構造解析装置及び構造解析方法
【課題】精度が高くかつ汎用性の高い破壊発生予測を可能とする。
【解決手段】構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析装置であって、各上記要素における破壊歪を当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶する破壊歪記憶手段４と、該破壊歪記憶手段４に記憶された上記破壊歪に基づいて各上記要素における破壊の判定を行う破壊判定手段６と、該破壊判定手段６の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各上記要素における変化を算出する算出手段８とを備える。
【解決手段】構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析装置であって、各上記要素における破壊歪を当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶する破壊歪記憶手段４と、該破壊歪記憶手段４に記憶された上記破壊歪に基づいて各上記要素における破壊の判定を行う破壊判定手段６と、該破壊判定手段６の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各上記要素における変化を算出する算出手段８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析装置及び構造解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ジェットエンジンのファンケース等では、ファンブレードが不測の事態により飛散した場合であっても、飛散片が突き抜けない設計が要求される。
鋼板に対する飛散片の突き抜けに対する予測式には、例えば、Ｓｔａｎｆｏｒｄ式やＢＲＬ式等の実験式がある。
一方で、既存の数値シミュレーションコードを有限要素法に適用し、破壊を含めた構造物の数値解析によって上記高速衝突問題における破壊発生予測を行う方法が提案されている。
【０００３】
なお、このような高速衝突問題における破壊発生予測は、ジェットエンジンの分野のみで行われるものではなく、高速で移動する物体が所定の構造物に衝突する可能性のある分野全般で行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−６１０８６号公報
【特許文献２】特開２００５−２８３１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の実験式を用いた破壊発生予測は、実験式の適用範囲が限られていることから、実際の設計条件において厳密な予測を行うが難しい。このため、実際の設計において実験式を用いた破壊発生予測を行う場合には、大きな安全率を設定する必要がある。つまり、実験式を用いた破壊発生予測では精度の高い破壊発生予測を行うことができない。したがって、構造物に対する安全対策が本来必要とされる条件に対して過剰になりやすい。
【０００６】
これに対して、有限要素法において既存の数値シミュレーションコードを適用して行う破壊発生予測は、精度の高い予測を行うことができる。
しかしながら、このような破壊発生予測は、実験式を用いた破壊発生予測と比較すれば適用範囲が広いものの、非特許文献１のように、所定の条件の下において取得された数値シミュレーションコードを用いる。このため、条件の変化により、構造物の複数の要素に分割した際の各要素の要素サイズや、各要素の応力三軸度が変化した場合に、正確な破壊発生予測を行える保証はない。このため、有限要素法において既存の数値シミュレーションコードを適用して行う破壊発生予測は、汎用性が低いという問題を有している。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、精度が高くかつ汎用性の高い破壊発生予測を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための手段として以下の構成を採用する。
【０００９】
第１の発明は、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析装置であって、各上記要素における破壊歪を当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶する破壊歪記憶手段と、該破壊歪記憶手段に記憶された上記破壊歪に基づいて各上記要素における破壊の判定を行う破壊判定手段と、該破壊判定手段の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各上記要素における変化を算出する算出手段とを備えるという構成を採用する。
【００１０】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記破壊歪記憶手段は、上記応力三軸度と上記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けて各上記要素における破壊歪を記憶するという構成を採用する。
【００１１】
第３の発明は、上記第１または２の発明において、各上記要素における応力と歪との関係を当該要素における歪速度に関連付けて記憶する応力歪関係記憶手段を備え、上記算出手段が、該応力歪関係記憶手段に記憶された上記応力と歪との関係に基づいて各上記要素における変化を算出するという構成を採用する。
【００１２】
第４の発明は、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析方法であって、各上記要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けられた破壊歪関連データを用いて各上記要素における破壊を判定し、破壊の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各上記要素における変化を算出するという構成を採用する。
【００１３】
第５の発明は、上記第４の発明において、上記破壊歪関連データにおいて各上記要素における破壊歪が、上記応力三軸度と上記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けられて記憶されているという構成を採用する。
【００１４】
第６の発明は、上記第４または第５の発明において、各上記要素における応力と歪との関係が当該要素における歪速度に関連付けられた応力歪関係データを用いて各上記要素における変化を算出するという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、いわゆる有限要素法を用いて構造物の数値解析を行うため、従来の実験式を用いた破壊発生予測と比較して、精度高く破壊発生予測を行うことが可能となる。
【００１６】
また、本発明によれば、各要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶され、この記憶された破壊歪に基づいて各要素における破壊の判定が行われる。すなわち、本発明によれば、要素の応力三軸度あるいは要素の要素サイズが変化した場合には、当該変化に応じて当該要素の破壊歪も変化する。
このため、本発明によれば、要素の応力三軸度及び要素の要素サイズが変化した場合であっても、当該変化に応じた適切な数値解析を行うことが可能となる。したがって、汎用性の高い破壊発生予測を行うことができる。
【００１７】
よって、本発明によれば、精度が高くかつ汎用性の高い破壊発生予測を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の構造解析装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図２】ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度０．００１／ｓとなるように引張試験を行った結果を示すグラフである。
【図３】ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度をパラメータとして変化させた場合における係数αと係数βの変化を示す試験結果である。
【図４】ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して行ったねじり試験を行った結果と、同様の試験片を用いた数値シミュレーション結果とを用いることによって得られる応力三軸度と破壊歪との関係を示すグラフである。
【図５】図４に示すグラフを取得するための試験片を示す斜視図である。
【図６】ねじり試験機から取得した回転角とトルクの関係と、上述の有限要素法を用いた数値シミュレーションから取得した回転角とトルクの関係とを示すグラフである。
【図７】数値シミュレーションから得られる回転角と相当塑性歪の関係及び最大トルク時ねじれ角を示すグラフである。
【図８】ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度が０．０００６／ｓ、０．００７／ｓ、０．０７／ｓ、０．６／ｓ、８．６／ｓ、８１／ｓ、２６６／ｓ、１０３７／ｓとなるように引張試験を行った結果を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態の構造解析方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態の構造解析方法における算出工程を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明に係る構造解析装置及び構造解析方法の一実施形態について説明する。
【００２０】
本実施形態の構造解析装置Ｓは、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた構造物の数値解析を行うものであり、パーソナルコンピュータやワークステーションによって具現化される。
図１は、本実施形態の構造解析装置Ｓの概略構成を示す機能ブロック図である。この図に示すように構造解析装置Ｓは、要素作成部１、材料データ記憶部２、計算条件記憶部３、破壊歪記憶部４（破壊歪記憶手段）、応力歪関係記憶部５（応力歪関係記憶手段）、破壊判定部６（破壊判定手段）、降伏判定部７（降伏判定手段）、算出部８（算出手段）、評価部９、操作入力部１０、及び出力部１１を備えている。
【００２１】
要素作成部１は、操作入力部１０からの指令に基づいて構造物を複数の要素に仮想的に分割するものである。
この要素作成部１は、例えば、数値解析において構造物の変化が大きいと推定される領域を小さな要素サイズの要素に分割し、変化が小さいと推定される領域を大きな要素サイズの要素に分割する。このように構造物の領域において要素サイズを変更することによって、数値解析の時間を短縮させると共に精度の高い予測を行うことが可能となる。なお、要素作成部１において、構造物を同じ大きさの要素サイズに均一に分割するようにしても良い。また、一度要素作成部１において作成された要素の要素サイズ及び要素形状は、操作入力部１０を介して任意に変更可能とされている。
そして、本実施形態の構造解析装置Ｓにおいて要素作成部１は、各要素の要素サイズを記憶している。
【００２２】
材料データ記憶部２は、数値解析を行うに当たり必要とされる上記構造物の材料データを記憶するものである。例えば、材料データ記憶部２は、構造物の密度、弾性変形領域における構造物の弾性定数（ヤング率）、塑性変形領域における構造物の弾性定数、及び降伏点を記憶している。そして、本実施形態の構造解析装置Ｓにおいては、破壊を含めた構造物の数値解析を可能とするために、材料データ記憶部２は、破壊後に用いる材料データも記憶している。
なお、これらの材料データは、例えば、操作入力部１０を介して材料データ記憶部２に入力される。
【００２３】
計算条件記憶部３は、数値解析を行うに当たり必要とされる計算条件を記憶するものである。例えば、計算条件記憶部３は、各要素における境界条件、構造物に作用する荷重条件、構造物が複数の部品からなる場合における部品同士の接触条件、構造物の初期状態を示す初期条件、及びその他の計算式や計算パラメータを記憶している。そして、本実施形態の構造解析装置Ｓにおいては、破壊を含めた構造物の数値解析を可能とするために、計算条件記憶部３は、破壊後に用いる計算条件も記憶している。
なお、これらの計算条件は、例えば、操作入力部１０を介して計算条件記憶部３に入力される。
【００２４】
破壊歪記憶部４は、各要素の破壊歪が、要素の応力三軸度（平均応力を相当応力で割った値）と要素の要素サイズと、要素における歪速度とに関連付けられた破壊歪関連データを記憶するものである。
なお、破壊歪関連データは、構造物を形成する材料に対する引張試験等により取得されるものであり、操作入力部１０を介して破壊歪記憶部４に入力される。
【００２５】
図２は、ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度０．００１／ｓとなるように引張試験を行った結果を示すグラフであり、横軸が要素サイズで縦軸が破断歪を示している。そして、この図から、要素サイズが大きくなるに連れて破壊歪が小さくなる、すなわち破壊歪が要素サイズに依存して変化することが分かる。
【００２６】
また、図２に示す実験結果から得られる近似直線は、下に示す近似式（１）によって表すことができる。なお、近似式（１）において、εｆが破壊歪を示し、Ｌが要素サイズを示し、α及びβが係数である。
εｆ＝αＬβ （１）
そして、図３は、要素サイズを一定とし、ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度をパラメータとして変化させた場合における係数αと係数βの変化を示す試験結果である。この図から、歪速度に依存して係数α及び係数βが変化することが分かる。すなわち、この図から、歪速度に依存して破壊歪が変化することが分かる。
【００２７】
図４は、試験片に対して行ったねじり試験を行った結果と、同様の試験片を用いた数値シミュレーション結果とを用いることによって得られる応力三軸度と破壊歪との関係を示すグラフであり、横軸が応力三軸度で縦軸が破壊歪を示している。そして、この図から、応力三軸度が小さくなるに連れて破壊歪が大きくなる、すなわち破壊歪が応力三軸度に依存して変化することが分かる。なお、図４に示すグラフは、図３と同様に、ＳＵＳ３０４からなる試験片を用いて取得した。
【００２８】
ここで、図４で示すグラフの取得方法について説明する。
例えば、まず「F. A. McClintock, A Criterion for Ductile Fracture by the Growth of Holes, Journal of Applied Mechanics, June 1968, pp.363-371」に記載されている理論解を用いてグラフを描く。ただし、当該理論解では、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪が極大に求められる傾向がある。このため、応力三軸が極めてゼロに近い領域における破壊歪をねじり試験と数値シミュレーションにより測定し、当該測定値を用いて上記理論解を用いて得られるグラフを補正することによって図４に示すグラフを得る。詳細には、図４に示す曲線部分を上記理論解を用いて取得し、図４に示す直線部分をねじり試験によって取得する。なお、実際には引張試験を行うことによって、上記理論解の妥当性を確認することが好ましい。
【００２９】
次に、上記ねじり試験と数値シミュレーションとによって、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪を求める方法について説明する。
まず、図５に示すように、両端が大径で中央が小径とされた円柱形状の試験片１００を用意する。この試験片１００において両端１００ａは、ねじり試験機が把持する箇所である。また、試験片１００の中央１００ｂが破断するまでねじられる測定箇所である。
なお、試験片１００の両端１００ａの径は、ねじり試験機の把持具の形態によって決められている。一方、試験片１００の中央１００ｂの径は、試験片１００の破壊が、ねじり試験機の負荷容量の半分程度で生じるように設定されている。
そして、このような試験片１００をねじり試験機によってねじり、最も大きな負荷が作用する試験片１００の表層に亀裂が生じた際のトルク及び回転角（最大トルク時ねじれ角）を取得する。また、同時に回転角とトルクの関係を取得する。
【００３０】
続いて、有限要素法を用いた数値シミュレーションによって、回転角とトルクの関係、及び回転角と相当塑性歪の関係を計算により求める。なお、本数値シミュレーションは、試験片１００の破壊を考慮せずに行う。また、本数値シミュレーションは、上述のねじり試験の前に行っても良い。
【００３１】
続いて、図６に示すように、上述のねじり試験機から取得した回転角とトルクの関係と、上述の有限要素法を用いた数値シミュレーションから取得した回転角とトルクの関係とを比較して、当該数値シミュレーションの妥当性を確認する。
ここで、数値シミュレーションから取得した結果がねじり試験機から取得した結果と大きく異なり、妥当性に欠ける場合には、妥当性が得られるまで数値シミュレーションにおける計算条件を変更する。
【００３２】
そして、数値シミュレーションから取得した結果の妥当性が得られた場合には、図７に示すように、当該数値シミュレーションから得られる上記回転角と相当塑性歪の関係から、上記最大トルク時ねじれ角における相当塑性歪を取得する。
なお、図７には、数値シミュレーションによって得られた回転角と応力三軸度の関係も示している。この図で示すように応力三軸度のスケールが表示目盛りの１０分の１であり、応力三軸度は、最大トルク時ねじれ角に到達するまでに０〜０．０１という極めてゼロに近い範囲で変化することが分かる。つまり、本数値シミュレーションによって得られる結果は、応力三軸度が極めてゼロに近い状態で得られるものである。
したがって、上述の最大トルク時ねじれ角における相当塑性歪は、応力三軸度が極めてゼロに近い状態における破壊歪を示す値である。
このようにして、ねじり試験と数値シミュレーションとによって、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪を求める。
【００３３】
なお、図６及び図７に示すように、ねじり試験機の測定誤差等を考慮して、複数の試験片１００を用いて複数の最大トルク時ねじれ角を取得することが好ましい。そして、破壊歪を求める際には、より安全を考慮して、例えば、複数の最大トルク時ねじれ角のうち、最も値が小さいものを採用する。
【００３４】
そして、上述の理論解を用いて得られるグラフを、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪を上限値として切欠くことによって、図４で示す、応力三軸度と破壊歪との関係を示すグラフの取得することができる。
【００３５】
図２〜図４に示した試験結果から分かるように、破壊歪は、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度に依存して変化する。
そして、破壊歪記憶部４には、上記応力三軸度、要素サイズ、歪速度をパラメータとして、破壊歪が記憶されている。
【００３６】
なお、実際に数値解析を行う場合には、構造物が多量の要素に分割され、さらに各要素における応力三軸度、要素サイズ及び歪速度が時々刻々と変化するため、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度を細かく設定した場合には、計算負荷及び記憶容量が膨大となる虞がある。このため、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度を、構造解析装置Ｓの解析能力に応じて、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度をある一定の範囲ごとにグルーピングするようにしても良い。例えば、構造解析装置Ｓの解析能力が低い場合には、例えば要素の要素サイズを大、中、小の３つにグルーピングしても良い。
【００３７】
図１に戻り、応力歪関係記憶部５は、要素における応力と歪との関係を示す曲線が、要素における歪速度に関連付けられた応力歪関係データを記憶するものである。
なお、応力歪関係データは、破壊歪関連データと同様に、構造物を形成する材料に対する引張試験等により取得されるものであり、操作入力部１０を介して応力歪関係記憶部５に入力される。
【００３８】
図８は、ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度が０．０００６／ｓ、０．００７／ｓ、０．０７／ｓ、０．６／ｓ、８．６／ｓ、８１／ｓ、２６６／ｓ、１０３７／ｓとなるように引張試験を行った結果を示すグラフであり、横軸が歪で縦軸が応力を示している。そして、この図から、歪速度が変化することによって応力と歪の関係を示す曲線が変化することが分かる。
そして、応力歪関係記憶部５は、歪速度をパラメータとして、応力と歪の関係を示す曲線を複数記憶している。
【００３９】
破壊判定部６は、破壊歪記憶部４に記憶された破壊歪関連データ（すなわち破壊歪）に基づいて当該要素を含む領域が破壊されたか否かを判定するものである。
この破壊判定部６は、算出部８から入力される要素の応力三軸度と、材料データ記憶部２に記憶された要素サイズとに基づいて、破壊歪関連データを参照して当該要素の破壊歪を算出し、算出部８から入力される要素における応力と算出した破壊歪とを比較して破壊の判定を行う。なお、破壊判定部６は、算出部８から入力される要素における応力が算出した破壊歪を上回る場合に、破壊されたと判定する。
【００４０】
降伏判定部７は、要素が降伏したか否かを判定するものである。
この降伏判定部７は、算出部８から入力される要素における応力が、構造物を形成する材料の降伏点を超えているか否かで要素が降伏したか否かを判定する。なお、降伏判定部７は、算出部８から入力される応力が降伏点を超えている場合に要素が降伏したと判定する。
【００４１】
なお、構造物の形成材料の降伏点が歪速度に依存して変化する場合には、降伏点が歪速度に関連付けられたデータを用意し、降伏判定部７が当該データを参照して降伏点を算出するようにしても良い。
【００４２】
算出部８は、材料データ記憶部２に記憶された材料データ、及び計算条件記憶部３に記憶された計算条件から、数値解析によって各要素の歪（変化）等を算出するものである。
そして、本実施形態の構造解析装置Ｓにおいて算出部８は、破壊判定部６の判定結果、及び降伏判定部７の判定結果によって異なる変化条件（材料データ及び計算条件）に基づいて各要素の歪等を算出する。
具体的には、算出部８は、降伏判定部７における判定結果が降伏していないとの判定である場合には、ヤング率及び密度等を用いて各要素の歪を算出する。また、算出部８は、算出した歪及び該歪から算出可能な歪速度に基づいて応力歪関係データを参照して各要素の応力を算出する。さらに算出部８は、算出した各要素の応力から各要素の応力三軸度を算出する。
【００４３】
そして、算出部８は、降伏判定部７における判定結果が降伏しているとの判定でかつ破壊判定部６の判定結果が破壊していないとの判定である場合には、塑性変形領域における弾性定数や密度等を用いて各要素の歪を算出する。また、算出部８は、破壊判定部６の判定結果が破壊されているとの判定である場合には、破壊後の材料データ及び破壊後の計算条件に基づいて各要素の変化を算出する。
【００４４】
評価部９は、算出部８において算出された各要素の変形量や移動量に基づいて、構造物の数値解析の結果を評価するものであり、数値解析の結果を評価するプログラムを記憶すると共に、当該プログラムを用いて算出された評価結果を出力するものである。
操作入力部１０は、本実施形態の構造解析装置Ｓと作業者とのマンマシンインターフェイスの機能の他、ネットワークや外部メディアから構造解析装置Ｓへのプログラムやパラメータの入力を行うものである。
出力部１１は、評価部９の評価結果や算出部８における算出結果等を出力するものである。
【００４５】
なお、本実施形態の構造解析装置Ｓは、上述のようにパーソナルコンピュータやワークステーションによって具現化されるものであり、より詳細には、ＣＰＵ等の演算装置、メモリ等の内部記憶装置、ハードディスクドライブ等の外部記憶装置、ディスプレイやプリンタ等の出力装置、マウスやキーボード等の入力装置等によって具現化される。
例えば、本実施形態の構造解析装置Ｓにおいて材料データ記憶部２、計算条件記憶部３、破壊歪記憶部４、及び応力歪関係記憶部５は、メモリ等の内部記憶装置あるいはハードディスクドライブ等の外部記憶装置によって具現化される。また、要素作成部１、破壊判定部６、降伏判定部７、算出部８、及び評価部９は、ＣＰＵ等の演算装置によって具現化される。また、操作入力部１０は、マウスやキーボード等の入力装置によって具現化される。また、出力部１１は、ディスプレイやプリンタ等の出力装置によって具現化される。
【００４６】
次に、このように構成された本実施形態の構造解析装置Ｓの動作（構造解析方法）について、図９及び図１０のフローチャートを参照して説明する。
【００４７】
本実施形態の構造解析装置Ｓにおいては、まず要素作成部１によって、数値解析の対象である構造物が複数の要素に仮想的に分割されることで要素作成が行われる（ステップＳ１）。
ここで、要素作成部１は、操作入力部１０を介して入力される指示に基づいて構造物を複数の要素に分割すると共に、各要素の要素サイズを記憶する。
【００４８】
続いて、操作入力部１０を介して入力される計算条件が計算条件記憶部３に記憶されることによって計算条件設定が行われる（ステップＳ２）。
ここで、各要素における境界条件、構造物に作用する荷重条件、構造物が複数の部品からなる場合における部品同士の接触条件、構造物の初期状態を示す初期条件、その他の計算式や計算パラメータ（例えば計算期間）、及び破壊後に用いる計算条件等が計算条件記憶部３に記憶される。
【００４９】
続いて、操作入力部１０を介して入力される材料データが材料データ記憶部２に記憶されることによって材料定義が行われる（ステップＳ３）。
ここで、構造物の密度や、弾性変形領域における弾性定数、塑性変形領域における弾性定数、及び破壊後に用いる材料データが材料データ記憶部２に記憶される。
【００５０】
続いて、操作入力部１０を介して入力される破壊歪関連データが破壊歪記憶部４に記憶されることによって破壊歪関連データ設定が行われる（ステップＳ４）。
さらに、操作入力部１０を介して入力される応力歪関係データが応力歪関係記憶部５に記憶されることによって応力歪関係データ設定が行われる（ステップＳ５）。
【００５１】
なお、上述のステップＳ１〜Ｓ５の順序は一例であって、ステップＳ１〜Ｓ５の順序は任意に入れ替え可能である。
【００５２】
続いて、破壊判定部６、降伏判定部７及び算出部８によってステップＳ１において作成された各要素における変化を算出する算出工程を行う（ステップＳ６）。
【００５３】
図１０は、本算出工程において１つの要素に対して行われる処理の流れを示すフローチャートである。
図１０に示すように、算出工程においては、まず算出部８が弾性変形範囲において要素の歪を算出する（ステップＳ６ａ）。具体的には、算出部８は、材料データ記憶部２に記憶されたヤング率及び密度等の材料データや、計算条件記憶部３に記憶された弾性変形範囲における境界条件、荷重条件、接触条件及び初期条件等の計算条件を用いて要素の歪を算出する。
【００５４】
続いて算出部８は、ステップＳ６ａで算出した歪から要素における応力を算出する（ステップＳ６ｂ）。ここで、算出部８は、まずステップＳ６ａで算出した歪の変化量から歪速度を算出する。そして、算出部８は、算出した歪速度に基づいて応力歪関係記憶部５に記憶された応力と歪との関係を示す曲線を決定し、当該曲線及びステップＳ６ａで算出した歪から要素における応力を算出する。
つまり、算出部８は、応力歪関係記憶部５に記憶された応力歪関係データと、ステップＳ６ａで算出した歪とに基づいて要素における応力を算出することによって要素の変化を算出する。
【００５５】
続いて、要素が降伏しているか否かの判定が降伏判定部７によって行われる（ステップＳ６ｃ）。具体的にはステップＳ６ｂで算出された応力が、材料データ記憶部２に記憶された降伏点を超えているか否かで要素が降伏したか否かを判定する。なお、降伏判定部７は、算出部８から入力される応力が降伏点を超えている場合に要素が降伏したと判定する。
【００５６】
そして、ステップＳ６ｃにおいて降伏判定部７によって要素が降伏していないと判定された場合には、算出部８は、計算期間が終了しているかの判定を行う（ステップＳ６ｄ）。この判定の結果、計算期間が終了していない場合には、算出部８によって時間が進められた上（ステップＳ６ｅ）で再度ステップＳ６ａが行われる。一方、判定の結果、計算期間が終了している場合には、算出工程が終了する。
【００５７】
一方、ステップＳ６ｃにおいて降伏判定部７によって要素が降伏していると判定された場合には、算出部８は、塑性変形範囲において要素の歪を算出する（ステップＳ６ｆ）。つまり、算出部８は、降伏判定部７の判定結果によって異なる計算条件（変化条件）に基づいて要素の歪を算出する。
具体的には、算出部８は、材料データ記憶部２に記憶された塑性変形範囲の弾性定数及び密度等の材料データや、計算条件記憶部３に記憶された塑性変形範囲における境界条件、荷重条件、接触条件等の計算条件を用いて要素の歪を算出する。
【００５８】
続いて算出部８は、ステップＳ６ｆで算出した歪から要素における応力を算出する（ステップＳ６ｇ）。ここで、算出部８は、まずステップＳ６ｆで算出した歪の変化量から歪速度を算出する。そして、算出部８は、算出した歪速度に基づいて応力歪関係記憶部５に記憶された応力と歪との関係を示す曲線を決定し、当該曲線及びステップＳ６ｆで算出した歪から要素における応力を算出する。
【００５９】
続いて、要素が破壊しているか否かの判定が破壊判定部６によって行われる（ステップＳ６ｈ）。ここでは、まず算出部８がステップＳ６ｂで算出した応力等から要素の応力三軸度を算出する。そして、破壊判定部６は、算出部８によって算出された応力三軸度及び歪速度と、要素作成部１に記憶された要素サイズとから要素の破壊歪を算出し、算出部８がステップＳ６ｇで算出した応力と算出した破壊歪とを比較することによって要素が破壊されたか否かを判定する。なお、破壊判定部６は、算出部８がステップＳ６ｇで算出した応力が破壊歪よりも大きい場合に要素が破壊されたと判定する。
【００６０】
そして、ステップＳ６ｈにおいて破壊判定部６によって要素が降伏していないと判定された場合には、算出部８は、計算期間が終了しているかの判定を行う（ステップＳ６ｉ）。この判定の結果、計算期間が終了していない場合には、算出部８によって時間が進められた上（ステップＳ６ｊ）で再度ステップＳ６ｆが行われる。一方、判定の結果、計算期間が終了している場合には、算出工程が終了する。
【００６１】
一方、ステップＳ６ｈにおいて破壊判定部６によって要素が破壊していると判定された場合には、算出部８は、計算条件記憶部３に記憶された破壊後の計算条件を用いた計算を行う（ステップＳ６ｋ）。そして、算出部８は、計算期間が終了しているかの判定（ステップＳ６ｌ）、時間を進める工程（ステップＳ６ｍ）及びステップＳ６ｋを計算期間が終了するまで繰り返し行う。
【００６２】
このようにして図９に示す算出工程（ステップＳ６）が終了すると、評価部９によって算出工程で得られた算出結果に対する評価が行われる（ステップＳ７）。
なお、ステップＳ６における算出結果及びステップＳ７における評価結果は、出力部１１において視認化される。つまり、出力部１１がディスプレイである場合には算出結果及び評価結果が表示され、出力部１１がプリンタである場合には算出結果及び評価結果が印刷される。
【００６３】
以上のような本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各要素における変化（歪変化、応力変化、状態変化等）を算出する。つまり、本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、いわゆる有限要素法を用いて構造物の数値解析を行う。このため、従来の実験式を用いた破壊発生予測と比較して、精度高く破壊発生予測を行うことが可能となる。
【００６４】
また、本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、各要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズと当該要素における歪速度に関連付けて記憶され、この記憶された破壊歪に基づいて各要素における破壊の判定が行われる。すなわち、本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、要素の応力三軸度、要素の要素サイズあるいは要素における歪速度が変化した場合には、当該変化に応じて当該要素の破壊歪も変化する。
このため、本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、要素の応力三軸度、要素の要素サイズあるいは要素における歪速度が変化した場合であっても、当該変化に応じた適切な数値解析を行うことが可能となる。したがって、汎用性の高い破壊発生予測を行うことができる。
【００６５】
よって、本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、精度が高くかつ汎用性の高い破壊発生予測を行うことが可能となる。
【００６６】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００６７】
例えば、上記実施形態においては、より汎用性を高めるために、破壊歪記憶部４に記憶される破壊歪関連データにおいて、破壊歪を要素の応力三軸度、要素の要素サイズ及び要素における歪速度の３つのパラメータに関連付けて記憶する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、破壊歪を上記３つのパラメータ全てに関連付けて記憶させなくとも、従来の実験式を用いた破壊発生予測と比較して汎用性を高めることができる。つまり、例えば、破壊歪を要素の応力三軸度と要素の要素サイズとに関連付けて記憶するようにしても良い。
【００６８】
また、上記実施形態においては、より汎用性を高めるために、要素における応力と歪との関係（応力と歪との関係曲線）を当該要素における歪速度に関連付けた応力歪関係データを応力歪関係記憶部５において記憶し、当該応力歪関係データに基づいて各要素における応力（変化）を算出し、さらに当該応力歪関係データを参照して算出した応力に基づいて要素の降伏を判定する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、必ずしも応力歪関係データに基づいて各要素における応力を算出する必要はない。
【符号の説明】
【００６９】
１……要素作成部、２……材料データ記憶部、３……計算条件記憶部、４……破壊歪記憶部（破壊歪記憶手段）、５……応力歪関係記憶部（応力歪関係記憶手段）、６……破壊判定部（破壊判定手段）、７……降伏判定部（降伏判定手段）、８……算出部（算出手段）、９……評価部、１０……操作入力部、１１……出力部、Ｓ……構造解析装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析装置及び構造解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ジェットエンジンのファンケース等では、ファンブレードが不測の事態により飛散した場合であっても、飛散片が突き抜けない設計が要求される。
鋼板に対する飛散片の突き抜けに対する予測式には、例えば、Ｓｔａｎｆｏｒｄ式やＢＲＬ式等の実験式がある。
一方で、既存の数値シミュレーションコードを有限要素法に適用し、破壊を含めた構造物の数値解析によって上記高速衝突問題における破壊発生予測を行う方法が提案されている。
【０００３】
なお、このような高速衝突問題における破壊発生予測は、ジェットエンジンの分野のみで行われるものではなく、高速で移動する物体が所定の構造物に衝突する可能性のある分野全般で行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−６１０８６号公報
【特許文献２】特開２００５−２８３１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の実験式を用いた破壊発生予測は、実験式の適用範囲が限られていることから、実際の設計条件において厳密な予測を行うが難しい。このため、実際の設計において実験式を用いた破壊発生予測を行う場合には、大きな安全率を設定する必要がある。つまり、実験式を用いた破壊発生予測では精度の高い破壊発生予測を行うことができない。したがって、構造物に対する安全対策が本来必要とされる条件に対して過剰になりやすい。
【０００６】
これに対して、有限要素法において既存の数値シミュレーションコードを適用して行う破壊発生予測は、精度の高い予測を行うことができる。
しかしながら、このような破壊発生予測は、実験式を用いた破壊発生予測と比較すれば適用範囲が広いものの、非特許文献１のように、所定の条件の下において取得された数値シミュレーションコードを用いる。このため、条件の変化により、構造物の複数の要素に分割した際の各要素の要素サイズや、各要素の応力三軸度が変化した場合に、正確な破壊発生予測を行える保証はない。このため、有限要素法において既存の数値シミュレーションコードを適用して行う破壊発生予測は、汎用性が低いという問題を有している。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、精度が高くかつ汎用性の高い破壊発生予測を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための手段として以下の構成を採用する。
【０００９】
第１の発明は、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析装置であって、各上記要素における破壊歪を当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶する破壊歪記憶手段と、該破壊歪記憶手段に記憶された上記破壊歪に基づいて各上記要素における破壊の判定を行う破壊判定手段と、該破壊判定手段の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各上記要素における変化を算出する算出手段とを備えるという構成を採用する。
【００１０】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記破壊歪記憶手段は、上記応力三軸度と上記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けて各上記要素における破壊歪を記憶するという構成を採用する。
【００１１】
第３の発明は、上記第１または２の発明において、各上記要素における応力と歪との関係を当該要素における歪速度に関連付けて記憶する応力歪関係記憶手段を備え、上記算出手段が、該応力歪関係記憶手段に記憶された上記応力と歪との関係に基づいて各上記要素における変化を算出するという構成を採用する。
【００１２】
第４の発明は、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各上記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた上記構造物の数値解析を行う構造解析方法であって、各上記要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けられた破壊歪関連データを用いて各上記要素における破壊を判定し、破壊の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各上記要素における変化を算出するという構成を採用する。
【００１３】
第５の発明は、上記第４の発明において、上記破壊歪関連データにおいて各上記要素における破壊歪が、上記応力三軸度と上記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けられて記憶されているという構成を採用する。
【００１４】
第６の発明は、上記第４または第５の発明において、各上記要素における応力と歪との関係が当該要素における歪速度に関連付けられた応力歪関係データを用いて各上記要素における変化を算出するという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、いわゆる有限要素法を用いて構造物の数値解析を行うため、従来の実験式を用いた破壊発生予測と比較して、精度高く破壊発生予測を行うことが可能となる。
【００１６】
また、本発明によれば、各要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶され、この記憶された破壊歪に基づいて各要素における破壊の判定が行われる。すなわち、本発明によれば、要素の応力三軸度あるいは要素の要素サイズが変化した場合には、当該変化に応じて当該要素の破壊歪も変化する。
このため、本発明によれば、要素の応力三軸度及び要素の要素サイズが変化した場合であっても、当該変化に応じた適切な数値解析を行うことが可能となる。したがって、汎用性の高い破壊発生予測を行うことができる。
【００１７】
よって、本発明によれば、精度が高くかつ汎用性の高い破壊発生予測を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の構造解析装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図２】ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度０．００１／ｓとなるように引張試験を行った結果を示すグラフである。
【図３】ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度をパラメータとして変化させた場合における係数αと係数βの変化を示す試験結果である。
【図４】ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して行ったねじり試験を行った結果と、同様の試験片を用いた数値シミュレーション結果とを用いることによって得られる応力三軸度と破壊歪との関係を示すグラフである。
【図５】図４に示すグラフを取得するための試験片を示す斜視図である。
【図６】ねじり試験機から取得した回転角とトルクの関係と、上述の有限要素法を用いた数値シミュレーションから取得した回転角とトルクの関係とを示すグラフである。
【図７】数値シミュレーションから得られる回転角と相当塑性歪の関係及び最大トルク時ねじれ角を示すグラフである。
【図８】ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度が０．０００６／ｓ、０．００７／ｓ、０．０７／ｓ、０．６／ｓ、８．６／ｓ、８１／ｓ、２６６／ｓ、１０３７／ｓとなるように引張試験を行った結果を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態の構造解析方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態の構造解析方法における算出工程を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明に係る構造解析装置及び構造解析方法の一実施形態について説明する。
【００２０】
本実施形態の構造解析装置Ｓは、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた構造物の数値解析を行うものであり、パーソナルコンピュータやワークステーションによって具現化される。
図１は、本実施形態の構造解析装置Ｓの概略構成を示す機能ブロック図である。この図に示すように構造解析装置Ｓは、要素作成部１、材料データ記憶部２、計算条件記憶部３、破壊歪記憶部４（破壊歪記憶手段）、応力歪関係記憶部５（応力歪関係記憶手段）、破壊判定部６（破壊判定手段）、降伏判定部７（降伏判定手段）、算出部８（算出手段）、評価部９、操作入力部１０、及び出力部１１を備えている。
【００２１】
要素作成部１は、操作入力部１０からの指令に基づいて構造物を複数の要素に仮想的に分割するものである。
この要素作成部１は、例えば、数値解析において構造物の変化が大きいと推定される領域を小さな要素サイズの要素に分割し、変化が小さいと推定される領域を大きな要素サイズの要素に分割する。このように構造物の領域において要素サイズを変更することによって、数値解析の時間を短縮させると共に精度の高い予測を行うことが可能となる。なお、要素作成部１において、構造物を同じ大きさの要素サイズに均一に分割するようにしても良い。また、一度要素作成部１において作成された要素の要素サイズ及び要素形状は、操作入力部１０を介して任意に変更可能とされている。
そして、本実施形態の構造解析装置Ｓにおいて要素作成部１は、各要素の要素サイズを記憶している。
【００２２】
材料データ記憶部２は、数値解析を行うに当たり必要とされる上記構造物の材料データを記憶するものである。例えば、材料データ記憶部２は、構造物の密度、弾性変形領域における構造物の弾性定数（ヤング率）、塑性変形領域における構造物の弾性定数、及び降伏点を記憶している。そして、本実施形態の構造解析装置Ｓにおいては、破壊を含めた構造物の数値解析を可能とするために、材料データ記憶部２は、破壊後に用いる材料データも記憶している。
なお、これらの材料データは、例えば、操作入力部１０を介して材料データ記憶部２に入力される。
【００２３】
計算条件記憶部３は、数値解析を行うに当たり必要とされる計算条件を記憶するものである。例えば、計算条件記憶部３は、各要素における境界条件、構造物に作用する荷重条件、構造物が複数の部品からなる場合における部品同士の接触条件、構造物の初期状態を示す初期条件、及びその他の計算式や計算パラメータを記憶している。そして、本実施形態の構造解析装置Ｓにおいては、破壊を含めた構造物の数値解析を可能とするために、計算条件記憶部３は、破壊後に用いる計算条件も記憶している。
なお、これらの計算条件は、例えば、操作入力部１０を介して計算条件記憶部３に入力される。
【００２４】
破壊歪記憶部４は、各要素の破壊歪が、要素の応力三軸度（平均応力を相当応力で割った値）と要素の要素サイズと、要素における歪速度とに関連付けられた破壊歪関連データを記憶するものである。
なお、破壊歪関連データは、構造物を形成する材料に対する引張試験等により取得されるものであり、操作入力部１０を介して破壊歪記憶部４に入力される。
【００２５】
図２は、ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度０．００１／ｓとなるように引張試験を行った結果を示すグラフであり、横軸が要素サイズで縦軸が破断歪を示している。そして、この図から、要素サイズが大きくなるに連れて破壊歪が小さくなる、すなわち破壊歪が要素サイズに依存して変化することが分かる。
【００２６】
また、図２に示す実験結果から得られる近似直線は、下に示す近似式（１）によって表すことができる。なお、近似式（１）において、εｆが破壊歪を示し、Ｌが要素サイズを示し、α及びβが係数である。
εｆ＝αＬβ （１）
そして、図３は、要素サイズを一定とし、ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度をパラメータとして変化させた場合における係数αと係数βの変化を示す試験結果である。この図から、歪速度に依存して係数α及び係数βが変化することが分かる。すなわち、この図から、歪速度に依存して破壊歪が変化することが分かる。
【００２７】
図４は、試験片に対して行ったねじり試験を行った結果と、同様の試験片を用いた数値シミュレーション結果とを用いることによって得られる応力三軸度と破壊歪との関係を示すグラフであり、横軸が応力三軸度で縦軸が破壊歪を示している。そして、この図から、応力三軸度が小さくなるに連れて破壊歪が大きくなる、すなわち破壊歪が応力三軸度に依存して変化することが分かる。なお、図４に示すグラフは、図３と同様に、ＳＵＳ３０４からなる試験片を用いて取得した。
【００２８】
ここで、図４で示すグラフの取得方法について説明する。
例えば、まず「F. A. McClintock, A Criterion for Ductile Fracture by the Growth of Holes, Journal of Applied Mechanics, June 1968, pp.363-371」に記載されている理論解を用いてグラフを描く。ただし、当該理論解では、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪が極大に求められる傾向がある。このため、応力三軸が極めてゼロに近い領域における破壊歪をねじり試験と数値シミュレーションにより測定し、当該測定値を用いて上記理論解を用いて得られるグラフを補正することによって図４に示すグラフを得る。詳細には、図４に示す曲線部分を上記理論解を用いて取得し、図４に示す直線部分をねじり試験によって取得する。なお、実際には引張試験を行うことによって、上記理論解の妥当性を確認することが好ましい。
【００２９】
次に、上記ねじり試験と数値シミュレーションとによって、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪を求める方法について説明する。
まず、図５に示すように、両端が大径で中央が小径とされた円柱形状の試験片１００を用意する。この試験片１００において両端１００ａは、ねじり試験機が把持する箇所である。また、試験片１００の中央１００ｂが破断するまでねじられる測定箇所である。
なお、試験片１００の両端１００ａの径は、ねじり試験機の把持具の形態によって決められている。一方、試験片１００の中央１００ｂの径は、試験片１００の破壊が、ねじり試験機の負荷容量の半分程度で生じるように設定されている。
そして、このような試験片１００をねじり試験機によってねじり、最も大きな負荷が作用する試験片１００の表層に亀裂が生じた際のトルク及び回転角（最大トルク時ねじれ角）を取得する。また、同時に回転角とトルクの関係を取得する。
【００３０】
続いて、有限要素法を用いた数値シミュレーションによって、回転角とトルクの関係、及び回転角と相当塑性歪の関係を計算により求める。なお、本数値シミュレーションは、試験片１００の破壊を考慮せずに行う。また、本数値シミュレーションは、上述のねじり試験の前に行っても良い。
【００３１】
続いて、図６に示すように、上述のねじり試験機から取得した回転角とトルクの関係と、上述の有限要素法を用いた数値シミュレーションから取得した回転角とトルクの関係とを比較して、当該数値シミュレーションの妥当性を確認する。
ここで、数値シミュレーションから取得した結果がねじり試験機から取得した結果と大きく異なり、妥当性に欠ける場合には、妥当性が得られるまで数値シミュレーションにおける計算条件を変更する。
【００３２】
そして、数値シミュレーションから取得した結果の妥当性が得られた場合には、図７に示すように、当該数値シミュレーションから得られる上記回転角と相当塑性歪の関係から、上記最大トルク時ねじれ角における相当塑性歪を取得する。
なお、図７には、数値シミュレーションによって得られた回転角と応力三軸度の関係も示している。この図で示すように応力三軸度のスケールが表示目盛りの１０分の１であり、応力三軸度は、最大トルク時ねじれ角に到達するまでに０〜０．０１という極めてゼロに近い範囲で変化することが分かる。つまり、本数値シミュレーションによって得られる結果は、応力三軸度が極めてゼロに近い状態で得られるものである。
したがって、上述の最大トルク時ねじれ角における相当塑性歪は、応力三軸度が極めてゼロに近い状態における破壊歪を示す値である。
このようにして、ねじり試験と数値シミュレーションとによって、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪を求める。
【００３３】
なお、図６及び図７に示すように、ねじり試験機の測定誤差等を考慮して、複数の試験片１００を用いて複数の最大トルク時ねじれ角を取得することが好ましい。そして、破壊歪を求める際には、より安全を考慮して、例えば、複数の最大トルク時ねじれ角のうち、最も値が小さいものを採用する。
【００３４】
そして、上述の理論解を用いて得られるグラフを、応力三軸度が極めてゼロに近い場合における破壊歪を上限値として切欠くことによって、図４で示す、応力三軸度と破壊歪との関係を示すグラフの取得することができる。
【００３５】
図２〜図４に示した試験結果から分かるように、破壊歪は、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度に依存して変化する。
そして、破壊歪記憶部４には、上記応力三軸度、要素サイズ、歪速度をパラメータとして、破壊歪が記憶されている。
【００３６】
なお、実際に数値解析を行う場合には、構造物が多量の要素に分割され、さらに各要素における応力三軸度、要素サイズ及び歪速度が時々刻々と変化するため、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度を細かく設定した場合には、計算負荷及び記憶容量が膨大となる虞がある。このため、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度を、構造解析装置Ｓの解析能力に応じて、要素の応力三軸度、要素の要素サイズ、要素における歪速度をある一定の範囲ごとにグルーピングするようにしても良い。例えば、構造解析装置Ｓの解析能力が低い場合には、例えば要素の要素サイズを大、中、小の３つにグルーピングしても良い。
【００３７】
図１に戻り、応力歪関係記憶部５は、要素における応力と歪との関係を示す曲線が、要素における歪速度に関連付けられた応力歪関係データを記憶するものである。
なお、応力歪関係データは、破壊歪関連データと同様に、構造物を形成する材料に対する引張試験等により取得されるものであり、操作入力部１０を介して応力歪関係記憶部５に入力される。
【００３８】
図８は、ＳＵＳ３０４からなる試験片に対して、歪速度が０．０００６／ｓ、０．００７／ｓ、０．０７／ｓ、０．６／ｓ、８．６／ｓ、８１／ｓ、２６６／ｓ、１０３７／ｓとなるように引張試験を行った結果を示すグラフであり、横軸が歪で縦軸が応力を示している。そして、この図から、歪速度が変化することによって応力と歪の関係を示す曲線が変化することが分かる。
そして、応力歪関係記憶部５は、歪速度をパラメータとして、応力と歪の関係を示す曲線を複数記憶している。
【００３９】
破壊判定部６は、破壊歪記憶部４に記憶された破壊歪関連データ（すなわち破壊歪）に基づいて当該要素を含む領域が破壊されたか否かを判定するものである。
この破壊判定部６は、算出部８から入力される要素の応力三軸度と、材料データ記憶部２に記憶された要素サイズとに基づいて、破壊歪関連データを参照して当該要素の破壊歪を算出し、算出部８から入力される要素における応力と算出した破壊歪とを比較して破壊の判定を行う。なお、破壊判定部６は、算出部８から入力される要素における応力が算出した破壊歪を上回る場合に、破壊されたと判定する。
【００４０】
降伏判定部７は、要素が降伏したか否かを判定するものである。
この降伏判定部７は、算出部８から入力される要素における応力が、構造物を形成する材料の降伏点を超えているか否かで要素が降伏したか否かを判定する。なお、降伏判定部７は、算出部８から入力される応力が降伏点を超えている場合に要素が降伏したと判定する。
【００４１】
なお、構造物の形成材料の降伏点が歪速度に依存して変化する場合には、降伏点が歪速度に関連付けられたデータを用意し、降伏判定部７が当該データを参照して降伏点を算出するようにしても良い。
【００４２】
算出部８は、材料データ記憶部２に記憶された材料データ、及び計算条件記憶部３に記憶された計算条件から、数値解析によって各要素の歪（変化）等を算出するものである。
そして、本実施形態の構造解析装置Ｓにおいて算出部８は、破壊判定部６の判定結果、及び降伏判定部７の判定結果によって異なる変化条件（材料データ及び計算条件）に基づいて各要素の歪等を算出する。
具体的には、算出部８は、降伏判定部７における判定結果が降伏していないとの判定である場合には、ヤング率及び密度等を用いて各要素の歪を算出する。また、算出部８は、算出した歪及び該歪から算出可能な歪速度に基づいて応力歪関係データを参照して各要素の応力を算出する。さらに算出部８は、算出した各要素の応力から各要素の応力三軸度を算出する。
【００４３】
そして、算出部８は、降伏判定部７における判定結果が降伏しているとの判定でかつ破壊判定部６の判定結果が破壊していないとの判定である場合には、塑性変形領域における弾性定数や密度等を用いて各要素の歪を算出する。また、算出部８は、破壊判定部６の判定結果が破壊されているとの判定である場合には、破壊後の材料データ及び破壊後の計算条件に基づいて各要素の変化を算出する。
【００４４】
評価部９は、算出部８において算出された各要素の変形量や移動量に基づいて、構造物の数値解析の結果を評価するものであり、数値解析の結果を評価するプログラムを記憶すると共に、当該プログラムを用いて算出された評価結果を出力するものである。
操作入力部１０は、本実施形態の構造解析装置Ｓと作業者とのマンマシンインターフェイスの機能の他、ネットワークや外部メディアから構造解析装置Ｓへのプログラムやパラメータの入力を行うものである。
出力部１１は、評価部９の評価結果や算出部８における算出結果等を出力するものである。
【００４５】
なお、本実施形態の構造解析装置Ｓは、上述のようにパーソナルコンピュータやワークステーションによって具現化されるものであり、より詳細には、ＣＰＵ等の演算装置、メモリ等の内部記憶装置、ハードディスクドライブ等の外部記憶装置、ディスプレイやプリンタ等の出力装置、マウスやキーボード等の入力装置等によって具現化される。
例えば、本実施形態の構造解析装置Ｓにおいて材料データ記憶部２、計算条件記憶部３、破壊歪記憶部４、及び応力歪関係記憶部５は、メモリ等の内部記憶装置あるいはハードディスクドライブ等の外部記憶装置によって具現化される。また、要素作成部１、破壊判定部６、降伏判定部７、算出部８、及び評価部９は、ＣＰＵ等の演算装置によって具現化される。また、操作入力部１０は、マウスやキーボード等の入力装置によって具現化される。また、出力部１１は、ディスプレイやプリンタ等の出力装置によって具現化される。
【００４６】
次に、このように構成された本実施形態の構造解析装置Ｓの動作（構造解析方法）について、図９及び図１０のフローチャートを参照して説明する。
【００４７】
本実施形態の構造解析装置Ｓにおいては、まず要素作成部１によって、数値解析の対象である構造物が複数の要素に仮想的に分割されることで要素作成が行われる（ステップＳ１）。
ここで、要素作成部１は、操作入力部１０を介して入力される指示に基づいて構造物を複数の要素に分割すると共に、各要素の要素サイズを記憶する。
【００４８】
続いて、操作入力部１０を介して入力される計算条件が計算条件記憶部３に記憶されることによって計算条件設定が行われる（ステップＳ２）。
ここで、各要素における境界条件、構造物に作用する荷重条件、構造物が複数の部品からなる場合における部品同士の接触条件、構造物の初期状態を示す初期条件、その他の計算式や計算パラメータ（例えば計算期間）、及び破壊後に用いる計算条件等が計算条件記憶部３に記憶される。
【００４９】
続いて、操作入力部１０を介して入力される材料データが材料データ記憶部２に記憶されることによって材料定義が行われる（ステップＳ３）。
ここで、構造物の密度や、弾性変形領域における弾性定数、塑性変形領域における弾性定数、及び破壊後に用いる材料データが材料データ記憶部２に記憶される。
【００５０】
続いて、操作入力部１０を介して入力される破壊歪関連データが破壊歪記憶部４に記憶されることによって破壊歪関連データ設定が行われる（ステップＳ４）。
さらに、操作入力部１０を介して入力される応力歪関係データが応力歪関係記憶部５に記憶されることによって応力歪関係データ設定が行われる（ステップＳ５）。
【００５１】
なお、上述のステップＳ１〜Ｓ５の順序は一例であって、ステップＳ１〜Ｓ５の順序は任意に入れ替え可能である。
【００５２】
続いて、破壊判定部６、降伏判定部７及び算出部８によってステップＳ１において作成された各要素における変化を算出する算出工程を行う（ステップＳ６）。
【００５３】
図１０は、本算出工程において１つの要素に対して行われる処理の流れを示すフローチャートである。
図１０に示すように、算出工程においては、まず算出部８が弾性変形範囲において要素の歪を算出する（ステップＳ６ａ）。具体的には、算出部８は、材料データ記憶部２に記憶されたヤング率及び密度等の材料データや、計算条件記憶部３に記憶された弾性変形範囲における境界条件、荷重条件、接触条件及び初期条件等の計算条件を用いて要素の歪を算出する。
【００５４】
続いて算出部８は、ステップＳ６ａで算出した歪から要素における応力を算出する（ステップＳ６ｂ）。ここで、算出部８は、まずステップＳ６ａで算出した歪の変化量から歪速度を算出する。そして、算出部８は、算出した歪速度に基づいて応力歪関係記憶部５に記憶された応力と歪との関係を示す曲線を決定し、当該曲線及びステップＳ６ａで算出した歪から要素における応力を算出する。
つまり、算出部８は、応力歪関係記憶部５に記憶された応力歪関係データと、ステップＳ６ａで算出した歪とに基づいて要素における応力を算出することによって要素の変化を算出する。
【００５５】
続いて、要素が降伏しているか否かの判定が降伏判定部７によって行われる（ステップＳ６ｃ）。具体的にはステップＳ６ｂで算出された応力が、材料データ記憶部２に記憶された降伏点を超えているか否かで要素が降伏したか否かを判定する。なお、降伏判定部７は、算出部８から入力される応力が降伏点を超えている場合に要素が降伏したと判定する。
【００５６】
そして、ステップＳ６ｃにおいて降伏判定部７によって要素が降伏していないと判定された場合には、算出部８は、計算期間が終了しているかの判定を行う（ステップＳ６ｄ）。この判定の結果、計算期間が終了していない場合には、算出部８によって時間が進められた上（ステップＳ６ｅ）で再度ステップＳ６ａが行われる。一方、判定の結果、計算期間が終了している場合には、算出工程が終了する。
【００５７】
一方、ステップＳ６ｃにおいて降伏判定部７によって要素が降伏していると判定された場合には、算出部８は、塑性変形範囲において要素の歪を算出する（ステップＳ６ｆ）。つまり、算出部８は、降伏判定部７の判定結果によって異なる計算条件（変化条件）に基づいて要素の歪を算出する。
具体的には、算出部８は、材料データ記憶部２に記憶された塑性変形範囲の弾性定数及び密度等の材料データや、計算条件記憶部３に記憶された塑性変形範囲における境界条件、荷重条件、接触条件等の計算条件を用いて要素の歪を算出する。
【００５８】
続いて算出部８は、ステップＳ６ｆで算出した歪から要素における応力を算出する（ステップＳ６ｇ）。ここで、算出部８は、まずステップＳ６ｆで算出した歪の変化量から歪速度を算出する。そして、算出部８は、算出した歪速度に基づいて応力歪関係記憶部５に記憶された応力と歪との関係を示す曲線を決定し、当該曲線及びステップＳ６ｆで算出した歪から要素における応力を算出する。
【００５９】
続いて、要素が破壊しているか否かの判定が破壊判定部６によって行われる（ステップＳ６ｈ）。ここでは、まず算出部８がステップＳ６ｂで算出した応力等から要素の応力三軸度を算出する。そして、破壊判定部６は、算出部８によって算出された応力三軸度及び歪速度と、要素作成部１に記憶された要素サイズとから要素の破壊歪を算出し、算出部８がステップＳ６ｇで算出した応力と算出した破壊歪とを比較することによって要素が破壊されたか否かを判定する。なお、破壊判定部６は、算出部８がステップＳ６ｇで算出した応力が破壊歪よりも大きい場合に要素が破壊されたと判定する。
【００６０】
そして、ステップＳ６ｈにおいて破壊判定部６によって要素が降伏していないと判定された場合には、算出部８は、計算期間が終了しているかの判定を行う（ステップＳ６ｉ）。この判定の結果、計算期間が終了していない場合には、算出部８によって時間が進められた上（ステップＳ６ｊ）で再度ステップＳ６ｆが行われる。一方、判定の結果、計算期間が終了している場合には、算出工程が終了する。
【００６１】
一方、ステップＳ６ｈにおいて破壊判定部６によって要素が破壊していると判定された場合には、算出部８は、計算条件記憶部３に記憶された破壊後の計算条件を用いた計算を行う（ステップＳ６ｋ）。そして、算出部８は、計算期間が終了しているかの判定（ステップＳ６ｌ）、時間を進める工程（ステップＳ６ｍ）及びステップＳ６ｋを計算期間が終了するまで繰り返し行う。
【００６２】
このようにして図９に示す算出工程（ステップＳ６）が終了すると、評価部９によって算出工程で得られた算出結果に対する評価が行われる（ステップＳ７）。
なお、ステップＳ６における算出結果及びステップＳ７における評価結果は、出力部１１において視認化される。つまり、出力部１１がディスプレイである場合には算出結果及び評価結果が表示され、出力部１１がプリンタである場合には算出結果及び評価結果が印刷される。
【００６３】
以上のような本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各要素における変化（歪変化、応力変化、状態変化等）を算出する。つまり、本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、いわゆる有限要素法を用いて構造物の数値解析を行う。このため、従来の実験式を用いた破壊発生予測と比較して、精度高く破壊発生予測を行うことが可能となる。
【００６４】
また、本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、各要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズと当該要素における歪速度に関連付けて記憶され、この記憶された破壊歪に基づいて各要素における破壊の判定が行われる。すなわち、本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、要素の応力三軸度、要素の要素サイズあるいは要素における歪速度が変化した場合には、当該変化に応じて当該要素の破壊歪も変化する。
このため、本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、要素の応力三軸度、要素の要素サイズあるいは要素における歪速度が変化した場合であっても、当該変化に応じた適切な数値解析を行うことが可能となる。したがって、汎用性の高い破壊発生予測を行うことができる。
【００６５】
よって、本実施形態の構造解析装置Ｓ及び構造解析方法によれば、精度が高くかつ汎用性の高い破壊発生予測を行うことが可能となる。
【００６６】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００６７】
例えば、上記実施形態においては、より汎用性を高めるために、破壊歪記憶部４に記憶される破壊歪関連データにおいて、破壊歪を要素の応力三軸度、要素の要素サイズ及び要素における歪速度の３つのパラメータに関連付けて記憶する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、破壊歪を上記３つのパラメータ全てに関連付けて記憶させなくとも、従来の実験式を用いた破壊発生予測と比較して汎用性を高めることができる。つまり、例えば、破壊歪を要素の応力三軸度と要素の要素サイズとに関連付けて記憶するようにしても良い。
【００６８】
また、上記実施形態においては、より汎用性を高めるために、要素における応力と歪との関係（応力と歪との関係曲線）を当該要素における歪速度に関連付けた応力歪関係データを応力歪関係記憶部５において記憶し、当該応力歪関係データに基づいて各要素における応力（変化）を算出し、さらに当該応力歪関係データを参照して算出した応力に基づいて要素の降伏を判定する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、必ずしも応力歪関係データに基づいて各要素における応力を算出する必要はない。
【符号の説明】
【００６９】
１……要素作成部、２……材料データ記憶部、３……計算条件記憶部、４……破壊歪記憶部（破壊歪記憶手段）、５……応力歪関係記憶部（応力歪関係記憶手段）、６……破壊判定部（破壊判定手段）、７……降伏判定部（降伏判定手段）、８……算出部（算出手段）、９……評価部、１０……操作入力部、１１……出力部、Ｓ……構造解析装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各前記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた前記構造物の数値解析を行う構造解析装置であって、
各前記要素における破壊歪を当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶する破壊歪記憶手段と、
該破壊歪記憶手段に記憶された前記破壊歪に基づいて各前記要素における破壊の判定を行う破壊判定手段と、
該破壊判定手段の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各前記要素における変化を算出する算出手段と
を備えることを特徴とする構造解析装置。
【請求項２】
前記破壊歪記憶手段は、前記応力三軸度と前記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けて各前記要素における破壊歪を記憶することを特徴とする請求項１記載の構造解析装置。
【請求項３】
各前記要素における応力と歪との関係を当該要素における歪速度に関連付けて記憶する応力歪関係記憶手段を備え、
前記算出手段は、該応力歪関係記憶手段に記憶された前記応力と歪との関係に基づいて各前記要素における変化を算出する
ことを特徴とする請求項１または２記載の構造解析装置。
【請求項４】
構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各前記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた前記構造物の数値解析を行う構造解析方法であって、
各前記要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けられた破壊歪関連データを用いて各前記要素における破壊を判定し、
破壊の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各前記要素における変化を算出する
ことを特徴とする構造解析方法。
【請求項５】
前記破壊歪関連データにおいて各前記要素における破壊歪が、前記応力三軸度と前記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けられて記憶されていることを特徴とする請求項４記載の構造解析方法。
【請求項６】
各前記要素における応力と歪との関係が当該要素における歪速度に関連付けられた応力歪関係データを用いて各前記要素における変化を算出することを特徴とする請求項４または５記載の構造解析方法。
【請求項１】
構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各前記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた前記構造物の数値解析を行う構造解析装置であって、
各前記要素における破壊歪を当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けて記憶する破壊歪記憶手段と、
該破壊歪記憶手段に記憶された前記破壊歪に基づいて各前記要素における破壊の判定を行う破壊判定手段と、
該破壊判定手段の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各前記要素における変化を算出する算出手段と
を備えることを特徴とする構造解析装置。
【請求項２】
前記破壊歪記憶手段は、前記応力三軸度と前記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けて各前記要素における破壊歪を記憶することを特徴とする請求項１記載の構造解析装置。
【請求項３】
各前記要素における応力と歪との関係を当該要素における歪速度に関連付けて記憶する応力歪関係記憶手段を備え、
前記算出手段は、該応力歪関係記憶手段に記憶された前記応力と歪との関係に基づいて各前記要素における変化を算出する
ことを特徴とする請求項１または２記載の構造解析装置。
【請求項４】
構造物を複数の要素に仮想的に分割すると共に各前記要素における変化を算出する有限要素法を用いて、破壊を含めた前記構造物の数値解析を行う構造解析方法であって、
各前記要素における破壊歪が当該要素の応力三軸度と当該要素の要素サイズとに関連付けられた破壊歪関連データを用いて各前記要素における破壊を判定し、
破壊の判定結果によって異なる変化条件に基づいて各前記要素における変化を算出する
ことを特徴とする構造解析方法。
【請求項５】
前記破壊歪関連データにおいて各前記要素における破壊歪が、前記応力三軸度と前記要素サイズとに加えて歪速度に関連付けられて記憶されていることを特徴とする請求項４記載の構造解析方法。
【請求項６】
各前記要素における応力と歪との関係が当該要素における歪速度に関連付けられた応力歪関係データを用いて各前記要素における変化を算出することを特徴とする請求項４または５記載の構造解析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２３０６４４（Ｐ２０１０−２３０６４４Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１０２６６（Ｐ２００９−２１０２６６）
【出願日】平成２１年９月１１日（２００９．９．１１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１１日（２００９．９．１１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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