JP6247844B2 - 構造物荷重伝達計算装置 - Google Patents
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Description
U*=1−(U/U') ………(1)
ここで添字は、点A、BあるいはCに関する量であることを示す。添字付きのp、dは、荷重と変位を表わす3次元ベクトルである。添字付きのKは、3次の内部剛性テンソルである。なお、書体の制限により、紛れるおそれがない限り、ベクトルやテンソルをp、d、Kなどと記す。
U*=(1−2U/(KACdC)・dA)-1
=(1−2U/(KAC・S))-1 (S=dA*dC) ………(3)
式(3)から、U*は負荷部と任意点間の結合の強さであるKACで表現されることが分かる。記号Sで示した量を、経路変位テンソルと称している。積の演算記号にはベクトルおよびテンソルの表記を用いた。すなわち、記号(・)は、ベクトルあるいはテンソルの内積であり、記号(*)はベクトルのテンソル積を示している。式(3)を用いれば、検査荷重法による高速な計算が可能である。
U**=1−(W'/W) ………(4)
ここで、添字は、点A、点Bあるいは点Cに関する量であることを示す。添字付きのp、dは、荷重と変位を表わす3次元ベクトルである。添字付きのCは、3次の内部撓み性テンソルである。この式は一見、有限要素法の初等的表記のようにみえるが、そうではない。この式で3点に関する構造全体の挙動を表現している。
U**=−pA・(CACpC')/(2W)
=dC・CCC -1dC/(2W)
=CCC -1・S~/(2W) (S~=dC*dC) ………(6)
とも表すことができる。なぜなら、次のように変形できるからである。
U**=1−(W'/W)
={(CAApA)・pA−(CAApA+CACpC')・pA}/(2W)
=−(CACpC')・pA/(2W) ………(7)
(CACpC')・pA=CAC(−CCC -1CACpA)・pA
=−CACCCC -1CCApA・pA
=−(CAC TpA)・CCC -1CCApA
=−(CCApA)・CCC -1CCApA
=−dC・CCC -1dC ………(8)
動的外力は、慣性力や振動などのように、特定負荷部に力(特定荷重)がかかる前後で値が異なる外力のことである。重力などのように、特定負荷部に力がかかる前後で値が一定の力は、線形系では荷重経路に影響しない。
U*=1−(U/U') (動的外力あり) ………(1')
図9(c)のような動的外力の下で、特定負荷点Aに荷重pAを与える。図9(a)の様に、変化負荷点Cを自由にした時の特定負荷点Aにかかる力のなす相補仕事Wと、図9(b)の様に、変化負荷点Cを拘束したときに特定負荷点Aにかかる力のなす相補仕事W'との比からU**を求める。
U**=1−(W'/W) (動的外力あり) ………(4')
動的外力を考慮しながら、特定負荷点Aから変化負荷点Cのみを経由して支持点Bに至るU**分布を求めることが設計検討において重要である。
ここで点Dが加わったことで、構造全体を6本のバネで表現したことになる。したがって、これまでのように3本のバネで表現した場合と全く異なる。例えば、特定負荷点Aと変化負荷点Cの間のバネは、3本バネで表現されている時のバネとは異なっている。
U=(1/2)pA・dA=(1/2)(kAAdA+kACdC+kADdD)・dA ………(14)
U'=(1/2)pA'・dA
=(1/2)(kAAdA+kADdD')・dA ………(16)
また、式(14)と式(16)から、次のような表式も可能である。
U'=U−(U−U')
=U−(1/2){kACdC+kAD(dD−dD')}・dA ………(17)
式(14)と式(16)右辺第1項同士が相殺すること、また、kADでくくりだせたことがポイントである。
U*=1−(U'/U)-1
=1−{1−(1/2U)[kACdC+kAD(dD−dD')・dA]}-1
={1−2U/[kACdC+kAD(dD−dD')・dA]}-1 ………(18)
上の最後の変形には、次の一般的な関係を用いた。ここで、aとbは0以外の任意の数である。
1−(1−b/a)-1=(1−a/b)-1 ………(19)
pD=kDAdA+kDCdC+kDDdD ………(20)
また、式(15)から次の関係がある。
pD'=kDAdA+kDDdD' ………(21)
ここで、慣性力は変化負荷点Cを拘束しても変わらないことを前提とする。
pD'=pD ………(22)
kDCdC+kDDdD=kDDdD'
kDCdC=kDD(dD'−dD)
dD'−dD=kDD -1kDCdC ………(23)
これを式(18)に代入することにより、dCでくくることができる。すなわち、次の関係を得る。
U*={1−2U/[(kAC−kADkDD -1kDC)dC]・dA}-1 ………(24)
この式は、図2(a)のように、構造を6本のバネで表現したものに対応している。
U*=[1−2U/(KACdC)・dA]-1 ………(3)
当然のことではあるが、構造を6本のバネで表現したときの点AC間の剛性行列kACと3本のバネで表現したときの剛性行列KACとは異なっている。
KAC≠kAC ………(25)
式(24)はバネが6本の場合のものであり、式(3)は3本の場合のものであるが、同一の構造を表現している。
{[KAC−(kAC−kADkDD -1kDC)]dC}・dA=0 ………(26)
ここで、dAとdCは任意に設定できるので、これらに乗じている{ }内部もゼロでなくてはならない。
KAC=kAC−kADkDD -1kDC ………(27)
上記のようなエネルギー的な考察により、式(27)の関係を導出することができた。同一構造であっても解析モデルのバネの数に依存して剛性行列が変わるという特徴を利用して、式(27)の関係を導出した。
しかし、上記の考察により、変化負荷点Cの位置を移動させて繰り返し計算する際には、図3(c")の計算だけで良いことになる。
そのため、式(2)を扱った以前の検査荷重法のU*計算手法が適用できる。これにより、剛性行列KACを短時間で計算できる。
U*=[1−2U/(KACdC)・dA]-1 ………(3)
このように、外力荷重点Dの力のベクトルと位置の情報を加味するだけで、式(3)を用いる既存のプログラムに容易に組み込むことができる。その際、剛性行列KACは、外力荷重点Dが無い場合と同一だが、式(3)におけるdCは、慣性力などの動的外力がある場合の変位量である。
そのため、式(5)を扱った以前の検査荷重法のU**計算手法が適用できるから、外力荷重点Dの力のベクトルと位置の情報を加味しただけで、式(6)を用いる既存のプログラムに容易に組み込むことができる。その際、撓み性行列CCCは、外力荷重点Dの無い場合と同一だが、式(6)における変位(dC)は慣性力のある場合の変位量である。これにより、撓み性行列CCCを短時間で計算できる。
U**=dC・(CCC -1dC)/2W ………(6)
このように、外力荷重点Dの力のベクトルと位置の情報を加味するだけで、式(6)を用いる既存のプログラムに容易に組み込むことができる。その際、撓み性行列CCCは、外力荷重点Dが無い場合と同一だが、式(6)における(dC)は、慣性力などの動的外力がある場合の変位量である。
2 構造物データ保持手段
3 有限要素法計算手段
4 変位等計算手段
5 検査荷重法計算手段
6 位置変更手段
7 剛性指標計算手段
8 剛性指標保持手段
9 解析対象構造物
Claims (4)
- 弾性体である解析対象構造物の変形を有限要素法により計算する有限要素法計算手段を備え、荷重伝達経路法により解析対象構造物の構造解析を行う構造物荷重伝達計算装置において、解析対象構造物の特定負荷点Aと支持点Bと変化負荷点Cと外力荷重点Dとを頂点とする4面体ABCDの稜の6本のバネで解析対象構造物の弾性特性を表わして変化負荷点Cを拘束しない場合の特定負荷点Aの変位をdAとし変化負荷点Cの変位をdCとして、外力がかかった状態の解析対象構造物の変形を前記有限要素法計算手段で計算して特定負荷点Aにかかる特定荷重のなす仕事Uとすべての点の変位量(dAとdC)を求める変位等計算手段と、解析対象構造物の特定負荷点Aと支持点Bと変化負荷点Cとを頂点とする三角形ABCの3辺のバネで解析対象構造物の弾性特性を表わした場合の部分的な剛性行列KACを前記有限要素法計算手段の利用で検査荷重法により求める検査荷重法計算手段と、仕事Uと剛性行列KACと変位量(dAとdC)とから剛性指標U*の値((1−2U/(KACdC)・dA)-1)を計算する剛性指標計算手段と、解析対象構造物の必要なすべての点を順次たどるように変化負荷点Cを変更する位置変更手段と、解析対象構造物の必要なすべての点を順次たどるように変化負荷点Cを変更してすべての点のU*の値を計算するように制御する計算制御手段とを具備することを特徴とする構造物荷重伝達計算装置。
- 弾性体である解析対象構造物の変形を有限要素法により計算する有限要素法計算手段を備え、荷重伝達経路法により解析対象構造物の構造解析を行う構造物荷重伝達計算装置において、解析対象構造物の特定負荷点A1、A2、A3、…、AN1(N1は自然数)と支持点B1、B2、B3、…、BN2(N2は自然数)と変化負荷点Cと外力荷重点D1、D2、D3、…、DN3(N3は自然数)とを頂点とする多面体A1…AN1B1…BN2CD1…DN3の各稜と各対頂線のバネで解析対象構造物の弾性特性を表わして変化負荷点Cを拘束しない場合の特定負荷点A1、A2、A3、…、AN1の変位をdA1、dA2、dA3、…、dAN1とし変化負荷点Cの変位をdCとして、外力がかかった状態の解析対象構造物の変形を前記有限要素法計算手段で計算して特定負荷点A1、A2、A3、…、AN1にかかる特定荷重のなす仕事Uとすべての点の変位量(dA1、dA2、dA3、…、dAN1とdC)を求める変位等計算手段と、解析対象構造物の特定負荷点A1、A2、A3、…、AN1と支持点B1、B2、B3、…、BN2と変化負荷点Cとを頂点とする多面体A1A2A3…AN1B1B2B3…BN2Cの各稜と各対頂線のバネで解析対象構造物の弾性特性を表わした場合の部分的な剛性行列KA1C、KA2C、KA3C、…、KAN1Cを前記有限要素法計算手段の利用で検査荷重法により求める検査荷重法計算手段と、仕事Uと剛性行列KA1C、KA2C、KA3C、…、KAN1Cと変位量(dA1、dA2、dA3、…、dAN1とdC)とから剛性指標U*の値((1−2U/{ΣA(KACdC)・dA})-1)を計算する剛性指標計算手段と、解析対象構造物の必要なすべての点を順次たどるように変化負荷点Cを変更する位置変更手段と、解析対象構造物の必要なすべての点を順次たどるように変化負荷点Cを変更してすべての点のU*の値を計算するように制御する計算制御手段とを具備することを特徴とする構造物荷重伝達計算装置。
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