JP6447454B2 - Numerical analysis method of structure using finite element method - Google Patents

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Description

本発明は、コンピュータを用いて構造体の力学的又は機械的特性の数値解析技術に係り、より詳細には、有限要素法による構造体の数値解析技術に係る。   The present invention relates to a numerical analysis technique for mechanical or mechanical characteristics of a structure using a computer, and more particularly to a numerical analysis technique for a structure by a finite element method.

コンピュータによる数値計算技術の発展により、車両のボディーを初め、種々の機械器具、建築物などの構造体の力学的又は機械的特性が、コンピュータを用いた有限要素法などによって数値的に解析され、そこで得られた情報が構造体の設計のために利用されるようになっている。かかるコンピュータによる数値解析による構造体の力学的又は機械的特性の解析手法によれば、実際の構造体を製作する前の設計段階に於いて、構造体が、要求される特性を備えているか否かの把握が可能となる点で有利である。また、等方性材料だけでなく、CFRP(炭素繊維強化プラスチック)などの異方性材料を用いた構造体も、有限要素法による数値解析の対象となっている。例えば、特許文献1では、エポキシ樹脂内にカーボン繊維が配向して埋め込まれた複合材料の板材に於ける減衰振動解析に有限要素法を用いた例が開示されている。この場合、粘弾性特性について異方性のある板材に於いて異方性の向きが直交方向となったミクロ構造を節点して板材のモデル、即ち、マクロ構造を構成して、有限要素法により、振動の減衰特性のシミュレーションが行われている。   With the development of numerical computation technology by computer, mechanical or mechanical characteristics of structures such as vehicle bodies, various machine tools and buildings are numerically analyzed by finite element method using computer, etc. The information obtained there is used for designing the structure. According to the analysis method of the mechanical or mechanical characteristics of the structure by the numerical analysis by the computer, whether or not the structure has the required characteristics in the design stage before the actual structure is manufactured. This is advantageous in that it can be grasped. Further, not only isotropic materials but also structures using anisotropic materials such as CFRP (carbon fiber reinforced plastic) are objects of numerical analysis by the finite element method. For example, Patent Document 1 discloses an example in which a finite element method is used for a damping vibration analysis in a composite material plate in which carbon fibers are oriented and embedded in an epoxy resin. In this case, a model of the plate material, that is, a macro structure, is constructed by connecting the microstructure in which the anisotropy direction is orthogonal to the plate material having anisotropy regarding viscoelastic properties, and the finite element method is used. A simulation of vibration damping characteristics has been performed.

特開2015−32295JP2015-32295A

ところで、CFRPなどの力学的又は機械的特性に異方性の有る材料(ヤング率等の力学特性値が方向によって異なる材料、以下「異方性材料」と称する。)を用いた構造体を有限要素法によって数値解析を実行する際、解析対象となる構造体に曲面形状が含まれており、特に、力学的又は機械的特性の異方性の向きが湾曲している場合には、構造体に対する座標系を如何に設定するかが問題となる。   By the way, a structure using a material having anisotropy in mechanical or mechanical properties such as CFRP (a material whose mechanical property value such as Young's modulus varies depending on the direction, hereinafter referred to as “anisotropic material”) is finite. When performing numerical analysis by the element method, the structure to be analyzed includes a curved surface shape, especially when the direction of anisotropy in mechanical or mechanical properties is curved. The problem is how to set the coordinate system for.

有限要素法による構造体の力学特性の数値解析に於いては、端的に述べれば、解析対象の構造体の形状を決定した後、構造体の要素分割と座標系の設定を行い、更に、構造体の材料のヤング率、ポアソン比等の力学的な特性値の設定及び/又は外力の設定が為され、有限要素法に従って構造体の変形量、応力分布、ひずみ分布等を算出する数値演算が実行される。かかる一連の処理に於いて、典型的には、構造体の座標系として構造体全体に一つの直交座標系が適用されるところ、構造体に於いて想定される材料が異方性材料であり、材料の力学的又は機械的特性の異方性の方向(他の方向に比して力学的特性値が大きい又は小さい方向。以下、「異方性方向」と称する。)が構造体の曲面形状に沿って延在している場合には、構造体内の部位の位置毎に、即ち、要素毎に、材料の異方性方向が異なることとなるので、座標系の軸方向と異方性方向とが整合せず、要素毎に力学的特性値の設定(力学的特性値を成分とする特性値マトリックスの構成)を行うことが必要となる。しかしながら、その場合、工数が膨大であるとともに、特性値マトリックスの構成が非常に複雑となるので、精度よく、力学的特性値を設定することも困難となり得る。そこで、従前では、典型的には、少なくとも、特性値マトリックスの構成が簡単化され、力学的特性値の設定がより高精度にて達成されるように、構造体全体に一つの直交座標系を設定するのではなく、要素毎に一つずつに、即ち、個別に、座標系を設定する処理が行われている。また、構造体全体に対して一つの直交座標系を用いる場合、要素を構成する底面に座標系の軸の一つ(例えば、X軸)を投影することとなるが、曲面形状又は湾曲形状の有る構造体の場合、底面の向きが要素毎に変化することとなるので、要素によっては、底面が座標系の軸と直交し、投影できないことがあり、その場合には、やはり、座標系を要素毎に一つずつ設定する必要がある。   In the numerical analysis of the mechanical properties of the structure by the finite element method, in short, after determining the shape of the structure to be analyzed, the element of the structure is divided and the coordinate system is set. The mechanical properties such as the Young's modulus and Poisson's ratio of the body material are set and / or the external force is set, and numerical calculations to calculate the deformation, stress distribution, strain distribution, etc. of the structure according to the finite element method Executed. In such a series of processes, typically, one orthogonal coordinate system is applied to the entire structure as the coordinate system of the structure, and the material assumed in the structure is an anisotropic material. The direction of anisotropy of the mechanical or mechanical properties of the material (the direction in which the mechanical property value is larger or smaller than the other directions, hereinafter referred to as “anisotropic direction”) is the curved surface of the structure. When extending along the shape, the anisotropic direction of the material differs depending on the position of the part in the structure, that is, for each element. The direction does not match, and it is necessary to set a mechanical characteristic value for each element (configuration of a characteristic value matrix including the mechanical characteristic value as a component). However, in that case, the number of man-hours is enormous, and the configuration of the characteristic value matrix becomes very complicated, so that it may be difficult to set the mechanical characteristic values with high accuracy. Therefore, conventionally, at least one orthogonal coordinate system is typically used for the entire structure so that at least the configuration of the characteristic value matrix is simplified and the setting of the mechanical characteristic values is achieved with higher accuracy. Instead of setting, a process of setting the coordinate system is performed for each element, that is, individually. When one orthogonal coordinate system is used for the entire structure, one of the axes of the coordinate system (for example, the X axis) is projected on the bottom surface constituting the element. In the case of a certain structure, since the orientation of the bottom surface changes for each element, depending on the element, the bottom surface may be orthogonal to the axis of the coordinate system and may not be projected. It is necessary to set one for each element.

上記の如く、有限要素法による構造体の数値解析に於いて、構造体の材料が、等方性材料ではなく、異方性材料であるときには、構造体の形状によって、材料の異方性方向に応じて要素毎に異なる座標系が設定されることとなるところ、構造体の要素数が数千個に及ぶ場合に、使用者が、要素毎に、個別に、材料の異方性方向を考慮して、座標系を一つずつ設定する処理は、工数が膨大であり、多大な手間と労力を要することとなっている。従って、もし材料の異方性方向に応じて要素毎に異なる座標系を、少なくとも或る程度の数の要素の群毎に、より好適には、構造体の略全体の要素の群に対して、一括的に、コンピュータを少なくとも部分的に利用して設定できるアルゴリズムがあれば、使用者の手間と労力とを大幅に省けることとなり、有利であろう。   As described above, in the numerical analysis of the structure by the finite element method, when the material of the structure is not an isotropic material but an anisotropic material, the anisotropic direction of the material depends on the shape of the structure. Different coordinate systems will be set for each element depending on the number of elements, and when the number of elements in the structure reaches thousands, the user can specify the anisotropic direction of the material individually for each element. Considering this, the process of setting the coordinate systems one by one is enormous and requires a lot of labor and labor. Therefore, if the coordinate system is different for each element depending on the anisotropic direction of the material, at least for each group of a certain number of elements, and more preferably, for a group of elements of substantially the entire structure. It would be advantageous to have an algorithm that can be set at least partially using a computer in a lump, because it saves a lot of user effort and labor.

かくして、本発明の一つの課題は、コンピュータを用いた有限要素法による構造体の力学特性の数値解析の実行に際して、解析対象となる構造体が異方性材料から成り、曲面形状が含まれている場合であっても、使用者が要素の一つずつに個別に座標系の軸を設定するといった処理を実行せずに、構造体の異方性方向及び/又は曲面の向きを考慮して、特性値マトリックスの構成が複雑とならないように、少なくとも或る程度の数の要素の群に対して、より好適には、構造体の略全体の要素の群に対して、一括して各要素の座標系を設定可能とするアルゴリズムを提供することである。   Thus, one problem of the present invention is that when a numerical analysis of the mechanical properties of a structure is performed by a finite element method using a computer, the structure to be analyzed is made of an anisotropic material and includes a curved surface shape. Even if the user does not perform the process of setting the axis of the coordinate system individually for each element, considering the anisotropic direction of the structure and / or the direction of the curved surface In order not to complicate the structure of the characteristic value matrix, at least a certain number of groups of elements, more preferably, a group of substantially entire groups of elements, It is to provide an algorithm that can set the coordinate system of.

本発明によれば、上記の課題は、コンピュータを用いた有限要素法による構造体の力学的特性の数値解析方法であって、構造体の形状を決定し該構造体の要素分割を実行する過程と、構造体に於ける要素の各々の座標系を設定する過程と、座標系の設定された各要素に力学的特性値を設定する過程と、力学的特性値が設定された構造体に対して有限要素法による演算を実行する過程とを含み、構造体に於ける要素の各々に座標系を設定する過程に於いて、構造体の形状及び又はその力学的特性の異方性方向に基づいて使用者により指定された向きに構造体に対してZ軸を設定する過程と、要素の各々に於いてZ軸に直交し且つ該要素の中心に向かうR軸を設定する過程と、要素の各々に於いてZ軸とR軸とに直交するθ軸を設定する過程と、要素の各々に於いて該要素の底面に対してZ軸とR軸とθ軸とのうちの、構造体の形状及び又はその力学的特性の異方性方向に基づいて使用者により指定された一つを投影して得られるP軸を、要素の底面の法線であるH軸周りに、構造体の形状及び又はその力学的特性の異方性方向に基づいて使用者により指定された角度にて回転して得られるQ軸を設定する過程と、要素の各々に於いてH軸とQ軸とに直交するS軸を設定する過程と、要素の各々に於いて設定されたH軸とQ軸とS軸とを各々の要素の座標系として設定する過程とが実行される方法によって達成される。   According to the present invention, the above-described problem is a numerical analysis method for mechanical properties of a structure by a finite element method using a computer, which determines the shape of the structure and executes element division of the structure The process of setting the coordinate system of each element in the structure, the process of setting the mechanical property value for each element set in the coordinate system, and the structure with the mechanical property value set The process of setting the coordinate system for each element in the structure, based on the shape of the structure and / or the anisotropic direction of its mechanical properties. Setting the Z-axis relative to the structure in the direction specified by the user, setting the R-axis orthogonal to the Z-axis and toward the center of each element in each element, A process of setting a θ-axis orthogonal to the Z-axis and the R-axis in each; In each element, specified by the user based on the anisotropy direction of the shape of the structure and / or its mechanical properties among the Z-axis, R-axis, and θ-axis with respect to the bottom surface of the element The angle specified by the user based on the anisotropy direction of the shape of the structure and / or its mechanical properties around the H axis, which is the normal to the bottom surface of the element, and the P axis obtained by projecting one The process of setting the Q-axis obtained by rotating in step S, the process of setting the S-axis orthogonal to the H-axis and the Q-axis in each element, and the H-axis set in each of the elements The process of setting the Q-axis and the S-axis as the coordinate system of each element is achieved by the method executed.

上記の構成に於いて、「構造体」とは、車両のボディーを初め、種々の機械器具、建築物又はそれらを構成する任意の部材などの構造体であってよい。「有限要素法」は、この分野で知られている任意の演算アルゴリズムに従って実行されるものであってよい。なお、この分野の当業者に於いて知られている如く、通常、解析対象として決定された構造体の形状に於ける要素分割を実行する過程と力学的特性値が設定された構造体に対して有限要素法による演算を実行する過程とは、コンピュータの演算処理によって自動的に実行される(ただし、要素分割の過程に於いて、分割された要素の状態に応じて、或いは、特に精密に解析したい部分がある場合には、部分的に、使用者が節点の配置の変更、追加又は削除の処理を手動で行う場合もある。)。かかる有限要素法による数値解析に於いては、外力に対する構造体の変形、応力分布、ひずみ分布等が算出されることとなる。   In the above configuration, the “structure” may be a structure such as a vehicle body, various mechanical devices, buildings, or arbitrary members constituting them. The “finite element method” may be performed according to any arithmetic algorithm known in the art. As is known to those skilled in the art, for a structure in which a process of performing element division in the shape of the structure determined to be analyzed and a mechanical property value are set. The process of executing the calculation by the finite element method is automatically executed by the calculation process of the computer (however, in the process of dividing the element, depending on the state of the divided element or particularly precisely If there is a part to be analyzed, the user may manually change the position of the nodes, add or delete partly.) In the numerical analysis by the finite element method, the deformation of the structure, the stress distribution, the strain distribution and the like with respect to the external force are calculated.

上記の本発明の方法に於いては、端的に述べれば、通常の態様にてコンピュータを用いて実行されてよい有限要素法を用いた構造体の種々の力学的又は機械的な数値解析に於いて、構造体が異方性材料から成り、曲面形状が含まれているために、構造体の要素毎に異なる座標系が設定される必要がある場合に、要素の群に対して一括して上記に規定された過程に従って各要素の座標系が設定される。かかる座標系の設定の過程に於いては、上記の記載から理解される如く、使用者は、構造体の形状及び又はその力学的特性の異方性方向に基づいて、構造体に対するZ軸を設定することと、各要素の底面に対して投影されるZ軸とR軸とθ軸とのうちの一つを選択することと、Z軸とR軸とθ軸とのうちの選択された軸を要素の底に投影したP軸を要素の底面の法線であるH軸周りに回転して得られるQ軸の回転角を指定することとなるが、その他の処理操作は、コンピュータの演算処理によって自動的に実行されることとなる。そして、上記の過程に従って設定された座標系に於いては、使用者の座標系の設定に於ける選択処理と指定処理が適切である場合には、特性値マトリックスの構成が複雑とならずに、各要素に力学的特性値の設定が少なくとも或る程度の数の要素の群に対して、より好適には、構造体の略全体の要素の群に対して、一括して設定することが可能となる。かくして、使用者が構造体の要素の一つ一つに対してそれぞれの要素内の力学的特性と要素の面の向きを考慮して座標系を設定する場合に比して、使用者の実行する工数が大幅に低減されることとなる。なお、上記の本発明の方法は、構造体が異方性材料から成り、曲面形状が含まれている場合に、その有意な作用効果が発揮されるが、そうではない構造体(等方性材料から成る構造体、異方性材料から成る曲面形状を有していない構造体など)に適用されてもよい。   In the method of the present invention described above, in short, in various mechanical or mechanical numerical analyzes of structures using the finite element method, which may be performed using a computer in the usual manner. If the structure is made of anisotropic material and includes a curved surface, a different coordinate system must be set for each element of the structure. The coordinate system of each element is set according to the process defined above. In the process of setting the coordinate system, as will be understood from the above description, the user determines the Z-axis for the structure based on the shape of the structure and / or the anisotropic direction of the mechanical properties. Setting, selecting one of the Z-axis, R-axis, and θ-axis projected onto the bottom surface of each element, and selecting one of the Z-axis, R-axis, and θ-axis The rotation angle of the Q axis obtained by rotating the P axis, which is projected on the bottom of the element, around the H axis, which is the normal of the bottom surface of the element, is specified. It is automatically executed by the process. In the coordinate system set according to the above process, if the selection process and the designation process in the setting of the user's coordinate system are appropriate, the structure of the characteristic value matrix is not complicated. The mechanical property value of each element can be set for a group of a certain number of elements, more preferably for a group of elements of almost the entire structure. It becomes possible. Thus, compared to the case where the user sets the coordinate system for each element of the structure in consideration of the mechanical characteristics in each element and the orientation of the element surface, The man-hour to do will be reduced significantly. The above-described method of the present invention is effective when the structure is made of an anisotropic material and includes a curved surface shape, but the structure (isotropic property) is not. It may be applied to a structure made of a material, a structure made of an anisotropic material and not having a curved surface shape, and the like.

かくして、上記の本発明によれば、既に述べた如く、異方性材料から成り曲面形状を含む構造体の力学特性を有限要素法により数値的に解析する場合に、構造体に於ける要素に対して座標系を設定する際の、使用者の手間と労力とが、使用者が構造体の要素の一つ一つに対してそれぞれの要素内の力学的特性と要素の面の向きを考慮して座標系を設定する場合に比して、大幅に低減されることとなる。また、要素内の力学特性は、構造体の全体に対して一つの直交座標系ではなく、要素毎に、材料の異方性を有する特性があまり複雑とならないように選択された座標系で表現できることとなるので、演算精度も担保されることが期待される。更に、構造体に曲面形状がある場合(異方性材料から成っているかどうかによらず)、上記の本発明の方法に於ける座標系の設定過程によれば、一つの直交座標系の場合のように、要素によっては、底面が座標系の軸と直交して投影できない状態も回避できることとなる。   Thus, according to the present invention described above, when the mechanical characteristics of a structure made of an anisotropic material and including a curved surface shape are numerically analyzed by the finite element method, the elements in the structure are The user's effort and labor when setting the coordinate system for the user, the user considers the mechanical properties in each element and the orientation of the element surface for each element of the structure. As compared with the case where the coordinate system is set, it is greatly reduced. In addition, the mechanical characteristics in the element are expressed not in one orthogonal coordinate system for the entire structure, but in a coordinate system selected so that the characteristics having material anisotropy are not so complicated for each element. Therefore, it is expected that the calculation accuracy is secured. Further, when the structure has a curved surface shape (whether or not it is made of an anisotropic material), according to the coordinate system setting process in the method of the present invention described above, the case of one orthogonal coordinate system As described above, depending on the element, it is possible to avoid a state in which the bottom surface cannot be projected perpendicularly to the axis of the coordinate system.

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。   Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the present invention.

図1(A)は、本発明による有限要素法に従った構造体の力学的特性の数値解析が実行されるコンピュータを模式的に表した図である。図1(B)は、本発明による数値解析の処理過程をフローチャートの形式で表した図である。FIG. 1A is a diagram schematically showing a computer that performs numerical analysis of mechanical characteristics of a structure according to the finite element method according to the present invention. FIG. 1B is a flowchart showing the numerical analysis process according to the present invention in the form of a flowchart. 図2は、解析対象となる構造体の形状の例をコンピュータ装置のモニター上に表示した図である。同図の構造体に於いて、要素分割が実行されている。FIG. 2 is a diagram showing an example of the shape of a structure to be analyzed on a monitor of a computer device. In the structure of the figure, element division is executed. 図3(A)〜(E)は、解析対象となる構造体の形状に於ける要素座標系を設定する過程を模式的に表した図である。3A to 3E are diagrams schematically showing a process of setting an element coordinate system in the shape of a structure to be analyzed. 図4(A)は、図2に表示された構造体の形状の一部を拡大した図であり、要素毎に設定された要素座標系(Q軸)を矢印にて表示した図である。図4(B)は、図2に表示された構造体に於いて、要素座標系を矢印にて表示した図である。FIG. 4A is an enlarged view of a part of the shape of the structure displayed in FIG. 2, and is an illustration in which an element coordinate system (Q axis) set for each element is displayed by an arrow. FIG. 4B is a diagram showing the element coordinate system indicated by arrows in the structure shown in FIG.

1…コンピュータ本体
2…コンピュータ端末
3…モニター
4…キーボード、マウス(入力装置)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Computer body 2 ... Computer terminal 3 ... Monitor 4 ... Keyboard, mouse (input device)

コンピュータ装置の構成と数値解析処理過程の概要
本発明による有限要素法に従った構造体の力学的特性の数値解析は、この分野で通常使われている形式の、図1(A)に例示されている如き、コンピュータ装置1に於けるコンピュータ・プログラムの作動により実現されてよい。コンピュータ装置1には、通常の態様にて、双方向コモン・バスにより相互に連結されたCPU、記憶装置、入出力装置(I/O)が装備され、記憶装置は、本発明の演算で使用する演算処理を実行する各プログラムを記憶したメモリと、演算中に使用されるワークメモリ及びデータメモリを含んでいる。また、実施者によるコンピュータ装置1への指示及び計算結果その他の情報の表示及び出力は、コンピュータ装置1に接続されたコンピュータ端末装置2を通じて為される。コンピュータ端末装置2には、通常の態様にて、モニター3とキーボード並びにマウスといった入力装置4が設けられ、プログラムが起動されると、実施者は、プログラムの手順に従ってモニター3上の表示に従って、入力装置4を用いてコンピュータ装置1に各種の指示及び入力を行うとともに、モニター3上にてコンピュータ装置1からの演算状態及び演算結果等を視覚的に確認することが可能となる。なお、図示していないその他の周辺機器(結果を出力するプリンタ、計算条件及び演算結果情報等を入出力するための記憶装置など)がコンピュータ装置1及びコンピュータ端末装置2に装備されていてよいことは理解されるべきである。コンピュータ装置1を用いて、以下に述べる各種の処理又は演算を実行する際には、通常の態様にて、各種の処理又は演算に必要なプログラムが起動され、実施者は、コンピュータ端末装置2に於いて、プログラムに於いて準備された入力手順に従って、演算に必要なデータ、演算時の計算条件その他の各種設定を入力し、演算が開始される。そして、演算の実行中又は終了後に、演算結果が、適宜、コンピュータ端末装置2を通じて出力可能となる。
Outline of Computer Device Configuration and Numerical Analysis Processing Process The numerical analysis of the mechanical properties of the structure according to the finite element method according to the present invention is illustrated in FIG. 1 (A) in the form normally used in this field. As described above, it may be realized by the operation of a computer program in the computer apparatus 1. The computer apparatus 1 is equipped with a CPU, a storage device, and an input / output device (I / O) connected to each other by a bidirectional common bus in a normal manner, and the storage device is used in the calculation of the present invention. A memory storing each program for executing the arithmetic processing, and a work memory and a data memory used during the calculation. In addition, the display and output of instructions, calculation results, and other information to the computer device 1 by the practitioner are performed through the computer terminal device 2 connected to the computer device 1. The computer terminal device 2 is provided with an input device 4 such as a monitor 3 and a keyboard and a mouse in a normal manner. When the program is started, the practitioner inputs according to the display on the monitor 3 according to the program procedure. It is possible to perform various instructions and inputs to the computer apparatus 1 using the apparatus 4 and to visually check the calculation state and calculation result from the computer apparatus 1 on the monitor 3. Note that the computer device 1 and the computer terminal device 2 may be equipped with other peripheral devices (not shown) (printer for outputting results, storage device for inputting / outputting calculation conditions and calculation result information, etc.). Should be understood. When various processes or operations described below are executed using the computer apparatus 1, programs necessary for the various processes or calculations are started in a normal manner, and the practitioner can connect the computer terminal apparatus 2 to the computer terminal apparatus 2. Then, in accordance with the input procedure prepared in the program, data necessary for calculation, calculation conditions at the time of calculation, and other various settings are input, and calculation is started. Then, during or after the execution of the calculation, the calculation result can be output through the computer terminal device 2 as appropriate.

上記のコンピュータ装置1に於いて、有限要素法に従った構造体の力学的特性の数値解析は、概して述べれば、図1(B)に示されている如き、処理過程にて実行される。同図を参照して、まず、解析対象となる構造体の形状の形成が実行される(ステップ1)。かかる構造体の形状の形成に於いては、典型的には、任意のCADシステム又はソフトウェアを用いて、使用者の所望の形状が形成されてよい。ここに於いて、構造体の形状は、xyz直交座標系により座標が規定された仮想空間にて構成されてよい。そして、構造体の形状が形成されると、構造体の形状の要素(メッシュ)の分割が、図2に例示されている如く、実行される(ステップ2)。かかる要素分割処理は、任意の要素分割用のコンピュータ・プログラムを用いて自動的に実行されてよい。なお、自動的に得られた要素の分割状態に応じて、或いは、特に精密に解析したい部位がある場合には、節点の配置の変更、追加、削除が使用者によって手動的に為されてよい。そして、要素分割処理が為されると、各要素の座標系(要素座標系)の設定が、後に詳細に説明される本発明による教示に従って実行され(ステップ3)、次いで、各要素に於ける力学特性値、典型的には、質量、剛性、粘性を表す特性値の設定(ステップ4)と構造体に与える外力等の条件の設定(ステップ5)の入力が使用者によって為され、しかる後に、有限要素法に従った演算、例えば、変形量、応力分布、ひずみ分布の算出が、コンピュータ・プログラムを用いて実行される(ステップ6)。なお、演算結果は、上記の如く、モニター3上にグラフィック表示又は数値表示されてよい。   In the computer apparatus 1 described above, generally, the numerical analysis of the mechanical characteristics of the structure according to the finite element method is performed in a process as shown in FIG. With reference to the figure, first, formation of the shape of the structure to be analyzed is executed (step 1). In forming the shape of such a structure, typically any CAD system or software may be used to form the desired shape of the user. Here, the shape of the structure may be configured in a virtual space in which coordinates are defined by an xyz orthogonal coordinate system. When the shape of the structure is formed, division of the elements (mesh) of the shape of the structure is executed as illustrated in FIG. 2 (step 2). Such element division processing may be automatically executed using an arbitrary computer program for element division. In addition, depending on the element division state obtained automatically, or when there is a part to be analyzed particularly precisely, the arrangement, addition, or deletion of the nodes may be manually performed by the user. . When the element division processing is performed, the setting of the coordinate system (element coordinate system) of each element is executed according to the teaching according to the present invention described later in detail (step 3), and then in each element. Input of mechanical characteristic values, typically characteristic values representing mass, rigidity, and viscosity (step 4) and setting of conditions such as external force applied to the structure (step 5) is made by the user, and thereafter The calculation according to the finite element method, for example, calculation of the deformation amount, the stress distribution, and the strain distribution is executed using a computer program (step 6). The calculation result may be displayed graphically or numerically on the monitor 3 as described above.

要素座標系の設定
「発明の概要」の欄に於いて述べた如く、上記の如き有限要素法による構造体の力学的特性の数値解析に於いて、解析対象の構造体がCFRPなどの異方性(特定の方向の弾性、剛性等の力学的特性値が他の方向に比して大きい又は小さい状態)を有する材料から形成されることを想定し、また、かかる構造体が曲面形状又は湾曲形状を有し、材料の異方性方向が前記の曲面形状又は湾曲形状に沿っている場合などには、要素毎に異方性方向が異なることとなる。その場合には、構造体全体で一つの直交座標系を用いると、各要素に於ける力学特性値を表すマトリックスの構成が複雑となり、必ずしも精度よく数値演算を実行できるとは限らず、また、曲面形状又は湾曲形状の面の向きによっては、適切に座標を与えることが困難となる場合がある。そこで、異方性材料から形成され、曲面形状又は湾曲形状を有する構造体が解析対象であるときには、好適には、要素毎に、異方性材料に於ける有限要素法の演算が、比較的簡単な構成の特性値マトリックスにて、より精度良く実行できるように、例えば、座標系の軸が材料の異方性方向に沿うように、要素座標系が設定されることが好ましい。
Setting of element coordinate system As described in the “Summary of Invention” section, in the numerical analysis of the mechanical properties of the structure by the finite element method as described above, the structure to be analyzed is anisotropic such as CFRP. Assuming that the structure is formed of a material having a property (a state in which mechanical properties such as elasticity and rigidity in a specific direction are larger or smaller than those in other directions), and the structure is curved or curved. If the material has a shape and the anisotropic direction of the material is along the curved surface shape or the curved shape, the anisotropic direction is different for each element. In that case, if one orthogonal coordinate system is used for the entire structure, the structure of the matrix representing the mechanical property values in each element becomes complicated, and the numerical operation cannot always be performed accurately, Depending on the direction of the curved surface or the curved surface, it may be difficult to give coordinates appropriately. Therefore, when a structure formed of an anisotropic material and having a curved surface shape or a curved shape is an object to be analyzed, it is preferable that the calculation of the finite element method in the anisotropic material is relatively performed for each element. For example, the element coordinate system is preferably set so that the axis of the coordinate system is along the anisotropic direction of the material so that the characteristic value matrix having a simple configuration can be executed with higher accuracy.

しかしながら、個々の要素に於ける要素座標系を、使用者が材料の異方性方向と要素の形状及び向きとを考慮して、一つずつ設定する場合、要素数が数千個にも及ぶ場合には、工数が膨大となり、使用者に多大な手間と労力が必要となる。そこで、本発明に於いては、上記の如く、個々の要素に於ける要素座標系の設定に於ける使用者に多大な手間と労力を大幅に軽減することが可能となる方法が提案される。かかる方法によれば、少なくとも或る程度の数の要素の群に対して、より好適には、構造体の略全体の要素の群に対して、一括して各要素の座標系の設定が可能となる。   However, when the user sets the element coordinate system for each element in consideration of the anisotropic direction of the material and the shape and orientation of the element one by one, the number of elements reaches several thousand. In this case, the number of man-hours is enormous, and the user needs a lot of labor and labor. Therefore, in the present invention, as described above, a method is proposed that can greatly reduce a great amount of labor and labor for the user in setting the element coordinate system for each element. . According to such a method, it is possible to set the coordinate system of each element in a lump for at least a certain number of element groups, and more preferably for substantially the entire element group of the structure. It becomes.

具体的には、本発明に於ける要素座標系の設定の処理過程(図1(B)のステップ3)に於いては、まず、図3(A)に模式的に描かれている如く、使用者により、構造体の置かれているxyz座標系の仮想空間に於いて、N1、N2を指定して、N1−N2の方向をZ軸として設定する。Z軸方向は、構造体の形状及び又はその力学的特性の異方性方向を参照して、例えば、構造体の形状及び/又は異方性の延在方向がZ軸に対して略軸対称となるように決定されてよい。   Specifically, in the process of setting the element coordinate system in the present invention (step 3 in FIG. 1B), first, as schematically depicted in FIG. The user designates N1 and N2 in the virtual space of the xyz coordinate system where the structure is placed, and sets the direction of N1-N2 as the Z axis. The Z-axis direction refers to the shape of the structure and / or the anisotropic direction of its mechanical properties. For example, the shape of the structure and / or the extending direction of the anisotropy is substantially axisymmetric with respect to the Z-axis. May be determined to be

しかる後、図3(B)に模式的に描かれている如く、Z軸方向に直交し且つ該要素の中心Cに向かう方向にR軸が設定され、Z軸とR軸とに直交する方向にθ軸が設定される。なお、R軸とθ軸との設定は、コンピュータ・プログラムにより、要素毎にZ軸方向と各要素の中心とを参照して自動的に設定される。   Thereafter, as schematically illustrated in FIG. 3B, the R-axis is set in a direction orthogonal to the Z-axis direction and toward the center C of the element, and the direction orthogonal to the Z-axis and the R-axis. Is set to the θ axis. The setting of the R axis and the θ axis is automatically set for each element by referring to the Z axis direction and the center of each element by a computer program.

次いで、使用者により、Z軸とR軸とθ軸のそれぞれの向きと、構造体に於いて想定している材料の異方性方向とを考慮して、Z軸とR軸とθ軸のうちの一つが選択され、そして、コンピュータ・プログラムにより、図3(C)に模式的に描かれている如く、選択された軸を各要素の底面B(N1’−N2’ −N3’面)に対して投影して、P軸が設定される。ここに於いて、底面Bは、任意に選択されてよいが、例えば、Z軸に最も距離が近い面又は平行に近い面が選択されてよい。また、各要素の底面Bに投影されるZ軸とR軸とθ軸のうちの一つの選択に於いて、使用者が、構造体の形状と材料の異方性方向と参照して、例えば、材料の異方性方向に最も近い方向の軸を、少なくとも或る程度の数の要素の群に対して、より好適には、構造体の略全体の要素の群に対して一つ選択する。その際、R軸とθ軸とは、要素毎に設定されているので、Z軸方向と、対象となっている要素の群に於ける各要素のR軸とθ軸とのそれぞれの方向とを概観して、例えば、材料の異方性方向に最も近い方向の軸が、底面Bに投影されるべき軸として選択されることとなる。(図3(C)では、例として、R軸が選択されているが、構造体の形状と材料の異方性方向によっては、θ軸又はZ軸が選択され得る。)   Next, in consideration of the respective directions of the Z-axis, R-axis, and θ-axis, and the anisotropic direction of the material assumed in the structure, the user determines the Z-axis, R-axis, and θ-axis. One of them is selected, and the computer program selects the selected axis as the bottom face B (N1′-N2′-N3 ′ plane) of each element as schematically shown in FIG. And the P axis is set. In this case, the bottom surface B may be arbitrarily selected. For example, a surface closest to the Z axis or a surface close to parallel may be selected. In one of the Z axis, R axis, and θ axis projected on the bottom surface B of each element, the user refers to the shape of the structure and the anisotropic direction of the material, for example, The axis in the direction closest to the anisotropy direction of the material is selected for at least some group of elements, and more preferably for a group of elements of substantially the entire structure. . At that time, since the R axis and the θ axis are set for each element, the Z axis direction and the respective directions of the R axis and the θ axis of each element in the group of the target elements are For example, the axis in the direction closest to the anisotropic direction of the material is selected as the axis to be projected onto the bottom surface B. (In FIG. 3C, the R axis is selected as an example, but the θ axis or the Z axis may be selected depending on the shape of the structure and the anisotropic direction of the material.)

かくして、P軸が設定されると、図3(D)に模式的に描かれている如く、底面B内にて、即ち、底面Bの法線H軸方向周りにP軸を指定された角度δだけ回転し、Q軸が設定され、Q軸とH軸とに直交する底面B内の方向にS軸が設定され、H軸、Q軸及びS軸が各要素の要素座標系として設定される。ここに於いて、P軸を回転してQ軸を得る際の角度δは、使用者が構造体の形状と材料の異方性方向と参照することにより、任意に設定される。例えば、指定される角度δは、例えば、Q軸が材料の異方性方向と略一致するように、少なくとも或る程度の数の要素の群に対して、より好適には、構造体の略全体の要素の群に対して、一括して設定される。なお、H軸は、要素の底面の位置と向きが決定された時点で自動的に決定され、S軸は、Q軸が設定されると、自動的に決定される。各要素のH−Q−S軸座標系に於ける原点は、任意の位置であってよく、例えば、図3(E)の如く、要素の一つの節点であってもよく、或いは、要素の底面の中心若しくは要素の中心(C)であってもよい。そして、各要素のH−Q−S軸座標系が設定されると、かかるH−Q−S軸座標系に於いて、力学特性値の設定(図1(B)ステップ4)の入力が実行され、かくして、各要素に設定された力学特性値を用いて変形量、応力分布、ひずみ分布等の有限要素法に従った算出が実行されることとなる。なお、構造体に与える外力等の条件の設定(図1(B)ステップ5)の入力は、典型的には、xyz座標系にて為されるが、これに限定されない。   Thus, when the P-axis is set, as schematically illustrated in FIG. 3D, an angle designated with the P-axis within the bottom surface B, that is, around the normal H-axis direction of the bottom surface B. Rotate by δ, set the Q axis, set the S axis in the direction in the bottom surface B perpendicular to the Q axis and the H axis, and set the H axis, Q axis, and S axis as the element coordinate system of each element The Here, the angle δ when the P axis is rotated to obtain the Q axis is arbitrarily set by the user referring to the shape of the structure and the anisotropic direction of the material. For example, the specified angle δ is more preferably at least about a certain number of groups of elements such that the Q-axis substantially coincides with the anisotropic direction of the material. It is set collectively for the entire group of elements. The H-axis is automatically determined when the position and orientation of the bottom surface of the element are determined, and the S-axis is automatically determined when the Q-axis is set. The origin of each element in the HQS axis coordinate system may be an arbitrary position, for example, may be one node of the element as shown in FIG. It may be the center of the bottom surface or the center (C) of the element. When the HQS axis coordinate system of each element is set, the input of the dynamic characteristic value setting (step 4 in FIG. 1B) is executed in the HQS axis coordinate system. Thus, calculation according to the finite element method such as deformation amount, stress distribution, strain distribution and the like is executed using the mechanical characteristic values set for each element. Note that the input of setting conditions such as external force applied to the structure (step 5 in FIG. 1B) is typically performed in the xyz coordinate system, but is not limited to this.

上記に説明されたH−Q−S軸要素座標系を設定する方法によれば、既に述べた如く、解析対象の構造体が異方性材料から形成され、かかる構造体が曲面形状又は湾曲形状を有することにより、要素毎に異方性方向が異なる場合にも、少なくとも或る程度の数の要素の群に対して、より好適には、構造体の略全体の要素の群に対して、一括的に、H−Q−S軸要素座標系を設定することが可能となる。図4(A)は、図2の構造体(円環)に於いて、力学的特性値の異方性方向(白抜き矢印の方向)が円環の周囲方向に対して、やや軸方向に傾いている構成の一部を拡大した図であり(図面では二次元であるが、実際には、紙面に対して湾曲した構造である。)、図4(B)は、図2の構造体の全体であり、各要素(格子)内の小さい矢印は、それぞれの要素に於けるQ軸を示している。また、図4(A)に於いて、図3にて説明された処理過程に於いて設定される各軸が模式的に描かれている。この場合、異方性方向は、最初に構造体の形状を配置したxyz座標系に於いては、その軸方向に対して、異方性方向が要素毎に異なることとなり、従って、xyz座標系のままの場合には、力学特性値を表すマトリックスの構成が非常に複雑となり、数値計算が煩雑となり、或いは、精度が低下するおそれがある。これに対して、図4(A)に模式的に描かれている如く、図3にて説明された処理過程によって、H−Q−S軸要素座標系を設定する方法に於いて、多くの場合に、少なくとも或る程度の数の要素の群に対して、より好適には、構造体の略全体の要素の群に対して、各要素の異方性方向にQ軸又はS軸を略一致させることが可能となる(図4の場合は、Q軸が異方性方向に略一致する。)。   According to the method for setting the HQS axis element coordinate system described above, as already described, the structure to be analyzed is formed of an anisotropic material, and the structure is curved or curved. Even when the anisotropic direction differs from element to element, it is preferable that at least a certain number of element groups, more preferably, a substantially entire element group of the structure, The HQS axis element coordinate system can be set collectively. FIG. 4A shows the structure (ring) of FIG. 2 in which the anisotropy direction of the mechanical characteristic value (the direction of the white arrow) is slightly axial with respect to the circumferential direction of the ring. FIG. 4 is an enlarged view of a part of the tilted configuration (two-dimensional in the drawing, but actually a structure that is curved with respect to the paper surface), and FIG. 4B shows the structure of FIG. The small arrows in each element (lattice) indicate the Q axis in each element. Also, in FIG. 4A, each axis set in the process described in FIG. 3 is schematically drawn. In this case, in the xyz coordinate system in which the shape of the structure is first arranged, the anisotropic direction is different for each element with respect to the axial direction, and accordingly, the xyz coordinate system. If it is left as it is, the structure of the matrix representing the mechanical characteristic values becomes very complicated, the numerical calculation becomes complicated, and the accuracy may decrease. On the other hand, as schematically shown in FIG. 4A, in the method of setting the HQS axis element coordinate system by the process described in FIG. In some cases, for at least a certain number of element groups, more preferably, with respect to the substantially whole group of elements, the Q-axis or S-axis is approximately in the anisotropic direction of each element. (In the case of FIG. 4, the Q axis substantially coincides with the anisotropy direction).

また、図3にて説明されたH−Q−S軸要素座標系の設定の処理過程に於いて、使用者が行う操作は、Z軸の設定、各要素の底面に対して投影される軸の選択、P軸からQ軸を得る際の指定角度δの設定だけとなり、その他の処理は、コンピュータ・プログラムにより自動的に実行されるので、使用者が構造体の要素の一つ一つに対して要素座標系を設定する場合に比して、大幅に、使用者の手間と労力が低減されることとなる。そして、力学特性値の設定に於いては、少なくとも或る程度の数の要素の群、より好適には、構造体の略全体の要素の群に於いて、異方性方向とH−Q−S軸要素座標系の軸方向とが同様となっていることが期待され、その場合には、力学特性値の設定を一括的に実行可能となり、使用者の手間と労力が低減されることとなる。   In the process of setting the HQS axis element coordinate system described with reference to FIG. 3, the operations performed by the user are the Z axis setting and the axis projected onto the bottom surface of each element. Only the setting of the specified angle δ when obtaining the Q axis from the P axis, and other processes are automatically executed by the computer program, so that the user can select each element of the structure. On the other hand, as compared with the case where the element coordinate system is set, the labor and labor of the user are greatly reduced. In setting the mechanical characteristic value, the anisotropy direction and the HQ- in at least a certain number of elements group, more preferably in a group of elements of almost the whole structure. It is expected that the axial direction of the S-axis element coordinate system is the same. In this case, the setting of the mechanical characteristic value can be executed collectively, and the labor and labor of the user can be reduced. Become.

本発明の教示に従って一括的な要素座標系の設定が可能な解析対象の範囲は、比較的広範囲であると期待される。比較的複雑な形状の構造体の場合には、構造体全体ではなく、部分的な(複数の要素を含む)領域毎に、本発明の方法による一括的な要素座標系の設定が適用されてよい(少なくとも或る程度の数の要素の群に対して、本発明による要素座標系の設定が適用される場合)。例えば、(複数の要素を含む)領域毎に、異方性方向によって、要素の底面に投影する軸の選択、P軸からQ軸の指定角度δを変更するといった処理が行われても良い。なお、本発明は、異方性材料から形成され、曲面形状又は湾曲形状を有する構造体が解析対象であるときに有利に用いられるが、その他の構造体の有限要素法による数値解析に於いても利用されてよく、その場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。   It is expected that the range of the analysis target that can set the collective element coordinate system in accordance with the teaching of the present invention is relatively wide. In the case of a structure with a relatively complicated shape, the setting of the collective element coordinate system according to the method of the present invention is applied to each partial (including a plurality of elements) area instead of the entire structure. Good (if the element coordinate system settings according to the invention apply to a group of at least some number of elements). For example, for each region (including a plurality of elements), processing such as selection of an axis projected on the bottom surface of the element and change of the specified angle δ of the Q axis from the P axis may be performed according to the anisotropic direction. The present invention is advantageously used when a structure formed of an anisotropic material and having a curved surface shape or a curved shape is an object to be analyzed. In numerical analysis of other structures by a finite element method. It should be understood that any of these may be utilized and still be within the scope of the present invention.

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。   Although the above description has been made in relation to the embodiment of the present invention, many modifications and changes can be easily made by those skilled in the art, and the present invention is limited to the embodiment exemplified above. It will be apparent that the invention is not limited and applies to various devices without departing from the inventive concept.

Claims (1)

コンピュータを用いた有限要素法による構造体の力学的特性の数値解析方法であって、
前記構造体の形状を決定し該構造体の要素分割を実行する過程と、
前記構造体に於ける要素の各々の座標系を設定する過程と、
前記座標系の設定された前記各要素に力学的特性値を設定する過程と、
前記力学的特性値が設定された前記構造体に対して有限要素法による演算を実行する過程とを含み、
前記構造体に於ける要素の各々に座標系を設定する過程に於いて、
前記構造体の形状及び又はその力学的特性の異方性方向に基づいて使用者により指定された向きに前記構造体に対してZ軸を設定する過程と、
前記要素の各々に於いて前記Z軸に直交し且つ該要素の中心に向かうR軸を設定する過程と、
前記要素の各々に於いて前記Z軸と前記R軸とに直交するθ軸を設定する過程と、
前記要素の各々に於いて該要素の底面に対して前記Z軸と前記R軸と前記θ軸とのうちの、前記構造体の形状及び又はその力学的特性の異方性方向に基づいて使用者により指定された一つを投影して得られるP軸を、前記要素の底面の法線であるH軸周りに、前記構造体の形状及び又はその力学的特性の異方性方向に基づいて前記使用者により指定された角度にて回転して得られるQ軸を設定する過程と、
前記要素の各々に於いて前記H軸と前記Q軸とに直交するS軸を設定する過程と、
前記要素の各々に於いて前記H軸と前記Q軸と前記S軸とを該要素の座標系として設定する過程と
が実行される方法。
A numerical analysis method of mechanical properties of a structure by a finite element method using a computer,
Determining the shape of the structure and performing element division of the structure;
Setting a coordinate system for each of the elements in the structure;
A process of setting a mechanical characteristic value for each element set in the coordinate system;
Performing a calculation by a finite element method on the structure in which the mechanical property value is set,
In the process of setting a coordinate system for each of the elements in the structure,
Setting the Z-axis for the structure in a direction specified by the user based on the shape of the structure and / or the anisotropic direction of its mechanical properties;
Setting an R-axis in each of the elements perpendicular to the Z-axis and toward the center of the element;
Setting a θ-axis orthogonal to the Z-axis and the R-axis in each of the elements;
Used in each of the elements based on the shape of the structure and / or the anisotropic direction of the mechanical properties of the Z-axis, the R-axis, and the θ-axis with respect to the bottom surface of the element Based on the shape of the structure and / or the anisotropic direction of its mechanical properties, the P-axis obtained by projecting one designated by the person around the H-axis, which is the normal to the bottom surface of the element Setting a Q-axis obtained by rotating at an angle specified by the user;
Setting an S-axis orthogonal to the H-axis and the Q-axis in each of the elements;
A method in which the H-axis, the Q-axis, and the S-axis are set as a coordinate system of the element in each of the elements.
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