第１回 (2009/10/2) 航空宇宙機設計製図Ⅱ 2009年度九州大学工学部機械航空工学科航空宇宙工学コース３年後期金曜３限谷泰寛 ver. 2009/9/30 2 本日の内容・講義の概要・CADについて・プログラミングの基礎〜行列計算・課題１の解説・計算機の利用方法 3 本講義の目的航空宇宙機の設計で使用されるCAD（コンピュータ支援設計）システムに関して、・製図に関する３次元空間の理解とその処理方法・コンピュータグラフィックスの基礎・Fortranによるプログラム作成方法を習得することを目的とする。 4 本講義の進め方講義＋情報講義室で実際にプログラム作成＋各自が作成したＣＧ図についてプレゼンテーション・情報講義室２は、毎週金曜日３～５限目の間は確保・講義等で使用されていない時間も自由に使用可能（講義室に時間割が貼ってある） 5 過去の作品 H20年度古志悟君の作品 (B767-200ER) 6 過去の作品 H20年度田川真君の作品 (SpaceShip One) H20年度神園仁志君の作品 (EF2000) 7 過去の作品 H20年度井本鷹重君の作品 (F-14A) 8 講義計画 10/02 講義：課題１ → 10/23提出 11/27 自習 10/09 自習 12/04 講義：課題３ → 1/22プレゼン 10/16 自習 12/11 自習 10/23 講義：課題２ → 12/04提出 12/18 自習 10/30 自習 12/25 自習 11/06 自習 1/08 自習 11/13 自習 1/15 自習（11/20 九大祭で休講） 1/22 プレゼンテーション 9 講義資料の配付資料は、web上にて配布（講義時のスライド、プログラム類） http://stl-www.aero.kyushu-u.ac.jp/member/tani/seizu2/seizu2.html ・基本的にペーパーレス化・課題もメールで提出 10 設計・製造におけるコンピュータ利用  航空機製造業務の流れ図面・部品表研究開発製造指示書生産計画工程計画設計・解析資材計画資材調達部品製作組立  図面、部品表のデジタル化検査飛行試験納品  各種工学解析（構造解析、熱・流体解析など）  生産管理業務の合理化・効率化  ＮＣ機械、検査システムのためのデータ自動作成 ⇒ コンピュータ利用により、品質向上、期間短縮、失敗による後戻り防止、などが可能となる 11 CADの例 http://www.systemplan.co.jp/plan_jpn/handling/cadcam/mc/mc_top.htm 12 CADの例 http://www.systemplan.co.jp/plan_jpn/handling/cadcam/mc/mc_top.htm 13 2次元CADの例 AutoCAD 14 3次元CAD CATIA  仏、Dassault Systems社(http://www.3ds.com/jp/)が開発   航空宇宙分野で標準 → 他分野でも幅広く使用  製品開発の全工程を支援 ⇒ コンカレント・エンジニアリングその他の３次元CAD； Pro/Engineer, NX, AutoCAD など 15 CATIAの使用例 http://www.erau.edu/pr/technology/software.html 16 CATIAの使用例 http://www.nextcraft.com/technology_index.html 用語 17  CAD Computer Aided Design 製品の形状、その他の属性データからなるモデルをコンピュータ内部に作成し、解析・処理することによって進める設計。  CAE Computer Aided Engineering CADの過程でコンピュータ内部に作成されたモデルを利用して各種シミュレーション、技術解析など工学的な検討を行うこと。ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ、ＡＮＳＹＳ、ＰＡＴＲＡＮ、 Fluent、STAR-CDなど。  CAM Computer Aided Manufacturing コンピュータ内部に表現されたモデルに基づいて生産に必要な各種情報を生成すること、およびそれに基づいて進める生産の方式。NC工作機械用プログラムの出力など。  CAT Computer Aided Testing コンピュータによって製品又はその一部分を試験したり検査したりすること。CNC化された３次元測定機など。 ※JIS B3401, JIS X0024より一部抜粋 18 プログラミングの基礎手始めに、３次元座標変換のために必要となる、行列計算のプログラミングを行う。対象物投影面視点 19 プログラミング言語  言語の種類： Fortran, c, Pascal, Java など  コンパイラとインタプリタの違い Compiler：プログラムを機械語に翻訳した実行ファイルを作成 Interpreter：プログラムを逐次解釈しながら実行  Fortran    Formula Translator 科学技術計算に適した言語として広く使用 FORTRAN66, FORTRAN77, Fortran90, Fortran95, Fortran2003, (Fortran2008)・・・  20 ベクトルの内積  ベクトルとの内積 B  b1 b2 b3 b4  A  a1 a2 a3 a4  ベクトル A，B の内積：  A B  a1 a2a3 A B d b1    b2   a4  b3    b4  4 d  aibi i1 21 ベクトルの内積 program dproduct ! Dot Product of A and B implicit none integer i, n double precision d, a(10), b(10) write read write read write read (*,*) (*,*) (*,*) (*,*) (*,*) (*,*) "No. of Elements = " n "A(i) = " (a(i), i = 1, n) "B(i) = " (b(i), i = 1, n) 変数、配列の型宣言ベクトルの要素の読み込み d = 0.0D0 do i = 1, n d = d + a(i) * b(i) end do ベクトルの内積の計算 write(*,'(" AB = ", 1P,E15.5)') d 計算結果の出力 end program 22 わかりやすいプログラムプログラムがいくつかのまとまった部分から出来ている場合、各部分をパッケージ化しておくと分かりやすいプログラムとなる。作業Ａ call a 作業Ａサブルーチン a 作業Ｂ call b 作業Ｂ作業Ｃ作業Ｃ* 作業Ａ call c サブルーチン b call a 作業Ｃ call c* サブルーチン c 主プログラム作業の流れパッケージ化作業C* サブルーチン c* 23 ベクトルの内積 program dproduct ! Dot Product of A and B subroutine vmul ( d, a, b, n ) implicit none integer i, n double precision d, a(10), b(10) implicit none integer i, n double precision d, a(10), b(10) write read write read write read d = 0.0D0 do i = 1, n d = d + a(i) * b(i) end do (*,*) (*,*) (*,*) (*,*) (*,*) (*,*) "No. of Elements = " n "A(i) = " (a(i), i = 1, n) "B(i) = " (b(i), i = 1, n) call vmul ( d, a, b, n ) write(*,'(" AB = ", 1P, E15.5)') d end program end subroutine 24 行列演算（１）  行列とベクトルとの掛け算 a11 a12   a1n   c1           A     c          an1    ann  cn  Ac  d di   d1     d       dn  n a c ij j j 1 課題(1) 25 行列演算（２）  n元連立一次方程式の解法 a11x1  a12x2   a1n xn  b1 a21x1  a22x2   a2n xn  b2  an1 x1  an 2 x2   annxn  bn Ax  b  A: 係数行列、x：解ベクトル、b：定数項ベクトル各種の解法    ガウスの消去法ガウス・ジョルダン法ガウス・ザイデル法 a   A     a 11 n1 a   a  x  b             , x    , b               x  b     a  12 1n 1 1 nn n n 26 行列演算（２）  ガウスの消去法（前進消去、後退代入） a11x1  a12x2   a1n xn  b1 a21x1  a22x2   a2n xn  b2  an1 x1  an 2 x2   annxn  bn a11x1  a12x2   a1n xn  b1 1 a22 x2   a21n xn  b21  1 1 1 an 2 x2   ann xn  bn aij1  aij  a1 j a11ai1 bi1  bi  b1 a11ai1 i  2, 3,, n; j  2, 3,, n 第１式に ai1 / a11 を乗じたものを第 i 番目の式より引く。（第１式を用いて第２～ n 式から x1 を消去することに相当する。） 27 行列演算（２）  ガウスの消去法（前進消去、後退代入） a11x1  a12x2   a1n xn  b1 1 a22 x2   a21n xn  b21  1 an12 x2   ann xn  bn1 ・・・  a x  b a11x1  a12x2   1n n 1 1 a22 x2    a21n xn  b21  ann1n2 1 xn1  ann1n2  xn  bnn2 n1 ann xn  bnn1  n1 b xn  nn1 ann 課題(2) 28 課題１ (1) 行列［Ａ］とベクトル｛ｃ｝のかけ算を行い、ベクトル｛ｄ｝を求めるプログラムを作成せよ。また、実際に数値を与えた計算を実行し、その計算結果を示しなさい。［Ａ］｛ｃ｝＝｛ｄ｝ (2) ガウスの消去法により連立一次方程式の解を求めるプログラムを作成せよ。また、実際に数値を与えた計算を実行し、その計算結果を示しなさい。［Ａ］｛ｘ｝＝｛ｂ｝・提出日：２００９年１０月２３日（金）講義開始前まで・提出物：プログラム説明書、プログラムリスト、計算結果をまとめて Microsoft Word形式のファイルとして提出・提出先： [email protected] 宛てに電子メールにより提出のこと．ファイル名は「自分の氏名1.doc」とすること．例えば、「谷泰寛1.doc」 29 計算機の利用方法本講義における使用計算機・情報講義室 iMac G5, OS: Mac OS X 10.5 ・ホスト計算機 ah.s.kyushu-u.ac.jp OS : Redhat Enterprise Linux Version 5 ・ホスト計算機は、学内LANを経由してiMacから接続する。（同様に、自宅等のPCからも接続可能だが、X環境が必要）・計算は、ホスト計算機上で実行。（iMacは端末として利用）・ホスト計算機上に各人に割り当てられたディレクトリは、Mac上のディレクトリとしてマウントされている。情報講義室のiMacではVMwareという仮想環境ソフトウエア上でWindows Vista も利用できますが、ここではMac OS X上での操作として講義を進めます。 30 Operating System (OS)について  Operating System  ワークステーション(WS) Unix, Linux など  パーソナルコンピュータ(PC) MS-DOS, Windows Vista, XP, Mac OS Xなど  その他 OS/360, TRONなど  本講義で使用する計算機  ホスト計算機 ( Red Hat Enterprise Linux )  情報講義室 iMac ( Mac OS X ) 31 PCからネットワーク接続 ①ssh 「Terminal」「Tera Term」 network アプリケーションサーバ ah.s.kyushu-u.ac.jp 通信 ② X Window System 「X11」 NEC Express5800/120Rh-1 通信 32 教育情報システムのハードウエア計算機の種類機種主な仕様利用者用端末パソコン Apple iMac MB323J/A ＣＰＵ Intel Core 2 Duo E8135(2.4GHz) ＧＰＵ ATI Radeon HD 2400XT メモリ 4GB ＨＤＤ 250GB 光学式ドライブ SuperDrive 画面解像度 1680×1050 空きＵＳＢ端子２ネットワーク 10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T その他 Apple Keyboard，Apple Mighty Mouse，ヘッドセットアダプタホスト計算機アプリケーション用サーバ NEC Express5800/120Rh-1 ＣＰＵ Intel Xeon E5205(1.86GHz)×2 メモリ 8GB ネットワーク 10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T 情報提供用サーバ NEC Express5800/120Rh-1 ＣＰＵ Intel Xeon E5205(1.86GHz)×2 メモリ 9GB ネットワーク 10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T ファイルサーバ NEC iStorage NV5400 ＣＰＵ Intel Xeon 5110(1.6GHz)×2×2ノードメモリ 4GB×2ノードＨＤＤ 2.5TB(実効) ネットワーク 10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T 詳細は、九州大学情報統括本部（http://www.cc.kyushu-u.ac.jp/ec/info/）を参照のこと。 33 計算機の利用方法パソコン（iMac）のログイン・ログアウト方法（利用ガイド, pp.6） 34 計算機の利用方法アプリケーションの起動方法① ： Dockから起動（利用ガイド, pp.7） 35 計算機の利用方法アプリケーションの起動方法② ： Finderから起動 36 計算機の利用方法ホスト計算機へのログイン方法（Mac OS X上） ① 文字端末としての利用・「アプリケーション」→「ユーティリティ」→「ターミナル」を起動「ssh ah.s.kyushu-u.ac.jp」と打ち込み、enterキー ② X端末としての利用・「アプリケーション」→「ユーティリティ」→「X11」を起動 → xtermが開く「ssh -X ah.s.kyushu-u.ac.jp」と打込み、enterキー情報講義室では、ログインIDの入力が不要だが、自宅等からの接続には必要。「ssh -X -l loginID ah.s.kyushu-u.ac.jp」と打ち込み、enterキー。・いずれの場合も、接続されたら、パスワードの入力を行う。 37 基本的なLinux(UNIX)のコマンド(1) ls ls ［ファイル1］［ファイル2］ ls ［ディレクトリ］ ls -l ［ディレクトリ］現在のディレクトリの内容を表示指定したファイル名の一覧を表示指定したディレクトリの内容を表示指定したディレクトリ内のファイルの属性の表示 pwd cd ［ディレクトリ］ cd 現在のディレクトリ名を表示指定したディレクトリにカレントディレクトリを変更ホームディレクトリへ移動 cat ［ファイル］ more ［ファイル］指定したファイルの内容を表示指定したファイルの内容をenterキーで進めながら表示 cp ［ファイル1］［ファイル2］ rm ［ファイル1］ rmdir ［ディレクトリ］ rm -r ［ディレクトリ］ファイル1の内容をファイル2にコピー指定したファイルを削除指定したディレクトリを削除(ディレクトリが空の場合) 指定したディレクトリを削除する。(ディレクトリ内の内容も削除) 38 基本的なLinux(UNIX)のコマンド(2) mv ［ファイル1］［ファイル2］ mv ［ファイル］［ディレクトリ］ mkdir ［ディレクトリ］ファイル名を［ファイル1］から［ファイル2］へ変更指定したファイルを指定したディレクトリへ移動ディレクトリを指定したディレクトリ名で作成 chmod ファイル・ディレクトリのパーミッション変更 ps kill ［プロセス番号］プロセスの状態を表示指定したプロセスを強制終了 ex ［ファイル］ emacs ［ファイル］ vi ［ファイル］ view ［ファイル］ラインエディタテキストエディタテキストエディタテキストエディタ (Read only mode) man ［コマンド名］指定したコマンドのマニュアルの表示 39 エディタについてプログラムの編集にあたっては、エディタソフトを利用する。 Linux(UNIX)上のエディタ・・・ vi, emac など Macのエディタ・・・テキストエディット, emacs, Wordなど使用上の注意 vi 「X11」からは日本語表示できないため、表示が崩れる模様 emacs 「ターミナル」から使用する場合は、現在のウインドウ内での編集となる。FinderからMac上のemacsやテキストエディットで編集することも可能。 40 エディタviの基本的なコマンド(1) vi <ファイル名> ファイルを読み込んで起動 :q :wq :q! ZZ :w :w <ファイル名> 終了保存して終了保存せずに強制終了終了（変更は保存して終了）上書保存編集中のデータを<ファイル名>のファイルに保存 ESC : i a I A O o コマンドモードへ移行 exモードへ移行カーソルの左隣へ挿入カーソルの右隣へ挿入行の先頭に挿入行の末尾に挿入カーソル行の上に１行空けて挿入カーソル行の下に１行空けて挿入 h j k l 0 b w H M L nG カーソルを１文字左へ移動カーソルを１行下へ移動カーソルを１行上へ移動カーソルを１文字右へ移動カーソル行の左端へ移動左隣の単語の先頭へ移動右隣の単語の先頭へ移動画面最上行へ移動画面中央行へ移動画面最下行へ移動ファイルの先頭からn行目へ移動 cntl+f cntl+b cntl+d cntl+u cntl+l cntl+g 1ページ分下に画面を移動 1ページ分上に画面を移動半ページ分下に画面を移動半ページ分上に画面を移動画面を再描画行数、カーソル行位置を表示 41 エディタviの基本的なコマンド(2) /<文字列> <文字列>を順方向に検索 x X dd dw shift+d d^ カーソル上一文字削除カーソル左一文字削除カーソル行削除カーソル位置から現単語末尾まで削除カーソル位置から左削除カーソル位置から右削除 r R カーソル上一文字置換カーソル位置から複数文字置換 yw yy P p カーソル位置の単語をコピーカーソル行をコピーカーソル行の上にペーストカーソル行の下にペースト . u :set number :set nonumber :h 直前のコマンドの繰返し直前に実行したコマンドの取消し行番号を表示行番号を非表示ヘルプを表示 42 Fortranプログラムのコンパイルホスト計算機上には、以下のFortranコンパイラが用意されています。 ifort : Intel Fortran 77/90/95 コンパイラ f77 : GNU Fortran 77 コンパイラ f95 : GNU Fortran 95 コンパイラコンパイル・リンク方法（ソースプログラムを計算機が実行可能な形式に翻訳） ifort test.f90 test.f90をFortran90でコンパイルし、a.outを作成 ifort test.f90 -o test.x test.f90をFortran90でコンパイルし、test.xを作成 f77 test.f test.fをFortran77でコンパイルし、a.outを作成 f95 test.f90 test.f90をFortran95をコンパイルし、a.outを作成 f95 test.f90 test2.f90 test.f90とtest2.f90をFortran95でコンパイルし、a.outを作成 f95 test.f90 test2.o 実行方法 a.out または test.x test.f90をFortran95でコンパイルしtest2.oとリンク、a.outを作成あるいは、 ./a.out または ./test/x 43 計算機の利用上の注意・講義室の機材は丁寧に扱うこと。・人の迷惑や邪魔にならないように注意すること。（特に自習時）・IDやパスワードは他人に教えない／忘れないこと。・利用を終えたら、必ずlogoutすること。（電源はそのまま）・ホスト計算機は多くの人が同時に利用しているので、無限ループ等に陥ったプログラムは停止すること。