JPH0927047A - 構造解析に用いる有限要素の作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のキャドシステム及び計算システムを変
えず且つ設計者の経験を充分に反映させ、しかも作成後
に修正を要しない構造解析のための有限要素を作成でき
るようにする。 【解決手段】 キャドシステム内に多角形状の複数の要
素から成る最終的な形状のワイヤフレーム２３を入力し
ておき、構造解析用入力データを作成する際には、ワイ
ヤフレーム２３を線情報として処理装置に読み込み、各
線情報を処理して全ての線情報の交点の座標を求めると
共に各線情報を隣り合う座標を結ぶ情報ＬＭ−１〜ＬＭ
−１２に分割し、分割された線情報ＬＭ−１〜ＬＭ−１
２の両端にある座標を節点として前記分割された線情報
ＬＭ−１〜ＬＭ−１２をもとに多角形状の複数の有限要
素１０５，１０６を作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、構造物の応力、
歪、荷重等の構造解析に用いることのできる有限要素の
作成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】構造物の応力、歪、荷重等を解析するた
めに、近年いわゆる有限要素法（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅ
ｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ）が用いられている。この有限
要素法とは、構造物を有限要素と呼ばれる有限の大きさ
の多数の多角形状の領域（有限要素）に分割し、各有限
要素の特性をエネルギ原理により求め、それらを合成し
て系全体を表現する大次元方程式を作成し、該大次元方
程式を解いて系全体の特性や挙動を解析する直接解法で
ある。

【０００３】而して、構造物を有限要素法により解析す
るには、予め構造物を多数の要素に分割して有限要素を
作成する必要があり、従来の有限要素作成の手法として
は、手動作成方法と自動作成方法がある。

【０００４】手動作成方法としては、設計者が構造物の
図面を見ながら各有限要素の節点番号、座標値を手計算
にて求め、その後要素番号、節点番号を指定して有限要
素を作成する手法である。

【０００５】自動作成方法は、設計者がキャドに入力さ
れている構造物の線情報であるワイヤフレームを表示装
置に読み出し、ワイヤフレームを見ながらワイヤフレー
ムに座標値を入力し、その後、マウス等を用いて有限要
素を構成している座標位置をピックアップし、これらの
作業により座標値、有限要素の定義が終了したら、画面
上のワイヤフレームを複数に分割するよう指示してコン
ピュータに処理させ、しかる後得られた各線の交点の座
標や要素データを作成し最終的な有限要素を求める手法
であり、斯かる手法においては、画面上の構造物のワイ
ヤフレームを複数に分割して処理する方法として、要素
分割数入力により自動分割を行う第１の方法と、要素サ
イズ入力により自動分割を行う第２の方法がある。

【０００６】すなわち、例えばキャドデータとしてファ
イルされている図１０に示すごとき構造物のワイヤフレ
ーム２１ａを検討すると、図１０において、各・点の座
標（ｘ_n，ｙ_n）（ｎ＝１，２，…）はキャドデータ入力
時に分っている。

【０００７】而して、第１の方法では、各板要素（図１
０の４個の・により包囲された各要素部分）の各辺の分
割数を入力し、指定すると、構造物のワイヤフレーム２
１ａは自動的に分割処理されて図１１に示すようなワイ
ヤフレーム２１ｂになり、第２の方法では、各板要素
（図１０の４個の・により包囲された各要素部分）の各
辺を分割する要素の長さ寸法を入力し、指定すると、ワ
イヤフレーム２１ａは自動的に分割処理されて図１２に
示すようなワイヤフレーム２１ｃになる。なお、図１２
の例では、各辺の要素の長さ寸法をＬとしている。

【０００８】又、構造物のワイヤフレーム２２ａの形状
が図１３に示す形状の場合に、該ワイヤフレーム２２ａ
を各辺の分割数を入力して分割処理した場合には最終的
に得られる構造解析モデルは図１４に示すようなワイヤ
フレーム２２ｂになり、要素の長さ寸法を入力して分割
処理した場合には、最終的に得られる構造解析モデルは
図１５に示すようなワイヤフレーム２２ｃになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来例のうち手
動作成方法の場合には、座標の計算や要素データの作成
を設計者が手計算により処理するため、大規模計算、複
雑な計算モデルの作成には、非常に時間が掛かり、間違
いが生じ易く、又自動作成方法の場合は、第１、第２の
何れにおいても、各辺の分割処理はキャドデータを基に
自動的に行われるため、最終的に得られた構造解析モデ
ルにおける各有限要素がどのような形状、大きさに作成
されるか事前には分らないうえ、作成された有限要素の
うち応力評価箇所の有限要素のサイズが大き過ぎると考
えられる場合には、要素サイズを小さくする等の修正が
必要となり、操作が繁雑である、等の問題がある。

【００１０】本発明は上述の実情に鑑み、構造物の構造
解析に用いる有限要素を作成する際に従来のキャドシス
テム及び計算システムを変えることなく、設計者の経験
を充分に反映することができ、且つ自動的に得られた有
限要素を修正する必要のない、構造解析に用いる有限要
素の作成方法を提供することを目的としてなしたもので
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、多角形状の複
数の要素が最終的な形状として連なるようキャドシステ
ムに入力されたワイヤフレームを、線情報として処理装
置に読み込み、各線情報を処理して全ての線情報の交点
の座標を求めると共に各線情報を隣り合う座標を結ぶ線
情報に分割し、分割された線情報の両端にある座標を節
点として前記分割された線情報をもとに多角形状の複数
の有限要素を作成するものである。

【００１２】キャドには、最終的な形状のワイヤフレー
ムが入力されているため、ワイヤフレームを線情報とし
て処理装置に読み込み処理する際に、ワイヤフレームの
要素を設計者が更に分割する必要がなく、従って、有限
要素を作成する際に設計者の経験を充分に生かすことが
でき且つ作成された有限要素を修正する必要がない。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照しつつ説明する。

【００１４】図１は本発明の実施の形態に使用する装置
の一例を示し、図中、１０１はコンピュータ内蔵の処理
装置、１０２は画像を映し出す表示装置、１０３は処置
装置１０１に入力を行うキーボード、１０４はマウスで
あり、本実施例では、これらの機器を使用して有限要素
の作成を行う。

【００１５】而して、本実施の形態の行程としては、図
１に示すようにデータベース名入力行程、線情報データ
の読み込み行程、交点計算行程、求めた交点と入力され
た線情報データより線の分割処理を行う分割処理行程、
要素データの作成行程、構造解析入力データの作成行程
がある。

【００１６】次に、本発明の実施の形態における各行程
について図２〜５をも参照しつつ詳述する。なお、各行
程のうちＩ）〜ＩＩＩ）の行程は、設計者が表示装置１
０２の画面を見ながら処理が行われ、ＩＶ）〜ＶＩ）は
処置装置１０１によりプログラム処理される。

【００１７】Ｉ）データベース名入力行程 キーボードの所定のキーを操作して線情報の入っている
ファイル名を入力すると、所定のキャドプログラムのワ
イヤフレームが線情報として呼び出される。なお、ファ
イル中の線情報データは、最終要素形状のワイヤモデル
として多数のスタート座標（Ｘ_Sn，Ｙ_Sn）、エンド座標
（Ｘ_En，Ｙ_En）（ｎ＝１，２，…）で定義されている。

【００１８】ＩＩ）線情報データの読み込み行程 データベース名入力行程でファイル名を入力すると、最
終要素形状のワイヤフレーム２３が例えば図２のように
６本の直線状の線情報Ｌ−１，Ｌ−２，Ｌ−３，Ｌ−
４，Ｌ−５，Ｌ−６として処置装置１０１内に読み込ま
れるが、これらは表示装置１０２には表示されない。

【００１９】ＩＩＩ）交点計算行程 次いで、線情報データの読み込み行程で処置装置１０１
内に読み込まれた線情報Ｌ１〜Ｌ６についてスタート座
標（Ｘ_Sn，Ｙ_Sn）、エンド座標（Ｘ_En，Ｙ_En）（ｎ＝
１，２，…）の値をもとに図３に示すようにＳをスター
ト側、Ｅをエンド側として矢印方向への方向ベクトルを
揃える。判定方法は座標値によるものとし、ベクトルの
向きはスタート座標（Ｘ_Sn，Ｙ_Sn）からエンド座標（Ｘ
_En，Ｙ_En）側への方向とする。

【００２０】又求めた方向ベクトル、座標値より図３に
示す全ての線情報Ｌ−１〜Ｌ−６における各交点の座標
の計算を行う。

【００２１】ＩＶ）分割処理行程 交点計算行程で全ての線情報Ｌ−１〜Ｌ−６の交点の座
標が計算されたら線情報Ｌ−１〜Ｌ−６を隣り合う各座
標を結ぶ線ごとに分け、図４に示すごとく１２本の線情
報ＬＭ−１〜ＬＭ−１２に分割して要素長さにする。

【００２２】Ｖ）要素データの作成行程 分割処理行程で分割した１２本の線情報ＬＭ−１〜ＬＭ
−１２を基に要素の定義を行う。その場合、要素回りは
左回りとする。回りを一定にすることで板の裏又は表を
意識する必要がない。

【００２３】すなわち、図５に示すごとく、先ず、ＬＭ
−１のエンド座標値と同じ座標値の線を探す。そうする
とＬＭ−２とＬＭ−９が見つかるが、ＬＭ−１の角度を
見るとＬＭ−９に対して時計方向へ向って９０度、ＬＭ
−２に対し時計方向へ向って１８０度であり、角度の小
さいＬＭ−９が次の線となる。

【００２４】同様にＬＭ−９のエンド座標と同じ線は、
ＬＭ−３，ＬＭ−１０，ＬＭ−４であるが、角度の小さ
いＬＭ−３が次の線となる。

【００２５】更にＬＭ−３のエンド座標と同じ線は、Ｌ
Ｍ−７，ＬＭ−８であるがＬＭ−３に対し時計方向の角
度の小さいＬＭ−７が次の線となる。

【００２６】このようにして順次処理を行い、エンド座
標としてＬＭ−１のスタート座標と同じ座標が現われる
まで処理を行い、ＬＭ−１のスタート座標と同じ座標が
現われることにより、線情報ＬＭ−１，ＬＭ−９，ＬＭ
−３，ＬＭ−７により包囲された１個の有限要素１０５
が確定される。

【００２７】ただし、４辺以上の場合はエラー表示す
る。処理が終った線情報には使用済みフラグを立てる。

【００２８】有限要素１０５が確定したら、同様に線情
報ＬＭ−２のスタート座標をスタート点として、有限要
素１０５を求めた場合と同様の処理を行い、有限要素１
０６が確定される。而して、これらの処理を順次行うこ
とにより全ての有限要素が確定される。

【００２９】ＶＩ）構造解析データ入力の作成行程 Ｖ）の要素データの作成行程で有限要素が確定される
と、処置装置１０１により有限要素が処理され、全ての
交点に順次付された番号である節点番号と各節点におけ
る座標値、有限要素の番号である要素番号と有限要素を
形成する節点番号が夫々確定され、数値データとして格
納される。

【００３０】例えば、最終的に作成された有限要素が図
６に示すごとく７個（実際は図７に示すごとく最終的な
有限要素１０７はもっと細分化されるが説明を簡単に行
うため、７個とする）の場合には次のようなデータが格
納される。

【００３１】

【００３２】図８は、本実施の形態の方法を用いて構造
物に有限要素を作成した場合の例であり、キャドデータ
には、線情報として図８に示すごときワイヤフレーム２
４ａが入力されており、これらの線情報データが本実施
例のＩ）〜ＶＩ）の手順により処理され、図９に示すご
とく多数の有限要素から成るワイヤフレーム２４ｂが得
られることになる。

【００３３】以上述べたように、上述の実施の形態によ
れば、構造物の構造解析に用いる有限要素を作成する際
に従来のキャドシステム及び計算システムを変えること
なく設計者の経験を充分に反映することができ、且つ自
動的に得られた有限要素のモデルを修正する必要がない
ため、有限要素を容易且つ迅速に作成することができ
る。

【００３４】なお、上述の各行程のうち、ＩＩＩ）交点
計算行程、ＩＶ）分割処理行程、Ｖ）要素データの作成
行程は、図１０〜１５に示す従来の場合にも同様に適用
される。

【００３５】又、本発明は上述の実施の形態に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種
々変更を加え得ることは勿論である。

【００３６】

【発明の効果】本発明の構造解析に用いる有限要素の作
成方法によれば、有限要素を作成する際に、従来のキャ
ドシステムを変えることなく設計者の経験を充分に反映
することができ、且つ自動的に得られた有限要素のモデ
ルを修正する必要がないため、有限要素を容易且つ迅速
に作成することができるという優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を説明するための概要図である。

【図２】本発明の方法において、線情報の読み込みを説
明するための概念図である。

【図３】本発明の方法において、線方向を揃えることを
説明するための概念図である。

【図４】本発明の方法において、線情報を更に分割する
ことを説明するための概念図である。

【図５】本発明の方法において、有限要素が確定される
状態を示す概念図である。

【図６】本発明の方法を船の隔壁のワイヤフレームに適
用した場合に得られた座標、節点の番号、要素の番号を
示す概念図である。

【図７】本発明の方法を船の隔壁のワイヤフレームに適
用した際の有限要素の状態を示す正面図である。

【図８】本発明の方法を丸い孔のあいた構造物のワイヤ
フレームに適用した場合のキャドデータの状態を示す正
面図である。

【図９】本発明の方法を図８の構造物のワイヤフレーム
に適用した場合に得られる有限要素の状態を示す正面図
である。

【図１０】従来の方法で船の隔壁のワイヤフレームに有
限要素を作成する場合に、キャドデータとしてキャド内
に入力される線情報の正面図である。

【図１１】図１０に示すワイヤフレームを従来の一方法
で一辺当り複数に分割して得られる有限要素の形状を示
す正面図である。

【図１２】図１０に示すワイヤフレームを従来の他の方
法で各辺を等ピッチに分割して得られる有限要素の形状
を示す正面図である。

【図１３】従来の方法を丸い孔のあいた構造物のワイヤ
フレームに適用した場合のキャドデータの状態を示す正
面図である。

【図１４】図１３に示すワイヤフレームを従来の一方法
で一辺当り複数に分割して得られた有限要素の形状を示
す正面図である。

【図１５】図１３に示すワイヤフレームを従来の他の方
法で各辺を等ピッチに分割して得られた有限要素の形状
を示す正面図である。

【符号の説明】

２３ ワイヤフレーム １０１ 処置装置 １０５，１０６，１０７ 有限要素 Ｌ−１〜Ｌ−６ 線情報 ＬＭ−１〜ＬＭ−１２ 線情報

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多角形状の複数の要素が最終的な形状と
   して連なるようキャドシステムに入力されたワイヤフレ
   ームを、線情報として処理装置に読み込み、各線情報を
   処理して全ての線情報の交点の座標を求めると共に各線
   情報を隣り合う座標を結ぶ線情報に分割し、分割された
   線情報の両端にある座標を節点として前記分割された線
   情報をもとに多角形状の複数の有限要素を作成すること
   を特徴とする構造解析に用いる有限要素の作成方法。