ANSYSによる回転体の応力解析について

質問

現在、回転円板内の応力の解析を試みています。（回転円板は中実です。）
その時の、拘束方法が分からず困っています。

回転円板が中実のため、回転軸を拘束しようと思い、
回転軸上にラインを引きそのラインを拘束したのですが、
ボリュームとラインがつながっていないせいか、
「拘束されていない」とのエラーが出ます。

このライン(回転軸)とボリュームを連結させる方法は無いのでしょうか？

またこの方法以外に、回転円板内の応力を解析する上手い方法はございますか？

大変困っております。
回答頂けたら嬉しく思います。

回答No.1

noname#230359

中実の回転円板でしょう？
で、回転軸上にラインを引くぐらいだから、３次元解析ですね？

回転円板のメッシュ切りの際には、円板中心上に節点ができるように切るのが常識なのですが、それは守っていますか？
もし、Noなら、切り直しましょう。
このとき、回転円板を予め90度の扇形４個にボリューム分割しておくと、たとえフリーメッシュで分割しても、必ず円の中心に節点ができます。

「回転軸上にラインを引きそのラインを拘束」などという手段は、ラインを引くという時点から邪道です。

次に、拘束の仕方ですが、６個の自由度の剛体成分を止めます。
（拘束したことによって、そこに拘束力が働いてはいけません。）
６個の自由度とは、次のとおりです。
x,y,z各方向の変位
x,y,z各軸回りの回転

回転軸方向をｚ方向としましょう。
回転円板ですから、普通は円面内では力が釣り合っているはずです。

ですから、x,y方向の変位は、どこを止めても構いません。
通常は、中心軸上のどこか１点について、x,y方向の変位を止めます。
この時、２点以上を止めてはいけません。理由は、２点を拘束したことによって、２点間に拘束力が働くようになるからです。

z方向の変位ですが、z方向には元々力が働いていませんから、これもどこを止めても構いません。
ですから、中心軸上のどこか１点を止めます。
これも、２点以上を止めてはいけません。

次にｘ,y軸回りの回転ですが、変位を使って、剛体回転を止めなければいけません。通常は異なる２点の同じ自由度を止めて表現します。
（この辺の理屈がわからない場合には、誰か専門家に教えてもらってください。）
まずｘ軸回りには回転力が作用していませんので、たとえば、「中心点のｚ変位成分と、ｙ軸上の任意の１点（通常は外周上の点）のｚ変位成分」を止めれば実現できます。

ｙ軸回りについても同様に、「中心点のｚ変位成分と、ｘ軸上の任意の１点（通常は外周上の点）のｚ変位成分」を止めれば実現できます。

最後にｚ軸回りの回転ですが、ｚ軸回りにも回転力が作用していませんので、たとえば、「中心軸上のある点のｘ変位成分と、中心軸上の別の点のｘ変位成分」を止めれば実現できます。

「　」の中身は、選択の仕方が一通りではありませんが、今はこの通りにしておきましょう。

以上でおわかりですか？
追加質問があれば、どうぞ！
もし３次元解析でなく２次元解析なら、使用要素を教えていただければ、それに即して剛体変位の止め方を教えて差し上げます。

質問が長くなったのですから、回答も長いことを承知のうえで読んでくださいね(笑)

質問１：
各軸回りの自由度を拘束する際に、
二点の同じ自由度を拘束するのではなく、
「x軸周り回転」「ｙ軸周り回転」「z軸周り回転」の自由度を拘束をすることについて。

回答１：
変位・回転という量は、温度や電位と同様、人為的にゼロ点を決めてやらなければ、値が決まらない、ということはご存知ですか？
（剛体変位・剛体回転を止める、という言い方をしますが、これと同じ意味です。ただし、拘束することによって、新たな力やモーメントが発生してはなりません。）
剛体変位の拘束は、考えるのが面倒な場合には、（中空円板でもない限り）構造に所属している任意の１節点の３個の変位自由度成分を止めれば良いので、苦労はしないはずです。）
３次元解析では、どんな要素を使用しても、要素自由度として、必ず３個の変位自由度成分があるので、これが可能になるのです。

剛体回転については、こう簡単にはいきません。
初心者は、構造に所属している任意の１節点の３個の回転自由度成分を止めれば良いと思ってしまうのですが、そうは問屋が下しません。
あなたが、「これらを使っての拘束を試みたのですが上手くいきませんでした。」とおっしゃるのも、当然のことなのです。

３回転自由度成分を止めて実現できるのは、解析に使用している要素に、要素自由度として、３個の回転自由度成分がある場合だけです。

具体例として、梁要素は、要素自由度として、３個の変位自由度成分と３個の回転自由度を持っているので、これが可能です。

シェル要素は、面に垂直な軸周りの回転成分を持たないので、少々苦労します。
Solid要素に至っては、回転自由度成分を全く持たないので、非常に苦労するのです。

その苦労の内容は、あなたが今回体験されたように、変位自由度成分を利用して、剛体回転成分を止めてやる、ということです。

理屈は以上ですべてです。
あとは、私が書いたことを一字一句無視することなく、case-by-caseで、具体策を考え出すだけです。
もう一度書きますが、
「この辺の理屈がわからない場合には、誰か専門家に教えてもらってください。」

もっとも、あなたがここに質問を書き続ける限り、できるだけお相手して差し上げますが。

質問２：解析後の円板内部の応力が知ることは出来るのでしょうか？
解析後にある断面でカットすることなどは可能でしょうか？

回答２：
ANSYSのWorkbenchであれば、解析後に自由に断面をとることができるので、簡単です。

ANSYSのClassic（正式名称はMechanical APDLと言うのだそうですが…）の場合には、新しく機能が加わったかも知れませんが、私の知る限り、簡単ではありません。

ただし断面が要素境界と一致していれば、事実上可能です。
たとえば、ｙｚ平面で断面を作りたい場合には、解析後に次の手順を踏みます。
(1)まず、節点で、ｘ≦０となるものを選び出す。
(2)次に、要素で、(1)の節点に所属するものを選び出す。
(3)ここで応力値をコンター表示やリスト表示すると、ｘ＞０の部分の構造がなくなっているので、自然にｙｚ平面上の応力が表示されます。

この辺の手順についてわからなければ、ベンダーに問い合わせましょう。

お礼

お礼が遅くなりまして申し訳ありません。

解析に使用している要素に、使用したい要素自由度がある時だけ、その自由度を使い拘束が出来るのですね。
とても勉強になりました。

さらに断面カットの件ですが、おっしゃる通りに行ったところ、断面が表示出来ました。

h200420様のおかげで頭の中がスッキリしました。
本当に本当に感謝しております。

補足

回答大変ありがとうございました。

解析を行ってみたところ、無事結果を表示することができました。(3次元解析です）
「二点を拘束する事によって、二点間に拘束力が生まれること、
各軸回りを拘束しなければならないこと」等のアドバイス、
大変勉強になりました。本当に感謝しています。

また、解析後に疑問に思う事が生まれまして
御迷惑でなければ、以下の質問に対するアドバイスを頂けないでしょうか？

各軸回りを拘束する際、
今回、二点の同じ自由度を拘束したわけですが、
「自由度の追加」の欄に「x軸周り回転」「ｙ軸周り回転」「z軸周り回転」
があり、これらの自由度を使用し、軸周りの拘束は出来ないのでしょうか？

これらを使っての拘束を試みたのですが上手くいきませんでした。
もしこれらを使う場合の拘束する位置はどこになるのでしょうか？

後、もうひとつ質問します。
解析後の円板内部の応力が知ることは出来るのでしょうか？
解析後にある断面でカットすることなどは可能でしょうか？

質問長くなりました。
回答を頂けたら大変うれしいです。