S-N（応力 - 寿命）法を用いたFatigue Process Manager（FPM）

OptiStructは疲労寿命の計算にS-Nアプローチを用います。S-Nアプローチは高サイクルの疲労に適しており、その材料の周期的な応力の大部分は弾性範囲に収まっています。このような応力範囲内では、構造物は通常は1000サイクル以上存続するはずです。

S-Nアプローチは、弾性的な周期荷重で、S-N曲線は 1000 サイクル以上の数の範囲にあるはずとの推定に基づいています。このことは大きな塑性は起こらない、ということを保証します。これは一般に高サイクル疲労と言われます。

rd2070_SN_curve
図 1. S-N 曲線の低サイクルと高サイクルの領域
S-N理論は単軸応力を扱うため、それぞれの計算点、それぞれの時間ステップにおける応力成分は1つの統合された値にする必要があり、そこで、等価な公称応力が用いられ、S-N曲線に適用されます（図 2）。

rd2070_2segment_SN_curve
図 2. 2セグメントのS-N曲線

OptiStructではさまざまな応力の組み合わせタイプが利用可能で、デフォルトは “Absolute maximum principal stress （絶対値最大の主応力）”です。一般的に脆性材料には "Absolute maximum principle stress"が推奨されますが、延性材料には"Signed von Mises stress"が推奨されます。符号付きパラメータの符号には最大絶対値主値の符号が用いられます。

本チュートリアルでは、Process Manager を介し、S-N法による疲労寿命評価をステップごとに順を追って行います。

HyperMeshとProcess Managerの起動

  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。
  3. Tools > Fatigue Process > Create Newをクリックします。
  4. New Session Nameに<my_session_name>と入力します。
  5. Working Folderに自身の作業フォルダーを選択します。
  6. Createをクリックします。
    これで、現在ロードされている疲労プロセステンプレートの内容を保存するための新しいファイルが生成されます。


    図 3.

モデルの読み込み

  1. Fatigue Analysisツリーの中でImport Fileタスクが選択されていることを確認します。
  2. Model file typeにを選択します。
  3. Open modelファイルアイコンfiles_panelをクリックします。
    Select Fileブラウザウィンドウが開きます。
  4. optistruct.zipファイルから自身の作業ディレクトリに保存したctrlarm.femファイルを選択し、Openをクリックします。
  5. Importをクリックします。
    これでコントロールアームのモデルが読み込まれます。モデルには2つの静的サブケースの完全な定義、要素セット、材料と静的プロパティなどが含まれています。
  6. Applyをクリックします。
    これでFatigue Analysisツリーの次のタスクであるFatigue Subcaseに進みます。

    rd2070b_import_file
    図 4. 有限要素モデルファイルの読み込み

モデルのセットアップ

疲労サブケースの生成

  1. Fatigue Analysisツリーの中でタスクFatigue Subcaseが選択されていることを確認します。
  2. Create new fatigue subcase欄にfatsub_fpmtut、と入力します。
  3. Createをクリックします。
  4. Select existing fatigue subcase欄に新たに生成された疲労サブケースfatsub_fpmtutを選択します。
    fatsub_fpmtutがアクティブな疲労サブケースとして選択されました。続くプロセス（解析パラメータ、疲労評価の要素とプロパティ、載荷順序など）はこのサブケースで行われます。
  5. Applyをクリックします。
    これで現在の定義が保存され、Fatigue Analysisツリーの次のタスクAnalysis Parametersに導かれます。

    rd2070b_create_fatigue


    図 5. 処理するアクティブな疲労サブケースの生成と選択

疲労解析パラメータの適用

  1. Fatigue AnalysisツリーでタスクAnalysis Parametersが選択されていることを確認します。
  2. 以下のオプションを選択します：
    Analysis type
    S-N
    Stress combination method
    Signed von Mises
    FEA model unit
    MPA
    Mean stress correction
    GERBER
    Rainflow type
    STRESS
  3. 次の値を入力します。
    生存の確実性
    0.5
    Gate
    0.0
  4. Applyをクリックします。
    これで現在の定義が保存され、Fatigue Analysisツリーの次のタスクであるElements and Materialsに進みます。詳細については、Altair Simulation 2022ヘルプをご参照ください。

    rd2070b_fatigue_analysis
    図 6. 疲労解析パラメータの定義

疲労要素と材料の追加

  1. Fatigue AnalysisツリーでタスクElements and Materialsが選択されていることを確認します。
  2. Add Materialをクリックします。
    Material Dataウィンドウが開きます。

    rd2070b_mat_data
    図 7. 材料データ定義
  3. Material名にAluminumを選択します。
  4. Stress unitがMPAにセットされていることを確認します。
  5. Ultimate tensile strength (UTS)に、600と入力します。
  6. SN Curve Material Propertiesをクリックします。
    SN Curve Material Propertiesダイアログが開きます。


    図 8.
  7. S-N曲線を定義するInput methodにEstimate From UTSを選択します。
  8. Show SN curve definitionアイコン05_sn_curveをクリックします。
    SN 材料パラメータの生成方法を紹介するSN method descriptionウィンドウが開きます。
  9. Closeをクリックします。
  10. Material TypeにAluminum Alloysを選択し、Estimateをクリックします。
    SN 曲線定義の全てのデータが自動的に推定されます。
  11. OKをクリックします。
  12. ウィンドウの下部にあるPlot SN Curveをクリックし、S-N曲線を表示させます。


    図 9.
  13. SN Curve plotウィンドウを閉じます。
  14. Add Propertyをクリックします。
    Property Dataダイアログが開きます。


    図 10.
  15. Property TypeにProperty - PSHELLを選択します。
  16. Propertyにshellを選択します。
    これはソリッドのコントロールアームを覆う表皮です。
  17. CreateをクリックしてPFATプロパティを作成します。
  18. LAYERにTOPを選択します。
  19. FINISHにNONEを選択します。
  20. TREATMENTにNONEを選択します。
  21. KFの後ろの欄（Fatigue strength reduction factor）は1.0のままにしておきます。
  22. Closeをクリックし、選択された要素へのSNデータ定義を保存します。
  23. Property Dataダイアログ内のCloseをクリックし、疲労定義を保存します。
    これで現在の定義が保存され、Fatigue Analysisツリーの次のタスクLoad-Time Historyに導かれます。

    rd2070b_element_mat
    図 11. 要素と材料の定義

荷重時刻歴の適用

  1. Fatigue AnalysisツリーでタスクLoad-Time Historyが選択されていることを確認します。
  2. Add by Fileをクリックします。
    Load Time Historyウィンドウが表示されます。
  3. Load-time history名にLTH1と入力します。
  4. Load-time historyタイプにCSVを選択します。
  5. Open load-time fileアイコンfiles_panelをクリックします。
    Open fileブラウザウィンドウが開きます。
  6. load1.csvを探して選択します。
  7. Open > Importをクリックします。

    rd2070b_load-time_dialog
    図 12. 荷重-時間履歴の読み込み
  8. Saveをクリックし、新しい荷重-時間履歴をHyperMeshデータベースに書き込みます。
  10. Plot L-Tをクリックし、荷重-時間履歴を表示させます。
  11. Load Time Historyウィンドウを閉じます。
  12. Applyをクリックします。
    これで現在の定義が保存され、Fatigue Analysisツリーの次のタスクLoading Sequencesに導かれます。

    rd2070b_load_time
    図 13. 荷重時刻歴の定義
    注: RPC/RSPおよびDACファイルフォーマットはfpmでサポートされるようになっています。これには、HyperMesh Desktopアプリケーションをご使用ください。

荷重順序

このステップでは、2つの荷重時刻歴の1つのイベントが生成されます。言い換えれば、2つの荷重時刻歴で生じる応力の線形の重ね合わせが、解析の間に要求されたことになります。このイベントを用いて、1つの荷重順序が構成されます。
  1. Fatigue AnalysisツリーでタスクLoading Sequencesが選択されていることを確認します。
  2. Addをクリックします。
    Loading Mappingウィンドウが開きます。
  3. ChannelsにLTH1とLTH2を選択します。
  4. SubcaseにSUBCASE1とSUBCASE2を選択します。
  5. ラジオボタンAutoを有効にし、イベントの作成法はデフォルトのSingle Eventのままとします。
  6. +をクリックし、2つのサブケース、2つのチャンネルのシングルイベントを作成します。


    図 14. 荷重-時刻歴を静的サブケースと関連付けするための荷重マッピング
  7. Saveをクリックしてウィンドウを閉じ、選択されたサブケースとチャンネルを用いて疲労イベントを作成します。

    rd2070b_loading_sequence
    図 15. 荷重順序の定義

ジョブのサブミット

  1. Fatigue AnalysisツリーでタスクSubmit Analysisが選択されていることを確認します。
  2. Save .femファイルアイコンfiles_panelをクリックします。
    Save Asブラウザウィンドウが開きます。
  3. ファイルを保存するディレクトリをセットし、File nameにctrlarm_fpmtut.femと入力します。
  4. Saveをクリックしてプウィンドウを閉じます。
  5. Saveをクリックし、OptiStructモデルファイルを保存します。
  6. Run Optionにanalysisを選択します。
  7. Submitをクリックします。
    これでOptiStruct 2022が起動し、疲労解析が実行されます。ジョブが成功した場合、ctrlarm_fpmtut.femに選択されたディレクトリに新しい結果ファイルが現れます。
    そのディレクトリに書かれるデフォルトのファイルは：
    ctrlarm_fpmtut.0.3.fat 反復ステップでのそれぞれの疲労サブケースの疲労解析結果を含むASCIIフォーマットファイル。
    ctrlarm_fpmtut.h3d 静解析の結果と疲労解析の結果の両方の Hyper 3D バイナリ結果ファイル。
    ctrlarm_fpmtut.out ファイルのセットアップ、疲労問題のセットアップ、計算時間の情報などを含むOptiStruct出力ファイル。ワーニングやエラーもこのファイルで確認します。
    ctrlarm_fpmtut.stat 解析のプロセスの間のそれぞれのステップでのCPU情報を提供する、解析のプロセスの要約。
    注: filename.#.fatは、疲労最適化が実行される場合に限り、最初と最後の反復計算において各疲労サブケースについて作成されます。

    rd2070b_submit_analysis
    図 16. 疲労解析のサブミット


    図 17.

結果のポスト処理

  1. Fatigue AnalysisツリーでタスクPost-processingが選択されていることを確認します。
    前のサブミットの後、疲労解析が正常に終了すると、自動的にこのタスクに入ります。
  2. FatigueサブケースにSelect Subcaseが選択されていることを確実にします。
  3. Result TypeとData Componentに、コンター表示したいデータをドロップダウンメニューから選択します。
  4. Load H3D Results (HV)をクリックします。
    これでHyperViewが起動し、ctrlarm_fpmtut.h3d結果ファイルが読み込まれます。これは、選択された結果タイプとコンポーネントについて、結果のコンターを適用します。より詳細な結果については、HyperViewを使用することができます。
  5. Exitをクリックし、Fatigue Process Managerをアンロードします。

    rd2070b_life_results
    図 18. ポスト処理


    図 19. HyperViewでのダメージコンター