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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