1．有限要素解析（FEA）?では梁とソリッド要素をおさえる

要素の違いによる解析結果の比較から、相性の良い要素と3DCAD選定までを解説！

対象の構造に外力が加わると、どのように変形するのかを解析する有限要素解析（FEA）。有限要素解析を行う際のチェックポイントは、「対象の構造物に適した要素を選択すること」です。基本的な要素の違いの解説から、要素の違いによる梁部分の変位量の比較、計算時間の比較を行い、設計内容に合った要素選定と3DCADの選定を行います。

梁（ビーム）要素とソリッド要素の違いを理解しよう

3次元梁要素の節点の自由度は、並進方向3方向、回転方法3方向の自由度を持っています。どのような形状でも2節点で表現されるため、断面積や断面の向きなどは別途定義して入力しておきます。

それに対して、（3次元）ソリッド要素の節点の自由度は、並進3方向のみとなっています。3次元弾性体理論をそのまま適用できるため、理論的には最も簡単で扱いやすい利点があります。

要素節点（1次要素の場合）自由度入力項目
梁（ビーム）26（Tx、Ty、Tz Rx、Ry、Rz）断面積、断面2次モーメント、断面の向きなど
ソリッド4、6、83（Tx、Ty、Tz）なし

  • 梁（ビーム）要素

  • ソリッド要素

ユニットフレームを使って、構造解析をしてみましょう

では、例のユニットフレームを使って構造解析をしてみましょう。解析条件は次のように設定するとします。なお、モデリングと解析にはオートデスク製品を使用しています。

荷重条件自重（加速度荷重1G）
拘束条件上下方向部材
梁（ビーム）要素：ジョイント部を固定
ソリッド要素：部材下面を固定
材料物性縦弾性係数：206.7GPa
ポアソン比：0.27
密度：7.75g / cm3

CAD別に構造解析モデルの作りやすさを評価

3DCADモデルを構造解析モデルに変換する際のポイントをCAD別に評価しました。

  • 図1：△ Autodesk Inventorのフレーム解析機能を使用するには、3Dの座標情報よりフレームジェネレータ機能を用いたモデリングの必要あり。3Dの線モデル（フレームモデル）を利用してフレーム解析が可能となる

  • 図2：○ Autodesk Inventor Simulationでオートメッシュを用いたソリッド要素の解析モデリングが可能

  • 図3：○ Autodesk Revitで3D柱梁モデルを作成すると、解析線分が同時作成されるため、データ転送によりAutodesk Robot Structural Analysisにてフレーム解析用モデルが可能

  • 図4：× Autodesk Revitで作成した3Dモデルを用いても、Autodesk Inventorなどの製造系3DCADの3Dモデルを用いても、Autodesk Robot Structural Analysisのメッシュ作成機能を用いた解析モデルの作成は不可

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システム建築のユニットフレーム有限要素解析（解析結果、考察付き）

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主な内容

  • 解析結果比較
  • 考察 実際、建物全体で行うとどうなる？
  • 補足 RobotのモデルをRevitへ転送したところ…