金属の衝突試験・FEMについて

質問

実際に衝突試験をしたことはなく、大学の講義でFEMのソフトを使いシミュレーションを行ったのですが、疑問があるため教えていただきたいです。円柱の鉄材にさまざまな衝撃を加え、どのくらい縮むかをシミュレートしています。

(1)実際、どうなるのか？
参考文献をさがしているうちに、筒状の金属の衝突試験結果が２種類あることに気づきました。１つは左のように、片方の端側だけにしわがよっていくもの。もう１つは右のように、材質全体にしわがよるもの。実際に金属（鉄）を扱うとどうなるのでしょうか？
試験の条件によるのでしょうか？その場合、何がこの違いに影響するのか知りたいです。

(2)初期不整を設定することで、左のように片側だけにしわが寄るシミュレーション結果になることは手順として分かるのですが、初期不整について調べると「微小な凹凸」などとあります。小傷や切削時の不完全さは片側に寄ると思えないので、どうして初期不整を設定することで上記のような結果になるのか理解したいです。

宜しくお願いします。

回答No.4

kon555 · ベストアンサー

>>製造誤差に依存するので、実験においては変形が始まる箇所は毎回違ってくる
　製造『誤差』に起因するとは限りません。
　例えば試験材の作り方が長大な丸棒から一定の長さを切り出す場合、端部付近はそもそも切断時の応力が入ります。またバリの発生なども避けられません。
　この時点でシミュレーション的な理想形状からは外れますが、これは『誤差』というより製造『方法』に起因するものなので、同じ方法で製造すれば再現します。
　そういう意味では、製造上の要素に起因する欠陥は端部に付近に生まれやすくはあります。他の部分に比べて『切断』なり『放電加工』なり、何らかの力が加わるためです。
　それに伴う硬化にしろ脆化にしろ、発生する確率は上がります。

　しかし仰るような「作用点の逆側から潰れていく」という現象が安定的に発生するかと言われれば、少なくとも私の経験上は否です。
『手順書の初期不整の設定は、底面に近い要素を削除する』との事ですが、おそらくそれは何らかの意図や用途があっての事でしょう。少なくとも現実の発生を模擬するための物ではないと思います。
　あえて言うならば、作業者がバラバラな形で初期不整を設定すると解析としての結果自体にもバラつきが生まれてしまうため、試験条件を揃えるような意識で統一しているのかもしれません。
　ちなみにですが、そうした条件付けは現実の試験でも同様に行うものでもあります。母材の種類や加工方法、端面の処理を厳密に指定する、などがそれにあたりますね。

お礼

お礼が遅くなり申し訳ありません。
ご丁寧にご説明いただきありがとうございました。

回答No.3

kon555

FEMについてはあまり詳しくありませんので、実物ベースでの話になります。
　実物で言えば、やはり左のような一部分にのみシワがよる形が普通です。むしろ均一にシワが発生する事はほぼ無いと思います。
　以下の動画が分かりやすいですね。
https://www.youtube.com/watch?v=kO4svghykRY
https://www.youtube.com/watch?v=fbqhmgvb3eI

　なぜこうなるのか、という点については、申し訳ありませんが正確に回答できるだけの知識がありません。
　なのであくまで「私はこう理解している」程度にお考え下さい。

　鉄の棒なり筒なりに、完全に均一に圧縮荷重がかかった場合、おそらく添付図の右図のように全体にシワがよっていくのかもしれません。
　しかし現実的には「完全に均一な荷重」も「完全に均一な構造物」もありえません。荷重には偏りがありますし、構造体には微小な強弱や応力集中のポイントがあります。
　この微小なレベルの差異により、まず最初の変形＝シワが発生します。
　シワの発生により、そもそもが均一ではない構造体はさらに応力集中のポイントが生まれ、そこが変形します。しかしその『最も弱い部分』以外は強度的に余裕があるためにほぼ変形しません。
　こうして「元々弱い部分とその周辺」に変形が集中する事で、偏ったシワが発生します。
　もちろん、この場合の『弱い』とは構造耐の欠陥だけでなく、何らかの理由(構造体の固定方法)で応力が集中するなども含みます。

　おそらくFEMソフトの「初期不整」というのは、そうした現実的なムラをあえて設定する事で、現実との整合性を図ろうという機能だと推測します。

お礼

細かくコメントいただきありがとうございます。
また、１番目の動画、参考になります。

>>現実的には「完全に均一な荷重」も「完全に均一な構造物」もありえません。
これには、同意しています。
ただ、(1) その不均一の中で１番脆い箇所って、製造誤差に依存するので、実験においては変形が始まる箇所は毎回違ってくると思う、(2) 1つ目の動画のように作用点から変形が始まると予想していた、という２つの理由から、

作用点の逆側から潰れていく（円柱の上面に荷重が垂直にかかった場合、底面に近い方に皺がよる）という現象は、何が原因で底面側から変形が始まるのか、原因が説明できません。バイアスがかかるのを避けるために、質問の際、お伝えしませんでしたが、手順書の初期不整の設定は、底面に近い要素を削除することで行っており、その結果底面側から変形が始まります。下の動画と同じようなやり方です。
https://www.youtube.com/watch?v=a2wVN0ns_xw

このように、想定と反するシミュレーションが一般に行われているようなので、なぜ、作用点の逆側（底面側）から変形が始まるのか、もし、お分かりでしたら教えていただきたいです。

回答No.2

hahaha8635

アルミの空き缶をつぶした　時と　アルミチューブをつぶしたときをイメージすればいいのでは

お礼

コメントありがとうございます。
やったことがないので、イメージが正しいか分からないので質問させていただきました。
また、アルミ缶をただ自分でつぶすことはできますが、シミュレーションと同じ条件（一定の荷重であるとか、垂直とか）を設備なしで行うことができないので、適当に缶を潰した結果がシミュレーションの比較（評価）対象になるとは考えられrません。

回答No.1

TIGANS

慣性の効果を考えるなら均質材は
衝突作用点がもっとも大きく変形するのが正しいでしょう。
ただその効果をシミュレーションで正しく出せるモデルが
入っているかはCADメーカーに尋ねないと判らないですが。

初期不整は、理想モデルと現実を合致させるためという感じでしょう
座屈とかだと不均一性無しだと現実離れした計算結果になることも
ガラスをソフトボールで割るとか絶対できそうにない数値とかになる。

お礼

コメントありがとうございます。
そうですよね、私も作用点側の方が先につぶれるイメージを持っていました。ただ、こういう実験をしたことなどなく、自信がないのと...1番解せないのが、手順書には、作用点と逆の接地面側の要素数行を削除するようになっており、作用点の逆側（接地面側）からつぶれていくんです。みつけたYoutube（英語版ですが、MSCというソフトで同じようなことをしていました）も作用点と逆側からクラッシュしていくものでした。以上から、一般的には、作用点の逆側から潰れていくと考える人が多いようなのですが、私の知識では理由が考えつきません。