ブログ第５号 軸対称モデル（その２）

■管をフランジで繋ぐ

両端がフランジになっている管を繋ぐ。管には１０（ｋｇｆ/ｍｍ２）の
圧力の流体が流れているケースを仮想する。

★管　　　：　Φ１５０ｍｍ
★フランジ：　板厚１０ｍｍ、８本ボルト締結
★材料　　：　管、フランジともSUS
★内圧　　：　１０ｋｇｆ/ｍｍ２
★固定　　：　両フランジは「ボルト部のみで完全に固定」


■接触モデル使用の有無による結果の違い

（１）接触モデル　不使用

解析時間は、約２０分





これは、非現実的な解析結果であるが計算結果を得ることが簡
単であり、より精度の高いモデルへのステップになる。さらには、
多くの予備的な情報を得ることができる。

フランジ・パイプの設計のみならず、フランジ用のパッキンやＯリングの選定、設計に利用できるような結果を得ることができた。


（２）接触モデル　使用

解析時間は、約３０分





接触などの便利なモデルを利用することで、より現実的な結果を
得ることができる。

フランジ口開きの違いなども解析することができ、より失敗の少な
い設計が可能となる。

ブログ第４号 軸対称のモデル

■管をフランジで繋ぐ

両端がフランジなっている管を繋ぐ。管には１０（ｋｇｆ/ｍｍ２）の
圧力の流体が流れているケースを仮想する。



軸対象、且つ、管の長手方向対象性を考慮したモデルとした。
この状態の静的な強度解析を実施してみた。

では、簡単に条件を決めておく。

★管　　　：　Φ１５０ｍｍ
★フランジ：　板厚２０ｍｍ、８本ボルト締結
★材料　　：　管、フランジともSUS
★内圧　　：　１０ｋｇｆ/ｍｍ２
★固定　　：　両フランジは「ボルト部のみで完全に固定」

メッシュは、コンピュータ任せの６面体とした。





■解析結果

（１）管の膨張による管部の応力が最も高い。




（２）最大応力部は、管部膨張による力、フランジ部の維持力が
拮抗する部分




（３）ボルト締結力



「固定部の反力」により、ボルト締結力を知ることができる。


■結果の出力を合わせて、解析時間は１２分。

管部の膨張は、材料力学の理論式から求めることができる
が、フランジがある場合は不可能。

ＣＡＥを利用することで、管の選定、ボルト締結力、触れなか
ったがフランジ変形量を見ることでＯリングやガスケット、パッ
キンの選定もできるようになる。

簡単のため、フランジを固定している側、は剛体としてモデル化
しているし、フランジは自由に変形するようモデル化している。実
際に近づけるモデル化をしてみることにする。

 

ブログ第３号 とても簡単なモデル（その２）

■立方体の押しつぶし

立方体を定盤の上に乗せて上から圧縮し、押しつぶす状況のモ
デルを考える。そのときの応力（分布）は、底面ではコーナーの応
力が高い結果となった。

さてこの問題、立方体が定盤にしっかり固定されている条件を利
用したが、実際にはどうだろうか。

荷重をかける上面、定盤と接地する底面、接地条件（摩擦）に依
存する可能性はないだろうか。それによって、コーナーの応力は
どうなるだろうか。

では、条件の変更をして解析をしてみる。

　★　立方体：　１０ｃｍ角
　★　材　料：　一般的な、スティール（鋼）
　★　圧縮力：　上から、１００ｋｇ
　★　定　盤：　定盤は動かない

追加（修正）の条件オプションとして、

　★１　上底面：　摩擦はなく、「自由」に動く
　★２　上底面：　金属摩擦に応じて動く

■解析結果

　★１　上底面：　摩擦はなく、「自由」に動く、場合

　★２　上底面：　金属摩擦に応じて動く、場合

これらは、約２６分の解析時間が掛かった。

このような条件のパラメトリック実験は、潤滑剤などと利用に
より可能であるが、到底３０分では実施はできないし、歪の計
測だけでも結構難しい。

こういう点がＣＡＥの良いところである。

ブログ第２号 とても簡単なモデル

■立方体の押しつぶし

立方体を定盤の上に乗せて上から圧縮し、押しつぶす状況のモ
デルを考える。




そのときの応力（分布）はどうなるか、あるいは、どの辺が最初に
破壊しそうか、を解析結果を見てみることにする。

同時に、解析終了まで、慣れている筆者が操作してどの程度の
時間がかかるかもに注目する。

では、簡単に条件を決めておく。

　★　立方体：　１０ｃｍ角
　★　材　料：　一般的な、スティール（鋼）
　★　圧縮力：　上から、１００ｋｇ
　★　定　盤：　立方体は定盤に「しっかり」固定されている

構造解析をやる上でまずストレスになるのは「メッシュ」だと思う
が、それはコンピュータに任せることにする。




出力の色などもそろえるようにして、

　解析時間は、約８分

だった。

■解析結果の非常に簡単な評価

（１）力を掛ける上部の応力は全体的に大きく、また、コーナーの
　　　応力（VonMises相当応力）は少し小さくなる。

→　上部が最も広がろうとするため、全体でも応力が高くなってい
　　　る。上部が最初に裂けると思う。

→　コーナー部分は、力が逃げるから応力が小さくなると思う。




（２）定盤と接地する底部では、コーナーの応力が高い

→　コーナーは動かないため、広がろうとする他の部分からの応
　　力が溜まる。
　　（接地部は固定した条件としているため）





これだけでも、おっ！？、と思うこともあると思う。

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創刊号 構造解析

設計者に捧ぐ構造解析　ブログ第１号

■設計者自身やる構造強度解析の価値

設計者にとって構造・強度解析が簡単にできることはうれしい。
次の２つの点からそれが言える。特に以外であり強力と感じるの
は、（２）の効果。

（１）時間の短縮

　　　例えば、一般的な製品設計の流れとして・・・

　　　　　ａ）ＣＡＤモデル設計
　　　　　　　　　　↓
　　　　　ｂ）熱・構造強度解析の依頼
　　　　　　　　　　↓
　　　　　ｃ）解析
　　　　　　　　　　↓
　　　　　ｄ）改良点のレビュー
　　　　　　　　　　↓
　　　　　ｅ）改良ＣＡＤモデル設計
　　　　　　　　　　↓
　　　　　ｆ）ｂ）に戻る・・・

　　　いちいち、形状ＣＡＤモデルができる度、解析担当に成立性
　　　（強度が十分か）のお伺いを立てたり、設計パラメータを変
　　　するたび解析ルーティンを回し、設計のタイムラグが増え
　　　る。

　　　これまで、筆者自身も精密機械の設計をやってきたが、ＣＡ
　　　Ｄモデルを作った段階で、構造的成立性をすぐ検討できるこ
　　　との気分の良さと時間短縮を肌で感じてきた。

（２）強度実験の経験の増加（パラメトリックスタディ）

　　　解析＝（机上の）実験、となることもなりうる。

　　　「所詮計算上だろ」と、データ精度に物申す人もいるかとは
　　　思うが、筆者もその通りだと思う。

　　　しかし、その論は２つの点を大損をしている。

　　　現物は通常１つしか作らないから、実際の破壊実験や試作
　　　試験のデータ取得は、１つのケースに限られてしまう。
　　　現物の実験データから厚みを変えたりＲを変更したり、プラ
　　　ンＢモデルのデータを得る（推定する）ことができる。
　　　プランＢモデルの製作費の大半は浮く。

　　　また、ＣＡＤモデルの応力発生状況を、自由なパラメータ変
　　　更上で見ることができる。
　　　簡単に言えば、現実にはあり得ない形状も検討が可能で、
　　　思いもよらない結果を、机上で確認できる。

　　　つまり、常識に縛られない設計検討も可能ということである。



■Femap with NX-Nastran

このソフトウェアは、形状のモデル化～Nastran解析まで、「通しで」可能である。自分が利用した中でもとても感じのよいソフトウ
ェアと思っている。

確かに、ポケットマネーで購入できるような価格ではないが、費
用対効果は高いと思っているが、その代わり、単純なモデルであ
れば５分と掛からず、応力分布をＰＣ画面で見ることも可能。

精度云々を求める前に、とりあえず答えを出す、答えを見る
ことが、構造・強度解析に対する「ストレス低減」の一番だと
思うので紹介する。