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モバイルワークステーションでCAEが実用に耐え得るスピードで動くのか?

リアルタイム解析「ANSYS Discovery Live」をモバイルワークステーションで徹底検証

設計者が自ら構造解析を行うCADエンジニアのワークスタイル「設計者CAE」。そのためのツールとして注目を集めているのが、構造解析の専門知識がなくてもシミュレーションが行えるとされる米国ANSYS社の「ANSYS Discovery Live」だ。

このCAEツールがモバイルワークステーション上で実務に耐え得るスピードで動作すれば、設計者は時と場所を選ばずに、設計と構造解析の作業を同時並行的に進めることが可能になり、不要な手戻りによる無駄な工数の削減が実現できる。そのことが設計現場の働き方改革につながる可能性が大いにある。

そこでレノボでは、CAEに精通するニコラデザイン・アンド・テクノロジー代表取締役、水野操氏の協力を仰ぎ、レノボのモバイルワークステーション「ThinkPad P52」「同P72」によるANSYS Discovery Liveの動作性能を計測することにした。

なお、水野氏は二コラデザイン・アンド・テクノロジーにて3D設計・モデリングサービス、3D CAD / 3Dプリンターの導入支援をはじめ、それらを活用した新規事業のコンサルティングサービスなども手がけている。

検証方法と結果

検証方法

今回の検証は、ANSYS Discovery Liveによる「静的応力解析」と「トポロジー最適化」の処理スピード(処理時間)を計測することで行われた。この検証を目的に水野氏は、静的応力解析モデルとトポロジー最適化モデルの二つを用意。その処理性能を測るためのデータとして、解析時に生成されるログの時間を使用した。

ThinkPad P52 / P72の検証結果

  1. 静的応力解析とトポロジー最適化の両検証について、ThinkPad P52よりもグラフィックスレンジの高い同P72の方が高い性能を示した。
  2. ただし、二つの解析のうち特に静的応力解析については、両マシンの性能に大差はなく、実務レベルではほとんど差が出ないことが判明した。
  3. 絶対的な性能としてはThinkPad P52、P72は共に高く、トポロジー解析についても、他のCAEツールとPCの取り合わせなら10分以上かかる処理をおよそ1分半という極めて短い時間で処理できることが分かった。
  4. ANSYS Discovery LiveとThinkPad P52 / P72のコンビネーションは、設計者によるCAE用途に適した環境であることが分かった。
  5. 検証中ThinkPad P52 / P72のファン音に煩わされることがなく、結果として両マシンの静音性の高さに気付いた。

検証の目的

今回の検証の目的はシンプルであり、「設計者CAE」の環境として、レノボのモバイルワークステーション「ThinkPad P52」「同P72」の性能がどういったレベルにあるかを確認することだ。

その性能が実用レベルにあれば、設計者は時と場所を選ばずに設計から構造解析までの作業を済ませ、設計のブラッシュアップに生かしたり取引先で自らの設計の構造上の正しさを検証して見せたりすることが可能になる。そうなれば設計者の働き方改革につながる可能性も高い。

検証の環境

早速検証結果を見ていきたいところだが、その前に今回の検証で水野操氏が使用した環境について確認しておきたい。

ANSYS Discovery Live

検証に使用されたソフトウェア「ANSYS Discovery Live」は、いわゆる「構造解析」と呼ばれる応力解析だけではなく「流体解析」や「伝熱解析」、構造との「連成解析」さらには、「トポロジー最適化」も可能な総合的なCAEツールである。大きな特徴は、解析ソフトの使用に慣れていない設計者でもシミュレーションが行えること。またGPUを積極的に活用する設計になっている点も設計者に向けたCAEツールとしては珍しい特徴であるという。

検証2機種のスペック

水野氏が検証に使用したThinkPad P52 / P72のスペックは次の表1に示すとおりである。

  ThinkPad P52 ThinkPad P72
  モバイルワークステーションミッドレンジ モバイルワークステーションハイエンド
CPU Core i7-8850H Xeon E-2176M
メモリー 16GB×2 8GB×2
HDD / SSD 512GB SSD(M.2 PCIe NVMe) 512GB SSD(M.2 PCIe NVMe)
GPU NVIDIA Quadro P3200 NVIDIA Quadro P4200
モニター 15.6インチ/解像度 3,840×2,160 17.3インチ/解像度 1,920×1,080

表1を見てのとおり、ThinkPad P52にはGPUとして「NIMDA Quadro P3200」を、P72には「NIMDA Quadro P4200」をそれぞれ搭載させている。このスペックを見て、ThinkPad P52とP72のメモリー容量の違いが気になるところかもしれないが、水野氏が今回検証に使用した解析モデルは比較的小規模であり、メモリーサイズの違いはそれほど問題にはならないとしている。

検証結果1:静的応力解析モデルの処理

水野氏は今回ANSYS Discovery Liveを使った「静的応力解析(構造解析)」と「トポロジー最適化」の処理をThinkPad P52 / P72上で走らせ、それぞれの実行スピードを計測した。

このうち静的応力解析の検証用として、水野氏は以下の図1に示す航空機モデルを用意した。

図1:検証に用いた「静的応力解析モデル」ML-11(提供:法政大学 航空・機械音響研究室 データ修正:水野操)

このモデルは、本来構造は無視して単一の中身が詰まった「ソリッドのモデル」として定義されており、モデルの素材は「アルミ合金」に設定されている。また、このモデルを使った構造解析を行うために水野氏は以下の環境条件を設定した。

図2:検証の環境条件~飛行機の底面の一部を完全拘束とし、主翼全体に揚力を想定した上向きの荷重を与える~

上の条件を定義したのち、「最高精度」の設定で解析を実行。解析において自動生成された要素数は「92462」で、節点数は「148860」となった。また、計算時にはCPUのリソースを2分割にして計算を行っている。

解析の結果1:応力分布

この解析の結果として出力された応力分布は図3のとおりである。

図3:応力分布の例(「Von Mises相当応力」の解析結果例)

この結果は今回のモデルに与えた境界条件に対して出力された結果としては、妥当なものと水野氏は説明する。

解析の結果2:ThinkPad P52 / P72の性能比較

では、本題のThinkPad P52とP72の処理性能はどうだったのか。 その結果は図4に示すとおりである。これは解析時に生成されるトランスクリプト(ログ)に記録された処理時間をベースにしたものだ。

図4:ThinkPad P52 vs.P72の処理時間比較~ログに記述された時間をベースにした性能比較~

マシン 処理時間(ログファイルによる)
ThinkPad P52 13.562 sec(CP Time)
ThinkPad P72 13.049 sec(CP Time)

図4にあるとおり、ThinkPad P72の方がP52よりも早く応力解析を完了させている。これはGPUの「NIMDA Quadro P4200」と「NIMDA Quadro P3200」の性能の違いがそのまま表れた結果と見なすことができる。ただし、両者の差は0.63秒と極めて小さく、「実務上は全く違いはないと見ていい」と、水野氏は語りこうも続ける。

「注目すべきは、ThinkPad P72と同P52との性能差ではなく両者の処理性能の高さです。この結果を見る限り通常の線形の応力解析であれば、今回のような比較的小規模なモデルだけでなく、比較的大規模なモデルでもかなり高速に計算できることが想定でき、設計者CAEの実務に十分適応可能であると推測できます」

検証結果2:トポロジー最適化の処理

次に「トポロジー最適化」の検証結果について見ていく。

トポロジー最適化とは、与えられた条件に対して最適な形状をCAEツールに求めさせることを指す。この手法はヒトではなく「CADツール(ソフトウェア)に最適な形状を求めさせる」という点で注目を集めている。

ただし、トポロジー最適化は高負荷の解析で、比較的単純なモデルのトポロジー最適化計算でも使用するツールやPCによっては10分以上かかることが珍しくないという。ところが今回の検証において、ThinkPad P52 / P72は共に1分そこそこで処理を完了させた。「これには本当に驚かされました」と水野氏は語りこうも続ける。

「その検証中ThinkPad P52 / P72のファン音に一度も気付かなかったことも今にして思えばすごいことです。つまり両マシンともそれほど静かに高い負荷の処理をこなしていたことになります。こうした静音性は設計者が作業に集中しやすくなるという点で、ThinkPad P52 / P72を使うもう一つのメリットといえるかもしれません」

水野氏の指摘のとおり、ThinkPad P52 / P72では独自の冷却ファン「FLEX パフォーマンス・クーリング」を採用している。CPUとグラフィックスのそれぞれにファンを持つデュアルファン構成とし、CPUとグラフィックスをヒートパイプで接続して一体的に冷却、相互に冷却性能を補完する機能だ。これによって冷却効率が高まり、ファンの回転数が減少するため動作音が静かになるだけでなくファンの寿命も長くなる。また仮に一方のファンが故障した場合でも、もう一方のファンが排熱するため、処理を落とせば作業を継続利用できるという点で冗長性も合わせて持っているといえる。

その検証で水野氏は以下の図5に示すトポロジー最適化対象のモデルを用意した。

図5:検証に使用したトポロジー最適化モデルのイメージ

このモデルは壁に棚板などを設置するための固定具「L字金具」としての用途を想定したものである。従って垂直の平面が壁面に接し、上面の水平な面には棚板が乗ることを想定している。また、使用する材料にはデフォルトの鋼材が設定されている。

また検証を行ううえでの境界条件としては垂直面には「完全固定」の条件を、また上面の水平面には下向きに「100Nの荷重」がかかることを想定した(図6)。

図6:検証の環境条件~垂直面には「完全固定」を水平面には「100N荷重」~

トポロジー解析に必要な「目的関数」「制約関数」に相当するものは、デフォルトの設定がそのまま用いられている。さらに、このモデルで生成された要素数は「3978」で、節点数は「19992」。静的応力解析と同じくこちらも計算時にCPUのリソースを2分割している。

解析結果1:ジオメトリ

図7:トポロジー最適化の解析で求められたジオメトリ

解析の結果2:ThinkPad P52 / P72の性能比較

静的応力解析と同じく処理性能の指標として解析時に生成されるトランスクリプト(ログ)に記録された時間を用いた。結果は下の図8に示すとおりである。

図8:ThinkPad P52 vs.P72の処理時間比較~ログに記述された時間をベースにした性能比較~

マシン 処理時間(ログファイルによる)
ThinkPad P52 1 min 32 sec(Total Time)
ThinkPad P72 1 min 22 sec(Total Time)

トポロジー最適化では一般的な静的応力解析と比較すると負荷が大きく、結果的にThinkPad P52とP72との計算時間の差は少し顕著となり、両者には10秒の差が出ている。

ただし、それでも先の水野氏の言葉にあるとおり、ThinkPad P52、P72は共に1分そこそこで処理を終えている。「この計測結果を見る限り、ANSYS Discovery LiveとThinkPad P52、あるいはP72の組み合わせでトポロジー最適化を行う時間的なメリットは非常に大きいといえます」と、水野氏はあらためて強調する。

総評

今回の検証結果から水野氏は次のようにThinkPad P52 / P72を評価している。

「設計者は通常複雑で不安定な解析問題を解くケースは少なく、どちらかといえば既に実証済みのジオメトリや素材を用いて設計の方向性が合っているかどうかの検討を行うことが一般的です。

そうした作業で使うCAEツールやワークステーションに求められることは、いかに短時間で結果が出せるかです。

その点で、ANSYS Discovery Liveについても、ThinkPad P52 / P72にしても、設計者による解析業務──つまりは設計者CAEに適したものと言い切れます」

水野氏によれば設計者CAEでは、例えばトポロジー最適化の計算にしても条件を変えて幾度も実行できることが、設計業務の効率化には有効であるという。にもかかわらず、一度の解析に数十分から何時間もかかるのが当たり前の現状だとそう気安くはできない。だが、ANSYS Discovery LiveとThinkPad P52、あるいはP72のコンビネーションであれば、そのような試行錯誤が行えるようになる可能性が大いにあると、水野氏は指摘している。

短時間での解析、確認、そして場所を選ばない静音性、モバイル性。いよいよ設計者CAEも社内固定デスクに座る時間が短くなり、働き方改革に乗り出しそうだ。

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