3d-cad による翼型モデル作成と 有限要素法による3次元応力...
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演習資料(作成:江澤良孝)
3D-CADによる翼型モデル作成と
有限要素法による3次元応力解析
― 人力飛行機用の構造部材 ―
- Creo Elements Pro によるデータ作成と3次元応力解析-
(この写真では、穴は7つあるが演習では穴の数は任意とする)
翼型 DAE21(実際は翼の位置で翼型と大きさは変わるが、
演習では同じとする)
部材の長さ 1000mm 厚み 50mm
材質 スタイロフォーム
ヤング率:10N/mm2
ポアソン比 : 0.28
1000mm
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材料名 引張り強さ 質量密度 ヤング率 ポアソン比 せん断弾性
係数
N/mm2 kg/m3 N/mm2 N/A N/mm2
スタイロフォーム 0.3 25 10 0.28 3.9
単位に注意
1 𝑘𝑔/𝑚3 =1×10−3𝑡𝑜𝑛𝑛𝑒
(1𝑚)3
=1×10−3𝑡𝑜𝑛𝑛𝑒
(1×103𝑚𝑚)3= 1 × 10−12𝑡𝑜𝑛𝑛𝑒/𝑚𝑚3
荷重 部材の下面に浮力に相当する力がかかるものとする。
正確には上下面の圧力の差が浮力になるが、ここでは
簡単のため浮力に相当する力のみを考える。
計算:
機体の重さを 約34kgfとする
パイロットを 約65kgfとする
合計 約 100kgf=約 1000N
飛行機が浮上するにはこれに相当する浮力が必要。
構造部材の数は簡単のため 100個と仮定する。
構造部材にかかる荷重は場所によって異なるが、
簡単のため一様と仮定すると
部材ひとつあたりが担当する力は
1000N/100=10N
部材の厚みが 50mmの場合、構造部材の横断面積は
1000mm×50mm=50000mm2
浮力は一様ではないが、ここでは簡単の
ため一様と仮定すると
部材の下面の単位面積当たりの圧力の推定値は
10N/50000mm2 = 2×10-4 N/mm2
拘束 2カ所の穴の部分で固定
ここに骨組みの丸棒が入る
固定(この円孔の周囲を固定)
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演習資料(作成:江澤良孝)
翼型データの準備
(1) 下記のサイトからDAE-21の翼型データファイルdae21.datを取り込む
http://m-selig.ae.illinois.edu/ads/coord/dae21.dat
(2) 翼型データファイルdae21.datをメモ帳で開いて、座標以外の行(1行目から3行目)を削
除。翼の上側データファイルと下側データファイルに分けて、それぞれに拡張子txtを追加し
て保存。 例:dae21-U.dat.txt 、 dae21-L.dat.txt
(3)EXCELを起動して、「ファイル」→「開く」を、クリック
(4)「テキストファイル」を選択して、翼の上側データファイルdae21-U.dat.txtを開く
(5)テキストファイルウィザードで、元のデータ形式で「スペースによって…」を
を選択して、「次へ」をクリック
(6)フィールドの幅が10になっていることを確認して、「次へ」をクリック
(7)列のデータ形式が「G/標準」になっていることを確認して、「完了」をクリック
(8)ファイルが正常に読み込まれたことを確認
(9)C列に「=A1*1000」、D列に「=B1*1000」を入力(文字はすべて半角)
(10)C列をクリックして、右下の四角のマークを下までドラッグ
(11)D列も同様に操作
(12)E列にZ座標の「0」(ゼロ)を追加
(13)「名前をつけて保存」をクリック
(14)ファイルの種類で「CSV(コンマ区切り)(*.csv)」を選択し、「保存」
(15)「この形式でブックを保存しますか」に「保存」→「はい」
(16)「ファイル」→「閉じる」。その後、「保存」→「はい」
(17)「ファイル」→「開く」を、クリック
(18)「テキストファイル」を選択して、翼の下側データファイルdae21-L.dat.txtを開く
(19)手順(5)から手順(16)を実施
(20)先に保存した翼の上側データCSVファイルdae21-U.csvを開く
(21)A列とB列を削除
(22)「名前をつけて保存」をクリック
(23)ファイルの種類で「テキスト(スペース区切り)(*.prn)」を選択し、「保存」
(24)下側CSVファイルにも同様の操作(作業20から作業23)
(当然、ファイル名は下側ファイルに合わせて変更して作業)
(25)作成したデータファイル(*.prn)の修正。
x座標の値とy座標の値の間にスペースがないところを見つけて、半角スペースを挿入
(26)翼の上側の節点座標データファイルと下側座標データファイルの拡張子を
「pts」に変更
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演習資料 作成:江澤良孝
Creo Elements Proによるモデル作成
1. パソコンを起動し、ログインする(デフォルトの仮想デスクトップ)
2. Creo Elements Proのワーキングフォルダを作成する
(詳細は省略)
3. Creo Elements Proを起動する
[スタート] >[すべてのプログラム] > [PTC] >[Creo Elements Pro] > [Creo]
4.Creo Elements Proが開いたら、ワーキングディレクトリを指定する
(詳細は省略)
5. [ファイル]> [新規]をクリックする
6. [新規]ダイアログが現れたら、[部品]、[ソリッド]にチェックが入っていることを確認し、[OK]
をクリックする
7. 部品モードの初期画面が現れる
8. [ファイル]>[プロパティ]を選ぶ。
9.モデル特性のパネルがでるので、「単位」の欄の「変更」をクリック
10.単位マネージャのウィンドウが表示される
11.[単位マネージャ]ダイアログボックスで、「ミリメートルニュートン秒 (mmNs) 」を選んで、
[設定]をクリック。
12.[モデル単位を変更]ダイアログボックスが表示されるので、「寸法を変換(たとえば、1“は
25.4rnm になります」にチェックを入れ、[OK]をクリック
13.[単位マネージャ]ダイアログボックスの[閉じる]ボタンをクリック
14.「モデル特性」の「材料」の欄の「変更」をクリック
材料のパネルがでるので、材料を適当に選んで、右三角▶▶▶をクリック
鉛筆の形をした「選択した材料の特性を編集します」アイコンをクリック
材料定義パネルが表示されるので、ヤング率、ポアソン比、質量密度を入力して、OKをクリック
材料パネルで OKをクリック。「モデル特性」のパネルの「閉じる」をクリック
材料名 引張り強さ 質量密度 ヤング率 ポアソン比 せん断弾性
係数
N/mm2 kg/m3 N/mm2 N/A N/mm2
スタイロフォーム 0.3 25 10 0.28 3.9
単位に注意
1 𝑘𝑔/𝑚3 =1×10−3𝑡𝑜𝑛𝑛𝑒
(1𝑚)3 =
1×10−3𝑡𝑜𝑛𝑛𝑒
(1×103𝑚𝑚)3= 1 × 10−12𝑡𝑜𝑛𝑛𝑒/𝑚𝑚3
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15.「挿入」→「モデルデータム」→「点」→「座標オフセット」
16.部品座標系「PRT_CSYS_DEF」をクリックする
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17.「座標系オフセットデータム点」ダイアログの「インポート」をクリックする
18,「開く」ダイアログが表示されるので、翼型上面の ptsファイルを指定し、「開く」をクリック
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19.「座標系オフセットデータム点」ダイアログの「OK」をクリック
データム点が確定する
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20.「挿入」→「モデルデータ」→「カーブ」とクリック
21.「メニューマネージャ」ダイアログが表示されるので、「実行」をクリック
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「点通過」ダイアログが表示される
22.上面データの最後の定義点、ここでは PNT40をクリックする
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23.青色のデータムカーブが表示されるので、「選択」ダイアログで「OK」をクリックし、
「メニューマネージャ」で「終了」をクリックし、「カーブ:点通過」ダイアログの「OK」をクリック
して、データムカーブを完成させる。
24.下面のデータムカーブを、手順15から手順23を参考に作成する。
ただし、最後の定義点のクリックの部分は、この例では下面データの最後の定義点 PNT80をクリ
ック
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25. 二つのデータムカーブが完成
26.「挿入」→「押し出し」をクリック
27. [押し出しダッシュボード]の[配置]をクリックする。
28. [定義]をクリックする。
29. 画面上で「FRONT」を選択する
(このとき事前にビューの表示を「デフォルト」方向に変えておくとクリックしやすい)
<参考>「保存したビューリスト」アイコンをクリック
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30.[スケッチ]ダイアログボックスの[平面]に「FRONT」が入る
31. [スケッチ]ダイアログボックスの[スケッチ]ボタンをクリックして、[スケッチ]ダイアログボッ
クスを閉じる
FRONT
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32.「スケッチ」→「エッジ」→「使用」
33.上面のデータムカーブをクリックし、つづいて、CTRL キーを押しながら下面のカーブをクリック
する。
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34.「選択」ダイアログで「OK」をクリックし、「タイプ」ダイアログで「閉じる」をクリックし、
スケッチの「終了」ボタンをクリックする
35.押し出し量を 50にする
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36.「フィーチャーツールへのすべての変更を適用して保存し、ツールダッシュボードを終了しま
す」アイコンをクリック
37. 押し出し(突起)ができる
(参考)押し出しが生成された時に、警告が表示されることがありますが、
通常は警告を無視して作業をすすめてかまいません。それでも問題がおきたら
TAに相談してください。
押し出しが生成されなかったらデータ作成をやり直すこと。
38.[押し出し]ツールをクリックする
39. [押し出し]ダッシュボードの[配置]をクリックする。
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40. [定義]をクリックする
41. 画面上で「FRONT」を選択する
42.[スケッチ]ダイアログボックスの[スケッチ]ボタンをクリックして、[スケッチ]ダイアログボッ
クスを閉じる
43.円のアイコンをクリックする
44.部材に穴となる適当な円を複数描く
<注意>円を描くときは、そのまま描くとスケッチ自動拘束の機能が働き、円の中心点のx座標
または y座標が既に作成した円と同じになって、自由な位置に円を描けないことがある。そこ
で、ここでは
Shiftキーを押しながら円を描く
ことを推奨する。こうすると自動拘束を無効にして描くことができる。
45.位置や大きさを調整する
(参考)
個別選択アイコンをクリック
その後、寸法を直接ダブルクリックして修正するか、または下記の方法で修正する。
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円の中心をドラッグして位置を修正(下記の寸法修正ウィンドウで中心の座標を変更
してもよい)
マウスを画面の左上から右下にドラッグ
(2点で囲まれる4角形がスケッチ全体を包むようにドラッグ)
寸法修正アイコンをクリック
(e)寸法修正ウィンドウで修正
このとき「再生」のチェックははずしておくことを推奨する
46. [カレントの断面を継続します]アイコンをクリック
47.「保存したビューリスト」アイコン
をクリックして、ビュー方向「デフォルト方向」をクリック
48.押し出しの関連のダッシュボードの変更
(a)[押し出し]ダッシュボードの[カットを作成]アイコン をクリックする。
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(b)貫通指定アイコンの横の▽をクリックして[全貫通] を選択する
49.「フィーチャーツールへのすべての変更を適用して保存し、ツールダッシュボードを終了しま
す」アイコンをクリック
50.円の穴(カット)ができる
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演習資料 作成:江澤良孝
MECHANICA による3次元応力解析
1. MECHANICAの起動
[アプリケーション]→[Mechanica(M)]を選択する
2.[MECHANICAモデル設定]ウィンドウが表示されたら、モデルタイプが
[Structure]、FEMモードにチェックが入ってないことを確認し、OKをクリックする。[MECHANICA
モデル設定]ウィンドウが表示されない時は、「編集」→「Mechanicaモデル設定」をクリック
3.材料の選択
材料指定アイコンをクリックする。
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4.材料指定ウィンドウが表示される。「詳細表示ボタン」をクリック、「材料」ウィンドウを表示す
る(CADで材料特性指定済みなので、ここで「OK」クリックで可)
5.材料パネルの左側の「ライブラリの材料」から材料を選択し(たとえば steel.mtl)、右向きの矢
印をクリック(CADで材料特性指定済みなので、この手順は省略)
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6.鉛筆の形をした「選択した材料の特性を編集します」アイコンをクリック(CADで材料特性指定済
みなので、この手順は省略)
7.「材料定義」ウィンドウが表示される。ポアソン比、ヤング率を入力して OKボタンをクリック。
「材料」ウィンドウの OKボタンをクリック。「材料指定」ウィンドウの Okボタンをクリック。
材料名 引張り強さ 質量密度 ヤング率 ポアソン比 せん断弾性
係数
N/mm2 kg/m3 N/mm2 N/A N/mm2
スタイロフォーム 0.3 25 10 0.28 3.9
単位に注意
1 𝑘𝑔/𝑚3 =1×10−3𝑡𝑜𝑛𝑛𝑒
(1𝑚)3
=1×10−3𝑡𝑜𝑛𝑛𝑒
(1×103𝑚𝑚)3= 1 × 10−12𝑡𝑜𝑛𝑛𝑒/𝑚𝑚3
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8.荷重の設定
圧力荷重アイコン
をクリック
圧力荷重ウィンドウが表示されるので、「個別」が選択されていることを確認し、その下の「ジオ
メトリ参照を選択します」が黄緑色になっていることを確認してから、分布荷重をかける面(部材の下
面)をクリック。
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<参考>事前に翼の下面が手前に見えるように、モデルを回転させておくこと。
マウスとキーボードの操作 効果
中ボタンのホイールを回転 モデルを拡大・縮小
中ボタンを押したままドラッグ モデルを回転
Shiftキー + マウスの中ボタン モデルを移動
圧力荷重ウィンドウで値を入力
すべての設定が終わったら、ウィンドウ下の「プレビュー」ボタンを押して、正しく設定されている
ことを確認して、「OK」をクリック
<注意>圧力は面に向かう方向が正であることに注意。プレビューで荷重の向きを確認すること。
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9.拘束条件
変位拘束アイコン をクリック
拘束条件ウィンドウがでてくる
「個別」が選択されていることを確認し、その下の「ジオメトリ参照を選択します」が黄緑色になっ
ていることを確認
10.「サーフェス」「個別」になっていることを確認して、拘束する軸の穴をクリック
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11.座標系は「ワールド」、直線移動はすべて「固定」、回転移動はすべて「自由」にして、OKをク
リック
12.もうひとつの穴も同様に拘束する
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13.トップレベルメニューの「解析」→「Mechanica解析/スタディ」を選択
14.「解析およびデザインスタディ」ウィンドウがでてきたら、このウィンドウのプルダウンメニュ
ーで「ファイル」→「新規の静解析」を選択する
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15.「静解析定義」ウィンドウが表示される。
16.先に設定した拘束条件と荷重を選択されているのを確認して、OKボタンを押す
17.「実行開始」アイコンをクリック
18.「対話型診断を実行しますか」には「はい」をクリック
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19.「診断」ダイアログで「実行完了」と表示されたら、「閉じる」をクリック。
20.「解析および設計スタディ」ウィンドウで「スタディのステータスを表示」アイコン
をクリックすると、解析結果をテキスト形式で確認できる。
例えば、y方向の最大変位は
例: max_disp_y: -1.234e+00
モデルの質量は
例:モデルの全質量: 1.204951e-01(=1.204951×10-1)
<注意>
ここで、どのような密度の単位を使ったかを思い出すこと
「tonne/mm3」なら、上記の全質量の単位はトン(=1000kg)。
解析でエラーになった時、エラー内容はこのリストに表示されるので
このリストを見て、エラー原因を確認してください。
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21.「設計スタディまたは有限要素解析結果をレビュー」アイコンをクリック
22.「結果表示ウィンドウのための設計スタディ」ウィンドウがでてくる
解析結果を選択して「開く」をクリック
<注意>このウィンドウが出てこない場合は、「新しい定義の挿入」アイコンをクリック
23.「結果表示ウィンドウの定義」ウィンドウが表示される
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24.表示タイプは「フリンジ」、量は「応力」と「最大主」を選択
25.「表示オプション」タグをクリック、凡例レベルを「9」にし、「変形」、「荷重を表示」、
「拘束条件を表示」などをチェック
26.「OKおよび表示」ボタンをクリック
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27.等高線が表示される
(注意)下の図の値は、適当な荷重条件の結果なので参考にしないこと