座屈解析とは？

1．座屈解析とは？

座屈解析は、CAE解析のメニューの１つです。「座屈」とは、圧縮荷重を受け続けた構造物が、ある時点で軸外方向へ曲がる(たわむ)現象を指します。座屈解析を実施することで、荷重を受けても構造物が歪まないようにすることが可能かどうか検討できます。また、材料の極限強度^※1を下回る荷重を受けた場合に、構造物の部材が突然破壊したりしないような、最適な構造を考えることも可能になります。
※1 極限強度：構造物や部材が破壊することなく耐えられる(単位断面積あたりの)最大負荷

座屈解析は、建造物、橋梁、航空宇宙構造物、その他の設計されたシステムの構造的な整合性、安全性、そして効率性を確保するために用いられており、その役割は重要です。限界荷重^※2と座屈挙動をシミュレーションし、予測することによって、十分な情報に基づきデザインを最適化し、構造物の不安定さに伴う潜在的なリスクを低減するような意思決定を行うことができます。
※2 限界荷重：構造部材が安定を保ち、座屈しないでいられる荷重の最大値。臨界荷重とも。

2．座屈解析の進め方

まず、CADで作成した設計データ(CADモデル)をCAE解析ソフトウェアに取り込みます。

次に、解析対象の構造物を「小さな要素」に分割してモデルを作成します。

「小さな要素」とは、この小さな一つ一つのマスのことです。

解析対象の構造物をこのように「小さな要素」に分割したものをメッシュと呼びます。

メッシュを作成したら、下記の項目を設定します。
材料特性――弾性率、ポアソン比
荷重――構造物にかかる力、圧力、トルク、温度(環境温度・表面温度・構造物の初期温度)
拘束条件(構造物の固定方法)――自由、単純支持、固定
構造の種類――円柱・梁・板・シェル
解析の種類――線形^※3・非線形^※4
※3 線形座屈解析：変形が小さく、また材料の示す挙動が線形である(応力が負荷に比例する)想定で解析します。
※4 非線形座屈解析：幾何学的な非線形性 (大きな変形)、材料の非線形性、そして初期不整 (不完全さ)を検討します。

解析結果をポスト処理します。
– 臨界座屈荷重：構造物が不安定になり、座屈する荷重を数値化します。
– 座屈モード形状：臨界座屈荷重がかかった状態で構造物が示す変形を可視化します。
– 応力と負荷の分布：高応力の集中する部分を示し、破壊を起こすかもしれない箇所を特定します。

3．座屈解析を活かした設計

座屈解析によって、荷重を受けた構造物が歪まないように再設計可能かどうかを検討できます。また、材料の極限強度を下回る荷重において、構造物の部材が突然破壊したりしないよう、構造の最適化を図ることも出来ます。

コンピュータ上でシミュレーションを行うため、試作品の製作や、物理的なテスト回数を減らすこともでき、時間もコストも節約されます。ひいては設計プロセス全体の効率化にも繋がりますので、ぜひCAE解析を試して頂きたいと思います。

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