要素間作用力

第４章接触と破壊の条件

４.２要素間作用力

HPMを用いて空間方向に離散化された方程式を再掲すると以下のとおりである．

MU°+KU =P (4.1)

これを，とで整理し，全体系で表すと次のようになる．

îM_dd M_d"

M_"d M_""

ïöd°

"° õ

îK_dd K_d"

K_"d K_""+D

ïöd

= öP_d

P_"

(4.2)

RBSMは，剛体変位場を仮定し，隣接する要素間に設けられたばねに蓄えられるエネルギーを評価するので，式(4.2)を剛体変位のみで表せば，

M_ddd°=P_dÄK_ddd _(4.3)

となる．このとき，質量行列Mddは，

M^dd =ö 2 6 4

A 0 0 0 A 0 0 0 Ip

3 7

5 (4.4)

である．Aは要素の面積，Ipは慣性モーメントを表す．

HPMにおける要素境界上の表面力は，3章でも述べたように，

ï_<ab>=kÅé_<ab> (4.5)

で表される．2次元問題の場合，これは öïn<ab>

ït<ab>

îk_n 0 0 k_t

ïöén<ab>

ét<ab>

(4.6)

と表される．ここで，はばね定数，é_<ab> は領域境界面 Ä^<ab> 上の相対変位で，平面応力状態の場合は，以下のように定義されている．

kn= E

(1Äó²)(h1 +h2) kt= E

(1 +ó)(h1 +h2) 9>

>; (4.7)

- 41 -

は弾性係数，はポアソン比，は，図3-6 に示すように，各要素の図心から，該当境界辺に下した垂線の高さである．

いま，図4-1のように，要素(1)とそれに隣接する要素(2)～(4)を例に式(4.3)を展開してみる．

このとき，着目要素(1)の境界辺に関する積分は(2)～(4)要素のみに関係し，その他の要素とは連立方程式上の関連性はない．

(1)

(3)

(2) (4)

図 4-1 着目要素と隣接要素

この例に対する式の一部を示すと次のようになる．

2 6 6 6 6 6 6 6 6 6 4

. ..

M⁽¹⁾ 0

M⁽²⁾

M⁽³⁾

0 M⁽⁴⁾

. .. 3 7 7 7 7 7 7 7 7 7 5

>: .. .

° d⁽¹⁾

° d⁽²⁾

° d⁽³⁾

° d⁽⁴⁾

.. .

= 8

>: .. . P⁽¹⁾

P⁽²⁾

P⁽³⁾

P⁽⁴⁾

.. .

>; Ä

2 6 6 6 6 6 6 6 6 6 4

. ..

0 3k⁽¹^;¹⁾

dd k⁽¹^;²⁾

dd k⁽¹^;³⁾

dd k⁽¹^;⁴⁾

dd 0

k⁽¹^;²⁾

dd k⁽²^;²⁾

k^(1;3)

dd k^(3;3)

k⁽¹^;⁴⁾

dd k⁽⁴^;⁴⁾

. .. 3 7 7 7 7 7 7 7 7 7 5

>: .. . d⁽¹⁾ d⁽²⁾ d⁽³⁾ d⁽⁴⁾ .. .

(4.8)

ここで_M⁽

は要素毎に独立であるため，(1)番目の要素に着目すると，全体系において，以下の関係が得られる．

M⁽¹⁾d°⁽¹⁾=P⁽¹⁾

d Ä

ê 3k⁽¹^;¹⁾

dd d⁽¹⁾+k⁽¹^;²⁾

dd d⁽²⁾+k⁽¹^;³⁾

dd d⁽³⁾+k⁽¹^;⁴⁾

dd d⁽⁴⁾ ë

(4.9)

式(4.9)の関係は，運動方程式が要素単位で計算できることを意味している．

- 42 - また，右辺の（）内は，要素(1)の境界Γ

(1)

周辺に作用している表面力の合計であり，図 4-2 を参照して以下のように表される．

M⁽¹⁾d°⁽¹⁾=P⁽¹⁾_d ÄÜF⁽¹⁾ (4.10)

ここで，

F⁽¹⁾ =N⁽¹⁾_d t⁽¹⁾ (4.11)

である．

fx⁽²⁾

f_y⁽²⁾ fx⁽³⁾

f_y⁽³⁾ fx⁽⁴⁾

f_y⁽⁴⁾

( )x_G,y_G

図 4-2 表面力の総和

こうして，式(4.10)を一般式として書くと次のようになり，表面力から要素間作用力が得られる．

M⁽^e⁾d°⁽^e⁾=P⁽^e⁾

d Ä

Ä^(e)

N⁽^e⁾

d t⁽^e⁾dÄ (4.12)

いま，式(4.2)を用い，式(4.12)を成分で表すと，表面力は以下のようになる．

° u

⁽^e⁾

=

X

e=1

f

x⁽^e⁾

=m

⁽^e⁾

° v

^(e)

=

X

e=1

f

_y^(e)

=m

^(e)

í °

^(e)

=

X

3 e=1

Ä (y Ä y

)f

_x^(e)

+ (x Ä x

)f

_y^(e)

=I

^(e) (4.13)

一方，DEMは点接触による接点力の合計で要素毎に運動方程式を解くので，図 4-3 を参照して以下のように表される．

- 43 - M⁽^e⁾d°⁽^e⁾=P⁽_d^e⁾Ä

Xn s=i

F⁽_i^e⁾ (4.14)

ここで，RBSMとDEM の違いは表面力か，接点力かの違いのみとなるので，流動解析におけるRBSMからDEMへの展開も可能であることを示している．

fn⁽¹⁾

fs⁽¹⁾ fn⁽²⁾

fs⁽²⁾

fn⁽³⁾

fs⁽³⁾

u v

図 4-3 接点力の総和

式(4.13)は表面力が与えられれば，要素毎加速度が求められることを意味しているが，この考え

方は，DEMで用いられている考え方と同じである．よって，第５章で説明する時間積分においてDEM的アプローチを用いれば，不連続な要素運動を表現することができる．一方，式(4.12) の右辺第2 項は，静的な解析で用いられている表面力の考え方（理論）を，そのまま陽解法においても利用可能であるため，静的から動的への展開も可能となる．こうして統一した定式化によるマルチステージ対応を可能としている．

- 44 -

ドキュメント内動的陽解法による不連続体解析手法の開発 (ページ 44-48)

第４章 接触と破壊の条件

４.２ 要素間作用力

° u

=

X

f

=m

° v

=

X

f

=m

í °

=

X

Ä (y Ä y

)f

+ (x Ä x

)f

=I

第４章接触と破壊の条件

４.２要素間作用力