JP4522786B2 - Analysis method for fastened structures - Google Patents
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Description
本発明は、締結部材によって被締め付け対象物と雌ネジ部材とが締結された構造物をモデル化し、この構造物のモデルに外力が加わった際の各部の力または変形を解析する、締結された構造物の解析方法に関する。 The present invention models a structure in which an object to be tightened and a female screw member are fastened by a fastening member, and analyzes the force or deformation of each part when an external force is applied to the model of the structure. The present invention relates to a structure analysis method.
締結部材によって、被締め付け対象物と雌ネジ部材とが締結された構造物に対して、外力が加わった際の各部の応力、面圧、軸力等の力や、各部の変形を解析する方法は、従来より有限要素法(FEM)の手法を用いた各種FEM解析ソフトウエアがインストールされたコンピュータによって実現されている。 A method for analyzing forces such as stress, surface pressure, axial force, etc., and deformation of each part when an external force is applied to a structure in which the object to be fastened and the female screw member are fastened by the fastening member Is realized by a computer in which various FEM analysis software using a finite element method (FEM) method has been installed.
たとえば、図2に示すように、ボルト100によって被締め付け対象物200と雌ネジ部材300とが締結された構造物400がモデル化され、この構造物400の各要素の材料特性などを定義した上で、外部から力F1を模擬的に加える。これにより構造物400の各部の応力、変形が計算されて、ディスプレイの画面上に表示される。
For example, as shown in FIG. 2, a
ここで、本発明に関する一般技術水準を示す文献として、下記に掲げる特許文献1、2がある。
Here, there are
特許文献1には、2つの物体の間に、仮想的な三角錐形状の接触要素を形成し、熱や荷重などの負荷を与えて、上記接触要素を変形させ、この接触要素の変形量に応じて、両物体が接触して発生する応力、変形を計算するという技術が記載されている。
In
また、特許文献2には、2つの物体が重なることを許容して、熱や荷重などの負荷を与えて、2つの物体の各節点の距離を求め、節点間距離(重なり量)に応じて、両物体が接触して発生する応力、変形を計算するという技術が記載されている。
しかし、図2に示す構造物400に、たとえば図中上向きの力F1を与えて計算すると、ボルト100に、全荷重F1がかかるなど実際のボルトにかかる荷重よりも大きな荷重がかかってしまい、実際の構造物で生じる応力や変形とは異なる結果を示すことがあった。
However, if the
本発明者は、その原因について考察し、
1)ボルト100を締結した際に発生する初期締め付け軸力が考慮されていない。
The inventor considered the cause,
1) The initial tightening axial force generated when the
2)被締め付け対象物200と雌ネジ部材300との間には接触が定義されていない。
2) No contact is defined between the object to be tightened 200 and the
ということが原因であるという結論を得た。 I concluded that this is the cause.
ここで、上記特許文献1、2は、一般的な2つの物体間の接触解析に関する技術であり、締結部材によって被締め付け対象物と雌ネジ部材とを締結する際に発生する特有の現象、つまり初期締め付け軸力を考慮するものではない。
Here,
また、締結された構造物を解析するにあたり、大がかりなソフトウエアの改変や、新しいソフトウエアを開発することなく、既存のソフトウエアを利用して精度の高い解析を行うことが要請されている。 Moreover, when analyzing the fastened structure, it is required to perform high-accuracy analysis using existing software without extensive software modification or development of new software.
本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであり、締結された構造物の各部の力、変形を解析するに際して、シミュレーション結果が、実際の構造物の挙動と正確に一致するように高精度に解析できるようにし、しかも、既存のソフトウエアを用いて容易に、短時間で解析を行えるようにすることを解決課題とするものである。 The present invention has been made in view of such a situation, and when analyzing the force and deformation of each part of the fastened structure, the simulation result is highly accurate so that the simulation result accurately matches the behavior of the actual structure. It is an object of the present invention to make it possible to perform analysis easily and to perform analysis easily and in a short time using existing software.
第1発明は、
締結部材(10)によって被締め付け対象物(20)と雌ネジ部材(30)とが締結された構造物(40)をモデル化し、この構造物のモデル(400)に外力が加わった際の各部の力または変形を解析する、締結された構造物の解析方法であって、
締結部材(10)をモデル化するに際して、雌ネジ部材のモデル(300)のネジ部(310)と連結するビーム(150)であって、締結部材(10)が締結された際に発生する初期締め付け軸力に応じて変位するビーム(150)を形成し、
前記締結部材のモデル(100)のビーム(150)に、温度負荷を与えるために熱膨張率を定義し、
締結部材のモデル(100)のビーム(150)に対して、初期締め付け軸力に対応する温度負荷を与えて、初期締め付け軸力に応じて変位させた上で、構造物のモデル(400)に対して外力を加えて、構造物のモデル(400)の各部の力または変形をシミュレートすることを特徴とする。
The first invention is
The structure (40) in which the object to be tightened (20) and the female screw member (30) are fastened by the fastening member (10) is modeled, and each part when an external force is applied to the model (400) of this structure A method of analyzing a fastened structure that analyzes the force or deformation of
When modeling the fastening member (10), a beam (150) connected to the threaded portion (310) of the female screw member model (300), which is generated when the fastening member (10) is fastened. Forming a beam (150) which is displaced according to the tightening axial force;
Defining a coefficient of thermal expansion to impart a temperature load to the beam (150) of the fastening member model (100);
A temperature load corresponding to the initial fastening axial force is applied to the beam (150) of the fastening member model (100), and the beam is displaced according to the initial fastening axial force. An external force is applied to the structure model (400) to simulate the force or deformation of each part.
第2発明は、第1発明において、
締結部材(10)と雌ネジ部材(30)との間で初期締め付け軸力が伝達される位置(C)に、雌ネジ部材のモデル(300)のネジ部(310)とポイント(142)を共有するバー(140)が形成され、このバー(140)に、第1発明におけるビーム(150)が連結されていることを特徴とする。
The second invention is the first invention,
At a position (C) where the initial tightening axial force is transmitted between the fastening member (10) and the female screw member (30), the screw part (310) and the point (142) of the female screw member model (300) are placed. A common bar (140) is formed, and the beam (150) in the first invention is connected to the bar (140).
第3発明は、第1発明または第2発明において、
締結部材(10)の首下先端に相当する位置(D)に、雌ネジ部材のモデル(300)のネジ部(310)とポイント(162)を共有しないバー(160)が形成され、このバー(160)に、第1発明または第2発明におけるビーム(150)が連結されることを特徴する。
The third invention is the first invention or the second invention,
A bar (160) that does not share the point (162) with the screw part (310) of the female screw member model (300) is formed at a position (D) corresponding to the lower neck tip of the fastening member (10). (160) is characterized in that the beam (150) in the first invention or the second invention is connected.
第4発明は、
被締め付け対象物のモデル(200)と雌ネジ部材のモデル(300)とが別々のボリュームとして接触していることを定義した上で、シミュレートすること
を特徴とする。
The fourth invention is
It is characterized by simulating after defining that the model (200) of the object to be tightened and the model (300) of the female screw member are in contact as separate volumes.
本発明を図を用いて説明する。 The present invention will be described with reference to the drawings.
まず、図1(a)に示す実際の構造物40を、図1(b)に示すようにモデル化する。
First, the
図1(b)はモデル化された構造物400であり、ボルトのモデル100は、雌ネジ部材300のネジ部310と連結するビームであって、ボルト100が締結された際に発生する初期締め付け軸力に応じて変位するビーム150を形成することで、作成される。より詳しくは、ボルト100と雌ネジ部材300との間で初期締め付け軸力が伝達される位置Cに、雌ネジ部材300のモデルのネジ部310とポイント142を共有するバー140が形成され、このバー140に、ビーム150が連結されることで、ボルト100のモデルが作成される(第2発明)。更に、より詳しくは、ボルト100の首下先端に相当する位置Dに、雌ネジ部材300のモデルのネジ部310とポイント162を共有しないバー160が形成され、このバー160に、ビーム150が連結されることで、ボルト100のモデルが作成される(第3発明)。このようにボルト100は、ワイヤフレームモデルで作成されており、ビーム、バーといった線、曲線とポイント(節点)とで構成された単純な構造のモデルであり、構造物の「面」を考慮するソリッドモデルと比較して、短時間で、容易に、熟練を要せずに、モデルを作成することができるとともに、計算負荷が小さく、メモリ容量を要せずに、短時間で、演算を行うことができ、解析の作業効率がよい。
FIG. 1B shows a modeled
ボルト100のモデルのビーム150には、温度負荷を与えるために熱膨張率を定義しておく。モデルの各要素の材料特性として、熱膨張率を定義したり、温度を定義(温度を設定する)という機能は、既存のソフトウエアのメニューとして用意されており、これを利用することができる。
The coefficient of thermal expansion is defined for the
一般的に、構造物は、温度負荷が加わると、熱膨張率と温度に応じた歪み(変形)が生じるとともに、上記構造物が弾性体であれば、外力が加わると、弾性係数(ヤング率)と形状で決まる剛性に応じた歪み(変形)が生じる。構造物のモデルの要素に歪みを生じさせるという点では、温度負荷も力の負荷も同じである。 In general, when a temperature load is applied to a structure, distortion (deformation) corresponding to the coefficient of thermal expansion and temperature occurs, and if the structure is an elastic body, an elastic force (Young's modulus) is applied when an external force is applied. ) And a distortion (deformation) corresponding to the rigidity determined by the shape occurs. The temperature load and the force load are the same in that the elements of the structure model are distorted.
初期締め付け軸力は、本来、実際のボルト10の締め付けトルクに応じて発生する軸力であり、温度負荷ではない。しかしながら、解析処理上、温度負荷として扱えば、力の負荷として扱う場合よりも、操作が容易であり、歪みを正確に再現できる。すなわち、力の負荷を与えるには、力が加わるモデルの部位や力の方向などを指定する必要があるが、温度負荷を与えるには、モデル全体に温度(熱膨張率を定義した上で)を与えさえすればよい。それによって材料特性として熱膨張率が定義された要素のみ(ボルト100のビーム150のみ)が熱膨張し、それによって生じる各部の歪みが正確に再現される。
The initial tightening axial force is originally an axial force generated according to the actual tightening torque of the
また、被締め付け対象物のモデル200と雌ネジ部材のモデル300とが別々のボリュームとして接触していることを定義する。この「接触」というメニューも既存のソフトウエアに用意されている(第4発明)。
Further, it is defined that the
つぎに 図1(c)に示すように、ボルトのモデル100のビームに対して、初期締め付け軸力に対応する温度負荷を与える。ここで、ボルト100のビーム150には、たとえば熱膨張率が定義されている。構造物のモデル400全体に温度を与えれば、材料特性として熱膨張率が定義されたボルト100のビーム150のみが熱膨張し、初期締め付け軸力による各部の歪みを正確に再現できる。
Next, as shown in FIG. 1C, a temperature load corresponding to the initial tightening axial force is applied to the beam of the
つぎに、図1(d)に示すように、構造物のモデル400に対して外力を加えて、構造物のモデル400の各部の抵抗力(応力、面圧等)または変形(歪み)を、ボルトの外力に対する抵抗力としてシミュレートする。なお、解析処理の手順としては、温度負荷(図1(c))と、外力(図1(d))とを同時に与えてもよい。
Next, as shown in FIG. 1 (d), an external force is applied to the
図3は、実施形態のシミュレーションによる解析結果と比較するために用いた試験用の実際の構造物40を、斜視図にて示している。
FIG. 3 is a perspective view showing an
同図3に示すように、試験用の構造物40は、ボルト10(締結部材)によって被締め付け対象物20と雌ネジ部材30とが締結されてなるものである。
As shown in FIG. 3, a
ボルト10は、ワッシャ10aを介して締結される。
The
なお、以下の説明では、実際の構造物40、この構造物40を構成するボルト10、被締め付け対象物20、雌ネジ部材30に対して、解析モデルの構造物400、この構造物(のモデル)400を構成するボルト(のモデル)100、被締め付け対象物(のモデル)200、雌ネジ部材(のモデル)300を、それぞれ区別するために、異なる符号を付して説明する。
In the following description, the
図1は、本実施例の解析の流れを示した図である。図1は、締結された構造物を断面図にて示している。 FIG. 1 is a diagram showing the flow of analysis in this embodiment. FIG. 1 shows the fastened structure in a cross-sectional view.
本実施例の解析は、既存のFEM解析用ソフトウエアがインストールされたコンピュータを用いて行うことができる。FEM解析用ソフトウエアとしては、「MECANICA」(登録商標)、「ANSYS」(登録商標)などを使用することができる。なお、解析装置の構成は、市販のコンピュータ本体およびそれに接続されるディスプレイ、入力装置(マウス、キーボード等)、プリンタなど、汎用のものを使用することができる。一般的な構成であるため装置構成の図示は省略する。 The analysis of the present embodiment can be performed using a computer in which existing FEM analysis software is installed. As the FEM analysis software, “MECANICA” (registered trademark), “ANSYS” (registered trademark), or the like can be used. In addition, the structure of an analysis apparatus can use general purpose things, such as a commercially available computer main body and the display connected to it, an input device (a mouse | mouth, a keyboard, etc.), a printer. Since the configuration is general, the illustration of the device configuration is omitted.
まず、図1(a)に示す実際の構造物40を、図1(b)に示すようにモデル化する。
First, the
図1(b)はモデル化された構造物400であり、ボルトのモデル100は、雌ネジ部材300のネジ部310と連結するビームであって、ボルト100が締結された際に発生する初期締め付け軸力に応じて変位するビーム150を形成することで、作成される。より詳しくは、ボルト100と雌ネジ部材300との間で初期締め付け軸力が伝達される位置Cに、雌ネジ部材300のモデルのネジ部310とポイント142を共有するバー140が形成され、このバー140に、ビーム150が連結されることで、ボルト100のモデルが作成される。更に、より詳しくは、ボルト100の首下先端に相当する位置Dに、雌ネジ部材300のモデルのネジ部310とポイント162を共有しないバー160が形成され、このバー160に、ビーム150が連結されることで、ボルト100のモデルが作成される。このようにボルト100は、ワイヤフレームモデルで作成されており、ビーム、バーといった線、曲線とポイント(節点)とで構成された単純な構造のモデルであり、構造物の「面」を考慮するソリッドモデルと比較して、短時間で、容易に、熟練を要せずに、モデルを作成することができるとともに、計算負荷が小さく、メモリ容量を要せずに、短時間で、演算を行うことができ、解析の作業効率がよい。
FIG. 1B shows a modeled
ボルト100のモデルのビーム150には、温度負荷を与えるために熱膨張率を定義しておく。モデルの各要素の材料特性として、熱膨張率を定義したり、温度を定義(温度を設定する)という機能は、既存のソフトウエアのメニューとして用意されており、これを利用することができる。
The coefficient of thermal expansion is defined for the
一般的に、構造物は、温度負荷が加わると、熱膨張率と温度に応じた歪み(変形)が生じるとともに、上記構造物が弾性体であれば、外力が加わると、弾性係数(ヤング率)と形状で決まる剛性に応じた歪み(変形)が生じる。構造物のモデルの要素に歪みを生じさせるという点では、温度負荷も力の負荷も同じである。 In general, when a temperature load is applied to a structure, distortion (deformation) corresponding to the coefficient of thermal expansion and temperature occurs, and if the structure is an elastic body, an elastic force (Young's modulus) is applied when an external force is applied. ) And a distortion (deformation) corresponding to the rigidity determined by the shape occurs. The temperature load and the force load are the same in that the elements of the structure model are distorted.
初期締め付け軸力は、本来、実際のボルト10の締め付けトルクに応じて発生する軸力であり、温度負荷ではない。しかしながら、解析処理上、温度負荷として扱えば、力の負荷として扱う場合よりも、操作が容易であり、歪みを正確に再現できる。すなわち、力の負荷を与えるには、力が加わる要素や力の方向などを指定する必要があるが、温度負荷を与えるには、モデル全体に温度(熱膨張率を定義した上で)を与えさえすればよい。それによって材料特性として熱膨張率が定義された要素のみ(ボルト100のビーム150のみ)が熱膨張し、それによって生じる各部の歪みが正確に再現される。
The initial tightening axial force is originally an axial force generated according to the actual tightening torque of the
また、被締め付け対象物のモデル200と雌ネジ部材のモデル300とが別々のボリュームとして接触していることを定義する。この「接触」というメニューも既存のソフトウエアに用意されている。
Further, it is defined that the
つぎに 図1(c)に示すように、ボルトのモデル100のビームに対して、初期締め付け軸力に対応する温度負荷を与える。ここで、ボルト100のビーム150には、たとえば熱膨張率が定義されている。構造物のモデル400全体に温度を与えれば、材料特性として熱膨張率が定義されたボルト100のビーム150のみが熱膨張し、初期締め付け軸力による各部の歪みを正確に再現できる。
Next, as shown in FIG. 1C, a temperature load corresponding to the initial tightening axial force is applied to the beam of the
つぎに、図1(d)に示すように、構造物のモデル400に対して外力を加えて、構造物のモデル400の各部の力(応力、面圧等)または変形(歪み)をシミュレートする。なお、解析処理の手順としては、温度負荷(図1(c))と、外力(図1(d))とを同時に与えてもよい。
Next, as shown in FIG. 1D, an external force is applied to the
以下、上記解析の手順をより詳細に説明する。 Hereinafter, the analysis procedure will be described in more detail.
(ボルト100のモデルの作成)
図4(a)、(b)は実際のボルト10と、ボルトのモデル100とを対比して示している。
(Creation of
4A and 4B show an
図4(a)に示すように、ボルト10は、ボルト頭部11と、首下長さLを有する軸部12とからなり、軸部12は、有効径を有し長さaの有効径部15と、加工径を有する加工径部16と、ネジ山が形成されたネジ部16とからなる。
As shown in FIG. 4A, the
加工径が始まる位置から距離bから離れた位置に応力(歪み)ゲージ13が貼着されている。応力ゲージ13の貼着位置Bから、距離cだけ離れた位置が、ボルト100と雌ネジ部材300との間で初期締め付け軸力が伝達される位置Cとなっている。
A stress (strain)
この実施例では、ボルトのモデル100の作成にあたり、ワッシャ10aのモデルを含ませている。
In this embodiment, the model of the washer 10a is included in creating the
図4(b)に示すように、ボルト頭部11、ワッシャ10aに相当する位置Aには、後述する円弧状バー110が形成される。円弧状バー110の図中下方には、ボルト頭部11、ワッシャ10aの首下長さL相当の後述するビーム120が形成されており、そのビーム120は、ボルト頭部位置Aのポイント112と、加工径が始まる位置のポイント125と、応力ゲージ貼着部位Bのポイント130と、ボルト100と雌ネジ部材300との間で初期締め付け軸力が伝達される位置Cのポイント141と、首下先端に相当する位置Dのポイント161とを連結している。ボルト100と雌ネジ部材300との間で初期締め付け軸力が伝達される位置Cには、後述する円弧状バー140が形成される。首下先端に相当する位置Dには、後述する円弧状バー160が形成される。後述するビーム150は、円弧状バー140同士を連結するポイント142と、円弧状バー160同士を連結するポイント162とを連結するものとして形成される。
As shown in FIG. 4B, an arc-shaped
モデル作成に当たり、実際のボルト10のボルト径、首下長さL、有効径、加工径、有効径部長さa、応力ゲージ貼着位置b、ワッシャ10aの径、ネジピッチ、初期締め付け軸力等のデータが用意され、これらデータに基づいてボルトのモデル100が作成される。
In making the model, the bolt diameter, neck length L, effective diameter, machining diameter, effective diameter portion length a, stress gauge attachment position b, washer 10a diameter, screw pitch, initial tightening axial force, etc. Data is prepared, and a
(1)ボルト頭部およびワッシャの作成
ボルト10(ワッシャ10aのモデルも含む)のモデル100は、コンピュータ本体に接続されたディスプレイの画面上で、「モデル作成」のメニューを選択し、画面上で下記の処理を行うことにより作成される。
(1) Creation of bolt head and washer The
図5(a)はボルト頭部11、ワッシャ10aのモデルと被締結部材のモデル200との位置関係を斜視図で示し、図5(b)は、ボルト頭部11、ワッシャ10aのモデルを平面図で示している。
5A is a perspective view showing the positional relationship between the model of the bolt head 11 and the washer 10a and the
同図5に示すように、被締め付け対象物のモデル200のボルト穴210の周方向に沿って、ワッシャ10aに相当する円弧状のバー110が形成される。円弧状バー110はワッシャ10aの径に相当する位置に形成される。円弧状のバー110同士は、ワッシャ10aの外周上の各位置に相当するポイント111を介して連結される。
As shown in FIG. 5, an arc-shaped
そして、ボルト穴210の穴中心位置に相当するポイント112と、ボルト10の有効径の位置に相当するポイント113と、ワッシャ10aの外周位置に相当するポイント111とが、ボルト穴210の径方向に放射状に伸びる放射状のバー114によって連結される。ポイント111、113は、被締め付け対象物のモデル200と節点を共有するポイントであるという設定がなされる。
A point 112 corresponding to the hole center position of the bolt hole 210, a point 113 corresponding to the position of the effective diameter of the
(2)円弧状バー140の位置C(ボルト100と雌ネジ部材300との間で初期締め付け軸力が伝達される位置C)の計算
つぎに、円弧状バー140を形成する位置Cを計算によって求める。
(2) Calculation of the position C of the arc-shaped bar 140 (position C where the initial tightening axial force is transmitted between the
図6(a)は、雌ネジ部材のモデル300と、円弧状バー140との位置関係を斜視図で示し、図6(b)は、同関係を断面図にて示している。
FIG. 6A shows a positional relationship between the female
ここで、ボルト10が締結された際には、雌ネジ部材30は、雌ネジ部材30のネジ部の始まりから、せいぜい3山分でしか荷重を受けない。そこで、その3山分の中央の1.5ピッチの位置で、初期締め付け軸力の反力を受けるものとして、
d=(ネジピッチ)×1.5
の計算を行い、雌ネジ部材のモデル300上でネジ部310の始まりから、上記距離dに相当する位置Cを、円弧状のバー140を形成する位置とする。
Here, when the
d = (screw pitch) × 1.5
The position C corresponding to the distance d from the beginning of the
雌ネジ部材300側で初期締め付け軸力の反力を受けために、円弧状のバー140は、雌ネジ部材のモデル300側のネジ部310と節点を共有するポイントであるという設定がなされる。円弧状バー140は、雌ネジ部材のモデル300のネジ穴320の周方向に沿って形成され、円弧状のバー140同士は、雌ネジ部材のモデル300のネジ穴320の内側のネジ部310にあってネジ穴内周上の各位置に相当するポイント142を介して連結される。このポイント142は、雌ネジ部材のモデル300(ソリッドモデル)を構成する節点でもある。
In order to receive the reaction force of the initial tightening axial force on the
(3)ボルト100の首下長さ相当のビーム120の作成
図7(a)は、ボルト10の首下長さL相当のビーム120と、被締め付け対象物200と、雌ネジ部材300との位置関係を斜視図で示し、図7(b)は、ビーム120の側面図である。
(3) Creation of
同図7に示すように、ビーム120は、ボルト10の首下長さLに相当する長さに形成され、ビーム120は、ボルト頭部の位置Aのポイント112と、加工径が始まる位置のポイント125と、応力ゲージ貼着部位Bのポイント130と、ボルト100と雌ネジ部材300との間で初期締め付け軸力が伝達される位置Cのポイント141と、首下先端に相当する位置Dのポイント161とを連結したものとして形成される。
As shown in FIG. 7, the
(4)温度負荷を与えるビーム150の位置の決定
図8(a)は、雌ネジ部材300のネジ穴320と、ビーム120と、円弧状バー140と、円弧状バー160との位置関係を斜視図で示しており、図8(b)は、ビーム120と、円弧状バー140と、円弧状バー160との位置関係を斜視図で示している。また、図8(c)は、円弧状バー160を平面図で示している。
(4) Determination of the position of the
既に作成した円弧状バー140をコピーして、ビーム120の先端位置(首下先端位置)Dに、円弧状のバー160が形成される。円弧状バー160同士は、ポイント162によって連結する。
An already created arc-shaped
つぎに、ビーム120の首下先端位置Dにあるポイント161からネジ穴320の径方向に放射状に伸びる放射状のバー163を形成し、円弧状バー160同士を連結するポイント162に連結する。
Next, a
ここで、重要なことは、前述したように、円弧状バー140のポイント142は、初期締め付け軸力の反力を受けるために、雌ネジ部材のモデル300とポイントを共有するものとして作成しておく必要があるが、円弧状バー160のポイント162は、後述するようにビーム150を温度負荷に応じて伸ばすために、雌ネジ部材のモデル300とポイントを共有しないものとして作成することである。このため雌ネジ部材のモデル300のモデル(ソリッドモデル)を先に作成しメッシュを切っておいてから、このビームを作成する必要がある。
Here, it is important that, as described above, the point 142 of the arc-shaped
(5)温度負荷を与えるビーム150の作成
つぎに、図9に示すように、円弧状バー140同士を連結するポイント142と、円弧状バー160同士を連結するポイント162とを、ビーム150によって連結する。ポイント162は、雌ネジ部材300側のポイントと共有しないため、ビーム150に温度負荷を与えると、ビーム150は、雌ネジ部材300に拘束されることなく、温度負荷に応じて、大きく変形する(伸びる)ことになる。
(5) Creation of
以上のようにしてボルトのモデル100が作成される。
The
(材料特性の定義)
つぎに、ディスプレイ上で「材料特性」を定義するメニューが選択され、ボルトのモデル100の各要素について材料特性を定義する処理が実行される。
(Definition of material properties)
Next, a menu for defining “material properties” is selected on the display, and a process for defining material properties for each element of the
図10(a)に矢印で示すように、ボルト頭部11に相当する円弧状バー110(放射状バー114)が画面上で指定されるとともに、ボルト先端部(ネジ部16)に相当する円弧状バー140、円弧状バー160(放射状バー163)が画面上で指定され、これら指定された要素は、剛体であるとという設定がなされる。たとえば、図10(b)に示すように、剛体として扱うために、ヤング率、密度は、非常に大きな値に設定される。
As indicated by an arrow in FIG. 10A, an arc-shaped bar 110 (radial bar 114) corresponding to the bolt head 11 is designated on the screen, and an arc-shaped bar corresponding to the bolt tip (screw portion 16).
つぎに、ビーム120の各部の材料特性が定義される。
Next, the material properties of each part of the
たとえば、図11に示すように、ビーム120の各部の材質(「鉄」)、ヤング率、密度が設定される。
For example, as shown in FIG. 11, the material (“iron”), Young's modulus, and density of each part of the
つぎに、温度負荷が与えられるビーム150の材料特性が定義される。
Next, the material properties of the
すなわち、図12(a)に矢印で示すように 温度負荷を与えるビーム150が画面上で指定され、図12(b)に示すように、指定されたビーム150の温度膨張率が設定される。一方、ビーム150は、力による負荷によって歪ませないために、剛体として扱い、ヤング率、密度が、非常に大きな値に設定される。
That is, a
(接触の定義)
つぎに、被締め付け対象物のモデル200と雌ネジ部材のモデル300とが別々のボリュームとして接触していることを定義する。
(Definition of contact)
Next, it is defined that the
すなわち、図13に矢印で示すように、被締め付け対象物200と雌ネジ部材300との接触面250を画面上で指定して、その接触面250で両モデル200、300が別々のボリュームとして接触していることを定義する。なお、構造物のモデル400を作成する際に、被締め付け対象物200と雌ネジ部材300との間で隙間を作成する必要はない。
That is, as shown by an arrow in FIG. 13, a contact surface 250 between the
図14(a)は、接触面250を斜視図にて示し、図14(b)は、接触面250を平面図で拡大して示している。 14A shows the contact surface 250 in a perspective view, and FIG. 14B shows the contact surface 250 in an enlarged plan view.
図14(b)は、接触面250の要素を押出しソリッドやシンメトリを使用することなく作成したものである。接触面250の要素は、押出しや回転を使ってソリッドを作り、シンメトリであることが理想的である。しかし、要素数や接触領域が多くなることで計算が困難となる場合がある。そこで、接触面250の部分(ソリッドの表面)だけでもある程度細かい要素を分割しておくことが望ましい。 FIG. 14 (b) shows the contact surface 250 made without using extruded solids or symmetry. Ideally, the elements of the contact surface 250 are symmetrical using extrusion or rotation to create a solid. However, calculation may be difficult due to an increase in the number of elements and the contact area. Therefore, it is desirable to divide a small element to some extent even only in the contact surface 250 (solid surface).
(温度負荷の付与)
つぎに 図1(c)に示すように、ボルトのモデル100のビーム150に対して、初期締め付け軸力に対応する温度負荷を与える。ここで、ボルト100のビーム150には、前述したように、温度負荷のパラメータの一つとして、たとえば熱膨張率が定義されている。そこで、構造物のモデル400全体に温度を与えれば、材料特性として熱膨張率が定義されたボルト100のビーム150のみが熱膨張し、初期締め付け軸力に応じた歪みが生じる。具体的には、図15に示すように、ディスプレイの画面上で、構造物400に対して、初期設定された温度(たとえば0゜C)に対する温度差ΔT(たとえば1000゜C)を与えるコマンドが入力される。温度差ΔTを入力すると、その温度差ΔTに対応する軸力Fが画面上に表示される。
(Grant temperature load)
Next, as shown in FIG. 1C, a temperature load corresponding to the initial tightening axial force is applied to the
初期締め付け軸力(目標軸力F)に対応する目標温度(目標温度差)ΔTは、つぎの式によって、求めることができる。 The target temperature (target temperature difference) ΔT corresponding to the initial tightening axial force (target axial force F) can be obtained by the following equation.
目標温度ΔT=目標軸力F×仮温度ΔT′/仮軸力F′ …(1)
そこで、まず、適当な仮温度ΔT′を入力して、仮軸力F′を画面上で取得する。つぎに、得られた仮軸力ΔF′、仮温度ΔT′、目標軸力F(既知の値)を、上記(1)式に入力して目標温度Tを計算する。
計算された目標温度Tを再度、コマンドとして与えると、ボルト100のビーム150は、初期締め付け軸力Fに応じて熱膨張し、それに応じてボルト100によって締結された部位が変形する。
Target temperature ΔT = target axial force F × temporary temperature ΔT ′ / temporary axial force F ′ (1)
Therefore, first, an appropriate temporary temperature ΔT ′ is input to acquire the temporary axial force F ′ on the screen. Next, the obtained temporary axial force ΔF ′, temporary temperature ΔT ′, and target axial force F (known value) are input to the above equation (1) to calculate the target temperature T.
When the calculated target temperature T is given again as a command, the
図16は、ボルト100が変形する様子を側面図で示しており、図16(a)は、初期締め付け軸力Fを与える前の状態であり、図16(b)は、初期締め付け軸力Fを与えた後の状態である。
16 shows a side view of the deformation of the
同図16に示すように、初期締め付け軸力Fを与えることで、ボルト頭部11およびワッシャ10aに相当する円弧状バー110は、被締め付け対象物200に多少食い込む方向にλAだけ変位する。また、ボルト首下先端に相当するビーム150は、λBだけ大きく変位する(伸びる)。つまり、円弧状バー140は、雌ネジ部材300を被締め付け対象物200に押し付ける方向に変位し、円弧状バー160は、雌ネジ部材300のネジ穴320の深さ方向に変位する。ボルト100の伸び量λbは、
λb=λB−λA
λA:ボルト首下付け根の軸方向の変位(mm)
λB:ボルト首下先端の軸方向の変位(mm)
として求められる。ボルト100の伸び量λbは、ディスプレイの画面上に表示される。
As shown in FIG. 16, when the initial tightening axial force F is applied, the arc-shaped
λb = λB-λA
λA: Displacement in the axial direction of the bolt neck base (mm)
λB: Displacement in the axial direction of the bolt neck tip (mm)
As required. The elongation amount λb of the
なお、上記温度負荷(目標温度ΔT)は、下記の外力と同時に与えてもよい。 The temperature load (target temperature ΔT) may be applied simultaneously with the following external force.
(外力の付与)
つぎに、図1(d)に示すように、構造物のモデル400に対して外力を加えて、構造物400のモデルの各部の力(応力、面圧等)または変形(歪み)をシミュレートする。外力の方向、大きさは、マウス等の入力手段で設定することができる。
(Applying external force)
Next, as shown in FIG. 1D, an external force is applied to the
図17(a)は、初期締め付け軸力Fを与えた上で外力を与えた結果を示している。外力を加えた結果は、ディスプレイの画面上に表示される。図17(a)は、構造物400の各部の変形の様子および応力分布を明度差(濃淡)で示している。
FIG. 17A shows a result of applying an external force after applying an initial tightening axial force F. FIG. The result of applying the external force is displayed on the display screen. FIG. 17A shows the state of deformation and stress distribution of each part of the
この図17(a)に示すシミュレーション結果は、試験用構造物40の試験の結果と一致した。また、ボルトのモデル100における応力ゲージ貼着部位B相当のポイント130の応力(歪み)と、実際のボルト10に貼着された応力ゲージ13で検出される応力(歪み)とを比較したところ、両者はほぼ一致し、実際のボルト10に加えられる応力を、精度よくシミュレートしていることが確認された。
The simulation result shown in FIG. 17A coincided with the test result of the
また、図17(b)は、比較例としてボルト100′をソリッドモデルで作成した場合のシミュレーション結果を示している。図17(b)は、図17(a)と同様に、初期締め付け軸力Fを与えた上で外力を与えた結果を示している。
FIG. 17B shows a simulation result when the
図17(a)、図17(b)を比較すると、構造物400の各部の変形の様子および各部の応力分布は、ほぼ一致しているのがわかる。つまり、ボルトをワイヤフレームモデルで作成する本実施例は、ソリッドモデルで作成する場合よりも少ない労力でありながら、精度の高いシミュレーションが行われることが確認された。
Comparing FIG. 17A and FIG. 17B, it can be seen that the deformation state of each part of the
図18は、試験用構造物40のベンチ試験結果と、構造物のモデル400のシミュレーション結果(計算結果)を比較して示している。図18の横軸は、ボルトおよび被締め付け対象物の変位(mm)であり、縦軸は、軸力F(t)である。L1はボルト100のシミュレーション結果を示し、L2は被締め付け対象物200のシミュレーション結果を示している。また、L3はボルト10のベンチ試験結果を示し、L4は被締め付け対象物20のベンチ試験結果を示している。同図18からわかるように、シミュレーション結果は、ベンチ試験結果とほぼ一致していることが確認された。
FIG. 18 shows a comparison between a bench test result of the
ところで、建設機械の各部は、ボルト等の締結部材を用いて締結されている。そこで、建設機械の締結部位の各部品の強度が適切であるか否かを判定するために、本発明を適用してもよい。 By the way, each part of the construction machine is fastened using fastening members such as bolts. Therefore, the present invention may be applied to determine whether or not the strength of each component at the fastening site of the construction machine is appropriate.
図19(a)は、建設機械のアーム40(構造物)の締結部位を斜視図にて示しており、図19(b)は、その断面図である。 FIG. 19A is a perspective view showing a fastening portion of the arm 40 (structure) of the construction machine, and FIG. 19B is a cross-sectional view thereof.
図19に示すように、ブラケット20(被締め付け対象物)と、ブラケット30およびナット30a(雌ネジ部材)とは、ボルト10およびワッシャ10a(締結部材)によって締結されている。アーム40の先端には図示しないバケットが取り付けられている。バケットを地面や固定物に押し付けるという「押し付け作業」を行う際には、ブラケット締結用のボルト10に高応力が発生するとともにアーム40の締結部位が大きく変位するものと予測される。そこで、上述した実施形態と同様に構造物(アーム)のモデル400を作成して、初期締め付け軸力を与えた上で押し付け作業に相当する外力をアーム40に与えるシミュレーションを行い、実際の建設機械で使用されるボルト10のサイズ、ブラケット20、30の板厚が適切であるか否かをシミュレーション結果から判断した。
As shown in FIG. 19, the bracket 20 (object to be tightened), the
図20は、アーム40の実験結果と、アームのモデル400のシミュレーション結果(計算結果)を比較して示している。図20の横軸は、ボルトの応力(N/mm2)であり、縦軸は、軸力F(N)である。L5はボルト100のシミュレーション結果を示し、L6はブラケット200のシミュレーション結果を示している。また、L7はボルト10の実験結果を示し、L8はブラケット20の実験結果を示している。同図20からわかるように、シミュレーション結果は、実験結果とほぼ一致していることが確認された。
FIG. 20 shows a comparison between an experimental result of the
図21は、シミュレーション結果として、アーム40の締結部位各部の応力分布を明度差で示している。
FIG. 21 shows, as a simulation result, the stress distribution of each part of the fastening portion of the
また、図22は、ブラケット200の締結面(接触面)の面圧の分布を明度差で示している。図22(a)は初期締め付け軸力が与えられてはいるが、外力(バケットによる押し付け力)が加えられていない状態での面圧分布であり、図22(b)は外力が加えられた状態での面圧分布である。
FIG. 22 shows the distribution of surface pressure on the fastening surface (contact surface) of the
同図22(b)に矢印Gにて示すように外力が与えられることにより、ブラケット200の片側(図中上側)の締結面200Aのボルト穴210Aの周囲で面圧が小さくなており(明度高い)、反対側(図中下側)の締結面200Bにおいて面圧が大きくなっている(明度低い)ことがわかる。なお、図21に、対応する部位を矢印Gにて示す。このようにバケットの押し付け作業を行うことで、ブラケット200の片側の締結面200Aにおいて、ブラケット300が離れる変形(矢印Gで示す部位)が発生しているのが、シミュレーション結果から確認された。このため、シミュレーション結果から、そのような変形が生じないような、適切なボルト10のサイズおよび適切なブラケット20、30の板厚を、正確に求めることができた。
By applying an external force as indicated by an arrow G in FIG. 22B, the surface pressure is reduced around the
また、実施形態では、温度負荷を与えるビーム150を円弧状バー140と円弧状バー160とを連結するビームとしているが、これは一例であり、ボルトの先端部のモデルは、図23に示す構成のモデルであってもよい。
In the embodiment, the
すなわち図23(a)、(b)は、熱膨張前、熱膨張後のボルト先端のモデルを斜視図にて示している。図23に示すモデルは、円弧状バー140と、温度負荷を与えるビーム150を用いる点は、上述した実施形態のモデル(図9)と同じであるが、ビーム150は、円弧状バー140のポイント142と、ビーム120の先端のポイント161とを連結しており、ボルト首下先端Dに相当する円弧状バー160(図9参照)は、省略されている。
That is, FIGS. 23A and 23B are perspective views showing a model of a bolt tip before and after thermal expansion. The model shown in FIG. 23 is the same as the model of the above-described embodiment (FIG. 9) in that the arc-shaped
図24(a)、(b)は、それぞれ、図1(b)、(c)と同様に、温度負荷を与える前の構造物400の状態、温度負荷を与えた後の構造物400の状態を断面図で示している。同図24(a) 、(b)からわかるように、図23に示す構成のボルト先端のモデルを使用した場合であっても、図1(b)、(c)と同様にボルト先端が初期締め付け軸力に応じて伸びるという現象を忠実に再現しており、構造物400の各部の力、変形を正確にシミュレートできることが確認された。
FIGS. 24A and 24B show the state of the
本発明は、締結部材によって締結された構造物のみならず、圧入部材によって圧入された構造物についても、前述した処理と同様の処理を行うことで、同様に正確な解析を行うことができる。 In the present invention, not only the structure fastened by the fastening member but also the structure press-fitted by the press-fitting member can be subjected to the same accurate analysis by performing the same process as described above.
10 締結部材(ボルト、ワッシャ) 20 被締め付け対象物 30 雌ネジ部材 40 構造物 100 締結部材(ボルト ワッシャ)のモデル 200 被締め付け対象物のモデル 300 雌ネジ部材のモデル 400 構造物のモデル 150 温度負荷を与えるビーム 250 接触面
DESCRIPTION OF
Claims (4)
締結部材(10)をモデル化するに際して、雌ネジ部材のモデル(300)のネジ部(310)と連結するビーム(150)であって、締結部材(10)が締結された際に発生する初期締め付け軸力に応じて変位するビーム(150)を形成し、
前記締結部材のモデル(100)のビーム(150)に、温度負荷を与えるために熱膨張率を定義し、
締結部材のモデル(100)のビーム(150)に対して、初期締め付け軸力に対応する温度負荷を与えて、初期締め付け軸力に応じて変位させた上で、構造物のモデル(400)に対して外力を加えて、構造物のモデル(400)の各部の力または変形をシミュレートすること
を特徴とする、締結された構造物の解析方法。 The structure (40) in which the object to be tightened (20) and the female screw member (30) are fastened by the fastening member (10) is modeled, and each part when an external force is applied to the model (400) of this structure A method of analyzing a fastened structure that analyzes the force or deformation of
When modeling the fastening member (10), the beam (150) is connected to the threaded portion (310) of the female screw member model (300), and is an initial stage generated when the fastening member (10) is fastened. Forming a beam (150) which is displaced according to the tightening axial force;
Defining a coefficient of thermal expansion to impart a temperature load to the beam (150) of the fastening member model (100);
A temperature load corresponding to the initial fastening axial force is applied to the beam (150) of the fastening member model (100), and the beam is displaced according to the initial fastening axial force. An external force is applied to the structure model (400) to simulate the force or deformation of each part of the structure model (400).
を特徴とする請求項1記載の、締結された構造物の解析方法。 At a position (C) where the initial tightening axial force is transmitted between the fastening member (10) and the female screw member (30), the screw part (310) and the point (142) of the female screw member model (300) are placed. 2. A method of analyzing a fastened structure according to claim 1, wherein a shared bar (140) is formed, and the beam (150) according to claim 1 is connected to the bar (140). .
を特徴する請求項1または2記載の、締結された構造物の解析方法。 A bar (160) that does not share the point (162) with the screw part (310) of the female screw member model (300) is formed at a position (D) corresponding to the lower neck tip of the fastening member (10). The beam (150) according to claim 1 or 2 is coupled to (160). The method for analyzing a fastened structure according to claim 1 or 2.
を特徴とする請求項1記載の、締結された構造物の解析方法。
The fastening method according to claim 1, wherein the fastening target model (200) and the female screw member model (300) are defined as contacting each other as separate volumes and then simulated. Method of analyzing the structure.
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