OS-T：1360 接触するガスケット材料のNLSTAT解析

このチュートリアルの目的は、ガスケット材料および接触を含む、OptiStructの非線形陰的微小変位解析の実行を示すことにあります。

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。1mm厚の円筒形のガスケットが2つの同軸の鋼製の円筒チューブ間に挟まれています。外側の円筒には圧力300 Mpaが図に示されたように外側に作用しています。対称境界条件を用いて、1/4の形状のみがモデル化されています。ガスケットは、内側と外側の円筒に、接触で結合されています。

rd2090_gasket_model
図 1. モデルと荷重の詳細

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gasket_model.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。
    gasket_model.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

ガスケット材料の曲線の作成

最初に、ガスケット材料の載荷-除荷曲線を定義します。
  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load-curve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TABLES1を選択します。
  5. TABLES1_NUMに6（表内の列数）を入力し、Enterを押します。
  6. Data欄の横にあるTableアイコンtable_pencilをクリックし、ポップアップウィンドウで次の値（X (closure)およびY (pressure)欄）を入力します。
    X
    Y
    0.0
    0.0
    0.005
    200.0
    0.05
    450.0
    0.135
    700.0
    0.22
    820.0
    0.287
    830.0
  7. Closeをクリックします。
    pressure-closure定義の詳細については、Altair Simulation 2021オンラインヘルプをご参照ください。

    今度は、除荷の曲線を生成します。

  8. unload-curve1という名の除荷曲線を以下のX-Yデータで生成します：
    X
    Y
    0.08
    0.0
    0.12
    140.0
    0.135
    700.0
  9. 次に、unload-curve2という名の２番目の除荷曲線を以下のX-Yデータで生成します：
    X
    Y
    0.17
    0.0
    0.2
    250.0
    0.22
    820.0
  10. 最後に、unload-curve3という名の３番目の除荷曲線を、以下のX-Yデータで生成します：
    X
    Y
    0.23
    0.0
    0.265
    360.0
    0.287
    830.0

弾塑性ガスケット材料の作成

まず、ガスケットの膜挙動を定義する必要があります。
  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Materialを選択します。
  2. Nameにgask_membrane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MAT1を選択します。
  5. Eに2.0E+04と入力し、NUに0.2と入力します。

次に、ガスケット材料の非線形特性を定義します。

  1. gask_nonlinという名の別の材料を作成します。
  2. Card Imageには、MGASKを選択します。
  3. これは弾塑性のガスケット材料なので、ガスケット挙動のためのBEHAV欄は0のままにしておきます。
  4. 初期の降伏圧力については、YPRS欄をブランクのままにし、ソルバーが自動的に決定するようにします。
  5. 引っ張り定数EPLに、0.001と入力します。
  6. GPLに2000と入力し、せん断定数を指定します。
  7. MGASK_TABLU_NUMに3と入力し、除荷曲線の欄の#で指定します。
  8. TABLDにload-curveを選択します。
  9. Data欄の横のtable_pencilをクリックし、以下のように選択します：
    TABLU(1)
    unload-curve1
    TABLU(2)
    unload-curve2
    TABLU(3)
    unload-curve3

ガスケットプロパティの生成

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Propertyを選択します。
  2. Nameにgasket_prop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PGASK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gask_nonlinを選択し、OKをクリックして選択を完了します。
  7. MID1に、gask_membrane材料を選択します。
  8. STABMT欄に1を選択し、安定剛性を定義します。

    OS_1360_01
    図 2.
  9. 次に、ガスケットコンポーネントにこのプロパティを割り当てます。ModelブラウザでコンポーネントGASKETをクリックします。
  10. Propertyにgasket_propを選択します。

8節点ガスケット要素の割り当て

  1. メインメニューで、3Dページをクリックします。
  2. elem typesパネルをクリックし、2D & 3Dをクリックします。
  3. elemsをクリックし、collector typeで選択し、GASKETのコンポーネントを選択します。
  4. hex8 =をトグルさせてCGASK8要素タイプを選択します。
  5. update > returnをクリックします。

ガスケット要素の法線の確認と調整

  1. メインメニューで2Dページをクリックします。
  2. compositesパネルをクリックします。
  3. compsをクリックし、GASKETコンポーネントを選択してdisplay normalsをクリックします。
    ガスケット要素の法線は厚さ方向ではなく、下に示したようにZ-方向になっています。

    rd2090_gasket1
    図 3.

    そこで、法線を板厚方向に調整する必要があります。

  4. GASKETコンポーネントのみを表示させます。
  5. 底面上でby nodesをクリックし、GASKETコンポーネントを選択します。
  6. 表面の節点を選択するため、nodesをクリックし、ガスケット要素の板厚方向の面上の任意の3節点をクリックし、adjust normalsをクリックします。
    下に示すように、法線はガスケットの板厚方向に調整されます。

    rd2090_gasket2
    図 4.
  7. returnをクリックし、メインメニューに戻ります。

円筒とガスケットの間の接触の定義

ここで、上の円筒の底面の接触面を定義します。
  1. GASKETコンポーネントを非表示にし、SOLID1コンポーネントのみを表示させます。
  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SOLID1_bottom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を選択します。
  6. Elementsをクリックし、黄色いElementsパネルを選択します。
  7. モデリングウィンドウの下で、選択メニューからadd solid facesを選択します。
  8. elems >> displayedをクリックします。
  9. face nodesをクリックし、底面（すなわち、下に示すようにガスケットと接触する面）の３節点を選択してaddをクリックします。

    rd2090_solid1
    図 5.
  10. returnをクリックします。
  11. 次に、SOLID1コンポーネントを非表示にし、SOLID2コンポーネントのみを表示させます。
  12. SOLID2コンポーネントがガスケットと接触する上面の接触面SOLID2_topを生成します。
  13. 同様に手順を繰り返し、ガスケットコンポーネントの上の面GASKET_topと下の面GASKET_bottomを生成します。

今度は、上の円筒とガスケットの間のインターフェースを生成します。

  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SOLID1_GASKET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CONTACTを選択します。
  5. MSID（メイン面）に、SOLID1_bottomサーフェスを選択します。
  6. SSID（セカンダリ面）に、GASKET_topサーフェスを選択します。
  7. TYPEにドロップダウンメニューからSTICKを選択します。

    OS_1360_02
    図 6.

    次に、下の円筒とガスケットの間のインターフェースを生成します。

  8. Modelブラウザで右クリックしてCreate > Contactを選択します。
  9. NameにSOLID2_GASKETと入力します。
  10. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  11. Card Imageに、ドロップダウンメニューからCONTACTを選択します。
  12. MSID（メイン面）に、SOLID2_topサーフェスを選択します。
  13. SSID（セカンダリ面）に、GASKET_bottomサーフェスを選択します。
  14. TYPEにドロップダウンメニューからSTICKを選択します。
  15. reviewをクリックし、インターフェースを確認します。

    OS_1360_03
    図 7.

非線形陰解法のパラメータの定義

  1. Modelブラウザで右クリックして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。
  5. NINCに1と入力します。
    残りのパラメータについては、デフォルト値のままとしておきます。非線形陰解法パラメーターについての詳細については、 オンラインヘルプをご参照ください。

NLSTAT荷重ステップの作成

  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NLSTAT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をクリックし、ドロップダウンメニューからnonlinear quasi-staticを選択します。
  5. SPCに、荷重コレクターのリストからSPCを選択します。
  6. LOADに、荷重コレクターのリストからLOADを選択します。
  7. NLPARMに、荷重コレクターのリストからNLPARMを選択します。

    OS_1360_04
    図 8.

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. CONTF、DISPLACEMENT、STRAIN、STRESSの下で、OptionをYesに設定します。
  4. 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 9. 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gasket_complete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、gasket_complete.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、gasket_complete.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

HyperViewで、解析終了時の変位と接触圧力コンターをプロットします。

rd2090_displacement
図 10. 荷重が作用した円筒とガスケットの変位コンター

rd2090_gasket_thick
図 11. ガスケットの板厚方向圧力のコンター

rd2090_contact_pressure
図 12. 接触圧力のコンター