構造解析業務の受託

解析機能

  • 静荷重解析:荷重が加わった時の構造物の変形や応力、ひずみを計算します。
  • 固有値解析:構造物の共振周波数(固有振動数)や共振時の変形形状を計算します。
  • 線形座屈解析:構造物の座屈荷重を計算することができます。長柱だけでなく板や複雑な形の構造物についても座屈荷重を求めることができます。
  • 周波数応答解析・ランダム応答解析・過渡応答解析:構造物に色々な波形の振動を加えた時に構造物がどれくらい揺れるか、あるいは壊れないかなどを計算することができます。
  • 定常熱伝導解析・過渡熱伝導解析:固体内部で熱がどのように伝わるかを計算します。
  • 非線形解析・接触解析:材料の非線形性を考慮したり、構造物が大きく変形する場合の計算も可能です。構造物同士の接触も模擬することができます。
材料ライブラリ
等方性/異方性材料・温度依存性材料・非線形弾性材料・弾塑性材料・粘弾性材料

 

ソフトウェア販売

宇宙開発をベースとする複合材設計の経験をもとに、複合材設計に欠かせない強度評価を支援するソフトウェアの開発・販売を行っております。
  • 静解析板要素強度評価ツール【SPSET】 Static Plate Strength Evaluation Tool
  • 動解析板要素強度評価ツール【DPSET】 Dynamic Plate Strength Evaluation Tool
本ソフトウェアは、汎用構造解析ソフトNASTRANの解析結果をもとに板要素の強度評価を行い、汎用プリ・ポストソフトウェアFemapでの結果表示をおこなうためのソフトウェアです。 炭素繊維強化プラスチック(CFRP)積層板の材料破壊やハニカムパネルのローカルなバックリングに対する強度も求めることができます。

 

構造解析の技術コンサルティング

軽量化設計や振動対策など、構造物の詳細検討が必要な時に構造解析を援用して設計を進める方法を提案します。
構造解析ソフトNASTRANを実際の課題に適用し、解析評価手法の選択から設計の適正化までを宇宙関連機器の開発経験豊富なエンジニアがサポートします。

 

構造解析の導入コンサルティング

構造解析の導入をご検討されるお客様に最適な解析システムを提案し、対象製品や設計・解析環境に合わせて導入から適用までをサポートします。
構造解析ソフトを使用するエンジニア育成のためのトレーニングも、ご要望に応じて実際の課題を取り込みながら実施します。

 

構造解析ツールのカスタマイズ支援

汎用プリ・ポストプロセッサFemapと、表計算ソフトやテキストファイルとのデータ受け渡しなど、カスタマイズによる解析処理の自動化を提案します。
お客様の測定データ等の処理を自動化するツールも開発いたします。

 

複合材料設計コンサルティング

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)は一般に軽量で強度、剛性が高いことから、軽量化が必要な場合などに使用されますが、異方性材料であることから設計に際しては繊維配向などに気をつける必要があります。また、望み通りの強度・剛性が得られるかどうかを確認するためにはCAEが必須です。宇宙用構造物の設計で培ったCFRP部材の設計・解析手法をもとに設計をサポートいたします。

 

測定・構造試験に関する技術コンサルティング

振動試験・静荷重試験などの構造試験技術とデータ評価技術の構築をサポートします。設計の妥当性を検証するだけでなく、構造解析と組み合せてデータを分析・評価して設計にフィードバックすることにより、製品の品質を高めることが可能です。
構造物の振動特性を実測することにより、解析モデルの検証を行うことができます。また、構造物の減衰係数を求め、解析モデルで振動応答を再現することができます。

試験評価項目
振動試験・静荷重試験における歪ゲージ・変位センサ・加速度センサ等のデータ解析

 

宇宙関連の技術コンサルティング
  • 人工衛星構造体設計および解析評価
  • 人工衛星搭載機器の機械環境評価および振動・衝撃緩和技術
  • 人工衛星および搭載機器の機械環境試験
  • 打上機インタフェース(打上げ環境、CLA、縮約モデルの作成)
  • 大型展開構造物(太陽電池パドル、展開アンテナ等)の展開技術
  • 有人機搭載のための構造安全性評価
 

構造解析事例

構造解析は基本的には材料力学や機械力学の複雑な計算をコンピュータを使ってより簡便に行うことに他なりません。したがって非常に広範囲に適用が可能ですが、一方で解析モデルの作成や解析手法を誤ると全く異なる結果が出てきてしまいます。このため出てきた結果を鵜呑みにせず、簡便な計算や経験的な値と比較しるなどして結果を評価することが重要です。

構造物(機械)の強度・変形計算

通常の材料力学の計算と同様に、構造物に荷重が加わった時に壊れるか壊れないか、あるいはどれくらい変形するかを計算することができます。例えば寸法精度が要求されているときに重力や荷重が加わっても要求を満足できるかどうかを予測することができます。
具体例としては、搬送用のアームなどは先端の変位が大きすぎると位置決め精度が悪くて物がつかめないので、変形量を少なくするように設計する必要がありますが、一方で動作速度やモータの駆動力などを考えると少しでも軽く作る必要があります。このような場合に使用する状態を想定し、パラメータを振って解析を行うことにより、より軽くて丈夫なものを設計することができます。同様な例としてハードディスクのヘッドを支えるアームもあります。
また、熱が荷重を与える場合もあります。物体の温度が変化すると熱変形が生じ、その変形量は材料固有の熱膨張係数によってきまります。例えばグラスに熱湯を注ぐとグラスの下部は熱せられて膨張しようとするのに上部は膨張しないため、破損する場合があります。このような問題についても解析を行なうことが可能です。

静荷重解析事例
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固有振動数解析、振動解析

物体は皆ある固有の振動というものを持っています。例えば木琴の音板は一つ一つの長さが違うために(固有)振動数が異なり、そのために異なる音色が発生します。一般に大きいあるいは重いほど振動数が低くなります。この”固有振動数”と同じ周波数で構造物を揺らすと共振と言って振れ方が非常に大きくなり、異音や振動が発生し、最悪の場合には構造物が破損します。例えば車に乗っていてあるスピードで振動や騒音が大きくなりそれより低い速度や速い速度ではあまり音や振動が大きくないことがありますが、これは車のどこかがその時のエンジンやタイヤの回転による振動と共振していることが原因です。
このため、機械によっては設計時に特定の固有振動数を避けることが必要になります。特に回転機械では回転数と共振周波数が一致すると振動が出やすいので注意が必要です。これについても固有振動数解析により、事前に固有振動数を推定することが可能です。
また、前出のロボットアームの例で動作をすばやくするためには急加速や急停止が必要になりますが、この時にも固有振動数が低いと振動が問題となる場合があります。この場合、振動解析(過渡応答解析)として急停止を模擬した解析を行い、どの程度アームの先端が揺れるか予測することも可能です。

正弦波振動応答解析事例
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構造解析に基づく設計支援

 

剛性向上設計、振動対策

固有振動数とは物体固有の振動であり、機械では共振を避けるために特に重要です。また、固有振動数を求めるのが固有振動数解析(もしくは固有値解析)であり、解析結果として固有振動数(固有値)とモード形状が出力されます。モード形状は振動する時の揺れ方(変形形状)を表すものであり、固有振動数とセットで評価します。
機械の設計時によく出てくる問題として固有振動数を上げるという要求があります。目的の大半は共振現象を避けることですが、結果的に強度の増加につながることが多いと考えられます。ただし固有振動数を上げるというのは限られた設計条件の中では難しいことが多いのです。
固有振動数は最も単純な1自由度のバネ・マス系で考えると下記の式になります。
tec05
 

 

 

この式は非常に単純ですが、設計を行う上では大変に有用です。この式を考えると固有振動数を上げるためにはMを小さくするか、Kを大きくするしかないことが分かります。では、順番に考えて行きましょう。

M:質量を小さくする
まず、固有振動数を上げる際に、簡単であるのに忘れやすい方法であるMすなわち質量を小さくすることを考えます。要は質量を軽くすれば固有振動数が上がるという単純な話です。例えば10kgで10Hzの固有振動数の部品があったとします。これを10%軽量化し、9kgにしたとすると、10Hz×√(10/9)=10.5Hzとなります。すなわち、固有振動数が5%向上することになります。ただし、ここで注意が必要なのは上記はあくまでバネの先端に質量がついているような全質量が固有振動数に影響する場合の話です。実際には質量は分布しており、物体の形状によって効果が変わってきます。例えば一部分だけが振動している場合にはその振動している部分だけを軽量化すれば上記のような効果が得られますが、一方構造物全体が揺れている場合には効果は少なくなります。このような時に固有振動数解析の結果として得られるモード形状はどこが揺れているかを把握するために重要な情報となります。
もうひとつの注意点として、軽くするということは断面積を小さくする、板厚を薄くするなど剛性を下げることにつながりかねません。言い換えると軽量化しても剛性(K)が低下して質量の低下分を相殺してしまっては元も子もありません。このような場合は、強度的な観点からも良くない方向となるため留意しておく必要があります。
さて、上記のような注意点はありますが、「軽量化」というのは使用する材料も減るし、それでなくとも多くの場合に機械は軽くすることが求められるため、固有振動数向上のための対策としては大変望ましい対策と考えられます。
K:剛性を上げる
次にK、つまり剛性を向上する方法について考えて行きます。こちらの方が具体的な方策としては多岐に渡り、実際の設計例としても前述の軽量化よりもはるかに多くあります。Kを上げる場合には更にいくつかのケースに場合分けを行うと考え易くなります。たとえば下記のようなものが考えられます。

材料の剛性を上げる
これは一番手軽にできる方法ですが、鉄系の材料(炭素鋼、SUS等)を使用している場合にはそれ以上の縦弾性係数を持つ材料が必要となり、難しくなります。アルミを使用している場合には鉄系の材料とするなどの選択肢が出てきますが、一方でアルミを鉄にすると密度が2.8倍となり、質量が大幅に増加することに注意が必要です。
なお、このような場合に炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を使用すると質量を減らしてなおかつ剛性を向上できる可能性があります。
部材の剛性を上げる
単純なケースとしては部材の断面積を増す、板厚を増すなどが考えられます。例えば片持ち梁の固有振動数は断面2次モーメントが関わります。したがって断面2次モーメントを増加させれば固有振動数も上がります。 また、平板の面外モードは平板にリブを追加することで向上させることができます。これは部分的に板厚を増加させるのと同じことです。
振動しているところを拘束する
最も単純な話としては片持ち梁は両持ち梁にするだけで固有振動数は飛躍的に上がります。ただ、実際の構造物には設計上の制約条件があり、そう簡単ではありません。ただし、モード形状をよく確認してどこが振れているかが分かれば、対策が可能なこともあります。対策の基本はモードを良く確認して腹になっている(モード変形が大きいところ)を拘束することです。逆にモードの節になっているところを拘束しても固有振動数の向上は期待できないので念のため。

 

ロバスト設計、パラメータスタディ

加工精度の上限値と下限値にパラメータを振って解析を実施し、目標性能を満足できるかを確認する、あるいは逆に目標性能に対してどこまで精度を緩められるかを検討するためにも解析を使用することができます。このようなアプローチでは品質工学や実験計画法と組み合わせてロバスト設計を追及するということも可能です。

 

複合材料設計

CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic : 炭素繊維強化プラスチック)とは
複合材料の一種で、炭素繊維 (長繊維)を一方向に並べたり織物にしたものを樹脂で固めたものであり、軽くて丈夫なため航空機をはじめスポーツ用品(釣竿やゴルフクラブ)などに多用されています。ただし、繊維の方向によって特性が大きく異なるため、望みの特性を得るためには構造物の形や荷重のかかり方を考慮して繊維の種類や向き(繊維配向)などの組合せを決定する必要があります。ここでは長繊維を前提として説明を進めますが、この他に短繊維があります。短繊維の場合には繊維がランダムに配向するため特性の方向依存が小さくなります。
成型前の材料
主として下記の3種類です。
tec06 CFRPの特徴
  • 繊維方向は強度・剛性が高い (鋼の数倍)
  • 繊維方向は線膨張係数が小さい (-2×10-6~+2×10-6/K)
    参考 鉄:12×10-6/K,アルミ:23×10-6/K
  • 密度が小さい (1.6~1.7g/cm3)
    参考 鉄:7.9g/cm3 アルミ:2.7g/cm3
  • 繊維と直交方向は樹脂の特性が支配的
  • 繊維に導電性がある
注意点
  • 繊維と直交方向は強度・剛性ともに弱い
  • せん断荷重が加わる場合には45度方向にも繊維を入れる
  • 製造性(成型時の割れやそり)に注意が必要
  • 等方化(どの方向でも強度・剛性が同じになるように繊維を配向)するとあまり重量メリットがない
  • 価格を考えると重量の制約がなければ鋼やアルミ合金の方が使いやすい
  • 複雑な形状は作り難い
  • 強度・剛性の評価が複雑(CAEが必須)
CFRPのメリット
以上のような特徴を生かすことにより、方向を限定すれば鋼を上回る高剛性を得ながら軽量化・低熱ひずみを実現できます。力のかかり方がある程度特定できるもの(ex.トラス部材)に使用する場合に効果を十分に発揮させられます。

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