【電磁界シミュレータ】かたっぱしから、インストールしてみようかと。。リンク・コメント集【EMCに使えるかな?】

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電磁界シミュレータ

シミュレータも道具なので、道具、測定器好きとしては、何か検索したりすると、ついそこを見てしまったりします(笑)GPUがわりかし手頃に手に入るようになっていたりするので、個人のPCでもいろいろできるようになりましたね。OpenFOAMでラジコンボディの空力シミュレーションしたりとか。。

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こういうの見つけて、音場ならFDTDをGoogleColabで動かせるんですよね。。でも電磁界というとちょっとこれを2重に解かないといけないのだけど。。

そういえば、BlenderとかUnityとかもそうだけどゲームに使われているRaytracingというのだったらどうなんだろうな?って。。OpenFOAMでラジコン用のモデルを探していたら。。こんなのを見つけまして。。

RedBlight/RaytrAMP
Shooting and bouncing rays method for radar cross-section calculations, accelerated with BVH algorithm running on GPU (C++ AMP). - RedBlight/RaytrAMP

まだ試してないけど。。ToFとかレーダーで自動運転とかするならシミュレーションしたいよなぁ~って。。これでは、AudiのA8のシミュレーションとかの結果が出ていました。

Triangle Count: 20973
Frequency: ~1.5 GHz
Electrical Size: ~25λ
Direction Count: 90
RaytrAMP Execution Time: 1.5 seconds
FEKO Execution Time: 15 minutes (~600x slower)

15分くらいでできたら、いいですね。こんなモデルが。。ちなみに、これもOctave(Matlab)から使うものです。(あとで試しますね)

そもそもモデルの作成が一番、手間で、なかなかシミュレーションできなかったんですが、いろんなサンプルが出てきているのと、CADも進みましたしね。

日本では、これ↓が一番できていて、すべての方法が掲載されています。

株式会社EEM
EM Software Link

これを昔、一回試して、モデリングで挫折したんですよね。今はいろいろツールができてきているようなんですが、ニッチだからか、継続のためにはツールのコンサルが必要だからか、肝の部分は、有償ですね。日本の先生とかでもいろいろリンクあるんですが、どれも古い情報のようで、今でも現役のものってこのリンクのものくらいなのかな?って。。(個人的な感想なんで、いろいろあったら、教えてください)

で。。海外勢はどうなんだろう??って。。emlabのオープンソースのリンクを拾ってきて、仕事でも使うかもしれないし。。シミュレーション方法によって、得意不得意があるので、ひとつ動いたからと言って、その結果を信じられるわけでもないので。。一回かたっぱしから、プレポスト処理なども一緒に、やってみようかな?って(笑)

いろんなソルバー(解法)の比較は、FEKOという商用全部入りシミュレータ技術資料で概要を掴むといいかも。またアンテナの基礎の基礎は、こちらのページがいいですね。

Resources | EM Lab

このリンクの検証結果です。案の定、リンク切れも多い(笑) まだまだ今後検証していく予定でいますが。。とりあえず公開(笑)

Electromagnetic Simulation Software

Finite-Difference Time-Domain

  • Meep — FDTD package from MIT that supports parallel processing. No GUI.
    • Python Anacondaでインストール(Windowsの場合は、Ubuntuで)
    • AWSで計算するPKGもあり。(Google ColabやBinderでは動かない)
  • gprMax — 3D FDTD package desgigned for ground penetrating radar, but can do much more. Flexible script interface and supports parallel processing.
    • 地中の電磁界の散乱などを計算するのが得意。
    • こちらもPython Miniconda環境(Windowsの場合は、Ubuntuで)
    • GPUが必須(Google ColabやBinderでは動かない)
  • Angora — Powerful FDTD package with text interface.
    • Linux系で動く Matlab形式の入出力
  • emGine — FDTD package with GUI.
    • 2014年で開発終了 Windows7まで
  • EM Explorer — 3D FDTD package with GUI.
    • ダウンロードに登録が必要だが、登録ができない。
  • openEMS — 3D FDTD package with GUI.
    • Matlab(Octave)・Paraview などを使う Matlabから下記のライブラリを使う構成
      • CSXCAD – A C++ library to describe geometrical objects and their physical or non-physical properties.
      • AppCSXCAD – A visualization program, capable of showing the structure defined inside a CSXCAD xml-file.
      • QCSXCAD – The visualisation library used by AppCSXCAD.
    • Octaveは必須
    • 僕のHPでの記事
  • FDTD++ — 3D FDTD package with GUI.
    • Salome・Paraviewを利用 Linux系 Email登録してIDとPASSを入手後ダウンロード可
    • C++のソースコードが入っているBinaryの配布はなさそう。

Finite Element Analysis

  • OpenFOAM — Multiphysics FEM package with GUI.
    • 静電界・静磁界は計算できる。モータの磁界など、またParticleなどの計算ができるので、本来は、人体モデルなんかもFDTDとかと組み合わせてこれから使えるようになるといいな。。なんて。。でも使いみちはいろいろありそう。いろんなPKGが出ているのでどれからやればいいのか??が難しいですね。
    • 磁性流体のTutorialは、こちら OpenFOAMを動かせれば動きます(笑)
    • 僕のHPでのOpenFOAMの記事参照 動かすところまでが実は大変(笑)
  • MaxFEM — FEM package with GUI.
    • スペイン語なので、わからない(笑)Manual類は整備されているけど。
  • FEMM — FEM package with GUI.
    • 例をみると、モータにかなり特化されています。静電界・静磁界は計算できる。
    • 2019年現在も開発が進んでいるようです。Windowsだけですが、DownLoadはこちらから (あとで試しますね)
    • Octave(Matlab)は必須
  • Elmer — Multiphysics FEM package with GUI.
    • 基本は力学系のシミュレータですけど、一応、静電界・静磁界は計算できる。Salomeプラグイン的にも使える。SalomeをDEXCSで使った時に入っていたので使ったことありますが。。OpenFOAMで使っちゃった(笑)
    • Windowsだけですが、GUI付き Downloadはこちらから (あとで試しますね)
    • Githubはこちら
  • Fenics Project — Collection of software for automated, efficient solution of differential equations.
    • 基本的に熱流体のFEMですね。OpenFOAMと近い。まだ電磁界の計算例はなし
    • このリンクの中では開発が一番盛んなのかな?ロードマップもあるのは珍しいです。JupyterNotebookで使えるようにするプロジェクトも進行中。OpenFOAM対抗としては、これかな?これもParaviewで可視化は行っていますね。
    • Pythonベースで、Dokerコンテナで配布されています。
  • freeFEM– PDE solver with its own scripting language. Multiphysics, nonlinear, 2D, and 3D.

Method of Moments

  • 4NEC2 — NEC based antenna modeler and optimizer.
    • 若いころは、この下のNEC2が一番でした。その後継ですね。
    • 2016年から更新されていませんが、Wireアンテナの解析は今でもこれが良さそうです。
    • ダウンロードは、こちら4nec2 (setup.exe)
    • 解説いらないですね。これは簡単に動くし。。凄いです。早いし。。5エレのアンテナの解析結果↓ 放射パターンと、スイープと。。 チュートリアルはこちら
    • Antenna関係の単位などは、ここに簡単な説明があります。
  • NEC-2 — Method of moments engine with text punchcard interface.
  • MMANA-GAL — Method of moments solver with GUI.
  • EMCoS Antenna VLab — Free student version of MoM software with GUI.
    • こちらが現在のリンク 学生バージョンがフリーです。
    • EMC関係だと、これを使われている方が多いのでは?PCBからアンテナまでいろいろ使えます。
  • EM3DS — Excellent integral equation solver with GUI.
  • GLMoM — Method of moments EM field simulator with GUI.
    • 2004年で止まっている感じです。
  • newFASANT — Free student version of MoM based antenna and RCS calculator with GUI.
    • 商用のソフトです。これも、MoMだけでなく、GTD、FDTDなど全部入りのソフトですね。AnsoftやEMCoSだけじゃなく、この手の有償ソフトはよくできていますね。

Other Methods

  • MIT Photonic-Bands — PWEM package from MIT. No GUI.
    • 上に出てきたMeepの一つのバージョンみたいです。基本はMeepですね。
  • MaxwellFDFD — MATLAB-based package that solves frequency-domain Maxwell’s equations using the finite-difference frequency-domain technique.
  • S4 — Fourier model method (RCWA) based on scattering matrices. Text based interface using Lua or Python
  • CAMFR — Full-vectorial Maxwell solver based on the method of lines (i.e. eigen-mode expansion).
  • MMTL — Multilayer multiconductor transmission line modeling suite.
    • SPICEで計算しちゃえっていう概念のシミュレータ。。一時期、少しいじったことがあります。開発はもうされていない模様です。
  • Pic2Mag — You draw magnets on the screen and Pic2Mag draws the magnetic lines.
  • FastHenry2, FastCap2, & FastModel — Fast inductance and capactiance solves with GUI.
  • Qucs — Quite universal circuit simulator with GUI.
  • OpenFilters — Design and optimization tools for optical interference coatings.
    • リンク切れですね。

Ray Tracing

あれ?これ全部光学系ですね。

EEMEEM-RTM  レイトレーシング法(レイラウンチング法)の市街地、建物内電界分布計算シミュレータより良さそうなのなかった。。

RedBlight/RaytrAMP
Shooting and bouncing rays method for radar cross-section calculations, accelerated with BVH algorithm running on GPU (C++ AMP). - RedBlight/RaytrAMP

↑これ。。FEKOがいるやつだった(笑)

  • BEAM FOUR — Ray tracing and open source.
  • Opus — Software application for designing and evaluating optical systems.
  • OptoCAD — Tracing Gaussian TEM00 beams through an optical set-up.
  • OpenRayTrace — Optical lens design software that performs ray tracing. It is built using python, wxPython, and PyOpenGL.
  • Goptical — GNU Optical design and simulation library.
  • WinLens3D Basic — Serious design and analysis tools for optical engineer, student or designer.
  • OpticalRayTracer — A powerful, Java-based virtual optical bench.

Ray Tracing Tools for High Frequency Electromagnetics Simulations

An Open-Source Radio Coverage Prediction Tool

ちょっと古いけど、これ分かりやすい論文ですね。

ないと思ったら、こういうのがありました。(あとで試しますね)

  • PyLayers  ‐‐‐ Githubはこちら 2Dモデルかな? レイトレーシングで計算しています。Pythonのモジュール
    • Site Specific Radio Channel Simulator (Rays,Delays,DOA,DOD)
    • Indoor Radio Coverage
    • Human Mobility Simulator for Wearables and WBAN
    • Rich Antenna Patterns Description
    • Indoor Localization Platform
    • Handling of various Radio Standards including Ultra Wideband
    • Handling Millimeter Wave Simulation (5G)
    • Jupyter Note book形式のサンプルなど豊富

CAD Interfaces

これ調べてたら、こんなのも見つけました。EMC屋さんなので、なかなかよくできていそうです。(これもあとで調べてみます)

Three Wells - ホーム
豊かな未来のために、数値シミュレーション技術で、新たなる科学技術の創生のお手伝いをします。直面している問題に対し、数値シミュレーションによりその問題点を可視化し、解決への糸口を探ります。

Blender

もともとこれを調べていたんですよねぇ~(笑)なんか変なもん調べだしたもんだ

Blender Models ここに、いろいろ使えるモデルがあるのが一番の発見かも

そもそも、Unityで物理シミュレーションができるというので、調べたんだった(笑)

Blender Materials

Blender Add-Ons

  • Sverchok — Parametric tool for architecture and design. Lets you program object’s form without knowing programming languages.
  • Tissue — Computational geometry capable of producing very complex designs.

Blender Help

CAD Software

Solid Modeling

  • Fusion 360 — Cloud based modeling. Free to students, enthusiasts, hobbyists, and startups.
  • FreeCAD — Parametric 3D modeler with good import/export.
  • Tinkercad — A simple, online 3D design and 3D printing app for everyone.
  • Meshmixer — Free AutoCAD software for 3D meshes.
  • Salome — Open source CAD and integration platform for numerical simulation.
  • BRL-CAD — Cross-platform and open source solid modeling system with ray tracing.
  • Creo Elements/Direct Modeling Express — 3D design and modeling.
    • これ開いてびっくり。。いきなりラジコンエンジンバギー
    • ちょっと残念なのは、Freeバージョンはパーツが60個までですね。
  • DesignSpark Mechanical — 3D design and modeling.
    • DesignSparkのツール群ですね。ちょいちょいお世話になってます(笑)
    • 日本語では、このページ
  • Heeks CAD/CAM — 3D design and modeling and generation of g-code for manufacturing. リンク切れ
  • ImplicitCAD — Web based 3D CAD with script interface.
    • パラメトリックジェネレータですね。式というかプログラムで形を作るものです。ねじとか、らせん状のものとか、幾何学的なもの、繰り返しの多いものの部品を書くのにいいかも。。FreeCADでできるんだけど。。
    • Webで動きます
  • CoffeeSCad — Web based 3D CAD with script interface.
    • これもリンク切れ 下のOpenJSCADに統合された模様
  • OpenSCAD — 3D CAD with a scripting interface.
    • ギャラリーを見ると、どうやら。。3Dプリンター自体とか、CNCとかのモデルが多いですね。モデルみるだけで楽しい
  • OpenJSCAD — A completely web based 3D CAD with a scripting interface.
    • これもWebベースで動く。。なかなかスゴイ。。STLで落とせます
  • PythonOCC — 3D CAD development environment for python programming language.
    • Pythonで絵が描けるって感じかな?いろんなPythonモジュール群ですね。Python2系なのが。。どうかな??

Surface Modeling CAD Tools

Artistic Modeling and CAD Tools

  • Blender — Powerful 3D surface modeler, scene renderer, movie editor, and animation creator.(既出)
  • MeshMixer — Good tool for combining STL files and for artistic editing of files.(既出)
  • Seamless3D — 3D modeling and animation tool from MIT.(う~ん。。子供用)
  • K-3D — Freeform 3D modeling and animation software, but no rendering.(Blenderでいいんじゃない?)

Other Modeling and CAD Tools

  • Autodesk Tools — Lots of free products for students and eductors.(ここは凄い)
  • Voronator — Online tool to tesselate any 3D model.(ボロノイエフェクトをかけるだけ)

CAD Viewers and Data Visualization

  • STLView — A free STL viewer with touch-screen capability.(Androidもあるので便利かも)
  • eDrawings Viewer — Viewer software for SolidWorks, DWG, and DXF files.(どこにソフトがあるのか?分からない)
  • Visit — Interactive parallel visualization and graphical analysis tool for viewing scientific data.(Lawrence Livermore National LaboratoryのParaviewかな?)

こうしてみると、僕あんまりCAD使えないんだけど、かなりのオープンソースやフリーのCAD使い倒しているかも(笑)

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これ面白い。こういうオープンソース類を使っていろんな電子工作に活かしています。

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