OS-T：1000 穴あきプレートの線形静的解析

本チュートリアルでは、与えられた穴のある板のCAD形状の上にどのように有限要素を生成するかを示します。さらに、境界条件を指定して問題の有限要素解析を実行する方法を説明します。荷重を受けた板の変形や応力特性の表示にはHyperViewポスト処理ツールが用いられます。

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plate_hole.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。
    plate_hole.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

材料の生成

  1. Modelブラウザで右クリックしコンテキストメニューからCreate > Materialを選択します。
    デフォルトの材料がエンティティエディターに表示されます。
  2. Nameにsteelと入力します。
  3. Card ImageをMAT1に設定します。
  4. 各欄の横に材料の値を入力します。
    1. E（ヤング率）に2.1E+05と入力します。
    2. NU（ポワソン比）に0.3と入力します。
    3. RHO（材料密度）については、静解析のみが実行されるため、定義しないでおきます。


    図 1. steelの材料特性値
新しい材料steelが作成されました。この材料は、OptiStructの線形等方性材料モデルMAT1を用いています。

プロパティの生成

  1. Modelブラウザで右クリックしコンテキストメニューからCreate > Propertyを選択します。
    デフォルトのプロパティがエンティティエディターに表示されます。
  2. Nameにplate_holeと入力します。
  3. Card ImageをPSHELLに設定します。
  4. 各欄の横に、プロパティの値を入力します。
    空のValueランは、それがオフになっていることを表します。そのようなプロパティを編集するには、その横で空白となっているValue欄をクリックし、値を入力します。
    1. Materialに、Unspecified > Materialをクリックします。Select Materialダイアログでsteelを選択し、OKをクリックします。
    2. T（プレートの板厚）に、10.0と入力します。


    図 2. plate_holeの特性値
新しいプロパティplate_holeが2D PSHELLとして作成されます。材料情報もこのプロパティにリンクしています。

plate_holeコンポーネントの更新

  1. Modelブラウザで、コンポーネントplate_holeをクリックします。
    コンポーネントの欄が下のエンティティエディターに表示されます。
  2. Propertyに、Unspecified > Propertyをクリックします。Select Propertyダイアログで、plate_holeを選択し、OKをクリックします。

    os_1000_13_06
    図 3.
コンポーネントplate_holeは同じ名前のプロパティとともに更新され、現在 “Current Component”となっています。このコンポーネントは板厚10.0のplate_holeプロパティの定義を用いています。材料 steel がこのコンポーネントにより参照されています。

荷重と境界条件の適用

次のステップでは、モデルの外側の4辺のうち、向かい合った2辺を動かないように拘束します。他の2辺は非拘束のままとします。穴の周辺に合計1000Nの荷重を、正のZ方向に作用させます。

荷重コレクターの作成

  1. Modelブラウザで右クリックしコンテキストメニューからCreate > Load Collectorを選択します。
    デフォルトの荷重コレクターがエンティティエディターに表示されます。
  2. Nameにspcsと入力します。
  3. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  4. Card ImageをNoneに設定します。
    新しい荷重コレクターspcsが生成されます。


    図 4. spcs荷重コレクターの作成
  5. もう1つの荷重コレクターを作成します。
    1. Nameにforcesと入力します。
    2. Card Imageに、Noneを選択します。

拘束の作成

  1. ModelブラウザでLoad Collectorフォルダーのspcsを右クリックしてMake Currentを選択し、spcsを現在の荷重コレクターにセットします。

    os_1000_13_08
    図 5. 現在の荷重コレクターとしてspcsを設定
  2. メニューバーからBCs > Create > Constraintsをクリックし、Constraintsパネルを開きます。

    os_1000_13_09
    図 6. Constraintsパネルへのアクセス
  3. エンティティ選択スイッチで nodesが選択されていることを確認します。

    os_1000_13_10
    図 7. エンティティ選択スイッチをクリックした後のメニュー
  4. Shiftを押したままマウスをクリック＆ドラッグし、プレートの２つの端点上の節点を選択します。

    OS_1000_13_23
    図 8. 拘束条件として選択すべき節点群
  5. dof1、dof2、dof3、dof4、dof5、dof6のすべての値を 0.0に設定し、拘束ます。
    • チェックマークのついている自由度は拘束され、ついていないものはフリーとなります。
    • Dofs 1、2および3は、x、y、z方向の並進自由度を表します。
    • Dof 4、5、および6は、x、y、z方向の回転自由度を表します。

    os1000_13_13
    図 9. 選択された節点群の自由度をすべて拘束
  6. createをクリックします。
    制約条件が選択された節点に適用されます。
  7. returnをクリックし、メインメニューに戻ります。

穴の周りの節点への力の生成

  1. Modelブラウザで、current load collectorをforcesに設定します。
  2. メニューバーからBCs > Create > Forcesをクリックし、Forcesパネルを開きます。
  3. 左クリックと同時にShiftを押し、マウスボタンを放して選択オプションにアクセスします。Circle Interiorを選択します。

    os_1000_13_13
    図 10. 円形（円の内側）選択ウィンドウの選択
  4. Shiftを押したままマウスをクリック＆ドラッグし、穴の周りの節点群を選択します。

    os1000_interior_circle_13
    図 11. 穴の周りの荷重の付与に選択される節点群
  5. Forcesパネルで設定を定義します。
    1. coordinate systemのトグルはglobal systemにセットします。
    2. ベクトル定義をconstant vectorに切り替えます。
    3. magnitude =欄に21.277と入力します（1000を節点数47で割った値）。
    4. magnitude =の下の方向定義スイッチをz-axisにセットします。

    os_1000_13_15
    図 12. 力に方向と大きさを割り当て
  6. createをクリックします。
    穴の周りの節点に対して、節点力が与えられた大きさでz-方向に付与されます。
  7. returnをクリックし、メインメニューに戻ります。

荷重ステップの作成

  1. Modelブラウザで右クリックしコンテキストメニューからCreate > Load Stepを選択します。
    デフォルトの荷重ステップがエンティティエディターに表示されます。
  2. Nameにlateral forcesと入力します。
  3. 解析のタイプをLinear Staticに設定します。
  4. SPCを定義します。
    1. SPCに、Unspecified > Loadcolをクリックします。
    2. Select Loadcolダイアログでspcsを選択し、OKをクリックします。
  5. LOADを定義します。
    1. LOADに、Unspecified > Loadcolをクリックします。
    2. Select Loadcolダイアログでforcesを選択し、OKをクリックします。

これで、荷重コレクターspcs内のconstraintsと荷重コレクターforces内のforcesを参照するOptiStruct荷重ステップが作成されました。



図 13. lateral forces荷重ステップの作成

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 14. 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plate_hole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、plate_hole.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、plate_hole.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。
そのディレクトリに書かれるデフォルトのファイルは：
plate_hole.html
問題の定式と解析結果のサマリーに関する解析のHTMLレポート。
plate_hole.out
ファイルの設定、最適化問題の設定、実行に必要なRAMおよびディスクスペースの推定量、各最適化反復計算の情報、解析時間等、特定の情報を含むOptiStructの出力ファイル。ワーニングおよびエラーに関しては、このファイルを確認すること。
plate_hole.h3d
HyperViewバイナリ結果ファイル。
plate_hole.res
HyperMeshバイナリ結果ファイル。
plate_hole.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。

結果の表示

変位と応力の結果は線形静解析ではデフォルトでOptiStructから出力されます。続くステップでは結果をどのようにHyperViewに表示させるかを記します。

HyperViewは有限要素解析（FEA）、マルチボディシステムシミュレーション、ビデオと工学データのための完全なポストプロセッシングと表示の環境です。

応力のコンタープロットの表示

  1. OptiStructパネルから、HyperView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現われます。
  2. ResultsツールバーでresultsContour-16をクリックし、Contour panelを開きます。
  3. Contour panelでセッティングを定義します。
    1. Result typeの下の1つ目のプルダウンメニューをElement Stresses (2D & 3D) (t)に、2つ目のプルダウンメニューをvonMisesに設定します。
    2. Averaging MethodをNoneに設定します。

    OS_1000_13_20
    図 15. Contour panel
  4. Applyをクリックします。
    フォンミーゼス応力を示すコンタープロットが表示されます。モデルのそれぞれの要素は、与えられた荷重と境界条件に対する結果の要素のフォンミーゼス応力の目盛の色で表示されます。
  5. View ControlsツールバーのXY Top Plane Viewアイコンをクリックし、モデルのビューを変更します。

    OS_1000_13_21
    図 16. 指定のサブケースのvonMises応力プロット
現在の問題についての理解を確認するために、以下の質問に回答してみます。
  • 最大 von Mises 応力の値はどのようになっていますか?
  • 最大応力の場所はどこに生じていますか?
  • モデルに与えられた境界条件に対して妥当と考えられますか?

変位のコンタープロットの表示

  1. Result typeの下の1つ目のプルダウンメニューをDisplacement (v)に、2つ目のプルダウンメニューをMagに設定します。
  2. Applyをクリックします。
結果のコンターは与えられた荷重と境界条件に対する変位場を示します。
現在の問題についての理解を確認するために、以下の質問に回答してみます。
  • 最大変位の値はどのようになっていますか?
  • 最大変位の場所はどこに生じていますか?
  • モデルに与えられた境界条件に対して妥当と考えられますか?

変形形状の表示

  1. View ControlsツールバーのIsometric Viewモデルのアイソメトリックビューを表示させます。
  2. DeformedツールバーアイコンresultsDeformed-24をクリックします。
  3. Deformedパネルで設定を定義します。
    1. Result typeをDisplacement(v)に設定します。
    2. ScaleをScale factorにセットします。
    3. TypeをUniformにセットします。
    4. Valueに500と入力します。
      これは解析結果の変位の倍率を500倍にすることを意味します。
    5. Undeformed shapeの下のShowをWireframeにセットします。
  4. Applyをクリックします。
変位のコンターを伴うモデルの変形プロットが、元の変形していない状態のメッシュに重ねて等距離図法で表示されます。

OS_1000_13_22
図 17. モデルの単位を500にした時の変形前の元のメッシュに重ねた変形の等距離図表示（モデルユニットは500に設定）