3D-CAEモデルを活用したバーチャルセンサ構築手法

こんな方におすすめ

• バーチャルセンサに興味がある方
• モデル低次元化(ROM) 技術を応用したデジタルツインに興味がある方
• 生産現場の品質向上や安定生産のための運用改善や最適化を検討されている方

製造業を中心に「デジタルツイン」という言葉が近年注目を集めており、その応用例としてバーチャルセンサの構築が期待されます。ここでは、3D-CAEとモデル低次元化(ROM) 技術を応用したバーチャルセンサの構築方法を紹介します。
バーチャルセンサとは、実センサでは直接計測が困難な状態量をリアルタイムに推定する手法で、様々な産業界で利用されている技術になります。業界によって、仮想センサやソフトセンサ、状態推定器、バーチャルメトロロジーなども呼ばれる場合があります。

3D-CAEを活用したバーチャルセンサの構築

バーチャルセンサ構築におけるポイント

バーチャルセンサの構築は様々な手法が提案されていますが、高い説明力と構築し易さのバランスは
とても重要です。ここでは、シミュレーション目的で広く利用されている3D-CAEを活用した構築手法を紹介します。

＜一般的なバーチャルセンサ構築手法＞

• 実センサやログデータを活用したデータドリブン手法
• 統計モデルや物理則/数式モデルを利用した手法

3D-CAEを活用したバーチャルセンサの構築

1. 3D-CAEによる説明力の高さの確保
シミュレーション目的で利用される3D CAEは物理則に基づいたモデリングと計算手法のため高詳細度且つ高精度な結果を得ることが可能です。対応している物理領域も多方面で適用範囲が広い特徴があります。また、3D-CAEモデルは、既に社内に存在するケースが多く資産の活用が期待されます。スモールデジタルツインでは、まず3D-CAEバーチャルセンサのベースとして利用することで、高い説明力を確保します。他方、計算時間がかかることや、高い計算リソースの必要で、そのままではリアルタイム性が必要なバーチャルセンサには向きません。そこでモデル低次元化という技術を利用します。

シミュレーションが目的の3D-CAE

2. モデル低次元化機能を利用した構築性の高さ
3D CAEモデルにモデル低次元化(ROM: Reduced Order Modeling)とよばれる技術を用いると、リアルタイムで実行可能な1Dモデルを作成することが可能です。1Dモデルはモデルの入出力関係を表現したモデルで、関連する部位の計算のみに限定することで、3D-CAEの本質的な動作と支配的な挙動は保持されたまま処理が高速化すること可能です。
3D-CAEを活用したバーチャルセンサは、3D-CAE(論理)とデータ(実測)の両方を活用したハイブリット構造のバーチャルセンサになります。

モデル低次元化(ROM)とは

モデル低次元化（ROM）とは

FEM（有限要素法）や CFD（数値流体解析）などの3D シミュレーションモデルを低次元化して 計算量を減らす手法を総称してROMと呼ばれます。ROM化されたモデルとは、本質的な動作と支配的な挙動は保持されるROM化されたモデルでのシミュレーションは、計算時間と記憶容量の大幅な削減が可能です。

Ansysが提供するROM

Ansysは構造、流体、熱、電磁界などの提供するほぼすべての物理領域においてモデル低次元化(ROM)機能を提供しています。また、CAEの種類を問わないROM手法も提供されていますので、それらを利用することで、ニーズに即したモデルの構築を実現します。

バーチャルセンサを活用した製造現場向けの品質向上や安定生産ソリューション

バーチャルセンサは様々な活用が可能ですが、当社ではバーチャルセンサで得られた情報を積極活用することで、品質向上や安定生産を目的とした「スモールデジタルツイン」ソリューションを提案しています。現場で導入し易さを考慮したデジタルツインソリューションですので、お気軽にご相談ください。
スモールデジタルツイン

スモールデジタルツインを支えるAnsys Twin Builder

Ansys Twin Builderはスモールデジタルツインのための総合的な環境を提供します。実センサでは計測不可能な情報を取得するバーチャルセンサの構築など運用の最適化に役立つスモールデジタルツイン構築をトータルにサポートします。

• ANSYS 電磁界・構造・流体・熱解析ツールとの連成
• モデル低次元化機能(ROM): 3D-CAEを活用した高詳細度な1Dモデル作成
• VHDL-AMSやModelica, SPICEなど多彩なシステムモデル表現
• パワーエレクトロニクス向けの豊富なライブラリ
• FMU Import/Exportも対応
• エッジ環境で動作するランタイムモデルの生成
• IoTプラットフォーム対応

トータルで柔軟な技術支援

当社では、3D-CAEモデリングからIoT環境構築までデジタルツイン環境構築に関するすべての技術領域での支援を提供しております。必要に応じて、個別のご要望に対する技術支援も可能です。

事例/関連情報

事例

事例：MBSE/MBD/デジタルツインのページにTwin Builderの適用事例を紹介しています。

• MATLAB/SimulinkとAnsys(3D熱流体解析)のROMモデルを活用した電子機器の温度制御シミュレーション
• Dynamic ROMによる工作機械の熱変位補正
• ROMによるソレノイドアクチュエータの１Dシミュレーション
• 3相インバータ用IGBTモジュールの伝熱解析
• MEMSミラー非線形振動解析の高速化
• 超音波モータ非線形接触解析の高速化
• スモールデジタルツイン

モデル低次元化(ROM)

解析講座のモデル低次元化のカテゴリに技術資料を紹介しています。

• モデル低次元化の基礎