有限要素法を用いた2d/ d地盤解析ソフト midas...

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midasGTSNext Generation Solution for Geotechnical and Tunnel Engineering

有限要素法を用いた２D/３D地盤解析ソフト

2

概要

ジオメトリモデリング

メッシュ生成

解析

トンネルウィザード

結果表示

02

11

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41

48

目次

Geotechnical & Tunnel analysis System

3

GTS

簡単

迅速

正確

高効率

“GTSは地盤全般およびトンネルエンジニアリングの構造解析

のために必要なすべての機能を集積して開発した地盤分野の最高レベルのソリューションです。”

GTSとは概要


4

TNO DIANA（DIsplacement method ANAlyzer）

“Fem解析”

midas GTS“地盤分野のFem解析のための総合ソリューション”midas FX+

（CAE プリ/ポストプロセッサー）

“ジオメトリ＆メッシュモデリング”

ファンデーション

• Multi-discipline Analysis（Structural, Seepage, …）

• Construction Stage

• Fast & Accurate Solver

• Geometry Modeling

• Auto-mesh Generation

• Huge Model Manipulation

• Realistic Visualization

• Various Applications

• …

概要


5

地形情報メーカー（TGM）ジオメトリ作成機能

ポストプロセッサー

ソルバー

メッシュ作成機能

詳細入力

構成概要


6

フレームワーク

ワークウィンドウ

プロパティウィンドウ

ワークツリー

メインメニュー

テーブルウィンドウ

右クリックメニュー

アウトプットウィンドウ

ツールバー

フレームワーク概要


7

シェーディング＋エッジ＋透過表示

境界ボックスワイヤーフレーム

シェーディング＋エッジシェーディング

概要グラフィックディスプレイ－ジオメトリ


8

シェーディング＋非透過表示

シェーディング + シュリンクワイヤーフレーム＋シェーディングシェーディング

Top View

フィーチャーエッジ（地盤）＋シェーディング（トンネル）

概要グラフィックディスプレイ－メッシュ


9

仮想移動

マウスドラグによる仮想移動（移動、回転、スケーリング）

概要


10

フライングビュー概要

11

概要


メッシュ生成

解析


結果表示

02

11

22

32

41

48



12


• Advanced modeling functions can be used in surface & solid modeling.

カーブサーフェースソリッドアドバンスドモデリング

• Tunnel Section• Line, Polyline• Arc, Circle• Polygon• B-Spline• Fillet, Chamfer• Trim, Extend• Intersect• Offset, Tangent• Break, Merge…

• Plane Patch• Coons Patch• NURBS Patch• Grid Patch• Vertex Patch• Fillet, Chamfer• Sew, Fuse• Trim, Divide• Extend• Imprint…

• Box, Wedge• Cylinder, Cone• Sphere, Torus• Trim, Divide• Embed• Boolean Op.（Fuse, Cut, …）

• Stitch Surfaces…

• Extrude• Revolve• Loft• Sweep• Fillet, Chamfer• Offset, Draft• Shelling• Local Prism• Check, Repair• Transformation …



13

カーブモデリング

トンネル断面

B-スプライン

ポリライン

トンネル断面

ライン

3C 3C+I

5C 5C+I

• Line• Arc• Circle• Ellipse• Parabola• Hyperbola

• B-Spline• Poyline• Rectangle• Polygon• Profile• Tunnel Section

カーブタイプ



14

仮想グリッドを作成

標高を指定

グリッドパッチ

任意の閉じたカーブを選択

平面パッチ

任意のポイントを選択

ポイントパッチ

NURBSパッチ

任意の2～4 カーブを選択

Coonsパッチ任意の閉じたカーブを選択

内部拘束条件を利用して曲面の曲率を調整することが可能

ジオメトリモデリングサーフィスモデリング


15

トリム

分離

A

B

和（A B）

差（A－B）

共有（A B）

+

交差サーフェイスによる分離

ブーリアン演算

ジオメトリモデリングソリッドモデリング


16

輪郭

押出し

輪郭

輪郭

ガイドカーブ

Top View

輪郭

回転

スイープ

ロフト

ジオメトリモデリングアドバンスドモデリング


17

アドバンスドモデリング

修正

トリム

オフセット

ローカルプリズムプロファイル

深さ定義

奥行き

ドラフト

サイドビュー

チャンパー



18

デモンストレーション

ジオメトリ

メッシュ



19

データ交換

読み込み（ジオメトリ）

• STEP, IGES

• AutoCAD DXF（ワイヤフレーム）

• STL（メッシュ）

• Nastran （メッシュ）

• Optional InterfacesACIS, Parasolid, DWG, etc.

書き出し（ジオメトリ）

• STEP, IGES

• STL （メッシュ）

データ交換

• STEP（STandard for the Exchange of Product Model Data）

• IGES （Initial Graphics Exchange Specification）

• STL （STereo Lithography） – De facto standard for RP

IGES ジオメトリ

メッシュ生成



20

TGM（Terrain Geometry Maker）

実際の地形ジオメトリを充実に実現

DXFデータ TGM

GTSデジタルマップ



21

ジオメトリに基づくモデリング

フレキシブル便利正確

ジオメトリに基づくモデリングの特長

アドバンスドジオメトリモ

デル機能、特にサーフェ

スおよびソリッドモデリン

グ機能を使用することに

より実際の複雑な地形

や地層ジオメトリーのモ

デリングが非常に簡単

に出来ます！

手動操作に比べ、ジオメ

トリモデリング機能を使用

すると、入力作業が少なく

なります。すなわち、節点

座標、要素の連結のよう

な情報入力は必要なく、

実際のジオメトリの情報

のみでモデル化を進めま

す！

ジオメトリモデリング機

能を使うことによりフリー

フォームサーフェスを横

切る又は分けるような複

雑なジオメトリオペレー

ションが、簡単に実行で

きます。面倒なことなく正

確なモデルづくりを実現

します！

1 2 3


22

02

11

22

32

41

48

メッシュ生成

概要


メッシュ生成

解析


結果表示


23

メッシュ生成

オートマップド押出しチェック

•ソリッド•サーフェース•エッジ•平面領域• 4つのエッジから• 2D 3D

•四角形•組合せ•三角形

•ソリッド•サーフェース• エッジから2Dメッシュ

• エッジから3Dメッシュ

• 4節点エーリア…

•押出し•投影•オフセット•埋め•スウィープ

•ジオメトリ•要素•節点

•生成•抽出•連結•変更•スムーズ•分割•チェック•品質•マージ•変換…

オブジェクト

タイプ

メッシュ生成


24

メッシュ生成

Delaunay Mesher

Indirect Surface Mesher based on Delaunay Triangulation

Grid Mesher

Hybrid Surface Mesher based on Modified Grid-based Approach

Tetra Mesher

Solid Mesher based on Delaunay Tetrahedralization & Advancing Front

Map Mesher

Structured Surface/Solid Mesher based on Transfinite Interpolation

メッシュ生成

Loop Mesher

Direct Surface Mesher based on Looping Algorithm


25

オートサーフェースメッシュ作成

規則性

均一性

境界の

精巧

オリエンテー

ション

インセシティブ

サイズコントロール

（< 1/2）

内部カーブ/ポイント

Loop Mesher

Delaunay Mesher

Grid Mesher

Loop Mesher Grid Mesher Delaunay Mesher

内部ポイント

メッシュ生成


26

マップドソリッドメッシュ作成機能

基準フェイス（Auto)

フルマッピング

Auto+マッピング

切り取り面

ジオメトリ

フルマッピング

メッシュ生成


27

メッシュサイズコントロール

線形メッシュサイズ変化で分割

細かい粗い粗い

等分割数で分割サイズ均一

サイズ線形増加

細かいメッシュ

粗いメッシュ

スムーズなサイズ変化

Normal内部粗密度（細かい）内部粗密度（粗い）

メッシュ生成


28

メッシュの押出し

押出し（2D→3D）

非均一オフセット（5@2, 5@5, 5@2）

ガイド節点による押出し（1D→2D）

Simulate

断面

回転（2D3D）

充填（Curve2D）

メッシュ生成


29

メッシュの押出し

オフセット（2D3D）

スウィープ（2D3D）

スイープ時倍率（1/4）

直角スウィープ

ガイドカーブ

充填（2D→3D）

前面背面

（同一のメッシュ分割）

投影（2D→3D）

投影面

メッシュ生成


30

メッシュ操作

2. 面から押出し吹付けコンクリート

（ソリッド要素を基盤とするグループ）

1.オート - メッシュソリッド（オート-グループ）

ジオメトリ – ソリッド

押出し要素

スムージング（Laplacian/Winslow/Angle）

隣節結合

• 切断

• リンク（弾性, 剛体）• インターフェース要素挿入• 隣節リンク• 同一リンク

メッシュコネクション

要素分割（2, 3-改良）

メッシュ生成


31

チェック & クオリティ

チェック & クオリティ

• フリーエッジ/面

• チェック& Align ECS

品質確保

• アスペクト比

• 歪曲角度

• テ―パ―（2D）

• 反り（2D）

• ヤコビアン比

• ねじれ

• つぶれ（Tetra）

ねじれ五角形

ひしゃげた四面体(体積≒０)

メッシュクオリティプロット

自由面のチェック（結合しない要素面）

自由面

非自由面

メッシュ生成

32

02

11

22

32

41

48

解析

概要


メッシュ生成

解析


結果表示


33

解析機能

静的解析

• 線形/非線形弾性解析

• 弾塑性解析

• 応力-浸透連成解析

• 施工段階解析

• 排水/非排水解析

• 圧密解析

Seepage Analysis浸透流解析

• 定常/非定常解析

動的解析

• 固有値解析

• 応答スペクトル解析

• 時刻歴解析

斜面安定解析

等価線形解析

解析


34

要素ライブラリ

線要素

・トラス / 埋込みトラス

・はり

・引張りのみ (Hook), 圧縮のみ (Gap)

・プロットのみ (ダミー)

平面要素

・板、シェル

・平面ひずみ

・平面応力

・軸対象

・プロットのみ (ダミー)

ソリッドタイプ

・ソリッド要素

Others

・点ばね,マトリックスばね,ジョイント

・弾性リンク, リジットリンク

・線－ソリッドインターフェース（杭等）

・ GTSは、線要素および曲線タイプ・板要素・平面応力要素・ソリッド要素を簡単に作成できます。

・ GTSでは、すべての要素を3種類の方法で作成することができます。

（1）自動/マップドメッシュ生成、メッシュ突起とメッシュ接続

（2） GUIとテーブルによる手動生成

（3）他ソフトからのメッシュデータの読み込み

解析


35

材料モデル

GTSは多様な材料モデルが適用可能となります。

材料モデル挙動

線形弾性最もシンプル

Tresca 弾塑性

von Mises 弾塑性

Mohr-Coulomb、修正Mohr-Coulomb 弾塑性, ひずみ軟化

Drucker-Prager 弾塑性, ひずみ軟化

硬化則弾塑性, ひずみ硬化

直交異方性直交異方性（変形）

Duncan-Chang 双曲線, 非線形弾性

電中研非線形弾性

Hoek-Brown 弾塑性

亀裂性岩盤異方性弾性、異方性塑性

Cam-Clay修正Cam-Clay 弾塑性

Strain hardening Strain softening ひずみ硬化ひずみ軟化

2D/3D ジョイント要素弾塑性, 摩擦成分 & 粘着成分

London Clay Jardine Model

ユーザー定義モデルユーザーによるサブルーチン(Fortran)

Su

bsu

rfa

ce

Ma

teri

als

解析


36

施工ステージ制御

選ばれたステージをシミュレートする

非定常浸透流解析制御

荷重分担率

掘削初期&盛土

Drag & Drop

ツリー構造

解析


37

施工ステージ制御

GTSは施工ステージの定義において、命名ルール（ベースとなる名称 + 接尾語数）を用いた施

工ステージの定義を使用できます。

ツリー構造• メッシュ• 荷重• 境界条件

施工チャート

命名ルールに基づいた施工ステージの定義

施工ステージミューレ―タ―

解析


38

荷重 & 境界条件

荷重

・自重

・力, モーメント

・強制変位

・圧力

・バ―要素荷重（連続、要素）

・節点・要素温度荷重 / 温度勾配荷重

・プレストレス

・節点質量

・応答スペクトル解析データ（多様なスペクトルデータタイプを含む）

・時刻歴応答データ

- 時刻歴データタイプ(多様な加速度パターン）- 地震加速度- 静的荷重制御

- 時刻歴節点荷重, 時刻歴サーフェース荷重- 時刻歴結果関数

すべての荷重を有限要素網とジオメトリに適用することができる。

サーフェース上の圧力要素-面上の圧力

Transfer to FE

解析


39

荷重 & 境界条件

境界条件

・拘束

・節点水頭

・節点流量, 面流量

・浸透境界関数

・非飽和特性間数- 体積含水率負の圧力水頭比透水係数van Genuchten, ユーザー定義

・梁要素の端部結合条件

・板要素の端部結合条件

・物性値の変更

・境界条件セットの変更

不飽和特性関数

すべての境界条件を有限要素網とジオメトリに適用することができる。

板要素の端部結合条件（吹付けコンクリートのジャンクション）

解析


40

システムソルバ―

GTSはステムソルバーとして、マルチフロンタルガウシアンソルバーを使用します。

マルチフロンタルガウシアンソルバー（multi-frontal sparse Gaussian solver ）は、非線形解析

において大規模のソリッドモデルを反復計算の際に最も速いソルバーのひとつです。

GTSは2種類の反復法ソルバー、PCG法（Pre条件つきのConjugate Gradient）、GMRES法（Ge

neral Minimal RESidual）を提供します。

モデル A モデルB モデルC モデルD

要素タイプ板板ソリッドソリッド

要素数 30,000 30,000 29,400 31,740

No. of DOFs 180,180 186,000 90,738 106,200

計算時間 [sec] 16 17 137 297

モデル A モデルB モデルC

モデルD

[ マルチフロンタルソルバーによる計算時間 ]

解析

41

概要


メッシュの生成

解析


結果表示

02

07

22

32

41

48



42

トンネルモデリングウィザード

トンネルモデリングウィザード解析モデルの生成（メッシュ, ロックボルト,吹付けコンクリート等）



43


ステップ1 : トンネル数および断面形状、掘削形状の定義


ステップ 1


44


ステップ 2

ステップ2: 吹付けコンクリートおよびロックボルトの定義

CD カットタイプのオプションSimulation



45


ステップ 3

ステップ 3 : 施工段階の定義（掘削タイプ& 掘進等）

掘削タイプ

シミュレーション:掘削& ロックボルト

荷重分担率の定義



46


ステップ4

ステップ4 : 断面メッシュをチェックし、地形情報を定義する。

実際の地形/地層をモデリング

エレベーションデータによる地形情報



47


ウィザードにより生成されるモデル

正面

アイソビュー

コア + 吹付け + ロックボルト

解析データ


48

概要


メッシュ生成

解析


結果表示

02

07

13

32

41

48

結果表示


49

結果表示

ワークツリー

結果テーブル

結果グラフ

MS-エクセル

コンター図

結果表示


50

結果データ

地盤応力解析

• 変位

• 力（トラス、埋め込みトラス）、モーメント（2D 吹付けコンクリート）

• 反力

• 応力（地盤、吹付けコンクリート、ロックボルト）- Total: Sxx, Syy, Szz, Sxy, Syz, Sxz

- Effective: Sxx, Syy, Szz, Sxy, Syz, Sxz

-主応力（P1, P2, P3）- Pore Pressure

- Mean Effective, Mean Total

-安全率-降伏比

• ひずみ- Exx, Eyy, Ezz, Exy, Eyz, Exz

-主ひずみ（E1, E2, E3）-最大せん断ひずみ- Deviatoric Strain

- Volumetric Strain

浸透流解析

• 流速

• 圧力水頭, 全水頭

結果表示

• 動水勾配

• フロー


51

コンター図のタイプ

メッシュラインコンター図

アイソラインコンター図

メッシュ＋アイソラインコンター図

コンターラインなしコンター図

グラデーションコンター図

グレイ色コンター図

結果表示


52

変形図

変形図（変形後＋グラデーション表示）

正面

側面

変形前

結果表示


53

アイソサーフェイス図

フィーチャーエッジ＋アイソサーフェイス図メッシュライン＋複数アイソサーフェイス図

結果表示


54


アイソサーフェイス図（複数面）

Capped Plot （Lower Part）

アイソサーフェイス図（指定値より大きい部分）

基準アイソサーフェイス図

結果表示

アイソサーフェイス図（指定値より小さい部分）


55

切断面図

切断面の組合せ（ソリッド）

結果表示


56

切り取り図

基本コンター図トンネル（切断面図）

切り取り図（指定値より小さい部分）

切り取り図（指定値より大きい部分）

マウスドラッグによる切り取り面の指定

結果表示


57

切り取り図

コンター図

組合せ切り取り図

結果表示


58

仮想移動

メッシュセット別の分離可能

上面左面

コンター図仮想移動

マウスドラッグによる移動

結果表示

モデル（6 個のメッシュセット）


59

ミラー表示

軸対称モデル

ミラー表示したコンター図

切断面図

切り取り図


結果表示


60

組合せ表示

コンター図

正面

上部

切り取り図 + ベクトル図

コンター図

ベクトル図

Clipping Plane

結果表示


61

ダイアグラム

2D ロックボルトの軸力（埋め込みトラス要素）

2D 吹付けコンクリート軸力

3D ロックボルトの軸力（埋め込みトラス要素）

2D 吹付けコンクリート曲げモーメント

結果表示


62

ベクトル図

ベクトル図（主ひずみ）

ベクトル図（メッシュラインなし）

ベクトル図のオプション－矢頭タイプ（両方向、片方向、無し）

－一定矢頭サイズ

－一定ベクトルサイズ

－色（コンター色、白黒）

結果表示


63

反力表示

反力モーメント（2D 吹付けコンクリート）

サイドビュー

反力

反力モーメント（3D 吹付けコンクリート）

結果表示


64

アニメーション

3D 段階施工解析（切り取り図）

2D段階施工解析

結果表示


65

結果抽出

出力するステップ

結果成分

ステージ / 結果セット結果タイプ

節点 / 要素 IDMS-Excelと互換性がある表（時間と結果値）

グラフ（時間と結果値の関係）

結果抽出の対象 :

• 時間（非定常解析）

• ステップ（非線形 / 段階施工解析）

• 座標系（ユーザ定義座標系）

非定常浸透流解析の結果（圧力水頭）

結果表示


66

解析結果の抽出

座標ステージ

3D Step Graph

3D Step Graph3次元ステップグラフ

結果表示


67

沈下プロファイル

メッシュ& 変位コンター図

沈下プロファイル (3D 平面, 2D 線分)

沈下グリッドの定義

沈下量（エクセル形式への貼り付け可能）

結果表示


68

結果上の分布図

コンター図における2次元曲線上のグラフ

断層帯

ユーザが指定した抽出点での結果コンター図における

3次元曲線上のグラフ

正面

結果表示


69

結果の照会とタグ

Side View

結果表示


70

結果の照会とタグ

フライングビューフライングビュー

結果表示

フライングビュー


71

浸透流（プローパス / 流量）

2Dダムモデルにおけるフローパッチ

ワークウインドウで照査位置をクリック

選択した節点により定義された任意面での流量を計算します。

プローパス流量

結果表示


72

凡例

GTSでは、マウスのドラックで凡例の位置，大きさ，形式と幅（最大/最小値を含む）の制御が可能となります。

枠をドラックして凡例ボックスをサイズを変更

目盛りをドラッグして範囲を変更

プロパティウィンドウ（凡例オプション）

凡例オプション:- 色（数値, 比率, 注釈）- ロゴ- 範囲（最小/最大/ゼロを含む）- 形式（固定/位置, 幅）

結果表示

http://jp.midasuser.com/GTS

Next Generation Solution for Geotechnical and Tunnel Engineering

ありがとうございます。

有限要素法を用いた2d/ d地盤解析ソフト midas...

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