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ＡＮＳＹＳマルチスケール解析ツールのご紹介

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アジェンダ

マルチスケール解析についてマルチスケール解析とは

解析の用途

用途の具体例

必要な条件

Multiscale.Sim製品紹介開発の背景

開発の体制Multiscale.SimのGUI解析機能

製品のリリース状況

デモ

今後の開発予定


マルチスケール解析について

マルチスケール解析とは均質に見える材料も、ミクロな視点で見ると複数の相から構成されており、材料によってはそのミクロな構造が材料の挙動に大きな影響を与えることがある。

マクロな構造物をミクロ材料の挙動まで考慮して解析する場合、現状では計算機の性能や材料加工のプロセスなどが足かせとなり、ミクロ構造で構造物すべてのモデル化を行うことが難しいため、均質化法などの理論を用いてミクロとマクロを結びつけるマルチスケールの手法が必要となる。

ミクロマクロ



マルチスケール解析の用途新しい複合材料の開発•FRPの開発•結晶の配向検討

複合材料を用いた製品設計•プリント基板の設計•バンパーの設計

複合材料を用いた製品の不具合原因究明•部品の破壊メカニズム検討

材料試験の代替•材料試験の工数削減•理想的な材料試験

解析規模の縮小•均質材料使用によるモデルの簡略化

【複合材料の例】合板繊維強化プラスチックカーボン金属基複合材料骨鉄筋コンクリート軽金属・アルミニウム・マグネシウム・チタンなど

合金・ステンレス鋼など

繊維・天然繊維・化学繊維

セラミックス紙合成樹脂



用途の具体例（新しい複合材料の開発）FRPの特性の検討

ストランドの角度の検討

フィラメントの断面形状の検討

マトリクスの材質の検討全てを試作するのは難しい

解析なら多くのケースを検討できる



用途の具体例（解析規模の縮小）流路に障害物がある流体の解析

多孔質体

均質化して分布流体抵抗でモデル化する

流体

詳細なモデル化は難しい


よしっ、この形状で応力解析をしてみよう！

えーと、材料物性値は・・・理科年表から探そう・・・あっ、これだ！E= 10GPa,ν= 0.3

数分程度！


用途の具体例（材料試験の代替）ある設計者が単一材料の商品を解析する場合


この材料を使った形状で応力解析をして

みよう！

えーと、材料物性値は・・・あれっ、理科年表にない・・・測定するしかないか・・・でも、2～3日かかるなー


用途の具体例（材料試験の代替）ある設計者が複合材料の商品を解析する場合【材料試験】

引張材料試験風景

2～3日！？


この材料を使った形状で応力解析をして

みよう！

えーと、材料物性値が分からないから・・・、ミクロモデルを使って数値実験で材料物性値を算出しよう！


用途の具体例（材料試験の代替）ある設計者が複合材料の商品を解析する場合【数値材料試験】

引張材料試験風景

数時間！

材料試験から数値材料試験への置換

⇒試験工数の削減



必要な条件（均質化法）モデルをユニットセルと呼ばれる単位周期構造に分解できる

ユニットセルを構成する材質の物性が既知である

ユニットセル


アジェンダ

マルチスケール解析についてマルチスケール解析とは

解析の用途

用途の具体例

必要な条件

Multiscale.Sim製品紹介開発の背景

開発の体制Multiscale.SimのGUI解析機能

製品のリリース状況

デモ

今後の開発予定


Multiscale.Sim製品紹介

開発の背景マルチスケール解析が有効な手法であることはわかっているが、汎用のツールがほとんど用意されていないため、実際に解析を行うにはプログラムのカスタマイズなどをユーザー自身が行わなければならないという大きな障害がある。

•理論的な障害–マルチスケールに関する理論

–材料に関する理論

–解析手法に関する理論

•プログラム操作的な障害–解析プログラムの操作

–プログラミング言語の習得

–作成したプログラムのメンテナンス



開発の背景障害を乗り越えてマルチスケール解析および数値材料試験を一般化させるためには、均質化法や有限要素法の理論をあまり意識しないで使用できるような直感的な操作性が必要である。

使い勝手の向上理論の追加

ユーザーの増加

ニーズの多様化研究の活性化

新しい理論の発表



開発の背景専用ツールを新たに作成するよりは、既に多くのユーザーが使用しているプログラムに機能を追加する方が、開発コストも少なくユーザーが導入する際の費用も低く抑えることができる。

汎用有限要素法解析プログラムANSYSをベースにしたプロダクト

Multiscale.Sim


４者による研究・開発体制


開発の体制

東北大学日東紡績

くいんとサイバネットシステム


プログラム開発マルチスケール理論


開発の体制




販売・プロダクトサポート

材料理論・実験


開発の体制





開発の体制

開発項目決定

ユーザーニーズ学術的重要度

市場の動向開発期間

東北大学日東紡績くいんと

サイバネットシステム

研究会



Multiscale.SimのGUI（Classic版）



Multiscale.SimのGUI（Workbench版）



解析機能本システムにおけるマルチスケール解析とは、以下の３つの解析のことを指す。

均質化解析

マクロ解析局所化解析



解析機能均質化解析

•材料の周期性を見出すことができるモデル（ユニットセル）を用いて数値材料試験を実施し、その試験結果からマクロモデルの材料物性値を算出する解析の事を指す。

1セクタ分(試験片)を切り出す

数値材料試験により等価材料物性値を算出(Ex,Ey,Ez,Prxy,etc…)


ANSYS


解析機能均質化解析

•ユニットセルのモデリング

Prep7

プリミティブ汎用プリプロセッサCADデータ

DesignModeler

Multiscale.Sim



解析機能均質化解析•構造解析：ヤング率、ポアソン比、せん断弾性率

•伝熱解析：熱伝導率、比熱

•浸透解析：浸透係数

•電流解析：電気抵抗率

•電場解析：比誘電率

•磁場解析：比透磁率

•その他：密度、線膨張係数



解析機能マクロ解析

•不均質なモデルを均質化法で求めた等価物性値を用いて均質なモデルとして解析する。

等価物性値を使用することで均質材とする

モデリングや計算に要するコストが非現実的

個々の要素は均質化法のユニットセルの特性を継承



解析機能局所化解析

•マクロ解析の結果を元に、指定した位置にあるユニットセルがどのような状態にあるかを解析する。

【マクロ解析結果】【局所化解析】

特定の要素を取り出して部分構造解析を実行



製品のリリース状況２００７年６月•線形解析版 v1.0 リリース

–構造・伝熱・浸透解析に対応–Classic画面のみに対応

２００８年３月•線形解析版 v1.0 機能追加

–Workbench画面でも利用が可能に

２００８年７月•線形解析版 v2.0 リリース予定

–電磁場解析に対応

２００８年９月•非線形解析版 v1.0 リリース予定

製品のデモをご覧ください



デモの概要内圧を受ける円筒モデルで使用する複合材はどちらが適切か？

55度

30度

X方向

X方向

内圧を受ける円筒

X方向



デモの概要解析結果

【30度モデル】最大相当応力： 195.166最小相当応力： 27.314

【55度モデル】最大相当応力： 104.905最小相当応力： 37.143



今後の開発予定（非線形解析版）数値材料試験機能

•材料試験の追加–単軸引張り試験

–単軸圧縮試験

–等方２軸試験

–サイクル荷重試験

–クリープ試験

–応力緩和試験

•試験結果の出力–S-S曲線

–時間-ひずみ曲線θ

F

θ

F

AXEL社（米国）


【実機での実験】


今後の開発予定（非線形解析版）均質化解析機能•大変形/大ひずみ

•材料非線形–塑性材料

–超弾性材料

–粘弾性材料

–クリープ材料

局所化解析機能•大変形/大ひずみ

•実験データからの局所化–実験データがあればマクロ解析が不要

実験で得られたひずみ履歴

【局所化解析】


ANSYS Classic Environment

ANSYS Workbench Environment

○○×熱伝導率

○※

○

○

Multiphysics

○※

○

○

Mechanical

○ ※

×

○

Structural

浸透係数

線膨張係数

異方性弾性係数

※ 浸透係数は局所化解析には対応していません。


ライセンス/稼働環境ANSYS Classic EnvironmentANSYS Workbench EnvironmentノードロックライセンスANSYS Structural 上位ライセンス一年毎にライセンス発行。但し、保守解約時に永久ライセンスを発行

価格（線形解析版）ライセンス 30万円、保守 20万円


サイバネットシステム株式会社メカニカルCAE事業部

東京： (03) 5297-3081

大阪： (06) 6940-3630

名古屋： (052) 219-5190

e-mail : [email protected]

web : http://www.cybernet.co.jp/ansys/multiscale

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