JP2010230644A - Structural analysis apparatus and structural analysis method - Google Patents

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JP2010230644A JP2009210266A JP2009210266A JP2010230644A JP 2010230644 A JP2010230644 A JP 2010230644A JP 2009210266 A JP2009210266 A JP 2009210266A JP 2009210266 A JP2009210266 A JP 2009210266A JP 2010230644 A JP2010230644 A JP 2010230644A
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和夫 島村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform breakage generating prediction of high accuracy and high versatility. <P>SOLUTION: This structural analysis apparatus performs numerical analysis of a structure including breakage using a finite element method of virtually dividing the structure into a plurality of elements and calculating change in each element. This structure analyzer includes a breaking strain storing means 4 for storing the breaking strain in each element in association with the stress three-axis degree of the element and the size of the element, a breakage determining means 6 for determining the breakage in each element based on the breaking strain stored in the breaking strain storing means 4, and a calculating means 8 for calculating the change in each element based on a change condition different depending on the determination result of the breakage determining means 6. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析装置及び構造解析方法に関するものである。   The present invention provides a structural analysis apparatus and a structural analysis for performing numerical analysis of the structure including fracture using a finite element method that virtually divides the structure into a plurality of elements and calculates a change in each of the elements. It is about the method.

例えば、ジェットエンジンのファンケース等では、ファンブレードが不測の事態により飛散した場合であっても、飛散片が突き抜けない設計が要求される。
鋼板に対する飛散片の突き抜けに対する予測式には、例えば、Stanford式やBRL式等の実験式がある。
一方で、既存の数値シミュレーションコードを有限要素法に適用し、破壊を含めた構造物の数値解析によって上記高速衝突問題における破壊発生予測を行う方法が提案されている。
For example, a fan case of a jet engine or the like is required to have a design in which the flying pieces do not penetrate even when the fan blades are scattered due to an unexpected situation.
For example, there are experimental formulas such as the Stanford formula and the BRL formula as prediction formulas for the penetration of the scattering pieces with respect to the steel plate.
On the other hand, a method has been proposed in which an existing numerical simulation code is applied to the finite element method, and the occurrence of fracture in the high-speed collision problem is predicted by numerical analysis of a structure including fracture.

なお、このような高速衝突問題における破壊発生予測は、ジェットエンジンの分野のみで行われるものではなく、高速で移動する物体が所定の構造物に衝突する可能性のある分野全般で行われている。   In addition, the occurrence of fracture in such a high-speed collision problem is not only performed in the field of jet engines, but is performed in general fields in which an object moving at high speed may collide with a predetermined structure. .

特開平8−61086号公報JP-A-8-61086 特開2005−283130号公報JP-A-2005-283130

しかしながら、上述の実験式を用いた破壊発生予測は、実験式の適用範囲が限られていることから、実際の設計条件において厳密な予測を行うが難しい。このため、実際の設計において実験式を用いた破壊発生予測を行う場合には、大きな安全率を設定する必要がある。つまり、実験式を用いた破壊発生予測では精度の高い破壊発生予測を行うことができない。したがって、構造物に対する安全対策が本来必要とされる条件に対して過剰になりやすい。   However, it is difficult to predict the occurrence of fracture using the above empirical formula because it has a limited range of application of the empirical formula, and it is difficult to make a strict prediction under actual design conditions. For this reason, it is necessary to set a large safety factor when performing fracture occurrence prediction using empirical formulas in actual design. In other words, the failure occurrence prediction using the empirical formula cannot be performed with high accuracy. Therefore, the safety measures for the structure are likely to be excessive with respect to the conditions for which they are originally required.

これに対して、有限要素法において既存の数値シミュレーションコードを適用して行う破壊発生予測は、精度の高い予測を行うことができる。
しかしながら、このような破壊発生予測は、実験式を用いた破壊発生予測と比較すれば適用範囲が広いものの、非特許文献1のように、所定の条件の下において取得された数値シミュレーションコードを用いる。このため、条件の変化により、構造物の複数の要素に分割した際の各要素の要素サイズや、各要素の応力三軸度が変化した場合に、正確な破壊発生予測を行える保証はない。このため、有限要素法において既存の数値シミュレーションコードを適用して行う破壊発生予測は、汎用性が低いという問題を有している。
On the other hand, the fracture occurrence prediction performed by applying an existing numerical simulation code in the finite element method can be performed with high accuracy.
However, such a fracture occurrence prediction uses a numerical simulation code acquired under a predetermined condition as in Non-Patent Document 1, although the application range is wider compared to the fracture occurrence prediction using an empirical formula. . For this reason, there is no guarantee that accurate fracture occurrence prediction can be performed when the element size when the element is divided into a plurality of elements of the structure or the stress triaxiality of each element changes due to a change in conditions. For this reason, the failure occurrence prediction performed by applying an existing numerical simulation code in the finite element method has a problem of low versatility.

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、精度が高くかつ汎用性の高い破壊発生予測を可能とすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to predict fracture occurrence with high accuracy and high versatility.

本発明は、上記課題を解決するための手段として以下の構成を採用する。   The present invention adopts the following configuration as means for solving the above-described problems.

第1の発明は、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析装置であって、各上記要素における破壊歪を当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶する破壊歪記憶手段と、該破壊歪記憶手段に記憶された上記破壊歪に基づいて各上記要素における破壊の判定を行う破壊判定手段と、該破壊判定手段の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各上記要素における変化を算出する算出手段とを備えるという構成を採用する。   A first invention is a structural analysis apparatus that performs numerical analysis of the structure including fracture using a finite element method that virtually divides the structure into a plurality of elements and calculates a change in each of the elements. A fracture strain storage means for storing the fracture strain in each of the elements in association with the stress triaxiality of the element and the element size of the element, and based on the fracture strain stored in the fracture strain storage means A configuration is adopted in which a destruction determination unit that determines the destruction of each of the above elements and a calculation unit that calculates a change in each of the above elements based on a change condition that varies depending on the determination result of the destruction determination unit.

第2の発明は、上記第1の発明において、上記破壊歪記憶手段は、上記応力三軸度と上記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けて各上記要素における破壊歪を記憶するという構成を採用する。   According to a second invention, in the first invention, the fracture strain storage means stores a fracture strain in each of the elements in association with a strain rate in addition to the stress triaxiality and the element size. adopt.

第3の発明は、上記第1または2の発明において、各上記要素における応力と歪との関係を当該要素における歪速度に関連付けて記憶する応力歪関係記憶手段を備え、上記算出手段が、該応力歪関係記憶手段に記憶された上記応力と歪との関係に基づいて各上記要素における変化を算出するという構成を採用する。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a stress-strain relationship storage unit that stores a relationship between stress and strain in each of the elements in association with a strain rate in the element is provided. A configuration is adopted in which a change in each element is calculated based on the relationship between the stress and strain stored in the stress-strain relationship storage means.

第4の発明は、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析方法であって、各上記要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けられた破壊歪関連データを用いて各上記要素における破壊を判定し、破壊の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各上記要素における変化を算出するという構成を採用する。   A fourth invention is a structural analysis method for performing numerical analysis of the structure including fracture using a finite element method that virtually divides the structure into a plurality of elements and calculates a change in each of the elements. In addition, the fracture strain in each of the above elements is determined by using the fracture strain related data associated with the stress triaxiality of the element and the element size of the element, and varies depending on the determination result of the fracture. A configuration is adopted in which a change in each of the above elements is calculated based on a change condition.

第5の発明は、上記第4の発明において、上記破壊歪関連データにおいて各上記要素における破壊歪が、上記応力三軸度と上記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けられて記憶されているという構成を採用する。   In a fifth aspect based on the fourth aspect, the fracture strain in each element is stored in the fracture strain-related data in association with the strain rate in addition to the stress triaxiality and the element size. The configuration is adopted.

第6の発明は、上記第4または第5の発明において、各上記要素における応力と歪との関係が当該要素における歪速度に関連付けられた応力歪関係データを用いて各上記要素における変化を算出するという構成を採用する。   According to a sixth invention, in the fourth or fifth invention, a change in each element is calculated using stress-strain relationship data in which the relationship between stress and strain in each element is related to the strain rate in the element. Adopting a configuration to do.

本発明によれば、いわゆる有限要素法を用いて構造物の数値解析を行うため、従来の実験式を用いた破壊発生予測と比較して、精度高く破壊発生予測を行うことが可能となる。   According to the present invention, since the numerical analysis of the structure is performed using a so-called finite element method, it is possible to perform the failure occurrence prediction with higher accuracy than the failure occurrence prediction using the conventional empirical formula.

また、本発明によれば、各要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶され、この記憶された破壊歪に基づいて各要素における破壊の判定が行われる。すなわち、本発明によれば、要素の応力三軸度あるいは要素の要素サイズが変化した場合には、当該変化に応じて当該要素の破壊歪も変化する。
このため、本発明によれば、要素の応力三軸度及び要素の要素サイズが変化した場合であっても、当該変化に応じた適切な数値解析を行うことが可能となる。したがって、汎用性の高い破壊発生予測を行うことができる。
Further, according to the present invention, the fracture strain in each element is stored in association with the stress triaxiality of the element and the element size of the element, and the determination of the fracture in each element is made based on the stored fracture strain. Done. That is, according to the present invention, when the stress triaxiality of an element or the element size of an element changes, the fracture strain of the element also changes according to the change.
For this reason, according to the present invention, even when the stress triaxiality of the element and the element size of the element are changed, it is possible to perform an appropriate numerical analysis corresponding to the change. Therefore, it is possible to predict the occurrence of destruction with high versatility.

よって、本発明によれば、精度が高くかつ汎用性の高い破壊発生予測を行うことが可能となる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to perform fracture prediction with high accuracy and high versatility.

本発明の一実施形態の構造解析装置の概略構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows schematic structure of the structure analysis apparatus of one Embodiment of this invention. SUS304からなる試験片に対して、歪速度0.001/sとなるように引張試験を行った結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having performed the tension test with respect to the test piece which consists of SUS304 so that it may become strain rate 0.001 / s. SUS304からなる試験片に対して、歪速度をパラメータとして変化させた場合における係数αと係数βの変化を示す試験結果である。It is a test result which shows the change of coefficient (alpha) and coefficient (beta) when changing the strain rate as a parameter with respect to the test piece which consists of SUS304. SUS304からなる試験片に対して行ったねじり試験を行った結果と、同様の試験片を用いた数値シミュレーション結果とを用いることによって得られる応力三軸度と破壊歪との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the stress triaxiality obtained by using the result of having performed the torsion test performed with respect to the test piece which consists of SUS304, and the numerical simulation result using the same test piece, and a fracture | rupture strain. . 図4に示すグラフを取得するための試験片を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the test piece for acquiring the graph shown in FIG. ねじり試験機から取得した回転角とトルクの関係と、上述の有限要素法を用いた数値シミュレーションから取得した回転角とトルクの関係とを示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the rotation angle and torque which were acquired from the torsion tester, and the relationship between the rotation angle and torque which were acquired from the numerical simulation using the above-mentioned finite element method. 数値シミュレーションから得られる回転角と相当塑性歪の関係及び最大トルク時ねじれ角を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the rotation angle obtained from numerical simulation, and an equivalent plastic strain, and the torsion angle at the time of a maximum torque. SUS304からなる試験片に対して、歪速度が0.0006/s、0.007/s、0.07/s、0.6/s、8.6/s、81/s、266/s、1037/sとなるように引張試験を行った結果を示すグラフである。For a test piece made of SUS304, the strain rate is 0.0006 / s, 0.007 / s, 0.07 / s, 0.6 / s, 8.6 / s, 81 / s, 266 / s, It is a graph which shows the result of having done the tension test so that it might become 1037 / s. 本発明の一実施形態の構造解析方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the structure analysis method of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の構造解析方法における算出工程を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the calculation process in the structure analysis method of one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して、本発明に係る構造解析装置及び構造解析方法の一実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of a structural analysis apparatus and a structural analysis method according to the present invention will be described with reference to the drawings.

本実施形態の構造解析装置Sは、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた構造物の数値解析を行うものであり、パーソナルコンピュータやワークステーションによって具現化される。
図1は、本実施形態の構造解析装置Sの概略構成を示す機能ブロック図である。この図に示すように構造解析装置Sは、要素作成部1、材料データ記憶部2、計算条件記憶部3、破壊歪記憶部4(破壊歪記憶手段)、応力歪関係記憶部5(応力歪関係記憶手段)、破壊判定部6(破壊判定手段)、降伏判定部7(降伏判定手段)、算出部8(算出手段)、評価部9、操作入力部10、及び出力部11を備えている。
The structural analysis apparatus S of the present embodiment performs numerical analysis of a structure including fracture using a finite element method that virtually divides a structure into a plurality of elements and calculates changes in each element. Yes, embodied by a personal computer or workstation.
FIG. 1 is a functional block diagram showing a schematic configuration of the structural analysis apparatus S of the present embodiment. As shown in this figure, the structural analysis apparatus S includes an element creation unit 1, a material data storage unit 2, a calculation condition storage unit 3, a fracture strain storage unit 4 (fracture strain storage unit), and a stress strain relation storage unit 5 (stress strain). A relationship storage unit), a destruction determination unit 6 (destruction determination unit), a yield determination unit 7 (yield determination unit), a calculation unit 8 (calculation unit), an evaluation unit 9, an operation input unit 10, and an output unit 11. .

要素作成部1は、操作入力部10からの指令に基づいて構造物を複数の要素に仮想的に分割するものである。
この要素作成部1は、例えば、数値解析において構造物の変化が大きいと推定される領域を小さな要素サイズの要素に分割し、変化が小さいと推定される領域を大きな要素サイズの要素に分割する。このように構造物の領域において要素サイズを変更することによって、数値解析の時間を短縮させると共に精度の高い予測を行うことが可能となる。なお、要素作成部1において、構造物を同じ大きさの要素サイズに均一に分割するようにしても良い。また、一度要素作成部1において作成された要素の要素サイズ及び要素形状は、操作入力部10を介して任意に変更可能とされている。
そして、本実施形態の構造解析装置Sにおいて要素作成部1は、各要素の要素サイズを記憶している。
The element creation unit 1 virtually divides a structure into a plurality of elements based on a command from the operation input unit 10.
For example, the element creating unit 1 divides an area estimated to have a large change in structure in numerical analysis into elements having a small element size, and divides an area estimated to have a small change into elements having a large element size. . Thus, by changing the element size in the region of the structure, it is possible to shorten the time for numerical analysis and perform highly accurate prediction. In addition, in the element creation part 1, you may make it divide | segment a structure into the element size of the same magnitude | size uniformly. In addition, the element size and the element shape of the element once created in the element creating unit 1 can be arbitrarily changed via the operation input unit 10.
And in the structure analysis apparatus S of this embodiment, the element creation part 1 has memorize | stored the element size of each element.

材料データ記憶部2は、数値解析を行うに当たり必要とされる上記構造物の材料データを記憶するものである。例えば、材料データ記憶部2は、構造物の密度、弾性変形領域における構造物の弾性定数(ヤング率)、塑性変形領域における構造物の弾性定数、及び降伏点を記憶している。そして、本実施形態の構造解析装置Sにおいては、破壊を含めた構造物の数値解析を可能とするために、材料データ記憶部2は、破壊後に用いる材料データも記憶している。
なお、これらの材料データは、例えば、操作入力部10を介して材料データ記憶部2に入力される。
The material data storage unit 2 stores the material data of the structure required for performing numerical analysis. For example, the material data storage unit 2 stores the density of the structure, the elastic constant (Young's modulus) of the structure in the elastic deformation region, the elastic constant of the structure in the plastic deformation region, and the yield point. And in the structural analysis apparatus S of this embodiment, in order to enable the numerical analysis of the structure including the destruction, the material data storage unit 2 also stores the material data used after the destruction.
In addition, these material data are input into the material data storage part 2 via the operation input part 10, for example.

計算条件記憶部3は、数値解析を行うに当たり必要とされる計算条件を記憶するものである。例えば、計算条件記憶部3は、各要素における境界条件、構造物に作用する荷重条件、構造物が複数の部品からなる場合における部品同士の接触条件、構造物の初期状態を示す初期条件、及びその他の計算式や計算パラメータを記憶している。そして、本実施形態の構造解析装置Sにおいては、破壊を含めた構造物の数値解析を可能とするために、計算条件記憶部3は、破壊後に用いる計算条件も記憶している。
なお、これらの計算条件は、例えば、操作入力部10を介して計算条件記憶部3に入力される。
The calculation condition storage unit 3 stores calculation conditions necessary for performing numerical analysis. For example, the calculation condition storage unit 3 includes a boundary condition in each element, a load condition acting on the structure, a contact condition between parts when the structure is composed of a plurality of parts, an initial condition indicating an initial state of the structure, and Other calculation formulas and calculation parameters are stored. And in the structural analysis apparatus S of this embodiment, in order to enable the numerical analysis of the structure including the destruction, the calculation condition storage unit 3 also stores the calculation conditions used after the destruction.
These calculation conditions are input to the calculation condition storage unit 3 via the operation input unit 10, for example.

破壊歪記憶部4は、各要素の破壊歪が、要素の応力三軸度(平均応力を相当応力で割った値)と要素の要素サイズと、要素における歪速度とに関連付けられた破壊歪関連データを記憶するものである。
なお、破壊歪関連データは、構造物を形成する材料に対する引張試験等により取得されるものであり、操作入力部10を介して破壊歪記憶部4に入力される。
The fracture strain storage unit 4 relates to fracture strain related to the fracture strain associated with the element triaxiality (value obtained by dividing the average stress by the equivalent stress), the element size of the element, and the strain rate of the element. Stores data.
The fracture strain related data is acquired by a tensile test or the like with respect to the material forming the structure, and is input to the fracture strain storage unit 4 via the operation input unit 10.

図2は、SUS304からなる試験片に対して、歪速度0.001/sとなるように引張試験を行った結果を示すグラフであり、横軸が要素サイズで縦軸が破断歪を示している。そして、この図から、要素サイズが大きくなるに連れて破壊歪が小さくなる、すなわち破壊歪が要素サイズに依存して変化することが分かる。   FIG. 2 is a graph showing the results of a tensile test performed on a test piece made of SUS304 so that the strain rate is 0.001 / s, where the horizontal axis indicates the element size and the vertical axis indicates the fracture strain. Yes. From this figure, it can be seen that the fracture strain decreases as the element size increases, that is, the fracture strain changes depending on the element size.

また、図2に示す実験結果から得られる近似直線は、下に示す近似式(1)によって表すことができる。なお、近似式(1)において、εが破壊歪を示し、Lが要素サイズを示し、α及びβが係数である。
ε=αLβ (1)
そして、図3は、要素サイズを一定とし、SUS304からなる試験片に対して、歪速度をパラメータとして変化させた場合における係数αと係数βの変化を示す試験結果である。この図から、歪速度に依存して係数α及び係数βが変化することが分かる。すなわち、この図から、歪速度に依存して破壊歪が変化することが分かる。
Moreover, the approximate straight line obtained from the experimental result shown in FIG. 2 can be represented by the approximate expression (1) shown below. In the approximate expression (1), ε f indicates fracture strain, L indicates element size, and α and β are coefficients.
ε f = αL β (1)
FIG. 3 shows test results showing changes in the coefficients α and β when the element size is constant and the test piece made of SUS304 is changed using the strain rate as a parameter. From this figure, it can be seen that the coefficient α and the coefficient β change depending on the strain rate. That is, it can be seen from this figure that the fracture strain changes depending on the strain rate.

図4は、試験片に対して行ったねじり試験を行った結果と、同様の試験片を用いた数値シミュレーション結果とを用いることによって得られる応力三軸度と破壊歪との関係を示すグラフであり、横軸が応力三軸度で縦軸が破壊歪を示している。そして、この図から、応力三軸度が小さくなるに連れて破壊歪が大きくなる、すなわち破壊歪が応力三軸度に依存して変化することが分かる。なお、図4に示すグラフは、図3と同様に、SUS304からなる試験片を用いて取得した。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the stress triaxiality and the fracture strain obtained by using the result of the torsion test performed on the test piece and the numerical simulation result using the same test piece. Yes, the abscissa indicates the stress triaxiality and the ordinate indicates the fracture strain. From this figure, it can be seen that the fracture strain increases as the stress triaxiality decreases, that is, the fracture strain changes depending on the stress triaxiality. In addition, the graph shown in FIG. 4 was acquired using the test piece which consists of SUS304 similarly to FIG.

ここで、図4で示すグラフの取得方法について説明する。
例えば、まず「F. A. McClintock, A Criterion for Ductile Fracture by the Growth of Holes, Journal of Applied Mechanics, June 1968, pp.363-371」に記載されている理論解を用いてグラフを描く。ただし、当該理論解では、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪が極大に求められる傾向がある。このため、応力三軸が極めてゼロに近い領域における破壊歪をねじり試験と数値シミュレーションにより測定し、当該測定値を用いて上記理論解を用いて得られるグラフを補正することによって図4に示すグラフを得る。詳細には、図4に示す曲線部分を上記理論解を用いて取得し、図4に示す直線部分をねじり試験によって取得する。なお、実際には引張試験を行うことによって、上記理論解の妥当性を確認することが好ましい。
Here, a method for obtaining the graph shown in FIG. 4 will be described.
For example, a graph is first drawn using the theoretical solution described in “FA McClintock, A Criterion for Ductile Fracture by the Growth of Holes, Journal of Applied Mechanics, June 1968, pp.363-371”. However, the theoretical solution tends to require a maximal fracture strain when the stress triaxiality is extremely close to zero. For this reason, the graph shown in FIG. 4 is obtained by measuring the fracture strain in the region where the stress triaxial is very close to zero by a torsion test and numerical simulation, and correcting the graph obtained by using the theoretical solution using the measured value. Get. Specifically, the curved portion shown in FIG. 4 is obtained using the above theoretical solution, and the straight portion shown in FIG. 4 is obtained by a torsion test. In practice, it is preferable to confirm the validity of the theoretical solution by conducting a tensile test.

次に、上記ねじり試験と数値シミュレーションとによって、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪を求める方法について説明する。
まず、図5に示すように、両端が大径で中央が小径とされた円柱形状の試験片100を用意する。この試験片100において両端100aは、ねじり試験機が把持する箇所である。また、試験片100の中央100bが破断するまでねじられる測定箇所である。
なお、試験片100の両端100aの径は、ねじり試験機の把持具の形態によって決められている。一方、試験片100の中央100bの径は、試験片100の破壊が、ねじり試験機の負荷容量の半分程度で生じるように設定されている。
そして、このような試験片100をねじり試験機によってねじり、最も大きな負荷が作用する試験片100の表層に亀裂が生じた際のトルク及び回転角(最大トルク時ねじれ角)を取得する。また、同時に回転角とトルクの関係を取得する。
Next, a method for obtaining the fracture strain when the stress triaxiality is extremely close to zero by the torsion test and the numerical simulation will be described.
First, as shown in FIG. 5, a cylindrical test piece 100 having both ends having a large diameter and a center having a small diameter is prepared. In this test piece 100, both ends 100a are locations where the torsion tester grips. Moreover, it is a measurement location twisted until the center 100b of the test piece 100 breaks.
The diameter of both ends 100a of the test piece 100 is determined by the shape of the gripping tool of the torsion tester. On the other hand, the diameter of the center 100b of the test piece 100 is set so that the destruction of the test piece 100 occurs at about half the load capacity of the torsion tester.
Then, such a test piece 100 is twisted by a torsion tester, and a torque and a rotation angle (a torsion angle at the maximum torque) when a crack occurs in the surface layer of the test piece 100 to which the largest load acts are obtained. At the same time, the relationship between the rotation angle and the torque is acquired.

続いて、有限要素法を用いた数値シミュレーションによって、回転角とトルクの関係、及び回転角と相当塑性歪の関係を計算により求める。なお、本数値シミュレーションは、試験片100の破壊を考慮せずに行う。また、本数値シミュレーションは、上述のねじり試験の前に行っても良い。   Subsequently, the relationship between the rotation angle and the torque and the relationship between the rotation angle and the equivalent plastic strain are obtained by calculation by a numerical simulation using the finite element method. The numerical simulation is performed without considering the destruction of the test piece 100. Further, this numerical simulation may be performed before the above-described torsion test.

続いて、図6に示すように、上述のねじり試験機から取得した回転角とトルクの関係と、上述の有限要素法を用いた数値シミュレーションから取得した回転角とトルクの関係とを比較して、当該数値シミュレーションの妥当性を確認する。
ここで、数値シミュレーションから取得した結果がねじり試験機から取得した結果と大きく異なり、妥当性に欠ける場合には、妥当性が得られるまで数値シミュレーションにおける計算条件を変更する。
Subsequently, as shown in FIG. 6, the relationship between the rotation angle and torque acquired from the above-described torsion tester and the relationship between the rotation angle and torque acquired from the numerical simulation using the above-mentioned finite element method are compared. Confirm the validity of the numerical simulation.
Here, when the result obtained from the numerical simulation is greatly different from the result obtained from the torsion tester and lacks validity, the calculation conditions in the numerical simulation are changed until the validity is obtained.

そして、数値シミュレーションから取得した結果の妥当性が得られた場合には、図7に示すように、当該数値シミュレーションから得られる上記回転角と相当塑性歪の関係から、上記最大トルク時ねじれ角における相当塑性歪を取得する。
なお、図7には、数値シミュレーションによって得られた回転角と応力三軸度の関係も示している。この図で示すように応力三軸度のスケールが表示目盛りの10分の1であり、応力三軸度は、最大トルク時ねじれ角に到達するまでに0〜0.01という極めてゼロに近い範囲で変化することが分かる。つまり、本数値シミュレーションによって得られる結果は、応力三軸度が極めてゼロに近い状態で得られるものである。
したがって、上述の最大トルク時ねじれ角における相当塑性歪は、応力三軸度が極めてゼロに近い状態における破壊歪を示す値である。
このようにして、ねじり試験と数値シミュレーションとによって、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪を求める。
Then, when the validity of the result obtained from the numerical simulation is obtained, as shown in FIG. 7, from the relationship between the rotation angle obtained from the numerical simulation and the equivalent plastic strain, the maximum torque twist angle is obtained. Acquire equivalent plastic strain.
FIG. 7 also shows the relationship between the rotation angle and the stress triaxiality obtained by numerical simulation. As shown in this figure, the scale of the stress triaxiality is one tenth of the display scale, and the stress triaxiality is in the range of 0 to 0.01, which is extremely close to zero, until reaching the torsion angle at the maximum torque. It can be seen that changes. That is, the result obtained by this numerical simulation is obtained in a state where the stress triaxiality is extremely close to zero.
Therefore, the equivalent plastic strain at the torsion angle at the maximum torque described above is a value indicating the fracture strain in a state where the stress triaxiality is extremely close to zero.
In this way, the fracture strain when the stress triaxiality is extremely close to zero is obtained by the torsion test and the numerical simulation.

なお、図6及び図7に示すように、ねじり試験機の測定誤差等を考慮して、複数の試験片100を用いて複数の最大トルク時ねじれ角を取得することが好ましい。そして、破壊歪を求める際には、より安全を考慮して、例えば、複数の最大トルク時ねじれ角のうち、最も値が小さいものを採用する。   As shown in FIGS. 6 and 7, it is preferable to obtain a plurality of maximum torque twist angles using a plurality of test pieces 100 in consideration of a measurement error of a torsion tester. And when calculating | requiring a fracture | rupture distortion | strain, considering safety | security, the thing with the smallest value is employ | adopted among several torsion angles at the time of maximum torque, for example.

そして、上述の理論解を用いて得られるグラフを、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪を上限値として切欠くことによって、図4で示す、応力三軸度と破壊歪との関係を示すグラフの取得することができる。   Then, the graph obtained using the above theoretical solution is notched with the fracture strain when the stress triaxiality is very close to zero as the upper limit value, and the stress triaxiality and fracture strain shown in FIG. A graph showing the relationship can be acquired.

図2〜図4に示した試験結果から分かるように、破壊歪は、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度に依存して変化する。
そして、破壊歪記憶部4には、上記応力三軸度、要素サイズ、歪速度をパラメータとして、破壊歪が記憶されている。
As can be seen from the test results shown in FIGS. 2 to 4, the fracture strain changes depending on the stress triaxiality of the element, the element size of the element, and the strain rate of the element.
The fracture strain storage unit 4 stores the fracture strain using the stress triaxiality, element size, and strain rate as parameters.

なお、実際に数値解析を行う場合には、構造物が多量の要素に分割され、さらに各要素における応力三軸度、要素サイズ及び歪速度が時々刻々と変化するため、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度を細かく設定した場合には、計算負荷及び記憶容量が膨大となる虞がある。このため、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度を、構造解析装置Sの解析能力に応じて、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度をある一定の範囲ごとにグルーピングするようにしても良い。例えば、構造解析装置Sの解析能力が低い場合には、例えば要素の要素サイズを大、中、小の3つにグルーピングしても良い。   In actual numerical analysis, the structure is divided into a large number of elements, and the stress triaxiality, element size, and strain rate of each element change from moment to moment. If the element size of the element and the distortion speed in the element are set finely, the calculation load and the storage capacity may become enormous. For this reason, the stress triaxiality of the element, the element size of the element, and the strain rate in the element have the triaxiality of the element, the element size of the element, and the strain rate in the element according to the analysis capability of the structural analysis apparatus S. You may make it group by every fixed range. For example, when the analysis capability of the structural analysis apparatus S is low, for example, the element sizes of elements may be grouped into three, large, medium, and small.

図1に戻り、応力歪関係記憶部5は、要素における応力と歪との関係を示す曲線が、要素における歪速度に関連付けられた応力歪関係データを記憶するものである。
なお、応力歪関係データは、破壊歪関連データと同様に、構造物を形成する材料に対する引張試験等により取得されるものであり、操作入力部10を介して応力歪関係記憶部5に入力される。
Returning to FIG. 1, the stress-strain relationship storage unit 5 stores stress-strain relationship data in which a curve indicating the relationship between stress and strain in an element is associated with the strain rate in the element.
Note that the stress-strain related data is acquired by a tensile test or the like for the material forming the structure, like the fracture strain-related data, and is input to the stress-strain related storage unit 5 via the operation input unit 10. The

図8は、SUS304からなる試験片に対して、歪速度が0.0006/s、0.007/s、0.07/s、0.6/s、8.6/s、81/s、266/s、1037/sとなるように引張試験を行った結果を示すグラフであり、横軸が歪で縦軸が応力を示している。そして、この図から、歪速度が変化することによって応力と歪の関係を示す曲線が変化することが分かる。
そして、応力歪関係記憶部5は、歪速度をパラメータとして、応力と歪の関係を示す曲線を複数記憶している。
FIG. 8 shows a strain rate of 0.0006 / s, 0.007 / s, 0.07 / s, 0.6 / s, 8.6 / s, 81 / s, and a test piece made of SUS304. It is a graph which shows the result of having done the tension test so that it may become 266 / s and 1037 / s, and a horizontal axis shows distortion and a vertical axis shows stress. From this figure, it can be seen that the curve indicating the relationship between stress and strain changes as the strain rate changes.
The stress-strain relationship storage unit 5 stores a plurality of curves indicating the relationship between stress and strain using the strain rate as a parameter.

破壊判定部6は、破壊歪記憶部4に記憶された破壊歪関連データ(すなわち破壊歪)に基づいて当該要素を含む領域が破壊されたか否かを判定するものである。
この破壊判定部6は、算出部8から入力される要素の応力三軸度と、材料データ記憶部2に記憶された要素サイズとに基づいて、破壊歪関連データを参照して当該要素の破壊歪を算出し、算出部8から入力される要素における応力と算出した破壊歪とを比較して破壊の判定を行う。なお、破壊判定部6は、算出部8から入力される要素における応力が算出した破壊歪を上回る場合に、破壊されたと判定する。
The destruction determination unit 6 determines whether or not the region including the element has been destroyed based on the destruction strain related data (that is, the destruction strain) stored in the destruction strain storage unit 4.
The destruction determination unit 6 refers to the fracture strain related data based on the stress triaxiality of the element input from the calculation unit 8 and the element size stored in the material data storage unit 2. The strain is calculated, and the stress in the element input from the calculation unit 8 is compared with the calculated fracture strain to determine the fracture. The destruction determination unit 6 determines that the element has been destroyed when the stress at the element input from the calculation unit 8 exceeds the calculated fracture strain.

降伏判定部7は、要素が降伏したか否かを判定するものである。
この降伏判定部7は、算出部8から入力される要素における応力が、構造物を形成する材料の降伏点を超えているか否かで要素が降伏したか否かを判定する。なお、降伏判定部7は、算出部8から入力される応力が降伏点を超えている場合に要素が降伏したと判定する。
The yield determination unit 7 determines whether or not the element has yielded.
The yield determination unit 7 determines whether or not the element has yielded based on whether or not the stress in the element input from the calculation unit 8 exceeds the yield point of the material forming the structure. The yield determination unit 7 determines that the element has yielded when the stress input from the calculation unit 8 exceeds the yield point.

なお、構造物の形成材料の降伏点が歪速度に依存して変化する場合には、降伏点が歪速度に関連付けられたデータを用意し、降伏判定部7が当該データを参照して降伏点を算出するようにしても良い。   When the yield point of the material forming the structure changes depending on the strain rate, the yield point is prepared with data associated with the strain rate, and the yield determination unit 7 refers to the data to obtain the yield point. May be calculated.

算出部8は、材料データ記憶部2に記憶された材料データ、及び計算条件記憶部3に記憶された計算条件から、数値解析によって各要素の歪(変化)等を算出するものである。
そして、本実施形態の構造解析装置Sにおいて算出部8は、破壊判定部6の判定結果、及び降伏判定部7の判定結果によって異なる変化条件(材料データ及び計算条件)に基づいて各要素の歪等を算出する。
具体的には、算出部8は、降伏判定部7における判定結果が降伏していないとの判定である場合には、ヤング率及び密度等を用いて各要素の歪を算出する。また、算出部8は、算出した歪及び該歪から算出可能な歪速度に基づいて応力歪関係データを参照して各要素の応力を算出する。さらに算出部8は、算出した各要素の応力から各要素の応力三軸度を算出する。
The calculation unit 8 calculates strain (change) of each element by numerical analysis from the material data stored in the material data storage unit 2 and the calculation conditions stored in the calculation condition storage unit 3.
In the structural analysis apparatus S of the present embodiment, the calculation unit 8 calculates the distortion of each element based on the change conditions (material data and calculation conditions) that differ depending on the determination result of the fracture determination unit 6 and the determination result of the yield determination unit 7. Etc. are calculated.
Specifically, the calculation unit 8 calculates the distortion of each element using the Young's modulus, density, and the like when the determination result in the yield determination unit 7 is a determination that the yield has not yielded. The calculation unit 8 calculates the stress of each element with reference to the stress-strain relation data based on the calculated strain and the strain rate that can be calculated from the strain. Furthermore, the calculation unit 8 calculates the stress triaxiality of each element from the calculated stress of each element.

そして、算出部8は、降伏判定部7における判定結果が降伏しているとの判定でかつ破壊判定部6の判定結果が破壊していないとの判定である場合には、塑性変形領域における弾性定数や密度等を用いて各要素の歪を算出する。また、算出部8は、破壊判定部6の判定結果が破壊されているとの判定である場合には、破壊後の材料データ及び破壊後の計算条件に基づいて各要素の変化を算出する。   Then, the calculation unit 8 determines that the determination result in the yield determination unit 7 is yielding and the determination result in the fracture determination unit 6 is determination that the breakdown is not broken, the elasticity in the plastic deformation region. The distortion of each element is calculated using constants and density. Further, when it is determined that the determination result of the destruction determination unit 6 is destroyed, the calculation unit 8 calculates the change of each element based on the material data after destruction and the calculation conditions after destruction.

評価部9は、算出部8において算出された各要素の変形量や移動量に基づいて、構造物の数値解析の結果を評価するものであり、数値解析の結果を評価するプログラムを記憶すると共に、当該プログラムを用いて算出された評価結果を出力するものである。
操作入力部10は、本実施形態の構造解析装置Sと作業者とのマンマシンインターフェイスの機能の他、ネットワークや外部メディアから構造解析装置Sへのプログラムやパラメータの入力を行うものである。
出力部11は、評価部9の評価結果や算出部8における算出結果等を出力するものである。
The evaluation unit 9 evaluates the result of the numerical analysis of the structure based on the deformation amount and the movement amount of each element calculated by the calculation unit 8, and stores a program for evaluating the result of the numerical analysis. The evaluation result calculated using the program is output.
The operation input unit 10 inputs a program and parameters from the network or external media to the structural analysis device S in addition to the function of the man-machine interface between the structural analysis device S and the worker of the present embodiment.
The output unit 11 outputs the evaluation result of the evaluation unit 9, the calculation result of the calculation unit 8, and the like.

なお、本実施形態の構造解析装置Sは、上述のようにパーソナルコンピュータやワークステーションによって具現化されるものであり、より詳細には、CPU等の演算装置、メモリ等の内部記憶装置、ハードディスクドライブ等の外部記憶装置、ディスプレイやプリンタ等の出力装置、マウスやキーボード等の入力装置等によって具現化される。
例えば、本実施形態の構造解析装置Sにおいて材料データ記憶部2、計算条件記憶部3、破壊歪記憶部4、及び応力歪関係記憶部5は、メモリ等の内部記憶装置あるいはハードディスクドライブ等の外部記憶装置によって具現化される。また、要素作成部1、破壊判定部6、降伏判定部7、算出部8、及び評価部9は、CPU等の演算装置によって具現化される。また、操作入力部10は、マウスやキーボード等の入力装置によって具現化される。また、出力部11は、ディスプレイやプリンタ等の出力装置によって具現化される。
The structural analysis device S of the present embodiment is embodied by a personal computer or workstation as described above, and more specifically, an arithmetic device such as a CPU, an internal storage device such as a memory, a hard disk drive. It is embodied by an external storage device such as an output device such as a display or a printer, an input device such as a mouse or a keyboard.
For example, in the structural analysis apparatus S of the present embodiment, the material data storage unit 2, the calculation condition storage unit 3, the fracture strain storage unit 4, and the stress strain relation storage unit 5 are internal storage devices such as memories or external devices such as hard disk drives. Embodied by a storage device. In addition, the element creation unit 1, the destruction determination unit 6, the yield determination unit 7, the calculation unit 8, and the evaluation unit 9 are embodied by an arithmetic device such as a CPU. The operation input unit 10 is embodied by an input device such as a mouse or a keyboard. The output unit 11 is embodied by an output device such as a display or a printer.

次に、このように構成された本実施形態の構造解析装置Sの動作(構造解析方法)について、図9及び図10のフローチャートを参照して説明する。   Next, the operation (structure analysis method) of the structure analysis apparatus S of the present embodiment configured as described above will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 9 and 10.

本実施形態の構造解析装置Sにおいては、まず要素作成部1によって、数値解析の対象である構造物が複数の要素に仮想的に分割されることで要素作成が行われる(ステップS1)。
ここで、要素作成部1は、操作入力部10を介して入力される指示に基づいて構造物を複数の要素に分割すると共に、各要素の要素サイズを記憶する。
In the structural analysis apparatus S of the present embodiment, first, the element creation unit 1 performs element creation by virtually dividing a structure to be numerically analyzed into a plurality of elements (step S1).
Here, the element creation unit 1 divides the structure into a plurality of elements based on an instruction input via the operation input unit 10, and stores the element size of each element.

続いて、操作入力部10を介して入力される計算条件が計算条件記憶部3に記憶されることによって計算条件設定が行われる(ステップS2)。
ここで、各要素における境界条件、構造物に作用する荷重条件、構造物が複数の部品からなる場合における部品同士の接触条件、構造物の初期状態を示す初期条件、その他の計算式や計算パラメータ(例えば計算期間)、及び破壊後に用いる計算条件等が計算条件記憶部3に記憶される。
Subsequently, calculation conditions are set by storing the calculation conditions input via the operation input unit 10 in the calculation condition storage unit 3 (step S2).
Here, boundary conditions in each element, load conditions acting on the structure, contact conditions between parts when the structure consists of multiple parts, initial conditions indicating the initial state of the structure, other calculation formulas and parameters The calculation condition storage unit 3 stores (for example, a calculation period) and calculation conditions used after the destruction.

続いて、操作入力部10を介して入力される材料データが材料データ記憶部2に記憶されることによって材料定義が行われる(ステップS3)。
ここで、構造物の密度や、弾性変形領域における弾性定数、塑性変形領域における弾性定数、及び破壊後に用いる材料データが材料データ記憶部2に記憶される。
Subsequently, material definition is performed by storing material data input via the operation input unit 10 in the material data storage unit 2 (step S3).
Here, the density of the structure, the elastic constant in the elastic deformation region, the elastic constant in the plastic deformation region, and the material data used after fracture are stored in the material data storage unit 2.

続いて、操作入力部10を介して入力される破壊歪関連データが破壊歪記憶部4に記憶されることによって破壊歪関連データ設定が行われる(ステップS4)。
さらに、操作入力部10を介して入力される応力歪関係データが応力歪関係記憶部5に記憶されることによって応力歪関係データ設定が行われる(ステップS5)。
Subsequently, fracture strain related data is set by storing the fracture strain related data input via the operation input unit 10 in the fracture strain storage unit 4 (step S4).
Further, the stress-strain relationship data set via the operation input unit 10 is stored in the stress-strain relationship storage unit 5 to set the stress-strain relationship data (step S5).

なお、上述のステップS1〜S5の順序は一例であって、ステップS1〜S5の順序は任意に入れ替え可能である。   The order of steps S1 to S5 described above is an example, and the order of steps S1 to S5 can be arbitrarily changed.

続いて、破壊判定部6、降伏判定部7及び算出部8によってステップS1において作成された各要素における変化を算出する算出工程を行う(ステップS6)。   Then, the calculation process which calculates the change in each element produced in step S1 by the destruction determination part 6, the yield determination part 7, and the calculation part 8 is performed (step S6).

図10は、本算出工程において1つの要素に対して行われる処理の流れを示すフローチャートである。
図10に示すように、算出工程においては、まず算出部8が弾性変形範囲において要素の歪を算出する(ステップS6a)。具体的には、算出部8は、材料データ記憶部2に記憶されたヤング率及び密度等の材料データや、計算条件記憶部3に記憶された弾性変形範囲における境界条件、荷重条件、接触条件及び初期条件等の計算条件を用いて要素の歪を算出する。
FIG. 10 is a flowchart showing the flow of processing performed on one element in this calculation step.
As shown in FIG. 10, in the calculation step, first, the calculation unit 8 calculates the strain of the element in the elastic deformation range (step S6a). Specifically, the calculation unit 8 includes material data such as Young's modulus and density stored in the material data storage unit 2, boundary conditions, load conditions, and contact conditions in the elastic deformation range stored in the calculation condition storage unit 3. Then, the distortion of the element is calculated using calculation conditions such as initial conditions.

続いて算出部8は、ステップS6aで算出した歪から要素における応力を算出する(ステップS6b)。ここで、算出部8は、まずステップS6aで算出した歪の変化量から歪速度を算出する。そして、算出部8は、算出した歪速度に基づいて応力歪関係記憶部5に記憶された応力と歪との関係を示す曲線を決定し、当該曲線及びステップS6aで算出した歪から要素における応力を算出する。
つまり、算出部8は、応力歪関係記憶部5に記憶された応力歪関係データと、ステップS6aで算出した歪とに基づいて要素における応力を算出することによって要素の変化を算出する。
Subsequently, the calculation unit 8 calculates the stress in the element from the strain calculated in step S6a (step S6b). Here, the calculation unit 8 first calculates the strain rate from the strain change amount calculated in step S6a. Then, the calculation unit 8 determines a curve indicating the relationship between the stress and the strain stored in the stress strain relationship storage unit 5 based on the calculated strain rate, and the stress in the element from the curve and the strain calculated in step S6a. Is calculated.
That is, the calculation unit 8 calculates the change in the element by calculating the stress in the element based on the stress-strain relationship data stored in the stress-strain relationship storage unit 5 and the strain calculated in step S6a.

続いて、要素が降伏しているか否かの判定が降伏判定部7によって行われる(ステップS6c)。具体的にはステップS6bで算出された応力が、材料データ記憶部2に記憶された降伏点を超えているか否かで要素が降伏したか否かを判定する。なお、降伏判定部7は、算出部8から入力される応力が降伏点を超えている場合に要素が降伏したと判定する。   Subsequently, whether or not the element has yielded is determined by the yield determination unit 7 (step S6c). Specifically, it is determined whether or not the element has yielded based on whether or not the stress calculated in step S6b exceeds the yield point stored in the material data storage unit 2. The yield determination unit 7 determines that the element has yielded when the stress input from the calculation unit 8 exceeds the yield point.

そして、ステップS6cにおいて降伏判定部7によって要素が降伏していないと判定された場合には、算出部8は、計算期間が終了しているかの判定を行う(ステップS6d)。この判定の結果、計算期間が終了していない場合には、算出部8によって時間が進められた上(ステップS6e)で再度ステップS6aが行われる。一方、判定の結果、計算期間が終了している場合には、算出工程が終了する。   When the yield determination unit 7 determines that the element has not yielded in step S6c, the calculation unit 8 determines whether the calculation period has ended (step S6d). As a result of this determination, if the calculation period has not ended, the time is advanced by the calculation unit 8 (step S6e), and step S6a is performed again. On the other hand, if the result of determination is that the calculation period has ended, the calculation process ends.

一方、ステップS6cにおいて降伏判定部7によって要素が降伏していると判定された場合には、算出部8は、塑性変形範囲において要素の歪を算出する(ステップS6f)。つまり、算出部8は、降伏判定部7の判定結果によって異なる計算条件(変化条件)に基づいて要素の歪を算出する。
具体的には、算出部8は、材料データ記憶部2に記憶された塑性変形範囲の弾性定数及び密度等の材料データや、計算条件記憶部3に記憶された塑性変形範囲における境界条件、荷重条件、接触条件等の計算条件を用いて要素の歪を算出する。
On the other hand, when the yield determination unit 7 determines that the element has yielded in step S6c, the calculation unit 8 calculates the strain of the element in the plastic deformation range (step S6f). That is, the calculation unit 8 calculates the element distortion based on the calculation conditions (change conditions) that differ depending on the determination result of the yield determination unit 7.
Specifically, the calculation unit 8 includes material data such as the elastic constant and density of the plastic deformation range stored in the material data storage unit 2, boundary conditions and loads in the plastic deformation range stored in the calculation condition storage unit 3. The element distortion is calculated using calculation conditions such as conditions and contact conditions.

続いて算出部8は、ステップS6fで算出した歪から要素における応力を算出する(ステップS6g)。ここで、算出部8は、まずステップS6fで算出した歪の変化量から歪速度を算出する。そして、算出部8は、算出した歪速度に基づいて応力歪関係記憶部5に記憶された応力と歪との関係を示す曲線を決定し、当該曲線及びステップS6fで算出した歪から要素における応力を算出する。   Subsequently, the calculation unit 8 calculates the stress in the element from the strain calculated in step S6f (step S6g). Here, the calculation unit 8 first calculates the strain rate from the strain change amount calculated in step S6f. Then, the calculation unit 8 determines a curve indicating the relationship between the stress and the strain stored in the stress-strain relationship storage unit 5 based on the calculated strain rate, and the stress in the element from the curve and the strain calculated in step S6f. Is calculated.

続いて、要素が破壊しているか否かの判定が破壊判定部6によって行われる(ステップS6h)。ここでは、まず算出部8がステップS6bで算出した応力等から要素の応力三軸度を算出する。そして、破壊判定部6は、算出部8によって算出された応力三軸度及び歪速度と、要素作成部1に記憶された要素サイズとから要素の破壊歪を算出し、算出部8がステップS6gで算出した応力と算出した破壊歪とを比較することによって要素が破壊されたか否かを判定する。なお、破壊判定部6は、算出部8がステップS6gで算出した応力が破壊歪よりも大きい場合に要素が破壊されたと判定する。   Subsequently, the destruction determination unit 6 determines whether or not the element is destroyed (step S6h). Here, the calculation unit 8 first calculates the stress triaxiality of the element from the stress calculated in step S6b. Then, the fracture determination unit 6 calculates an element fracture strain from the stress triaxiality and strain rate calculated by the calculation unit 8 and the element size stored in the element creation unit 1, and the calculation unit 8 performs step S6g. It is determined whether or not the element is broken by comparing the stress calculated in step 1 with the calculated fracture strain. The failure determination unit 6 determines that the element has been destroyed when the stress calculated by the calculation unit 8 in step S6g is greater than the fracture strain.

そして、ステップS6hにおいて破壊判定部6によって要素が降伏していないと判定された場合には、算出部8は、計算期間が終了しているかの判定を行う(ステップS6i)。この判定の結果、計算期間が終了していない場合には、算出部8によって時間が進められた上(ステップS6j)で再度ステップS6fが行われる。一方、判定の結果、計算期間が終了している場合には、算出工程が終了する。   When the destruction determination unit 6 determines that the element has not yielded in step S6h, the calculation unit 8 determines whether the calculation period has ended (step S6i). As a result of this determination, if the calculation period has not ended, the time is advanced by the calculation unit 8 (step S6j), and step S6f is performed again. On the other hand, if the result of determination is that the calculation period has ended, the calculation process ends.

一方、ステップS6hにおいて破壊判定部6によって要素が破壊していると判定された場合には、算出部8は、計算条件記憶部3に記憶された破壊後の計算条件を用いた計算を行う(ステップS6k)。そして、算出部8は、計算期間が終了しているかの判定(ステップS6l)、時間を進める工程(ステップS6m)及びステップS6kを計算期間が終了するまで繰り返し行う。   On the other hand, if it is determined in step S6h that the element has been destroyed by the destruction determination unit 6, the calculation unit 8 performs calculation using the calculation conditions after destruction stored in the calculation condition storage unit 3 ( Step S6k). Then, the calculation unit 8 repeats the determination of whether the calculation period has ended (step S61), the step of advancing time (step S6m), and step S6k until the calculation period ends.

このようにして図9に示す算出工程(ステップS6)が終了すると、評価部9によって算出工程で得られた算出結果に対する評価が行われる(ステップS7)。
なお、ステップS6における算出結果及びステップS7における評価結果は、出力部11において視認化される。つまり、出力部11がディスプレイである場合には算出結果及び評価結果が表示され、出力部11がプリンタである場合には算出結果及び評価結果が印刷される。
When the calculation step (step S6) shown in FIG. 9 is thus completed, the evaluation unit 9 evaluates the calculation result obtained in the calculation step (step S7).
The calculation result in step S6 and the evaluation result in step S7 are visualized in the output unit 11. That is, when the output unit 11 is a display, the calculation result and the evaluation result are displayed, and when the output unit 11 is a printer, the calculation result and the evaluation result are printed.

以上のような本実施形態の構造解析装置S及び構造解析方法によれば、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各要素における変化(歪変化、応力変化、状態変化等)を算出する。つまり、本実施形態の構造解析装置S及び構造解析方法によれば、いわゆる有限要素法を用いて構造物の数値解析を行う。このため、従来の実験式を用いた破壊発生予測と比較して、精度高く破壊発生予測を行うことが可能となる。   According to the structure analysis apparatus S and the structure analysis method of the present embodiment as described above, a structure is virtually divided into a plurality of elements and changes (strain changes, stress changes, state changes, etc.) in each element are calculated. To do. That is, according to the structural analysis apparatus S and the structural analysis method of the present embodiment, a numerical analysis of a structure is performed using a so-called finite element method. For this reason, it becomes possible to perform the fracture occurrence prediction with higher accuracy compared to the fracture occurrence prediction using the conventional empirical formula.

また、本実施形態の構造解析装置S及び構造解析方法によれば、各要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズと当該要素における歪速度に関連付けて記憶され、この記憶された破壊歪に基づいて各要素における破壊の判定が行われる。すなわち、本実施形態の構造解析装置S及び構造解析方法によれば、要素の応力三軸度、要素の要素サイズあるいは要素における歪速度が変化した場合には、当該変化に応じて当該要素の破壊歪も変化する。
このため、本実施形態の構造解析装置S及び構造解析方法によれば、要素の応力三軸度、要素の要素サイズあるいは要素における歪速度が変化した場合であっても、当該変化に応じた適切な数値解析を行うことが可能となる。したがって、汎用性の高い破壊発生予測を行うことができる。
Further, according to the structural analysis apparatus S and the structural analysis method of the present embodiment, the fracture strain in each element is stored in association with the stress triaxiality of the element, the element size of the element, and the strain rate of the element. Determination of destruction in each element is performed based on the stored destruction strain. That is, according to the structural analysis device S and the structural analysis method of the present embodiment, when the stress triaxiality of an element, the element size of the element, or the strain rate in the element changes, the element is destroyed according to the change. The distortion also changes.
For this reason, according to the structural analysis device S and the structural analysis method of the present embodiment, even when the stress triaxiality of the element, the element size of the element, or the strain rate in the element changes, an appropriate response according to the change Numerical analysis can be performed. Therefore, it is possible to predict the occurrence of destruction with high versatility.

よって、本実施形態の構造解析装置S及び構造解析方法によれば、精度が高くかつ汎用性の高い破壊発生予測を行うことが可能となる。   Therefore, according to the structural analysis apparatus S and the structural analysis method of the present embodiment, it is possible to perform a fracture occurrence prediction with high accuracy and high versatility.

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring drawings, this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.

例えば、上記実施形態においては、より汎用性を高めるために、破壊歪記憶部4に記憶される破壊歪関連データにおいて、破壊歪を要素の応力三軸度、要素の要素サイズ及び要素における歪速度の3つのパラメータに関連付けて記憶する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、破壊歪を上記3つのパラメータ全てに関連付けて記憶させなくとも、従来の実験式を用いた破壊発生予測と比較して汎用性を高めることができる。つまり、例えば、破壊歪を要素の応力三軸度と要素の要素サイズとに関連付けて記憶するようにしても良い。
For example, in the above embodiment, in order to enhance versatility, in the fracture strain-related data stored in the fracture strain storage unit 4, the fracture strain is represented by the element triaxiality of the element, the element size of the element, and the strain rate of the element. The configuration in which the three parameters are stored in association with each other has been described.
However, the present invention is not limited to this. For example, even if the fracture strain is not stored in association with all of the above three parameters, the versatility is improved compared to the fracture occurrence prediction using the conventional empirical formula. be able to. That is, for example, the fracture strain may be stored in association with the stress triaxiality of the element and the element size of the element.

また、上記実施形態においては、より汎用性を高めるために、要素における応力と歪との関係(応力と歪との関係曲線)を当該要素における歪速度に関連付けた応力歪関係データを応力歪関係記憶部5において記憶し、当該応力歪関係データに基づいて各要素における応力(変化)を算出し、さらに当該応力歪関係データを参照して算出した応力に基づいて要素の降伏を判定する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、必ずしも応力歪関係データに基づいて各要素における応力を算出する必要はない。
In the above embodiment, in order to further improve versatility, the stress-strain relationship data is obtained by associating the stress-strain relationship (stress-strain relationship curve) in the element with the strain rate in the element. About the structure which memorize | stores in the memory | storage part 5, calculates the stress (change) in each element based on the said stress strain relation data, and also determines the yield of an element based on the stress calculated with reference to the said stress strain relation data explained.
However, the present invention is not limited to this, and it is not always necessary to calculate the stress in each element based on the stress-strain relationship data.

1……要素作成部、2……材料データ記憶部、3……計算条件記憶部、4……破壊歪記憶部(破壊歪記憶手段)、5……応力歪関係記憶部(応力歪関係記憶手段)、6……破壊判定部(破壊判定手段)、7……降伏判定部(降伏判定手段)、8……算出部(算出手段)、9……評価部、10……操作入力部、11……出力部、S……構造解析装置   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Element preparation part, 2 ... Material data storage part, 3 ... Calculation condition storage part, 4 ... Destructive strain storage part (destructive strain storage means), 5 ... Stress-strain relation storage part (Stress-strain relation storage) Means), 6 ... destruction determination unit (destruction determination unit), 7 ... yield determination unit (yield determination unit), 8 ... calculation unit (calculation unit), 9 ... evaluation unit, 10 ... operation input unit, 11 …… Output unit, S …… Structural analysis device

Claims (6)

構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各前記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた前記構造物の数値解析を行う構造解析装置であって、
各前記要素における破壊歪を当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶する破壊歪記憶手段と、
該破壊歪記憶手段に記憶された前記破壊歪に基づいて各前記要素における破壊の判定を行う破壊判定手段と、
該破壊判定手段の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各前記要素における変化を算出する算出手段と
を備えることを特徴とする構造解析装置。
A structure analysis apparatus that performs numerical analysis of the structure including fracture using a finite element method that virtually divides the structure into a plurality of elements and calculates a change in each of the elements,
Breaking strain storage means for storing the breaking strain in each of the elements in association with the stress triaxiality of the element and the element size of the element;
Destruction determination means for determining destruction in each of the elements based on the destruction strain stored in the destruction strain storage means;
A structural analysis apparatus comprising: a calculation unit that calculates a change in each of the elements based on a change condition that varies depending on a determination result of the destruction determination unit.
前記破壊歪記憶手段は、前記応力三軸度と前記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けて各前記要素における破壊歪を記憶することを特徴とする請求項1記載の構造解析装置。   2. The structural analysis apparatus according to claim 1, wherein the fracture strain storage means stores a fracture strain in each of the elements in association with a strain rate in addition to the stress triaxiality and the element size. 各前記要素における応力と歪との関係を当該要素における歪速度に関連付けて記憶する応力歪関係記憶手段を備え、
前記算出手段は、該応力歪関係記憶手段に記憶された前記応力と歪との関係に基づいて各前記要素における変化を算出する
ことを特徴とする請求項1または2記載の構造解析装置。
Stress-strain relationship storage means for storing the relationship between stress and strain in each of the elements in association with the strain rate in the element;
The structural analysis apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit calculates a change in each element based on a relationship between the stress and strain stored in the stress-strain relationship storage unit.
構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各前記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた前記構造物の数値解析を行う構造解析方法であって、
各前記要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けられた破壊歪関連データを用いて各前記要素における破壊を判定し、
破壊の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各前記要素における変化を算出する
ことを特徴とする構造解析方法。
A structure analysis method for performing numerical analysis of the structure including fracture using a finite element method that virtually divides the structure into a plurality of elements and calculates a change in each of the elements,
Determining the fracture in each of the elements using fracture strain related data in which the fracture strain in each of the elements is related to the stress triaxiality of the element and the element size of the element;
A structural analysis method, comprising: calculating a change in each of the elements based on a change condition that varies depending on a determination result of destruction.
前記破壊歪関連データにおいて各前記要素における破壊歪が、前記応力三軸度と前記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けられて記憶されていることを特徴とする請求項4記載の構造解析方法。   5. The structural analysis method according to claim 4, wherein the fracture strain in each of the elements in the fracture strain-related data is stored in association with a strain rate in addition to the stress triaxiality and the element size. . 各前記要素における応力と歪との関係が当該要素における歪速度に関連付けられた応力歪関係データを用いて各前記要素における変化を算出することを特徴とする請求項4または5記載の構造解析方法。   The structural analysis method according to claim 4 or 5, wherein a change in each element is calculated using stress-strain relation data in which a relation between stress and strain in each element is related to a strain rate in the element. .
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