(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-31
(45)【発行日】2024-08-08
(54)【発明の名称】ＣＡＥ解析方法およびＣＡＥ解析装置
(51)【国際特許分類】
G06F 30/20 20200101AFI20240801BHJP
G06F 30/13 20200101ALI20240801BHJP
【ＦＩ】
G06F30/20
G06F30/13
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2020100302
(22)【出願日】2020-06-09
(65)【公開番号】P2021196649
(43)【公開日】2021-12-27
【審査請求日】2023-04-04
(73)【特許権者】
【識別番号】504163612
【氏名又は名称】株式会社ＬＩＸＩＬ
(74)【代理人】
【識別番号】100106002
【弁理士】
【氏名又は名称】正林 真之
(74)【代理人】
【識別番号】100165157
【弁理士】
【氏名又は名称】芝 哲央
(74)【代理人】
【識別番号】100126000
【弁理士】
【氏名又は名称】岩池 満
(74)【代理人】
【識別番号】100160794
【弁理士】
【氏名又は名称】星野 寛明
(72)【発明者】
【氏名】安部 則弘
【審査官】合田 幸裕
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１００４９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－３１２５２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０９９１３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２３２２２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】一般社団法人日本建築学会，建築構造における強非線形問題への数値解析による挑戦，第1版，日本，一般社団法人日本建築学会，2018年03月05日，pages 147-149
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０６Ｆ ３０／１０ － ３０／２８
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに接合された複数の部材と、前記複数の部材間に形成された接合部と、前記複数の部材のうち柱部材と基礎との固定部と、を含むフェンスをモデル化してＣＡＥ解析を行うＣＡＥ解析方法であって、与えられた前記複数の部材のＣＡＤデータに基づき、前記複数の部材にビーム要素を適用してモデル化するモデル化工程と、
与えられた前記接合部のＣＡＤデータに基づき、前記接合部の構造特性に非線形ばね特性を適用して定義し、与えられた前記固定部のＣＡＤデータに基づき、前記固定部の構造特性に非線形ばね特性を適用して定義する構造特性定義工程と、
前記モデル化された複数の部材、前記構造特性を定義された接合部および固定部について強度解析を行う解析工程と、を有し、
前記非線形ばね特性は、前記接合部および前記固定部に対して実際に載荷および除荷を行う要素試験によって得られたものであり、
前記解析工程は、前記要素試験で得られた前記非線形ばね特性の載荷経路と除荷経路を自動判別する経路判別工程を有するＣＡＥ解析方法。
【請求項2】
互いに接合された複数の部材と、前記複数の部材間に形成された接合部と、前記複数の部材のうち柱部材と基礎との固定部と、を含むフェンスをモデル化してＣＡＥ解析を行うＣＡＥ解析装置であって、与えられた前記複数の部材のＣＡＤデータに基づき、前記複数の部材にビーム要素を適用してモデル化するモデル適用部と、
与えられた前記接合部のＣＡＤデータに基づき、前記接合部の構造特性に非線形ばね特性を適用して定義し、与えられた前記固定部のＣＡＤデータに基づき、前記固定部の構造特性に非線形ばね特性を適用して定義する構造特性定義部と、
前記モデル化された複数の部材、前記構造特性を定義された接合部および固定部について強度解析を行う解析部と、
前記接合部および前記固定部に対して実際に載荷および除荷を行う要素試験によって得られる前記非線形ばね特性データを取得する要素特性データ取得部と、を有し、
前記解析部は、前記要素試験で得られた前記非線形ばね特性データの載荷経路と除荷経路を自動判別する経路判別部を有するＣＡＥ解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ＣＡＥ解析方法およびＣＡＥ解析装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、建具の強度性能の評価において、評価試験効率の向上のため、評価対象の建具の実機ではなく３次元モデルを作製し、解析する手法が実施されている。しかし、多種多様なデザインを有する建具の３次元モデルの作成やその載荷時の強度解析には膨大な手間と計算時間を要する。また、精細な３次元モデルで計算しても、建具と地面や建築物との固定部や部材間の接合部で生じるずれや外れなどの複雑な動きを再現させるのは難しい。
【0003】
特許文献１には、複数の部材間の溶接部についてシェル要素、ソリッド要素およびビーム要素を用いてモデル化するＣＡＥ解析手法が開示されている。これにより、部材間の溶接部についてモーメントの伝達を表現することを可能としながら簡易に適切なモデル化を行うことができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１５－１０９０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、溶接のような部材同士の剛接合と、部材同士をねじ留めによって固定するような半剛接合とでは、接合部は異なる構造特性を有する。したがって、半剛接合部においては特許文献１に記載の方法とは異なる方法で強度解析を行う必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示は、互いに接合された複数の部材と、前記複数の部材間に形成された接合部と、を含む物体をモデル化してＣＡＥ解析を行うＣＡＥ解析方法であって、与えられた前記複数の部材のＣＡＤデータに基づき、前記複数の部材にビーム要素を適用してモデル化するモデル化工程と、与えられた前記接合部のＣＡＤデータに基づき、前記接合部の構造特性に非線形ばね特性を適用して定義する構造特性定義工程と、前記モデル化された複数の部材および前記構造特性を定義された接合部について強度解析を行う解析工程と、を有するＣＡＥ解析方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本実施形態の建具を示す斜視図である。
【図2】建具の柱部材の水平方向の荷重試験を表す図である。
【図3】柱部材－上桟接合部の荷重試験を表す図である。
【図4】縦枠－格子部材接合部の荷重試験を表す図である。
【図5】縦枠－格子部材接合部の荷重試験結果を表す図である。
【図6】接合部の荷重試験結果を表す概略図である。
【図7】建具の一部をビーム要素でモデル化した分解斜視図である。
【図8】荷重試験シミュレーションを表す図である。
【図9】本開示の解析方法を示すフローチャートである。
【図10】本開示の解析装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
（解析対象）
本開示のＣＡＥ解析方法は、互いに接合された複数の部材と、前記複数の部材間に形成された接合部と、を含む物体の解析に適用でき、例えば図１に示すような建具１０に適用することができる。本実施形態の建具１０は屋外に設置されるフェンスであり、例えばフェンスの格子５が面する水平方向（以下、Ｚ方向）の荷重や、柱部材１が延びる鉛直方向（以下、Ｙ方向）の荷重が載荷された場合の解析に適用することができる。
本開示のＣＡＥ解析方法は、互いに接合された複数の部材と、前記複数の部材間に形成された接合部と、を含む物体の解析に適用でき、例えば図１に示すような建具１０に適用することができる。本実施形態の建具１０は屋外に設置されるフェンスであり、例えばフェンスの格子５が面する水平方向（以下、Ｚ方向）の荷重や、柱部材１が延びる鉛直方向（以下、Ｙ方向）の荷重が載荷された場合の解析に適用することができる。
【0009】
建具１０は、柱部材１と、上桟２と、下桟３と、縦桟４と、格子５と、を有して構成される。柱部材１は屋外の地面に固定されて鉛直上方に延びる部材である。上桟２および下桟３は複数の柱部材１間を連結するように水平に延びて配置される。縦桟４は、上桟２および下桟３を連結するように水平に延びて配置される。格子５は、２本の縦桟４を連結するように水平に延びて配置される面材である。各部材は、例えばアルミなどの金属や木材あるいは樹脂など、種々の材質で構成されるものを使用できる。各部材同士は、半剛接合で接合される。
【0010】
解析対象としての建具１０は、各部材そのものと、部材同士の接合部あるいは建具１０以外の物との固定部に分けられる。本開示の解析方法は、各部材そのものをビーム要素でモデル化し、部材同士の接合部および建具１０以外の物との固定部の構造特性を非線形ばねで定義するＣＡＥ解析方法である。
【0011】
本実施形態において固定部は、柱部材１と基礎９との固定部分である。図２に示すように、柱部材１は、固定治具１１と、留具１２と、ボルト１３と、を有して構成される。柱部材１は固定治具１１に挿入してボルト１３により固定され、さらに固定治具１１は留具１２によって基礎９に固定される。本実施形態においては、柱部材１と、固定治具１１と、留具１２と、ボルト１３とは一体であるものとして、柱部材１と基礎９との固定部についての解析を考える。
【0012】
（要素試験）
部材の接合部および固定部の構造特性を把握するために、部材同士を接合および部材を固定対象に固定した実機に荷重やモーメントを載荷および除荷する要素試験を行い、荷重やモーメントの変化に対応した部材の変位や回転角度、残留変位等を調べ、予め各部材の接合部および固定部の構造特性データを収集しておく。例えば本実施形態の建具１０はフェンスであり、ＹおよびＺ方向の耐荷重性能を充足する必要があるため、ＹおよびＺ方向の荷重について要素試験を行い、接合部および固定部の要素特性データを収集する。
部材の接合部および固定部の構造特性を把握するために、部材同士を接合および部材を固定対象に固定した実機に荷重やモーメントを載荷および除荷する要素試験を行い、荷重やモーメントの変化に対応した部材の変位や回転角度、残留変位等を調べ、予め各部材の接合部および固定部の構造特性データを収集しておく。例えば本実施形態の建具１０はフェンスであり、ＹおよびＺ方向の耐荷重性能を充足する必要があるため、ＹおよびＺ方向の荷重について要素試験を行い、接合部および固定部の要素特性データを収集する。
【0013】
例えば、柱部材１と基礎９との固定部の要素試験では、図２に示すように柱部材１にＺ方向のモーメントを載荷する。モーメントを大きくしていくと固定部にはたわみが生じる。さらにモーメントを大きくしていくと柱部材１や基礎９に変形が発生し、除荷後に固定部の残留変位が発生する。
【0014】
柱部材１と上桟２との接合部の要素試験では、図３に示すように上桟２にＹおよびＺ方向の荷重を載荷する。荷重を大きくしていくと接合部にはたわみが生じる。さらに荷重を大きくしていくと柱部材１や上桟２に変形が発生し、除荷後に接合部の残留変位が発生する。
【0015】
縦桟４と格子５との接合部の要素試験では、図４に示すように格子５にＹおよびＺ方向の荷重を載荷する。荷重を大きくしていくと接合部にはたわみが生じる。さらに荷重を大きくしていくと縦桟４や格子５に変形が発生し、除荷後に接合部の残留変位が発生する。
【0016】
このようにして、各部材間の接合部および固定部に荷重やモーメントを載荷および除荷し、荷重の変化に対応した部材の変位や変形、残留変位等をグラフにプロットして記録することによって、全ての部材間の接合部および固定部の要素特性データを収集する。例えば柱部材１と基礎９との固定部のＺ方向のモーメントに関する要素試験の結果は、図５に示すようになる。
【0017】
半剛接合で接合される全ての接合部および固定部の要素特性データは、概ね図６に示すような非線形ばね特性を表す曲線のようになる。すなわち、接合部および固定部の構造特性は、いずれも非線形ばね特性で定義することができる。
【0018】
図５および図６に示す非線形ばねデータは、載荷時と除荷時の２つの経路を有している。載荷時には、荷重の変化に伴って曲線状に変位が変化する。この曲線は、接合部および固定部の荷重－変位曲線（載荷経路）を表す。除荷時には、載荷経路を辿って戻るわけではなく、除荷を開始した点から荷重０（ゼロ）のラインまである傾きを有する直線（除荷経路）を辿る。すなわち、荷重を完全に除荷しても、残留変位が生じる。これは、部材の変形や接合部のずれやねじ抜け等に由来する。荷重－変位曲線が初期の傾きから大きく変化する点または残留変位が顕著に大きくなる点は、接合部および固定部が破壊損傷または有害な変形に至る荷重レベルを表し、これを許容反力と定義することができる。
【0019】
（部材のモデル化）
建具１０の各部材は、いずれもビーム要素でモデル化することができる。ビーム要素には、各部材の断面２次モーメントや断面係数等の断面性能値を反映させて、各部材の構造特性を再現させている。図７に示すように、建具１０にビーム要素を適用したモデルには、ビーム要素上に四角形で示す複数の節点が定義される。この節点ごとに載荷される荷重の大きさや変位をコンピュータ解析することで、建具全体の強度性能を得ることができる。
建具１０の各部材は、いずれもビーム要素でモデル化することができる。ビーム要素には、各部材の断面２次モーメントや断面係数等の断面性能値を反映させて、各部材の構造特性を再現させている。図７に示すように、建具１０にビーム要素を適用したモデルには、ビーム要素上に四角形で示す複数の節点が定義される。この節点ごとに載荷される荷重の大きさや変位をコンピュータ解析することで、建具全体の強度性能を得ることができる。
【0020】
モデリングをビーム要素のような単純な要素で行い、部材間の接合部および建具１０の固定部の構造特性を要素試験によって収集したデータに基づいて非線形ばねで定義して行うことで、載荷および除荷時の接合部および固定部のずれや外れなどの挙動を再現可能となっている。これにより、精細な３次元モデルの作成にかかる時間と工数を短縮し、建具１０の強度性能を短時間で計算・確認することができる。
【0021】
一度モデル化した物体の部材を一部変更する場合には、変更した部材の断面性能値と接合部の構造特性データを適用して修正することで、新たな物体について簡単にモデル化することができる。特に、モデリング方法を例えば柱部材１と上下桟２，３を共通として縦桟４および格子５のデザインのみを変更するようなプラットフォーム設計の建具などに適用すれば、柱部材１と上下桟２，３の構造特性データを流用し、他の部材の構造特性データを新たに求めるだけでよいので、モデリング時間や工数が削減され好適である。
【0022】
（解析装置）
本実施形態に係るＣＡＥ解析を実行する装置を、ＣＡＥ解析装置２０と称する。図１０に示すようにＣＡＥ解析装置２０は、ＣＡＤデータ取得部２１と、モデル適用部２２と、要素特性データ取得部２３と、構造特性定義部２４と、解析部２５と、を有して構成される。
本実施形態に係るＣＡＥ解析を実行する装置を、ＣＡＥ解析装置２０と称する。図１０に示すようにＣＡＥ解析装置２０は、ＣＡＤデータ取得部２１と、モデル適用部２２と、要素特性データ取得部２３と、構造特性定義部２４と、解析部２５と、を有して構成される。
【0023】
ＣＡＤデータ取得部２１は、予め用意された建具１０の各部材の解析対象領域を表すＣＡＤデータを取得し、モデル化処理用のデータに変換する。モデル適用部２２は、取得した建具１０の解析領域を示すデータに基づき、図７に示すように当該解析領域に存在する各部材のモデルとしてビーム要素を適用する。要素特性データ取得部２３は、要素試験によって予め収集された各２つの部材間の接合部ごとの要素特性データを取得し、モデルに適用するためのデータに変換する。構造特性定義部２４は、取得した２つの各部材間の接合部ごとの要素特性データを、建具１０の部材間の接合部の構造特性データとして適用する。解析部２５は、モデル化され接合部の構造特性を定義された建具１０全体について解析を行う。
【0024】
解析部２５は、要素特性データの非線形ばね曲線の有する載荷経路と除荷経路の内、いずれの経路を適用するかを自動判別する経路判別部２６を有する。経路判別部２６は、次の経路判別プログラムによって、解析に適用する経路を自動判別する。
【0025】
建具１０の解析の際には、非線形ばね挙動をトレースさせるために規定荷重を一定の増分ステップで載荷する。このとき、各接合部や固定部に定義した非線形ばねに作用する力Ｆiと、ばね変位Ｘiをモニタリングし、現在のステップのばね変位Ｘiと、１つ前のステップのばね変位Ｘi-1との差分ΔＸi＝Ｘi－Ｘi-1の値を確認することによって載荷・除荷の経路を判別する。すなわち、経路判別部２６は、ΔＸi≧０ならば変位が同じか大きくなる載荷経路、ΔＸi＜０ならば変位が小さくなる除荷経路であるとして、解析に適用する経路を自動判別する。
【0026】
解析部２５は、離散値である非線形ばねデータの各数値の中間部分を線形補間する演算機能を有する。これにより、ＦiおよびＸiが非線形ばねデータの各数値の中間の値をとる際に、非線形ばね特性曲線状の位置を同定することができる。
【0027】
（解析方法）
本開示のＣＡＥ解析方法は、互いに接合された複数の部材と、前記複数の部材間に形成された接合部と、を含む物体の強度性能を解析する方法であって、モデル化工程と、要素特性取得工程と、構造特性定義工程と、解析工程と、を有する。各工程について、図９に示すフローチャートに沿って説明する。
本開示のＣＡＥ解析方法は、互いに接合された複数の部材と、前記複数の部材間に形成された接合部と、を含む物体の強度性能を解析する方法であって、モデル化工程と、要素特性取得工程と、構造特性定義工程と、解析工程と、を有する。各工程について、図９に示すフローチャートに沿って説明する。
【0028】
モデル化工程では、ＣＡＤデータ取得部２１が解析対象物体のＣＡＤデータを受け取ってモデル化処理用のデータに変換する（ステップＳ１）。次いで、取得したＣＡＤデータに基づいて、図７に示すように当該解析領域に存在する各部材のモデルとしてビーム要素を適用する（ステップＳ２）。このとき、ビーム要素の寸法および節点数をユーザ設定に従って設定する。
【0029】
要素特性取得工程では、要素特性データ取得部２３が、要素試験によって予め収集された各２つの部材間の接合部ごとの要素特性データを取得する（ステップＳ３）。
【0030】
構造特性定義工程では、構造特性定義部２４が、取得した２つの各部材間の接合部ごとの要素特性データを適用して、建具１０の部材間の接合部の構造特性を定義する（ステップＳ４）。
【0031】
解析工程では、解析部２５が、建具１０全体について載荷時の荷重伝達を再現して解析を行い、結果を出力する（ステップＳ５）。図８は、図７に示す建具１０の右上に水平方向荷重をかけた場合の変位を表す解析シミュレーション結果（Ｘ方向の対称性を考慮した１／２モデル）である。図８中、直線は荷重を載荷しない場合のモデルの原点位置を表し、節点の色が白くなるほどモデルの変位が大きいことを示している。
【0032】
接合部および固定部の構造特性データを非線形ばね特性で定義したことにより、載荷および除荷時の接合部および固定部のずれや外れなどの挙動を再現した解析が可能になるとともに、解析モデルを簡易化して短時間で強度解析できるため、実機試験の試験数を削減し、開発期間の短縮が期待できる。
【0033】
さらに解析工程は、要素特性データの非線形ばね曲線の有する載荷経路と除荷経路の内、いずれの経路を適用するかを自動判別する経路判別工程を有する。経路判別工程では、経路判別部２６がプログラム（ユーザーサブルーチン）によって、解析に適用する経路を自動判別する(ステップＳ６)。
【0034】
すなわち、一定の増分ステップで荷重を載荷しながら各接合部や固定部に定義した非線形ばねのばね変位をモニタリングし、現在のステップのばね変位からの１つ前のステップのばね変位との差分を算出し、差分の正負によって載荷・除荷の経路を判別する。すなわち経路判別部２６は、変位の差分が正ならば載荷経路、負ならば除荷経路と判別する。解析部２５は、経路判別部の判別結果に基づいて、非線形ばね特性曲線を適用して解析を実施する。
【0035】
本実施形態のＣＡＥ解析方法について説明した。本実施形態の解析方法によれば、以下の効果を奏する。
【0036】
本実施形態のＣＡＥ解析方法は、互いに接合された複数の部材（例えば、柱部材１と上桟２）と、前記複数の部材間に形成された接合部と、を含む建具１０をモデル化してＣＡＥ解析を行うＣＡＥ解析方法であって、与えられた前記複数の部材の解析対象領域を表すデータに基づき、前記複数の部材をビーム要素でモデル化するモデル化工程と、与えられた前記接合部の解析対象領域を表すデータに基づき、前記複数の部材のうちの２つの部材間に、その前記接合部の構造特性に非線形ばね特性を適用して定義する構造特性定義工程と、前記モデル化された複数の部材および前記構造特性を定義された接合部について強度解析を行う解析工程と、を有する。これにより、載荷および除荷時の接合部および固定部のずれや外れなどの挙動を再現した解析が可能になるとともに、解析モデルを簡易化して短時間で強度解析できるため、実機試験の試験数を削減し、開発期間の短縮が期待できる。
【0037】
前記非線形ばね特性は、前記接合部に対して実際に載荷および除荷を行う要素試験によって得られたものである。これにより、実際の部材間の接合部の構造特性を適用するため、部材間の接合部の挙動をより正確に再現でき、固定部および接合部の反力が許容反力に対して、どれくらい余裕があるか、あるいは、どれくらい超過しているか、を定量的に判断することが可能となり、解析精度が向上する。
【0038】
前記解析工程は、前記要素試験で得られた前記非線形ばね特性の、載荷経路と除荷経路を自動判別する経路判別工程を有する。これにより、部材間の接合部の非線形ばね特性をより高精度に適用して使用できる。
【0039】
本実施形態のＣＡＥ解析装置２０は、互いに接合された複数の部材と、前記複数の部材間に形成された接合部と、を含む建具１０をモデル化してＣＡＥ解析を行うＣＡＥ解析装置であって、与えられた前記複数の部材のＣＡＤデータに基づき、前記複数の部材にビーム要素を適用してモデル化するモデル適用部２２と、与えられた前記接合部のＣＡＤデータに基づき、前記接合部の構造特性に非線形ばね特性を適用して定義する構造特性定義部２４と、前記モデル化された複数の部材および前記構造特性を定義された接合部について強度解析を行う解析部２５と、を有する。これにより、載荷および除荷時の接合部および固定部のずれや外れなどの挙動を再現した解析が可能になるとともに、解析モデルを簡易化して短時間で強度解析できるため、実機試験の試験数を削減し、開発期間の短縮が期待できる。
【0040】
前記接合部に対して実際に載荷および除荷を行う要素試験によって得られる前記非線形ばね特性データを取得する要素特性データ取得部２３を有する。これにより、実際の部材間の接合部の構造特性を適用するため、部材間の接合部の挙動をより正確に再現でき、解析精度が向上する。
【0041】
解析部２５は、前記要素試験で得られた前記非線形ばね特性データの載荷経路と除荷経路を自動判別する経路判別部２６を有する。これにより、部材間の接合部の非線形ばね特性をより高精度に適用して使用できる。
【0042】
本開示のＣＡＥ解析方法およびＣＡＥ解析装置は、上記の実施形態に限定されない。例えば建具以外にも、半剛接合の部材同士の接合部を有する物体であれば、本開示のＣＡＥ解析方法を適用することができる。さらに本開示のＣＡＥ解析方法を、半剛接合と、ピン接合や剛接合の接合部分をいずれも有する部材に、他のＣＡＥ解析方法と組み合わせて適用することも可能である。
【符号の説明】
【0043】
１０…建具、１…柱部材、２…上桟、３…下桟、４…縦桟、５…格子、９…基礎、１１…固定治具、１２…留具、１３…ボルト、２０…ＣＡＥ解析装置、２１…ＣＡＤデータ取得部、２２…モデル適用部、２３…要素特性データ取得部、２４…構造特性定義部、２５…解析部、２６…経路判別部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】