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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 ―

－ SolidWorks 2017 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 : 0.3

1000mm

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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（すべての座標にｚ座標を入れること）

（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

注意：作業１６をしないでA列とB列を削除すると，C列，D列の値がおかしくなる．その理由

はC列，D列に式が残っているので，式の計算の元となるA列，B列が消えると計算不能になるため．し

たがって，いったんCSVファイルを閉じて再度開く必要がある．

（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）

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（２５）作成したデータファイル(*.prn）の修正．メモ帳でこのファイルを開く．

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

作業２５の補足説明：

作成したデータファイル(*.prn）の修正は，EXCELではなくメモ帳で開くこと

メモ帳で開くと，ｘ座標とｙ座標がくっついているところがあるので，半角スペース

を挿入すること

例：

（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

「txt」に変更

1222.4567 34.5555 0.0

1234.56781234.5555 0.0

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演習資料 作成：江澤良孝

SolidWorks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）

＜SolidWorks の起動＞

２. SolidWorks を起動する

[スタート] >[すべてのプログラム] > [SolidWorks 2017] >[ SolidWorks 2017]

３．初期画面が表示される

４．「ツールバー」と「メニューバー」の表示は切り替えられます

ツールバー

メニューバー

タイトルバーにマウスポインタを重ねるとメニューバーが表示される

プッシュピンをクリックするとメニューバーが固定される

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５．「ファイル」→「新規」をクリック

６．「新規 SolidWorks ドキュメント」の画面がでるので，「部品」を選択し．「OK」をク

リック．

７．部品を作成する画面が表示される

８．単位を指定する．

[ツール] > [オプション] > [ドキュメントプロパティ] ＞[単位]

ここでは MMGS を選択して「OK」をクリック

＜翼の座標点の読み込み＞

９． 「フィーチャータブ」 → 「カーブ」の下の▼クリック → 「座標点カーブ」

１０．カーブファイルウインドウが表示

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１１．①「参照」クリック → ②翼の上側データ（dae21-U.txt）を保存したフォルダを選

択 → ③ファイル形式(*.txt)を選択 → ④翼の上側データ（dae21-U.txt）を選択 →

⑤開く → ⑥カーブファイルウインドウで「OK」をクリック → カーブが生成される

１２．表示（ヘッズアップビュー）ツールバーの「ウィンドウにフィット」アイコンをク

リック

１３．翼の上側カーブが画面にフィットして表示される

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１４．同様にして下側カーブも生成する

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１５．＜物体の作成＞

フィーチャーマネージャーデザインツリーで「正面」を右クリック

→ スケッチ を選択

１６．スケッチタブを選択して、エンティティ変換 をクリック

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１７．CTRLキーを押しながら上下のカーブを選択 → OK → 「スケッチ終了」を

クリック

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１８．①フィーチャータブの「押し出しボス／ベース」をクリック

→②ヘッズアップビューツールバーの「表示方向」 をクリックして，「不等角投影」

をクリック

→③方向１タブで「中間平面」を選択 → ④厚さ入力50.00mm → ⑤OK クリック

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＜穴の生成＞

１９．＜円孔をあける作業の開始＞

(a)コマンドマネージャーの「押し出しカット」をクリック（または，「挿入」＞「カッ

ト」＞「押し出し」）

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(b)つぎに翼の側面をクリック．

２０．ヘッズアップビューツールバーの「表示方向」 をクリックして，「正面」をク

リック．するとモデルの正面を表示する

２１．「円」を選択し，円の中心をクリックし，円周の任意の点をクリックして、OKボタ

ン をクリック．これを繰り返して円を複数スケッチする．

（注意）自動拘束を避けるために、CTRLキーを押しながら円を描画することを推奨。

クリック

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２２．＜スケッチ終了と全貫通の指定＞

コマンドマネージャーの「スケッチ終了」をクリック．プロパティマネージャーの

「ブラインド」を「全貫通」に変更して，OKボタン をクリック．

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２３．円孔付きの翼部材の形状が完成（不等角投影にしてみるとよく確認できる）

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２４．＜材料の設定＞

(1)Feature Manager デザイン ツリーで 材料を右クリックし、材料編集 をクリック

（２）材料ダイアログが表示されるので，「ユーザ定義材料」を右クリックし，「新規

カテゴリ」をクリック

（３）「新規カテゴリ」の名前を入力（名前は任意．下記の例では「つばさ」）して，

リターンキーを押す．

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（４）新しく作ったカテゴリー「つばさ」を右クリックして，「新規材料」をクリック

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新規材料名（この例では「すたいろ」）を入力

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（５）新規材料のプロパティを入力．

始めに「単位」を「SI-N/mm^2(MPa)」に変更．

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必要に応じて材料定数を修正．

「保存」をクリック．その後，「適用」をクリックし，「閉じる」をクリック．

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（注意）材料特性の値を修正するには、その欄を軽く 1回クリックして、キーボード

で入力すればよい。数値の削除は deleteキーで行う。

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

𝐺 =𝐸

2(1 + 𝜈)

２５．質量特性をチェック

ツール（Tools） ＞ 評価 ＞ 質量特性（Mass Properties）

をクリックします．

すると，質量特性のダイアログが表示される

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演習資料 作成：江澤良孝

SolidWorks Simulation による３次元応力解析

１．Simulationタグをクリック →「新規スタディ」の下の▼クリック

→「新規スタディ」をクリック → 静解析を選択 → 「OK」ボタン をクリック

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２．材料選定（CAD 部分で材料を選定してあればこの作業は不要）：

CAD段階で材料選定しておくとデザインツリーの静解析の Part1のところに材料が

表示されている。この場合は解析での材料は選定済み。

Part1の横に材料名が表示されていないときは、選定されていないので

（１）「材料適用」クリック

注意：「材料適用」をクリックすると，材料定数定義画面で

のようになる．すなわち，「降伏強さ」が赤色で入力必須になる．この値を

入力しないとエラーメッセージがでる．線形の弾性解析では降伏強さの値は

不要なので，適当に大きな値を入力しておけばよい．CAD部分で材料を選定

してあれば「材料適用」のクリックも不要なので，このような配慮は不要．

（２）CAD部分の解説を参考に，ユーザ定義材料を設定し，「適用」をクリック

し，「閉じる」をクリック．

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３．境界条件：拘束条件

Simulationタグの「拘束アドバイザ」の下の▼をクリック

(a)「固定ジオメトリ」をクリック

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二つの穴に固定拘束を設定する

(b)拘束 PropertyManager が表示されるので，「タイプ」タグになっている

ことを確認

(c)固定する面（ふたつの穴の内面を選択．エッジを選択しないように注意）

を選択 → 「OK」ボタン をクリック

４．境界条件：荷重

(a)まず、荷重をかける面が見えるように、部材を回転させる(マウスホイールを押しな

がらドラッグ)

(b)Simulationタグの「外部荷重アドバイザ」の下の▼をクリック

→ 「圧力」をクリック

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→ 圧力 PropertyManager が表示されます。

→ タイプタブ (タイプ) で、「選択した面に垂直」を選択します。

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→ グラフィックス領域で、圧力荷重を設定する面を選択します。

→ 圧力値で、以下を行います。

a. 単位 を目的の圧力単位に設定します。

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b. 圧力値 2×10-4 N/mm2を(=0.0002N/mm^2)を圧力値(Pressure Value)ボック

スで入力します。

→ をクリックします。

→ 次のような画面になる

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５．メッシュ作成

Simulationタグの「実行」の下の▼クリック

→ 「メッシュ作成」クリック

→ メッシュ密度を選択（今回はこのままでよい）

→ 「OK」ボタン をクリック

※メッシュは細かいほどよいが，計算時間が増大する

メッシュ実行すると、メッシュ結果が表示される

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６．念のため、解析の前に一度，指定保存する

「ファイル」 → 「指定保存」 → 保存先を選んで保存する

７．解析実行

「スタディの実行」の下の▼クリック → 「スタディの実行」クリック

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８．しばらくすると、解析が完了し、解析結果が表示される

（デフォルトでフォン・ミーゼス応力の分布図が表示される）

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９．デザインツリーの「結果」の「変位１（合成変位）」を右クリックして、「表示」を

クリック．図から最大変位も確認しよう．

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１０．「結果アドバイザ」 → 「新規プロット」 → 「応力」とクリックし、応力図

プロットで「最大主応力」を選択

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１１．「OK」ボタン をクリック → 「最大主応力」が表示される

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《他の形状に変更し再解析するには》

(1)まず現在の解析結果から必要な数値を読み取り，記録し，さらに画像ファイル等で画面

を保存した後，解析を削除（方法は下記参照）してから，モデルを変更し，再解析するこ

とをお勧めします．理由は，解析結果の表示はモデルの形状の情報を使っているため，モ

デルの形状を変更すると，モデル形状と解析結果の対応が崩れ，解析結果の表示がおかし

くなることがあるためです．新形状に対する解析結果が自動表示されることはありませ

ん．形状を変更したら，境界条件の設定，メッシュ作成を含めて解析作業を全て再度実行

してください．

参考：《画面をキャプチャする方法》

(a)次の方法のいずれかで画面をクリップボードにコピーする

・「PrintScreen」キー（「PrtSc」などと表示されていることが多い）

画面全体をキャプチャ

パソコンによっては，「Fn」キーも同時に押す必要がある

・「Alt」キー + 「PrintScreen」キー

最前面のウィンドウのみキャプチャ

パソコンによっては，「Fn」キーも同時に押す必要がある

・「Windows」キー + 「Shift」キー + 「S」キー

選択した範囲をキャプチャ（Windows10）

・「Windows」キー + 「PrintScreen」キー

画面全体をキャプチャ（「ピクチャ」フォルダに「スクリーン

ショット」というフォルダが作成され，PNGファイルで保存される）

(b)次に「ペイント」を起動して，「貼り付け」を行う

（２）その後，「モデル」タブをクリックして，モデル画面に変更する

タブを右クリック

削除をクリック

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（３）必要に応じてスケッチ編集，またはフィーチャー編集を行う

Feature Managerデザインツリーから，フィーチャーまたはスケッチを右クリックし，

表示されるコンテキストツールバーから「フィーチャー編集」または「スケッチ編集」を

選択

フィーチャー編集

立体化する範囲や方向，値などを

修正，変更できる

スケッチ編集

寸法，幾何拘束の追加や削除，

値の変更などができる