解析の流れ

当ラボにおける解析の流れを説明します。

事前検討

課題の明文化

知りたいことを具体的に文章で表現して,課題をはっきりさせておくことが重要です。例えば「〇□を解析する」という表現は目的が漠然としていてふさわしくありません。例えば以下のような表現とします。

 「部品〇□の応力が最大となる点を探し出し,その点が疲労破壊するかどうか予測する。」
 「ユニット〇□の最大変形量を求め,設計仕様を満足しているか調べる。」
 「ユニット〇□の固有振動数を求め,動力源の駆動振動数と共振しないか調べる。」

解析範囲の決定と解析対象の簡素化・抽象化

製品や装置全体を解析することは,解析モデルが複雑になりすぎて多分計算できないでしょう。課題の明文化で知りたい部分を特定しているので,その部分を抜き出して解析します。抜き出す範囲が狭いと境界条件を決めづらくなり,抜き出す範囲が広いと解析モデルが複雑しなり,なかなか難しい問題です。妥当な境界条件を決められる範囲で,抜き出す範囲を決定します。

特にボルト締結部は簡素化と抽象化の対象になります。関心事がボルトでないときはボルトを省いて部品どうしを固着します。ボルトが少ないときはボルト特有のモデル化を実施します。ボルトの強度が関心事のときはボルトを忠実にモデル化します。

解析種類の決定

解析の種類は以下のようにたくさんあります。この中から適切なものを選びます。

構造解析:部品が破損するかや疲労破壊するかを調べるとき,最大変形量を求めるとき
モーダル解析:装置が共振状態になっていないか調べるときや,部品の剛性を高めるための補強箇所を見つけるとき
落下衝撃解析:床に落下させ衝突時の衝撃応力などを調べたいとき
熱解析:温度分布を知りたいとき,熱平衡状態の熱収支を調べるとき
熱応力解析:熱膨張による応力や変形量を求めるとき
座屈解析:柱状の構造物に圧縮荷重が作用するとき,薄肉開断面のはりに曲げ荷重が作用するときに,構造解析では降伏応力を超えていないが,座屈崩壊する可能性が予見されたとき
形状最適化:剛性低下を最小限に収めるという条件下で,部品の質量を削減したいとき

境界条件の決定

上述したように,解析範囲を絞込み,解析対象を抽象化・簡略化をしているので,境界条件も実物の境界条件ではなく,抽象化・簡略化をします。解析の意図を漏れなく反映しなければならないので,境界条件の決定は案外難しい作業です。

結果の抽出方法の決定

相当応力のコンタ図の応力最大値(レジェンドの最大値)を見て,「ハイ終わり」ということは少ないと思います。疲労破壊の有無を予測する場合は,最大応力点を見つけ出し,その点の第一主応力の最大値と第三主応力の最小値を抽出する必要があります。0.3t法でホットスポット応力を抽出する場合は,板厚の0.3倍の位置にちょうど節点ができるように三次元モデルをボリューム分割しておく必要があります。

このように結果の抽出をやりやすくするために事前に準備しておく必要がありますので,事前検討段階で結果の抽出方法を決定しておく必要があります。

3次元形状モデルの準備

3次元CADを使って解析対象の3次元形状モデルを作成します。着眼点の挙動がシミュレートできるように全体モデルから解析モデルを抽出します。詳細設計が終わった3次元CADデータをそのまま使えると考えそうですが,節点数・要素数が膨大となって計算時間がとても長くなってしまいますので,解析に関係ない細かな形状(フューチャー)は除去しておきます。この作業は手間がかかりますがとても重要な作業です。

疲労破壊の有無の予測が目的の場合

簡素化には部品の削除と形状の簡素化がありますが,部品の削除は大胆に,形状の簡素化は慎重に行います。穴,段差,角など形状変化部分で応力集中が発生しそこから疲労破壊が発生するので,この疲労破壊の可能性を見逃さないために,形状の簡略化には注意が必要です。また,角部のコーナRのフィレットは,応力特異点を作らないために削除すべきではありません。

変形量の予測が目的の場合

部品の削除,形状の簡素化ともに大胆にやってよいと思います。しかし,境界条件の固定と部品間の結合に注意が必要です。境界条件の固定において,固定箇所をたくさん設定すると解析結果の変位が小さめに出てしまうので,固定は最小限にすべきです。また同様の理由から部品間の結合も最小限にすべきです。

固有振動数の予測が目的の場合

形状の簡素化は大胆にやれますが,部品の質量が結果に大きな影響を与えるので,部品の削除は慎重にやります。部品を削除して,削除した部品と同じ質量をもつ質量要素を付加するという手があります。変形量の予測が目的の場合と同様に,境界条件の固定と部品間の結合に注意が必要です。安全側の見積りとするために剛性が低めになるように設定すべきです。

材料定数の入力

構造解析,応力解析,座屈解析,振動解析の場合は,密度,ヤング率,ポアソン比を入力します。定常熱解析の場合は,熱伝導率を入力します。熱応力解析の場合は,両方を入力します。

要素分割

要素分割を行います。メッシングとも言います。線形解析の場合,解析時間と同じくらいの計算時間がかかります。1次要素の使用はもはや時代遅れなので2次要素を使って要素分割します。当ラボでは,四面体10節点2次要素を使用します。

着眼点が明確な場合は,その部分の要素分割を細かくします。

境界条件の設定

上述した検討結果を境界条件として設定します。

計算

線形解析の場合は,剛性マトリクスの逆マトリクスを求めて連立方程式を解いて結果を得ます。非線形解析の場合は,繰り返し計算となり1回前の計算結果と今回の計算結果を比較してその差が許容できる範囲に収まるまで計算を繰り返します。これを収束と言います。かなり時間のかかる計算となります。

結果の評価

明文化した課題に対する答えを引き出せるような解析結果の図化処理を行います。必要に応じ課題が解決された結果となっているか考察します。