有限要素法のフリーのソフトウエア を試す

CAEで使われるフリーの有限要素法(FEM)ソフトウエアであるCalculixやOpenfoamを使ってみようとチャレンジしてたその足跡を残す。。。ついでに他のフリーソフトや商用ソフトの無償版にも手を出してみる。

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Salome-CalculiXメッシュ変換プロラムの中身


プログラムの中身を書いてみます。

といっても、HEXA要素変換用のコードをすでに書いたので、変更あるところだけ書き直せばよいのです。

主な変更点は、

else if(ELEM_TYPE.EQ.118) then

でELEM_TYPEが118の場合の処理を追加しています。

118と言うのはTETRA要素の番号です。

後は10節点用にプログラムを書き換えればよいです。

もうひとつ、

else if(ELEM_TYPE.EQ.42) then
read(20,*) dummy

も追加しているのですが、これはTETRAメッシュの面データ、つまり三角面の要素は読み飛ばしているということです。

主に変更した箇所を示します。
salome-calculix-tran08
クリックすると大きくなります。


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  1. 2009/06/01(月) 20:11:10|
  2. Salome
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TETRA要素のモデルを変換してみる


それでは、実際に変換してみます。

以下のようにはりモデルを作成してメッシュを作成しました。

salome-calculix-tran10
クリックすると大きくなります

tetra01.unvと言う名前でユニバーサルファイルを作成し、同じ場所で変換プログラムを実行するとtetra01.mshというCalculiXのメッシュファイルが作成されます。

それをcgxに読み込ませます。

salome-calculix-tran11
クリックすると大きくなります

うまく読み込めたようです。。。

境界条件を与えて計算すると、うまく計算されたので、変換はうまく行ったようです。

salome-calculix-tran12
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  1. 2009/06/02(火) 20:27:53|
  2. Salome
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Salomeで作ったボルトのモデルをCalculiXで解析してみることを考えてみる

Salomeがなんとなく使えるようになって、またCalculiXへのデータ変換も何とかできるようになりました。

今まで、例題が片もちはりばかりだったので、もう少し実際的なモデルをやってみようと思います。

まずは、以前Salomeの例題で作ったボルト(のようなもの)を実際に計算してみようと思います。

salome-bolt0
クリックするとおおきくなります。

多分ボルトやネジは基本的には規格で大きさが決まっているはずなので、こんな頭でっかちなものはないと思うのですが、まあシミュレーションの練習用ということで許してください。。。

ボルトのシミュレーションをネットで検索すると、締め付けシミュレーションやねじ山の応力シミュレーションなど高度なシミュレーション(高度だと思っているのは私だけ...?)が出てきますが、ここでは簡単に引き抜き時の応力解析にしたいと思います。

このモデルでも、きちんと行おうとすると、板との接触やねじ山の影響など気になることが大盛りであるのですが、ここでは単純に

頭部に上方向に荷重がかかる
ねじ山のある部分は固定

ということでモデル化してみたいと思います。

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  1. 2009/06/03(水) 21:29:10|
  2. Calculix線形静解析
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ボルト形状作成の復習

今回は実際にモデルを作ってみます。

実は今回のモデルは軸対称なので、軸対称要素を使えば2次元要素で解析してしまうことが可能なのですが、今回はあえて3次元フルモデルで行ってみます。

まずは、ボルト形状作成の復習から。

(実は以前作ったモデル消してしまいまして。。。)

Salomeを立ち上げ、Geometryモードにします。

まず、軸部分を作成します。

New Entity-Premitives-Cyclinde

から、以下のように(ラジオボタンを右側に変更)指定して軸部分を作成します。

bolt-cal01
クリックすると大きくなります。

次に、

New Entity-Basic-Point

から点を2つ作成します。

(0,0,40)と(0,0,60)につくっておきます。

bolt-cal02
クリックすると大きくなります。

つぎにこの2点を結ぶベクトルを作成します。
bolt-cal03
クリックすると大きくなります。

作成した点(0,0,40)とベクトルを使って頭部分を作成します。
bolt-cal04
クリックすると大きくなります。

ここで既にボルトの形が出来上がっていると思います。

bolt-cal05
クリックすると大きくなります。

このままでは、頭と軸は独立した状態なので、一つのソリッドにまとめます。

Operation-Baloon-Fuse

で2つのソリッドを指定します。

bolt-cal06
クリックすると大きくなります。

ここで作られたFuse01は2つの円柱を結合したソリッドになります。

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  1. 2009/06/08(月) 22:36:37|
  2. Calculix線形静解析
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ボルトモデルメッシュ作成


今回も復習になってしまいますが、ボルトにメッシュを作成します。

前回のように形状を作った後、メッシュ作成モードに移ります。

Mesh-Create Meshとすると以下のようなメニューが出てきます。

bolt-cal07
クリックすると大きくなります。

GeometryにFuse_1を選択して、下のAssgin a set of hypothesesを押すと、Automatic Tetra... とAutomatic Hexa...の2つのボタンが出てくるので、Automatic Tetra...を選択します。

するとメッシュサイズを決定する画面が出てきます。

bolt-cal08
クリックすると大きくなります

スライドバーを真ん中くらいにしてメッシュを切ってみます。

OKボタンを2回押して、Mesh-Computeを選択すると、メッシュが切れます。

bolt-cal09
クリックすると大きくなります。

少し細かすぎる様です。。。

Object Browserで、Mesh1をクリックしてハイライトさせたまま、Edit-Deleteを選択するとメッシュを削除できます。

Mesh-Create Meshから再び同じ操作をして、メッシュサイズ指定のウインドウまで行き、今度はスライドバーを1/3(Fineness0.3)くらいにします。

bolt-cal10
クリックすると大きくなります。

最初はこれくらいのメッシュサイズが適正でしょう。。。

つづいて2次要素に変更します。

Modification - Convert to/from quadratic

を選択し、出てきたウインドウでOKボタンを押せば、中間節点を生成して2次要素になります。

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  1. 2009/06/09(火) 22:01:28|
  2. Calculix線形静解析
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Salomeで作成したボルトのメッシュデータをCalculiX用に変換


次は、Salomeで作成したメッシュデータを書き出します。

書き出しフォーマットは変換プログラムを作成したunvファイルにします。

File-Export-UNV

で好きな名前でsaveすればよいのですが、ここではbolt.unvとします。

次に変換プログラムですが、Tetra要素も変換出来るように改造したconv-tetra.fを使います。

ファイル名はプログラムの中で記述してしまっているので、書き換えてコンパイルし直します。(メッシュデータファイルの名前をプログラムのファイル名に合わせてもよいのですが。。)

gfortran conv-tetra.f -o conv-tetra

conv-tetraを実行すれば、CalculiX用のメッシュファイルが得られます。

./conv-tetra

cgxを立ち上げて確認してみます。

cgx -c bolt.unv

bolt-cal11
クリックすると大きくなります

うまく行ったようです。。。

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  1. 2009/06/10(水) 23:55:54|
  2. Calculix線形静解析
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ボルトモデルに荷重条件をつける


次にcgxで荷重条件、境界条件をつけます。。。

まず荷重条件です。

引き抜き時にどう負荷がかかるかを厳密に考えると難しいです。

ので、ここでは簡単にボルト頭部表面に逆向きに圧力をかけたいと思います。

cgxでloadというセットを作成し、荷重条件をかけます。

plot f all

qadd load
(rキーでカーソルを適当な大きさにします)
(aキーを押します)
(カーソルで頭部の面を囲います。)
(fキーを押します)

bolt-cal13
クリックすると大きくなります

(qキーで選択画面から抜けます)

plot f load

bolt-cal14
クリックすると大きくなります

このままでは側面も一部選択されてしまうので、qremで側面部分を除きます。


qadd load
(rキーでカーソルを適当な大きさにします)
(aキーを押します)
(カーソルで側面を囲います。)
(fキーを押します)
(qキーで選択画面から抜けます)

これで頭部のみの面がloadに設定されました。

bolt-cal15
クリックすると大きくなります

これをあとで、cgxの荷重条件として書き出します。


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  1. 2009/06/11(木) 22:57:32|
  2. Calculix線形静解析
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ボルトモデルに拘束条件をつける


今回は拘束条件をつけてみます。

拘束条件は軸部の側面すべてを完全拘束にするとします。

まず

plot n all

で節点表示にして、

qadd fix

(rキー軸部すべてを選択できるくらいのカーソルの大きさにする)

(aキーをおす)

(軸部を囲う)

(nキーを押して選択する)

(qキーをおす)

bolt-cal16
クリックすると大きくなります。

このままでは軸内部の節点も選択されていますので、次にそれらを取り除きます。

軸の下方向から見た図にします。

bolt-cal17
クリックすると大きくなります。

ここで少し問題発生。

cgxは四角選択しか出来ないので、一回でうまく中の節点をくりぬいて消去することが出来ません。。。

しょうがないので、カーソルの大きさを変えて少しずつ消していきます。

bolt-cal18
クリックすると大きくなります。

コマンドは

qrem fix

rキーでカーソルを適当な大きさにする

aキーをおす

fixセットから消去する節点を選択してnキーをおし、節点を取り除く

繰り替えして消去して、周囲の節点以外はすべて消す。

以下の図のような感じでよいでしょうか。。。

bolt-cal19
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  1. 2009/06/14(日) 23:14:50|
  2. Calculix線形静解析
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ボルト引き抜きモデルのccxデータを作成する


cgx上で荷重、拘束条件のセットが作成できたので、全体のメッシュデータとともにccx形式のファイルに書き出します。

send all abq
send fix abq nam
send load abq pres -0.1

引き抜き荷重は単位面積当たり0.1としました。

つづいて、cgx入力データの作成です。

今まで作ってきたものとほぼ同じです。。。

*INCLUDE, input=all.msh
*INCLUDE, input=fix.nam
*BOUNDARY
Nfix, 1,3
*MATERIAL,NAME=EL
*ELASTIC
210000.0, .3
*SOLID SECTION,ELSET=Eall,MATERIAL=EL
*STEP
*STATIC
*DLOAD
*include,input=load.dlo
*NODE PRINT,NSET=Nall
U
*EL FILE,ELSET=Eall
S
*NODE FILE
U
*END STEP


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  1. 2009/06/15(月) 21:21:58|
  2. Calculix線形静解析
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Boltのシミュレーション結果を見てみる その1


それでは、完成した入力ファイルをccxで計算してみます。

ccx bolt

計算はすぐ終わります。

bolt.frdという結果ファイルが出来ているはずなので、それをcgxで見てみます。

cgx -v bolt.frd

まずはz方向変位を見てみます。

モデルウインドウの外(左側)で左クリックーDatasets-Entity-D3

頭部が同心円上に変位が大きくなっていくのが分かります。

軸部により中央が押えられているので当たり前です。。。

bolt-cal20
クリックすると大きくなります。

次にz方向垂直応力を見てみます。

物性値の単位を気にせずモデルを作ってしまったので、値はあまり気にせず、分布のみ見てください。。。

bolt-cal21
クリックすると大きくなります。

軸部の根元に大きな応力が出ています。

実際のものはともかく、この境界条件から考えると妥当な結果でしょう。

つづいてMises応力を見てみます。

bolt-cal22
クリックすると大きくなります。

今回のモデル形状と境界条件からは、変位だけではなく応力も同心円上にでなければなりませんが、メッシュが粗かった様で、少し分布が出てしまっています。。。

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  1. 2009/06/16(火) 22:25:35|
  2. Calculix線形静解析
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SALOME+CalculiXも飽きてきたので、他のフリー有限要素法ソフトを探してみる


SalomeとCalculiXでシミュレーションをやってきましたが、やはり個人的にはLinuxは使いづらいです。。。

また、これらのソフトの機能の概要は分かって来たので(
そうでもないかな??)、気分を変えて別のソフトを見てみたいと思います。

日本製のもAdventureはじめとして色々ありますが、それは検索すれば簡単に出てきておもしろくないので、海外製の本格的なやつを探してみます。

早速検索したところ、本家のWikipedia(英語)にリストになって出ていました。。。

http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_finite_element_software_packages

フリーソフトと商用ソフトまとめてでていますので、何かと参考になるか十もいます。

フリー版のリストを見てみますと、

おお、CalculiXが一番上に出ている!と思ったらアルファベット順か。。。

Felt、Elmer、Code AsterやTOCHNOGなどは聞いたことがあるソフトです。

動解析屋の私としては、陽解法衝撃解析ソフトである

Impact http://impact.sourceforge.net/

が気になりますので、これを少し見てみたいと思います。

ブログのタイトルから外れていくような気がするけど、まいいか。


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  1. 2009/06/18(木) 00:12:52|
  2. 未分類
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陽解法有限要素法フリーソフトIMPACT

陽解法有限要素法ソフトIMPACTをなにわともあれ使ってみたいと思います。

WEBサイトは、http://impact.sourceforge.net/です。

CalculiXの陽解法機能に期待していたのですが、面接触ができないので、正直陽解法動解析ソフトとしてはあんまり魅力がありません。

その点、IMPACTはトップページの解析の絵を見る限り、期待できそうな感じです。

また、JAVAでプログラムされているので、基本的にはOSに関係なく動くはずです。

(ただしJAVAの環境は必要みたいです)


しかしホームページをみて心配な点は、

バージョンが0.75と1までたどり着いていないので、実質ベータ版ということ

どういう人が作っているのか不明

このごろプロジェクトリーダーを募集し始めた。。。(雲行きが怪しいような。。。)

まあ、実用的には使えないかもしれませんが、衝撃衝突問題は単純な問題でも結構面白いので、使ってみることにします。


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  1. 2009/06/21(日) 13:12:23|
  2. IMPACT
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衝撃シミュレーションフリーソフトIMPACTのダウンロード

それでは早速インストールしてみます。

IMPACTは基本的にJavaが動作する環境であれば、OSを選ばずに動作しますが、ここではWindows XPにインストールしてきます。

まず、IMPACTのWEBサイトhttp://impact.sourceforge.net/を開きます。

ページをダウンスクロールしていくと、"Download & Installation"という項目があります。

impact-download01
クリックすると大きくなります。

IMPACTはJavaで動くソフトウエアなので、IMAPCT本体ソフトの他に、Javaが動作する環境をコンピュータにインストールしてあげる必要があります。

IMPACTWEBページの中に"A Java Engine"のリンクがあり、クリックするとSunのJavaのWebページに飛び、そこからもダウンロードできるのですが、英語(一応日本語表示にも切り替えられますが)の開発者向けのページで、ダウンロードするためには個人情報を登録しなければなりません。

まあ、登録先がSunなのでまず大丈夫だと思うのですが、気になる方は、Javaユーザー向けのWebサイトhttp://www.java.com/ja/からJavaをダウンロードすることもできます。

私は上記サイトからダウンロードものをインストールしましたが、Impactは動きました。

上記ページの"無料のJavaダウンロード"をクリックして、出てきた画面でコンピュータやOS環境がインストールするものと合致しているかを確認して"無料のJavaダウンロード"をクリックすると、ダウンロードできますので、ダウンロードしたもの(jxpiinstall.exe)をダブルクリックして実行してください。

あとは画面に従えばインストールできます。

次にIMPACT本体のダウンロードですが、これは”The Impact Program”をクリックすればダウンロードできます。

Impact-0.7.5.zipという圧縮ファイルがダウンロードされますので、解凍ソフトで解凍してください。

解凍した時点でインストールは終わりなので、(セットアップは特にいらない)、コンピュータ上の好きな場所にプログラムをおけばよいと思います。

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  1. 2009/06/22(月) 22:20:09|
  2. IMPACT
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衝突シミュレーションフリーソフトIMPACTを実行してみる


今回はIMPACTを実行してみたいと思います。

ところが、インストーラを使ってインストールしたわけではないので、Windowsのスターとメニューに登録されません。

そこで、解凍したしたファイルの中にあるREADMEファイルをワードパッドで開けて読んでみると、

Windowsでは、

ImpactGUI.bat

というファイルを実行すれば、GUIがスタートすると書いてありました。

このファイルも解凍したファイルの中にありましたので、ダブルクリックすると、

IMPACT-START01
クリックすると大きくなります

それっぽい画面が立ち上がりました!!

IMPACT-START02
クリックすると大きくなります。

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  1. 2009/06/23(火) 21:57:35|
  2. IMPACT
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衝撃解析ソフトIMPACTを実行してみる


それでは実際にIMPACTを使ってシミュレーション計算してみたいと思います。

しかし、モデルを1から作るのは大変ですので、サンプルデータがないか探してみると、

IMPACTのフォルダの中にexsamplesというフォルダを発見しました。

その中のファイルがサンプルデータだと信じて(?)、ソフトの方に読み込んでみます。

メニューの左から2つ目のアイコンが、いわいる開くのアイコンぽいので、それを押してファイル選択画面を開き、exsampleのフォルダの中の

ball_in_contact.in

というファイルを読み込んでみます。

IMPACT-START04
クリックすると大きくなります。

何かモデルを読み込んだようです。

ごちゃごちゃしているところを拡大、回転してよくみてみます。

拡大はSHIFTキー+左クリックです。

モデルの回転は、Controlキー+左クリックです。

IMPACT-START04
クリックすると大きくなります

ボールが見えました。

モデルの絵とファイル名から推察するに、この長細い板に衝突して跳ね返るシミュレーションでないかと予測されます。。。

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  1. 2009/06/24(水) 21:41:00|
  2. IMPACT
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衝突解析ソフトIMPACTを実行してみる その2

前回の続きで、今回は計算をさせてみたいと思います。

なお、相変わらずマニュアルはあまり見ないで操作しております。。。

英語だし、探すの面倒だし。。。

CAEソフトは習うより慣れろ、ですかね。。。


それはともかく、計算するためにはProcessorタブに移ればよいことが予測できます。

しかし、タブを移ったら、モデルが見えなくなりました。

IMPACT-START05
クリックすると大きくなります

しょうがないので、左端にある開くボタンで再び入力データファイルを開きます。

IMPACT-START06
クリックすると大きくなります

すると、右側画面にはモデル図が、左側画面にはデータファイルの中身らしきものが出てきました。

ざっと見た限りデータファイルの文法はわかりやすそうですが、それはまた後で見ることにして計算をして見ます。

計算は左から3番目の再生ボタンを押すと始まります。

IMPACT-START07
クリックすると大きくなります

計算が始まると、上の画面に計算しているタイムステップと計算の残り時間を表示してくれます。

この解析は私のPCでは大体12分くらいかかるようです。

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  1. 2009/06/25(木) 23:01:58|
  2. IMPACT
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衝撃解析ソフトIMPACTの計算結果を見てみる

計算が終わったので、結果を見てみます。

計算が終わると、上のウインドウに***END***と出てきました。

IMPACT-STRAT08
クリックすると大きくなります

そこで、POST Processerのタブへ移ります。

IMPACT-START09
クリックすると大きくなります

また何もない画面になっていますので、結果ファイルを読み込まなければならないようです。

ball_in_contact.in.flavia.resファイルが結果ファイルのようなので、それを読み込みます。

IMPACT-START10
クリックすると大きくなります。

モデルが読み込まれました。

見る角度を以下のように変えてみてみると、ちょうどボールが弾みながら坂を転げ落ちていく結果がわかります。

IMPACT-START11
IMPACT-START12
IMPACT-START13
IMPACT-START14
IMPACT-START15
クリックすると大きくなります。

なお、IMPACT自体にはアニメーションファイル作成する機能はないようです。。。

画面左のTIME STEPの時間を下方向にドラック(?)していくと、画面上ではアニメーションぽく見ることができますので、それをキャプチャする方法を検討中です。。。

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  1. 2009/06/29(月) 21:03:01|
  2. IMPACT
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IMPACTの例題ファイルの中身を見てみる


前回

balls_in_contact.in

を計算してみましたが、このファイル(テキストファイル)の中身をあけてみてみて、IMPACTのデータを探ってみようかと思います。

まず、コメントが何行か続いた後、

Nodes
1 x = 29 y = 0 z = 0 load = pulse
2 x = 28.7274 y = 2.07055 z = 0 load = pulse
3 x = 28.7274 y = -2.07055 z = 0 load = pulse




と節点番号と、座標値のデータが書かれています。

load = pulse

はたぶん節点に与える荷重を指定しているのでしょう。

節点データが終わると要素データの入力になります。

Elements of type Shell_C0_3
1 nodes = [101,111, 104] material = e_steel NIP = 5 T = 1
2 nodes = [163,164, 141] material = e_steel NIP = 5 T = 1
3 nodes = [112,102, 106] material = e_steel NIP = 5 T = 1
4 nodes = [167,151, 140] material = e_steel NIP = 5 T = 1




例題のボールはソリッドではなく3角形シェル要素だったようです。

MATERIAL=で材料物性を指定しているようです。

NIPは積分点数、Tは板厚の値と予想されます。

要素データが終わると、荷重条件が書いてあります。

loads
pulse ax = [0,-5000,0.02,-5000,0.021,off,5,off] az = [0,-500,0.02,-500,0.021,off,5,off]

x方向と、z方向に加速度を指定しているようです。[時間,荷重,時間,荷重・・・]というフォーマットのようです。

次は材料物性です。塑性材料物性値が入っています。
materials of type elastoplastic
e_steel rho = 0.0000078 E = 210 nu = 0.3 yield_stress = 0.180 EP = 0.1

最後は解析時間と出力間隔を指定しています。

controls
run from 0 to 0.30
print every 0.01 step

これで終わりです。

商用陽解法ソルバーをいくつかみてきましたが、それよりもかなりシンプルなデータ構成になっています。

また、接触解析をしているにもかかわらず、接触の境界条件やパラメータが一切ない、というのに少し驚きです。。。

いったいどうなっているのかは今後少しづつみていきたいと思います

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  1. 2009/06/30(火) 23:07:14|
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Author:tsunodako
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無料でCAE環境を構築に挑戦中。
が、現在少し休止中。そのうち復活します。
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このブログにあるソフトやデータを使用して生じた結果は責任負いませんのであしからず。
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