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CAE 技術検討会活動成果報告書 (平成 20 年度) - RIST

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熊本県知能システム技術検討会(RIST)
CAE 技術検討会活動成果報告書
(平成 20 年度)
平成 21 年 3 月
RIST/CAE 技術検討会は、RIST/ノンリニア有限要素法技術検討会(平成 10 年
~平成 14 年度)を母胎として結成され、平成 15 年 4 月から活動を開始しました。
本検討会の目的は、
「新製品開発に不可欠の技術である有限要素法を主体とし
た CAE(Computer Aided Engineering;コンピュータ支援工学)解析技術の地域
企業への普及とその有効活用のために、CAE に関する最新情報を入手し、活用
事例、ノウハウを蓄積する。」ことです。
また、各年度の基本的な活動内容としては、下記の 4 項目を基本活動として
います。
① 最新情報入手のために、CAD/CAE の専門家を招いてディスカッションを行
う。
② 有限要素法のスキルアップのために、専門家の指導を受ける機会を設ける。
③ 有限要素法解析のノウハウを習得するために標準問題のケーススタディに
取り組む。
④ デジタルエンジニアリング技術のモノづくり支援への活用を進める九州デ
ィジタルエンジニアリング研究会(KDK)の活動と連携・協力し、活動の
幅を広げる。
本報告書は、上記に基づく CAE 技術検討会の平成 20 年度の活動内容をまと
めたものです。本書が会員各位の CAE 技術の更なる有効活用に資することがで
きれば幸いです。
なお、平成 21 年度からは新生 RIST における技術検討会活動方針により、
「FEM
活用技術検討会」と名称を変更し継続して活動予定ですので、会員各位の検討
会への積極的なご参加を引き続きお願いいたします。
平成 21 年 3 月
RIST/CAE 技術検討会世話役
熊本県産業技術センター
生産技術部 土村 将範
目
1
2
次
『SolidWorks&はじめての CAE セミナー』
(株)大塚商会 CAD プロモーション部解析プロモーション課
…1
宮本
佳則
氏
ミッドレンジ CAD に統合された構造解析、機構解析および熱流体解析の機能に関
して、実際の製造現場での事例紹介とチュートリアルによるソフトウェアの利用実習
を熊本県産業技術センターとの共催で実施した。
…12
『設計・製造現場における陽解法 FEM によるシミュレーション』
株式会社日本総研ソリューションズ
小川隆樹、麻寧緒
氏
まずはじめに、陽解法 FEM と陰解法 FEM の特徴を簡単に概説する。次に、溶接
変形の熱弾塑性解析や、板成形、鍛造解析など、各種解析技法について解析事例、活
用事例を交えながら概説する。また、最近のトピックスも幾つか紹介する。
3 『マルチフィジックス解析ソフト COMSOL Multiphysics のご紹介と解析事
…28
例』
計測エンジニアリングシステム株式会社 第一技術部
三隅和幸
氏
COMSOL Multiphysics 最大の特徴は「マルチフィジックス(連成)解析に対する柔
軟性とソフトウエアのオープン性」です。マルチフィジックス機能はあらゆる物理現
象の組み合わせをサポートしており(無制限マルチフィジックス)、実工学現象の忠実
なモデル化および高精度計算ができ、業界で比類ない高機能性を誇っております。こ
れらの製品の解析事例と、最近のトピックスも幾つか紹介する。
4
『ALDの導入と品質工学ALD』
山口大学 大学院 技術経営研究科 特命教授・
株式会社 安川電機 品質保証部 部長 住本 正
…33
氏
近年、製造加工業の分野では高品質・低コスト・短納期の製品製造を目指した DE
(デジタル・エンジニアリング)化の波が世界的に広がっていますが、とくに先進企
業においてはシミュレーションなど解析技術を駆使することにより、上流における製
品の品質の作りこみ(フロントローディング)を行うことが本格化し始めています。
これを ALD と呼びます。この ALD という設計思想は企業の経営の仕組みにも変化
をもたらす可能性を有しています。最近の塑性構成式関連研究で中心的な役割を担っ
ている、金属材料のすべりを陽に考慮した結晶塑性論を導入した有限要素解析につい
て、拡張テイラーモデルを用いた手法とひずみ勾配を考慮した手法、およびそれらの
繰返し負荷への応用を紹介する。
5
『デジタルエンジニアリングの基礎と展開』
熊本大学大学院 自然科学研究科 機械システム工学部門
…42
坂本
英俊
氏
デジタルエンジニアリングに関する概要紹介と、実際の研究での CAE ソフトウェ
ア利用の例として、ガラス瓶の破壊解析及び弾丸の変形解析を紹介する。また、最近
のトピックスも幾つか紹介する。
6
『ノンリニア有限要素法検討会から CAE 技術検討会へ』
崇城大学 工学部機械工学科 東町 高雄 氏
…47
RIST におけるノンリニア有限要素法技術検討会及び CAE 技術検討会までの活動
全体の総括。また、虫歯の原因を特定する歯の噛み合わせの構造解析を紹介する。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
平成 20 年度
第 2 回CAE技術検討会
『設計・製造現場における陽解法 FEM によるシミュレーション』
平成 20 年 8 月 8 日(金)
株式会社日本総研ソリューションズ
小川隆樹, 麻寧緒
本日の構成
1.はじめに
1.1. 陽解法 FEM コード LS-DYNA の生い立ち
1.2. 陽解法の特徴
2. 板成形
2.1. 成形解析・スプリングバック解析
2.2. スプリングバック対策
2.3. 延性破壊の評価
3. 鍛造解析
3.1. 成形性の評価
3.2. 金型寿命予測に向けた金型の応力解析
4. 溶接変形 熱弾塑性解析
5. その他のトピックス
5.1. 計算機クラスター
5.2. 大規模解析の事例
参考ウェブサイト URL
エンジニアリング系のベンチマークプロジェクト「top crunch」
http://www.topcrunch.org
世界で最も強力なスーパー・コンピュータ 500 機を 選出「top500」
http://www.top500.org
地球シミュレータセンター/国内共同研究(大阪大学)/ `海洋研究開発機構と大阪大学の共同研究 `超高層建築物の耐震性
能評価のための地盤練成を考慮した 3 次元シミュレーションに関する共同研究’
http://www.jamstec.go.jp/esc/projects/domestic
参考資料
(1) 小川隆樹, 麻寧緒 渡辺裕子, 梅津康義, スプリングバックと金型見込みのシミュレーション, 第 58 回 塑性加工連合
講演会 講演論文集, (2007), 521.
(2) 小川隆樹, 麻寧緒, 梅津康義, バウシンガー効果を考慮した延性破壊評価値の計算, 平成 20 年度 塑性加工春季講演
会 講演論文集, (2008), 73.
(3) 麻寧緒, 宮崎美季, 3 次元鍛造シミュレーションによる材料成形性と金型応力の評価, 平成 20 年度 塑性加工春季講演
会 講演論文集, (2008), 379.
(4) 麻寧緒, 梅津康義, 溶解法 FEM による溶接変形の熱弾塑性解析技法, 軽金属溶接, 46(2008), 142.
平成20年度 第2回CAE技術検討会 資料
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12
スプリングバックと金型見込みのシミュレーション
塑正 *小川 隆樹 (日本総研 Sol.)
塑正 麻 寧緒 (日本総研 Sol.)
塑賛 渡辺 祐子 (日本総研 Sol.)
塑正 梅津 康義 (日本総研 Sol.)
1. 緒 言
近 年, ス プ リ ン グ バック の 高 精 度 な シ ミュレ ー ション
に 向 け て, 材 料 モ デ ル の 開 発 を は じ め 数 多 く の 取 り 組
み が 行 わ れ て い る. ま た, シ ミュレ ー ション 結 果 を 利 用
し た 金 型 見 込 み な ど ス プ リ ン グ バック 対 策 に も 多 く の
取 り 組 み が 行 わ れ て い る 1) . こ の 両 者 は 組 み 合 わ さ る
こ と で よ り 効 果 的 な 金 型 設 計 指 針 と な る.
本報告では, はじめに, Yoshida-Uemori モデル 2) を用
い た ス プ リ ン グ バック シ ミュレ ー ション と 実 験 結 果 の
比 較 を 行 い, そ の 妥 当 性 を 示 す. 次 に, ス プ リ ン グ バッ
Fig.2
ク の 要 因 分 析 手 法 と ス プ リ ン グ バック を 金 型 に 見 込 む
Y=0 断 面 形 状
手 法 を 提 案 し, そ の 有 効 性 を 示 す .
2. ス プ リ ン グ バック の シ ミュレ ー ション
解析対象は, Fig.1 に示す Underbody Cross Member3)
で, ド ロ ー 成 形, ト リ ミ ン グ 後 の ス プ リ ン グ バック の 多
工 程 解 析 と な る.
3. ス プ リ ン グ バック 対 策
Fig.3 に今回提案するスプリングバック対策の流れを
示 す. ス プ リ ン グ バック の 要 因 分 析 結 果 に 基 づ く 成 形
条件の変更と, スプリングバックの金型への見込みで構
成 さ れ る.
Fig.1
解 析 対 象 (Underbody Cross Member)
FEM 解 析 ソ ル バ ー は LS-DYNA を 用 い, 材 料 モ デ ル
は Yoshida-Uemori モデルをサブルーチンとして組み込
み 4) 利用した. 材料は板厚 1.62mm の DP600 を用いる.
機 械 的 特 性 は Table1 に 示 す. Yoshida-Uemori モ デ ル と
除荷ヤング率の塑性ひずみ依存性に関するパラメータ
Fig.3
は 文 献 か ら 機 械 的 特 性 を も と に 近 い 値 を 適 用 し た. モ
ス プ リ ン グ バック 対 策 の 流 れ
デ ル 化 は 1/2 対 称 と し た.
Table 1 機 械 的 特 性
0.2%耐 力
引張強さ
ヤング率
403.8MPa
654.2MPa
210GPa
3.1 ス プ リ ン グ バック の 要 因 分 析 手 法
n値
ス プ リ ン グ バック は 離 型 前 の 残 留 応 力 を 初 期 応 力 と
0.159
した弾性回復と考えられる. ここで, 以下のようなその
初 期 応 力 の 分 解 を 考 え る.
Fig.2 にスプリングバック後の対称面での断面形状を
ff research = αff M + βff T + γff C
示 す. 解 析 結 果 と 実 験 結 果 を 比 較 し て い る. 縦 壁 部 分
の壁反り, スプリングバック量が解析により精度よく予
測 で き て い る こ と が 確 認 で き る.
0
ffM
[email protected]
σx −σ̄x
σy −σ̄y
0
τxy −τ̄xy
0
0
1
0
σ̄x
σ̄y
1
(1)
0
A , ff T = @ τ̄ 0 A , ff C = @
xy
0
0
0
0
σz
0
τyz
τzx
1
A
(2)
ff T は 板 面 方 向 成 分 を 板 厚 方 向 に 平 均 し た 応 力, ff M は
板 面 方 向 成 分 の 偏 差 応 力 , ff C は 板 厚 方 向 成 分 で あ る.
α, β, γ は そ れ ぞ れ の 応 力 成 分 の ス ケ ー ル ファク タ ー で
平成20年度 第2回CAE技術検討会 資料
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ある。
型 見 込 み 量 分 布 図 を 示 す. 直 接 変 位 条 件 を 与 え ら れ な
ff T はねじれ, ff M は反りの主因と考えられる. スケー
いブランクホルダー部分が滑らかな形状を提示できて
ル ファク タ ー を 調 整 し た ff research を 初 期 応 力 と し た 解
いることがわかる. なお, 成形ができない負角が発生し
析 結 果 を 整 理 す る こ と に よ り ス プ リ ン グ バック の 要 因
な い よ う に 変 形 ス ケ ー ル を 調 整 し た.
分 析 が 可 能 で あ る.
次 に, 本 手 法 の 適 用 例 を 示 す. Fig.4 の 左 は ff M , 右 は
ffT に 初 期 応 力 を 限 定 し た 解 析 の 変 位 ベ ク ト ル 図 で あ
る. ま た, Fig.5 に Y= 0, Y= −370 断 面 の 形 状 を 示 す.
これらから, Y= 0 対称境界面付近での壁反りは ff M , 開
き は ff T が 影 響 し て い る こ と が わ か る. 一 方, Y= −370
付 近 で は ffT が 主 因 の ね じ れ に よ り 開 き が 発 生 し て い
る こ と が わ か る.
Fig.6
金型の見込み量分布図
次 に, 本 手 法 の 有 効 性 を 検 討 す る . 見 込 み 前 と 後 の
金 型 を 用 い た ス プ リ ン グ バック 後 の 形 状 を そ れ ぞ れ 製
品形状と比較した. Fig.7 にその形状誤差の面積率を示
す. 形状誤差 1.0mm 以内の領域は見込み前は 50% 程度
し か な かった が 見 込 み 後 の 金 型 を 利 用 す る こ と で 90%
Fig.4
変位ベクトル図
以上に改善された. なお, 形状誤差評価の前には製品形
状との距離が評価形状の全点で最短になるように最小
二乗法を基本とした最適化処理により位置合わせを施
し て い る.
Fig.7
形状誤差の面積率
4. 結 言
Fig.5
断 面 形 状 (上:Y= 0, 下:Y= −370)
Yoshida-Uemori モ デ ル を 用 い た ス プ リ ン グ バック の
シ ミュレ ー ション は 実 験 結 果 と 良 く 一 致 す る こ と が 確
認 で き た. そ し て, 提 案 し た ス プ リ ン グ バック の 要 因 分
3.2 金 型 へ の 見 込 み 手 法
FEM を用いて金型メッシュを変形する手法を提案す
析手法と金型への見込み手法により効果的にスプリン
グ バック 対 策 が 行 え る こ と が わ かった.
る. 変 形 条 件 に は 式 (1) を 初 期 応 力 と す る 解 析 で 得 ら
れ る 変 位 を 用 い る.
例 え ば, α, β, γ に −1 を 与 え れ ば ス プ リ ン グ フォワ ー
ド解析を用いた見込みになる. また, β に −1 を与え, 他
参考文献
1) た と え ば, K. Roll et al., NUMISHEET ’05, (2005),
295.
は 0 と す る こ と に よ り, ね じ れ 成 分 だ け を 見 込 む こ と
2) F. Yoshida et al., Int. J. Plasticity, 18(2002), 661.
も 可 能 で あ る.
3) Li Zhang et al., NUMISHEET ’05, (2005), 888.
Fig.6 にスプリングフォワード解析を用いた場合の金
平成20年度 第2回CAE技術検討会 資料
4) 麻 寧 緒 ほ か, 平 成 19 年 塑 加 春 講 論, (2007), 325.
3 / 16
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バウシンガー効果を考慮した延性破壊評価値の計算
機塑正 *小川 隆樹 (日本総研 Sol.)
塑正 麻 寧緒 (日本総研 Sol.)
塑正 梅津 康義 (日本総研 Sol.)
1. 緒 言
板 成 形 を は じ め と す る 塑 性 加 工 に お い て, 被 加 工 材
に 生 じ る 破 壊 の 殆 ど は 延 性 破 壊 で あ る. そ の 破 断 に い
たる主要過程は破面などの観察から微視的にはボイド
の 生 成 と 合 体 で あ る こ と が 報 告 さ れ て い る 1) . こ の 考
え に 基 づ い た 延 性 破 壊 条 件 式 が 多 く 考 案 さ れ て お り,
こ れ ま で に バ ル ク 材 で 多 く の 適 用 が 見 ら れ て い る. 最
近 で は, 板 材 に お け る そ の 有 効 性 が 示 さ れ て い る 2) .
本 報 告 で は, ま ず は じ め に , 有 限 要 素 法 計 算 に バ ウ
シンガー効果を考慮した移動硬化材料モデルである
Yoshida-Uemori モ デ ル (以 降, YU モ デ ル) と 延 性 破 壊
条件式を適用 3),4) する板材の成形限界評価方法を提示
始 ま る と 仮 定 6) し て い る. す な わ ち, 以 下 の 式 で あ る.
Z ε̄f
C=
σmax dε̄ = C1
(1)
0
ε̄ は 相 当 ひ ず み, ε̄f は 破 壊 の 生 じ る 相 当 ひ ず み で あ る.
式 (1) の C1 は 通 常, 幾つ か の 破 壊 試 験 か ら 決 定 す る.
試験は測定誤差が生じやすく有効な値を得にくい問題
が あ る. こ こ で 用 い る 式 (1) の 積 分 項 に は 材 料 定 数 を
含 ん で い な い. そ の た め, 厳 密 に C1 が 用 意 で き な く て
も評価値 C を相対的に評価することで破壊の評価が可
能 で あ る.
なお, 本条件式は, 今回用いた材料と同一規格の材料
で幾つかの式と比較し実測値と定性的にも定量的にも
する. 次に, 基本的な成形である張出し成形と円筒深絞
一 致 し て い る と 報 告 7) さ れ て い る.
り 成 形 で の 計 算 を 等 方 硬 化 モ デ ル (以 降, IH モ デ ル) と
3. 材 料
YU モ デ ル で 行 い, バ ウ シ ン ガ ー 効 果 に よ る 遷 移 軟 化,
永 久 軟 化 の 延 性 破 壊 評 価 値 に 及 ぼ す 影 響 を 確 認 す る.
最 後 に, 実 機 に 近 い T 字 成 形 に お い て 同 様 の 計 算 を 行
い, そ の 有 効 性 を 提 示 す る .
厚 さ t=1.2mm の 590MPa 級 の 高 張 力 鋼 板 JSC590Y
を 用 い る. Table 1 に 機 械 的 特 性 を 示 す. 同 一 規 格 の 材
料 に お け る 材 料 定 数 C1 が 640MPa と の 報 告 7) が あ る.
そ こ で, 評価 値 C=640MPa を 破 壊 判 定 の 目 安 と す る.
2. 計 算 方 法
Table 1 Material parameters.
降伏応力
引張強さ
ヤング率
n値
2.1 Yoshida-Uemori モ デ ル
大 ひ ず み 繰 返 し 塑 性 変 形 挙 動 を 記 述 す る 構 成 式 で,
330.0MPa
612.2MPa
206.3GPa
0.193
バウシンガー効果と硬化休止現象を表現することがで
き る. 理 論 の 枠 組 み は 限 界 曲 面 の 中 を 降 伏 曲 面 が 移 動
す る 二 面 モ デ ル で あ る 5) . 本 モ デ ル の 詳 細 は こ こ で は
省略する. Fig.1 は本計算で用いた材料の繰返し塑性変
4. 張 出 し 成 形
Fig.2 に 解 析 モ デ ル を 示 す. 面 外 の 異 方 性 を 考 慮 し,
1/4 対 称 モ デ ル を 用 い る.
Fig.2
Fig.1
Conditions of hemispherical punch forming.
Cyclic stress-strain responses.
形 下 に お け る 応 力 ひ ず み 曲 線 で あ る. YU モ デ ル が 実
験 結 果 と 良 く 一 致 し て い る こ と が わ か る.
2.2 延 性 破 壊 条 件 式
延 性 破 壊 条 件 式 の 多 く は ボ イ ド の 生 成 に 注 目 し, そ
の 生 成 · 合 体 を モ デ ル 化 し て 数 式 化 し て い る. こ こ で
は, Cockcroft and Latham により提案された延性破壊条
件式を用いる. 最大垂直応力 σmax の変形履歴に沿う積
分値が材料定数 C1 に達したとき, その物体点で破壊が
平成20年度 第2回CAE技術検討会 資料
Fig.3
Computed result for hemispherical punch form-
ing.
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15
Fig.3 は IH モ デ ル の 最 大 評 価 値 が 640MPa を 超 え た
パ ン チ ス ト ロ ー ク 24.4mm に お け る 評 価 値 の 分 布 図 で
ある. YU モデルにおける評価値の最大値が 607MPa に
対 し IH モ デ ル で は 640MPa で あ る. 材 料 モ デ ル に よ る
違 い は 35MPa 程 度 と 小 さ い. こ れ は, 材 料 に 働 く 応 力
は単調に働く引張り応力が殆どでバウシンガー効果の
影 響 は 少 な い と 考 え ら れ る.
5. 円 筒 深 絞 り 成 形
Fig.4 に 解 析 モ デ ル を 示 す. 面 外 の 異 方 性 を 考 慮 し,
Fig.6
1/4 対 称 モ デ ル を 用 い る.
Dimensions of tools.
Fig.7
Fig.4
Breakage position.
Conditions of flat punch drawing.
Fig.5 は IH モ デ ル の 最 大 評 価 値 が 640MPa を 超 え た
Fig.8
Forming Limit Diagram.
次 に, Fig.8 に 成 形 限 界 線 図 を 示 す. 図 中 の 曲 線 は 局
所くびれの発生条件
Fig.5
Computed result for flat punch drawing.
8)
(SR 曲 線) で あ る. SR 曲 線 を 超
えた点の中で円で囲んだ点が延性破壊評価値で破壊と
判定された要素である. SR 曲線は延性破壊評価値での
パンチストローク 13.53mm における評価値の分布図で
評 価 に 比 べ 幾 分 安 全 側 の 見 積 も り で あ る.
あ る. IH モ デ ル に お け る 最 大 値 が 642MPa に 対 し YU
7. 結 言
モ デ ル で は 412MPa で あ る. YU モ デ ル の 値 は 200MPa
YU モデル, 延性破壊条件式を用いた成形限界評価方
以上小さくなっており, 張出し成形と比較するとその差
法を提示した. そして, 変形履歴と材料モデルの延性破
異 は 顕 著 で あ る.
壊 評 価 値 に 及 ぼ す 影 響 を 確 認 し た.
材 料 の 多 く の 部 分 で ダ イ 肩 部 で の 引 張 り 曲 げ, 曲 げ
戻 し の 変 形 履 歴 を 辿 る. そ の 過 程 で YU モ デ ル で は IH
本取組みに際し京都大学宅田裕彦教授から多くの情
報 を 提 供 し て 戴 い た. こ こ に 感 謝 の 意 を 表 す .
モデルと比べ応力が小さくなる. すなわち, 主応力が小
さ く な る こ と で 評 価 値 が 小 さ く な る と 考 え ら れ る.
6. T 字 成 形
参考文献
1) McClintok, F. A., J. Appl. Mech. 35-2(1968), 363.
2) H. Takuda, et. al., J. Mat. Proc. Tech., 95(1999),
Fig.6 に 工 具, ブ ラ ン ク 寸 法 を 示 す. Fig.7 は 限 界 パ ン
チ ス ト ロ ー ク に お け る 実 験 結 果 7) (左) と YU モ デ ル で
の 計 算 結 果 (右) で あ る. 破 壊 判 定 箇 所 は 両 者 と も パ ン
チ 肩 部 で 一 致 す る. 限 界 パ ン チ ス ト ロ ー ク は 実 験 で は
17.8mm, YU モ デ ル の 計 算 で は 16.15mm で あ る. こ の
差異は計算に用いた材料が実験と完全に一致するもの
で は 無 い こ と に 起 因 す る も の と 考 え ら れ る.
3)
4)
5)
6)
116.
麻 寧 緒, et. al., 第 56 回 塑 加 連 講 論, (2005), 175.
麻 寧 緒, et. al., 平 16 塑 加 春 季 講 論, (2004), 321.
F. Yoshida, et. al., Int. J. Plasticity 18(2002), 661.
M. G. Cockcroft and D. J. Latham, J. Inst. Met.
Sci., 96 (1968), 33.
7) 宅 田 裕 彦, et. al., 鉄 と 鋼, 91(2005), 553.
8) S. Stören and J. R. Rice, J. Mech. Phys. Solids,
23(1975), 421.
平成20年度 第2回CAE技術検討会 資料
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3次元鍛造シミュレーションによる材料成形性と金型応力の評価
Evaluation of formability and tool stress by 3D forging simulation
塑正 *麻 寧緒,宮崎 美季 (
(株)日本総研ソリューションズ)
Ninshu Ma and Miki Miyazaki (JRI Solutions, ltd.)
見た外形図が Fig.2 になる.芯金型の直径が 30mm,ダ
1 はじめに
近年,機械加工および熱加工などの生産加工分野におい
イの内径は 55mm である.解析では,芯金型ずれや材料
てFEMシミュレーション予測技術が多く利用されてい
ずれおよび金型の変形が成形結果に及ぼす影響を調査す
る 1),2).特に塑性加工分野では,製品の工程設計や成形性
るため,Fig.2 に示す4ケースの解析条件(A:理想成形条
3).鍛造部品の加工シミ
件, B:材料の位置ずれ 0.5mm,C:芯金型の位置ずれ
の評価に不可欠になってきている
ュレーションについては、剛塑性または体積要素法のソフ
1.0mm,C:弾性金型)をそれぞれ用いた.
トウェアを用いて鍛造材料の割れ予測と金型磨耗予測を
φ30
行なった例が報告された 4),5).本稿では,動的陽解法 FEM
ソフトウェア LS-DYNA6)のリメッシュアルゴリズムを用
φ55
0.5
いて冷間鍛造加工の3次元解析を行った.本解析例では,
材料の成形性を評価するための延性破壊損傷値
7)を計算
し,さらに金型の寿命に影響を与える成形時の接触圧力お
(A) Ideal condition
よび金型の内部応力の予測解析も行った.
2
(B) Work eccentricity
冷間鍛造解析モデルと解析条件
解析対象は冷間鍛造ギアであり,3 次元解析モデルの概
略と要素分割(ダイと材料)を Fig.1 に示す.加工材の外
径,内径および厚さはそれぞれ 54.6mm,30mm, 18mm
1.0
である.解析では,Table 1 に示す材料物性値を用い,金
型と材料の摩擦係数を 0.1 と仮定した.
(C) Tool eccentricity
Cylinder
(D) Deformable tool
Fig.2 Simulation conditions
Die
3
Punch
理想鍛造条件Aのシミュレーション結果
冷間鍛造加工によるギヤ形状と相当塑性ひずみ分布を
Mat
Fig.3 に示す.解析結果によると,塑性ひずみの最大値が
200%を超えており,加工後の歯先と歯元に大きな変形が
発生した.
Fig.1 FEM model for gear forging
plastic strain
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Table1 Material properties for simulation
E(MPa)
K(MPa)
N
υ
206000
0.3
930
0.15
Swift equation
σ = Kε n
Y
成 形 性 を 評 価 す る た め に , 式 (1) と 式 ( 2 ) に 示 す
Cockcrfot-Latham 損傷積分値と Clift 損傷積分値をそれ
ぞれ計算できる LS-DYNA サブルーチンを開発し[7],延
性破壊の予測を試みた.なお,式(1)については,従来
最大主応力を用いて延性破壊損傷値を計算するかわり,著
者が,引張り最大主応力のみを用いるように修正した.
D1 = ∫ max(σ 1 , 0) ⋅ dε
D2 = ∫ σ ⋅ dε
p
p
(1)
(2)
Fig.1 の 3 次元ギア鍛造モデルに対して,加工方向から
平成20年度 第2回CAE技術検討会 資料
Fig.3 Equivalent plastic strain
Cockcroft 延性破壊損傷値 D1 と Clift 延性破壊損傷値
D2 の分布をそれぞれ Fig.4, Fig.5 に示す.Cockcroft 延性
破壊損傷値D1は,歯元で著しく大きい.一方,Clift 延
性破壊損傷値は,歯元と歯先の両方に大きい結果となって
いる.なお,割れ発生を予測するためには,材料の延性破
壊限界値を実験で測定する必要がある.
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している.金型寿命に影響を与える成形時の接触圧力と摩
擦せん断応力の分布を Fig.9 に示す.
Fig.4 Cockcroft damage value (MPa)
Clift
damage
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0.00
Fig.8 Max principle stress produced in die
Contact
pressure
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0.00
Fig.5 Clift damage value (MPa)
4 材料ずれ 0.5mm(B)のシミュレーション結果
材料が 0.5mm 程度にずれた条件(B)でシミュレーシ
Contact
shear stress
ョンによるギアの加工形状および Clift 延性損傷値の分布
を Fig.6 に示す.理想条件(A)での解析結果と比較して大
500
400
300
200
100
0.00
きな差は見られなかった.
0.5mm
Clift
damage
1600
1400
Fig.9 Contact pressure and shear stress
1200
1000
800
600
400
7
まとめ
1)
ギア冷間鍛造の3次元解析を行い,材料のずれや芯型
のずれが加工形状に及ぼす影響を調査した.
200
0.00
2)
Cockcrfot-Latham 損傷積分値と Clift 損傷積分値が
計算できるように LS-DYNA サブルーチンを開発し,
Fig.6 Computed Clift damage value (MPa)
5 芯型ずれ 1.0mm(C)のシミュレーション結果
延性損傷値による割れやすい箇所の予測を試みた.
3)
芯型が 1.0mm にずれた条件(C)で解析によるギアの
金型寿命に影響を与える成形時の接触圧力,摩擦応力
及び内部応力を計算し,応力集中箇所の予測を試みた.
加工形状と Clift 延性損傷値の分布を Fig.7 に示す.Fig.5
参考文献
に示す理想条件での解析結果と比較して,ギアの右上A部
1) 小阪田宏造ら: 分かりやすい鍛造加工,日刊工業新聞社
でバリが発生し,ギア左下B部で形状不良も生じてしまう.
2) 上田幸雄,村川英一,麻寧緒:技術者のための「溶接変形・
なお,延性損傷値に大きな変化は見られなかった.
残留応力」攻略マニュアル,産報出版
1.0mm
A
Clift
damage
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0.00
B
Fig.7 Computed Clift damage value (MPa)
6 変形金型(D)のシミュレーション結果
金型を弾性体として3次元鍛造解析で得られた最大主応
3)
麻寧緒,杉友宣彦:板成形の動的陽解法シミュレーション,
塑性と加工,47 巻 540 号,2006-1, p29-34
4) 藤原正尚ら:金属組織の異方性および応力場の影響を考慮可
能な延性破壊評価試験法の確立,第 58 回塑性加工連合講演会
(2007,10), p283-284
5) 宮脇和久ら:熱間鍛造における型寿命予測技術の開発,平成
19 年度塑性加工春季講演会 (2007,5), p133-134
6) LSTC: LS-DYNA User Manual, Sept., 2007
7) 麻寧緒,梅津康義:LS-DYNA ユーザサブルーチンによる延性破
壊条件式の取込みと計算例,平成 16 年度塑性加工春季講演会,
(2004,5)
,p321-322
力の分布を Fig.8 に示す.ダイの歯元に大きな応力が発生
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32
熊本大学 客員教授
ALD って 知ってますか?
2007・11・
メカトロニクスの品質工学とALD
ものづくり の
技術と戦略と戦術
1章 ALDの現状と課題
2章 CAE概論
3章 品質工学概論
4章 タグチメソッドによる
ロボット位置決め整定時間のシミュレーション
CAD:Computer Aided Design
ALD:Analysis Leads Design
CAE:Computer Aided Engineering
安川電機 住本 1.タコマ橋
世界の3大失敗
って、知ってます?
アメリカで1940年に建設された全長約1kmの吊り橋が、風速19m/sの風で大きく揺れ、
ついに崩壊してしまいました。 横風による橋桁の自励振動(ねじれ剛性不足で周期的外力により共振)、
風下側に発生する見えない渦(カルマン渦:下図)の影響によるものでした。 映像(mpg)が残っていることもあり、流体力学としての解析結果と共に、広く知られるようになりました。
明石大橋では、80m/sの風速にも耐える設計として活かされています
◆ 過去に作った全ての橋に対策(桁を箱構造に改造)
・・・米国政府は、リコール相当の対応を実施
◆ 世界に技術情報(原因と対策)を発信
・・・再発防止として、情報提供・共有を実施
リバティー船
第二次世界大戦当時、輸送船を多量に生産するため、それまでのリベット接合方式から
溶接による接合へ変更しました。 しかし、冷たい海を航行した船が次々と沈没しました。 それまで知られていなかった鉄の「低温脆性(ていおんぜいせい)」と、
溶接時に水素が入り込む「水素脆性」の2つの原因により接続部が、もろくなったためでした。
更に、貨物室が効率良く使えるように立方体形状の部屋にし、
構造体が四角いもの(コーナーの面取り/R加工の不採用)へと変更されたため「応力集中」で、
割れやすくなったことも影響しました。
この情報は、終戦後に鉄の大型構造物で起こりやすいトラブルとして世界中に情報発信され、
その後の大型構造物を作る技術の確立に大きな役割を果たしました
3.コメット機
世界で最初の定期運行ジェット旅客機は、イギリスにより開発されました。 しかし就航後2年ほど経過した旅客機が立て続けに墜落し、
当時のチャーチル首相が英国中央銀行の金庫が空っぽになるほどの資金を投入してでも原因を究明せよ
との英断を下し、大掛かりな調査が始まりました。
本物のジェット旅客機を巨大プールに沈め、水圧を利用した加速試験が実施されました。
遂にそれまで知られていなかった金属の「疲労破壊」が原因で、
「応力集中」した窓のコーナー部からクラックが発生、
飛行中にクラックが一気に拡大することで空中分解に至ったことを突き止めました。 この原因や技術内容もまた、(開発競争をしていたコンペチタも含め)一般公開され、
設計や保守・点検で適切な対策が打たれるようになりました。 従って、右図のようなハート型の窓を持つジェット機は、ポスターの世界でしか見ることが出来ません。 (但し、このような課題を知った上で新たな技術で克服すること(特許)は、
会社の競争力を高めることでもあり、チャレンジを止める理由にはなりません。)
33 1
なぜ設計プロセスが
重要か?
実際の製品
コスト
間接費
5%
5%
30%
時間・コスト・品質
への影響力
20%
人件費
15%
材料
70%
50%
設計
5%
最新のデジタル・インフラストラクチャを駆使した
自動化・統合化・最適化による設計プロセスの改革推進
34 2
GEの主力エンジンGE90 (ボーイングB777に搭載)
35 3
21世紀のものづくり技術
•
•
•
•
•
•
今なぜ またCAEなのか?
1980年代 CAE自体が研究テーマ
1990年代 新製品開発ダントツ性能
(品質工学)+(CAE)
地球に優しい 製品 企業
製品のライフサイクル
(CAE)+(PLM)
企業の倫理は、
(新製品・新技術開発)から地球環境・PL環
境
CAEのトライアングルフロー
実験
理論モデリング
システム同定
システム設計
システムモデル
・構造 ・材料
・機構(境界条件)
・3Dモデル
・FEMモデル
システム検証
効果の確認
• コストダウン
• 開発期間短縮
2000年代 品質・信頼性が企業の生命線
環境適合
システムモディファイ
最適モデル
最適設計
ロバスト設計
1988年 (共立出版 ISID監修)
CAE新製品開発
・設計支援コンピュータツール
・パラメータのL直交表シミュレ
ーションー>主因解析
・主因の感度解析による寄与率
・許容差設計
・外乱設計
シミュレーション
36 4
戦争論
(戦いは、正義か?)
戦争学的
プロジェクトマネジメント論
競争原理
A社
支配階層
技術 とは?
B社
ものづくり の
技術と戦略と戦術
(ISIDTS社より)
技能 とは?
NHK 功名が辻
戦国時代に勝ち抜く
“知恵” と “愛”
1.技術とは?
2.戦略 と 戦術
3.戦争学 と PM
ロンドン大学 スタンフォード大学には、戦争学部がある。
(講座には、国際法・戦略論・戦術論・兵器学)
実験的(現場)
常識
理論的(指揮・管理)
戦術(技)
TOOL(武器)
PM
ビジネスに勝ち抜く
“戦略” と “信念”
戦争学 松村 励(文藝春秋)
にみる 術 と 略
勝利を得るために、
さまざまな工夫を凝らし、
新技術を開発してきた。
合理
情報
戦略(企て)
・戦術なくして、戦略ナシ
=得意技がなければ、戦術はなく、戦術がなければ、戦略どころではない。
・技術とは、物事をたくみに行うわざ(広辞苑)
=得意技(固有技)による戦術と解することができる。
・技能とは、技術を有する個人の能力 技芸を行う腕前
(一種 芸術的な華麗な腕前の美しさがある)
37 1
戦国史にみる 戦術・戦略
川中島合戦(1564年)
武田信玄&上杉謙信
戦術(技)
TOOL(武器)
戦術戦・一騎打ち
川中島(信濃川) の戦い
-越後の上杉謙信 --甲斐の武田信玄 1553年から、1564年間 一騎打ちの 技術戦 史上最高の好敵手
川中島合戦
(1564年)
・上杉謙信(戦術士ー天才型タイプ)
=戦略を決めるのに、
誰にも相談しない。
毘沙門堂に行者のように 立てこもり思案
PM
・武田信玄 風林火山(古代中国の軍略家 孫氏の言葉)
(戦略士ー管理職タイプ)
=軍略・戦略を 常に武将の意見を聞いて決めた
検討結果は、兵隊に演習させた
戦略(企て)
情報
ものづくり の 技能・技術 (匠の技)
戦国史にみる 戦術・戦略
長篠合戦(1575年)
織田信長&武田勝頼
戦術(技)
TOOL(武器)
武器・戦略戦
3000挺・3段構え新戦法に
武田最強騎馬軍団は壊滅する
長篠合戦(1575年)
織田信長&武田勝頼
川中島合戦(1564年)
武田信玄&上杉謙信
PM
戦略(企て)
情報(経験則)
武田軍 1万4000 織田軍 3万8000
デジタルエンジニアリングのツール(武器)
戦国史にみる 戦術・戦略
戦術(技)
TOOL(武器)
川中島合戦(1564年)
武田信玄&上杉謙信
小田原合戦 一夜城攻囲
豊臣秀吉&北条氏政
天下統一(1590年)
石垣山(一夜城) と 小田原城
兵力30万の完全包囲 と 3万の籠城
長篠合戦(1575年)
織田信長&武田勝頼
PM
小田原合戦 一夜城攻囲
豊臣秀吉&北条氏政
天下統一(1590年)
情報(経験則)
戦略(企て)
一夜城(80日で竣工)にて、戦意喪失し開城
デジタルエンジニアリングの手法(戦略)
38 2
戦国史にみる 戦術・戦略
小次郎18歳?
宮本武蔵 と 佐々木小次郎 巌流島 の決闘(1612年)
武器 の戦略 と 戦術
戦術(技)
TOOL(武器)
江戸幕府の規制
刃渡り2尺3寸(約70cm)程度が定寸
小次郎の長刀(三尺余り90cm 重さは約3kg)
武蔵は、木刀 (100cm 約0.5kg)を武蔵は使った
長篠合戦(1575年)
織田信長&武田勝頼
川中島合戦(1564年)
武田信玄&上杉謙信
兵法の道二天一流
PM
両手で扱う刀剣の中では最も軽量な部類に入る。
小田原合戦 一夜城攻囲
豊臣秀吉&北条氏政
天下統一(1590年)
戦略(企て)
情報
鍛錬
数千層にも及ぶ均質で強靭な鋼
テレビ番組にみる 戦術・戦略
TOOL(武器)
武蔵は、あえて10cm長い木刀を武器に
戦術(技)の小次郎
戦術(技)
TOOL(武器)
小次郎は、真剣勝負を挑んだ
その時歴史が動いた
武器ー戦略
いづれも“技”は、天下一品
プロフェッショナル
技術ー戦術
PM
小次郎は、当然 武蔵は二刀と思っただろう ×
情報
戦略 の 武蔵
午前は西への流れ。
これは武蔵が巌流島に向かった方向に一致。
つまり武蔵は故意に遅刻したことになるのです。
武蔵は、海峡の潮流・地形を調べた
戦略(企て)
決闘の時刻をなんと2時間も遅れた ×
“小次郎 敗れたり の心理戦 ×
破壊力バツグンの櫂の刀に、攻撃と防御両方を兼ね備えた二刀流…
武蔵は勝つためには手段を選ばない合理主義者だった!
“ブレイクスルー思考“にみる 戦術・戦略
囲碁
定石理論ー戦略
24シーズン
情報ー戦略
戦略(企て)
情報
プロフェッショナル
戦術(技)
TOOL(武器)
継続変革の原則
システムの原則
ユニーク差の原則
脳科学者、茂木健一郎さ
システムの原則
PM
目的・適・情報収集の原則
・目的展開の原則
ゼネラルモーターズ(GM)、ポルシェと渡り歩き、世界の名だたる名車のデザインを手がけてきた奥山。
現在は、イタリアの名門デザインスタジオ、ピニンファリーナ社に籍を置いている。
世界中のメーカーから新車のデザインの依頼が殺到する「世界最高峰」のもの作りの現場だ。
参画・巻き込みの原則
情報
戦略(企て)
ポルシェの開発では100人のデザイナーを統率した
デザイン=機能 の 遊び(究極のバランス)
39 3
意思決定
情報戦略
本因坊秀策顕彰碑
(尾道市因島外浦町)
顕彰碑は碁盤型の台座に建っており、お参りすれば半目強くなるとの
3、4歳の時、碁石をやればすぐに泣き止み
20歳で第14世本因坊跡目
チームワーク
21歳で御城碁に初出仕しましたが、この時から13年間御城碁において19連勝で負けることがありませんでした
Agenda
「プロジェクトマネジメントとは?」
1. プロジェクトマネジメントとは?
2. IT開発におけるプロジェクトマネジメントのトレンド
3. IT開発プロジェクトの状況
4. 失敗プロジェクトの主要問題
輝かしい成功
5. 当社の状況と課題への取組み
1969/7 ニール・A・アームストロング機長の第一声
「ひとりの人間にとっては小さな一歩だが、
人類にとっては偉大な一歩である」
1. プロジェクトマネジメントと
は?
輝かしい失敗
当初目標:
月面での作業、無事帰還。
不測事態:
打ち上げ4日目に酸素タンクの爆発事故
を起こし、月着陸はおろか地球への生還も
危ぶまれる事態
目標変更:
死力を尽くして13号を地球に帰還させる
対策:
プロジェクトの目標を達成するために、資源をやりくりし、
・「納期までに!」
・「予算内で!」
・「目的と品質と手順を満たして!」
完成させること。
1970/4 アポロ13号が月に向けて打ち上げられた ...
アポロ13号に不測の事態が起こったとき、
必要な全てを計画し、実行し、成し遂げた。
(最悪のトラブルを絶望的な制約条件の中
で解決した。)
“ヒューストン・・・トラブル発生!”
学ぶこと:
最高の頭脳をもったNASA科学者達がとった行動は?
ある問題に直面したときの組織としての対
処の仕方、マネジメント
(アポロ計画に関わった人間の大多数が、最も誇りに思っているのは11号より13号である)
40 4
台風の発生と進路(2004年)
台風の進路を予
複数のデータから近似曲線を計算する。
近似曲線
プロジェクトマネジャの仕事
は?
プロジェクトマネジメントでは、「知識」、「スキル」、「ツール・技法」を用いて、
プロジェクトマネジメントでは、「知識」、「スキル」、「ツール・技法」を用いて、
・目標設定 (品質・納期・コスト・リソース)
・目標設定 (品質・納期・コスト・リソース)
y = f ( x) = a0 + a1 x + a2 x 2 + a3 x 3
KDK活動趣旨と役割
戦術(技)
TOOL(武器)
(4)実問題適用・解決法(萩原)
(7)FEM塾(萩原)
・目標分析 (実現の可能性などを検討)
・目標分析 (実現の可能性などを検討)
(5)サービス(葉山)
(6)パーッケジ型PLM(安藤)
・産学官の情報交換の場
・デジタルエンジニアリング技術の向上
・21世紀型ものづくり支援への活用 (http://k-d-k.hp.infoseek.co.jp/kdk.html)
・計画設定 (作業・組織・外注・予算・スケジュール・リスク)
・計画設定 (作業・組織・外注・予算・スケジュール・リスク)
・コントロール (作業・コスト・スケジュール・リソース・体制・士気)
・コントロール (作業・コスト・スケジュール・リソース・体制・士気)
・結果分析評価 (結果・報告・分析・効果・効率)
・結果分析評価 (結果・報告・分析・効果・効率)
を効率的にコントロールすることが重要である。
を効率的にコントロールすることが重要である。
知識 : プロジェクトマネジメント知識体系ガイド PMBOK (A Guide to the Project Management Body Of Knowledge)
スキル : 経験、ノウハウ
(3)南九州地区(南)
情報
(2)最適化設計(土村)
戦略(企て)
ツール・技法: EVM、CCPM、・・・・
41 5
内 容
CAE技術検討会 H21年3月13日
デジタルエンジニアリングの
基礎と展開
„
„
„
1.デジタルエンジニアリングの基礎
2.シミュレーションとは?
3.デジタルエンジニアリングの問題点1.
デジタルエンジニアリングの基礎
熊本大学大学院自然科学研究科
„
坂本 英俊
デジタルエンジニアリングのキーワード
情報化・仮想生産
情報化・仮想生産
デジタルエンジニアリングとは?
生産 : 生産知識 <--> 人
↑
仮想生産← 情報化
生産知識の情報化技術
1.CAD/CAMにおけるプロダクトモデ
リング・技術知識表現法
2.工場運用シミュレータによる生産資産の
表現法
3.種々の解析プログラム・エンジニアリン
グデータベース・データベースの統合
情報化の利点
生成 処理 変更 蓄積
運搬
伝承 再利用
4.オブジェクト指向方式による情報表現・
解放構成のシステム構成法
42 1
製品の一元管理
シミュレーションによる機能評価
コンピュータシミュレーションの分類
生産設計
人 間
人間
コンピュータ
自 然
コンピュータ
最適設計
経済設計
43 2
シミュレーションとは?
コンピュータ・シミュレーションで
何が分かるか?
本質的な特性
抽出(理想化)
物理モデル
機械現象
・力学的モデル
数式モデル
・材料力学
機械 設計
・熱力学
・流体力学
解析
開発 への適用
・機械力学
シミュレーションに必要な数学の知識
シミュレーションに必要な物理の知識
①微分・偏微分(2階まで)
①運動方程式
②積分.重積分:重積分は簡略化・
②運動エネルギー
グリーンの定理
③力の釣り合い
③ベクトル・テンソル演算
④ポテンシャルエネルギー
④行列演算
⑤テーラー展開
⑥フーリエ級数・空間
解析モデルの構築と解析結果の理解
解析モデルの構築と解析結果の理解
(構造解析)
(ポテンシャル場解析)
①線形解析
①線形解析
・・・材料線形・構造線形
・・・材料線形
②非線形解析
②非線形解析
・・・材料非線形・構造非線形
・・・材料非線形
③定常解析
③定常解析
・・・速度・加速度の項がない(時間に依存しない)
・・・速度・加速度の項がない(時間に依存しない)
④非定常解析
④非定常解析
44 3
解析結果と実験
モデル化
◆実験or解析 どちらが正しいか?
◆どこまで合えば正しいか?
◆解析は設計の補助or本質?
◆最適化は可能か?
◆解析結果を予見できたか?
①有限要素として定義する領域
②すべての部分をモデル化する必要があるか?
(解析に影響を与えない領域は無視)
③対称条件
④解析結果を予測してモデル化 解析結果と実験結果は必ずしも合う必要はない
検証・評価の流れ
物理・科学の
法則
理 論
設計・製造データのデジタル化の問題点
仮想試作
試作
仮想実験
実験・検証手法の研究
知識DB
数値シミュ
レーション
実 験
確認実験
数値モデル・近似
設計・製造データのデジタル化の問題点
(1)脆弱なCADデータの交換インフラ
・・・トランスレータの開発
(2)型設計や工程設計支援ソフトウェアの不足
実験モデル
CADの課題
3次元ソリッドCAD
[Pro-Engineer]:パラメトリック機能 PTC社 [CATIA]:航空業界標準 Dassault System
・・加工領域,加工順序,工具選択,工具の姿勢など
I-DEAS]:自動車大手 SDRC社 EDS社(GM)
(3)CAMソフトウェアの高速化
欠点
・・・加工の単なる監視 加工のコントロール
①設計初期に利用できない
(4)CAM処理技術のコンポーネント化
②「B-Spline」,
「NURBS]
①トリム処理が困難
・・・XML(Extensible Markup Language)
形状モデリング,工程設計用幾何学判定,工具経路算出,
を形状生成に利用
③データ量が多い
幾何処理プログラム(曲面,オフセット)ユニットなど
②フィレット処理が困難
45 4
CADインターフェースと対応要素.ソルバー
解析技術の課題
◆CADインターフェース
ーCATIA
1.解析時間
ーPARASOLID,IGES
並列計算 PCクラスタ処理
◆要素
2.解析精度
ーソリッド・・2次テトラ,6面体
モデル化,メッシュ形状,非線形問題
ーシェル・・3角形,4角形
3.解析技術者の育成
◆ソルバーとのインターフェース
解析結果の評価
ーANSYS,NASTRAN,MARC,COSMOS,LS_DYNA
モデリング評価技術
1.基礎力学(材力・熱・流体・電磁気)&数学と計算力学
2.Design by Rule Design by Analysis
3.計算のQuality
誤差評価/自動微分/感度解析
4.標準化
Softwarの検定
技術者の教育と検定
5.解析結果の評価技術
検証試験の標準化
46 5
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