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鋼板にかかる機械圧力の解析

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Souichi Murata
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このチュートリアルでは、ステンレス鋼板へかかる圧力負荷の影響を検討します。 9.81 kPaの圧力荷重をかけ、プレート内の変位と応力を解析します。解析は鋼板の3次元モデルを用いた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

 

解析の概要

有限要素法は、鋼板にかかる荷重による変位を構造解析するときに使われます。この種の構造解析は、鋼鉄製の船体の設計に適用できます、例えば水圧が船体に及ぼす影響などです。

このチュートリアルでは、ステンレス鋼板に9.81kPaの圧力荷重をかけた時のプレート内の変位と応力を解析します。9.81kPaは海深100mの水圧になります。この解析により、水深100mを潜る潜水艦船体への影響を検討することができます。 

表1: 解析モデル、及び解析結果の概要

モデル：

寸法500 mm×500 mm×4 mmのステンレス鋼板

メッシュサイズ：

4mm
最大イタレーション回数 7000イタレーション

出力結果：

 - グラフ（X=250, Y=250, Z=4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XZ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 　Stainless Steel, Generic
OnScaleデータベース内の名前 　stst
密度 　7890 kg.m-3
バルク速度 　5790 ms-1
せん断速度 　3100 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

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、plate_pressure）
  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
1.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、stainless 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. Stainless 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。

2.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鋼板形状を作成します。ステンレス鋼板は2つの点［始点（X = 0、Y = 0、Z=0）、終点（X = 500、Y = 500、Z＝4）]で定義される直方体形として作成します。

  1. 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。
  2. PropertiesにあるMaterialをststへ変更します。
  3. End(mm)を展開し、X(mm)に500を入力します。
  4. Y(mm)に50を入力します。
  5. Z(mm)に4を入力します。

3.png

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。

 

Step4 - 荷重を作成

ステンレス鋼板に加える荷重を作成します。

  1. Forcing Functionsを展開します。
  2. Staticの隣の＋をクリックします。

20.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。

  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Definedを選択します。
  4. Element Size (mm)で4.0を入力します。

mceclip0.png

 

Step6 - 荷重のを指定

まず荷重を作成します。

  1. Modelを展開します。
  2. Boundary Conditionsを展開します、Boundary Conditionsの下にLoadsがあります。
  3. 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。
  4. Creation ModeのプルダウンメニューでGeometry Interfaceを選択します。
  5. Geometryでprimitive_1(stst)を、Interfacing Itemでside 6(zmax)を選択します。
  6. Create Loadをクリックしてパネルを閉じます。
  7. PropertiesにあるLoad TypeでPressureを選択します
  8. Forcing Functionでstaticfunc_1を選択します。

4.png

 

Step7 - 境界条件の設定

ステンレス鋼板の端を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Fixedへ変更します。
  6. Y minimumを展開します。
  7. Boundary TypeをFixedへ変更します。
  8. Y Maximumを展開します。
  9. Boundary TypeをFixed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。

5.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。
  3. Max Iteractionsに7000を入力します。

 

plate4.png

 

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=250, Y=250, Z=4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XZ成分）

 

X=250, Y=250, Z=4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。X, Y, Zでそれぞれ、250, 250, 4を入力します。

7.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。

8.png

応力テンソルXZ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XZへ変更します。

plate2.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. Jobの名前を別途、入力することも可能です
  3. 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。
  4. プルダウンメニューで32CPUsへ変更します。
  5. Runをクリックします。

10.png

 

 

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をクリックします。
  2. Jobのプルダウンメニューからジョブ名を選択します。
  3. Downloadをクリックします。
  4. メニューが開きます。Download Allを選択します。

11.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。 

12.png

解析結果のロード

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

13.png 

X=250, Y=250, Z=4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。。

14.png

 一旦、表示をクリアにします。

  1. リボンツリーHomeを選択、Reset Viewportをクリックします。
  2. Reset Current Viewportをクリックします。

15.png

 

Z方向の変位、応力テンソルのXZ成分（コンター図）

  1. リボンツリーHomeを選択、Configure viewportをクリックします。
  2. 2_2を選択します。
  3. Data out → snapshot → Time-6154、sgxzをクリックします。
  4. コンター図が表示されていない画面をクリックします。
  5. Dispの下にあるzをクリックします。

plate3.png

 

まとめ

このチュートリアルでは、鋼板の3次元モデルを用いた線形静解析により、ステンレス鋼板へかかる圧力負荷の影響を検討しました。 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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