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光弾性効果シミュレーションによる有限要素法解の評価プログラムの開発

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Academic year: 2021

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(1)Title. 光弾性効果シミュレーションによる有限要素法解の評価プログラムの開 発. Author(s). 山形, 積治; 日下部, 良治. Citation. 北海道教育大学紀要. 第二部. A, 数学・物理学・化学・工学編, 42(1) : 15-25. Issue Date. 1991-07. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/6185. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . 平成3年7月. 2巻 第1号 北海道教育大学紀要 (第2部A) 第4 IA) Vol ionl i ion (Sec i t l of Hokka ido Un ty of Educat Jouma ver s .1 ‐42 , No. l Ju y ,1991. 光弾性効果シミ ュ レーシ ョ ンによる有限要素法解の. 評価 プロ グラムの開発. Computer-Program to Appraise Fini ts te‐E1ement-Method resul - E 1 i - E f f S i 1 i Ph t th mu a on oto astc ect Wi. 山. 形. 治 o 日下部. 積. 良. 治. 北海道教育大学旭川分校物理学教室. Seki i KUSAKABE i YAMAGATA and Ryo j j l Phys i ege cs Laboratory, Asahikawa Col , Hokka i ion ido Univers ty of Educat. SWh amary ini This paper presents a computer program to appraise numer ical resul te ts by the f. f.e‐m‐). VVhen stress or strain distributions of a model body are -e l ement-method ( i l l f i d l f wrong lated by f‐e‐m‐ calucu , numerca resu ts o ten conta n unwante va ues , because o input data est imates of f ini te-elements i s wrong and for other reasons‐ ,. Us ingthi s computer program,the numericalstress(orstrain)distribution can be estimated ipe-pat ic s ion‐ imL tern in a photo-elast as a str ulat. 1. は じ め に. 有限要素法は, さまざまな偏微分方程式の有力な数値解法である. 従来この解法は, 固体力学を 中心として発達してきた手法であるが, 現在では流体力学・電磁気学・伝熱論な ど連続体力学の各 分野に用いられている. この手法の最大の特長は, 問題とする領域がどんな複雑な形状をしていて もうまく摘用できる, という点にある. そのため, 実用性に富み, 設計や研究開発な どの実務に広 く応用することができる. また, この解法 はマトリ ックス法を用いて解くことや, 大量の未知数を 扱 う と い っ た 点 か ら, コ ン ピ ュ ー タ 向 き の 解 法 と い える の で あ る.. 本研究では有限要素法を用いて求めた応力分布等の計算結果を光弾性効果 のコンピュータシミュ レー シ ョ ン に よ っ て 評価する方法を開発した. . 一般 に, 有限要素法によっ て対象物を解析した場合, データの入力ミスによっ て誤っ た解を得た り, また, 計算結果にス プリ アスが含まれていて現実とはかけ離れた値を示す場合がある. しかし, 15 ) (.

(3) . 16. 山形. 横 治, 日 下 部. 良治. それを評価する方法は確立されていなかっ た. 今回開発したプログラム は有限要素法によって得た 計算結果を光弾性シミュ レーショ ンのデータとして用い, 光弾性縞模様をVDT上に作り出し, 視 覚化して計算結果を評価するものである. 開発したソフトの評価 はアクリル板でモデルを作り,有限要素法による数値解,光弾性シミュ レー ショ ンの結果及び光弾性実験の結果の三者の比較で行っ た. その結果実験とシミュ レーショ ンのよ い一致を示し, 本ソフトは有限要素法による数値解析の評価に有効であることを証明した.. 2 } 3 ) ) 2. 2次元弾性問題の基礎方程式1 ’ ・ Z. Fig‐1 に 示 すよう に,非 常 に 薄 い 平 板 が 面 内 荷. 重を受ける場合や, 物体の自由表面近傍などで は, 応力のz方向成分, d2, 写Z, 吃X は す べ て 無. /. y. .. 視 し て よ い. こ の と き,. 0 ・一・一‐一・. oz = 0,. ′ /. ′ ノ. z = 吃x = 0. となり, 面内の微 ・直 六 面 体 要 素 に 作 用 す る 応 力成分は,. Gy てyx. おxy. x F i g .1 薄い×‐y平板 内にお ける縦応力 ox , 巧 とせん断応力 晦y. l d , ち x, 0 xy y. のみで表され 飯, 晦 は縦応力, 欧yはせん断応力である. ひずみ成分は, どX , ey ’ 〆 xy. と な る.. 又, 任意の点 (x, y) の変位 (u, v) とその点のひずみ ( ど, e“ %y) の 関 係 は,. 飲 - 冊, む - 冊 * - 船 十 冊. -- ・ ( ) ‐ ・ ・ 1. と な る.. 次に, 応力とひずみの関係 はフックの法則より, , E. o y - 「 三 戸 ( 計 晦) 云y = G 族y =. .- - - ---‐ .--. ‐ ‐の. E. すて 丁千. 族y. と な る. こ こ で, E, G, し はそ れ ぞ れ ヤ ン グ 率, ず れ 弾 性 係 数, ポ ア ソ ン比 で あ る.. 16 ) (.

(4) . . 17. 光弾性効果シミュレーショ ンによる有限要素法解の評価プログラムの開発. } 3. 有限要素法3. 2次元平面応力場の弾性問題を有限要素法で 解析する場合, 領域をF i g . 2に示すように, 有 限要素によっ て分割する. 要素内部の任意の点 (x, y) における変位 u, v はその要素の節点変位 {げ}mと形状関数 マトリ ックス 〔N〕 により. と 表 さ れる. Fig.3 に示す6節点アイ ソパラメトリック要. 素につ いては, 形状関数を次のように定めるこ F ig ‐2 2次元平面にとっ た有 限要素の 例 示, 要素⑬, 節点 ( i ,j , k). と に よ っ て 剛 性 マ トリ ッ ク ス が 導 ける.. Nf= 2. (2 2.-1 ) L. (2 L.-1 )十 22 (2 22一1 ) L2 ( 2 L2ー1) 十 83 ( 2 23- 1) L3 ( 2 L3-1 ). …( 4 ). 十16 (2223L2L3十 β321L3L.十 2,珍2L.L2 ) こ こ に, L. g‐3 に示す面積座標で L , L2 , L3は Fi .十L2十L3=1となり, 仏, 22 , 23は節点iの. 面積座標である. ( ) 2 )式をマトリ ックスを用いて, 1 ,( a × a V a y. ……………………………( ) 5. o. o. . り う. 飲 も 栴. I. ( U nU. 1 1. E 1一 〆. 6x. =た[D]. ey. … … …( 6 ). % Xy. と す る こ と が で き る.. 一方( 7 )式のひずみ {e}mはBマトリッ クスを導入すると 伝 写 』. 〔B〕. ………………………………( ) 7. 17 ( ).

(5) . 18. 山形 稜治, 日下部 良治. 点 P の 面積 座標 △P23 LI = ----一一 , △123 △P31. 5. 6. T」. ▲. y. 0. ← ÷‐‐÷. 3. 6. アイ ソバ ラメ. ,. 5. P. (し 1. ト リリ ク 写 像. ‐ L2 ; 1 爾i. デ. ) し 3 、. L3 =. △P12. 言ず. 正 規 化 座 標 系 (面 積 座 標 系 し,, L2, Lo). 全体座標系. ig F ‐3 6節点のアイ ソ パラメ トリ ッ ク要素. ) この時 要素◎の剛性マトリ ックス 〔K〕mは と示される6 , . 〔K〕m ニ. ) 〔B〕T 〔D〕 〔B〕 t s. 8 ) … … … … … … … … …(. で 示 さ れる. こ こ で z= E / 1 一 〆 で t, s は要素の厚みと面積である.. 今, F i g ‐1で示した平行平板全体に外力{F}が加わり, 構造全体に変位 お}が生じたとすれば,. 一般に {F}= 〔K〕{ }. 9 ) … … … … … … … … … … … … …(. と示される. 要素⑩と全体の関係には重ね合せの原理 が成立し, {F} を与えることにより 疑} が 5 ) 6 )式により )式により u 3 求まり, {β}によっ て, 要素⑯の変位 い} ,( , v が求まり,( mが求まり,( 要 素 の 応 力 飯, 角, z k yが 求 ま る.. ) 4. 光弾性効果4 Fi 2を生じているポリマー平板に垂直に偏光 g‐4のように, 面内の荷重を受け, 面内の主応力 鋲,o を入射させると, 複屈折によっ て生じた2光波の位相差が平板面内の主応力差に比例する という Brews ter の 法則 が 成 り 立 つ. す な わ ち,. ‐ キ ー - 2%. (鋲 也 ). ・ ‐ ・ ・ ・ ‐- - --. ・….⑩. ここで, △:複屈折された2光波の光路差, β:複屈折された2光波の位相差, 入:使用単色光の波 長, c:材料の光弾性定数, t:板厚, 蚤一o 2:平板の面内に生じた主応力差である. この式は, 板に垂直な方向に光の入射した場合に限り, β を知れ ば, ぴ 2=2 窺 (備 :最大せ ,一o ん断応力) を知ることができる. 直交ニコールの間に資料を置いた場合, 光の強度を1は, 位相差 を. とすれば 1 = A 観メ. ( D , . , , . , , . ,‐, .--, , , .…, . , , . , , , , , . I ,. テ. となり, 光の強度1を測定すれ ば. を求めることができる. 8 1 ( ).

(6) . 光弾性効果シミュレーショ ンによる有限要素法解の評価プログラムの開発. 19. F2. F.. 03 =0. Fn t F i 4 外力 を受 けた厚さ の薄い平画内 の主応力 蚤, d g 2 .. 5. 有限要素法数値解から光弾性シミ ュ レーショ ンへ 有限要素法で得られた数値解から光弾性シミュ レーショ ンのデータの転送はEq.( 6 ) , Eq. ◎ の 関係 に よ る の だ が, ぴ 2= 2 宿 の関係から 鞠 → 敬yとしてシミュ レーショ ンを行う. 単色光源 .-o を用いた場合, Eq.QDで示される輝度の分布 は主応力差 鋲-◎, 即ち 瞳 に応じて縞模様となる. この縞模様をVDT画面上 にディ ス プレイ して, 縞模様の分布が現実的なものか否かを確認して, 有限要素法で計算された結果を評価する. 一連 の作業は, F i g‐5のような流れ図で示される. 光源として白色光を用いることもできるが光弾性シミュ レーショ ンの結果を白黒でプリントアウ トすることを考慮すると単色光による縞模様とした方がよい. 本研究では計算したシミュ レーショ ンの縞模様が実際の光弾性効果の結果と一致するか否かをモ デル実験によっ て確認した. 一般 には縞模様のシミュ レーショ ンを見ることによっ て, 応力等の分 布が現実的であるか否かを判断することができる. 次に, 各々 のソフトについて説明を加える. 5.1. 有限要素法解析ソフト. 本 研 究 で は, ハ ー ドウ ェ ア と し て P C 9 8 0 1 - R L ( 32 ビッ ト) を用いた これにより有限要 . 素法の数値計算に要する時間の短縮がはかれる.また,実験用ソフトウェ アとして「MS-FORTRAN による有限/境界要素解析 プログラム」 (開発:三好俊郎 株式会社サイエンス社)を使用したこの. ) オペレーティ ングシステムは米国マイク プログラム はS3で述べた一連の作業を行うものである3 . ロ ソ フ ト社 M S - D O S (ver‐3‐3) を用 い, コ ン パ イ ラ と して マ イ ク ロ ソ フ ト社 の M S - F O R T 19 ( ).

(7) . 20. 山形 穣治, 日下部 良治. デ ー タ 入 ガミス. 〉要 素 の デ ー タ の 作 成 入 力. 有限要素法による 数値解析. ス ブリ アス解の 存在. 数値解による 光弾 性 シ ミ ヱ レー シ ョ ン. 縞模様の デ ィ ス プ し. イ. no. no. 応 力・ひ ずみ 変位の計算. 数 値 解, ま た は 変位図形の出力 F i g .5 有 限要素法解析, 光弾性i効果シミ ュ レーショ ンの流れ図 R A N (ver‐4‐1 ) を用 い た.. 有限要素解析 Prog ram は, 最大要素数が250で最大節点数が800で, 解法としてスカイライ ン法 を使用している. また, アイ ソパラメ トリ ック要素を用いて2次元平面応力, 平面ひずみ, 軸対象 解析を行うことが可能である. ここで用いるアイ ソパラメ トリ ック要素は, 要素内部の変位と要素 の形状を2次関数で補間するものであり, 線形三角形要素を用いる場合に比べ, 少ない要素数で精 度よく解析できるようになっている. また6節点および8節点アイ ソパラメ トリ ック要素を同時に 使用できるので要素分割に柔軟性がある. ま た, デー タ 入 力 用 Program too1と の 連 結 や 光 弾 性 シ ミ ュ レー シ ョ ン Program に デ ー タ を 送 る ために, 有限要素解析 Program の入出力部を改良し再コンパイ ルしたものを使用した. デー タ 入 力 用 Program too l は, 画面の文字表示の指示に従っ て数値を入力していけ ば, 有限要 素 解 析 Program 用 の デ ー タ が 作 成 で き る よ う に し た. 作 成 し た デ ー タ は, オ ペ レ ー テ ィ ン グ シス テ. ムであるMS-DOS上で有限要素解析 Program を実行中に数値が渡されるようになっ ている.こ のことより, データ作成の時間短縮がはかれる.. 20 ( ).

(8) . 光弾性効果シミュレーションによる有限要素法解の評価プログラムの開発 5.2. 21. 光 弾 性 シミ ュ レ ー シ ョ ン ソ フ ト. 有限要素法により得た結果を光弾性解析パターンとしてディ ス プレイ するソフトを作成した. 今回は, 光弾性解析 パターンの表示を縞模様で行っ た. 光弾性解析 パターンの表示を記録として 残すことを考えると, 色模様で行っ た場合には, 写真撮影を行わなければならない. しかし, 縞模 様で行っ た場合には, シミュ レーショ ン画面のハードコピーをプリンターに出力することができる ため簡単に記録を得ることができるのである. 使 用 し た Program 言語は Turbo Pasca lver.5.0 で あ る. Programing は, 各三角形要素内の 応力を読み取り, その値が式Qのにおいて げ= 0, “, 2 “, 3 ガ…ととなる部分を三角要素 の重心点 よ り 境 界 の 辺々 ま で黒 で 塗 り つ ぶ し て い く よ う に し て あ る ま た, こ の ソ フ ト に は , .. 1) 分割要素の初期形態の表示 2) 分割要素の変形後の形態の表示 3) 初期形態と変形後の形態と の重ね合わせによる比較表示 4) 応力分布の光弾性シミュ レーショ ン表示 の機能をもたせてある. 1) ~4) はどこからでも切り替えが可能であり, 4) について は, さら に色模様または縞模様の場合の光弾性シミュ レーショ ン表示が選択できるよう になっ ている. ま た, シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 を プリ ン タ ー に 出 力 す る 場 合 に は, Hard Copy Ut i l i ty Hcopy ver. L51 を使 用 し,Hcopy を 常 駐 さ せ た 後 に シ ミ ュ レー シ ョ ンソ フ ト を 実 行 して,キ ー ボー ド上 の COPY KEY を押 せ ば, プ リ ンタ ー に 出 力 す る こ と が で き る.. 5.3. 光弾性実験. 光弾性実験 は, アクリル板で作っ た 「く」 の字モデルとバーについて行っ た これらのモデルの . サイ ズ は Fig‐6 に示す 実験装置 は, 2枚の直交する偏光板 でアクリル試料をはさみ 偏光板の- . , 方 か ら レ ー ザー 光 (He- Ne レ ー ザ ー : 波 長 入 =6328A) を照射して 試料に荷重をかけてそれを ,. 写真撮影した. 荷. . 重. . 25 15. 25. . 0一 .←2. …. …. …. ;. . …. … loo. . …. ;. . 試料の厚さt=5m m, 単位は全てm m. 「 F i g .6 アクリ ル板 く」の字 形モ デルとバーモ デルの寸法, 支持点, 荷重点 21 ( ).

(9) . 22. 山形 積治, 日下部 良治. 6.. } 光弾性シミ ュ レーショ ンと光弾性実験の比較5. 光弾性シミュ レーショ ンと光弾性実験結果との比較は, 「く」の字形, バーモ デルに, それぞれ1 o kg , 20kg , 30庭の荷重をかけて行っ た. これらのモデルは, 全要素数が231 , 全節点数を400とし た‐. 6.1. 「く」 の字形モデルへの適用. 「く」 の字形モデルに対するシミュ レーショ ンと実験結果の比較を F i g‐7に示す. いずれについ て も 実 験 と シミ ュ レ ー シ ョ ン の よ い 一 致 を み る こ と が で き る.. 6.2. バーモデルへの摘用. バーモ デル に対するシミュ レーショ ンと実験結果の比較を F i g‐8に示す. バー についても両者の よい一致がみられる.. 6. 3. 評. 価. 、. 比較検討の結果, 今回のモデル実験においてはデータの入力ミスもなく数値解にス プリアスも含 まれていないことが知れた. また, 開発した光弾性シミュ レーショ ンソフトも正しく働いているこ とが知られた. 有限要素法によっ て求められたモデルの変位を5.2節のソフト3)によって表示したものが,Fi g. 9と Fi 0である. 前者は 「く」 の字モデルの変形, 後者 はバーモ デルの変形である. 図の濃い線 g‐1 が変形後 の形態, 薄い線が初期形態を示している.. 7. 結. 論. 有限要素法による解析では, 計算結果が数値で表現される. そのため, 入力ミスやそれにともな う誤っ た解, あるいはス プリ アス解を発見することは非常に困難である. そこで, この光弾性シミュ レーショ ンソフトを実行することで, 入力ミスのチ ェック, ス プリアス解の発見を視覚的に行うこ ‐きる と力ゞで ・. つまり, 複雑なモ デルの応力分布等について, 光弾性シミュ レーショ ンプログラムを用いて比較 することで, 有限要素法の解析結果を評価することができ, 誤りなく適用することができる. また, 光弾性実験による解析では, 応力を求めるために位相差 を測定し, 応力を逆算をしなけ れ ばならない. しかし, 有限要素法による解析結果をもとに得られる光弾性シミュ レーショ ンと実 験結果を比較し両者が一致していれば, 求めたい部分の応力を有限要素法による解析結果から得る こ と も で き る.. 今後の課題としては, これを3次元弾性体にまで拡張していくことがあ げられる. 2 2 ( ).

(10) . . 23. 光弾性効果シミュレーションによる有限要素法解の評価プログラムの開発. 1 、 十 \ を \ 0. . ) (b. (q). F i g .7. 「く」 の字形モ デルの光 弾性実験結 果 と光弾性 シミ ュ レ ショ ンの比較. (a) 1okg荷重 (b) 20kg荷重 (c) 30庭荷重 (シミュ レーショ ンで示 した変位 は絶対量の 10倍 で表示 している). ( c). 2 3 ( ).

(11) . 24. 山形 積治, 日下部 良治. ) q (. ー. - -. - -. - -. -. -. - …. ー. 1 . ,. 1- 1 -. * 乍 騒 ご き 浮 u も ば \ な と. 璽. F i g .8. ‐. -. b ) (. ( c). ・. -. 轟 ご き き 容態 ,. バーモデルの光弾性実験結果と光弾性シミュレーションの比較 (a) 1okg荷重, (b) 20kg荷重, (C) 30鯖荷 重 (シミ ュ レーショ ンで示 した変位 は絶対量 の10倍 で表示 している). 2 4 ( ).

(12) . 光弾性効果シミュレーションによる有限要素法解の評価プログラムの開発. F i g .9 . 25. 「く」 の字形モ デルの初期形態 と変形後 の形態 の重ね合せ ディ ス プレイ 荷重20k g , (変位の絶対量 は10倍 で示 して いる). . . ゴ ー ;申さ ,. ・. お. = - - ′. ≧. -. - ---. ー { ;キ. F i g .10 バ ーモ デルの初期形態 と変形 後の形態 の重 ね合せ ディ ス プ レイ, 荷重20kg (変位 の絶対量 は10倍 で示 して いる). 文. 献. 1) 倉田正嗣, 弾性学ぃ 日本機械学会 (昭和4 5年10月複刻版) 2) WARREN P.MASON, CrystaI Phys i ion Proce t cs oflnterac s ses . Academi 1966 ), pp.50~69 c Pr es s(. 3) 三好俊郎, MS-FORTRANによる 有限/境界要素解析プログラミング. サイエンス社 ( 19 85 ) 4) 辻二郎, 西田正孝, 河田幸三, 光弾性実験法い 日刊工業新聞社 ( 1 96 ) 5 5) 山形積治, 辰田範秀, 日下部良治, 有限要素法と光弾性法によるモデル解析の比較 平成2年電気関係学会北海道支部大会 (平2年1 0月, 道工大) 論文集, p‐ 30 6) 戸川隼人 FORTRAN による有限要素法入門. サイエンス社 ( 1 987 ) 2 8 ,p . (本 学 教授. 25 ( ). 旭川 分校).

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