JP2005011292A

JP2005011292A - 有限要素解析用モデルの自動作成方法

Info

Publication number: JP2005011292A
Application number: JP2003177631A
Authority: JP
Inventors: Keiun O; 慶雲王
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2003-06-23
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】データの手動入力を省いて労力の軽減を図った有限要素解析用モデルの自動作成方法を提供すること。
【解決手段】有限要素法解析用モデルの作成方法であって、構造解析・設計モデルに関する格点の座標、断面形状や寸法、ヤング係数などの物性値などのデータを中間ファイルとして保存し、この中間ファイルのデータを基に、自動的に各要素の節点の座標データを有する有限要素解析プログラム用入力ファイルを自動作成するようにした有限要素解析用モデルの自動作成方法。
【選択図】図１５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼橋設計における解析用モデルの自動作成方法に関し、特に中間ファイルとして保存した解析・設計データを利用し、汎用有限要素解析プログラム用モデルを自動作成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有限要素解析用モデルの作成のためには、節点、要素、荷重などのデータ手動入力で作成した後、汎用の有限要素（ＦＥＭ）プログラムにより強度・変形等の解析を行って計画した構造が適切であるかを評価している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２７２６４９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法によれば、有限要素解析用モデルの作成に多大の労力と時間を費やす必要があるという問題があった。特に有限要素モデルを作成するのに手動入力で節点・要素データを入力していたため、データの作成及び照査に多大な労力等を要していた。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、データの手動入力を省いて労力の軽減及び手動入力に伴う入力ミスの撲滅を図った有限要素解析用モデルの自動作成方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の有限要素解析用モデルの自動作成方法は、有限要素解析用モデルの作成方法であって、構造解析・設計モデルに関する格点の座標、断面寸法やヤング係数などの物性値などのデータを中間ファイルとして保存し、この中間ファイルが示すデータを基に、自動的に各要素の節点の座標データを有する有限要素解析プログラム用入力ファイルを自動作成するようにしたことを特徴とする。
よって、本発明によれば、中間ファイルのデータを基に自動的に各要素の節点の座標データを有する解析用モデルが作成されるため、従来手動入力で行われていたのに比べて格段に作業効率が向上し、労力の軽減及び手動入力に伴う入力ミスの撲滅が図られた。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る構造解析プログラムについて、図面を参照しながら以下に説明する。
図１は、ＦＥＭ解析を用いた鋼橋の検討フローチャートを示した図である。先ず、鋼橋についての計画、すなわち自動車や人が通過する歩道付きの道路橋であるか、列車が通過する鉄道橋であるか、その他にトラス橋、アーチ橋、吊り構造形式など、どのような形式の橋にするかについて選定が行われる（Ｓ（ステップ）１１）。そして次に、その形式の選定に基づいて骨組解析が行われ（Ｓ１２）、その結果を基に桁等の断面設計を行い、断面寸法や板厚を決定する（Ｓ１３）。
【０００８】
図２は、鋼橋を示した平面図であり、図３は長手方向を示した側面図、そして図４は幅方向の断面図である。本実施形態で設計する鋼橋１は、長手方向の主桁にクロスして横桁が組まれたものであり、図２に示すように主桁がＧ１〜Ｇ８の８本であり、横桁が両端支点のＳ１，Ｓ２、中間支点のＰ１及び中間のＣ１〜Ｃ１０の計１３本で構成されている。
【０００９】
具体的な鋼橋１の形状は、図４に示すように車道２と歩道３とを有する道路橋であり、主桁と横桁からなる骨組み構造上に、鉄筋コンクリート床板４が載置され、その上にアスファルト舗装５が施されている。鋼橋１上には、中央に分離帯６が形成されその左右に車道２が設けられ、更に外側にはその車道とガードレール７を隔てて歩道３が設けられている。そして、鋼橋１の両サイドには歩道の外側に落下防止柵８が設けられている。
【００１０】
こうした鋼橋１の構造解析を行うに当たり、先ずＳ１１で選定された形式に基づき、鉄筋コンクリート床板４やアスファルト舗装５が施された場合の自重（死荷重）、その鋼橋１上を走行する自動車の移動荷重（活荷重）の載荷状態などについて調べ、その荷重を用いて骨組解析を行う（Ｓ１２）。そして、その構造解析に基づいて主桁及び横桁の形状設計が行われる。鋼橋１における骨組みに関する構造解析は、構造解析プログラムによって実行される。この構造解析プログラムは、コンピュータに読み込まれ、設計者の入力作業によってコンピュータが演算処理することにより実行される。そこで、以下に設計者が操作するコンピュータのディスプレイを示しながら、構造解析プログラムによる作業手順を説明していく。
【００１１】
図５乃至図８は、構造解析を実行するに際して設計者に示される、パソコンのディスプレイ上に表示される画面を表したものである。そこで先ず、設計者は設計対象となる図２乃至図４に示した完成時の鋼橋１についてその線形データを入力する。線形データは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の座標と、角度、そして端部からの延べ長さである。
【００１２】
線形データに基づいて骨組み構造のモデルをつくるには、鋼橋の基本形状ライン、すなわち縦断ラインおよび横断ラインを定義する必要がある。そのため、先ず線形計算上のラインにライン名がつけられる。そこで、Ｘ軸方向の縦断ラインには、図４に示す骨組みを構成する主桁Ｇ１〜Ｇ８の他に、それに支持される道路部分について車線や歩道に応じて設定したラインＬ１〜Ｒ１が定義され、それぞれがライン名として設定される。また、横断ラインには、図３に示すＡ１〜Ａ２がそれぞれ定義され、ライン名として設定される。
【００１３】
ここで、図４に示す縦断ラインのうち、ラインＬ１が最上側のラインであり、ラインＣＬは鋼橋１の形状において左右の中心を示すラインであり、さらにラインＧ−ＣＬＲは鋼橋の左右方向の重心を示すラインである。一方、横断ラインにおいては、横桁Ｓ１，Ｓ２，Ｐ１，Ｃ１〜Ｃ１０以外のラインＡ１，Ａ２は橋台位置を、ラインＧＥ１，ＧＥ２は桁端位置をそれぞれ示すラインである。
【００１４】
この線形データは、入力手段によって鋼橋の線形座標値などを入力し、あるいはまた線形ファイルから入力する。図５は、基本条件入力画面、すなわちディスプレイに表示された線形データを入力するための画面である。本例のように線形データのファイルが用意されていれば、そのファイルからの読み込みが行われる。
【００１５】
次に、図６は、主桁名及び横桁名の指定を行う入力画面をディスプレイに表した画面を示した図である。ここでは、先に入力したライン名と主桁及び横桁とを対応させるための作業が行われる。先ず、主桁の場合、線形欄には先に入力された線形データのうち、縦断ラインのライン名が表示される。そして、例えばＧ１をクリックした後、矢印「→」をクリックすることにより、入力主桁欄にはラインＧ１が主桁として登録される。これを同じようにしてラインＧ２〜Ｇ８についても行うことにより、鋼橋の骨組みを構成するラインＧ１〜Ｇ８が主桁として登録される。
【００１６】
一方、横桁の場合も同じように、線形欄には、先に入力された線形データのうち、横断ラインのライン名が表示される。そして、例えばラインＳ１をクリックした後、矢印「→」をクリックすることにより、入力横桁欄にはラインＳ１が横桁として登録される。これを同じようにラインＳ２，Ｐ１及びラインＣ１〜Ｃ１０についても行うことにより、鋼橋の骨組みを構成するラインＳ１，Ｓ２，Ｐ１及びラインＣ１〜Ｃ１０が横桁として登録される。
【００１７】
なお、横桁の場合、ライン名Ｃ３，Ｐ１，Ｃ８の横桁は、図４の右側半分に示すような分配横桁であり、他の横桁Ｓ１，Ｃ１…は、図４の左側半分に示すようなトラス構造の横桁である。そのため、その他のトラス構造の横桁は、主桁間を板状の部材で繋いだ剛性の高い分配横桁に比べて剛性が十分に小さいため、横桁登録時にそれぞれ「剛性無視」をクリックする。
以上の入力作業によって、図６に示すようライン名の記入された主桁及び横桁からなる鋼橋の骨組み構造についてモデルがつくられる。
【００１８】
次に、主桁及び横桁要素の断面定数及び材料の入力が行われる。この入力は図７に示した入力画面から行われる。ここで図９は、骨組み構造モデルの一部を示した図である。
そこで、例えば主桁要素１１について入力が行われる場合、図７に示す入力欄（１）には、「主桁／横桁」「横桁／主桁始」「横桁／主桁終」の各欄にライン名（Ｇ１，Ｓ１，Ｃ１）が入力され、その主桁要素１１が特定される。従って、設計者は、そのライン名を参照して入力すべき主桁及び横桁要素を特定し、面積、剛度Ｉｙ、剛度Ｉｚをそれぞれ入力することになる。
【００１９】
そして、各要素の断面定数などの入力が行われた後、更に荷重の入力が行われる。荷重には、床板、舗装及びハンチなどによる面荷重、縁石や分離帯、添加物などによる線荷重、そして、格点荷重や活荷重、そして死荷重などに区別されて入力される。例えば、図９に示す格点１２に格点荷重がかかる場合、図８に示す入力欄（２３）には、横桁と主桁の各ライン名によってその格点２２が特定される。従って、設計者は、そのライン名を参照して入力すべき格点を特定し、荷重をそれぞれ入力することになる。
【００２０】
こうして各種荷重の入力が行われることにより、コンピュータの演算処理により、モデル化した骨組み構造に従って構造解析が行われる。そして、例えば図２０に示すような構造解析計算書が出力される。図１０は、その構造解析計算書の一部を示した図であるが、これはデータ入力時と同様にライン名に対応して出力される。例えば、要素名「Ｇ１−Ｓ１＆Ｇ１−Ｃ１」は、図９に示すように「Ｇ１−Ｓ１」と「Ｇ１−Ｃ１」とで特定される格点２１，２２を結ぶ要素１１である。
【００２１】
続いて、出力された構造解析計算データに基づいて主桁断面などの詳細設計が行われる（Ｓ１３）。
先ず、図１１は、主桁断面などの詳細設計を実行する場合のコントロール条件の入力画面をディスプレイに表した画面を示した図である。コントロール条件とは、主桁などを構成するウエブ、フランジの板厚計算などを自動入力にするか、手動入力によって行うかを選定するものである。計算対象は、タイプ欄に表示された「板厚自動計算」や「継手自動計算」などである。また、入力データ欄に「ＹＥＳ」とあるのはコントロール条件が自動入力であることを示している。
【００２２】
次に、図１２は、ウエブ、フランジの断面設計や継手の連結計算条件などを入力するためにパソコンのディスプレイ上に表示された画面を表したものである。例えばＩ形鋼のウエブやフランジの最大板厚や最小板厚が自動入力され、必要断面や許容応力度などが条件に従って入力される。
また、図１３に示すように、桁高さ設定の指定が行われる。図１３に表示された画面には、入力欄（５）に桁高さの設定対象がライン名で入力される。ここでは、図５に示す骨組み構造モデルの主桁Ｇ１〜Ｇ８及び横桁Ｓ１〜Ｓ２の全てである。
【００２３】
更に主桁などの設計には、図示しないがディスプレイに補剛材の配置や継手の位置の指定画面が表示され、所定の入力が行われる。その場合、補剛材はライン名を使ってその配置範囲が特定され、また補鋼材の寸法や本数などが特定される。そして、継手についてもライン名を使って配置場所特定される。
こうして、先に特定したライン名に基づいて設計条件が入力されると、主桁となるＩ形鋼の寸法や鋼橋の形状が作図されて出力される（図１：Ｓ１３）。
【００２４】
また、本実施形態では、Ｓ１２で構造解析モデルに関する格点の座標、断面寸法やヤング係数などの物性値などのデータが中間ファイルとして自動作成され（Ｓ１４）、保存されている。更に、Ｓ１３で計算された主桁や横桁等の寸法や板厚等の具体的な形状のデータも中間ファイルに保存されている。そして、この中間ファイルは、製造工程での要素部材の設計や原寸作業にも用いることができる。
【００２５】
図１に示すように、以上のようにして鋼橋について設計が行われると（Ｓ１２，Ｓ１３）、全体ＦＥＭ解析を用いて疲労、耐風、耐震などの性能の確認を要するか否かの検討が行われ、照査が必要か否かが確認される（Ｓ１５）。照査が必要でないと判断されれば（Ｓ１５：ＮＯ）次の工程へと移る（Ｓ１８）。
一方、照査が必要と判断された場合には（Ｓ１５：ＹＥＳ）、図１５に示すように照査用のＦＥＭ解析モデルを作成し、汎用のＦＥＭプログラムが実行されて定量的な強度評価が行われる。
【００２６】
照査にあたっては、先ず、中間ファイルのデータを基に、公知の節点分割方法を用いて自動的に各要素の節点の座標データを有する照査用の有限要素解析モデルが作成される。図１４は、自動作成された有限要素解析用データが、ディスプレイ上に表示された図を示したものである。照査用の有限要素解析モデルが自動作成されると（図１：Ｓ１６）、汎用ＦＥＭプログラムを用いて耐風や耐震などについて検討が行われる（Ｓ１７）。そして、次の工程へと移る（Ｓ１８）。
【００２７】
本実施形態で自動的に作成した解析用モデルは、主桁をはじめ、補剛材まですべての部材を厳密に考慮することとしているため、主桁などの鋼製部材についてはシェル要素を用いて、床板及び支点コンクリートなどのコンクリート部材はソリッド要素が用いられている。
そして、本実施形態では、構造解析モデルに関する格点の座標などのデータが中間ファイルになって保存され、このデータを基に自動的に各要素の節点の座標データを有する有限要素解析用モデルが作成されるため、従来手動入力で行われていたのに比べて格段に作業効率が向上し、労力の軽減が図られた。更に、例えば設計の検討段階で主桁、横桁および補剛材などの位置が変わる場合や追加された場合、従来の手動入力では多大な入力作業が必要であったが、本実施形態の方法によれば、構造解析段階でのデータ修正を行うだけでよく、対応が極めて容易である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、有限要素法解析用モデルの作成方法であって、構造解析モデルに関する格点の座標、断面寸法やヤング係数などの物性値などのデータを中間ファイルとして保存し、この中間ファイルが示すデータを基に、自動的に各要素の節点の座標データを有する解析用モデルを作成するようにしたので、鋼橋全体のＦＥＭ解析を行って疲労・耐風・耐震等の照査を行う際に、データの手動入力を省いて労力の軽減及び手動入力に伴う入力ミスの撲滅を図った解析用モデルの自動作成方法を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＦＥＭ解析を用いた鋼橋の検討フローチャートを示した図である。
【図２】鋼橋を示した平面図である。
【図３】鋼橋を示したの側面図である。
【図４】鋼橋を示した断面図である。
【図５】構造解析プログラムの一実施形態における線形データを入力するための画面である。
【図６】構造解析プログラムの一実施形態における主桁名及び横桁名の指定を行う入力画面である。
【図７】構造解析プログラムの一実施形態における主桁及び横桁要素の断面定数及び材料の入力画面である。
【図８】構造解析プログラムの一実施形態における荷重入力画面である。
【図９】骨組み構造モデルの一部を示した図である。
【図１０】構造解析プログラムの一実施形態における出力データである。
【図１１】主桁断面などの詳細設計を実行する場合のコントロール条件の入力画面をディスプレイに表した画面を示した図である。
【図１２】Ｉ形鋼の断面設計や継手の連結計算条件などを入力するためにパソコンのディスプレイ上に表示された入力画面である。
【図１３】桁高さ設定の指定入力するためにパソコンのディスプレイ上に表示された入力画面である。
【図１４】中間ファイルとして自動作成された構造解析データが、ディスプレイ上に表示された図である。
【図１５】有限要素解析モデルを示した図である。
【符号の説明】
１鋼橋
Ｇ１〜Ｇ８主桁
Ｓ１，Ｓ２，Ｃ１〜Ｃ１０横桁

Claims

有限要素解析用モデルの作成方法であって、構造解析・設計モデルに関する格点の座標、断面寸法やヤング係数などの物性値などのデータを中間ファイルとして保存し、この中間ファイルが示すデータを基に、自動的に各要素の節点の座標データを有する有限要素解析プログラム用入力ファイルを自動作成するようにしたことを特徴とする有限要素解析用モデルの自動作成方法。