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構造解析とは 

　構造解析とは、対象となる製品(構造物)に拘束(固定位置)および、(作動)荷重などを与えた際の応答値を求める手法となります。

　一般的な構造解析の種類は下記のように分類され、業界や製品において必要な解析を選択して用いられます。

• 応力解析(強度解析)：線形/非線形解析、静/動解析
• 衝突解析(衝撃解析)：線形/非線形解析、静/動解析
• 振動解析：固有値解析、周波数応答解析、過渡応答解析、ランダム応答解析、応答スペクトル解析
• 機構解析：線形/非線形解析、動解析
• 熱伝導解析(定常/非定常)
• 熱応力解析：線形/非線形解析
• 流体-構造連成解析
• 樹脂-構造連成解析

 

 

 

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構造解析の製品一覧

　各社様々な構造解析ソフトウェアを販売しています。
　大別すると、設計者向けの解析ソフトウェアと解析専任者向けの解析ソフトウェアがあります。

 

【弊社取扱製品】
<設計者向けの解析ソフトウェア＞

・3DEXPERIENCE Works Simulation

　クラウドベースのプラットフォームを利用し、製品開発プロセスにおける高度なシミュレーション機能が搭載されている製品です。
　構造・流体・電磁界・流動などの解析アプリを使用することで、設計者がより効率的に製品を開発できます。

 

・SOLIDWORKS Simulation

　設計者が製品の性能を予測し、コストを削減しながら開発速度を向上させるための機能が搭載されています。

• 　SOLIDWORKS CADソフトウェアに完全に統合されており、設計しながらシームレスにシミュレーションを行うことができます。

   

  ・Autodesk Inventor Nastran 

  　Autodesk Inventorに統合された有限要素解析ソフトウェアで、設計者が製品の性能をシミュレーションするための機能が搭載されています。
  　設計者が製品の性能を多角的に評価できるようにするための多様な解析機能が用意されているので、設計の精度を向上させ、開発プロセスを効率化することが可能です。

   

  <解析専任者向けの解析ソフトウェア＞

  ・Abaqus

  　静的および動的解析、熱解析、流体解析、非線形解析、マルチフィジックス解析など、多岐にわたる機能が搭載されています。
  　異なる物理現象を同時にシミュレーションし、複雑なシステムの挙動を正確にモデル化することが可能です。
  　非線形解析や豊富な解析機能も備えており、エンジニアはより高精度な設計が可能となり、製品開発の迅速化に役立つ製品です。

   

  ・Simcenter Femap with Nastran

  　強力なメッシャー機能​​​​​、豊富なポスト処理機能を備えている製品です。
  　主要なCADフォーマットに対応、Nastranとの統合により、複雑な解析ニーズに対応することが可能です。

   

  ・Ansys Mechnical

  　構造解析や熱解析を行うための製品であり、CADとの高い互換性、強力なメッシュ機能が搭載されています。

• 　多様な解析機能とカスタマイズ可能なパッケージにより、さまざまなニーズに応じた解析が可能です。

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  構造解析の目的とメリット

   

  【解析の目的】
  　構造解析は製品に発生する変形や応力を把握することで、損傷や破壊の可能性を予測し、安全性を確認します。
  　【メリット(1)】
  　現在では、ソフトウェアを使用した構造解析は一般的になりましたが、一昔前には手計算で製品の安全評価を行っていました。
  　(現在でも、行っている企業様も多数あります。)
  　しかし、手計算では複雑で計算できない製品でもソフトウェアを使用することで計算を行うことが可能になります。また、コンター表示などで計算結果の可視化することが

  　可能になります。
  　【メリット(2)】
  　構造解析を行うことで、開発初期段階から強度検討が可能となり、事前に強度不足箇所にも役立てることができます。また、試作・試験の削減、開発工期短縮となり、コスト削減

  　や製品重量の軽減に役立てることができます。何より、設計者の「経験」や　「ノウハウ」などに依存していた事象も論理的に示せます。
  　※ソフトウェアを使用した構造解析は有能ではありますが、万能ではありません。また、実現象をすべて再現できるわけではありません。

   

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  構造解析の流れ

   　構造解析のプロセスは大別すると、「プリプロセッサ」、「ソルバ」、「ポストプロセッサ」に分類されます。

   

  

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  構造解析の手法と種類

   　構造解析には、線形/非線形解析、静/動解析、座屈解析、熱応力解析、熱伝導解析(伝熱解析)など、さまざまな種類があります。

• 　これらの解析手法を確認したい目的に応じて選択し、構造物の安全性や性能を評価します。

  　構造解析を適切に行うことで、設計の信頼性を高め、コスト削減や開発期間の短縮を行うことが可能です。

   

  

   

  線形解析(Linear Analysis)

  　線形解析は3つの仮定条件により成り立っています

  • 微小変位の理論：変位は微小であり、剛性変化は考慮しません。
  • 材料線形の仮定：応力-ひずみの関係は線形となります。
  • 境界線形の仮定：部品間の接触による状態変化は考慮しません。

  ※最近の構造解析ソフトでは線形解析時にも接触を考慮して計算は可能です。

   

  非線形解析(Non-linear Analysis)

  　大別すると「幾何学的非線形」、「材料非線形」、「境界非線形」に分類されます。

  幾何学的非線形(Geometrical Non-linear)

  　　　　　　　製品が変形に伴う剛性変化も考慮し計算することも可能となります。
  　　　　　　　一般的に製品は、引張荷重が作用すると剛性は上がり、圧縮荷重が作用すると剛性は下がります。

   

  材料非線形(Material Non-linear)

  　　　　　　　荷重を除荷しても、元の形状に戻りません（残留ひずみ、残留応力）
  　　　　　　　降伏応力(弾性域)を超える応力が発生する際に塑性域を考慮した計算が可能です。

   

  境界非線形(Boundary Non-linear)

  　　　　　　　部品間の接触による状態変化を考慮した計算ができます。
  　　　　　　　接触することにより、荷重伝達が起こります。

  静解析(Static Analysis)

  　　　時間により荷重、拘束などの境界条件が変化せず、力のつり合いが取れて落ち着いた状態を求めます。
  　　　(時間の概念のない解析)

  

   

  動解析(Dynamic Analysis)

  　　　製品にはそれぞれの固有振動数があり、それを求めることができます。
  　　　固有振動数を求めることで、共振しないことなどを確認する際に使用します。
  　　　解析結果としては、固有振動数と振動形状(モード形状)が求められます。

   

  振動解析(Vibration Analysis)

  　振動解析には「固有値解析」、「周波数応答」、「過渡応答」、「ランダム応答」、「応答スペクトル」があります。

  固有値解析(Eigenvalue Analysis)

  　　　　　　製品にはそれぞれの固有振動数があり、それを求めることができます。
  　　　　　　固有振動数を求めることで、共振しないことなどを確認する際に使用します。
  　　　　　　解析結果としては、固有振動数と振動形状(モード形状)が求められます。

   

  周波数応答解析(Frequency Response Analysis）

  　　　　　　着目する周波数帯にて、正弦波の周波数を上げながら計算し、その応答（応力、変位など）を求めます。

   

  過渡応答解析(Transient Response Analysis)

  　　　　　　地震波などの時間変化する荷重を与えたときの応答（応力、変位など）を求めます。

   

  ランダム応答解析(Random Response Analysis)

  　　　　　　正弦波などの定常的な振動ではない、不規則な振動が与えられらときの応答を求めます。

   

  応答スペクトル解析(Response Spectrum analysis)

  　　　　　　波による時刻歴荷重の中から、最大となる固有周期の応答を求めます。

   

   

  座屈解析(Buckling Analysis)

  　　　薄板物あるいは長尺ものに大きな圧縮荷重が作用すると、折れ曲がり破壊する現象が起こります。
  　　　座屈解析には線形と非線形があり、線形座屈は分岐座屈(オイラー座屈)、非線形座屈には飛び移り、屈服座屈があります。

  

   

  熱伝導解析(伝熱解析)(Heat Transfer Analysis)

  　　　熱源の発熱/冷却による製品の温度分布を求めます。
  　　　熱伝導解析は定常/非定常があり、定常は熱源の発熱/冷却により落ち着いた状態の温度分布、非定常は熱源の発熱/冷却時の温度分布を時間による変化を確認します。

   

  

   

  衝撃解析（衝突解析）

  　　　衝突や落下といった短時間に急激な荷重が加わった時の瞬間的な応答(応力伝播や変位など)を求めます。

   

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  構造解析事例

   

　・3DEXPERIENCE Works Simulation事例

　・SOLIDWORKS Simulation事例

・Abaqus事例

　・Simcenter Femap with  Nastran事例