使いこなせる材料力学：フリーソフトCalculixによる構造-伝熱連成問題の計算方法
00:00 復習：有限要素法、ソフト選び、連成解析
01:28 今回の内容と例題
02:14 Calculix/PrePoMaxによる構造-伝熱連成問題の計算手順
02:38 形状データファイルのインポート
03:32 要素分割
04:18 材料物性値の設定
05:18 Sectionの設定
05:35 計算条件の設定
07:02 計算の実行
07:31 構造-伝熱連成問題の計算結果
09:29 まとめ
【書き起こし】有限要素法(FEM)のフリーソフトCalculixで構造-伝熱連成問題を計算しよう！【使いこなせる材料力学】
(00:00) こんにちはこのチャンネルでは 材料力学に関する内容を様々紹介してい ます今回はフリーソフトカリキュリックス による構造電熱錬成解析の計算方法です まず 復習ですこの動画で有限要素法を紹介し ましたこの動画で自宅で無料で使える有限 要素法のソフトを選んでこの動画では選ん だカリキュラックスで男性変形を計算する 方法を紹介しました 有言要素法は現実にある複雑な形状のもの の変形や応力分布などを求めることが できる方法ですこのソファーを解析対象と するときはじめにどんな形状や材料でどこ を固定してどこにどんな荷重をかけるか などを決めます次に離散化します 解析対象を細かい要素に分割することで 複雑な形状を表しますそしてそれぞれの 要素の変形を組み合わせて全体の変形を 計算します有限要素法を自宅で使えるよう
(01:06) にするため7個のフリーソフトを比較し ましたこの表でソフトを比較して カリキュリックスというソフトを使用する ことにしました この動画では連星解析を紹介しました連成 解析とは 複数の物理現象が相互に影響する現象の 解析ですここまでが復習です今回は有限 要素法femのフリーソフト カリキュリティックスを用いて構造解析と 電熱解析の連携解析を実施しましょう使用 するソフトはこれまでと同じで プレポマックスとカリキュリティックス です今回 扱う例題ですこのように壁に固定された 片持ち梁が全体が0度Cの状態から上面が 0度画面が100°cになるときの変形や 温度分布を構造断熱錬成解析で求め ましょう 寸法はこの表の通りで 材料物性値はこれらの値です今回は構造と 電熱の連成解析なので構造解析用と電熱
(02:12) 解析用の物性値を用います それでは プレポマックスで解析を進めましょう作業 の流れはまず形状データをインポートして 要素分割して 材料物性値などを設定して 境界条件などの計算条件を設定して カリキュリックスで計算を実行して最後に 計算結果を表示しますそれでは始め ましょう プレポマックスを起動するとこのような 画面になります左上のファイルをクリック してメニューが出たらNewを選択します するとこのメニューが現れますメニューの 上段には3次元二次元平面を力二次元平面 歪み二次元軸対象の4つの中から選ぶ欄が あります 今回は3次元問題を扱うので3Dを選び ますその下に単位系を選ぶ箇所があるので 今回はmmTON秒どCを選んでOKを 選ぶとメニューが閉じます
(03:17) もう一度ファイルをクリックして インポートを選択して事前に作成した形状 データをインポートしますすると画面に 形状が表示されますマウスを使うと回転や 拡大縮小ができます次に要素分割するため にメッシュを選択して メッシングパラメーターズを選択すると このメニューが出ます要素分割の条件が 示されておりデフォルトで数値が入ってい ます基本的にこのままの値を使いますが 一番上の MAXエレメントサイズの5mmを小さく したいので数値を選択して2mmに変更し てOKを選びます もう一度メッシュを選択して出てきた メニューのクリエイトメッシュを選択する と要素分割されます左のタグは初めは ジオメトリが表示されていましたが要素 分割が終わると自動的にFEモデルが表示 されるようになります 次に材料物性値を設定します
(04:22) マテリアルズをダブルクリックすると 材料のタイプを選べるようになります 男性体としての設定をするため エラスティックをダブルクリックして表示 された入力欄に ヤング率 縦断性係数に20万メガパスカル ポアソンヒニ0.3を入力しますこれで 男性体としての設定は完了です次に 潜望超ケースを設定するためサーマル エキスパンションをダブルクリックして 表示された入力欄に セル膨張係数の17Eのマイナス6乗%C を入力します次に電熱解析で用いる熱伝導 率を設定するためサーマル コンダクティビティをダブルクリックして 熱伝導率の60mbパーミリメートル度C を入力します これで物性値の設定がすべて終わったので OKを選択して元のメニューに戻ります 次に部材が固体の要素でできていることを 設定します セクションズをダブルクリックして
(05:25) メニューの上のタイプがソリッド セクションになっていることを確認して 部材をマウス左クリックで選択してOKを 選びます次に 計算条件を設定しますステップ図をダブル クリックして出てきたメニューの中から 今回 扱う電熱と構造の錬成解析ができる カップルドテンプラチャー ディスプレイスメントステップを選択して OKを選びますするとステップにいろいろ な条件が表示されて 境界条件や荷重を設定できるようになり ます今回は 境界条件として構造解析のための固定条件 と電熱解析のための温度指定を設定します ビーシーズをダブルクリックして出てきた メニューのfixtを選択して 固定したい面を選択すると赤色で表示さ れるのでOKを選びますこれで構造解析の ための固定条件を設定できました bcsをもう一度ダブルクリックして出て
(06:30) きたメニューの天ぷらチャーを選択して メニューの中のマグニチュードが0度Cに なっていることを確認して 0度にしたい面を選択すると赤色で表示さ れるのでOKを選びます bcsをもう一度ダブルクリックして メニューの天ぷらチャーを選択して メニューの中のマグニチュードに 100°cを入力して100°cにしたい 面を選択してOKを選びます これで温度指定の設定も完了しました 要素分割や境界条件の設定など 計算するための準備が終わったので 計算を実行します アナリシスを選択して出てきたメニューの LANを選択します 計算結果を上書きしても良いかと聞かれる のでOKと答えると計算が始まります今回 は問題が簡単なので 計算はすぐに終わります無事に計算できた ときはこのようなメッセージが表示され ます 計算結果を見てみましょう
(07:34) リザルツを選択すると結果が表示されます 変形図と変異の分布が示されます初期形状 と変形後の形状を比較するとソリ変形が 生じていることがわかりますこれは上面が 0度Cで画面が100°cなので下側ほど 大きく熱望するためです 温度分布がきちんと計算できているか確認 しましょうメニューの温度Tを選択すると 表示が温度分布に変わります部材の内部に 温度分布が生じて上面の0°cから下面の 100°cまで滑らかに温度が変化して いることが分かりますね 応力分布も見てみましょうメニューの ストレスを選択するといろいろな応力を 選べるようになるのでミーゼスを選択する とミーゼス相当応力の分布が表示されます 今回のように上下面の温度が指定された 部材がソルトによるミーゼス相当応力は0 になるので部材の大部分は青色になります
(08:39) ただし固定された箇所では熱変形が拘束さ れて 応力が生じるので 根元部分の応力は大きくなりますこのよう に今回実施した構造電熱錬成解析では電熱 解析の結果である温度構造解析の結果で ある変形や応力が適切に求められたことが 分かりますねなおこの動画で構造と電熱 以外にも様々な現象の錬成があることを 紹介しました今回 プリコストに用いたプレポマックスは構造 電熱錬成問題にはデフォルトで対応してい ますがそれ以外の錬成問題には対応してい ないようですソルバに用いた カリキュリティックスは構造解析や電熱 解析以外にも対応している解析があるのに プレポマックスが対応していないのは残念 ですね まとめです有言要素法femで構造電熱 錬成問題を扱うとき構造解析単独とは下記 の作業が異なります構造解析と電熱解析用 の材料物性値の設定構造
(09:45) 解析と電熱解析用の境界条件や荷重の設定 構造電熱錬成問題の計算結果は構造解析と 電熱解析の計算結果を備えています 温度を選択すると温度分布 応力を選択すると応力分布が表示されます 今回 プリポストに用いたプレポマックスは構造 電熱錬成問題にデフォルトで対応してい ますその他の連星問題には未対応です 今回のご視聴ありがとうございましたこの チャンネルでは 材料力学をわかりやすく紹介したり 材料力学を生活に役立てたりしています 是非それらの動画もご覧ください チャンネル登録と高評価もお願いします それでは次回の動画でお会いしましょう
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材料力学用語辞典：連成解析
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