LMS Virtual.Lab Acoustics 3D振動音響シミュレーション

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LMS Virtual.Lab Acoustics 3D振動音響シミュレーション

 
 
 

概要


音響エンジニアリングの意思決定をより早く

より速い製品設計を目指す製造業企業では、製品開発サイクルのできるだけ早い段階で意思決定をすることが求められます。振動音響問題を早期に解決するためには、システムの騒音発生の原因の識別や、騒音目標を達成しながら軽量化の実現を可能にする、柔軟で正確な音響解析ツールの活用が重要になっています。
LMS Virtual.Lab Acousticsは、外部音響と内部音響の両方に適用できる音響解析ソフトウェアで、様々な音の特性を評価し、実試作機を作る前に音質向上やシステムレベルの騒音最小化の検討を可能にします。乗用車、トラック、オフハイウェイ車両、列車、航空機などのスケーラブルな音響解析が可能です。
 

特徴

 

すべての騒音源に対応

騒音問題の解決は複雑なプロセスです。精密な騒音シミュレーションを行うためには、空気伝播と構造伝播の騒音原因の両方を正確にモデリングすることが重要な要素です。
LMS Virtural.Labは、LMS Virtual.Lab MotionとLMS Virtual.Lab Noise and Vibrationと密連携で利用することができ、騒音源の構造機構運動の力と振動の精密なモデリングが可能です。さらに、現実のデータを実験解析ソフトウェアのインタフェースを介して利用することもできます。
 

最先端の振動音響ソルバー群

LMS Virtural.Labは、ポイントソースを基にランダムノイズ場の空気振動源を記述する各種機能を提供します。流体誘起騒音については、流体解析の結果を読み込み、空気騒音アルゴリズムで変換された等価音源が用いられます。
LMS Virtural.Labは、外部放射音と内部キャビティ音響の両方について、構造と振動騒音の計算を直接法およびモーダルベースの解法を用いて、カップリングおよび非カップリングで解くことができます。標準的な有限要素モデリング(FEM)から、境界要素モデリング(BEM)、音線解法、時間領域BEM、高速多重極BEM、完全整合層(Perfectly Matched Layer:PML)および自動整合層(Automatically Matched Layer:AML) による放射音解析、FEM適応次数解析などの高度な技術がLMS Virtual.Lab Acousticsにより提供されます。
 

振動騒音の診断ツール

LMS Virtual.Lab Acousticsの3D、2Dの広範なプロット機能を用いて、音圧レベル、音響出力および指向性の結果を表示することができます。さらに、モード、パネル、パスの寄与度を示すプロットなどを用い、問題解決のための詳細な検討をすることができ、音響応答の欠陥を把握し、振動音響設計を改善する検討をすることができます。
 

主要機能

  • 構造メッシュから始める、FEMとBEMの音響メッシュの生成
  • 汎用構造解析ソルバーNastran、Ansys、Abaqusの構造メッシュと構造解析結果のインポート、および連成解析
  • すべての可聴周波数域20Hz-20,000Hzの解析
  • 高機能BEMソルバー
      間接法BEM、直接法BEM、高速多重極展開BEM、階層行列BEM、Pede展開と時間領域BEM、弱連成解析、強連成解析
  • 高機能FEMソルバー
      適応次数解法ソルバー、直接MUMPSソルバー、Krylov反復法ソルバー、連成解析PARDISOソルバー
  • 音響放射問題のための完全整合層Perfectly Matched Layer (PML)および自動整合層Automatically Matched Layer(AML) の高度な技術

 

Finite Elements Acoustics FEM音響解析


LMS Virtual.Lab Finite Element Acousticモジュールは、広範囲なシステムの音とノイズの特性を予測し、問題解決を行うための高度な解析機能を提供します。有限要素法は、空気や水などの伝播領域をモデル化することから内部音響の解析に適していますが、LMS Virtual.Lab Finite Element Acousticsは、自動整合層(Automatically Matched Layer:AML)の高度な技術を利用し、エンジン放射音や給排気騒音などの外部音響の問題に適用することが可能です。また、FEM適応次数ソルバー(FEM Adaptive Order:FEMAO)の機能により、計算速度の大幅な向上とメモリー消費の削減が実現しています。LMS Virtual.Lab Finite Element Acousticの音響解析は、時間領域と周波数領域の両方の計算が可能で、多孔質吸収材、温度環境、および流れ場の影響を考慮した解析を実施することができます。振動と騒音の完全連成解析が可能で、流体の中で振動する構造物の影響を解析し、音圧と振動応答を予測することができます。直接法と反復法の両方のソルバーを備え、完全に並列化された計算により処理速度が高められています。
 
    


特徴
  • 音響解析の効率の良い計算手法
  • アプリケーション別のマルチソルバー
  • 内部音響と外部音響に対応
  • 適応次数技術により全周波数領域の計算を効率良く行い、騒音問題の原因を迅速に特定
主な機能
  • 汎用構造解析ソルバーNastran、Ansys、Abaqus解析結果を用いた構造音響連成解析
  • 放射音解析のための完全整合層(PML)および自動整合層(AML)の高度技術
  • FEM適応次数ソルバーの高速計算、メモリー低消費
  • 直接MUMPSソルバー、Krylov反復法ソルバー、並列適応処理による高速計算

 
 

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Boundary Elements Acoustics BEM音響解析


LMS Virtual.Lab Boundary Elements Acousticsモジュールは、音響放射モデルを境界要素法で解くツールです。閉空間および開放領域の両方の音響応答を、流体境界のサーフェスのみをメッシュ化した非常に自由度が少ない問題として扱うことができます。ユーザは周波数域と中間ステップを指定し、何の制約も受けずに異なる周波数域とステップを組み合わせることができます。ソルバーの種類は、インコアとアウトコアに加え、問題の大きさや利用可能なコンピュータリソースによるインコアとアウトコアを自動的に切り替える方法も選択することができます。音響境界要素モデルは領域内の組み合わされた音源により加振されて振動し、境界に面圧が生じます。振動実験または有限要素解析からインポートした値や、指定数値を境界条件に利用することも可能です。音響ダンピングは、表面インピーダンス境界条件から導かれます。この手法により、音響結果をどの場所でも得ることができ、騒音発生メカニズム解明のための専用ポスト処理ツールが用意されています。

 
    

特徴
  • 無限領域の音響問題の正確なモデリング
  • 高速で効率的なソルバー
  • 境界領域をモデル化するだけの、少ないモデリング工数
主な機能
  • 間接法と直接法の境界要素解析の適用
  • 汎用構造解析ソルバーNastran、Ansys、Abaqus解析結果を用いた構造音響連成解析
  • 弱連成と強連成の振動音響の応答シミュレーション
  • 多様な音響源と特性値をサポート
  • 調和解析のための統合化されたPade Expansionアルゴリズムによる計算速度の向上

 
 

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Fast Multipole Boundary Element Acoustics 高速多重極展開BEM音響解析


LMS Virtual.Lab Fast Multipole Boundary Element Acoustics(FMBEM)モジュールは、音響放射問題の大規模モデルの解析を可能にする高速多重極展開境界要素法の最先端のソルバーです。問題を正しく表現するために、評価対象周波数の波長を少なくとも6分割する境界要素が必要となり、周波数と共にシステムのサイズが急激に拡大し、一般的な境界要素法では大規模モデルの解析は低い周波数に限られていました。FMBEMは、大規模構造物の解析での周波数の上限を取り除き、標準的な境界要素法では取り扱うことができない大規模な境界要素モデルの解析を可能にします。FMBEMの革新的な技術は、車両全体の外部音響、エンクロージャーを含む大型エンジン、航空機、船舶、潜水艦、さらに超音波センサーなどの高周波数領域での新しい分野の応用が可能です。

 
    


特徴
  • 大規模境界要素モデルの取り扱い(数百万節点)
  • 最小のメモリー消費・高効率の反復アルゴリズムによる計算能率の向上
主な機能
  • 多重極展開境界要素法ソルバーの技術・プリ条件の最適化
  • 特異値分解法の適用による、複数荷重条件の取り扱い
  • マトリクスレベルあるいは周波数レベルの組み合わせの並列処理による計算負荷バランス

 
 

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Time Domain Boundary Element solver 時間領域BEM解析


LMS Virtual.Lab Time Domain Boundary Element solver(TDBEM)は、衝撃加振などの短時間の加振信号の問題に対応したソルバーです。この画期的な技術は、10年にわたり開発されており、幅広いアプリケーション上で十分に検証されています。 加振は、時間領域の音源または、境界の強制振動で定義され、ユーザ定義関数、振動実験、有限要素法コードからのインポートデータを利用することができます。過渡応答ソルバーもサポートし、構造のモードをベースにした構造過渡応答を計算し、振動応答結果を音響放射問題の境界条件として再利用することもできます。 音響減衰も、表面インピーダンスの境界条件を使用して導くことができます。TDBEMソルバーは、構造体から音が放射されるときの現象を時間領域で的確に示すだけでなく、大規模モデルを標準的なPCで解析する能力を備えています。
 

 

特徴

  • 過渡現象の無限領域問題の正確なモデリング
  • 高速で、効率的なソルバー
  • 境界領域をモデル化するだけの、少ないモデリング工数

主な機能

  • 間接的な過渡現象の境界要素による定式化
  • 多様な時間領域の音源をサポート
  • 時間領域のモード重ね合わせ法を用いた構造荷重応答


 
 

解析機能 4/7
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FEM Vibro-Acoustic Structural Solver 構造モデルと振動音響モデルの解析

LMS Virtual.Lab Acousticsは、LMS Virtual.Lab FEM Vibro-Acoustic Structural Solverと連携して、構造モード、構造応答、および振動音響を計算します。
モーダルのアプローチにより、自由度が大きい構造物の物理モデルを構造モーダルモデルに変換することで、計算対象の自由度を大幅に減少させることができます。 FEM Vibro-Acoustic Structuralソルバーでモーダルパラメータを計算し、その結果を用いてモーダルベースの振動音響解析に使用します。
 
局所減衰あるいは構造の一部に周波数依存のプロパティが含まれている場合は、物理モデル自由度を使用する直接法がより正確であるため、モーダルのアプローチよりも適しています。
 

  連成解析の二つのアプローチ  

  弱連成解析  
​一方向の弱連成解析では、直接構造応答を計算し、その結果を音響問題の境界条件として後で使用できます。
  強連成解析  
​強連成解析の場合は、連成項を含む完全な振動音響モデルを構築し、構造と音響の両方の結果を一度に計算します。振動音響のダイレクト連成の応用例には、ドアのトランスミッション損失、積フロントガラス、樹脂製吸気システム、燃料配管ホースの応答などがあります。


   


特徴
  • 完全連成の振動音響統合解析
  • 効率の良い正確な解析が可能な高性能ソルバー
  • 高機能材料に対応した振動音響解析
主な機能
  • モーダルソルバーとダイレクトソルバー
  • 1D、2D、および3D有限要素の包括的な構造要素ライブラリ
  • 積層材、周波数依存粘弾性などを含む、広範な材料とプロパティオプション

 
 

解析機能 5/7
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Ray Acoustics 音線法音響ソルバー


LMS Virtual.Lab Ray Acousticsモジュールは、様々なオーディオや車室内騒音のシミュレーションが可能な3D音響解析ツールです。人間の可聴周波数は約20kHzに達します。標準的な有限要素法や境界要素法の技術では、モデルサイズが大き過ぎて扱いが困難になり、人間の可聴域の解析が実行できるとはかぎりません。 Ray Acousticsは、このような高周波の音響解析を正確に効率良く実行することができます。
Ray Acousticsは、幾何音響理論に基づき、音線法による時間領域の音響シミュレーションにより、システムの周辺に伝播、反射、回折する音線を追跡し、自動車、列車、航空機のキャビンなどの、大規模音響システムの高周波数領域の解析に特に有用です。
Ray Acousticsのソルバーは、さまざまな表面からの複数の反射などの複雑な相互作用を自動的に扱います。解析結果は、1/3オクターブスペクトル、エコーグラム、音圧レベルのカラーマップ、任意の音質指標など様々な手法で表示することができ、例えば、25個のスピーカーで構成されるオーディオシステムによる自動車室内の演奏を、バイノーラル再生を使用して聞くことができます。Ray Acousticsにより、設計段階でモデルを作成し、音響特性を最適化することができ、代替設計案の中から最善のコンセプトを選択することができるようになります。

 
   

 
特徴
  • 高周波領域の効率が良く正確な音響シミュレーション
  • 自動車、列車、航空機キャビンに適した高周波領域モデリング

機能
  • 複数面の反射音の自動処理
  • 光線追跡技術
  • 多様な解析結果表示機能
  • モノラルとバイノーラルの様々な音質評価の指標

 
 

解析機能 6/7
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 Aero-Acoustic Modeling 流体音響モデリング


LMS Virtual.Lab Aero-Acoustic Modelingモジュールは、流体に起因する騒音問題のモデリング機能を提供し、流体渦、乱流境界層、流体内回転表面などの流体との作用で発生する騒音現象の解析を可能にします。
解析アプローチは、空力音響の推論に基づいて、最初に流れ場を解き音源領域を決定し、次に発生源から遠距離場への伝播で生成される反射や散乱を含む音響場を解きます。空力音響の音源のデータは流体解析の結果を用いて作成されます。LMS Virtual.Labはインポートした時間領域と周波数領域の緻密な流体解析結果のデータを変換し、最終的に流体解析よりも粗い音響メッシュにマッピングします。正確な定式化により、ファンケースやダクトなどの形状で発生する回折も考慮しながら、発生源からの音響放射が計算されます。

 
   
 

特徴
  • 流体に起因する騒音問題のための正確で、効率の良いモデリング
  • 流体の非定常圧力に依存する音源を予測
  • 流体解析と音響解析との非互換メッシュをサポート
  • ユーザ制御が可能な流体解析結果の音響メッシュへのマッピング
  • 拡張されたCuireの式による、大規模モデルでの容易な面圧データの取り扱い
  • ファンの回転翼音源
  • 境界要素法と有限要素法の調和解析での双極子とファン音源のサポート
  • 有限要素法での四重極子のサポート

主な機能
  • CGNSインタフェース経由による流体解析結果のインポート
      FLUENT, STAR-CD, STAR-CCM+, CFX, Powerflow, CFD++, SCRYU/Tetra, FineTurbo、他
  • 流体解析結果のデータ変換と音響モデルの音源生成の自動処理
  • コンパクト空間のための離散の双極子と四重極子の音源
  • 自由ジェットや高速流体問題のための四重極子
  • 固定面と流体の相互作用のための双極子
  • 非コンパクト空間のための分散音源

 
 

解析機能 7/7
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Acoustic Transfer Vectors 音響伝達関数ソルバー


LMS Virtual.Lab ATVは、境界要素法と有限要素法の音響モデルの準備と起動を行い、音響伝達関数(Acoustic Transfer Vectors :ATVs)を計算するソルバーです。
音響伝達関数は、面の法線速度とその場の圧力との間の変換ベクトルで、振動応答解析結果と組み合わせて騒音放射の効率の良い計算に使用されます。保存された音響伝達関数を再利用することで、複数荷重条件での解析を効率良く計算することができます。
ATVの周波数補間法は、多数の周波数の応答計算に有効なテクニックです。Virtual.Lab ATVは、構造加振ポイントと音響応答ポイントの間のノイズ伝達関数(NTF)の計算、音合成機能を用いた音の再生、複数入力条件に対する音響応答の感度解析に使用することができます。

 
 
    


特徴
  • •音響伝達関数の計算、保存、再利用
  • 多数荷重条件を含むエンジン広域回転領域の迅速な解析による、騒音挙動の素早いシミュレーション

主な機能
  • •効果的な利益をもたらす相互技術
  • モーダルベースのATV応答
  • FEMおよびBEMの両方のモデルに対応
 
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HPC Extension for Acoustics 並列計算の機能拡張


LMS Virtual.Lab HPC Extension for Acousticsが提供するAcoustic Multi-Processor Solverは、音響FEMや音響BEMの計算を加速するために、様々なハードウェア構成での並列処理を行うことができ、周波数、ドメイン、マトリクスの各レベルでの並列化が可能です。音響FEMまたは音響BEMモデルは、LMS Virtual.Lab Desktopで準備され、適切なLMS Virtual.Lab Acousticsソルバーをマルチプロセッサソルバーエクステンションと組み合わて、解析が実行されます。並列計算の結果ファイルは、単一CPUソルバーと同様にLMS Virtual.Labのポストプロセシングで表示することができます。

 
    

 
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Modification Prediction FRF、モーダル表現の音響特性の修正と効果予測


LMS Virtual.Lab Modification Predictionモジュールは、FRFまたはモーダル表現のシステムに対して、集中荷重、ノード間スティフネス、ビームまたは、アブソーバなどの基本的な修正を行うことができます。FRFまたはモデルに加えられた修正の結果を可視化することができ、強制応答やシステム合成で使用することができます。
 
    

 
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Load Identification Analysis 実稼動荷重の同定


音響応答の予測に実稼動荷重は非常に重要ですが、多くの場合、荷重を直接測定することは非常に困難です。LMS Virtual.Lab Load Identification Analysisは実稼動荷重を同定する複数の手法を提供します。構造荷重の適用には、自由度の組み合わせを選択し、騒音や振動の環境で生じる実稼動荷重を決定する2つの手法として、特にエンジンマウント力を決定する際に有効なマウント剛性法、より一般的なアプローチである実稼動データから間接的に接点荷重を予測する逆マトリクス法が利用できます。完全な振動場で有限要素モデルが得られ、測定データが利用できる場合には、他に次の2つの手法が有効です。1つ目はモーダルを拡張し、構造物のモーダルまたは、実稼動時の変形形状の測定結果のデータを用い、振動またはモードシェイプを表現するポイント数を減らして要約する方法です。モーダル拡張法は、縮小した自由度の組み合わせで表現される既知の振動や変形を拡張し、有限要素モデルの有限要素モードを用いて有限要素部品を完成させます。二つ目は、一般にマイクロフォンのマトリクスアレイで測定された放射音源に近い音響場の測定点の結果を用いる方法です。高周波により音源のエリアを正確に特定するために、またはシミュレーションにより他のポイントの場の応答を計算するために、実稼動測定結果と逆方向の音響伝達ベクトルを用いることで、音源の等価音響FEモデルの面振動を予測することができます。
 

    

 


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Random Vibro-Acoustic Analysis ランダム加振応答のモデル化


LMS Virtual.Lab Random Vibro-Acoustic Analysisは、音響または機械的なランダム加振を受ける弾性構造物の応答をモデル化します。ロケット発進時の構造荷重、航空機胴体の境界層効果などは、通常はランダムなプロセスに組み込まれます。ランダム加振を無相関の主要成分に分解し、vibro-acousticの入力に用いられます。さらに、荷重を受ける構造物と応答ポイントの間の、加振信号から独立した音響伝達ベクトルを計算することもできます。衝撃波セル、乱流境界層、拡散音場など異なる加振タイプの、航行速度や高度などの異なる稼動環境での応答を容易に評価することができます。vibro-acousticはシステムの応答を、オートパワースペクトルとクロススペクトルで表現します。
 
    

 
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H-Matrix BEM 階層行列境界要素法ソルバー


LMS Virtual.Lab H-Matrix BEMモジュールは、音響放射問題を解くための最先端の階層行列を用いた境界要素法(BEM)ソルバーです。音響境界を正確に表現するためには、通常は波長あたり6分割した境界要素が使用されるため、周波数の増加に伴い、システムのサイズが急激に拡大します。境界要素法の標準的な手法の解析では周波数上限あるいは形状サイズのいずれにおいて大きな制約が発生します。H-Matrix BEMは、通常のBEM解析では実用的に扱うことができない、中規模から大規模の境界要素モデルを効率良く扱うことができます。完成車、大規模エンジン、歩行者警告システム、エンクロージャー、航空機、船舶、潜水艦などの外部音響の検討に適用することができ、高周波にも対応し、超音波センサーの設計に利用することもできます。
 
    

 
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NX Nastran for Acoustics 音響解析のためのNX Nastran

 

 

LMS Virtual.Lab NX Nastran for Acousticsは、ロバストな有限要素法線形静解析とダイナミクス解析に組み込まれたソルバーで、Virtual.Lab Acousticと連携して利用することができます。Virtual.Lab Acousticsで作成した入力データがNX Nastran for Acousticsで使用されます。NX Nastran for Acousticsのダイナミックレスポンスの機能は、乗用車や航空機の室内快適性の多様な条件下での検討などの問題解決で重要な役割を果たします。NX Nastran for Acousticsの計算結果は、Virtual.Lab Acousticsによる音響解析に使用することができます。NX Nastran for Acousticsでは、広範な有限要素タイプ、材料モデルライブラリ、荷重ケースを利用することができ、線形静解析、固有値解析、周波数応答解析のための効率的な解析を連携して行うことができます。

 


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Fast TRIM 多層音響性能の吸収と透過の評価


LMS Virtual.Lab Fast TRIMモジュールは、多層音響性能の吸収と透過の評価を行うことができます。ベース構造に多層を定義し、周波数依存の複素伝達アドミタンスに基づいて、多層キャビティ側とベース構造側の両方での圧力と速度の結果を得ることができます。これらの結果は、自動車や飛行機の内装などの多層材料がシステムのグローバルな音響性能に与える影響の評価に使用することができます。 多層の伝達アドミタンスマトリクスの評価は、Biotの理論に基づいています。
 

  
 
 
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Meshing for FEM Acoustics 音響3Dメッシュの生成


LMS Virtual.Lab Meshing for FEM Acousticsは、2Dサーフェスメッシュを基に、音響シミュレーションの3D要素のメッシュを生成することができます。2Dサーフェスメッシュと3D音響テトラの品質チェックのツールも含まれています。外部放射音予測のためのAML(Automatically Matched Layer)サーフェスを構造メッシュから効率良く生成することもできます。

 
   
 
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Cavity Meshing 音響空間メッシュの生成


LMS Virtual.Lab Cavity Meshingは、構造メッシュから開始して、品質の高いHEXA主体の音響空間メッシュを作成します。

 
    


 
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Optimization 最適化解析


LMS Virtual.Lab Optimizationは、設計空間の完全な探索手法と、局所的な最適化手法を選択し利用することができるLMS Virtual.Labのモジュールです。実験計画法(Design of Experiment:DOE)により、設計空間の中で、最小のコストで最も正確な情報を得るための、適切な実験の組み合わせを定義することができます。実験計画法は、多くは応答局面モデリング(Response Surface Modeling:RMS)との組み合わせで利用し、分散している実験結果を滑らかな面にフィットさせて、設計変数が特定の応答量に及ぼす影響の理解に役立てることができます。設計空間の探索手法は、(a)少数の実験から合成した線形モデルを用いたパタメータスクリーニングにより、重要なファクターを識別する、(b)最適化を素早く実行するために、連続する解析を置き換える代用モデルを作成する、の二つの手段が利用できます。局所最適化手法は、LMS VIrutla.Labの解析プロセスを最適化する知的な操作を可能にし、すべての拘束条件を満たしながら目的関数の最適値を提供する最善の設計変数の組み合わせを求めることができます。各種のロバストな最適化の数学的手法が利用できます。これらは、非線形プログラミング技術に基づいており、逐次2次計画法と一般化簡約勾配法を含みます。設計空間のローカルエリアに対する局所最適値を求めるためには、目的関数や拘束条件の感度(または勾配)を評価する手法が用いられます。
 
 

 
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