OS-E:3010 圧力容器の複数平面による対称性補強の最適化
薄肉の直方体の容器は液体の保管に使用されます。容器側面の外向きの膨らみ(内容物の圧力による)を最小にします。さらに、側面パネルの外向きの最大変形は、指定の値以下でなければなりません。
モデルファイル
必要なモデルファイルのダウンロードについては、モデルファイルへのアクセスを参照してください。
- pressure.fem
- pressure13.fem
モデル概要
モデルは図 1に示すとおりです。最適化のセットアップはすべて、HyperMeshのoptimizationパネルおよびそのサブパネル群を使って行います。

図 1. 直方体圧力容器にかかる荷重と制約条件
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DTPG | 1 | PSHELL | 1 | ||||||
+ | 7.0 | 60.0 | YES | 5.0 | NORM | NONE | |||
+ | PATRN | 30 | 50.0 | 100.0 | 75.0 | 0.0 | 1.0 | 0.0 | |
+ | PATRN2 | 0 | 0.0 | 0.0 | 1.0 | ||||
+ | BOUNDS | 0.0 | 1.0 |

図 2. 圧力容器の直交対称面
目的は、圧力荷重ケースのコンプライアンスを最小にすることで、これは、モデル全体のひずみエネルギーを最小にすることと同じです。荷重のかかった5つのサーフェスそれぞれの中心点の変位は、指定の値以下になるよう制約されています。
OptiStructによるソリューションは最適化の制約条件をすべて満たし、良好な設計を生み出します。図 3の赤色で示す領域は、モデルの剛性を高めるためにOptiStructが作成したビード補強を示しています。ソリューションは今までにないものですが、エンジニアリング上の常識で理にかなっています。容器の大きいほうの側面、上部、および下部のパネルについて、OptiStructは中央位置に大きい曲線的な補強ビードを作成しています。このようなタイプのビードは、分布荷重または中央荷重に対し、パネルの剛性を高める点で非常に有効です。これは、パネルの中央領域内の曲げは、垂直および水平の両方向に起こっているためです。曲線的なビードは両方向に剛性を作成し、どちらにも弱いことはありません。OptiStructは、モデルの8つのコーナーすべてに、容器の各辺を繋いで固定し、各辺が隣接する辺からサポートを得られるよう、球状のビードを作成しています。

図 4. 圧力容器についてのOptiStructソリューションの有限要素モデル

図 5. 圧力容器の従来の補強パターン
OptiStructモデルは、2つの従来モデルのいずれよりも、剛性の点で優れています。OptiStructモデルの最大変形は、軽く補強された従来モデル(図の左)より30%、しっかり補強された従来モデルより46%(右)少なくなりました。軽く補強されたモデルはしっかり補強されたモデルより剛性が高く、これは、補強が多いほど剛性が高まるという仮定に反しています。仮定が常には正しくないビードタイプの補強で、トポグラフィー最適化の有効性が示されています。OptiStructは1つ目の設計を提供し、必ずしも改善をもたらすものではない2つ目、3つ目、4つ目。。。という一連のモデルの再設計の必要性を排除します。
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DTPG | 1 | PSHELL | 1 | ||||||
+ | 7.5 | 60.0 | YES | 5.0 | NORM | NONE | |||
+ | PATRN | 13 | 50.0 | 100.0 | 75.0 | 0.0 | 1.0 | 0.0 | |
+ | BOUNDS | 0.0 | 1.0 |
(1) | (2) | (3) | (4) | (5) | (6) | (7) | (8) | (9) | (10) |
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DTPG | 1 | PSHELL | 1 | ||||||
+ | 7.5 | 60.0 | YES | 5.0 | NORM | NONE | |||
+ | PATRN | 13 | 50.0 | 100.0 | 75.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | |
+ | BOUNDS | 0.0 | 1.0 |
結果

図 6. 圧力容器の側面のPlanarパターングルーピングプレーン

図 7. 3平面および面対称オプションを組み合わせた圧力容器のソリューション