突出し梁の線形静解析

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このチュートリアルでは、鋼鉄の突出し梁の片側に100 kN/m2の力を加えた場合の変位、及び応力を解析します。解析は3次元モデルを用いて線形静解析で行います。

このチュートリアルの主な内容です。

  • OnScale Designerの基本的な作業フロー
  • 3次元モデルの指定方法
  • プリミティブ形状の作成方法
  • 構造解析(静解析)の実行方法
  • 結果処理(変位、応力の確認方法)

対応バージョン: OnScale 1.28.10

注: 静的解析はシステムが時間依存していないこを前提とした構造解析になります

解析の概要

鋼鉄製の梁はさまざまな構造物で使用されています。 梁が曲がらないようにするために、梁に力が加わったときのひずみと変位を解析できることが重要です。このチュートリアルでは、梁の一方を固定、反対側には100 kN/m ^ 2の力を加えた場合の、変位分布と応力分布を解析します。

本セッションでは解析の概要を示します。

model_def.png

表1: 解析モデル、及び解析結果の概要

モデル:

寸法100 mm×20 mm×10 mmの梁

メッシュサイズ:

1mm

最大イタレーション回数 1000イタレーション

出力結果:

- グラフ(X=100, Y=10, Z=9.9におけるZ方向変位のイタレーション履歴)
- コンター図(Z方向の変位)
- コンター図(応力テンソルのXX成分)

解析で使用する材料物性を示します。

表2: 材料物性値

項目 材料物性値
材料名  Mild Steel, Generic
OnScaleデータベース内の名前  steel
密度  7900 kg.m-3
バルク速度  5900 ms-1
せん断速度  3200 ms-1

注: OnScaleの材料物性データベースでは、弾性率とポアソン比の代わりにバルク速度とせん断速度を値を使って定義しています。 両者の関係性について詳細を知りたい方は、ここのページをご参照下さい。

解析のワークフロー

本セッションで紹介する解析のワークフローになります。

以下、各ステップ毎にワークフローを説明します。

Step1 - 新規プロジェクトの作成

  1. New Projectをクリックします。
  2. プロジェクトの名前を入力します。(ここでは、Simple Beam)
  3. 距離の単位系をmmに変更します。
  4. Model Typeで3D Modelを選択します。
  5. ファイルを保存しておく作業フォルダを選択します。
  6. 最後にOKをクリックしパネルを閉じます
newprjct.png

Step2 - 材料物性の選択

OnScaleに搭載されている材料物性データベースから、mild steelを選択します。

  1. Project Materialsクリックし、材料物性データベースを展開します。
  2. 左のGlobal DatabaseにあるMetalを展開します。
  3. Mild steel, genericをダブルクリックしてください。
  4. Doneをクリックしてパネルを閉じます。

mats.png

Step3 - 形状の作成

Designerにはプリミティブ形状を作成する機能があります。この機能を使用して梁形状を作成します。梁は2つの点[始点(X = 0、Y = 0、Z=0)、終点(X = 100、Y = 20、Z=10)]で定義される直方体形として作成します。

Primitivesのcuboidをクリックします。クリック後、Primitivesのツリーの下にprimitive_1が作成されますので、primitive_1をクリックします。

  1. GUIの左下にprimitive_1の設定項目が表示されます。PropertiesにあるMaterialをsteelへ変更します。
  2. End(mm)を展開し、X(mm)に100を入力します。
  3. Y(mm)に20を入力します。
  4. Z(mm)に10を入力します。
  5. ワークスペース(モデルが表示されている場所)を右クリックするとReset Viewが表示されます。Reset Viewをクリックすると、表示がリセットされて全体形状があらわれます。

prim1.png

注: primitive_1上で右クリックし、メニューのAssign Materialから材料物性を割り当てることもできます。

Step4 - 荷重の値を指定

梁に加える荷重の値を設定します。

  1. Forcing Functionsを展開します。
  2. Staticの隣の+をクリックします。
  3. PropertiesにあるAmplitudeに100,000を入力します。(staticfunc_1が作成されます)

static.png

Step5 - メッシュサイズの指定

メッシュのサイズを指定します。梁の形状は単純なので、粗いメッシュを使用することができます。

  1. Model、及びMeshを展開します。
  2. Meshツリーの下にあるConfigurationを選択します。
  3. PropertiesにあるDefinitionsでCoarseを選択します。

mceclip2.png

注: 正確な結果を得るためには、メッシュのサイズは非常に重要です。 モデルに最適なメッシュサイズを決定するには、一般的にMesh Convergence解析(メッシュサイズに対して、解析結果が変わらなくなるメッシュサイズを調べる)を実行することを推奨します。あまりにも粗いメッシュは解析精度が落ちます。逆に、あまりにも細かいメッシュは、不必要な計算時間の増加につながります。"Mesh Convergence"解析では、メッシュサイズを粗いものから細かいものに変更して行います。

Step6 - 荷重の加える位置を指定

梁の先端には、Z方向に100kNの荷重がかかっています。まず荷重を作成します。

  1. Boundary Conditionsを展開します、Boundary Conditionsの下にLoadsがあります。
  2. Loadの隣にある+をクリックします。クリックすると、Load Definitionが開きます。
  3. Creation ModeのプルダウンメニューでGeometry Interfaceを選択します。
  4. Geometryでprimitive_1(steel)を、Interfacing Itemでside 6(zmax)を選択します。
  5. Create Loadをクリックしてパネルを閉じます。

load.png

荷重を指定します。

  1. Boundary Conditionsを展開します。
  2. Loadの下にあるload_1をクリックします。
  3. PropertiesにあるLoad TypeでForceを選択します
  4. Forcing Functionでstaticfunc_1を選択します。
  5. Scaleを展開します。
  6. Zに-1を入力します。
  7. Interface Definisionを展開します。
  8. さらにMinimumを展開します。
  9. X minimumに90を入力します。
  10. Maximumを展開します。
  11. X Maximumに100を入力します。
  12. Y Maximumに20を入力します。
  13. Z Maximumに10を入力します。

editload.png

Step7 - 境界条件の設定

梁の片側が固定するように境界条件を設定します。

  1. Boundary Conditionsの下にあるDomain Boundariesを展開します。
  2. PropertiesにあるX minimumを展開します。
  3. Boundary TypeをFixedへ変更します。
  4. X Maximumを展開します。
  5. Boundary TypeをFreeへ変更します。
  6. Y minimumを展開します。
  7. Boundary TypeをFreeへ変更します。
  8. Y Maximumを展開します。
  9. Boundary TypeをFreeへ変更します。
  10. Z minimumを展開します。
  11. Boundary TypeをFreeへ変更します。
  12. Z Maximumを展開します。
  13. Boundary TypeをFreeへ変更します。

boun.png

Step8 - 静解析の設定

本解析は静解析として行います。

  1. Analysisをクリックします。
  2. Propertiesを展開し、Analysis TypeでStaticを選択します。

analysis.png

注: OnScaleの静的解析ソルバーは、有限要素問題を解くために共役勾配法を使用します。 この方法は、反復計算により収束解を得ます。 正確な収束解を得るには、最大イタレーション数が十分大きい値であることを確認する必要があります。

Step9 - 計算結果出力の設定

3つの出力を設定します。

  1. グラフ(X=100, Y=10, Z=9.9におけるZ方向変位のイタレーション履歴)
  2. コンター図(Z方向の変位)
  3. コンター図(応力テンソルのXX成分)

注: OnScaleでは、シミュレーションを開始する前に出力方法を詳細に指定しておく必要があります。

X=100, Y=10, Z=9.9におけるZ方向変位のイタレーション履歴グラフ

  1. Outputsの横にある+をクリックします。
  2. Propertiesを展開し、Output TypeをTime Historyに変更します。
  3. Array TypeでDisplacementを選択します。 
  4. Array ComponentでZを選択します。
  5. Locationを展開します。
  6. Xで100を入力します。
  7. Yで10を入力します。
  8. Zで9.9を入力します。

out1.png

Z方向変位のコンター図

  1. Outputsの横にある+をクリックします。
  2. Propertiesを展開し、Output TypeをData Snapshotへ変更します。
  3. Array TypeをDisplacementへ変更します。
  4. Array ComponentをZへ変更します。

out2.png

応力テンソルXX成分のコンター図

  1. Outputsの横にある+をクリックします。
  2. Propertiesを展開し、Output TypeをData Snapshotへ変更します。
  3. Array TypeをStressへ変更します。
  4. Array ComponentをXXへ変更します。

out3.png

Step10 - クラウド上で解析実行 

 モデルの設定が完了しましたので、クライド上で解析を実行します。

  1. Run on Cloudをクリックします。
  2. Estimateをクリックして計算で消費するコア時間(概算)を算出します。
  3. Runをクリックします。

roc.png

Estimateをクリックすると1ステップだけ解析を実行し、計算時間を推定します。推定は、OnScale内で複雑なアルゴリズムと多くのシミュレーション経験に基づき行われます。ユーザーは解析に使用するコア数の選定をすることができます。なお、コアが多いほど解析にかかる時間は短縮されます。

解析結果ファイルをローカルマシンへダウンロードする方法

計算終了後、解析結果ファイルをローカルマシンへダウンロードする必要があります。ダウンロードは結果処理を行うために必要です。

  1. Storageをクリックし、Jobのプルダウンメニューからジョブ名を選択します。
  2. 解析結果ファイルだけをダウンロードします。Simulation_1を展開します。
  3. Ctrlキーを押しながら.flxhstファイルと.flxdatoファイルを選択し、右クリックをします。その後、Download Selectionを選択します。

download.png

Step11 - 結果処理

結果処理はPost-processorで行います。

DesignerからPost-processorへGUIをスイッチ

アイコンをクリックして、Post-processorのGUIへスイッチします。 

ppswitch.png

解析結果のロード

  1. File Explorerタブをクリックします。
  2. 解析結果ファイルをダウンロードしたフォルダを指定します。
  3. .flxhstをダブルクリックします。
  4. .flxdatoをダブルクリックします

fileex.png

X=100, Y=10, Z=9.9におけるZ方向変位のイタレーション履歴(グラフ)

  1. Flex History → Simple_Beam、zdspをダブルクリックします。。
  2. グラフのタイトルを変更します。Plot TitleにZ Displacement at Tip of Beamを入力します。
  3. X軸のラベルを変更します。X-Axis LabelにIterationsを入力します。
  4. Y軸のラベルを変更します。Y-Axis LabelにDisplacement (m)を入力します。

timehist.png

Z方向の変位(コンター図)

  1. Data Out→snapshot→Time668へ行き、Dsplを展開します。
  2. zをクリックします。
  3. リボンタブのModel Graphicsを選択し、Deformed Grid Plotをクリックします。

zdsp.png

応力テンソルのXX成分(コンター図)

  1. Data Out→snapshot→Time668へ行き、sgxxをクリックします。
  2. リボンツリーのModel Graphicsを選択し、Deformed Grid Plotをクリックします。
  3. 図を適切に回転させます。

stress.png

まとめ

このチュートリアルでは、鋼鉄の突出し梁の片側に100 kN/m2の力を加えた場合の変位、及び応力を解析しました。チュートリアルの内容やモデルファイル等が必要でしたら弊社サポートまでお問合せ下さい。

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