研究者から絶大な支持を集めるCAEソフト「COMSOL Multiphysics」の最新版

　

　「COMSOL Multiphysics」は、スウェーデンのCOMSOL ABによって開発された、構造力学、流体力学、化学反応工学、伝熱、音響など、様々な現象を無制限かつ多種類、強連成して解析が可能なCAEソフトウェアである。「マルチフィジックス(連成)解析に対する柔軟性」に大きな特徴を持ち、企業の研究部門や教育機関から大きな支持を集めている。

　そして、2014年10月31日「COMSOL Multiphysics」の最新バージョン5.0のリリースが発表された。前バージョンの4.4からの大幅なバージョンアップとなったため、全世界のユーザーから大きな注目を集めている。本記事では、現在のCAEソフトウェア市場を取り巻く動向と、「COMSOL Multiphysics」が持つ特徴、そして新バージョン5.0の目玉機能である「Application Builder」について紹介しよう。

現代の生活に欠かせない存在となったCAE

　「現在の社会においてCAEが関わらないものは存在しない、と言っても過言ではありません」。そう語るのは、2001年の取り扱い開始以来、一貫して日本国内におけるCOMSOLの総代理店として活動を続ける計測エンジニアリングシステム マーケティング部 課長の児島正哲氏だ。自動車産業はCAEをさまざまな用途で積極的に導入している業界なので、さながらCAEのデパートの様相を呈している。身近な例では、「我が社の車は燃費が良くなりました！」というCMをよく見かける。この場合、開発者はまずは車体の軽量化を検討する。だが、安全性を保つためには最低限の強度は必要だ。さらに、パーツによっては衝撃を吸収するために、逆に壊れやすい部分も必要になる。

　また、エンジンの中でガソリンの燃やし方を変えてみる。タイヤへ動力を伝える仕組みに無駄な摩擦はないだろうか・・・。ハイブリッド自動車なら、さらに発電機や電池、モータにも注意を払う必要がある。さらにこれらを実現するためのコストも下げる必要がある。

　このような、複雑に絡み合った条件を満たすには、もはや試作による実験だけでは不可能だ。より効果的に、効率的に製品を開発するためには、試作による実験とCAEソフトを用いた解析を組み合わせていくことが必要不可欠である。

　計測エンジニアリングシステム マーケティング部 課長 児島正哲氏

　COMSOL Multiphysicsは、前述の通り電磁気や構造、熱、流体、化学反応を個々に解析するだけでなく、それらを自由に連成計算させることができる。そのような連成機能を持つ専門分野オプションとして、様々な応用分野に自在に適用できるアドオンモジュールを用意しているので、研究者、設計者、開発者の注目を集めている。

　「これから先、資源はどんどん不足していきます。日本のような資源輸入国にとって、資源の節約は避けては通れない大きな課題です。環境にやさしい技術をいかに高性能かつ低コストで提供できるかの技術競争は全世界的に熾烈を極めており、開発、試作、実機実験にかかる時間を短縮して、さらに製造コストの削減を図るためにも、CAEソフトが活躍する場面は間違いなく増えていくことでしょう」（児島氏）

マルチフィジックス解析の必要性

　このような現在のものづくり市場において、「COMSOL Multiphysics」が支持されている理由、それは「無制限強連成*が可能なマルチフィジックス解析」が可能な点にある。

　マルチフィジックス解析が必要となる典型的な例として、燃料電池が挙げられる。

　日本の大手自動車メーカーが2014年中に燃料電池車を市販するというニュースが流れて、一般の方からも次世代のエネルギー源としての燃料電池に注目が集まっている。

　このタイプの燃料電池は、空気中の酸素と、タンクに蓄えられた水素を反応させて電力を取り出す、一種の発電装置だ。水素は化石燃料に依存せず、たとえばソーラー発電でも作る事ができる。排出物は環境負荷が非常に小さく、さらにタンクへの充填時間はガソリン車並みに短時間で済む。現在のハイブリッド車の欠点である、環境負荷の高い化石燃料に依存する点や、充電式電気自動車の最大の欠点である、長い充電時間を克服できる。

　しかし、燃料電池には一般的に構造、熱、流体、電気、化学反応といった異なる5種もの物理現象が複雑に関わっていると考えられる。仕組みの複雑さから性能アップが難しく、今まではアポロ計画やスペースシャトルといった宇宙開発のような、特殊な用途がほとんどだった。

　自動車など一般消費者向け製品で利用するには、小型、軽量かつ高性能を要求されるが、先に述べた5種もの物理現象が関わる場合、1～2種の物理現象に注目する従来の開発手法では、短期間での開発は困難だ。特に、化学反応と他の物理現象を連成して解析することは、従来は極めて困難だった。

　このような「複雑に絡み合った条件を満たす結果」を求めるためには、マルチフィジックス解析は欠かせないものである。だがCAEソフトウェアの多くは、この「マルチフィジックス解析」を行うために、それぞれの現象に合わせた異なるソフトウェアを用いる必要がある。

　「COMSOL Multiphysics」では、それらの現象における解析機能をモジュールやライブラリ形式で追加することができる。つまり一つのソフトウェア上で、様々な分野の開発者が望む、様々な現象における「マルチフィジックス解析」が可能だ。

　「他のソフトウェアに引き継ぐ目的の、データファイルの形式変更は必要ありません。また、全てが同じユーザインタフェースで操作できるため、新たに使い方を学ぶ必要もありません。モジュールを追加すれば、解析対象となる現象の組み合わせは無限に広がります。それがCOMSOLの設計した”真のマルチフィジックスシミュレーション”を実行できる、世界唯一のソフトウェアなのです。」（児島氏）

　*強連成：厳密に解析を行うため高い精度の解を得られる。弱連成では厳密性が弱いため精度は劣るが解析が可能な場合にはコストと手間は抑えられる。

　「COMSOL Multiphysics」において、化学反応と熱を考慮したマルチフィジックス解析中の画面（注：画面はバージョン4.4/同社のPDF資料より）

　「COMSOL Multiphysics」では、多種多様なモジュールとライブラリが用意されている。バッテリ&燃料電池モジュールによる、燃料電池の電極シミュレーション。(同社資料より)

　医療向けの解析事例として、腫瘍のラジオ波による熱凝固壊死による治療法のシミュレーション。切開手術をしないがん治療として注目されている治療方法である。(同社資料より)

さらに現場で使いやすく。新たな機能を持って登場した新バージョン5.0が登場

　「COMSOL Multiphysicsは、“何を、どうするか”をゼロから考えることに向いている」CAEソフトウェアだ。モジュールやライブラリを追加していけば、機能は無限に広がり様々なことを試す事ができる。だからこそ研究者たちを中心に支持が集まったと言える。「ですが、速度と柔軟性を求められる現在のものづくりに対応するためには、設計部門や製造部門の方々が持つ、“ここを、こう変えたい”というご要望にもお応えする必要があります」（児島氏）

　そして、そのためにバージョン5.0から追加された新機能が「Application Builder」である。例えば、研究開発部門であれば全ての項目を、設計部門であれば関連する10の項目を、製造部門であれば現場で必要な5つの項目を、それぞれに合わせて表示することができる。

　「あまりにも表示される機能が多過ぎると、逆に何をすればいいか、どこを変えればいいかが分かりにくくなります。Application Builderでは、必要な機能と操作項目を選択し、表示を分かりやすく、かつ使いやすくカスタマイズすることが可能となります。現場だからこそ気が付く部分もあります。そんな時にでも、気軽にCOMSOLの解析機能が利用できる。Application Builderは、そのための仕組みとして追加されたものです」（児島氏）

　なお、「Application Builder」以外に、バージョン5.0で追加された機能は、他に以下のようなものがある。

幾何光学モジュール：電磁界・光学製品のひとつで、今までCOMSOLが対応していなかったレンズ設計にも対応可能になるオプションデザインモジュール：三次元CADデータの読み込みを支援するためのモジュールLiveLink for Revit：Autodesk社の建築系CAD「Revit」と双方向データ連携させるためのオプション2014年12月4～5日に「COMSOL Conference Tokyo 2014」が開催

　本年はイギリス・ケンブリッジでの開催でスタートした「COMSOL Conference」は、南北アメリカ、アジアを含む世界8ヶ所で順次開催される予定だ。日本においては12月4～5日の二日間にわたり、秋葉原UDXカンファレンスにて開催されることが決定している。

　東京大学 数理生命情報学研究室 合原一幸教授

　12月5日(金)には、招待講演者として「複雑現象の数理解析複雑系数理モデル学」などの研究を行う東京大学 数理生命情報学研究室の合原一幸教授が登壇予定。またスウェーデン・COMSOL ABのCTO Ed Fontes氏を始め、製品開発担当者が来日。新バージョン5.0の新機能についての詳細な解説が行われる予定となっている。申し込みは下記Webサイトより可能となっているので、興味のある方はチェックしていただきたい。

　なお、計測エンジニアリングシステムでは、「COMSOL Multiphysics」の活用事例を紹介したCOMSOL Newsという名称の小冊子をPDF形式にて配布している。研究者が多く利用していることも反映してか、製造業向けとして、大手自動車メーカーによる、ハイブリッド自動車の電子パーツ冷却パネル小型化のための解析といった事例だけでなく、バイオ・医療分野では血栓治療のための解析、さらには食品の加熱調理の解析など、異色な事例が多く非常に興味深い内容となっている。その他にも、「COMSOL Multiphysics」を用いた研究の学会発表論文やアニメーションギャラリーなどもダウンロードできるので、一度覗いてみることをお勧めしたい。

「COMSOL Conference Tokyo 2014」
　

　

「COMSOL Multiphysics」各種事例ダウンロードページ
　

　COMSOL Multiphysicsの製品ロゴは、バージョン5.からより未来的なデザインになった。

南海トラフで津波地震が巨大化の恐れ

　

　南海トラフで津波地震が巨大化しかねないとする研究成果を、東京大学大気海洋研究所の朴進午(パク ジンオ)准教授らがまとめた。南海トラフ沈み込み帯の浅部プレート境界断層(デコルマ)内部にある流体の分布が異なることを示した。南海トラフで発生すると予想されている巨大地震・津波発生モデルの構築や、防災・減殺対策に役立ちそうだ。11月17日付の米地球物理学連合の学術誌Geophysical Research Lettersのオンライン版に発表した。

　図1. 南海トラフの反射法探査測線(灰色)。()負と正の反射極性を持つプレート境界断層は、それぞれ青線と赤線で示す。反射極性で、南海トラフは四国沖A(負)、紀伊水道沖B(正)、潮岬沖C(負)、熊野沖D(正)、熊野沖東部E(負)の5つの異なる領域に区分できる。(提供：東京大学)

　東日本大震災では、地震に伴う断層滑りが、海底の浅いところにあるプレート境界断層に沿って海溝近傍まで至り、大津波が発生した。西南日本の南海トラフでも、浅いところにあるプレート境界断層の地震性滑りによる大津波の発生が懸念されている。研究グループは、海面近くで人工的に放出させた振動が海底下の地層境界で反射して海面に戻ってきた反射波を受振器で捉えた反射法探査のデータから、南海トラフの海底地下構造を探った。

　図2. 津波地震において津波波源域が巨大化する仕組みの概念図。低間隙水圧のプレート境界で津波地震の初期破壊が起こった場合、その地震性滑りがほぼ同時に周辺の高間隙水圧のプレート境界へ伝わり、津波の規模がさらに大きくなる。(提供：東京大学)

　その結果、プレート境界断層の反射極性が南海トラフの西から東にかけて負と正が繰り返され、東西500キロ以上にわたり5つの異なる領域に区分されることを見いだした。四国沖(負)、紀伊水道沖(正)、潮岬沖(負)、熊野沖(正)、熊野沖東部(負)の5領域である。深海掘削データを加えた詳しい解析で、反射極性が負の領域は境界断層が軟らかくて内部に水が入って、間隙水圧が高くてひずみがたまりにくい状態で、正の領域は境界断層に水が少なくてひずみがたまり、地震が起きやすい状態であることがうかがえた。

　断層に流体が濃縮されて高い水圧が維持されていると、地震の滑りが断層面に沿って伝わりやすいとみられている。研究グループは「反射極性が正の紀伊水道沖か熊野沖で地震が発生する場合、地震性滑りが南海トラフ沿いに周辺の四国沖や潮岬沖、熊野沖東部に波及して巨大な津波になる恐れがある」という説を提唱した。政府の地震調査委員会は、南海トラフ沿いで30年以内にマグニチュード8～9級の巨大地震が発生する確率を70%程度とみている。

　朴進午准教授は「南海トラフで津波の規模を予想するのに、沈み込み帯の浅部プレート境界断層のデータを取り入れる必要がある。プレート境界断層の内部に存在する流体の分布が異なるため、津波地震が巨大化しやすいというのは新しい視点だ。プレート境界断層の観測を強化し、継続することが望ましい」と話している。

アットマークテクノとローム、Wi-SUN/EnOcean対応IoTゲートウェイを発表

　

　アットマークテクノとロームは11月12日、アットマークテクノ製IoTゲートウェイ「Armadillo-IoT」にローム製のWi-SUN/EnOcean対応の無線モジュールを搭載することで合意したと発表した。12月から販売を開始する予定。

　「Armadillo-IoT」は、アットマークテクノ製の省電力・小型組み込みプラットフォーム「Armadillo」をベースとしたIoT向けゲートウェイであり、アドオンモジュールを載せ替えることで各種機器の接続にフレキシブルに対応できるのが特徴である。今回、アットマークテクノは、ロームが開発した汎用Wi-SUNモジュール「BP35A1」とEnOceanモジュール「BP35A3」を「Armadillo-IoT」用アドオンモジュールとしてラインアップした。ローム製の無線モジュールは、いずれもアンテナ内蔵で電波法認証も取得済みのため、Wi-SUNまたはEnOcean対応の無線センサに「Armadillo-IoT」ゲートウェイをそのまま接続することができる。

　なお、両社はアットマークテクノの組み込みプラットフォームに関する技術力と、ロームの無線通信に関する技術力というお互いの強みを生かし、今後もニーズにあった製品ラインアップを強化していく予定とコメントしている。

　アットマークテクノのIoTゲートウェイ「Armadillo-IoT」と、ロームの汎用Wi-SUNモジュール「BP35A1」、EnOceanモジュール「BP35A3」の利用シーン

少量の試料で超短時間構造解析法を開発

　

　従来の1/10～1/100のサンプル量でタンパク質の3次元結晶構造解析が可能となる試料供給の手法を、理化学研究所(理研)放射光科学総合研究センターの菅原道泰(すがはら みちひろ)研究員らが開発した。X線自由電子レーザー施設SACLA(兵庫県佐用町)のX線レーザーによる結晶構造解析の能力を飛躍的に高める画期的な手法として注目されている。ごく少ない微小結晶で構造決定ができるため、X線構造解析に大きな刺激を与えつつある。

　図1. SACLAの連続フェムト秒結晶構造解析とグリースマトリックス法(提供：理化学研究所)

　理研SACLA利用技術開拓グループの南後恵理子(なんご えりこ)研究員、岩田想(いわた そう)ディレクター、京都大学の桝田哲哉(ますだ てつや)農学研究科助教、島村達郎(しまむら たつろう)医学研究科特定講師、潘東青・元薬学研究科研究員、大阪大学の溝端栄一(みぞはた えいいち)工学研究科助教、鈴木守(すずき まもる)蛋白質研究所准教授、高輝度光科学研究センターの登野健介(とうの けんすけ)副主幹研究員らとの共同研究で、11月10日付の米科学誌ネイチャーメソッズのオンライン版に発表した。

　図2. 1ミリグラムの結晶を使い、グリースマトリックス法で得られたリゾチームの構造(提供：理化学研究所)

　SACLAのX線レーザーを用いた連続フェムト秒(1フェムト秒は1000兆分の1秒)の構造解析は、ナノメートル(ナノは10億分の1)サイズのタンパク質の微小結晶でも結晶構造を決定でき、酵素反応に伴う一連の構造変化が起きるフェムト秒～ピコ秒(1ピコ秒は1兆分の1秒)間の反応過程なども観察できるため、期待が高い。しかし、連続的にX線レーザーの照射ポイントにタンパク質結晶を供給するには、インジェクターから10～100ミリグラムほどの大量の結晶を含む液状試料を速い流速で噴射する必要があり、苦労して作った結晶の大半が無駄になっていた。

　共同研究グループは、粘度が高い物質と微小な結晶を混ぜ合わせて、結晶をX線レーザーの照射ポイントに安定して供給できる手法を探り、タンパク質の結晶を流す媒体として潤滑油のグリースが利用できることを突き止めた。このグリースを結晶と一緒にインジェクターに詰めて測定できるようにし、グリースマトリックス法と名づけた。リゾチームなど4種類のタンパク質の結晶の構造を解析した。使った結晶の量は1ミリグラム以下で済み、従来の方法で必要だった結晶の量の1／10～1／100まで減らすことに成功した。

　菅原道泰さんは「この手法で使うグリースは自転車のチェーンなど機械の潤滑油でよい。ホームセンターで買ってきたものが十分に役立つ。これまでは、サンプルの結晶は作るのが大変なのに、実験ではほとんどX線に照射されることなく捨てられていて、もったいなかった。この問題をほぼ解決できた。グリースの油はタンパク質結晶と相性が良いのもこの手法の強みだ。タンパク質だけでなく、有機、無機物質の構造解析にもこの手法は利用できる。構造解析で世界最高性能のSACLAのX線レーザーをより活用できるだろう」と話している。

ルネサス、産業ネットワーク機能内蔵のFAソリューション10品種を発表

　

　ルネサス エレクトロニクスは11月18日、ACサーボドライブや産業用制御装置など、高いリアルタイム性を必要とするハイエンド制御機器向けに、高速・高応答性を実現し、さらに産業ネットワーク機能を内蔵したFAソリューション「RZ/T1グループ」10品種を発表した。2015年1月31日からサンプル出荷を開始する。

　近年の生産性向上への要求の高まりの中で、生産工場の中で使われるさまざまな制御機器においても、今まで以上の高性能化とネットワーク化への対応が求められている。特に、ACサーボなどのモータ制御では単にCPU性能が高いだけではなく、どのような場合にも処理時間が変化しない高いリアルタイム性を持つソリューションが求められている。しかし、動作周波数の高いマイクロプロセッサ(MPU)はキャッシュメモリの特性により処理時間が変化するためリアルタイム制御に不向きである。一方、リアルタイム制御を得意とするフラッシュメモリ内蔵マイコンはMPUのような高い動作周波数の実現は困難だった。

　また、工場内で使われるネットワークについても産業機器メーカー各社の独自による通信規格から、Ethernet技術をベースにしたEtherCATや、EthterNet/IP、PROFINETなどのオープン規格が普及しつつある。このオープン規格に対応するためには通信専用の半導体デバイスをプロトコル別に用意する必要があり、システムコストや実装面積の増大を招いていた。

　そこで、同製品では高性能リアルタイム制御とマルチプロトコル産業Ethernet通信を1チップで実現した。最大600MHz動作のARM Cortex-R4Fコアと、キャッシュメモリを介さずCPUコアに直結する密結合メモリ(TCM:Tightly Coupled Memory)を搭載することにより、従来のようなキャッシュメモリベースのMPUでは実現できなかった高いリアルタイム応答性と、従来のフラッシュメモリ内蔵マイコンを超える高速動作を両立させている。また、ネットワーク化へのニーズについては、同社の「R-IN」シリーズで実績のあるマルチプロトコル対応の産業Ethernet通信向けアクセラレータ「R-INエンジン」を内蔵した製品をラインナップし、EtherCATをはじめとする複数の産業Ethernet通信規格に対応する。さらに、同社の「RXファミリ」や「SHファミリ」の周辺機能の多くを継承しており、制御機器のローエンドからハイエンドまでスケーラブルなシステムの設計が容易となっている。

　ルネサスのFAソリューション「RZ/T1グループ」