実在ホテルのロビーにおける換気シミュレーションです。
適切に換気をしないと空間に淀む部分ができてしまい、新鮮な空気が置換されにくくなります。
この効率の良し悪しをCFDによって可視化することで最も効率的な空調の条件を評価します。

技術情報

使用ツール

Fluent

キーワード

コロナ、ウイルス、換気、空調、拡散、飛散

詳細

解析モデル

• 実在ホテルのロビーのモデル

実際の吸気口と排気口の位置

• 換気系統図から、実際の位置・換気口の種類やサイズ・流量を設定

左：換気口の種類・流量・寸法／右：換気口寸法

メッシュ

解析結果

• 速度コンター図

• 速度ベクトル図（断面１）

• 速度ベクトル図（断面２）

事例は以上です。

電車内で荷物を載せる網棚は、下の写真のような部品（ハンガー）で壁面で固定支持されています。
電車がより多くの人や荷物を運ぶためには、ハンガーのような個々の部品も含めて車両の軽量化が大変重要です。
耐荷重性能を満たしつつ贅肉をそぎ落としたハンガーの形状を、トポロジー最適化で求めた事例です。

• 最大応力を制約条件として質量を最小化
• レベルセット法により最適化

技術情報

使用ツール

Ansys Workbench
SpaceClaim

キーワード

トポロジー最適化、密度法、レベルセット法

詳細

解析モデル

• 制約条件：最大応力 3.0[MPa]以下
• 目的条件：質量最小化
• 材料：構造用鋼
• 初期質量：1.48[kg]
• 減肉対象：フレーム部（リングと壁面取付部以外）

解析結果

形状と質量

• 質量：71[%]減　0.44[kg]

応力

• 最大相当応力＜3.0[MPa]

技術コラム

トポロジー最適化（Topology Optimization）

トポロジー最適化とは、荷重など決められた設計条件下で、制約条件（例えば質量・応力・部材サイズなど）満たした上で、要求する性能（例えば軽量化）を最大限得られる構造・形状を求める方法です。

孔を空けるなど形態を変更できるため自由度が高いという特徴があります。
対象パターン、抜き方向、抜き勾配、空洞回避などの製造制約も設定できます。

レベルセット法

レベルセット法では領域の輪郭の曲線状態（収縮、膨張、曲率変化等）を偏微分方程式により表し、状態変化させながら必要な領域を判定する方法です。
曲線を変化させながら解くため滑らかな形状を保つことができます。

引用元：倉爪亮, レベルセット法の実装について

密度法（SIMP法）

有限要素のグリッドに領域を離散化します。 独立した各領域要素の密度を変化させながら必要な領域、除去する領域を判定する方法です。

引用元：トポロジー最適化のためのSIMPメソッド

技術情報

使用ツール

LS-DYNA R10.1.0
LS-PrePost 4.6

解析手法

1. 破壊解析（要素削除）
2. 破壊解析（SPH法）
3. クラック解析

キーワード

鉄筋コンクリート、陽解法動解析、衝撃解析、破壊解析、粒子法、SPH法、クラック

詳細

解析モデル

• 左右端部固定されたコンクリートスラブに鉄球が衝突
• 鉄筋：弾塑性体
• 鉄球：剛体

解析結果

破壊解析１（要素削除）

• 衝突面の裏側が大きく損傷する裏面剥離が発生
• 衝突部は損傷、破壊により応力は低くなり、両端部の応力が高くなる

破壊解析２（SPH法）

• 破壊解析1と同様に裏面剥離が発生
• SPH要素によりコンクリートの破片が飛散する様子が分かる

クラック解析

• 衝突部が破損しないため、中央部の応力が高くなる
• ひび割れの状態を可視化

事例は以上です

技術コラム

鉄筋コンクリート

構造物が破壊する際には、材料や荷重条件などによっていくつかの破壊形態があります。
鉄筋コンクリートは鉄筋とコンクリートを組み合わせた構造で、それぞれの特徴を生かした構造部材として一般的に使われます。
コンクリートは大きな圧縮荷重を負担することができますが、塑性変形をほとんど伴わない脆性破壊をする材料の代表例です。一方、鉄筋は引張や曲げ荷重に強く、破断する時は金属の代表的な破壊形態である延性破壊となります。

LS-DYNAでは、破壊基準を満たした要素を削除することで破壊を表現できます。ひずみや応力等の複数の破壊基準の中からどの基準を使うかは、ユーザーがモデルの破壊形態を理解して選択する必要があります。

粒子法（SPH法）

Smoothed Particle Hydrodynamics 法 (SPH法)は流体力学や材料力学にて用いられる微分方程式の数値解析手法の一つで、粒子法の一種です。粒子法は対象となる連続体を有限個の粒子の集団に置き換え、ナビエ・ストークス方程式などの連続体の支配方程式を元に導かれる粒子間相互作用に従って粒子を移動させる手法です。

SPH法は物体が破断したり小さな破片や飛沫が飛び散ったりするような現象も自然に計算可能であるため、流体の飛散や航空機エンジンのバードストライクなどの解析に使用されています。

JIS規格のボルトの寸法パラメータを設定するだけで自動CADモデル作成ツールを開発しました。
ツールを使った強度解析の事例です。

1. JIS規格ボルトのCADモデルを簡単に作成
2. 寸法パラメータ入力から解析実行までExcelのGUI上で完結

技術情報

使用ツール

ANSYS SpaceClaim
Mechanical APDL 2020R2
Altair HyperMesh 2019
ExcelVBA

キーワード

自動化、品質向上、生産性向上、JIS規格、ボルト、ねじ

詳細

解析モデル

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• ボルト形状をSpace Claimで自動作成

• 要素数増加を抑えながらねじ山の接触に適したメッシュを自動作成

解析結果

• 境界条件等を設定して計算を実行、結果を評価
• ANSYS Mechanicalで計算実行

事例は以上です

流体と固体が相互に力を及ぼす事象のシミュレーション例です。

1. ALE法を用いることで流体力を受ける構造物の解析が可能
2. 水の挙動についても再現することが可能
3. 解の発散等もなく、比較的短時間で解析実施

ポイント

• 衝突などの構造の非線形陽解法をイメージされる場合が多いLS-DYNAで、構造流体連成解析を実施
• 複雑な現象でありながら、スーパーコンピュータなどの特別ではない環境上で比較的短時間で計算可能
  (弊社環境のﾜｰｸｽﾃｰｼｮﾝで飛翔体が剛体：約10分、飛翔体が弾塑性体：約150分）

水面へ衝突する小型飛翔体

技術情報

使用ツール

LS-PrePost 4.6、LS-DYNA R10.1.0　

キーワード

構造流体連成、FSI、ALE法、陽解法動解析

流体構造連成（FSI：Fluid Structure Interaction）

流体－構造連成解析は、流体と構造の相互作用を含む解析のことです。
略してFSIと呼ばれることがあります。

一般的に、流体解析と構造解析で異なるソルバーを用いることが多いため、流体と構造を別々に解析するシーケンシャル法が一般的に用いられます。
流体→構造（または構造→流体）の一方通行でデータを渡す片方向連成解析と、流体→構造と構造→流体の双方向でデータをやり取りする双方向連成解析があります。

引用元:サイバネットシステム株式会社様HP

LS-DYNAのALE法（Arbitrary Lagrangian and Eularian Method）

ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）法は、移動する物体を含む解析など、境界面が移動する問題に対する解析手法の一種です。

流体運動の記述には、観測点（節点）が空間に固定されているオイラーの方法と、流体粒子とともに移動するラグランジュの方法とがあります。

ALE法はこれらの中間的な方法で、観測点を流体粒子の運動とは独立に物体や界面の運動に関連付けて任意に移動させて計算を行います。

引用元：株式会社ソフトウェアクレイドル様HP

解析結果

以下詳細（上級者向け）

★閲覧するには右側の「V」をクリック

解析モデル

• 小型飛翔体（全長：1m、重量：150kg）
• 海面に衝突する現象を再現

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• 要素／節点数：50万以上

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• ANSYS Workbenchのエンジニアリングデータの値を使用
• LS-DYNAのチュートリアル参考

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• 空気層、海面をALE空間に設定

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• LAGRANGEモデルとEulerモデルのFSIカップリングを設定

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• 飛翔体に局所座標系を作成し、局所座標系Y軸方向に設定

解析結果

• 飛翔体は弾塑性体、入射角45度（水面と飛翔体中心軸のなす角）の場合
• ステップ終了時間　0.02秒
• 時間ステップ　プログラムによるコントロールで実施

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事例は以上です。

本事例では、剥離解析手法であるVCCT法・CZM法について、複合材の層間破壊靱性を評価する標準試験法であるDCB試験・ENF試験をそれぞれ模擬し実験結果と比較することで、解析手法による差異を比較・考察しました。

1. 剥離解析手法としてVCCT法およびCZM法の比較
2. 実験値との比較による解析の妥当性検証
3. メッシュサイズの影響評価

技術情報

使用ツール

Ansys Mechanical APDL 2020 R2

キーワード

剥離解析、亀裂解析、 結合力モデル/粘着領域モデル法（CZM：Cohesive Zone Model)、 仮想亀裂閉口法（VCCT：Virtual Crack Closure Technique）、 DCB、 ENF

詳細

解析モデル

• JIS K 7086に定めるDCB試験、ENF試験を模擬
• 材料：APC2 (AS4/PEEK) 一方向材
• 要素サイズ：1mm
• 境界条件
  • ENF：3点曲げ
  • DCB：片端固定、切欠き端開口

解析結果

• DCB試験解析において、CZM法、VCCT法ともに実験結果の破壊形態を模擬することができました。
• CZMでは全般的に実験値より大きな荷重を示していますが、破壊強度や破壊エネルギーを実現象に合わせこんだり、メッシュサイズを調整することによって更に精度を上げることが可能です。

DCB試験

ENF試験

実験値引用元：日本造船学会論文集第173号「先進複合材料の損傷許容性評価に関する研究」

事例は以上です。

技術コラム

DCB試験（Double Cantilever Beam test）

破壊力学におけるモードI破壊靭性を測定する標準試験法です。貼り合わせた2枚の板を、開くように荷重を負荷することで、層間にモードI(開口)変形状態を与えます。主に積層構造を持つ複合材の層間破壊靭性測定に用いられます。

参考：一般社団法人日本機械学会　機械工学辞典、Structural Integrity and Durability of Advanced Composites, 2015

ENF試験（End-Notched Flexure test）

破壊力学におけるモードII破壊靭性を測定する標準試験法です。切欠きを設けた二重片持ち梁を3点曲げすることで、層間にモードII(面内せん断)変形状態を与えます。DCB試験に並び、主に積層構造を持つ複合材の層間破壊靭性測定に用いられます。

参考：一般社団法人日本機械学会　機械工学辞典、Structural Integrity and Durability of Advanced Composites, 2015

事例は以上です