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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陽解法有限要素法フリーソフトIMPACTのプリプロセッサーを使ってみる


例題で使い方の大体流れがわかってきたので、プリプロセッサーを使ってモデルを作成していきたいと思います。

といっても、プリプロセッサーの使い方がいまひとつわかりません。。。

そこで、プリの使い方の例題がないか探してみると、IMPACTのWIKIのWEBの中にありました。

http://impactprogram.wikispaces.com/Tutorial1

以下、この例題ページの内容に沿って書いていきます。

最初に、この例題は作成中で不完全で不正確です、とありますが、見た感じ参考にはなりそうです。

例題は4節点シェル要素を用いて境界条件を与えて解析を行うものだそうです。

次にLINUX上でコマンドを使ってIMPACTを立ち上げています。

IMPACTの画面は少し古いバージョンのものようで、今の画面とは若干違いますが、例題を行うには差し障りはありません。

右側の画面をGRAPHICAL WINDOW、左側の画面をHIERACHY WINDOWと呼ぶようです。

オペレーションの説明は次回以降ということで。。

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  1. 2009/07/01(水) 23:27:20|
  2. IMPACT
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陽解法FEMソフトIMPACTのプリプロセッサーで形状を作ってみる

例題(http://impactprogram.wikispaces.com/Tutorial1)に沿って、形状を作ってみます。

まずは、20x30の大きさの板に厚さ1のシェル要素をつくります。

板の4つのコーナーに点を打ちます。

点はDRAWのタブの表示の下にある一番左のアイコンを押すと、HIERACHY WINDOWの下のほうに座標入力がめんがでてきますので、POINTの欄にXYZの座標値を入れていきます。

(0,0) を入力(最初からそうなっていますが。。。)した後、ADDボタンを押すと、点が打てます。

IMPACT-STRAT17
クリックすると大きくなります

(20,0) (20,30) (0,30) の4点打ちます。

IMPACT-STRAT17
クリックすると大きくなります

チュートリアルではPOINT1からPOINT4ができるのですが、私が行った時はなぜかPOINT4からはじまって、POINT7までできてしまいました。
(変な設定でも残っていたのでしょうか。。。)

次に、面を作ると同時にメッシュを作成します。

左から8番目のアイコン(ポインタをおくと Bilinear surface between edge pointsと表示される)をクリックすると、下図のようながめんがでてくるので、LL,LR,UR,ULに作成した4つのコーナーポイントを入力します。

画面上で点をクリックすると、入力できます。

つぎにメッシュサイズを1.0、その下のトグルからはShell_BT_4を選択します。

Thicknessには1を入力し、MaterialはSteelANSIC1020を選択します。

ADDボタンを押すと、以下のようにシェル要素のメッシュが出来上がります。

IMPACT-START18
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  1. 2009/07/02(木) 22:36:58|
  2. IMPACT
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フリーFEMソフトIMPACTのプリプロセッサーで境界条件を設定する

境界条件を設定します。

左側面の上4節点と下4節点を完全固定します。

Modifyタブを押して右側から3つ目の三角形のアイコンを押します。

HIERACHY WINDOWのトグルでWireFrame表示にします。

チュートリアルによるとHIERACHY WINDOW(左側のウインドウ)でBLSurfaceの下のMeshの下のNodeから拘束する節点を指定するようなことが書いてあるのですが、今のバージョンではGroupの作成画面になってしまいます。

IMPACT-START19
クリックすると大きくなります

でもGRAPHICAL WINDOW(右側のウインドウ)でモデル上の節点を直接マウスドラックで囲って選択することができます。

選択した後、右側から3つ目の三角形のアイコンを押し、HIERACHY WINDOWに出てきたメニューからFIX_ALLを選択してSetを押します。

IMPACT-START20
クリックすると大きくなります

GRAPHICAL WINDOWに境界条件のラベルが表示されます。

IMPACT-START21
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  1. 2009/07/05(日) 22:46:00|
  2. IMPACT
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FEMフリーソフトIMPACTの荷重条件を設定してみる


次に荷重条件を設定してみます。

荷重は板の上辺の右側から4つの節点に負荷します。

チュートリアルに従うと、荷重を入れる節点をHIERACHY WINDOW(左側のウインドウ)で選択して、節点編集のメニューを出すのですが、バージョンが変わって画面構成が変わってしまっていますので、同じようにに行きません。

そこで、試行錯誤の結果、GRAPHICAL WINDOW(右側のウインドウ)で直接節点をクリックすると、節点編集のメニューを出せました。

まずはコーナー点上でダブルクリックします。

このメニューのLOADをFORCE_Yに指定します。

IMPACT-START22
クリックすると大きくなります

チュートリアルにはFORCE_Y=-5をダイアログボックスに入力する、とあるのですが、-5をどこに入れるのかがわからないので、とりあえずY inertiaに入力しておきます。

これでUpdateを押し、隣の残り3つの節点も同じように入力します。

IMPACT-START23
クリックすると大きくなります。

これで入力完了です。

でも、動解析なので時間と荷重の関係が必要なのではないかと思うのですが、チュートリアルには何も書いていないので、まずは先に進むことにします。。。


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  1. 2009/07/06(月) 19:49:30|
  2. IMPACT
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陽解法有限要素法ソフトIMPACTの例題の計算して結果を見てみる

前回まででも出るが出来上がった(はずな)ので、計算してみます。

計算する前に、解析ファイルを作成します。

Save(ディスクの絵)のアイコンを押すと解析のための入力ファイルが作成されます。

節点をマージしますか?というメッセージが出てきますが、今回はOKでもCancelでもどちらでも結果は変わらないはずです。

次に、Processerのタブに移動します。

先ほど作成した解析入力ファイルを読み込みます。

一番左側の”開く”アイコンを押すとファイル読み込み画面になります。

ファイルが読み込まれると、ファイルの中身がHIERACHY WINDOW(左側のウインドウ)に表示されます。

IMPACT-START24
クリックすると大きくなります

それをみて見ると、最初の方に

CONTROLS
run from 0.0 to 1.0
print every 0.01 step

とあるので、0[s]から1[s]の間の計算で、出力は0.01[s]おきにするようです。

後は左側から3つ目の再生ボタン押すと解析をはじめてくれます。


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  1. 2009/07/07(火) 21:33:27|
  2. IMPACT
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IMPACT衝撃解析の結果を見てみる


計算は私のPCでは10分かからずに終わりました。

それでは結果を見てみます。

まず、Post Processerタブに移動して、一番左のアイコンから結果ファイルを開きます。

拡張子がresのファイルが結果ファイルです。

選択してOKを押すと、読み込みが開始されます。

読み込みには結構時間がかかります。。。

以下のようにGraphic Windowにはモデルが、Hierachy Windowにはタイムステップが表示されます。

IMPACT-START25
クリックすると大きくなります

2つ目のタイムステップ(約0.01秒)を選択すると、

IMPACT-START26
クリックすると大きくなります

すでに荷重をかけた周辺が破壊されて、要素一個が残るのみです。。。

チュートリアルの結果とは異なっています。。。

原因は荷重条件のかけ方を間違っているか、材料物性に変更があったか、破壊が考慮されるようになったかですが、不明です。。。

ですが、このソフトが要素消去による破壊を考慮できることはわかりました。

IMPACT-START27
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  1. 2009/07/08(水) 22:32:49|
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陽解法有限要素法フリーソフトIMPACTではりのモデルを作ってみる


前回まで、とりあえず例題をやってみて使い方の雰囲気はつかめてきたので、今度は自分でオリジナルのモデルを作って見ます。

今までの通り、わかりやすさを考えてはりモデルにします。。。

以下のようなモデルを考えます。

IMPACT-START28
クリックすると大きくなります。

境界条件は、片端完全固定としますが、荷重条件については、前回の例題を見てみると、プリにの中ですでにいくつか時間-荷重のj条件が設定してあって、その中から選ぶことができますので、ここではとりあえず保留にして、後でいくつか条件を変えて計算したいと思います。

材料物性についても適当なものをプリの中から選択することにします。


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  1. 2009/07/12(日) 18:29:40|
  2. IMPACT
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陽解法有限要素法フリーソフトIMPACTで梁のモデルを作ってみる その2

では、早速IMPACTのプリプロセッサーを使ってモデルを作っていきたいと思います。

モデル作成方法は例題の時とほぼ同じなので、簡単に紹介いたします。

IMPACT GUIを立ち上げた後、DRAWタブの表示の下にあるポイント作成ボタンを押し、

HIERACHY WINDOWに表示されたメニューから

(0.0,0) (100,0,0) (100,10,0) (0,10,0) の4点を作成します。

IMPACT-START29
クリックすると大きくなります

次にこの4点で四角形の面を作成し、メッシュをはります。

はりモデルなので、本当はソリッド要素を使いたいのですが、IMPACTのwikiにソリッド要素は取り扱いが難しく計算時間もかかるので、まずはシェルからはじめてください、というようなことが書いてあったので、今回もシェル要素を使い、厚さは1にします。

下のような設定になります。

IMPACT-START30
クリックするとおおきくなります。


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  1. 2009/07/13(月) 21:49:53|
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陽解法有限要素法フリーソフトIMPACTで梁のモデルを作ってみる その3


前回まで作ったモデルに境界条件(拘束条件、荷重条件)をつけます。。。

まず、拘束条件はモデル左側の辺全て拘束します。

Modifyタブを押し、拘束条件アイコン(右から3番目)を押します。

左辺の節点をドラッグで全て選択し

HIERACHY WINDOWに表示されたメニューから

FIXED ALLを選択します。

IMPACT31-START
クリックすると大きくなります

次に荷重条件を選択します。

荷重をかける節点(右上角の節点)をダブルクリックします。

節点編集メニューがHIERACHY WINDOWに現れるので、

LOADSの欄でPLUSEを選択します。

IMPACT-START32
クリックすると大きくなります

後は保存すれば設定は終わりです。

ところで、材料物性や境界条件をプリから設定する時は、ヤング率はいくつとかx方向拘束とかを入力するのではなく、あらかじめ設定された物性や条件をメニューから選ぶ、という方式のようです。

自分で好きな値を折れたい場合は、たぶんメニューに組み込むか、もしくはプリで作ったファイルを変更しなければならないようです。。。

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  1. 2009/07/14(火) 21:04:22|
  2. IMPACT
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陽解法有限要素法フリーソフトIMPACTで梁のモデルの結果を見てみる


前回まで作ったモデルを計算して、結果を読み込みます。

計算方法、結果読み込みについては>以前サンプルデータで行った方法と同じです。

まず変位結果から見てみます。

ResultをDisplacement(I)にします。

そして結果を見ていくと、以下のように変形がはりを伝わっていく様子を見ることができます。

IMPACT-START33

IMPACT-START34

IMPACT-START36

IMPACT-START35
クリックすると大きくなります。

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  1. 2009/07/15(水) 19:43:03|
  2. IMPACT
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衝撃解析ソフトIMPACTのはりモデルの応力結果を見てみる


今回は応力の結果を見てみます。

変位のようにきれいに応力波の伝播がみられる、と思ったのですが、

実際見てみると、なんとなく、伝播しているように見えるのですが、値が小さすぎるのかいまひとつ不明瞭です。

IMPACT-START37

IMPACT-START38

IMPACT-START39

IMPACT-START40
クリックすると大きくなります

次回は荷重条件を少し変えて計算してみます。。。

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  1. 2009/07/16(木) 20:45:27|
  2. Calculix 紹介 インストール
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IMPACTで作ったモデルの境界条件を再確認してみる


前回計算したモデルの境界条件を変更したモデルを使って、IMPACTの検証をしようと思ったのですが、

使った境界条件は、あらかじめ準備されていたものから選択してしていしたので、

実際どのような条件を使ったのかが確認できていません。。。

まずはそれを確認します。

まず拘束条件として、FIX_ALLを選択しましたが、これはどのような条件なのでしょうか。

モデル作成したとき拡張子.inのファイルが解析入力ファイルとしてできますので、その中身を見てみます。

ヘルプを見てみると、CONSTRAINTSブロックのBOUNDARY_CONDITIONで境界条件を記述します。

該当するところをデータファイルで探してみると、

CONSTRAINTS OF TYPE BOUNDARY_CONDITION
FIXED_ALL VX = 0 VY = 0 VZ = 0 VRX = 0 VRY = 0 VRZ = 0 AX = 0 AY = 0 AZ = 0 ARX = 0 ARY = 0 ARZ = 0

とあります。

ヘルプを確認すると、VX、VY,VZ,は並進方向の速度、VRX,VRY,VRZは回転方向の速度、

AZ,AY,AZは並進方向の加速度、ARX,ARY,ARZは回転方向の加速度を指定するもののようです。

面白いのは、IMPACTではこのコマンドで直接変位を拘束する条件は指定できないようです。。。

まあ速度を0にすれば、変位の変化量が0ということになり、時間0で瞬間的に強制変位をかけることを考えない限り(普通はそういう解析はしませんが)、実質変位0の条件を与えられることになります。

次に荷重ですが、LOADSで入力します。

データファイルでは、

LOADS
PULSE AX = [0,-5000,0.02,-5000,0.021,OFF,5,OFF] AZ = [0,-500,0.02,-500,0.021,OFF,5,OFF]

となっています。

まず、x方向とz方向の2方向に加速度をかけているのがわかります。

x方向については、時間0から0.02までは-5000、0.021から5までは加速度なしという条件です。

時間0.02から0.021までの間は1次関数的に-5000から0に変化していくものと思われます。

同様にz方向には時間0から0.02までは-500、0.021から5までは加速度なしという条件です。

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  1. 2009/07/19(日) 22:51:49|
  2. IMPACT
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はり衝撃モデルの境界条件を変えてみる

前回のモデルでは、すでに設定された境界条件の中から適当に選んで計算したのですが、

今回からは境界条件、荷重条件を考えて、それに合うようにデータを入力したいと思います。

前回荷重条件はPLUSEというすでにIMAPCTの作者が準備した荷重条件を使いました。

今回はまず動解析の荷重条件の基本である強制変位を与えたいと思います。

前回も書いたとおり、IMPACTは変位の境界条件を直接入力できません。

よって、速度条件を使います。

速度条件は、荷重条件ではなく、境界条件になります。

今回は時間によらず一定のy方向に速度10を拘束端と反対の端に入力します。

前回の入力データを改造します。

まず、前回の入力データ(私ははbeam01.inとした)をテキストエディッタで開きます。

次に、以下の行をコピーして、元の行の下にペーストします。
CONSTRAINTS OF TYPE BOUNDARY_CONDITION
FIXED_ALL VX = 0 VY = 0 VZ = 0 VRX = 0 VRY = 0 VRZ = 0 AX = 0 AY = 0 AZ = 0 ARX = 0 ARY = 0 ARZ = 0

ペーストした行を以下のように書き換えます。
CONSTRAINTS OF TYPE BOUNDARY_CONDITION
DISP VX = 0 VY = -10 VZ = 0 VRX = 0 VRY = 0 VRZ = 0 AX = 0 AY = 0 AZ = 0 ARX = 0 ARY = 0 ARZ = 0

境界条件は次の2行になります。
CONSTRAINTS OF TYPE BOUNDARY_CONDITION
FIXED_ALL VX = 0 VY = 0 VZ = 0 VRX = 0 VRY = 0 VRZ = 0 AX = 0 AY = 0 AZ = 0 ARX = 0 ARY = 0 ARZ = 0

CONSTRAINTS OF TYPE BOUNDARY_CONDITION
DISP VX = 0 VY = -10 VZ = 0 VRX = 0 VRY = 0 VRZ = 0 AX = 0 AY = 0 AZ = 0 ARX = 0 ARY = 0 ARZ = 0


次に、荷重がかかっている節点の記述
1122 X = 100.0 Y = 10.0 Z = 0.0 Load = PULSE Iyy = -10.0



1122 X = 100.0 Y = 10.0 Z = 0.0 Constraint = DISP

に書き換えます。

何をしたか大体わかると思いますが、、

(1)DISPという境界条件を作成(y方向速度-10)
(2)それを張り端部節点に負荷

したということです。

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  1. 2009/07/20(月) 22:40:36|
  2. IMPACT
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有限要素法ソフトIMPACTの片持ち梁モデルの結果


それでは、計算して結果を見てみましょう。

梁曲げの変形が出てくればOKです。

まず、y方向の変位の分布を見てみましょう。

IMPACT-START41
クリックすると大きくなります。

採集時間が0.99になってしまっているので、負の最大変位も0.99ですが、まあもくろみどおりの変形になっています。

次に応力分布を見てみます。

IMPACT-START42

分布はそれっぽい分布となっています。

応力値の検証はまた後ほど行いたいと思います。

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  1. 2009/07/21(火) 23:31:40|
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IMPACTの解析結果をキャプチャしてYoutubeに投稿してみる


さて解析結果なのですが、動解析の結果はやはり動画で見てみたいもの。

ブログから動画をダウンロードする方法もあるのですが、ここはYoutubeに投稿してそれをブログに埋め込む方法にします。

まず、IMPACTに動画のキャプチャ機能がないので、自分でキャプチャします。

キャプチャソフトはフリーソフトの「アマレココ」でAMV3方式で保存し、

それをソースネクストで販売しているPower DirectorでMPEG2に変換してからアップしました。

これがよい方法かどうかはわかりませんが。。。




変形速度が途中から速くなるのは、気のせいではなく私のオペレーションの問題です。。。。

きれいに見えるとはいいがたいのですが、静止画よりは雰囲気がつかめるような気もしますので、

また機会があればやってみたいと思います。

なお、YoutubeのWEB上でみるには、

http://www.youtube.com/watch?v=i3nahy72ilM

をクリックしていただければよいのですが、関連動画で世界中の誰かがアップした、FEMの結果アニメーションがでてきて、そちらの方が面白いかもしれません。。。

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  1. 2009/07/23(木) 00:09:38|
  2. IMPACT
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解析の材料と単位系を確認してみる

さて、前回の梁のモデルの精度検証をしようと思ったのですが、材料物性に塑性などの非線形が入っていると、面倒なので確認してみます。

MATERIALS OF TYPE ElastoPlastic
Aluminum2024T3 E = 73.08075 NU = 0.330000 RHO = 0.00000277 FAILURE_STRESS = 0.4826087 YIELD_STRESS = 0.3447205 EP = 0.1

MATERIALS OF TYPE ElastoPlasticでYIELD_STRESSやEPなど、塑性を示す物性値が書かれているので、塑性を考慮したの解析をしたようです。

ついでに物性値の単位系を見てみます。

材料名から2024T3アルミ合金のようです。この合金はアルミに銅その他の金属を添加したものですが、ヤング率や質量密度は純アルミの物性値からそう離れた値でないことは予測がつきます。

アルミの質量密度は大体2700kg/m^3、ヤング率が70GPa程度(出典:私の記憶...)だったと思うので、それと比較してみると

ヤング率-73GPa
質量密度 2.7E-6Gg/l

ということになるようです・

IMPACTのHELPのUnits of Mesurementsの項に主な単位の関連表が出ていますが、
この材料の単位系は表の上から11番目の単位系に相当すると思います。

長さmm 時間ms 質量kg 力kN .....

(本当は単位系を確認してから計算するものです。これは本末転倒です。。。^^;)


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  1. 2009/07/24(金) 00:31:54|
  2. IMPACT
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IMPACTの入力データを弾性解析にする。


前回のデータは材料が弾塑性だったので、弾性材料にします。

また、解析物理時間も1msから2msに変更します。

強制速度は1msまでは1mm/sec、それ以降は0とします。

強制速度を0にした時変位が保持なのか、それとも拘束は解除されて、自然に曲げが戻るのかを確認してみたいと思います。

データは以下のように書き換えます。

まず、材料の部分、MATERIALS OF TYPE ElastoPlasticをMATERIALS OF TYPE Elasticに変更し、塑性変形に関するパラメータを削除します。

MATERIALS OF TYPE Elastic
Aluminum2024T3 E = 73.08075 NU = 0.330000 RHO = 0.00000277

境界条件は以下のようにy方向速度に時間と速度のデータを入力します。

CONSTRAINTS OF TYPE BOUNDARY_CONDITION
DISP VX = 0 VY = [0,-10,1.0,-10,1.01,0,2,0] VZ = 0 VRX = 0 VRY = 0 VRZ = 0 AX = 0 AY = 0 AZ = 0 ARX = 0 ARY = 0 ARZ = 0


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  1. 2009/07/26(日) 17:18:52|
  2. IMPACT
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IMPACTはり弾性動解析の結果


それでは解析結果を見てみます。



コンターはy方向(曲げ方向)の変位を示しています。

強制速度を0にすると、負荷点は停止してくれるようです。

はりの真ん中中央部が慣性で振動するのが確認できます。


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  1. 2009/07/27(月) 23:16:44|
  2. IMPACT
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IMPACT梁モデル解析結果を検討してみる


せっかく計算してみたので、結果について少し検討してみます。

強制変位の計算なので、変形は境界条件どおりになるので、

応力値を見てみます。

梁の曲げ応力を見てみると、以下のような分布になります。

impact-beam01
クリックすると大きくなります

最大の応力値は振動し。上図からも変動しますが、アニメーションで見る限り、最大値は1.4GPaくらい、最小値は0.4GPaくらいでしょうか。

数値をテキストファイルで出力したいのですが、まだやり方がわかりません。。。

次回はCalculiXを使って計算してみたいと思います。

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  1. 2009/07/28(火) 22:20:53|
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CalculiXで同じ梁モデルを静解析計算する


それでは、CalculiXで同じモデルを計算して見ます。

モデルは以下のような感じ。

impact-beam02
クリックすると大きくなります。

同じ要素数にしたかったのですが、cgxは1辺99節点以上切れないので、要素数を減らし2次要素としています。

データは以下のような感じ。

--------------------------
*INCLUDE, INPUT=all.msh
*INCLUDE, INPUT=fix.nam
*INCLUDE, INPUT=f.nam
*MATERIAL, Name=al2024T3
*ELASTIC
73.08075, 0.33
*SHELL SECTION, Elset=Eall, Material=al2024T3
1.0
*STEP
*STATIC
*boundary
Nfix,1,6
*boundary
Nf,1,1,-1.0
*NODE FILE
U
*NODE PRINT,NSET=Nall
U
*EL FILE
S, E
*END STEP
--------------------------

曲げ応力の結果は以下の通り。

impact-beam03
クリックすると大きくなります。

IMPACTの最大応力に比べて1/10以下になっています。

原因は、

1.動解析と静解析の違い
2.私の解析そのものが間違っている。。。

のどちらかなので、とりあえず次回以降2ではないことを確認してみます。。。


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  1. 2009/07/29(水) 21:29:41|
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プロフィール

tsunodako

Author:tsunodako
tsunodakoのプロフィール
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。
ご意見ご感想をブログコメント大歓迎です!!!
メールの場合は下のほうにあるフォームに入力していただくか

tsunodako[at]yahoo.co.jpまで([at]=@に変換してください)。
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