JP3771035B2 - 構造解析システム並びに構造解析プログラムを記録した記録媒体 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は構造解析システム並びに構造解析プログラムを記録した記録媒体に係り、特に、構造解析の弾塑性問題を解析する構造解析システム並びに構造解析プログラムを記録した記録媒体に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、橋梁等の建築物の構造解析を行うシステムが開発されている。橋梁等の構造解析では、材料にかかる荷重が材料の降伏点を超え弾性変形領域から塑性変形領域に入ることも考慮した弾塑性問題を解析する必要がある。従来の構造解析システムは、収束法(ニュートン法)や荷重増分法を用いて構造解析を行っている。弾塑性問題を解析する場合には、構造部材の曲率−曲げモーメント特性が弾性変形領域における傾きに比して塑性変形領域における傾きが小さくなり、これに対応して解析を行わなければならない。
【0003】
収束法は、構造部材に1度で荷重をかけ構造部材の曲率が塑性変形領域となった場合に、弾性変形領域における傾きで求めた曲げモーメントに対して補正を行って塑性変形領域における傾きを得る手法である。
荷重増分法は、荷重を1度にかけるのではなく、微小量の荷重を順次増加させることにより構造部材の曲率−曲げモーメント特性を弾性変形領域から塑性変形領域まで近似的に表そうとする手法である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の収束法を用いた構造解析システムは、計算時間が比較的短く知名度も高いために一般的に使用されているが、収束回数や時間分割数や収束誤差等の計算条件によっては、解のばらつきを生じたり不安定な挙動を示し、解が求まらない場合もある。これを防止し安定した挙動で解を得るためには、上記の計算条件を指定するパラメータの設定のために専門的なノウハウが必要となるという問題があった。
【0005】
また、従来の荷重増分法を用いた構造解析システムは、必ず解を得ることができるものの、荷重を細かく分割してそれぞれについて計算を行うため計算時間が長くなり、荷重の分割数が小さいほど計算誤差が大きくなり誤差が蓄積して解の信頼性が低下する。また、計算条件を指定するパラメータの設定のために専門的なノウハウが必要となるという問題があった。
【0006】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、解のばらつきを生じたり不安定な挙動を示すことがなく、計算条件を指定するパラメータを設定する必要がなく、計算時間が短く解の信頼性向上する構造解析システム並びに構造解析プログラムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、弾塑性を有する複数の構造部材で構成された構造物に外力が加えられた場合の構造解析を行う構造解析システムにおいて、
前記構造物に外力が加えられた状態の前記構造物を構成する各構造部材の運動方程式から前記各構造部材の歪みを演算する歪み演算手段と、
前記各構造部材毎の歪み−応力特性から前記歪みに対応してどの構造部材が最も早い時点で歪み−応力特性が変化するかを検出する検出手段と、
前記検出手段で変化が検出された構造部材について前記検出された時点の外力から先の外力に対する前記運動方程式の歪み−応力特性値を変更する変更手段を有し、
前記歪み演算手段での歪み演算、検出手段での歪み−応力特性の変化検出及び変更手段での運動方程式の歪み−応力特性値の変更を繰り返し、前記各構造部材毎の履歴特性を得る。
【0008】
このように、歪み演算手段での歪み演算、検出手段での歪み−応力特性の変化検出及び変更手段での運動方程式の歪み−応力特性値の変更を繰り返し、各構造部材毎の履歴特性を得るため、解のばらつきを生じたり不安定な挙動を示すことがなく、収束回数や時間分割数や収束誤差等の計算条件を指定するパラメータを設定する必要がなく、また、1度の演算でいずれかの構造部材の歪み−応力特性(剛性)が変化するまでの期間の構造物の挙動を確定できるため、計算時間が短くなり、計算誤差が蓄積して解の信頼性が低下することを防止できる。
【0009】
請求項2に記載の発明は、コンピュータを、
弾塑性を有する複数の構造部材で構成された構造物に外力が加えられた場合の構造解析を行うために、
前記構造物に外力が加えられた状態の前記構造物を構成する各構造部材の運動方程式から前記各構造部材の歪みを演算させる歪み演算手段と、
前記各構造部材毎の歪み−応力特性から前記歪みに対応してどの構造部材が最も早い時点で歪み−応力特性が変化するかを検出させる検出手段と、
前記検出手段で変化が検出された構造部材について前記検出された時点の外力から先の外力に対する前記運動方程式の歪み−応力特性値を変更させる変更手段と、
前記歪み演算手段での歪み演算、検出手段での歪み−応力特性の変化検出及び変更手段での運動方程式の歪み−応力特性値の変更を繰り返し、前記各構造部材毎の履歴特性を得るよう機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【0010】
この記録媒体を使用することにより、構造解析を行うことができ、これにより請求項1記載の発明を実現できる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の構造解析システムの一実施例のブロック図を示す。同図中、中央処理装置(CPU)10には、バス15を介して入力装置20、記憶装置30、表示装置40、印刷装置50それぞれが接続されている。入力装置20としてはキーボード21,マウス22,スキャナ23等が設けられており、記憶装置30としてはRAM31、ROM32、ハードディスク装置33、フレキシブルディスク装置34、CD−ROM装置35等が設けられている。なお、本発明の構造解析の構造解析プログラムは例えばCD−ROMに記録されている。CPU10は記憶装置30から各種処理プログラムを読み出して実行し、その結果を記憶装置30に記憶すると共に、表示装置40に表示し、印刷装置50で印刷して出力する。また、記憶装置30には各種処理プログラムの他に各種ライブラリも記憶されている。
【0012】
図2は本発明の構造解析システムが実行する構造解析処理の第1実施例のフローチャートを示す。ここでは、N個の構造部材からなる構造物の静的解析を行うものとして説明する。なお、N個の構造部材それぞれの歪み−応力特性としての曲率−曲げモーメント特性は予め分かっている。同図中、ステップS10で外力としての荷重ベクトルFと荷重ベクトルF0 を設定する。荷重ベクトルF0 は初期値0であり、荷重ベクトルFは最終的にかける荷重である。この荷重ベクトルF0 (=0)から荷重ベクトルFまでの変化に時間dtを要するものとする。
【0013】
次に、ステップS12で(1)式に示す運動方程式に荷重ベクトルFを代入して相対応答変位ベクトルUを求め、この相対応答変位ベクトルUから(2)式を用いて断面力ベクトルSを求める。この断面ベクトルS内に応力としての曲げモーメントmが含まれている。また(3)式から歪みとしての曲率φを求める。
F=K・U …(1)
S=Ks・U …(2)
φ=m/(E・I) …(3)
但し、Kは剛性マトリックスであり、Ksは応力マトリックスであり、Eはヤング係数で構造部材の材料で決まっており、Iは断面二次モーメントで構造により決まっている。上記の曲率φの演算は、N個の構造部材それぞれについて行われる。
【0014】
次に、ステップS14でN個の構造部材のうちどの構造部材が最も早い時点で曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化するかを見つけ、その時点tiの荷重ベクトルFiはいくらであるかを算出する。この後、ステップS16ではN個の構造部材のいずれかで曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化する剛性変化点が見つかったか否かを判別し、剛性変化点が見つかった場合には、ステップS18で荷重ベクトルF0 に荷重ベクトルFiを設定し、最も早い時点で曲率−曲げモーメント特性が変化した構造部材の剛性マトリックスKを対応する曲率−曲げモーメント特性に従って変更し、ステップS12に進む。
【0015】
これにより、次回は荷重ベクトルF0 (=Fi)から荷重ベクトルFまでの変化におけるN個の構造部材の曲率φの演算が行われ、N個の構造部材のうちどの構造部材が最も早い時点で曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化するかを見つけ、その構造部材の剛性マトリックスKを変更する。このステップS12〜S18の処理を繰り返すことにより、荷重ベクトルFがかかるまでのN個の構造部材からなる構造物の履歴特性を得ることができる。
【0016】
このように、荷重ベクトルFをかけてN個の構造部材の曲率φの演算を行い、N個の構造部材のうちどの構造部材が最も早い時点で曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化するかを見つけ、その構造部材の剛性マトリックスKを変更して繰り返し演算を行うため、従来の収束法のように解のばらつきを生じたり不安定な挙動を示すことがなく、収束回数や時間分割数や収束誤差等の計算条件を指定するパラメータを設定する必要がない。
【0017】
また、1度の演算でいずれかの構造部材の曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化するまでの期間の構造物の挙動を確定できるため、従来の荷重増分法に比べて計算時間が短くなり、計算誤差が蓄積して解の信頼性が低下することがなく、解析の精度が向上し、また、計算条件を指定するパラメータを設定する必要がない。
【0018】
図3は本発明の構造解析システムが実行する構造解析処理の第2実施例のフローチャートを示す。ここでは、N個の構造部材からなる構造物の動的解析を行う。なお、N個の構造部材それぞれの歪み−応力特性としての曲率−曲げモーメント特性は予め分かっている。同図中、ステップS110で外力としての加速度ベクトルddαと加速度ベクトルddα0 を設定する。加速度ベクトルddα0 は初期値0であり、加速度ベクトルddαは最終的にかかる加速度である。
【0019】
次に、ステップS112で(4)式に示す運動方程式に加速度ベクトルddαを代入して相対応答変位ベクトルUを求め、この相対応答変位ベクトルUから(2)式を用いて断面力ベクトルSを求める。この断面ベクトルS内に応力としての曲げモーメントmが含まれている。また(3)式から歪みとしての曲率φを求める。
【0020】
M・ddU+C・dU+K・U=−M・ddα …(4)
S=Ks・U …(2)
φ=m/(E・I) …(3)
但し、Mは質量マトリックスであり、Cは減衰マトリックスであり、ddUは相対応答加速度ベクトルであり、dUは相対応答速度ベクトルであり、Kは剛性マトリックスであり、Ksは応力マトリックスであり、Eはヤング係数で構造部材の材料で決まっており、Iは断面二次モーメントで構造により決まっている。上記の曲率φの演算は、N個の構造部材それぞれについて行われる。
【0021】
次に、ステップS114でN個の構造部材のうちどの構造部材が最も早い時点で曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化するかを見つけ、その時点tiの加速度ベクトルddαiはいくらであるかを算出する。この後、ステップS116ではN個の構造部材のいずれかで曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化する剛性変化点が見つかったか否かを判別し、剛性変化点が見つかった場合には、ステップS18で加速度ベクトルddα0 に加速度ベクトルddαiを設定し、最も早い時点で曲率−曲げモーメント特性が変化した構造部材の剛性マトリックスKを対応する曲率−曲げモーメント特性に従って変更し、ステップS112に進む。
【0022】
これにより、次回は加速度ベクトルddα0 (=ddαi)から加速度ベクトルddαまでの変化におけるN個の構造部材の曲率φの演算が行われ、N個の構造部材のうちどの構造部材が最も早い時点で曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化するかを見つけ、その構造部材の剛性マトリックスKを変更する。このステップS112〜ステップS118の処理を繰り返すことにより、加速度ベクトルddαがかかるまでのN個の構造部材からなる構造物の履歴特性を得ることができる。
【0023】
この実施例で、図4(A)に示す塑性化した構造部材70及び塑性化してない構造部材72,74からなるラーメン構造モデルに、例えば地震等の加速度ベクトルddαが加わり、時点t0 から時間dt後に図4(B)に示すように構造部材72が塑性化した場合について説明する。ここで、構造部材74は剛体として扱うものとする。
【0024】
時点t0 では、図4(A)に示す状態における塑性化した構造部材70の曲率−曲げモーメント特性を図5(A)に示し、図4(B)に示す状態における塑性化してない構造部材72の曲率−曲げモーメント特性を図6(A)に示す。ここで、加速度ベクトルddαが加わると、初回の演算で、構造部材70は剛性マトリックスK3 によって図5(B)に破線の矢印で表す曲率−曲げモーメント特性を示す。なお、*印は出発位置を示す。これと共に、構造部材72は剛性マトリックスK1 によって図6(B)に破線の矢印で表す曲率−曲げモーメント特性を示す。そして、時点t1 で構造部材72の曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化する剛性変化点に到達する。
【0025】
このため、次の演算では構造部材72の剛性マトリックスをK2 に変更する。これにより、構造部材70は剛性マトリックスK3 によって図5(C)に破線の矢印で表す曲率−曲げモーメント特性を示す。これと共に、構造部材72は剛性マトリックスK2 によって図6(C)に破線の矢印で表す曲率−曲げモーメント特性を示す。そして、時点t2 で構造部材70の曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化する剛性変化点(降伏点)に到達する。
【0026】
このため、次の演算では構造部材70の剛性マトリックスをK2 に変更する。これにより、構造部材70は剛性マトリックスK2 によって図5(D)に破線の矢印で表す曲率−曲げモーメント特性を示す。これと共に、構造部材72は剛性マトリックスK2 によって図6(D)に破線の矢印で表す曲率−曲げモーメント特性を示す。そして、時点t0 から時間dt後に構造部材70は、図5(E)に実線で表す曲率−曲げモーメント特性を示して終局に至る。これと共に、構造部材72は、図6(E)に実線で表す曲率−曲げモーメント特性を示して終局に至る。この図5(A)〜(E)は構造部材70の履歴特性を表しており、図6(A)〜(E)は構造部材72の履歴特性を表している。
【0027】
このように、加速度ベクトルddαをかけてN個の構造部材の曲率φの演算を行い、N個の構造部材のうちどの構造部材が最も早い時点で曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化するかを見つけ、その構造部材の剛性マトリックスKを変更して繰り返し演算を行うため、従来の収束法のように解のばらつきを生じたり不安定な挙動を示すことがなく、収束回数や時間分割数や収束誤差等の計算条件を指定するパラメータを設定する必要がない。
【0028】
また、1度の演算でいずれかの構造部材の曲率−曲げモーメント特性(剛性)が変化するまでの期間の構造物の挙動を確定できるため、従来の荷重増分法に比べて計算時間が短くなり、計算誤差が蓄積して解の信頼性が低下することがなく、解析の精度が向上し、また、計算条件を指定するパラメータを設定する必要がない。
【0029】
なお、耐震構造の構造解析を行う場合は、地震波の加速度ベクトルddαを連続して印加して解析することにより、各構造部材の図5,図6に示すような履歴特性を得る。
なお、ステップS12,S112が歪み演算手段に対応し、ステップS14,114が検出手段に対応し、ステップS18,118が変更手段に対応する。
【0030】
【発明の効果】
上述の如く、請求項1に記載の発明は、歪み演算手段での歪み演算、検出手段での歪み−応力特性の変化検出及び変更手段での運動方程式の歪み−応力特性値の変更を繰り返し、各構造部材毎の履歴特性を得るため、解のばらつきを生じたり不安定な挙動を示すことがなく、収束回数や時間分割数や収束誤差等の計算条件を指定するパラメータを設定する必要がなく、また、1度の演算でいずれかの構造部材の歪み−応力特性(剛性)が変化するまでの期間の構造物の挙動を確定できるため、計算時間が短くなり、計算誤差が蓄積して解の信頼性が低下することを防止できる。
【0031】
また、請求項2に記載の記録媒体を使用することにより、構造解析を行うことができ、これにより請求項1記載の発明を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構造解析システムの一実施例のブロック図である。
【図2】本発明の構造解析システムが実行する構造解析処理の第1実施例のフローチャートである。
【図3】本発明の構造解析システムが実行する構造解析処理の第2実施例のフローチャートである。
【図4】本発明の構造解析システムで構造解析するラーメン構造モデルを示す図である。
【図5】構造部材70の履歴特性を表す図である。
【図6】構造部材72の履歴特性を表す図である。
【符号の説明】
10 中央処理装置(CPU)
20 入力装置
21 キーボード
22 マウス
23 スキャナ
30 記憶装置
31 RAM
32 ROM
33 ハードディスク装置
34 フレキシブルディスク装置
35 CD−ROM装置
40 表示装置
50 印刷装置
70〜74 構造部材
Claims (2)
- 弾塑性を有する複数の構造部材で構成された構造物に外力が加えられた場合の構造解析を行う構造解析システムにおいて、
前記構造物に外力が加えられた状態の前記構造物を構成する各構造部材の運動方程式から前記各構造部材の歪みを演算する歪み演算手段と、
前記各構造部材毎の歪み−応力特性から前記歪みに対応してどの構造部材が最も早い時点で歪み−応力特性が変化するかを検出する検出手段と、
前記検出手段で変化が検出された構造部材について前記検出された時点の外力から先の外力に対する前記運動方程式の歪み−応力特性値を変更する変更手段を有し、
前記歪み演算手段での歪み演算、検出手段での歪み−応力特性の変化検出及び変更手段での運動方程式の変更を繰り返し、前記各構造部材毎の履歴特性を得ることを特徴とする構造解析システム。 - コンピュータを、
弾塑性を有する複数の構造部材で構成された構造物に外力が加えられた場合の構造解析を行うために、
前記構造物に外力が加えられた状態の前記構造物を構成する各構造部材の運動方程式から前記各構造部材の歪みを演算させる歪み演算手段と、
前記各構造部材毎の歪み−応力特性から前記歪みに対応してどの構造部材が最も早い時点で歪み−応力特性が変化するかを検出させる検出手段と、
前記検出手段で変化が検出された構造部材について前記検出された時点の外力から先の外力に対する前記運動方程式の歪み−応力特性値を変更させる変更手段と、
前記歪み演算手段での歪み演算、検出手段での歪み−応力特性の変化検出及び変更手段での運動方程式の歪み−応力特性値の変更を繰り返し、前記各構造部材毎の履歴特性を得るよう機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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