OS-T：1580 関節炎の指のNLSTAT解析

このチュートリアルの目的は、超弾性材料および接触を含む、OptiStructの非線形陰解法解析の実行法を示すことにあります。



図 1. FEモデル
Figure 1は、本チュートリアルに用いられる構造モデルを示しています。超弾性のインプラントが両側の骨に結合されており、モデルの一端には9Nの力がかかり、もう一端ではすべての自由度が拘束されています。
超弾性材料でモデル化された関節炎の指をシミュレートします。9Nの力を付与することにより、指は約90度回転されます。2つの反復計算を実行します：
  • 1つはTie接触を含む
  • 1つはNode2Surface接触を含む
結果、すなわちひずみ、変位と応力は、HyperViewで確認されます。

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arthritis_finger.fem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。
    arthritis_finger.fem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

カーブの作成

ここで、超弾性材料についてカーブを作成します。

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、コンテキストメニューからCreate > Load Collectorを選択します。
  2. Curve editorウィンドウが表示されます。Newをクリックし、Name=にTABLES1100と入力してproceedをクリックします。
  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に、ドロップダウンメニューからTABLES1を選択します。
  5. TABLES1_NUMに23（表内の列数）を入力し、Enterを押します。
  6. データ上をクリックし、X（ひずみ）およびY（応力）の値を入力します。table_pencil
    表 1. シンプルな引張圧縮データ値
    X（ひずみ） Y（応力）
    1.1338 1.5506
    1.2675 2.4367
    1.3567 3.1013
    1.6242 4.2089
    1.8917 5.3165
    2.1592 5.981
    2.4268 6.8671
    3.051 8.8608
    3.586 10.6329
    4.0318 12.4051
    4.7898 16.1709
    5.3694 19.9367
    5.8153 23.481
    6.172 27.4684
    6.4395 31.0127
    6.707 34.557
    6.9299 38.3228
    7.0637 42.0886
    7.1975 45.6329
    7.3312 49.3987
    7.465 53.1646
    7.5541 56.9304
    7.6433 64.2405
  7. Closeをクリックします。
  8. 同様に、下記のX-Yデータ値を用いてTABLES1200という名称の等双軸引張データを作成します。
    表 2. 等双軸引張データ値
    X（ひずみ） Y（応力）
    1.02 0.9384
    1.06 1.59
    1.11 2.4087
    1.14 2.622
    1.2 3.324
    1.31 4.4278
    1.42 5.183
    1.68 6.6024
    1.94 7.7794
    2.49 9.7857
    3.03 12.6351
    3.43 14.6804
    3.75 17.4
    4.07 20.1058
    4.26 22.4502
    4.45 24.653
  9. 下記のX-Yデータ値を用いてTABLES1400という名称の純せん断荷重データを作成します。
    表 3. 純せん断荷重データ値
    X（ひずみ） Y（応力）
    1.069 0.6
    1.1034 1.6
    1.1724 2.4
    1.2828 3.36
    1.4276 4.2
    1.8483 6
    2.3862 7.8
    3.0 9.6
    3.4897 11.12
    4.0345 12.96
    4.4483 14.88
    4.7793 16.58
    5.0621 18.2
  10. 下記のX-Yデータ値を用いてTABLES1500という名称の体積データを作成します。
    表 4. 体積データ値
    X（ひずみ） Y（応力）
    0.9703 60
    0.9412 118.2
    0.9127 175.2
    0.8847 231.1

材料の作成

このステップには、インプラント材料とボーン材料の超弾性挙動を作成する必要があります。

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、コンテキストメニューからCreate > Materialを選択します。
  2. NameにMATHE_2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に、ドロップダウンメニューからMATHEを選択します。
  5. MODELにドロップダウンメニューからABOYCEを選択します。
  6. TAB1に、表 1で作成された load-curve (TABLES1100)を選択します。
  7. TAB2に、表 2で作成された load-curve (TABLES1200)を選択します。
  8. TAB4に、表 3で作成された load-curve (TABLES1400)を選択します。
  9. TABDに、表 4で作成された load-curve (TABLES1500)を選択します。
  10. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Materialを選択します。
  11. NameにBoneと入力します。
  12. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  13. Card Imageに、ドロップダウンメニューからMAT1を選択します。
  14. Eに14800と入力します。
  15. NUに0.3と入力します。

IMPLANTプロパティの作成

ここで、Implantプロパティを作成します。

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、コンテキストメニューからCreate > Propertyを選択します。
  2. NameにImplant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に、ドロップダウンメニューからPLSOLIDを選択し、確認に対してYesをクリックします。
  5. MaterialにUnspecified > Materialを選択します。
  6. Select Materialダイアログで、材料のリストからMATHE_2を選択し、OKをクリックします。

BONEプロパティの作成

ここで、Boneプロパティを作成します。

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、コンテキストメニューからCreate > Propertyを選択します。
  2. NameにBone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に、ドロップダウンメニューからPSOLIDを選択し、確認に対してYesをクリックします。
  5. Materialに、Unspecified > Materialをクリックします。
  6. Select Materialダイアログで、材料のリストからBoneを選択し、OKをクリックします。

PCONTプロパティの作成

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、コンテキストメニューからCreate > Propertyを選択します。
  2. NameにPcont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に、ドロップダウンメニューからPCONTを選択し、確認に対してYesをクリックします。
  5. STIFF_REAL_VALに、STIFF = HARDを選択します。
  6. MU1に0.3と入力します。

プロパティの割り当て

このステップでは、各コンポーネントにプロパティを割り当てます。

  1. ModelブラウザでComponent > Implantをクリックし、下に示すとおりデータを入力します：


    図 2.
  2. Component > Bone1をクリックし、下に示すとおりデータを入力します：


    図 3.
  3. Component > Bone2をクリックし、下に示すとおりデータを入力します：


    図 4.

荷重と境界条件の適用

IMPLANTセットセグメントの作成

ここで、Implant フェイスを選択し、接触サーフェスを定義します。

  1. コンポーネントImplantを右クリックし、Isolate Onlyを選択します。
  2. Modelブラウザで右クリックしてCreate > Set Segmentを選択します。
  3. NameにImplant1と入力します。
  4. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  5. Card Imageに、ドロップダウンメニューからSURFを選択し、確認に対してYesをクリックします。
  6. Elementsに0 Elements > Elementsを選択します。
  7. Selectionパネルで、ドロップダウンメニューからadd solid facesを選択します。
  8. 2番目のドロップダウンメニューでfacesを選択します。


    図 5. 要素選択パネル
  9. Shift+マウスの左ボタンを使って、Implantのフェイス群をすべて選択します。
  10. addをクリックし、次にreturnをクリックします。

BONEセットセグメントの作成

ここで、Bone1フェイスとBone2フェイスを選択し、接触サーフェスを定義します。

  1. エンティティエディターでコンポーネントBone1とBone2を一緒に選択し、右クリックしてIsolate Onlyを選択します。
  2. Modelブラウザで右クリックしてCreate > Set Segmentを選択します。
  3. NameにBone1と入力します。
  4. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  5. Card Imageに、ドロップダウンメニューからSURFを選択し、確認に対してYesをクリックします。
  6. Elementsに0 Elements > Elementsを選択します。
  7. Selectionパネルで、ドロップダウンメニューからadd solid facesを選択します。
  8. 2番目のドロップダウンメニューでfacesを選択します。


    図 6.
  9. 下に示すとおり、Bone1とBone2の内側のフェイスを選択します（選択されたフェイスは青色です）：


    図 7. Bone1


    図 8. Bone2

接触の作成

ここでは、TIE接触とN2S接触を作成します。

  1. Modelブラウザで右クリックしてCreate > Contactを選択します。
  2. NameにContact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に、ドロップダウンメニューからTIEを選択し、確認に対してYesをクリックします。
  5. SSIDにUnspecified > ContactSurfを選択し、Implant1を選択します。
  6. MSIDにUnspecified > ContactSurfを選択し、Bone1を選択します。
  7. Modelブラウザで右クリックしてCreate > Contactを選択します。
  8. NameにContactと入力します。
  9. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  10. Card Imageに、ドロップダウンメニューからCONTACTを選択し、確認に対してYesをクリックします。
  11. Property Optionをトグルし、PIDにPcontを選択します。
  12. SSIDにUnspecified > ContactSurfを選択し、Implant1を選択します。
  13. MSIDにUnspecified > ContactSurfを選択し、Bone1を選択します。

NLPARM荷重コレクターの作成

非線形陰解法パラメータが定義されます。

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  2. NameにnlParm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に、ドロップダウンメニューからNLPARMを選択します。

NLADAPT荷重コレクターの作成

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  2. NameにNLAdapt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に、ドロップダウンメニューからNLADAPTを選択します。
  5. NCUTSに25と入力します。

NLMON荷重コレクターの作成

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  2. NameにNLMon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に、ドロップダウンメニューからNLMONを選択します。
  5. ITEMにDISPを選択します。
  6. INTにITERを選択します。

NLOUT荷重コレクターの作成

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  2. NameにNLOUT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に、ドロップダウンメニューからNLOUTを選択します。
  5. NINTに10と入力します。
  6. SVNONCNVをアクティブにし、VALUEにYESを選択します。

CNTSTB荷重コレクターの作成

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  2. Nameにcntstb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に、ドロップダウンメニューからCNTSTBを選択します。
  5. S0に0.01と入力します。
  6. S1に1e-05と入力します。

BCS荷重コレクターの作成

ここでは、境界条件が定義されます。

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  2. NameにBcs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. Analysis panelに切り替え、constraints オプションを選択します。
  5. Bone1リアサイドフェイスの節点をすべて選択し、すべての自由度をアクティブにしてそれぞれに0と入力します。


    図 9.
  6. Load TypeにSPCを選択し、returnをクリックします。

集中荷重の作成

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Componentを選択します。
  2. NameにRigid_Load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. 1D Panelを選択し、rigidsオプションを選択します。
  5. createに切り替えます。
  6. 1つ目のドロップダウンメニューでmultiple nodesを選択し、calculate nodeをクリックします。
  7. 2つ目のドロップダウンメニューでfacesを選択し、Bone2コンポーネントのrear faceをクリックします。
  8. elem typesにRBE2と入力し、createをクリックします。


    図 10.
  9. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  10. NameにForceと入力します。
  11. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  12. Analysisパネルを選択し、forcesオプションをクリックします。
  13. createに切り替え、Rigid_load要素のcenter nodeを選択します。
  14. magnitudeに9と入力し、ドロップダウンからx-axisを選択します。
  15. load typesにFORCEを選択し、createをクリックします。


    図 11.


    図 12.

荷重ステップの作成

非線形静的荷重ステップが作成されます。

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Load Stepを選択します。
  2. Nameにload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. Analysis typeに、ドロップダウンメニューからNonlinear staticを選択します。
  5. SPCに、荷重コレクターのリストからBcsを選択します。
  6. LOADにForceを選択します。
  7. NLPARMにNLPARMを選択します。
  8. NLADAPTにNLAdaptを選択します。
  9. NLOUTにNLoutを選択します。
  10. CNTSTBにcntstbを選択します。

出力コントロールパラメータの定義

  1. Analysisページからcontrol cardsをクリックします。
  2. GLOBAL_OUTPUT_REQUESTをクリックします。
  3. ELFORCE、SPCF、STRAINとSTRESSを選択します。
  4. control cardsページで、GAPPRM、PARAMおよびFORMATをクリックします。
  5. returnを２回クリックし、メインメニューに進みます。

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 13. 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arthritis_finger.femと入力します。
  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、ジョブをサブミットします。
    ジョブが成功した場合、arthritis_finger.out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、arthritis_finger.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：
    arthritis_finger.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。
    arthritis_finger.out
    シミュレーション開始前のモデルチェック、非線形反復計算履歴、および実行結果のいくつかの基礎的情報を与えるASCIIベースの出力ファイル。
    arthritis_finger.h3d
    圧縮されたHyperViewバイナリ結果ファイル。
    arthritis_finger.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

  1. コマンドウィンドウにProcess completed successfullyというメッセージが現われたら、 HyperViewをクリックします。
  2. 結果を開き、100%載荷における変位とフォンミーゼス応力コンターをプロットします。
  3. ツールバー上でresultsContour-16（Contour）をクリックします。
  4. Result typeの下で、1つ目のドロップダウンメニューからElement Stresses (2D & 3D)(t)を選択します。
  5. Result typeの下で、2つ目のドロップダウンメニューからvonMisesを選択します。


    図 14. Contourパネル
  6. Contour panel内の欄が図 14内のものと一致することを確認し、Applyをクリックします。


    図 15. 荷重が作用したボーンとインプラントの変位コンター. TIE接触結果


    図 16. 荷重が作用したボーンと要素ひずみコンター. TIE接触結果


    図 17. 荷重が作用したボーンと要素応力コンター. TIE接触結果


    図 18. 荷重が作用したボーンとインプラントの変位コンター. N2S接触結果


    図 19. 荷重が作用したボーンと要素ひずみコンター. N2S接触結果


    図 20. 荷重が作用したボーンと要素応力コンター. N2S接触結果