有限要素法による応力解析

大型コンピューターでなければ利用できなかった有限要素法による数値解析が、パーソナルコンピューターの性能向上及び解析ソフトのユーザーインターフェースの向上によって身近なものになってきました。現在の製造業では、３次元ＣＡＤで設計図を描き、引き続きコンピューター上で強度解析を行って試作に入ることが多くなりました。この強度解析によく用いられる数値解析手法が有限要素法（ＦＥＭ） を用いた応力解析と呼ばれるものです。

自由発想・自由デザインを目的としたシステムを開発の一環に取り入れようとしています。自転車に必要なフレームの機能部品をいろんな種類について製作しておきます、あとは必要なものを取り出してパイプでジョイントすれば実用的に乗ることが可能なものになるのです。

デザインモデルを製作するための部品群とそれらを組み合わせた参考例のスタイルブック、そしてＣＡＤを利用して図面と構造力学計算が可能なシステムを検討しています。力学問題はＦＥＭという有限要素法を活用します。数学が中心になりますが人手では困難な計算処理はコンピュータの発達により今ではＰＣを利用していろんなことができる時代です、誰もが簡単に有限要素法を利用できる時代です。

有限要素法を理解するには、多少の基礎知識が必要です。有限要素法には、空力・流体力学、伝熱学、弾性力学などと、数学関連でベクトル演算、マトリックス 演算、テンソル演算、連立方程式の解法、数値積分と数値微分などを扱うのでシステムを製作するには勉強が必要な人もいるかもしれません。もう一つ素材の物 性値が必要ですが、これはデータベースを利用します、これを読んだ途端に尻込みするか諦めてしまう人がいるかも知れません。

だが、自転車のデザイン画（スケルトン図）をＰＣで描くとフレームの力学計算の結果を知らせてくれるシステムをこれから作ろうとしています。このシステム によってオンリーワンの自作自転車が作れるようになればお役に立つのではないかと思います。いろんな分野の知識と経験を求めています、扱うフレーム素材 は、アルミ合金、ステンレス、クロームモリブデン、カーボン繊維等を利用します。

素材物性・材料力学・構造力学・流体力学・機械設計・加工技術・接着技術・板金加工・切削加工・精密鋳造・カーボン・実験計画・要因分析・力学試験・ ＣＡＤ・ＦＥＭこれらに関してご協力のお申し出をくださいますよう、よろしくお願いいたします。
有限要素法による応力解析の仕組みはを簡単に説明すると。金属の棒などは、力学的には連続体とみなしますが、複雑な構造物を連続体として応力や変位を計算 することは非常に難しいものがあります。そこで、連続体である構造物を有限の小さな要素に分割し、隣り合う要素を接点で結合することで近似的に構造物を表 現します。そうすると個々の要素はマトリクス（行列） で表すことができるようになりますので、構造物全体を組み合わせたマトリクスで表し、あとはコンピューターに計算させることで応力や変位を求めることがで きるという仕組。

有限要素法による応力解析では、コンピューター上に現物と同じモデルさえ作ってしまえば自由に荷重の大きさ、方向などを変えて何度もシミュレーションする ことができます極めて便利なものといえます。以前に台湾でレモンを設計してみてはという誘いがありました、この相手先では一般に利用されているダイアモン ドフレーム以外はできませんでした。モデルを作成することは私にとっては難しいことではありません、レモンのようにこれまでに無い特殊モデルの作成ができ ない相手であったので実現はしませんでした。

構造解析プログラム
Nastran のソースコードをベースにいろんな製品が開発されています、入出力フォーマットも同じ汎用構造解析プログラムがありますのでその概要を拾い出してみました。 Nastran は主要製造分野で幅広く利用されており、自転車、自動車、航空宇宙、防衛、重機、造船業界における高度なシステムレベルの解析に使われているようです。
 
解析機能とパッケージについて以下の解析が可能だと記されています。NastranのオリジナルはFORTRANで記述されたオープンソフトで利用することができます。
必要に応じてカスタマイズすることが可能なので利用してみてはと思います。

線形静解析
    静的な荷重を受ける構造物の変位、ひずみ、応力などの計算
力学的平衡状態にある非拘束構造物を解析する慣性リリーフ機能
    伝熱解析の結果を用いて熱ひずみ／熱応力解析も可能

固有振動解析
    固有振動数と固有モードの計算

座屈解析
    線形座屈荷重値と座屈モードの計算

伝熱解析（定常／非定常、線形／非線形）
    定常／非定常状態での構造物の温度分布、及び熱流束を計算
    温度依存性の材料特性を考慮
    温度拘束、熱流束、輻射、対流を境界条件として設定可能
    輻射形態係数の自動計算

スポット溶接解析
    スポット溶接をメッシュ分割しないでモデル化する

設計感度解析
    線形静的解析、固有振動解析、座屈解析で可能

非線形解析
    材料非線形、幾何学的非線形、境界非線形解析

動的応答解析（線形／非線形）
    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、複素固有値解析

空力弾性解析
    航空機など、空気の流れの中に置かれた構造物の静的な空力弾性解析やフラッタ解析

エレメント解析
    解析モデルを部分構造に分けて計算する機能

これらについて興味がある、勉強してみたいし使ってみたい、作ってみたいとのご要望があればお手伝いすることができそうです。