技術資料

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構造解析用語
薄肉構造物 (thin-walled structure)
厚さが、部材の全体に比べ大幅に小さい構造物を薄肉構造物と呼びます。平板(plate)やシェル(shell)のような部材が代表的な例です。有限要素解析では、構造物の中立面(neutral plane)に2次元メッシュ(mesh)を適用し中立面の変位(displacement)を求めるのが有効です。その理由としては、厚さ方向の変化は非常に微小であるため、一定あるいは直線形として仮定できるためです。中立面に適用される有限要素(finite element)をそれぞれ平板要素(plate element)とシェル要素(shell element)と呼びます。

 薄肉構造物は、力学的および有限要素解析(finite element analysis)的な側面から明確に区別される特性を持ちます。力学的側面では、構造物の厚さ方向に歪みと応力成分が0の平面応力状態(plane stress state)にあるという点です。しかし、これらの仮定は、厚さが無限に小さい極限状態(limit state)に該当するため、実際にはある程度の歪みと応力が存在し厚さが増加するほどこの仮定から離れます。有限要素解析の側面では、要素サイズ(element size)が大きい場合、要素次数(element order)が低い場合はロック現象(locking phenomenon)と呼ばれる解析結果の不正確性が誘発されます。

 また、境界層効果(boundary effect)と呼ばれる特異性(singularity)が構造物の境界で発生しやすいです。一般的には、薄板が厚い構造物に比べ有限要素解析が容易であると考えがちですが、実際には正反対で注意を要する非常に難しい問題です。ロック現象は、要素のサイズを縮小または要素の次数を上げると、ある程度解決できますが、変換積分(reduced integration)や特異要素(singular element)を使用するのがより効果的です。一方、境界層効果による特異性は、構造物の境界に沿って境界要素(boundary element)と呼ばれる幅が非常に狭い要素を配置させると効果的に実装することができます。


 
 
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