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AltairNakagawa

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  1. OptiStructの場合、シェル要素の節点は並進と回転の全6自由度を持っていますが、ソリッド要素の節点は並進の3自由度のみとなります。これが問題になるのは特にねじり荷重が負荷された場合です。添付図は板状の部材の一端を固定してもう一端の中心点にモーメント荷重を負荷したケースです。左の図がシェル要素の場合で問題なくねじれています。しかし、ソリッド要素の場合は中央の図のように全く変形しません。これはソリッド要素の節点には並進自由度だけしかないためモーメント荷重が伝達されないことが原因です。このような場合には右の図のように荷重点から放射状に剛体要素を設置することにより、荷重点のモーメントが剛体要素の従属点へ並進方向の荷重として伝達されてシェル要素の場合と同様の結果が得られます。 なお、ソリッド要素に並進自由度だけしかないのはOptiStructの機能が劣っているからではなく商用FEMソルバーでは共通の仕様です。これはシェル要素の場合には面内曲げや面外曲げというように変形モードが分けられるため、それぞれの挙動を個別に表現するように定式化することができるのに対して、ソリッド要素は変形モードを分けることができないのがその理由です。
  2. OptiStructでは複数の荷重や拘束条件ケースを考慮して最適化を行うことが可能ですが、得られた結果は全てのケースで制約条件を満たすように最適化が図られています。各ケースで単独の最適化を行ってその結果を重ね合わせたものではないことにご注意ください。重ね合わせた結果では全てのケースの制約条件を満たすとは限りませんし、満たしたとしても最適な結果とは言えません。 図1は直方体の四隅を拘束して中央部にケース1(曲げ)、ケース2(ねじり)の荷重を負荷し、いずれの場合も荷重点変位が1.0e-3mm以下となるよう制約して重量最小化を行った結果です。一方図2はケース1のみ、ケース2のみで同様の最適化を行った結果です。図2の結果両方を重ね合わせたら図1とは全く異なる形状となることが分かります。 図1の結果が得られた入力ファイル(tpl.fem)、図2の結果が得られた入力ファイル(tpl_case1.fem,tpl_case2.fem)を参考までに添付しました。 tpl.fem tpl_case1.fem tpl_case2.fem
  3. 空間内にシェル要素による構造物があるモデルで構造ー音響連成解析を行う場合、音響空間のソリッドモデルは図1のようにシェルを挟んで分離させておく必要があります。構造と音響の連成は音響モデルの表面で行われるためです。単にソリッド要素の音響モデルの中にシェル要素の構造モデルが埋め込まれているだけでは連成されませんので注意してください。このようなモデルを作成するのは従来は非常に面倒でしたが、HyperMeshにはdetach from wallという機能が組み込まれており、簡単に分離させることが可能です。HyperMeshリファレンスガイドの抜粋(detach.pdf)のP2にこの機能の概要が記されています。 detach.pdf
  4. 回転軸のアンバランスによって発生する振動を周波数応答解析で計算する方法です。軸方向をZとした時、アンバランス質量による遠心力F=mrω^2を図1のようにX方向とY方向に分けると1/4回転で位相が90度ずれた力として働きます。これはOptiStructのデータとしては下記の例のように設定することができます。 SUBCASE 1 LABEL subcase1 ANALYSIS MFREQ SPC = 1 METHOD(STRUCTURE) = 6 FREQUENCY = 5 DLOAD = 7 BEGIN BULK DAREA 22 1001 1 1.0 DAREA 2 1001 2 1.0 TABLED4 3 0.0 1.0 0.0 1000.0 + 0.0 0.0 1.0ENDT RLOAD2 44 22 3 0 RLOAD2 4 2 90.0 3 0 DLOAD 7 1.0 1.0 4 1.0 44 ---------------------------------------------------------------- なお、以下の点に注意が必要です。 ・モデルにアンバランス質量mは含めません。 ・加振点は図1のmがある場所ではなく軸中心点です。 ・加振力は回転数の二乗に比例して増大するようにTABLED4を使用して定義します。
  5. 計算時間を短縮するテクニックの一つとして、対称条件を使う方法があります。モデルも拘束条件も荷重条件も対称であれば、計算モデルを対称面で切って1/2や1/4にすることで必要なメモリや計算時間を大幅に削減することが可能です。しかし、解析する現象によっては注意する必要があります。それは非線形解析で変形モードが不安定な場合です。添付図は中央部に補強部材の入ったハット形断面の部材を三点曲げで変形させる事例です。XZ面とYZ面に対して対称形状で荷重も対称なので左の図では1/4モデルで計算しています。想定したようにノッチ部周辺に局所的な変形が起こっている様子が分かります。このモデルを実物通りにフルモデルで計算した結果が右の図です。手前側のノッチの方が大きく変形していて、明らかに対称ではない変形状態になっていることが分かります。これは、非線形解析における収束計算のごくわずかな差異により一方のノッチ周辺の方がもう一方よりも応力が大きく計算されると、そこから先はアンバランスがどんどん助長されて変形量の差が大きくなっていくことによりもたらされた結果です。つまり、この例では対称条件を適用するのは適切ではなく、フルモデルで計算を行う必要がある、ということになります。これは解析上だけではなく、実現象としても発生します。この例の場合、実際に複数回試験を行ったらどちらのノッチが大きく変形するかは、製造上の誤差や偶然によって左右されて一概には決まらないことが予想されます。このように、非線形な現象を再現しようとする場合にはちょっとした不安定性が最終的には大きな影響をおよぼす場合があることに注意が必要です。
  6. OptiStructは、以前よりシェル要素、ソリッド要素とも大変形/大回転に対応しておりますが、2017.2.3まではシェル要素のひずみは微小ひずみの定式化を用いていました。2018.0からはソリッド要素同様の大ひずみに対応する定式化が採用されましたので、ひずみの大きい領域(おおむね10%以上)での計算精度が向上しています。添付資料をご参照ください。 shell_large_strain_2018.0.pdf
  7. 材料の引張試験の結果は公称歪ー公称応力として得られますが、これをRASIOSSやOptiStructの歪ー応力線図として使用するには真歪ー真応力に変換する必要があります。変換方法と事例は添付ファイルをご参照ください。 材料カーブ.xls 材料カーブ.pptx
  8. 材料の引張試験の結果は公称歪ー公称応力として得られますが、これをRASIOSSやOptiStructの歪ー応力線図として使用するには真歪ー真応力に変換する必要があります。変換方法と事例は添付ファイルをご参照ください。 材料カーブ.xls 材料カーブ.pptx
  9. 空中にある物体など、拘束条件が無い状態で荷重を負荷したい場合、慣性リリーフという手法が使用できます。OptiStructには慣性リリーフの手法として自動と手動の二つの方法が用意されています。自動の場合支持条件は必要なく、荷重条件だけを指定します。これで視点はモデルの幾何学的中心または重心に設定されて解析が行われます。HyperMeshではAnalysis > control cards > PARAMの中で添付図inrel.pngのように指定します。INREL,-2が自動設定を意味しており、REFPNTが視点設定です。GEOM(幾何学的中心)がデフォルトですが、ここではCG(重心)に設定しています。INREL,-1とすると手動設定となり、モデルが剛体運動を起こさない最小限の支持条件を設定して解析を行います。この場合には視点は支持条件の場所にあることになります。自動の方が簡単ですが、変形量を見た時にどこを基準とした変形の値なのか分からないことが欠点です。手動の場合は剛体運動を起こさない最小限の支持条件を考えるのがやや面倒と言えます。ある一点の全自由度を支持してしまえば良いのですが、ソリッド要素では並進方向の三自由度しか無いので一点だけではその点の周りに回転できてしまいます。そこで下記記事 のように三点を用いて最小限の自由度を支持する方法を取ります。なお上記記事は拘束条件の場合ですが、慣性リリーフの場合は添付図suport.pngのSUPORT1を使用し、これをサブケースで参照します。
  10. いくつかの荷重条件が設定されていて荷重条件だけで釣り合っている場合、拘束条件を設定するとそこに応力が発生してしまうので拘束したくない場合があります。そのような場合には最小限の拘束条件を設定して剛体運動だけを止める必要があります。例えば対象物がテーブルの上にただ載っているような時、上方向をZとした場合底面の3点をZ方向に拘束すれば良いようですが、これだけだと水平方向に自由に動けてしまいます。そこで3点のうちの1点をXYZ拘束して動かないようにします。これだけではまだこの点の周りに回転できてしまいますのでXYZ拘束した点からX方向にある点に ついてはYZ拘束します。文章では分かりにくいかと思いますので図をご参照ください。これで対象物が飛んでいってしまうことはなく、かつ拘束部に応力が発生することも避けられます。ただし、これは最初に書きましたように荷重条件が全て釣り合っていることが前提です。釣り合っていない場合は慣性リリーフを使用する必要があります。
  11. ・支持条件の検討  ある部材が接触だけで周りの部材と接続している状態は非常に不安定です。可能であれば接触条件無しで安定して支持されるような境界条件とします。 ・PARAM,EXPERTNL,CNTSTBをバルクデータに追加  接触だけで支えられている境界条件とせざるを得ない状況で計算が収束せず途中で発散してしまう場合は、接触を安定化させる上記パラメータが有効です。これはHyperMeshではAnalysis > control cards > PARAMで設定可能です。 ・Load CollectorとしてCNTSTBを追加し、S1欄に0.001等のゼロではない小さめの値を指定  上記PARAM,EXPERTNLを使用しても収束が難しい場合があります。特にLoad Stepが終了の1.0直前で収束しないという現象は、接触条件がシーソーのようになってしまっていて、イタレーションごとに異なった場所が接触して最終結果が得られなくなっている場合が典型的です。このような時にはさらに接触を安定化させるため、Card ImageがCNTSTBのLoad Collectorを作成し、S1欄に0.001等の小さい値を指定することが有効です。S1のデフォルトは0.0なのですが、これにより計算終了間近の安定性を向上させることが可能です。CNTSTBはLoad Step(サブケース)の中で参照する必要があります。 できれば上記のようなPARAMやLoad Collectorを使用せずに収束解が得られるのが理想的ですので、まずは設定せずに計算を行い、どうしても収束しない場合にお試しください。
  12. 接触条件が入っている場合、接触計算の収束が良いと計算時間を短縮するために刻み幅が大きくなります。これを防ぐにはバルクデータ中に PARAM,EXPERTNL,NO を指定します。デフォルトはAUTOですが、NOとすることで刻み幅のコントロールが行われなくなります。 HyperMeshではAnalysis > control cards > PARAMの中で設定できます。
  13. 構造-音響連成解析は周波数応答解析が前提となっていますが、周波数応答解析の結果を内部的に処理して過渡応答解析を行うTSTEP(FOURIER)という手法が適用可能です。FREQ1による周波数範囲が着目する周波数を充分含んでいることの他、周波数刻み幅も充分細かく取る必要がありますのでご注意ください。周波数刻み幅が粗いと過渡入力の開始前から応答が生じるという不自然な結果となります。 SUBCASE 2 LABEL 3539:+Z ANALYSIS MFREQ SPC = 3 METHOD(STRUCTURE) = 5 METHOD(FLUID) = 11 DLOAD = 102 TSTEP(FOURIER) = 101 DISPLACEMENT(SORT2,H3D,PHASE) = 4 VELOCITY(SORT2,H3D,PHASE) = 2 FREQ=4 model2.zip
  14. 振動解析の場合、加振の単位は力、強制変位、強制加速度など分かりやすいのですが、スピーカー等を用いて空間モデルに直接音響加振を行う場合の加振単位は何なのか、というお問い合わせをいただくことがあります。音響加振は添付資料のようにSLOADとTABLEDiをACSRCEで参照して定義するのですが、SLOADとTABLED1の振幅を1.0の単位加振とした場合の単位は音響パワーです。SI単位系であればW、mm,sec,N,tonの単位系であればmWとなります。資料中の式のように体積速度は音響パワーの平方根に比例しますので、TABLED4を使用して音響パワーが周波数の二乗に比例して増加するように設定することにより、体積速度一定加振とすることも可能です。 なお、音圧一定という条件は物理的に不可能です。これは音響解析での音圧は振動解析の変位に相当する指標であることが理由となります。振動試験であれば対象物をジグに固定して強制変位加振できますが、空気を固定して強制変位加振することはできないからです。 粒子速度加振.pdf
  15. 返答が遅くなり申し訳ありません。テキストエディターでBEGIN BULKからENDDATAの間のどこでも構いませんのでPARAM,NLMON,DISPと記入します。HyperMeshでしたら、Analysisページのcontrol cards > PARAMでNLMONにチェックを入れ、DISPを選択します。
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