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アルテア福岡

水素タンク解析に MultiScale Designer を使うのは割とありなんじゃないかというお話

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公式ブログ掲載まで、こちらで掲載。

 

最近、特別に水素タンクの OptiStruct モデルをもらいました。厚肉シェル要素で CFRP の積層構造までしっかりモデル化されているのに、材料も線形、解析も線形静解析と、ちょっと勿体ない内容でした。そこで MultiScale Designer で作った CFRP 材料で非線形の解析をしたら、何か面白いことが分かるかも、ということで、やってみました。image.png.8eb19eb502c9f86dc97479b08d266197.png

 

標準的な繊維、標準的なエポキシで作った CFRP で解析してみた
タンクの素性を知らないので、私が勝手に材料を作ることにしました。

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そして内圧 50MPa を掛けようとしたところ、76% (38MPa) の圧力で、材料が壊れて解析が終了してしまいました。実際にはそこでタンクが割れてしまうと見てよいでしょう。そこで少し手前の 73% (37MPa) の状態を確認しました。
エポキシの塑性ひずみは 0.021 (2.1%) でした。今回の材料はちぎれずに伸びると仮定しているので、塑性してしまうことは良くはないでしょうが、材料が壊れるほどの大きな塑性ではありません。

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一方で、炭素繊維のダメージを見るとダメージが入っていました (0より大きな数値が現れました)。これは 3300MPa の最大許容応力を超えてしまい、繊維がちぎれかけていることを示しています。炭素繊維強化樹脂 (CFRP) で炭素繊維がちぎれてしまってはおしまいです。
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もし今回 MultiScale Designer を使わずに普通の均質材料で解析したとすると、炭素繊維とエポキシを平均化したような応力しかわからないので、応力が高いなぁくらいは分かりますが、どちらが破壊されたのかまでは知ることができませんでした。
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あまり深く考えずに MultiScale Designer を適用してみたわけですが、タンクが割れてしまうのは、炭素繊維がちぎれるためであり、エポキシの破壊ではないということがはっきりしました。繊維と樹脂、それぞれの評価ができる MultiScale Designer の良さが発揮されました。

炭素繊維のグレードを上げてみた
炭素繊維に問題があることが分かったので、次のようなアイデアから、
    巻き方、巻き数を変える
    炭素繊維の割合を増やす
    炭素繊維のグレードを上げる

炭素繊維のグレードを上げることとしました。私の作業が一番簡単そうだったからです。そこで、繊維のグレードを標準グレードから中弾性グレード (標準よりも一つ高いグレード) に上げてみました。ヤング率も最大応力も大幅に強化されたので、今回は期待できます。
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計算を流してみると、今回は材料の破壊は起きずに 100% (50MPa) まで負荷できました。今回の繊維は期待に応えてダメージ 0 (最大応力以下に収まる) となりました。

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これまでエポキシの塑性は気にしていなかったのですが、炭素繊維のダメージがなくなると、今度はエポキシの塑性が気になってきます。そうしたら、今度はエポキシのグレードを上げたらどうなるか見てみたい、など、やればやるほど MultiScale Designer の適用が広がっていきそうです。

まとめ
私自身、タンクの解析に MultiScale Designer を使うことで、何が得られるのか知らずに始めた挑戦でしたが、やってみると次のような発見がありました。
    タンクが割れるのは、炭素繊維とエポキシ、どちらが破壊したからなのか、明確になる
    問題となった材料を作り直して、すぐに再検討できる

水素タンクの解析をしている方は、いますぐ MultiScale Designer の利用をご検討ください。

試してみたい方は
今回行った、OptiStruct で MultiScale Designer の材料を使った構造解析を行う例題は https://connect.altair.com/CP/downloads.html においてあります。対象はタンクではありませんが、手順は同じですので、是非一度お試しください。
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注意
今回、特別にいただいたモデルを利用したため、データの配布は行っておりません。
 

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