Mecway Finite Element Analysis
メカニカル・ウェイ有限要素法解析アプリケーション　 　
 

Mecway FEA プロダクト

Mecway有限要素法解析アプリケーションは、機械/装置、構造物、熱交換器、HVACなどの設計、物理的シミュレーションのための多彩な解析機能を搭載し、プリ・プロセッサ、ソルバー、ポスト・プロセッサを統合したユーザー・フレンドリーな汎用有限要素解析パッケージです。以下に、主な解析プロダクトの分類、特徴を紹介します。

 解析機能

静解析

モデルは複合ソリッド、シェル、薄膜、3Dフレーム、ピン・ジョイント・トラスおよびそれらの異方性材料を組込むことができます。荷重として、圧力、集中荷重、熱膨張、重力、遠心力などを指定し、拘束条件には、平面や剛体連結条件を定義することができます。また、線形的な対称性および周期性の定義のよって構造物を単純化することができます。そして、損傷位置や安全係数の推定するための多様な応力を計算することができます。
非線形静解析

非線形静解析は線形静解析より複雑な振る舞いをモデル化することができます。線形静解析では対応できない非線形問題またフックの法則が当てはまらない大きな歪みを伴うような幾何学非線形、塑性変形、非線形材料特性、接触境界条件などの問題に対応します。荷重は時間とともに変化するか、あるいは断続的に印加されます。

モード解析

構造物の構造特性（弾性、質量慣性）に基づく振動モードシェープと固有周波数を推定します。構造物の動的周期特性を解析することによって、モーダル解析および動的応答特性の解析に使用されます。モデルは薄膜、シェル、ソリッド、2D/3Dフレームをサポートし、複雑な構造特性を推定することができます。

動的応答解析

非定常荷重（時間とともに変化する荷重）に伴う構造物の挙動は、コンピューター・シミュレーションなしで評価することは困難です。動的応答解析は構造物の振動特性を考慮し、時刻歴モードにおいて、その振動荷重に対する応答シェープおよび応力などを識別することができます。

熱伝導解析

熱伝導解析は、対流、放射、熱源および温度特性の結果を使用して計算することができます。フィン要素は、容易にヒートシンク、ワイヤーおよびビームなどの断面をモデル化することができます。定常温度および熱流の分布をシミュレートすることができます。
流体解析

Mecwayは、一般2D非粘性フロー、ナビエ-ストークス方程式による2Dフロー、多孔性材料の浸透性、ベアリング流体力学、プラスチック材のような非ニュートン流体をモデル化することができます。さらに、タンクや容器内の液体振動モードを推定することができます。
電流フロー解析

ソリッド導体内の電圧および電流の分布をシミュレートすることができます。解析に伴う集中抵抗器、電圧ソース、電流ソースは、任意の幾何学特性と結合することができます。電位差を伴う導体断面の電場密度、電流強度などを推定することができます。これはコンデンサー設計などのために必要です。
音響解析

室内や閉空感の反響効果などの解析に利用することができます。これは機械的振動に伴う強い波動（縦波、横波）の影響をシミュレートするのに有効です。例えば、音響ボックス、コンサート・ホール、乗り物のキャビン内などの音響モード解析に応用されます。

マルチ統合化ソルバー

Mecwayの内部ソルバーに加え、オープンソースのCalculiXソルバー（CCX）を使用することができます。これは、摩擦特性を持つ接触やプラスチック材料特性の振る舞いのような、より高度な解析機能へのアクセス権を与えます。

ねじれシェル・モデルの静解析結果（内部ソルバー）

ねじれシェル・モデルの静解析結果（CCXソルバー）


非定常熱伝導問題のHeat Flow Through a Solid Part（ソリッド・モデル内の熱流）では、指定した熱源、境界条件（熱伝達係数、熱放射など）に応じて、初期温度から指定時間および時間間隔の時刻歴温度分布が解析されます。時刻歴スライダーをドラッグすることにより、時間ステップごとの温度分布を観察することができます。

非定常熱伝導解析モデル

非定常熱伝導解析結果（温度分布）

非線形静解析は線形静解析より複雑な振る舞いをモデル化することができます。そのような幾何学的／材料的非線形を考慮した構造解析には、CCXソルバーが有効です。作用する荷重は定常的な場合のみならず時間とともに変化するか、あるいは断続的に印加する場合を想定し、それらの解析結果を検証することができます。

非線形静解析結果（CCXソルバー）

非線形非定常静解析結果（CCX Quasi-staticソルバー）

例えば、2つの異なる構造物（パイプとクリップ）間の非線形接触問題においても、CCXソルバーを使用します。この解析には、その境界条件として、面対称性を設定するための摩擦のない拘束、クリップの基礎部の固定支持、クリップが別の部分にマウントされること考慮する拘束およびパイプ外部とクリップ内部間の接触を考慮する拘束を指定します。

非線形接触解析モデル（CCX）

非線形接触解析結果（CCX）


解析モデル・タイプ

解析タイプは、物理的問題に対応するモデル化によって決定されます。Mecwayはデフォルトとして、Static 3Dで開始され、Mecwayエクスプローラ・メニューから、解析問題に応じたAnalysisタイプにスイッチすることができます。例えば、Analysis settingsを右クリックし、Thermal やModal vibrationのような別のタイプの解析に切り替えることができます。

集中荷重解析モデル（強制荷重）

集中荷重解析結果（変位シェープ）

静解析は、その材料特性が線形の応力-歪み関係を持つ構造の定常変形および応力を推定します。圧力は、Faceの面積に比例した力を適用します。力の方向は、Faceの正規成分（垂直）の正負方向またはグローバル成分（X、Y、Z）で指定されます。正規圧力については、Faceの正規方向と反対方向の圧力になります。即ち、それはボリューム・エレメントの内側に向きます。

圧力分布荷重解析モデル

圧力分布荷重解析結果（変形シェープ）

Mecwayエクスプローラのマルチ荷重ケース（Configurations）タグを使用し、同一モデルを使用し、荷重と拘束条件の異なる荷重ケースを定義することを可能にします。例えば、ある固定荷重のConfigurationと別の（固定荷重＋追加荷重）のConfigurationを定義することが可能です。さらに、複数の解析プラン（荷重条件、境界条件、．．．）を定義し、解析することができます。

モーメント荷重解析モデル

モーメント荷重解析結果（応力分布）

有限要素モデルは要素からなるメッシュで構成されます。メッシュは、Mecwayプリプロセッサ及びその強力なメッシュ・ツール（Mesh tools）を使用し作成することができます。また、CADモデルをインポートし、Mecwayの自動メッシュ・ツールを使用し、適切なメッシュを生成することも可能です。

3D解析モデルの解析結果

3D自動メッシュ生成解析モデルの解析結果

ビーム要素（角柱、円柱、プリズムなど）のような棒形状及び平面要素（シェル要素、ひずみ要素、薄膜要素など）の平面プレート形状の構造モデルの2D/3D解析に使用することができ、ソリッド要素はボリューム（シェル・メッシュなどで囲まれた領域）で定義され、3D解析に使用されます。

複合要素構造解析モデル

複合要素構造解析モデルの解析結果（モードシェープ）

モーダル振動解析は構造物の固有周波数および対応する変形シェープ（モードシェープ）を推定します。これは振動過程（振動の始まりと終わり）とは無関係な構造特性（弾性、質量）に由来し、構造モデルの節点はすべて同一周波数で、互いの位相に従っ調和振動のように運動します。

3D解析モデル（ターボエンジン）

3D解析モデルのモーダル解析

モーダル振動解析は2D/3D軸対称構造解析にも対応し、特に3D軸対称モデル解析では、環状ソリッドとしての3D要素がサポートされます。例えば、ソリッド要素を使用して、ホイール（車輪）全体をモデル化する代わりに、1つのセグメントによる周期的対称性を使用してモデル化することができます。

１セグメントの3D軸対称解析モデル

3D軸対称解析モデルの解析結果（モードシェープ）

解析結果変数はアウトラインツリーに解析ツリー下に表示され、そのカラー・コンタープロットなどを表示するために、そのフィールド変数をクリックすることができます。その選択に従ったフィールド変数結果が直ちに生成され表示され、例えば、フィールド変数のセットとしては、von Mises stress（フォンミーゼス応力）、Principal stress（主応力）、Strain（ひずみ）などがあります。

強制荷重解析結果（変位シェープ）

強制荷重解析結果（フォンミーゼス応力）

遠心力荷重は、構造物の一部の回転半径を増加させ、それにより、さらに遠心力を増加させる効果が働きます。これは回転効果（Spin softening）と称し、動解析に基づく固有周波数および臨界座屈荷重に効果を及ぼし、モーダル振動、座屈および非線形静解析にも考慮されます。

シェル構造解析モデル

遠心荷重解析結果（フォンミーゼス応力）

Nonlinear Dynamic Response 3Dは、Dynamic Response 3Dに類似していますが、大変形、接触、弾性材（プラスチック）および超弾性の材料特性のシミュレーションに応用されます。それらの解析には、CCXソルバーによる非線形解析が利用されます。

ギア構造の接触応答解析

非線形解析（速度応答）

現実世界は、3次元（長さ、幅、高さ）であり、有限要素の幾何学特性も3次元を扱います。それらの解析モデルは節点と要素のコンビネーションあるいは既定のテンプレート・パターンを使用して作成されます。解析段階では、シミュレーション結果（モード、変位、速度、応力、圧力、電位、．．．）およびその過程を観察することができます。

非線形ダイナミクスの時刻歴応答（変位）

スプリング・ビームの時刻歴応答（断面応力）


有限要素法解析の構造解析シミュレーション

例えば、構造物に任意の力が作用する場合、その構造物中の応力などの物理特性を推定する問題を仮定してください。このような問題は、有限要素法解析（FEA）の典型的な問題です。メカニカル（力学的）問題では、荷重が作用すると構造物に定義された拘束（Constraint）条件に応じたレスポンス（変位、応力、歪みなど）が得られます。

FEM解析モデル

解析結果：変位応答シェープ

解析結果：フォンミーゼス応力

解析結果：主応力（ピーク）


Static Analysis（静解析）

材料特性が線形の応力-歪み関係のある構造物の線形変形および応力を推定します。3D静解析ではソリッド、トラス、スプリングの要素の各節点は3つのDOF、即ち、X、Y、Zの成分を持っています。また、シェル要素およびビーム要素の各節点は6つのDOF、即ち、X、Y、Zの成分と3つの回転成分を持っています。Mecwayの構造静解析はモデルの異なる要素タイプを組み合わせることができます。。

解析結果：変位シェープ

解析結果：Strain分布

解析結果：Stress分布

解析結果：von Mises stress分布


有限要素法解析に基づく非線形解析

非線形静解析は線形静解析より複雑な振る舞いをモデル化することができます。線形解析では、各節点の変位は作用荷重に対して一定係数が使用されましたが、非線形静解析では、変位は荷重の非線形関数として扱われます。 この関数は、より多くの解析に対応するための縮小特性データが使用されます。荷重は定数か、あるいは時間依存変数として設定することができます。

非線形接触解析モデル

接触サーフェイスの定義

接触解析結果（変位応答）

接触解析結果（応力分布）


有限要素法解析に基づいたモーダル振動解析

構造の平衡状態においても、その構造の自由振動は、その慣性（質量慣性）に基づく構造弾性特性に特徴付けられ、その振動は個別の固有周波数を持ちます。モーダル振動解析は、構造の固有周波数および対応する変形シェープ（モードシェープ）を推定します。これは振動過程（振動の始まりと終わり）を考慮しません。節点はすべて同一周波数で、互いの位相に従った単弦運動のように移動します。したがって、時間に依存しない構造の最大変位を示します。

3D軸対称遠心荷重解析 : 600 rpm 変位

3D遠心荷重解析 : 600 rpm 変位

3D軸対称モーダル解析 モード１: 295 Hz

3D軸対称モーダル解析 モード 2 : 660 Hz


動的応答（Dynamic Response）解析

構造物の一部分に作用する荷重が時間とともに変化（振動）する場合、構造応力もその振動によって増幅されます。そのような応力や歪みを計算する場合、動的応答解析は、その振動特性を考慮します。振動荷重に対する応答として、変位、速度、加速度を計算し、また、動的応力などを計算ます。 

ダイナミック変位応答 モード1

ダイナミック変位応答 モード2

ダイナミック変位応答 モード3

ダイナミック変位応答 モード4


有限要素法解析トータル構造解析シミュレーション

線形構造解析では、節点荷重や要素荷重の組み合せに対する応答解析を実行されます。最も初歩的な荷重としては、外力荷重、圧力荷重、熱荷重などがあります。例えば、自重（重力）、初期変位、集中外力、分布圧力などの荷重を扱います。また、必要に応じて非線形静解析および動解析を行うことができます。

 　 　

自重解析結果の変位分布

 　 　

自重解析結果の応力分布（断面）


 構造物のモードシェープは、共振モードを示し、その振動は励起する加振力よって増幅されます。またモーダル応力は固有周波数に影響を及ぼします。応力剛性（stress stiffening）と呼ばれるこの効果は、引張り（緊張）ケーブルやギターの弦などに特徴的に示されます。静的荷重も応力剛性材料に使用されます。 Mecwayは、それらに関係する動的応答解析にも適用することができます。

 　 　

モード１: 6.5 Hz

 　 　

モード4 : 26.9 Hz

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