OS-T：1390 ヘッドボルトで接合されたエンジンシリンダーヘッド、ガスケット、エンジンブロックシステムの1次元および3次元プリテンションボルト解析

本チュートリアルは、エンジンの一部について1次元および3次元プリテンションボルト解析を実行する手順を説明します。プリテンションボルト解析は、それぞれ4500 Nのプリテンションフォースがかかった4のヘッドボルトで結合されているシリンダーヘッド、ガスケット、およびエンジンブロックから成るシステムの応答を求めるために実行されます。


model_cyl_head
図 1. シリンダーヘッド、ガスケット、エンジンブロックを示すモデル

モデルは定義済みの8つのコンポーネントと、それらの対応するプロパティおよび材料割り当てで構成されています。コンタクトサーフェス（PT_Surf）が定義されており、これは既存のプリテンションサーフェスの3次元プリテンショニングに使用されます。1次元プリテンショニング用のプリテンションセクションも、4つのボルトのうちの２つに作成されており、セクション分けされているボルト群は（剛体を介して）1Dビーム要素を使って再結合されています。予め定義されたビジュアライゼーション補助機能もViewの下に用意されており、これによりユーザーは、4つのボルトのプリテンションセクションを容易に見ることができます。様々なパート間の接触サーフェスおよび接触インターフェース（TYPE=FREEZE）も作成されており、本チュートリアルのプリテンションの部分に焦点を当てることが可能です。

プリテンションボルト解析

多くのエンジニアリングのアセンブリはボルトを用いて結合されており、通常、実働荷重が与えられる前にプリテンションが加えられています。典型的な順序を下に示します。詳細については、ユーザーズガイドのプリテンションボルト解析をご参照ください。

Step 1では、構造の予備アセンブリに際し、通常既定のトルク（スレッドのピッチに応じて既定の引張力に変換される）でボルト上のナットが締められます。

結果として、ボルトのある作業対象パートは距離 Δ L MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaaeiLdiaadY eaaaa@37E1@ だけ短くなります。この距離は作用した力と、プリテンションを受けるボルトとアセンブリのコンプライアンスに依存します。


図 2. Step 1のプリテンショニングされたボルト. プリテンショニング荷重の適用
FEA解析において、 以下を理解することが重要です：
  • プリテンショニングは実際、使用されている構造からボルトの一定の長さを取り除くことで、ボルトの締め付け部分を短くします（現実的には、このセグメントはナットを介してスライドしますが、総合的な効果はボルトの作業長さの短縮）。ここで、より小さくなったボルト材料の有効長はボルトのマウントからナットまでの距離に及ぶ必要があるため、ボルトは同時に伸長します。
  • 適用される力Fのために、各ボルトの短縮 Δ L MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaaeiLdiaadY eaaaa@37E1@ の計算には、プリテンショニングフォースのかかったモデル全体のFEAソリューションが必要となります。これは、ナットの移動量のせいで、ボルトおよびボルトで結合されるアセンブリのコンプライアンスに依存し、また、プリテンショニングされる複数のボルト間の相互作用によっても影響を受けます。

Step 1の最後に、各ボルトの短縮量 Δ L MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaaeiLdiaadY eaaaa@37E1@ が、プリテンショニング過程中に達した位置に単にナットを残すことで定められ、“ロック”されます。

Step 2では、すべてのボルトの短縮量 Δ L MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaaeiLdiaadY eaaaa@37E1@ で“ロック”されたまま、他の荷重がアセンブリにかけられます。この段階では、ボルト内の応力とひずみは通常変化し、取り除かれた材料の長さ Δ L MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaaeiLdiaadY eaaaa@37E1@ は、各ボルト共一定のままとなります。


図 3. Step 2のプリテンショニングされたボルト. “ロック”されたボルトの短縮と荷重の適用

HyperMeshの起動とOptiStructユーザープロファイルの設定

  1. HyperMeshを起動します。
    User Profilesダイアログが現れます。
  2. OptiStructを選択し、OKをクリックします。
    これで、ユーザープロファイルが読み込まれます。ユーザープロファイルには、適切なテンプレート、マクロメニュー、インポートリーダーが含まれており、OptiStructモデルの生成に関連したもののみにHyperMeshの機能を絞っています。

モデルのオープン

  1. File > Open > Modelをクリックします。
  2. optistruct.zipファイルから自身の作業ディレクトリに保存したPretension.hmファイルを開きます。モデルファイルへのアクセスをご参照ください。
  3. Openをクリックします。
    Pretension.hmデータベースが現在のHyperMeshセッションに読み込まれます。

モデルのセットアップ

本チュートリアルでは、4つのヘッドボルトに1次元および3次元ボルトプリテンショニングを（2つずつ）適用し、拘束されているシステムに圧力荷重をかける方法を示します。適用される圧力荷重は、燃焼のためにエンジンの内壁にかかる圧力をモデル化します。エンジンコンパートメント内の圧力は時間と共に変化します（過渡）が、ここでは、特定の固定された瞬間におけるシステムの応答を捕捉します。1 Pascalの一定の圧力荷重値がシリンダーヘッドの内壁とエンジンブロックにかけられます。

ガスケットの挙動は非線形で、載荷と除荷のサイクルを受けて各ステップにおけるプロパティが変化する可能性があります。1次元および3次元プリテンショニングに焦点を当てる本チュートリアルでは、ガスケット材料についての載荷と除荷のパスは、対応する荷重コレクターによって参照されるTABLES#エントリを介してMGASKデータエントリで予め用意されています。非線形静解析が実行されている間に、最初に適用された圧力荷重はloading/unloading（載荷 / 除荷）経路テーブル内の該当する値と比較され、ガスケットの初期材料特性が定義されます。MGASKデータエントリを介したガスケットの非線形プロパティは、圧力と圧縮距離の関数です（詳細については、MGASKを参照のこと）。全てのパートの接触にについて、FREEZE接触が予め定義されています。

flowchart_tutorials
図 4. チュートリアルプロセスフロー

材料特性の確認

インポートされたモデルには、予め用意された大量の情報が含まれており、これらによって私たちは、本チュートリアル内のプリテンショニングセクションに焦点を当てることができます。先に説明したとおり、ガスケット、エンジンブロック、シリンダーヘッドおよびヘッドボルトについて、すべての材料とプロパティが予め定義されています。スティールの材料特性が、ガスケット以外のすべてのコンポーネントに割り当てられます。
  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Expand Allを選択します。
  2. ModelブラウザのMaterialの下で、STEELをクリックします。
    エンティティエディターで、MAT1エントリに予め値が入力されて表示されます。
  3. スティールの材料プロパティについて、MAT1バルクデータエントリが下の図に示すとおり入力されていることを確認します。

    OS_1390_01
    図 5. 材料の確認 - Steel
  4. ModelブラウザでMAT1_gaskを選択します。
  5. ガスケットの材料プロパティについて、MAT1バルクデータエントリが下に示すとおり入力されていることを確認します。

    OS_1390_02
    図 6. 材料の確認 - Gasket
  6. MGASKをクリックします。
  7. ガスケットの材料プロパティについて、MGASKバルクデータエントリが下に示すとおり入力されていることを確認します。

    OS_1390_03
    図 7. 非線形ガスケット材料特性の確認 - MGASK
    ヒント: 図 7のTABLDおよびTABLU(1)欄（ガスケット載荷および除荷パス）は、別々の荷重コレクターGask_LoadおよびGask_Unload1内でTABLES1バルクデータエントリによって定義されます。
  8. Load CollectorフォルダーのGask_Load、続いてData欄の横のtableアイコンtable_pencilをクリックします。
  9. ガスケット載荷パスを定義するTABLES1バルクデータエントリが下に示すとおり入力されていることを確認します。

    OS_1390_04
    図 8. ガスケット載荷パスの確認– TABLES1
  10. 同様に、ガスケット除荷パス（荷重コレクターGask_Unload1）を定義するTABLES1バルクデータエントリが下に示すとおり入力されていることを確認します。

    OS_1390_05
    図 9. ガスケット除荷パスの確認– TABLES1
    ヒント: プロパティや荷重コレクターなど、残りの予め定義されたデータエントリも、同様に確認できます。荷重コレクター確認の手順は、場合によっては上に示したとおり簡単ではありませんが、他の様々なチュートリアルでユーザーのために十分説明されています。
  11. ガスケットの法線方向は、Toolパネルでnormalsをクリックすることによって確認されます。
  12. ガスケットコンポーネントを選択するには、Show/Hideツール（図 10）を使ってシリンダーヘッドを隠し、ガスケットを見えるようにします。

    show-hide
    図 10. Masking（Show/Hide）ツール
  13. Show/Hideアイコンをクリックし、シリンダーヘッドを右クリックして非表示にします。
    これで、ガスケットが見えるようになりました。

    gasket_component
    図 11. Maskingツールを使ってガスケットコンポーネントを表示
  14. 同様にして、エンジンブロックを右ブロックで非表示とし、ガスケットの法線がよく見えるようにします。
  15. Show/Hideアイコンを再度クリックして選択を解除し、モデリングウィンドウからガスケットを直接選択してdisplay normalsをクリックします。
    図 12のように、ガスケットの法線がモデリングウィンドウ内で見えるようになりました。法線はすべて、負のZ方向を指しています。

    gasket_component_select
    図 12. ガスケットコンポーネントの選択

    gaskets_normal
    図 13. ガスケットの法線（負のZ方向）の表示
これで、チュートリアルの確認セクションは終わりです。ここから、接触条件、コンタクトサーフェスおよびヘッドボルトに適用するプリテンショニングの作成に焦点を当てます。

1Dおよび3Dボルトプリテンショニングの適用

ボルトプリテンショニング解析は、プリテンショニングの結果として2つ以上のコンポーネントを保持するボルトを含んだシステムの応答を求めます。OptiStructでは、プリテンショニングは初期のサブケースで適用され、続いて、効果が見られるサブケースで参照されます（STATSUB(PRETENS)）。
  1. ModelブラウザでComponentを右クリックし、コンテキストメニューから<uicontrol>Representation</uicontrol>Showを選択します。
  2. Modelブラウザで、CYLINDER_HEADコンポーネントの横のElementsアイコンをクリックして非表示にします。
    ヒント: View1、ModelブラウザのViewの下で、定義済みの可視化オプションView1が、このモデルに含まれています。View1の横のモニターの形をしたアイコンをクリックすると、予め定義されたビューがModelブラウザに読み込まれ、4つのボルトすべてがY-Z面で見られるようになります。2つのボルトは、ディスク型セクションのカットオフを含んでいます。これらのボルトは、ボルト毎に2つの剛体スパイダー（RBE2) と1Dビーム要素（CBEAM）を使って再結合されます。ここで、1Dプリテンショニングをこれら2つのボルトに適用することができます。3Dプリテンショニングには、プリテンショニングフォースを適用可能なサーフェスの作成が必要です。

    view1
    図 14. 定義済みの可視化オプションView1
    サーフェスPT_Surfは、既存サーフェス上の3Dプリテンショニングを示すために、予め定義されています。新規サーフェスの作成により3Dプリテンショニングを追加的に示すために、4番目のボルトは変更せずに残します。

    flowchart_bolt
    図 15. 本チュートリアルのモデル用のボルトプリテンショニング
  3. メニューバーからTools > Pretension Managerをクリックし、Pretension Managerにアクセスします。
  4. Add 1D Boltsをクリックし、ボルト1およびボルト2内の2つの1Dビーム要素を選択します（Figure 18）。
    ヒント: グラフィックス領域内で選択のために要素群をズーミングしたり再配置したりする際、Ctrl+マウスの左クリックを使わないように気をつけます。Ctrl+マウスの左クリックを使うと、モデルが軸周りに回転し、View1のY-Zプレーンから外れてしまうことがあります。View1で作業を行う際には、Ctrl+マウスの右クリック（ドラッグアクション）のみを使うことが推奨されます。

    predefined_1d_element
    図 16. プリテンショニング用に定義済みの1D要素の選択
  5. Pretension Managerウィンドウ内のLoad Type列で、両方の欄を選択します（1つ目の欄をクリックし、続いてCtrlキーを押したまま2つ目の欄をクリックします）。2つ目の欄の横の下向きの矢印をクリックし、ドロップダウンメニューからForceを選択します。
  6. 同様に、Load Magnitude列の両方のボルトに、4500.0を入力します。
  7. Applyをクリックします。
    Figure 19に示すように、4500.0 Nのプリテンショニングフォースが両方の1Dボルトに適用されました。

    ptforce
    図 17. 1Dボルトにプリテンショニングフォースが適用（PTFORCE=4500 N）
  8. Add 3D Boltsをクリックし、ドロップダウンメニューからSelect Existing Surfaceを選択します。
  9. Wireframe elements skin onlyアイコンvisualizationElementsWireframeSkinOnly-24をクリックし、3つ目のボルトに定義済みのコンタクトサーフェスPT_Surfを確認します。
    ヒント: 定義済みのサーフェスが見当たらない場合、Modelブラウザで、PT_Surfエントリの横にあるアイコンentityContactSurfaces-24をクリックします。
  10. Figure 20に示す、ボルト内の表示されている定義済みサーフェスをクリックし、proceedをクリックします。

    predefined_pt_surf
    図 18. 定義済みPT_Surfサーフェスの選択
  11. Load Type列の下のForceを選択し、Load Magnitude列に4500.0 Nを入力しして、Applyをクリックします。
    Figure 21に示すように、4500.0 NのプリテンショニングフォースがPT_Surfサーフェスに垂直に適用されました。

    pt_surf
    図 19. 4500.0 Nのプリテンショニングフォースを3つ目のボルトの定義済みサーフェスPT_Surfに適用
  12. Add 3D Boltsをクリックし、ドロップダウンメニューからCreate New Surfaceを選択します。
  13. グラフィックス領域の下のパネル内で、3d facesをelemsに切り替えます。
    ヒント: 先述のクリック＆ドラッグ機能（Shiftキーを押したまま）を使って、Figure 22に示すとおり、4つ目のボルトの頭頂部を選択します。

    surface_create
    図 20. プリテンショニング用に新規サーフェスを作成
  14. グラフィックス領域の下のパネルでnodesをクリックし、Figure 23に示すとおり、Y-Z面に垂直なサーフェス内のすべての節点を選択します。
    ヒント: 同じクリック＆ドラッグ機能を使って（垂直サーフェスはY-Z面で1つのラインであるため、そのラインを囲むウィンドウを描く）、これらの節点を選択します。

    nodes_selecting
    図 21. プリテンショニングサーフェスの作成に必要な節点群の選択
  15. create > returnをクリックし、Fatigue Managerに戻ります。
  16. Load Type列の下のForceを選択し、Load Magnitude列に4500.0 Nを入力しして、Applyをクリックします。

    pretension_mgr
    図 22. 4つのボルトすべてについて表示されたPretension Manager
  17. Pretension ManagerでOKをクリックし、Figure 25で示すとおり、4つのすべてのボルトとそのプリテンショニングフォースを確認します。

    reviewing_bolts
    図 23. 4つのプリテンショニングボルトの確認

プリテンション荷重ステップおよびそれに続く解析荷重ステップの作成

OptiStruct非線形静解析荷重ステップが、プリテンショニングおよび後続の解析用に作成されます。接触要素およびガスケット載荷 / 除荷パスのため、解析は非線形です。CNTNLSUBバルクデータエントリを使って、プリテンショニングの後で後続の非線形解析を続けます。また、STATSUB(PRETENS)を使って、解析サブケース内でプリテンショニングサブケースが参照されます。Loadstepsブラウザを使って荷重ステップを作成し、対応するデータエントリを割り当てます。
  1. ModelブラウザでBLOCKおよびCYLINDER_HEADコンポーネントの横にあるShaded Elements and Mesh LinesアイコンentityElements-24をクリックします。
  2. Tools > Load Step BrowserをクリックしてLoadstepsブラウザを終了します。
  3. LoadstepsブラウザのLoadstepsで右クリックしNew loadstepを選択します。
  4. Loadstep name:欄にPretensionと入力し、Createをクリックします。

    loadstep
    図 24. プリテンションサブケースの作成
  5. Loadstep TypeタブのLoadstep type:の横のドロップダウンメニューから、Nonlinear staticを選択します。
  6. Load Referencesタブに切り替え、サブケースエントリのリストから、NLPARMをクリックします。
  7. Available nonlinear parameters:セクションのNlparmをクリックし、続いて、右向きの矢印pageNext-24をクリックして、selected nonlinear parameter:セクションに追加します。
  8. 同様に、サブケースエントリリストのSPCをクリックし、Available SPC constraintをSelected SPC constraints:セクションに追加します。
  9. Steps 6または7の指示に従い、PRETENSIONサブケースエントリセクションからPRETENS_1をリストに追加します。
  10. 3つのサブケースエントリがすべてプリテンション荷重ステップに追加されたら、OKをクリックします。
  11. LoadstepsブラウザのLoadstepsで右クリックしNew loadstepを選択します。
  12. Loadstep name:欄にPretensionと入力し、Createをクリックします。


    図 25. 圧力荷重ステップの作成
  13. Loadstep TypeタブのLoadstep type:の横のドロップダウンメニューから、Nonlinear staticを選択します。
  14. Load Referencesタブに切り替え、サブケースエントリのリストから、NLPARMをクリックします。
  15. Available nonlinear parameters:セクションのNlparmをクリックし、続いて、右向きの矢印pageNext-24をクリックして、selected nonlinear parameter:セクションに追加します。
  16. 同様に、サブケースエントリリストのSPCをクリックし、Available SPC constraintをSelected SPC constraints:セクションに追加します。
  17. Steps 6または7の指示に従い、STATSUB(PRETENS)サブケースエントリセクションからPRETENSIONをリストに追加します。
  18. 再び、Steps 6 または 7 の指示に従い、LOADサブケースエントリセクションからPRESSURESをリストに追加します。
  19. CNTNLSUBサブケースエントリをクリックし、CNTNLSUBの横のボックスにチェックマークを入れて、CNTNLSUBの横のプルダウンメニューからYESを選択します。
  20. 5つのサブケースエントリがすべて圧力荷重ステップに追加されたら、OKをクリックします。
  21. CloseをクリックしてLoadstepsブラウザを終了します。

ジョブのサブミット

  1. AnalysisページからOptiStructパネルをクリックします。

    OS_1000_13_17
    図 26. OptiStructパネルへのアクセス
  2. save asをクリックします。
  3. Save Asダイアログで、OptiStructモデルファイルを書き出す場所を指定し、ファイル名としてPretensionと入力します。
    OptiStruct入力ファイルには、拡張子 .femが推奨されます。
  4. Saveをクリックします。
    入力ファイル欄には、Save Asダイアログで指定されたファイル名と場所が表示されます。
  5. export optionsのトグルをallにセットします。
  6. run optionsのトグルをanalysisにセットします。
  7. memory optionsのトグルはmemory defaultにセットします。
  8. OptiStructをクリックし、OptiStructジョブを開始します。
ジョブが成功した場合、Pretension.femが書き出されたディレクトリに新しい結果ファイルがあるはずです。何らかのエラーがある場合、Pretension.outファイルはデバッグを手助けするエラーメッセージを探すのに良い場所です。

結果の表示

  1. コマンドウィンドウ内にメッセージProcess completed successfullyが表示されたら、をクリックします。HyperViewが起動され、結果が読み込まれます。
    HyperViewにモデルと結果が正しく読み込まれたことを示すメッセージウィンドウが表示されます。
  2. 表示されたら、Closeをクリックし、メッセージウィンドウを閉じます。
  3. ContourツールバーアイコンresultsContour-16をクリックします。
  4. Result typeの下の1つ目のプルダウンメニューで、Displacement(v)を選択します。

    hv_contour_plot
    図 27. HyperViewのContour plotパネル
  5. Applyをクリックし、ResultsブラウザからSubcase 2 (Pressure)を選択します。
    変位のコンタープロットが、Figure 29に示されるように生成されます。シリンダーヘッドは、ヘッドボルトの変位プロットが見えるよう、非表示になっています。

    displacement_pressure
    図 28. プリテンショニング後のPressureサブケースの変位コンター

    Figure 29では、Pressureサブケースを実行した後の変位のプロットが確認できます。最大変位は約0.089 mmで、定義済みボルトヘッド近くの領域で発生しています。

  6. Contour panelでGasket Thickness-direction Pressureを選択し、Applyをクリックします。
    板厚方向のガスケット圧力のコンタープロットが、Figure 30のように作成されます。他のコンポーネント群は、ガスケット上の圧力のバリエーションがよく見えるように、非表示となっています。

    gasket_pressure
    図 29. Pressureサブケースの板厚方向のガスケット圧力

    チェックポイント

    ガスケットにかかる板厚方向の最大圧力は、0.21 MPaです。