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構造設計特論


<概要>
CAE(Computer Aided Engineering)と呼ばれる技術が実用化されて,約25年が経つ.当初CAEの主流はCADであり,主には設計図面をディジタルデータ化する事が主であった。しかしその後,幾つかの技術が取り込まれ,現在CAEは多くの技術場面で広く普及している。その中でもFEM(有限要素法)は高度な設計技術と多彩な生産技術を融合する構造解析ツールであり,機械工学を応用する研究開発の分野で欠く事のできない基礎技術である。コンピュータの能力が日々向上する現在,このFEMはブラックボックス化され,ある程度の工学知識を有する技術者ならば誰もが簡単に利用できる環境にある。しかしFEMの操作自体が簡単化されればされるほど,安易に利用する事による致命的な落とし穴は数多く存在し,これを利用する技術者には基礎理論の理解とその応用能力の所持が求められる。例えば,簡単な材料力学の公式を利用するだけでは,大きく変形する塑性材料やゴムなどの超弾性材料の変形量が求められない事からも,この事は理解できる。

本講義の目的は,高度な構造設計を行う際に利用されるFEMの理論を理解しながら,即応的な構造設計技術を修得する事とする。講義では,FEMが利用する仮定やその限界を理解し,構造設計の場で自らの力学知識を駆使しながら最も合理的な構造解析を実行できる能力を持つ事を目標とする。

なお本講義では,机上講義と併せて3次元CADシステムを利用した汎用の構造解析アプリケーションソフト(本学所有)を使用した演習を行う。3次元CAD(ソリッドモデラ)ならびに構造解析に関する知識を有して登録することが望ましい。

<授業計画>
1 構造設計または構造解析のための,CAEの位置付けとFEMの利点,その応用分野,解析種別などの知識を得たうえで,
 
有限要素分割による連続弾性体のモデル化の意味を理解する。
2 有限要素法解析を行う工程(作業)の流れ(有限要素法ツールの構成)と,CAE統合ツールの構造を理解する。
3 FEMの中に占める全体連立方程式の組み立ての概念と,それに必要な力学的境界条件の意味を理解する。
4 形状関数の違いを考え,物体のモデル化(プリプロセス)の概念とその種別を理解する。
5 2次元有限要素分割の種別(高次要素と低次元要素,軸対称要素とバネ要素など)と,その違いの意味を理解する。
6 非線形(多ステップ)解析の構成と,その計算精度の設定方法の種別とその意味を理解する。
7 構造設計または構造解析に用いる3次元CAD(ソリッドモデラ)によるモデリング手法を理解する。
8 非線形(多ステップ)解析に用いる大変形ひずみと,収束判別法,ラグランジェ手法の意味を理解する。
9 最も簡単な手法による弾性線形3次元有限要素解析の手法を修得する。解析結果の力学的な意味を理解し,
 
合理的な結果の提示を示す技術を修得する。
10 プリプロセスにおけるFEMモデルの調整方法と,その違いが及ぼす解析結果の違いの意味を理解する。
11 FEM結果の特定部の抽出方法や判読方法,Export手法,互換ファイルの利用方法などを理解する。
12 弾性線形シェル要素をモデリングする2次元有限要素解析の手法を修得する。
13 形状非線形解析および弾塑性解析の手法,およびそれらの意味を理解する。
14 破壊基準を考慮した,実際の設計手法への応用技術を理解する(最終課題の提示)。

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