JP2013050814A - Analysis method of rigid body motion and elastic deformation - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable rigid body displacement and elastic deformation to be separated and analyzed even in the case of an object in which an elastic mode is expressed by unknown finite elements because of an ever-changing stiffness matrix.SOLUTION: A coordinate system using an initial center-of-gravity position and an initial inertia main axis of an object in a global coordinate system as an origin and an axis vector, respectively, is set as a local coordinate system, and a displacement of each joint of the object in the global coordinate system is set as a reference displacement of this joint. Then, setting of a new local coordinate system with a center-of-gravity position and an inertia main axis of the object after rigid body motion and elastic deformation in the local coordinate system as an origin and an axis vector, respectively, calculation of displacement due to elastic deformation of each joint, and updating for making the new local coordinate system to be a local coordinate system and making the displacement due to elastic deformation of each joint to be a reference displacement of each joint are performed until deviation of the local coordinate system between before and after the updating becomes equal to or less than a default value. The rigid body motion of the object is obtained from a coordinate value of the origin and a rotation matrix of the axis vector of the local coordinate system in the global coordinate system at that time, and the elastic deformation of the object is obtained from the deference displacement of each joint at that time.

Description

本発明は、剛体運動及び弾性変形の解析方法に関する。   The present invention relates to a method for analyzing rigid body motion and elastic deformation.

非線形有限要素法(以下、非線形FEM(Finite Element Method )と記載する)による機械要素の構造解析は、コンピューターの発展とともに、幅広い分野で利用されるようになっている。そして非線形FEMによる解析は、物体の並進、回転移動による運動、すなわち剛体運動と、歪みを伴う変形、すなわち弾性変形との解析にも利用されている。   Structural analysis of machine elements by a non-linear finite element method (hereinafter referred to as non-linear FEM (Finite Element Method)) has been used in a wide range of fields with the development of computers. The analysis by the non-linear FEM is also used for the analysis of the motion by translation and rotation of the object, that is, the rigid body motion, and the deformation accompanied by the distortion, that is, the elastic deformation.

そうした非線形FEMによる物体の剛体運動、弾性変形の解析結果の可視化のため、ポストプロセッサーを用いて変形図を生成することがある。ポストプロセッサーは、節点変位を一定の倍率で拡大して表示した変形図を生成することが可能である。しかしながら、多くの場合、解析対象となる物体の弾性変形は、その剛体運動に比して微小であり、節点変位を一定の倍率で拡大した変形図を見ても、その物体の変形形状を直感的に把握することは困難である。   In order to visualize the analysis results of rigid body motion and elastic deformation of an object by such a nonlinear FEM, a deformation diagram may be generated using a post processor. The post processor can generate a deformation diagram in which the nodal displacement is enlarged and displayed at a constant magnification. However, in many cases, the elastic deformation of the object to be analyzed is very small compared to its rigid body motion, and even if the deformation figure in which the node displacement is enlarged at a constant magnification is seen, the deformation shape of the object can be intuitively understood. It is difficult to grasp.

そこで従来、特許文献1及び2に見られるような解析方法が提案されている。この従来の解析方法では、解析対象となる物体の近傍に位置してその物体の剛体運動に応じて変位する局所座標系を設定するとともに、その局所座標系において剛体運動を剛体モードで、弾性変形を弾性モードでそれぞれ表現するようにしている。すなわち、この従来の解析方法では、全体座標系における局所座標系の移動と、その局所座標系における剛体モードとの和として、剛体運動を表現するようにしている。   Therefore, conventionally, analysis methods such as those found in Patent Documents 1 and 2 have been proposed. In this conventional analysis method, a local coordinate system that is located near the object to be analyzed and is displaced according to the rigid body motion of the object is set, and the rigid body motion is elastically deformed in the rigid body mode in the local coordinate system. Are each expressed in an elastic mode. That is, in this conventional analysis method, the rigid body motion is expressed as the sum of the movement of the local coordinate system in the global coordinate system and the rigid body mode in the local coordinate system.

特開2000−305922号公報JP 2000-305922 A 特開2005−091370号公報JP 2005-091370 A

こうした従来の解析方法では、解析対象となる物体の剛体運動による節点変位(以下、剛体変位と記載する)と弾性変形による節点変位とを分離して、それぞれ個別に表示することが可能である。しかしながら、こうした従来の解析方法では、解析対象となる物体は、既知の弾性モードで表現された物体である必要があり、剛性行列が時々刻々と変化することから弾性モードが未知の有限要素で表現された物体の非線形過渡応答計算結果の解析には、適用できないものとなっている。   In such a conventional analysis method, it is possible to separate the nodal displacement caused by the rigid body motion of the object to be analyzed (hereinafter referred to as rigid body displacement) and the nodal displacement caused by the elastic deformation and display them separately. However, in such a conventional analysis method, the object to be analyzed needs to be an object expressed in a known elastic mode, and the stiffness matrix changes from moment to moment, so the elastic mode is expressed by an unknown finite element. It is not applicable to the analysis of the nonlinear transient response calculation result of the object.

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、剛性行列が時々刻々と変化することから弾性モードが未知の有限要素で表現された物体の場合にも、その剛体変位と弾性変形とを分離して解析することのできる剛体運動及び弾性変形の解析方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and the problem to be solved is that even in the case of an object expressed by a finite element whose elastic mode is unknown because the stiffness matrix changes from moment to moment. An object of the present invention is to provide a rigid body motion and elastic deformation analysis method capable of separately analyzing the rigid body displacement and the elastic deformation.

上記課題を解決するため、剛体運動及び弾性変形の解析方法としての請求項1に記載の発明は、節点を境界とする有限数の要素に物体を分割して行われる有限要素法による前記物体の変位及び変形の解析の結果から同物体の剛体運動及び弾性変形を解析する方法であって、(1)固定された全体座標系における各節点の初期の座標値及び各要素の質量行列を取得する第1のステップ、(2)前記物体の初期の重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする局所座標系を設定するとともに、その局所座標系における前記各節点の初期の座標値を計算する第2のステップ、(3)前記質量行列及び前記局所座標系における前記各節点の初期の座標値から、前記各節点の剛体モードの固有ベクトルを計算する第3のステップ、を行い、剛体運動及び弾性変形による前記各節点の変位を同各節点の基準変位として設定した上で、(4)前記固有ベクトル、前記質量行列及び前記基準変位から、前記局所座標系における前記物体の剛体モード変位を計算する第4のステップ、(5)前記剛体モード変位及び前記固有ベクトルから、前記局所座標系における前記剛体運動及び弾性変形後の前記物体の前記重心位置の座標値及び慣性主軸の回転行列をそれぞれ計算する第5のステップ、(6)前記剛体運動及び弾性変形後の前記物体の重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする新たな局所座標系を設定するとともに、前記局所座標系における前記各節点の初期の座標値と前記新たな局所座標系における前記各節点の剛体運動及び弾性変形後の座標値との偏差を前記各節点の弾性変形による変位として計算する第6のステップ、を行い、以後、前記全体座標系における前記局所座標系と前記新たな局所座標系との偏差が既定値以下となるまで、前記新たな局所座標系を前記局所座標系として、前記各節点の弾性変形による変位を同各節点の前記基準変位としてそれぞれ設定し直した上で、前記第4〜第6のステップを繰り返し行い、前記偏差が前記既定値以下となった時点の前記全体座標系における前記新たな局所座標系の原点の座標値及び軸ベクトルの回転行列から前記物体の剛体運動を、同時点の前記各節点の弾性変形による変位から前記物体の弾性変形をそれぞれ求めるようにしている。   In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 as a method for analyzing rigid body motion and elastic deformation is characterized in that the object is divided by a finite element method performed by dividing the object into a finite number of elements having a node as a boundary. A method of analyzing rigid body motion and elastic deformation of the same object from the results of displacement and deformation analysis, (1) obtaining initial coordinate values of each node and mass matrix of each element in a fixed global coordinate system A first step, (2) setting a local coordinate system having an initial center of gravity position and an inertial principal axis of the object as an origin and an axis vector, and calculating an initial coordinate value of each node in the local coordinate system; And (3) a third step of calculating eigenvectors of rigid modes of the nodes from the initial coordinate values of the nodes in the mass matrix and the local coordinate system. (4) Calculate the rigid body mode displacement of the object in the local coordinate system from the eigenvector, the mass matrix and the reference displacement, after setting the displacement of each node due to elastic deformation as the reference displacement of each node. And (5) calculating the coordinate value of the center of gravity of the object after the rigid body motion and elastic deformation in the local coordinate system and the rotation matrix of the principal axis of inertia from the rigid body mode displacement and the eigenvector, respectively. Fifth step, (6) A new local coordinate system is set with the origin and axis vector as the center of gravity and inertial principal axis of the object after the rigid body motion and elastic deformation, and each node in the local coordinate system The difference between the initial coordinate value and the coordinate value after the rigid body motion and elastic deformation of each node in the new local coordinate system is used as the elastic deformation of each node. And calculating the new local coordinate system until the deviation between the local coordinate system and the new local coordinate system in the global coordinate system is equal to or less than a predetermined value. As a local coordinate system, after resetting the displacement due to elastic deformation of each node as the reference displacement of each node, the fourth to sixth steps are repeated, and the deviation is less than or equal to the predetermined value. From the coordinate value of the origin of the new local coordinate system and the rotation matrix of the axis vector in the global coordinate system at the time of becoming, the rigid body motion of the object from the displacement due to the elastic deformation of each node at the same point Each of them is asked for deformation.

こうした本解析方法では、非線形FEMの解析結果が得られると、まず第1のステップとして、固定された全体座標系における各節点の初期の座標値及び各要素の質量行列が取得される。そして第2のステップとして、物体の初期の重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする局所座標系が設定され、その局所座標系における各節点の初期の座標値が計算される。   In this analysis method, when the analysis result of the nonlinear FEM is obtained, first, as the first step, the initial coordinate values of each node and the mass matrix of each element in the fixed global coordinate system are acquired. Then, as a second step, a local coordinate system is set in which the initial center of gravity position and the principal axis of inertia of the object are the origin and the axis vector, and the initial coordinate value of each node in the local coordinate system is calculated.

続いて第3のステップとして、質量行列及び局所座標系における各節点の初期の座標値から、各節点の剛体モードの固有ベクトルが計算される。
次に、剛体運動及び弾性変形による各節点の変位が非線形有限要素法の解析結果から取得され、その変位が各節点の基準変位として設定される。そして下記の第4〜第6のステップにより構成された収束ループの処理に移行される。
Subsequently, as a third step, a rigid mode eigenvector of each node is calculated from the initial value of each node in the mass matrix and the local coordinate system.
Next, the displacement of each node due to rigid body motion and elastic deformation is acquired from the analysis result of the nonlinear finite element method, and the displacement is set as the reference displacement of each node. And it transfers to the process of the convergence loop comprised by the following 4th-6th steps.

収束ループの処理が開始されると、まず第4のステップとして、固有ベクトル、質量行列及び基準変位から、局所座標系における物体の剛体モード変位が計算される。また第5のステップとして、剛体モード変位及び固有ベクトルから、局所座標系における剛体運動及び弾性変形後の物体の重心位置の座標値及び慣性主軸の回転行列がそれぞれ計算される。そして第6のステップとして、剛体運動及び弾性変形後の物体の重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする新たな局所座標系が設定され、第2のステップで設定された局所座標系における各節点の初期の座標値とその新たな局所座標系における各節点の剛体運動及び弾性変形後の座標値との偏差が各節点の弾性変形による変位として計算される。   When the process of the convergence loop is started, first, as a fourth step, the rigid mode displacement of the object in the local coordinate system is calculated from the eigenvector, the mass matrix, and the reference displacement. As a fifth step, the coordinate value of the center of gravity of the object after the rigid body motion and elastic deformation in the local coordinate system and the rotation matrix of the inertial principal axis are calculated from the rigid body mode displacement and the eigenvector. As a sixth step, a new local coordinate system is set with the origin and axis vector as the center of gravity and inertial axis of the object after rigid body motion and elastic deformation, and each local coordinate system set in the second step The deviation between the initial coordinate value of the node and the coordinate value after the rigid body motion and elastic deformation of each node in the new local coordinate system is calculated as the displacement due to the elastic deformation of each node.

この時点で物体の剛体モード変位を微小(≒0)とすることができれば、物体の剛体運動は、その重心位置の並進及び回転として上記新たな局所座標系からは除かれており、第6のステップで計算された各節点の弾性変形による変位には、剛体運動による変位は一切含まれていないことになる。しかしながら、物体の局所座標の位置及び回転行列が既知でない以上、剛体モード変位は、微小(≒0)である保証はなく、この時点で計算された各節点の弾性変形による変位には、剛体運動分が未だ若干残っている。   If the rigid body mode displacement of the object can be made small (≈0) at this time, the rigid body motion of the object is excluded from the new local coordinate system as translation and rotation of the center of gravity position. The displacement due to elastic deformation of each node calculated in the step does not include any displacement due to rigid body motion. However, as long as the position of the local coordinates of the object and the rotation matrix are not known, the rigid body mode displacement is not guaranteed to be very small (≈0), and the displacement due to the elastic deformation of each node calculated at this point includes the rigid body motion. There are still a few minutes left.

そこで、本解析方法では、新たな局所座標系を局所座標系に、先に計算した各節点の弾性変形による変位を各節点の基準変位にそれぞれ設定し直した上で、上記収束ループの処理を再実行している。収束ループの処理が再実行されると、その処理において更新された各節点の基準変位からは、物体の剛体運動分が更に取り除かれるようになる。   Therefore, in this analysis method, the new local coordinate system is changed to the local coordinate system, and the displacement calculated by the elastic deformation of each node is set as the reference displacement of each node, and then the process of the convergence loop is performed. It is re-executed. When the process of the convergence loop is re-executed, the rigid body motion of the object is further removed from the reference displacement of each node updated in the process.

こうした収束ループの処理の再実行は、全体座標系における局所座標系と新たな局所座標系との偏差(ずれ)が既定値以下となるまで繰り返される。したがって、収束ループを抜ける直前に計算された各節点の弾性変形による変位は、物体の剛体運動分が十分に取り除かれたものとなる。すなわち、このときの各節点の弾性変形による変位の計算値は、各節点の弾性変形による変位をほぼ正確に示すものとなる。またこのときの全体座標系における新たな局所座標系の原点の座標値及びその軸ベクトルの回転行列は、物体の剛体運動の並進分及び回転分をそれぞれ示すものとなる。   Such re-execution of the process of the convergence loop is repeated until the deviation (deviation) between the local coordinate system in the global coordinate system and the new local coordinate system becomes equal to or less than a predetermined value. Therefore, the displacement due to elastic deformation of each node calculated immediately before exiting the convergence loop is obtained by sufficiently removing the rigid body motion of the object. That is, the calculated value of the displacement due to the elastic deformation of each node at this time almost accurately indicates the displacement due to the elastic deformation of each node. Further, the coordinate value of the origin of the new local coordinate system and the rotation matrix of the axis vector in the global coordinate system at this time indicate the translation and rotation of the rigid body motion of the object, respectively.

したがって、上記解析方法によれば、剛性行列が時々刻々と変化することから弾性モードが未知の有限要素で表現された物体の場合にも、その剛体変位と弾性変形とを分離して解析することができる。   Therefore, according to the above analysis method, since the stiffness matrix changes from moment to moment, even in the case of an object represented by a finite element whose elastic mode is unknown, the rigid body displacement and the elastic deformation are separated and analyzed. Can do.

初期及び変形後の物体の状態を示す図。The figure which shows the state of the object after an initial stage and a deformation | transformation. 本発明の一実施形態での局所座標系の設定態様を示す図。The figure which shows the setting aspect of the local coordinate system in one Embodiment of this invention. 同実施形態に適用される剛体運動及び弾性変形解析ルーチンのフローチャート。The flowchart of the rigid body motion and elastic deformation analysis routine applied to the embodiment. 同実施形態に適用される剛体運動及び弾性変形計算ルーチンのフローチャート。The flowchart of the rigid body motion and elastic deformation calculation routine applied to the embodiment. 全体座標系における初期及び既定の時間ステップのコネクティングロッドの位置及び形状をそれぞれ示す図。The figure which shows the position and shape of a connecting rod of the initial stage and predetermined time step in a global coordinate system, respectively. 1回目の収束ループ終了時の局所座標系におけるコネクティングロッドの位置及び形状を(a)は変形を拡大せずに、(b)は変形を拡大してそれぞれ示す図。The position and shape of the connecting rod in the local coordinate system at the time of the end of the first convergence loop (a) without expanding the deformation, (b) showing the deformation enlarged. 収束ループを抜けたときの局所座標系におけるコネクティングロッドの位置及び形状を(a)は変形を拡大せずに、(b)は変形を拡大してそれぞれ示す図。The position and shape of the connecting rod in the local coordinate system when exiting the convergence loop are diagrams in which (a) does not enlarge the deformation, and (b) shows the deformation enlarged.

以下、本発明の剛体変位及び弾性変形の解析方法を具体化した一実施の形態を、図1〜図7を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態の解析方法は、例えばコネクティングロッドのような可動部品の動作中の剛体変位及び弾性変形の解析に用いることができる。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment embodying a rigid body displacement and elastic deformation analysis method of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. Note that the analysis method of the present embodiment can be used for analysis of rigid body displacement and elastic deformation during the operation of a moving part such as a connecting rod.

本実施形態の解析方法は、非線形FEMによる物体の変位及び変形の解析結果からその物体の剛体変位と弾性変形とを分離して提示するものとなっている。非線形FEMによる物体の変形の解析は、既存の非線形FEMソフトウェアを用いて行われる。非線形FEMによる物体の変形の解析では、まず解析対象となる物体を、節点を境界とする有限数の要素に分割し、各節点の初期の座標値や拘束条件、弾性率やポアソン比といった各要素の物理量、各節点に加わる荷重などを入力する。非線形FEMソフトウェアは、この入力されたデータをもとに、各々の要素の挙動をモデルで近似して形成された連立方程式を解くことで、各節点の座標値や各要素に作用する応力などを、時間ステップ毎に求めている。なお、非線形FEMソフトウェアの解析結果は、ポストプロセッサーによって処理されることで、変形図やミーゼス応力図などの視覚化されたデータとして提示される。   In the analysis method of the present embodiment, the rigid body displacement and elastic deformation of the object are separated and presented from the analysis result of the displacement and deformation of the object by nonlinear FEM. Analysis of deformation of an object by nonlinear FEM is performed using existing nonlinear FEM software. In the analysis of deformation of an object by nonlinear FEM, first, the object to be analyzed is divided into a finite number of elements with the nodes as boundaries, and each element such as initial coordinate values and constraint conditions of each node, elastic modulus, Poisson's ratio, etc. Enter the physical quantity and the load applied to each node. Based on this input data, the nonlinear FEM software solves the simultaneous equations formed by approximating the behavior of each element with a model, so that the coordinate values of each node and the stress acting on each element can be obtained. , Seeking every time step. The analysis result of the non-linear FEM software is processed by a post processor, and is presented as visualized data such as a deformation diagram and a Mises stress diagram.

本実施の形態の解析方法では、こうした非線形FEMの解析結果から解析対象となる物体の剛体変位と弾性変形とが分離して求められる。次に、簡単なモデルを用いて、その基本的な原理について説明する。   In the analysis method of the present embodiment, the rigid body displacement and the elastic deformation of the object to be analyzed are obtained separately from the analysis result of the nonlinear FEM. Next, the basic principle will be described using a simple model.

ここでは、図1に示すような、4つの節点を有する単一の要素からなる物体Mの剛体変位と弾性変形とを求める場合を考える。同図には、全体座標系における物体Mの初期の位置及び形状と、同じく全体座標系における物体Mの剛体運動及び弾性変形後の位置及び形状とが示されている。なお、全体座標系における各節点の初期の座標値は既知であり、全体座標系における各節点の剛体運動及び弾性変形後の座標値は、非線形FEMの解析結果から求められている。   Here, consider a case where the rigid body displacement and elastic deformation of an object M composed of a single element having four nodes as shown in FIG. In the same figure, the initial position and shape of the object M in the global coordinate system and the position and shape of the object M after the rigid body motion and elastic deformation in the global coordinate system are also shown. The initial coordinate value of each node in the global coordinate system is known, and the coordinate value after rigid body motion and elastic deformation of each node in the global coordinate system is obtained from the analysis result of nonlinear FEM.

ここで、節点の一つ(節点P)について考える。ここでは、初期の節点Pの位置を、全体座標系の原点を始点とし、節点Pの初期の位置を終点とするベクトルp0で表す。また剛体運動及び弾性変形による節点Pの変位を、節点Pの初期の位置を始点とし、節点Pの剛体運動及び弾性変形後の位置を終点とするベクトルu0で表す。このときの変形後の節点Pの位置は、ベクトルp0とベクトルu0の和として表される。また、初期における物体Mの重心位置を基準とした節点Pの位置を、物体Mの初期の重心位置Gの位置を始点とし、節点Pの初期の位置を終点とするベクトルpで、剛体運動及び弾性変形による物体Mの重心位置Gの変位の並進分及び回転分をベクトルr及び回転行列Aで、節点Pの弾性変形による変位をベクトルuでそれぞれ表す。このときの全体座標系における節点Pの剛体運動及び弾性変形後の位置、すなわちベクトルp0とベクトルu0の和は、下式のように表される。そして、節点Pの剛体運動は「r+Ap」で、その弾性変形は「Au」で表されることになる。   Here, consider one of the nodes (node P). Here, the initial position of the node P is represented by a vector p0 starting from the origin of the global coordinate system and ending at the initial position of the node P. Further, the displacement of the node P due to the rigid body motion and elastic deformation is represented by a vector u0 having the initial position of the node P as the start point and the rigid body motion and elastic deformation of the node P as the end point. The position of the deformed node P at this time is expressed as the sum of the vector p0 and the vector u0. Further, the position of the node P with respect to the center of gravity position of the object M in the initial stage is a vector p with the initial position of the center of gravity P of the object M as the start point and the initial position of the node P as the end point. The translation and rotation of the displacement of the center of gravity G of the object M due to elastic deformation are represented by a vector r and a rotation matrix A, and the displacement due to elastic deformation of the node P is represented by a vector u. The position after the rigid body motion and elastic deformation of the node P in the global coordinate system at this time, that is, the sum of the vector p0 and the vector u0 is expressed by the following equation. The rigid body motion of the node P is represented by “r + Ap”, and the elastic deformation thereof is represented by “Au”.


p0+u0=r+A(p+u)=(r+Ap)+Au

そのため、全体座標系における各節点の剛体運動及び弾性変形後の位置({p0}+{u0})は、下式のように表される。なお、下式において、列ベクトル{p0}は、各節点の初期の位置を、列ベクトル{u0}は、各節点の変位を、列ベクトル{r}及び回転行列のマトリックス[A]は、剛体運動及び弾性変形による物体Mの重心位置Gの変位の並進分及び回転分を、列ベクトル{u}は、各節点の弾性変形による変位をそれぞれ表している。

p0 + u0 = r + A (p + u) = (r + Ap) + Au

Therefore, the rigid body motion of each node in the global coordinate system and the position after elastic deformation ({p0} + {u0}) are expressed by the following equations. In the following equation, the column vector {p0} is the initial position of each node, the column vector {u0} is the displacement of each node, the column vector {r} and the matrix [A] of the rotation matrix are rigid bodies The translation vector and the rotation component of the displacement of the center of gravity G of the object M due to motion and elastic deformation, and the column vector {u} respectively represent the displacement due to elastic deformation of each node.


{p0}+{u0}=({r}+[A]・{p})+[A]{u}

上式において、「{r}+[A]{p}」は各節点の剛体運動を、「[A]{u}」は各節点の弾性変形をそれぞれ示している。したがって、初期、並びに剛体運動及び弾性変形後の各節点の位置、物体Mの重心位置Gの変位の並進分及び回転分、及び初期の物体Mの重心位置Gを基準とした各節点の位置さえ解れば、弾性モードが未知であり、各節点の弾性変形による変位が不明であっても、変形後の各節点の剛体運動及び弾性変形を求めることができる。すなわち、図2に示すように、物体Mの重心位置Gを原点とし、その慣性主軸を軸ベクトルとする局所座標系を設定すると、物体Mの剛体運動は、全体座標系上での局所座標系の並進並びに回転として求めることができる。また、物体Mの弾性変形は、局所座標系上での各節点の変位として求めることができる。

{P0} + {u0} = ({r} + [A] · {p}) + [A] {u}

In the above equation, “{r} + [A] {p}” represents the rigid body motion of each node, and “[A] {u}” represents the elastic deformation of each node. Therefore, the position of each node after the initial and after the rigid body motion and elastic deformation, the translation and rotation of the displacement of the gravity center position G of the object M, and even the position of each node based on the gravity center position G of the initial object M If it understands, even if the elastic mode is unknown and the displacement by elastic deformation of each node is unknown, the rigid body motion and elastic deformation of each node after a deformation | transformation can be calculated | required. That is, as shown in FIG. 2, when a local coordinate system is set in which the center of gravity G of the object M is the origin and the inertia principal axis is an axis vector, the rigid body motion of the object M is the local coordinate system on the global coordinate system. It can be obtained as translation and rotation of. The elastic deformation of the object M can be obtained as a displacement of each node on the local coordinate system.

次に、本実施形態での剛体変位及び弾性変形の解析の具体的な手順について説明する。この解析は、図3の剛体運動及び弾性変形解析ルーチンに示される手順で行われる。
非線形FEMによる解析結果が得られると、まずステップS100において、非線形FEMの解析結果から、固定された全体座標系における各節点の初期の座標値{p0}が取得される。またステップS101において、非線形FEMの解析結果から、物体Mの質量行列[M]が取得される。なお、質量行列[M]は、物体Mを構成する各要素の質量を行列式で表したものである。
Next, a specific procedure for analysis of rigid body displacement and elastic deformation in the present embodiment will be described. This analysis is performed according to the procedure shown in the rigid body motion and elastic deformation analysis routine of FIG.
When the analysis result by the nonlinear FEM is obtained, first, in step S100, the initial coordinate value {p0} of each node in the fixed global coordinate system is acquired from the analysis result of the nonlinear FEM. In step S101, the mass matrix [M] of the object M is acquired from the analysis result of the nonlinear FEM. The mass matrix [M] is a determinant representing the mass of each element constituting the object M.

次にステップS102において、物体Mの形状と質量行列[M]とから、全体座標系における物体Mの重心位置の初期の座標値{g}、主慣性モーメント及び慣性主軸の回転行列[I]がそれぞれ計算される。   Next, in step S102, from the shape of the object M and the mass matrix [M], the initial coordinate value {g} of the center of gravity position of the object M in the global coordinate system, the main inertia moment, and the rotation matrix [I] of the main inertial axis are obtained. Each is calculated.

その後、ステップS103において、全体座標系における各節点の初期の座標値{p0}から、物体Mの初期の重心位置を基準とした各節点の初期の座標値{p}が計算される。この座標値{p}は、全体座標系における物体Mの初期の重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする局所座標系における各節点の座標値を指している。   Thereafter, in step S103, the initial coordinate value {p} of each node with respect to the initial gravity center position of the object M is calculated from the initial coordinate value {p0} of each node in the global coordinate system. This coordinate value {p} indicates the coordinate value of each node in the local coordinate system having the initial center of gravity position and the principal axis of inertia of the object M in the global coordinate system as the origin and the axis vector.

次に、ステップS104において、上記各節点の初期の座標値{p}と質量行列[M]とから、各節点の剛体モードの固有ベクトル[Φr]が計算される。
以上の処理が終了すると、非線形FEMの解析結果の時間ステップ毎に、以下のステップS105〜S107の処理が実行され、各時間ステップの物体Mの剛体運動及び弾性変形が求められる。そして剛体運動及び弾性変形の解析は、最後の時間ステップの処理が完了した時点で(S108:YES)終了される。
Next, in step S104, the eigenvector [Φr] of the rigid body mode of each node is calculated from the initial coordinate value {p} of each node and the mass matrix [M].
When the above processing is completed, the following steps S105 to S107 are executed for each time step of the nonlinear FEM analysis result, and the rigid body motion and elastic deformation of the object M at each time step are obtained. Then, the analysis of the rigid body motion and the elastic deformation is finished when the processing of the last time step is completed (S108: YES).

すなわち、ステップS105においては、物体Mの初期の重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする座標系が局所座標系として設定される。またステップS106においては、該当時間ステップでの剛体運動及び弾性変形による各節点の変位{u0}が、非線形FEMの解析結果から取得され、その取得された各節点の変位{u0}が基準変位{u}として設定される。そしてステップS107において、当該時間ステップにおける物体Mの剛体運動及び弾性変形を計算するための剛体運動及び弾性変形計算処理が実行される。   That is, in step S105, a coordinate system in which the initial gravity center position and the inertial principal axis of the object M are set as the origin and the axis vector is set as the local coordinate system. In step S106, the displacement {u0} of each node due to the rigid body motion and elastic deformation at the corresponding time step is acquired from the analysis result of the nonlinear FEM, and the acquired displacement {u0} of each node is the reference displacement { u}. In step S107, a rigid body motion and elastic deformation calculation process for calculating the rigid body motion and elastic deformation of the object M in the time step is executed.

剛体運動及び弾性変形計算処理は、図4に示す剛体運動及び弾性変形計算ルーチンの処理を通じて行われる。本ルーチンの処理が開始されると、まずステップS200において、局所座標系における物体Mの剛体モード変位{qr}が下式により計算される。なお、下式において「t[Φr]」は、固有ベクトル[Φr]の転置行列を示している。   The rigid body motion and elastic deformation calculation processing is performed through the rigid body motion and elastic deformation calculation routine shown in FIG. When the processing of this routine is started, first, in step S200, the rigid body mode displacement {qr} of the object M in the local coordinate system is calculated by the following equation. In the following expression, “t [Φr]” represents a transposed matrix of the eigenvector [Φr].


{qr}=t[Φr]・[M]・{u}

次に、ステップS201において、各節点の剛体モードの固有ベクトル[Φr]と剛体モード変位{qr}とから、局所座標系における物体Mの重心位置の変位(局所座標系の原点からのずれ)の並進分及び回転分が計算される。そして、ステップS202において、その計算された並進分及び回転分から、局所座標系における、今回の時間ステップにおける物体Mの重心位置の座標値{ri}及びその慣性主軸の回転行列[Ai]が計算される。

{Qr} = t [Φr] · [M] · {u}

Next, in step S201, the translation of the displacement of the center of gravity of the object M in the local coordinate system (deviation from the origin of the local coordinate system) from the eigenvector [Φr] of the rigid body mode and the rigid body mode displacement {qr} of each node. Minutes and rotations are calculated. In step S202, the coordinate value {ri} of the center of gravity position of the object M at the current time step and the rotation matrix [Ai] of the inertial main axis in the local time frame are calculated from the calculated translation and rotation. The

続いて、ステップS203において、今回の時間ステップにおける物体Mの重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする新たな局所座標系が設定される。そしてステップS204において、各節点の弾性変形による変位{u’}が下式により計算される。なお、下式において「t[Ai]」は、回転行列[Ai]の転置行列を示している。ここで計算される各節点の弾性変形による変位{u’}は、厳密には、局所座標系における各節点の初期の座標値{p}と、新たな局所座標系における各節点の剛体運動及び弾性変形後の座標値との偏差であり、本ルーチンの処理が最終段階に進むまでは、剛体運動による変位分が含まれている。   Subsequently, in step S203, a new local coordinate system is set in which the center of gravity and the inertial main axis of the object M at the current time step are set as the origin and the axis vector. In step S204, the displacement {u '} due to the elastic deformation of each node is calculated by the following equation. In the following expression, “t [Ai]” represents a transposed matrix of the rotation matrix [Ai]. Strictly speaking, the displacement {u ′} due to elastic deformation of each node calculated here is the initial coordinate value {p} of each node in the local coordinate system, the rigid body motion of each node in the new local coordinate system, and This is a deviation from the coordinate value after elastic deformation, and includes displacement due to rigid body motion until the processing of this routine proceeds to the final stage.


{u’}=t[Ai]({p}+{u}−{ri})−{p}

続いて、ステップS205において、ステップS203において設定された新たな局所座標系が局所座標系に設定される。すなわち、全体座標系における局所座標系の原点の座標値{r}及び軸ベクトルの回転行列[A]が下式に従い更新される。またステップS205においては、ステップS204で計算された各節点の弾性変形による変位{u’}が基準変位{u}に設定される。

{U ′} = t [Ai] ({p} + {u} − {ri}) − {p}

Subsequently, in step S205, the new local coordinate system set in step S203 is set as the local coordinate system. That is, the coordinate value {r} of the origin of the local coordinate system in the global coordinate system and the axis vector rotation matrix [A] are updated according to the following formula. In step S205, the displacement {u ′} due to the elastic deformation of each node calculated in step S204 is set as the reference displacement {u}.


{r}={r}+[A]・{ri}
[A]=[A]・[Ai]

続くステップS206では、更新前後の局所座標系の偏差が、すなわちステップS205での更新前の局所座標系とステップS203で設定された新たな局所座標系との偏差が既定値以下であるか否かが確認される。この確認は、更新前の局所座標系の原点の座標値{r(i−1)}と新たな局所座標系の原点の座標値{ri}との偏差が既定値α以下であり、かつ更新前の局所座標系の軸ベクトルの回転行列[A(i−1)]と新たな局所座標系の軸ベクトルの回転行列[Ai]との偏差が既定値β以下であるか否かによって行われている。

{R} = {r} + [A] · {ri}
[A] = [A] · [Ai]

In subsequent step S206, whether or not the deviation of the local coordinate system before and after the update, that is, the deviation between the local coordinate system before the update in step S205 and the new local coordinate system set in step S203 is equal to or less than a predetermined value. Is confirmed. In this confirmation, the deviation between the coordinate value {r (i-1)} of the origin of the local coordinate system before update and the coordinate value {ri} of the origin of the new local coordinate system is equal to or less than the predetermined value α and is updated. This is performed depending on whether or not the deviation between the rotation vector [A (i−1)] of the axis vector of the previous local coordinate system and the rotation matrix [Ai] of the axis vector of the new local coordinate system is equal to or less than the predetermined value β. ing.

ここで、更新前後の局所座標系の偏差が既定値以下でなければ(S206:NO)、処理がステップS200に戻される。そして更新された局所座標系及び基準変位{u}を用いて、ステップS200〜ステップS206の処理が再度実行される。なお、以下では、ステップS200からステップS206までの処理のループを収束ループと記載する。   Here, if the deviation of the local coordinate system before and after the update is not less than the predetermined value (S206: NO), the process returns to step S200. And the process of step S200-step S206 is performed again using the updated local coordinate system and reference | standard displacement {u}. In the following, the processing loop from step S200 to step S206 is referred to as a convergence loop.

一方、更新前後の局所座標系の偏差が既定値以下であれば(S206:YES)、収束ループを抜けて処理がステップS207に進められる。そしてそのステップS207において、全体座標系における現状の局所座標系の原点の座標値{r}及びその軸ベクトルの回転行列[A]が、今回の時間ステップにおける物体Mの剛体運動として保存される。またステップS208において、現状の各節点の基準変位{u}が、今回の時間ステップにおける物体Mの弾性変形として保存される。そしてその後、今回の本ルーチンの処理が終了され、剛体運動及び弾性変形解析ルーチンのステップS108に処理が進められる。   On the other hand, if the deviation of the local coordinate system before and after the update is equal to or smaller than the predetermined value (S206: YES), the process proceeds to step S207 through the convergence loop. In step S207, the coordinate value {r} of the origin of the current local coordinate system in the global coordinate system and the rotation matrix [A] of the axis vector are stored as the rigid body motion of the object M in the current time step. In step S208, the current reference displacement {u} of each node is stored as the elastic deformation of the object M at the current time step. Thereafter, the process of this routine is terminated, and the process proceeds to step S108 of the rigid body motion and elastic deformation analysis routine.

次に、エンジンのピストンとクランクシャフトとを繋ぐコネクティングロッドを解析対象とした場合の剛体運動及び弾性変形の解析態様を説明する。図5は、初期のコネクティングロッドの位置及び形状を一点鎖線で、剛体運動及び弾性変形後のコネクティングロッドの位置及び形状を実線で、それぞれ全体座標系上に示したものとなっている。非線形FEMによる解析は、節点を境界とする有限数の要素にコネクティングロッドを分割して行われている。   Next, an analysis mode of rigid body motion and elastic deformation when a connecting rod connecting the piston and the crankshaft of the engine is an analysis target will be described. In FIG. 5, the position and shape of the initial connecting rod are indicated by a one-dot chain line, and the position and shape of the connecting rod after rigid body motion and elastic deformation are indicated by a solid line on the overall coordinate system. The analysis by the non-linear FEM is performed by dividing the connecting rod into a finite number of elements whose boundaries are nodes.

本実施の形態では、こうした非線形FEMの解析結果が得られた後、以下の態様で各時間ステップにおけるコネクティングロッドの剛体運動及び弾性変形が求められる。
すなわち、非線形FEMの解析結果が得られると、まず第1のステップとして、全体座標系における各節点の初期の座標値{p0}及び各要素の質量行列[M]が取得される。そして第2のステップとして、コネクティングロッドの初期の重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする局所座標系が設定され、その局所座標系における各節点の初期の座標値{p}が計算される。
In this embodiment, after such a nonlinear FEM analysis result is obtained, rigid body motion and elastic deformation of the connecting rod at each time step are obtained in the following manner.
That is, when the analysis result of the nonlinear FEM is obtained, first, as the first step, the initial coordinate values {p0} of each node in the global coordinate system and the mass matrix [M] of each element are acquired. Then, as a second step, a local coordinate system is set with the initial center of gravity position and inertial principal axis of the connecting rod as the origin and the axis vector, and the initial coordinate value {p} of each node in the local coordinate system is calculated. .

続いて第3のステップとして、質量行列[M]及び局所座標系における各節点の初期の座標値{p}から、各節点の剛体モードの固有ベクトル[Φr]が計算される。
次に、コネクティングロッドの各節点の剛体運動及び弾性変形による変位{u0}が非線形FEMの解析結果から取得され、その変位{u0}が各節点の基準変位{u}として設定される。そして下記の第4〜第6のステップにより構成された収束ループの処理に移行される。
Subsequently, as a third step, the eigenvector [Φr] of the rigid body mode of each node is calculated from the mass matrix [M] and the initial coordinate value {p} of each node in the local coordinate system.
Next, the displacement {u0} due to the rigid body motion and elastic deformation of each node of the connecting rod is acquired from the analysis result of the nonlinear FEM, and the displacement {u0} is set as the reference displacement {u} of each node. And it transfers to the process of the convergence loop comprised by the following 4th-6th steps.

収束ループの処理が開始されると、まず第4のステップとして、固有ベクトル[Φr]、質量行列[M]及び基準変位{u}から、局所座標系におけるコネクティングロッドの剛体モード変位{qr}が計算される。また第5のステップとして、剛体モード変位{qr}及び固有ベクトル[Φr]から、局所座標系における剛体運動及び弾性変形後の物体の重心位置の座標値{ri}及び慣性主軸の回転行列[Ai]がそれぞれ計算される。そして第6のステップとして、剛体運動及び弾性変形後のコネクティングロッドの重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする新たな局所座標系が設定される。また、第2のステップで設定された局所座標系における各節点の初期の座標値{p}とその新たな局所座標系における各節点の剛体運動及び弾性変形後の座標値との偏差が、各節点の弾性変形による変位{u’}として計算される。   When the process of the convergence loop is started, as a fourth step, the rigid body mode displacement {qr} of the connecting rod in the local coordinate system is calculated from the eigenvector [Φr], the mass matrix [M] and the reference displacement {u}. Is done. Further, as a fifth step, from the rigid body mode displacement {qr} and the eigenvector [Φr], the coordinate value {ri} of the center of gravity of the object after the rigid body motion and elastic deformation in the local coordinate system and the rotation matrix [Ai] of the principal axis of inertia Are calculated respectively. As a sixth step, a new local coordinate system is set in which the center of gravity and the inertial principal axis of the connecting rod after rigid body motion and elastic deformation are the origin and the axis vector. Further, the deviation between the initial coordinate value {p} of each node in the local coordinate system set in the second step and the coordinate value after the rigid body motion and elastic deformation of each node in the new local coordinate system is Calculated as displacement {u ′} due to elastic deformation of the node.

図6(a)は、この時点の、すなわち1回目の収束ループの処理が終了した時点の、新たな局所座標系におけるコネクティングロッドの位置及び形状を示したものである。この時点でコネクティングロッドの物体の剛体モード変位{qr}を微小(≒0)とすることができれば、コネクティングロッドの剛体運動は、その重心位置の並進及び回転として上記新たな局所座標系からは除かれており、第6のステップで計算された各節点の弾性変形による変位{u’}には、剛体運動による変位は一切含まれていないことになる。しかしながら、コネクティングロッドの局所座標系の位置及び回転行列は未知であるため、剛体モード変位は微小(≒0)である保証はなく、この時点で計算された各節点の弾性変形による変位{u’}には、剛体運動分が未だ若干残っている。   FIG. 6A shows the position and shape of the connecting rod in the new local coordinate system at this point, that is, when the first convergence loop process is completed. If the rigid body mode displacement {qr} of the connecting rod object can be made very small (≈0) at this time, the connecting rod rigid body motion is excluded from the new local coordinate system as translation and rotation of the center of gravity. Therefore, the displacement {u ′} due to elastic deformation of each node calculated in the sixth step does not include any displacement due to rigid body motion. However, since the position and rotation matrix of the local coordinate system of the connecting rod are unknown, there is no guarantee that the rigid body mode displacement is very small (≈0), and the displacement {u ′ } Still has some rigid body motion.

図6(b)は、この時点の、新たな局所座標系におけるコネクティングロッドの位置及び形状を、変形を100倍に拡大して示したものである。同図に示すように、この時点では、剛体運動の除去は、未だ不十分となっている。   FIG. 6B shows the position and shape of the connecting rod in the new local coordinate system at this time, with the deformation magnified 100 times. As shown in the figure, at this time, the removal of the rigid body motion is still insufficient.

そこで、本実施の形態では、新たな局所座標系を局所座標系に、先に計算した各節点の弾性変形による変位{u’}を各節点の基準変位{u}にそれぞれ設定し直した上で、上記収束ループの処理を再実行している。収束ループの処理が再実行されると、その処理において更新された各節点の基準変位{u}からは、コネクティングロッドの剛体運動分が更に取り除かれる。   Therefore, in the present embodiment, the new local coordinate system is set to the local coordinate system, and the displacement {u ′} due to elastic deformation of each node calculated previously is set as the reference displacement {u} of each node. Thus, the process of the convergence loop is re-executed. When the process of the convergence loop is executed again, the rigid body motion of the connecting rod is further removed from the reference displacement {u} of each node updated in the process.

こうした収束ループの処理の再実行は、更新前後の局所座標系の偏差が既定値以下となるまで、より具体的には更新前後の局所座標系の原点の座標値{r}及び軸ベクトルの回転行列[A]の偏差が既定値以下となるまで繰り返される。したがって、収束ループを抜ける直前に計算された各節点の弾性変形による変位{u’}からは、物体の剛体運動分がほぼ完全に取り除かれるようになる。したがって、収束ループを抜ける直前の各節点の弾性変形による変位{u’}の計算値、すなわちステップS205で更新された基準変位{u}は、各節点の弾性変形による変位をほぼ正確に示すものとなる。また収束ループを抜ける直前に設定された新たな局所座標系の、すなわちステップS205で更新された局所座標系の、全体座標系における原点の座標値{r}及びその軸ベクトルの回転行列[A]は、コネクティングロッドの剛体運動の並進成分及び回転成分をそれぞれ示すものとなる。   The convergence loop is re-executed until the deviation of the local coordinate system before and after the update is less than or equal to the predetermined value, more specifically, the coordinate value {r} of the origin of the local coordinate system before and after the update and the rotation of the axis vector. The process is repeated until the deviation of the matrix [A] becomes equal to or less than the predetermined value. Therefore, the rigid motion of the object is almost completely removed from the displacement {u ′} due to elastic deformation of each node calculated immediately before exiting the convergence loop. Accordingly, the calculated value {u '} of the nodes due to elastic deformation immediately before exiting the convergence loop, that is, the reference displacement {u} updated in step S205 indicates the displacement due to elastic deformation of each node almost accurately. It becomes. Further, the coordinate value {r} of the origin in the global coordinate system of the new local coordinate system set immediately before exiting the convergence loop, that is, the local coordinate system updated in step S205, and the rotation matrix [A] of the axis vector thereof. Represents the translational component and the rotational component of the rigid body motion of the connecting rod, respectively.

図7(a)は、この時点の、すなわち収束ループを抜けた時点の、局所座標系におけるコネクティングロッドの位置及び形状を示したものである。また図7(b)は、この時点の局所座標系におけるコネクティングロッドの位置及び形状を、変形を10000倍に拡大して示したものである。このように、この時点の局所座標系におけるコネクティングロッドの位置及び形状からは、剛体運動による変位がほぼ完全に除かれている。そのため、このときの局所座標系におけるコネクティングロッドの位置及び形状を見ることで、その弾性変形の様相を容易かつ的確に把握することができる。   FIG. 7 (a) shows the position and shape of the connecting rod in the local coordinate system at this point, that is, when the convergence loop is exited. FIG. 7B shows the position and shape of the connecting rod in the local coordinate system at this time with the deformation magnified 10,000 times. Thus, the displacement due to the rigid body motion is almost completely excluded from the position and shape of the connecting rod in the local coordinate system at this time. Therefore, by looking at the position and shape of the connecting rod in the local coordinate system at this time, it is possible to easily and accurately grasp the aspect of the elastic deformation.

以上説明した本実施の形態の剛体運動及び弾性変形の解析方法によれば、以下の効果を奏することができる。
(1)剛性行列が時々刻々と変化することから弾性モードが未知の有限要素で表現された物体の場合にも、その剛体変位と弾性変形とを分離して解析することができる。
According to the rigid body motion and elastic deformation analysis method of the present embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) Since the stiffness matrix changes from moment to moment, even in the case of an object represented by a finite element whose elastic mode is unknown, the rigid body displacement and elastic deformation can be separated and analyzed.

(2)剛体運動及び弾性変形の解析の前提となるFEMによる物体の変位及び変形の解析に、既存のFEMソフトウェアをそのまま利用することができる。
なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
(2) Existing FEM software can be used as it is for the analysis of the displacement and deformation of an object by FEM, which is the premise of the analysis of rigid body motion and elastic deformation.
In addition, the said embodiment can also be changed and implemented as follows.

・上記実施の形態では、物体Mの剛体運動及び弾性変形の時間ステップ毎の過渡応答計算を行うようにしていたが、最終的な物体Mの剛体運動及び弾性変形さえ解れば良い場合には、最終的な物体Mの剛体運動及び弾性変形のみ求めるようにしても良い。すなわち、この場合には、図3の剛体変位及び弾性変形解析ルーチンのステップS106において、最終的な各節点の変位を取得するようにするとともに、ステップS107の処理を完了した時点で同ルーチンの処理を終了するようにすることになる。   In the above embodiment, the transient response calculation is performed for each time step of the rigid body motion and elastic deformation of the object M. However, if only the final rigid body motion and elastic deformation of the object M need only be understood, Only the final rigid body motion and elastic deformation of the object M may be obtained. That is, in this case, in step S106 of the rigid body displacement and elastic deformation analysis routine of FIG. 3, the final displacement of each node is acquired, and the processing of the routine is performed when the processing of step S107 is completed. Will be finished.

・上記実施の形態では、非線形FEMの解析結果から物体の剛体運動及び弾性変形を求めていたが、線形FEMの解析結果からの物体の剛体運動及び弾性変形の解析にも本発明は同様に適用することができる。   In the above embodiment, the rigid body motion and elastic deformation of the object are obtained from the analysis result of the nonlinear FEM, but the present invention is similarly applied to the analysis of the rigid body motion and elastic deformation of the object from the analysis result of the linear FEM. can do.

M…物体、G…重心位置、P…節点。   M ... object, G ... center of gravity, P ... node.

Claims (1)

節点を境界とする有限数の要素に物体を分割して行われる有限要素法による前記物体の変位及び変形の解析の結果から同物体の剛体運動及び弾性変形を解析する方法であって、
固定された全体座標系における各節点の初期の座標値及び各要素の質量行列を取得する第1のステップと、
前記物体の初期の重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする局所座標系を設定するとともに、その局所座標系における前記各節点の初期の座標値を計算する第2のステップと、
前記質量行列及び前記局所座標系における前記各節点の初期の座標値から、前記各節点の剛体モードの固有ベクトルを計算する第3のステップと、
を行い、剛体運動及び弾性変形による前記各節点の変位を同各節点の基準変位として設定した上で、
前記固有ベクトル、前記質量行列及び前記基準変位から、前記局所座標系における前記物体の剛体モード変位を計算する第4のステップと、
前記剛体モード変位及び前記固有ベクトルから、前記局所座標系における前記剛体運動及び弾性変形後の前記物体の前記重心位置の座標値及び慣性主軸の回転行列をそれぞれ計算する第5のステップと、
前記剛体運動及び弾性変形後の前記物体の重心位置及び慣性主軸を原点及び軸ベクトルとする新たな局所座標系を設定するとともに、前記局所座標系における前記各節点の初期の座標値と前記新たな局所座標系における前記各節点の剛体運動及び弾性変形後の座標値との偏差を前記各節点の弾性変形による変位として計算する第6のステップと、
を行い、以後、前記全体座標系における前記局所座標系と前記新たな局所座標系との偏差が既定値以下となるまで、前記新たな局所座標系を前記局所座標系として、前記各節点の弾性変形による変位を同各節点の前記基準変位としてそれぞれ設定し直した上で、前記第4〜第6のステップを繰り返し行い、前記偏差が前記既定値以下となった時点の前記全体座標系における前記新たな局所座標系の原点の座標値及び軸ベクトルの回転行列から前記物体の剛体運動を、同時点の前記各節点の弾性変形による変位から前記物体の弾性変形をそれぞれ求めるようにした
ことを特徴とする剛体運動及び弾性変形の解析方法。
A method of analyzing rigid body motion and elastic deformation of the object from a result of analysis of displacement and deformation of the object by a finite element method performed by dividing the object into a finite number of elements having a node as a boundary,
Obtaining an initial coordinate value of each node and a mass matrix of each element in a fixed global coordinate system;
A second step of setting a local coordinate system having an initial center of gravity position and an inertial main axis of the object as an origin and an axis vector, and calculating initial coordinate values of the nodes in the local coordinate system;
A third step of calculating a rigid mode eigenvector of each node from the mass matrix and initial coordinate values of each node in the local coordinate system;
After setting the displacement of each node due to rigid body motion and elastic deformation as the reference displacement of each node,
A fourth step of calculating a rigid mode displacement of the object in the local coordinate system from the eigenvector, the mass matrix and the reference displacement;
A fifth step of calculating, from the rigid body mode displacement and the eigenvector, a coordinate value of the center of gravity position of the object after the rigid body motion and elastic deformation in the local coordinate system and a rotation matrix of the principal axis of inertia, respectively;
A new local coordinate system is set with the origin and axis vector of the center of gravity and inertial principal axis of the object after the rigid body motion and elastic deformation, and the initial coordinate value of each node in the local coordinate system and the new A sixth step of calculating a deviation from the coordinate value after the rigid body motion and elastic deformation of each node in the local coordinate system as a displacement due to elastic deformation of each node;
Thereafter, until the deviation between the local coordinate system and the new local coordinate system in the global coordinate system is equal to or less than a predetermined value, the new local coordinate system is used as the local coordinate system, and the elasticity of each node is determined. After re-setting the displacement due to deformation as the reference displacement of the respective nodes, the fourth to sixth steps are repeated, and the deviation in the global coordinate system at the time when the deviation becomes equal to or less than the predetermined value. The rigid body motion of the object is obtained from the coordinate value of the origin of the new local coordinate system and the rotation matrix of the axis vector, and the elastic deformation of the object is obtained from the displacement due to the elastic deformation of each node at the same point. Analyzing method of rigid body motion and elastic deformation.
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