab) [G] 回転 (Rotate) [R] サイズ変更 (Scale) [S] 押し出し (Extrude) [E] ステップ移動 [Ctrl] キーを押しながらマウス移動 精密移動 [Shift] キーを押しながらマウス移動 ミラー反転 [Ctrl]+[M] プロパティ・パネル表示 [N] Specials メニュー [W] Edge Specials メニュー [Ctrl]+[E] 編集 押し出 し

8 8 新しいオブジェクトを作るには、 [space] キー → 「 Add 」 → 「 Mesh 」で 作れます。 オブジェクトは 3D カーソルがある所に作られます。 また、オブジェクトを作る際は「オブジェクトモード」で作るように します。 「エディットモード」で作ると、以前に作ってあったオブジェクトと 新しく作ったオブジェクトが 1 つのオブジェクトとして認識されてしま い、「オブジェクトモード」で配置を変える時に一緒に動いてしまい ます。 Plane: 平面。生成時の設定項目はない。 Cube: 立方体。同じく生成時の設定項目はない。 Circle: 円。頂点数 (Vertices) 、半径 (Radius) 、面を貼るか (Fill) Uvsphere: 球。縦分割数 (Segments) 、横分割数 (Rings) 、半径 (Radius) icoSphere: 三角形で構成された球。再帰数 (Subdivision) 、半径 (Radius) Subdivision を高くすると (6 以上 ) 、非常に重くなるので 注意。 Cylinder: 円柱。円の頂点数 (Vertices) 、半径 (Radius) 、柱の長さ (Depth) 、 両端を閉じるか (Cap Ends) Cone: 円錐。円の頂点数 (Vertices) 、半径 (Radius) 、円錐の長さ (Depth) 、 両端を閉じるか (Cap Ends)

9 9 メインウィンドウで [Tab] キーを押すと、「オブジェク トモード」と「エディットモードの」の切り替えがで きます。 オブジェクトモード : オブジェクトの配置を決める エディットモード : オブジェクトの形状を編集する 初期設定で Blender を起動すると cube が 1 つある状態か ら 始まり、毎回消すのが面倒なので設定を少し変更しま す。 [Delete] キーを押すと [Erase selected Object(s)] と出るの で クリックすると cube が消えます。 次に、 [File] タブの [Save Default Settings] を選びます。 次回から起動時の画面が保存された状態になります。 ( 今回は cube がない状態。 ) 自分の好みの設定にしましょう。 オブジェクト モード エディット モード

10 基本オブジェクト 10

11 レンダリングの例 11 Render ボタンで作成プロセスを確認できます。

12 航空機の翼のモデリング 12 実際に航空機の翼をモデリングしながら説明していき ます。 今回は下絵を使用したモデリングを行います。 まず、作成したいモデルの画像を保存します。 次に、「 View 」 → 「 Background Image 」 → 「 Use Background Image 」を選びます。 保存した画像をロードすると背景に表示されます。

13 13 [space] キー → [Add] → [Surface] → [NURBS Circle] で円を作成 します。 「エディットモード」にすると、黄色くハイライトされます。 モデルの移動は [G] キーで行います。 次に右クリックしてドラッグすると一番近くにあるコントロールポイント が選択され、 位置を変えられます。コントロールポイントを増やして下絵の形に沿って 円の形を 変えてください。コントロールポイントの増やし方は、 [Shift]+ 右クリック → [W] キー → [Subdivide] : 辺 (Edge) の細分化 [A] キー → [W] キー → [Subdivide] : モデル全体の細分化

14 14 [Tab] キーを押して [ オブジェクトモード ] に戻します。 次に [Shift]+[D] キーでオブジェクトのコピー、このとき [Shift] や [Ctrl] キーを 押すと精密配置、ステップ配置ができます。 [N] キーを押すとオブジェクトの座標が表示され、 [Shift]+ 左クリックで座標 の入力ができ、オブジェクトの配置を制御できます。 [E] キーまたは下のウィンドウの [Extrude] でオブジェクトの押し出しができ ます。両端の形状が同じ物体をモデリングする時に便利です。

15 15 これでモデリングの流れは終わりです。 Blender にはまだまだ豊富な機能 が組み込まれていて、本日示したのはほんの一部だけです。 自分もまだまだ勉強中で下のようなモデリングができるようになるのを目 標としています。

16 16 2. DEXCS-OpenFOAM を用いた流れ解 析 DEXCS-OpenFOAM を動かして、簡単な物体周りの流れ場を解きました。 解析対象は球と円柱の 2 種類で、カルマン渦をとらえて可視化できている か 調べてみました。 使用ソルバー :SimpleFOAM RAS モデル :k-ε モデル 解析条件 円柱 : 半径 =0.1, 高さ =1.0 球 : 直径 =1.0 流速 :10[m/s] の一様流 流速 :1[m/s] の一様流 レイノルズ数 :1.3*10 ＾ 5 レイノルズ数 :1.0*10 ＾ 4 乱流エネルギー k:0.375[m ＾ 2/s ＾ 2] 乱流消散速度 ε:14.855[m ＾ 2/s ＾ 3] ω:167 [1/s] ? 上 3 つのパラメータについて説明がないので、どのように値を設定するか が不明。

17 17 解析物体の配置図

18 18 blockMesh と createPatch 円柱の場合、ブロックの分割指定を (40 20 20) に、球では (20 10 10) に設 定。 simpleGrading(1 1 1) は何を意味するのか、よく分からなかった。 下の edges と patches 、 mergePatchPairs は操作する必要がないのか疑問。

19 19 snappyHexMeshDict 解析モデルの細分化レベルは、 Smin に 2 、 Smax に 4 を指定した。 メッシュ細分化範囲の細分化レベルは Region に 1 を指定した。 Region を大きくすると、メッシュが細かく作成されるらしいがどれく らい 解析結果に差が出るのか ? 次の Layers が何を意味するのか、よく分からなかった。 snappyHexMeshDict のコードの意味が良く理解できなかった。 解析時、どこに一番注意する必要があるのか、分からなかった。

20 20 transportProperties 下 2 つのパラメータが何を意味するのか、よく分からなかった。

21 21 ParaFOAM による円柱の可視化 TIME:1000 TIME:0 TIME:1000

22 22 ParaFOAM による球の可視化 TIME:0 TIME:1000

23 結言 23 カルマン渦を可視化することを目的として、円柱と球周りの流れ場を解析 した。 今回の解析で物体後流の境界条件の与え方に問題があることが分かった。 渦の可視化が上手くできていないので、 ControlDict を確認して再度解析 する必要がある。 ※解析後、 Ubuntu 10.04 LTS にアップグレードして DEXCS を動作させよう と したところ、 snappyHexMesh でエラーが発生。 解決策を探索中。