複雑なシステムでは、システムの構成要素を組み合わせて新しい機能を創発させます。例えば、エンジンとプロペラを組み合わせると、エンジンの回転により流体に力を加えるという機能が実現されます。ユーザーがエンジンとプロペラを組み合わせた技術システムを設計する際には、エンジンとプロペラは回転速度などの稼働条件に対してトルクや馬力、燃費や効率などが変化するという特性を考慮しながら、最大のパフォーマンスを発揮する組み合わせを探します。
これまでの技術システムの開発では、システムの利用条件を与えて最適なシステムの設計を行うことを指向してきました。船舶ならば積載量と船速、風や波などの条件を与え、ポンプならば流量や対象の流体の特性を与え、エンジンとプロペラの組み合わせを設計してきました。一方で、本来変化し続けているシステムの外的環境にシステムの運用を合わせていくことで、より効率を高めたいというニーズがあります。クラウドコンピューティングやセンシングの技術が進むにつれて、外部環境が変化する中での技術システムの運用のデータが精緻に得られるようになり、運用条件にシステムの設定を合わせていくようなスマートな制御も可能になりつつあります。シミュレーションによる様々な運用条件の事前検討、IoTによるセンシングによる運用状況の把握、センシングデータに基づいたシミュレーションにより技術システムの運用中の詳細も知ることのできるデジタルツイン技術がオペレーションの質を高めるコア技術になるとと考えられます。
自動車などの特定の製品や産業ドメインなどを対象とした場合のシミュレーションでは、配管系統と三次元配置設計など相互に影響するマルチドメインや、材料のミクロ構造から構造材の特性を評価するマルチスケール・マルチフィジックスなど、高度な練成解析も取り入れられつつあります。エンジンとプロペラであれば、単体の性能で評価するよりも、2つをシステム化した推進機構としての性能を評価する方が実務上望ましい結果が得られます。これは、単体で優れたエンジンであっても、組み合わせるプロペラによっては選択肢として最適ではなくなる可能性があるためです。エンジンとプロペラより複雑な、多くの要素を組み合わせた技術システムをデザインするにあたり、シミュレーションによるシステムの機能が発現されるまでの振る舞いの予測は非常に有益です。
このようなデザインにおける意思決定をサポートするシミュレーション技術として、1Dシミュレーションという概念があります。1Dシミュレーションには明確かつ共通した定義はないようですが、多くの学術論文において常微分方程式の境界値問題が1Dモデルと呼ばれており、1Dシミュレーションはこの1Dモデルを基礎にしていると考えられます(see the reference)。このため、1Dシミュレーションは、多次元で表現される複雑なシステムの、機能などシステムの振る舞いを対象としたデザインプロセスにおいて、時間軸に注目した常微分方程式(1D)のようなモデル化によるシミュレーションと定義することがエンジニアリング分野では適切と考えます。
一般的に1Dシミュレーションは設計したい機能に関する性能特性やその相互作用をモデル化します。プロペラとエンジンのみに注目した場合は、シャフトを通じて伝達される力を中心にモデル化し、エンジンやプロペラが船舶やポンプに収まるかなどの詳細は別途検討します。1Dシミュレーションにより機能設計を行う商用ソフトウエアは多く提供されており、CADやFEMなどとの統合によりCAEができるようなデザインプロセスも存在します。
1Dシミュレーションという考え方は、複雑化の進んだ工業製品のデザインやサービスに関する意思決定の中でシミュレーション技術の活用を加速するものと考えられます。
In complex systems, the components of the system are combined to create new functions. For example, the combination of an engine and a propeller provides the function of applying force to a fluid through the rotation of the engine. When users design a technical system that combines an engine and a propeller, they look for the combination that provides the greatest performance, taking into account the characteristics of the engine and propeller, which vary in torque, horsepower, fuel consumption, and efficiency in relation to operating conditions such as rotational speed.
In the development of technical systems to date, we have been oriented toward designing the optimal system given the conditions under which the system will be used. For ships, we have designed engine and propeller combinations given the conditions of payload and ship speed, wind and waves, etc. For pumps, we have designed engine and propeller combinations given the flow rate and characteristics of the fluid under consideration. On the other hand, there is a need to increase efficiency by adapting system operations to the external environment of the system, which is inherently ever-changing. As cloud computing and sensing technologies advance, data on the operation of technical systems in a changing external environment can be obtained with greater precision, and smart control is becoming possible, such as matching system settings to operational conditions. Digital twin technology will become a core technology to improve the quality of operations, enabling preliminary study of various operational conditions through simulation, understanding of operational conditions through IoT sensing, and detailed information during operation of technical systems through simulation based on sensing data. The digital twin technology is expected to become a core technology to improve the quality of operations.
In the simulation of specific products such as automobiles or industrial domains, advanced simulation methods such as multi-domain simulation, in which the piping system and 3D layout design interact, and multi-scale multi-physics, in which the properties of structural materials are evaluated from the microstructure of the materials, are also being incorporated. In the case of engines and propellers, the analysis of a single unit of material is used. In the case of an engine and propeller, it is more desirable in practice to evaluate the performance of the two as a systemized propulsion mechanism than to evaluate the performance of a single unit. This is because an engine that is excellent on its own may not be the best option depending on the propeller it is combined with. In designing technical systems that are more complex than an engine and propeller and that combine many elements, it is very useful to use simulation to predict the behavior of the system until its functionality is realized.
Although there does not seem to be a clear and common definition of 1D simulation, many academic papers refer to boundary value problems for ordinary differential equations as 1D models, and 1D simulation is considered to be based on this 1D model(see the reference). Therefore, we believe it is appropriate in the engineering field to define 1D simulation as a simulation by modeling like ordinary differential equations (1D) focusing on the time axis in the design process for system behavior, such as functions, of complex systems expressed in multiple dimensions. In general, 1D simulation is a simulation that we would like to design.
In general, 1D simulation models the performance characteristics and their interaction with respect to the functionality to be designed. If we focus only on propellers and engines, we model mainly the forces transmitted through the shafts, and the details such as whether the engine and propeller fit in the vessel or pumps are considered separately. There are also design processes that can be integrated with CAD, FEM, etc. to enable CAE.
The concept of 1D simulation will accelerate the use of simulation technology in decision making regarding the design of increasingly complex industrial products and services.