【SimSolid優秀作品 No.1】精度検証と実践的な解析事例

「実践こそが真実を実証する唯一の基準」をテーマに、本日はアルテア中国オフィスのエンジニアXiao TaiがAltair SimSolidの公募で集まった優秀作品を取り上げ、ユーザー視点でエンジニアリングアプリケーションとしてのSimSolidの特性を評価します。

「SimSolidの精度検証と実践的な解析事例」
著者：何发龙兰石研究院

アルテア技術担当者によるレビュー

本作品は、引張試験片に対するSimSolidでの応力解析の精度を、実験的手法により比較、検証しただけでなく、工学的なケース車軸矯正も用いて、SimSolidと従来の有限要素ソフトウェアMによる非線形接触解析を実施し、変位と応力を比較しました。ボディ全体および主要部の変位、応力を確認し、水平方向の変位誤差は約5%、応力誤差は10%以内でした。SimSolidの精度検証を二回にわたり行い、特に2回目の解析ケースでは、SimSolidを使用したセットアップから10分以内に計算が完了しており、メッシュレス、セットアップが簡単、計算速度が速い、というSimSolid独自の特長が最大限に反映されています。

SimSolidの精度チェック

引張試験片を対象とし、SimSolidの計算結果と実験結果を比較しました。実験サンプルと一致するようにモデルを作成し、ひずみゲージに対応するフェイスを分割しています。対応する領域の応力値をSimSolidで確認し、実験データと比較することでSimSolidの精度を検証しました。

試験材は12Cr2Mo1を使用しました。まず材料をサイズに合わせて加工し、次に試験片の該当箇所にひずみゲージを貼り付けます。貼り付け完了後、ひずみゲージを試験機に接続しました。試験片を万能試験機で試験し、荷重は 20KN、30KN….70KN としました。この荷重値に達した後、ひずみゲージが正確な微小ひずみを記録できるようにするために、対応する引張力で 2 分間停止させました。試験片の厚さは10mmとし、寸法とひずみゲージの位置は次のとおりです。

試験片の寸法とひずみゲージの貼り付け位置

試験片

同じ境界条件に従って試験片をモデル化し、解析と計算にSimSolidを使用して、対応する位置の応力とひずみのコンター図を表示します。

20kNにおける５つのひずみゲージでの等価応力
30kNにおける５つのひずみゲージでの等価応力
40kNにおける５つのひずみゲージでの等価応力
50kNにおける５つのひずみゲージでの等価応力
60kNにおける５つのひずみゲージでの等価応力
70kNにおける５つのひずみゲージでの等価応力
80kNにおける５つのひずみゲージでの等価応力

ひずみゲージの実験データは以下の通りです。

各ひずみゲージのひずみ値

試験結果と解析値の比較

上記の表の誤差は、実験値とSimSolidの計算値を比較しています。表のデータから解析結果は実験データと類似していることがわかり、誤差は約5％です。ひずみゲージの試験データによりよい解析結果が得られることを検証できました。同じ試料に対して異なる方法で得られた対応領域の応力の大きさについて、2つの異なる試験片の力学パラメータを測定する方法は、将来の大型機械の特定領域における応力およびひずみ試験の基礎となります。

適用事例

有限要素ソフトウェアMとSimSolidをそれぞれ使用して、同じ境界条件下で車軸矯正機の静解析を行い、シリンダー圧力が27.5MPaの場合の矯正機のクランプアームの力と変位を解析します。同時に、2つのソフトウェアの応力と変位の値を比較し、構造設計の過程でSimSolidを使用した構造解析の参考とします。

1、ジオメトリモデル

車軸矯正機のジオメトリモデルは下図に示すように、主なコンポーネントには大小の主要部品には大きなクランプアーム、クランプ、油圧シリンダー、基板などがあります。大小のクランプアームは動作中に主に応力を受けるコンポーネントです。 SimSolidの計算結果を検証するために、同じジオメトリモデルをSimSolidと有限要素ソフトウェアMにインポートしました。

車軸矯正機　ジオメトリモデル

2、材料、境界条件、および荷重関連の設定

車軸矯正機の各部の材質は以下の通りです。基板は拘束面です。シリンダーの内圧は27.5MPaです。接触は実際の状況に応じて結合接触と摩擦接触に分け、摩擦係数は0.3とします。

各部の材料特性

境界条件

荷重条件

接触ペア表示

3、HyperMeshプリプロセッシング有限要素モデル

4、計算結果の比較

SimSolid 機械全体の等価応力コンター図（左）従来の有限要素ソフトウェアMを使用した機械全体の等価応力コンター図（右）

SimSolid 機械全体の変位・変形コンター図（左）従来の有限要素ソフトウェアMを使用した機械全体の変位・変形コンター図（右）

SimSolid大型クランプアーム等価応力コンター（左）従来の有限要素ソフトウェアMを使用した大型クランプアーム等価応力コンター図（右）

SimSolid大型クランプアーム変位変形コンター（左）従来の有限要素ソフトウェアM全機大型クランプアーム変位変形コンター（右）

SimSolid小型クランプアーム等価応力コンター（左）従来の有限要素ソフトウェアM小型クランプアーム等価応力コンター（右）

SimSolid小型クランプアーム変位変形コンター従来の有限要素ソフトウェアM小型クランプアーム変位変形コンター

5．解析結果の比較

応力値の比較

上表の結果によると、従来の有限要素ソフトウェアMの計算結果を正解とした場合、SimSolidで計算された応力値はいずれも小さい値であり、最大誤差は9.5%です。

変位と変形の比較

従来の有限要素ソフトウェアMの計算結果を正解とした場合、SimSolidによって計算された変位は比較的小さく、最大誤差は5.5%であることがわかります。計算結果には数値的な違いがありますが、応力分布と変位・変形コンター図によると、双方のソフトウェアの応力値と変位・変形の分布傾向が類似していることがわかり、SimSolidの方が優れていることがわかります。計算結果にはある程度の精度があります。

結論

SimSolidは、HyperMeshと比較して、操作性がよく、モデル設定が簡単で迅速です。接触設定も容易で迅速であり、計算性能では従来の有限要素ソフトMよりも計算速度が速く、メモリの消費も少なくなります。
計算結果は正確であり、十分参考にできます。SimSolidをInspire、OptiStructなどの構造最適化ソフトウェアと組み合わせて、構造最適化モデリング機能を構築し、構造初期設計の目標を達成することで、製品の新製品の研究開発と最適化に効果的設計プロセスを導入することをお勧めします。
また、両ソフトウェアの計算結果には差異がありますが、個人的にはこのソフトウェアを構造設計の初期段階で使用することがより便利で迅速であり、有効な解決策と結果えることができると考えています。また、設計後期にはSimSolidと従来の有限要素解析ソフトウェアを使用して計算を比較することができます。

＊本記事は、Altair Chinaの「【SimSolid优秀作品赏析1】SimSolid精度校验与实际分析案例应用」を翻訳したものです。

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