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1 いまさらいまさら聞けない計算力学の常識常識 講習会 構造解析に入る前に知っておきたい 常識 5 話知ってそうで知らない境界条件処理のいろいろ 7 話固体の非線形解析って何? 9 話固体の非線形解析における 2 つの論点 10 話破壊現象の数値解析の罠 東北大学斉木功 いまさらいまさら聞けない計算力学の常識常識 講習会 5 話知ってそうで知らない境界条件処理のいろいろ 5.1 等分布荷重は均等にした集中荷重と同じでいいの? 5.2 無限 半無限弾性領域解析の落とし穴 5.3 点支持 点載荷の落とし穴 5.4 対称条件は使える? 使えない? 執筆者徳山高専原新潟大学阿部東北大学斉木

2 等分布荷重は均等にした集中荷重? 大きさ q の等分布荷重が幅 b に作用 ( 荷重の総量 qb) 3 b q 1 次要素の場合 b l l qb/2 qb/2 均等にした集中荷重になっている 等分布荷重は均等にした集中荷重? 大きさ q の等分布荷重が幅 b に作用 ( 荷重の総量 qb) 4 b q 2 次要素の場合 b l l qb/6 2qb/3 qb/6 均等ではありません

3 等分布荷重は均等にした集中荷重? 本来の離散化の過程をたどってみると 右辺上の変位 u = 1 2 (Äò+ ò2 )u 1 + (1Äò 2 )u 2 分布荷重の仮想仕事 Z b= (ò+ ò2 )u 3 2 ò éw e = q éu d` 3 Äb=2 = b Z 1 î 1 q 2 Ä1 2 (Äò+ ò2 )éu 1 + (1 Ä ò 2 )éu ï 2 (ò+ ò2 )éu 3 dò 8 9 >< bq=6 >= = féu 1 éu 2 éu 3 g 2bq=3 >: >; bq=6 u 1 u 2 b b ò 5 等分布荷重は均等にした集中荷重? 分布荷重の仮想仕事 (2 次要素の場合 ) Z b=2 éw e = q éu d` Äb=2 = b Z 1 î 1 q 2 Ä1 2 (Äò+ ò2 )éu 1 + (1 Ä ò 2 )éu ï 2 (ò+ ò2 )éu 3 dò 8 9 >< bq=6 >= = féu 1 éu 2 éu 3 g 2bq=3 >: >; bq=6 b l qb/6 2qb/3 qb/6 均等ではありません 6

4 等分布荷重は均等にした集中荷重? 7 結論 等分布荷重は均等にした集中荷重? 一般的には正しくない 仮想仕事式の積分を確認しましょう 次要素のときは, たくさん並んでも均等ではない.. ( 半 ) 無限弾性領域解析の落とし穴 3 次元半無限領域 (eg. 地盤 ) を 2 次元 ( 半無限領域 ) で近似 8 変位評価点 4 p = 1 1 a 2 次元平面ひずみ G = 1, ν = 0.3 本来は無限である a を大きくしていく 変位評価点の変位は? a 左右対称条件による半解析

5 ( 半 ) 無限弾性領域解析の落とし穴 2 次元半無限領域の弾性解析で変位を見ると 9 鉛直変位? 変位評価点 4 p = 1 1 a a 領域サイズ a 領域が大きくなるにしたがって変位が収束してくれるといいな.. ( 半 ) 無限弾性領域解析の落とし穴 2 次元半無限領域 (eg. 地盤 ) の弾性解析で変位を見ると 10 鉛直変位 8 6 変位評価点 4 p = 1 1 a 4 a 領域サイズ a 領域の大きさに応じて変位も増える! 有限要素法の不備ではなく, 3 次元問題を適切にモデル化できていないため

6 ( 半 ) 無限弾性領域解析の落とし穴 11 結論 2 次元 ( 半 ) 無限領域の弾性解析で変位を見ても意味はない. 3 次元の正しい近似になっていない. 無限の領域に荷重が作用していることになる. 3 次元では OK ( 変位が収束する ) 相対変位や応力は 2 次元でも OK 点支持 点載荷の落とし穴 弾性体に集中荷重 ( 含む点支持 ) が作用すると 12 p = 1 1 変位評価点 G = 1, ν = 要素サイズ h を小さくしていくと...

7 点支持 点載荷の落とし穴 弾性体に集中荷重 ( 含む点支持 ) が作用すると 13 p = 1 鉛直変位? 1 変位評価点 4 小 要素サイズ h 要素を細分割するにしたがって変位が収束してくれるといいな.. 点支持 点載荷の落とし穴 弾性体に集中荷重 ( 含む点支持 ) が作用すると 14 鉛直変位 p = 1 変位評価点 要素を小さくすればするほど変位も増える! 要素サイズ h

8 点支持 点載荷の落とし穴 半無限弾性領域に集中荷重 ( 支点反力 ) が作用すると P (Boussinesqの問題) 変位評価点 15 u z 0 r r 変位評価点の鉛直変位 3 次元 :u z / P=r 2 次元 :u z / P log r (2 次元の場合は相対変位 ) r がゼロになると ( 相対 ) 変位が無限大になる! 点支持 点載荷の落とし穴 弾性体に集中荷重 ( 含む点支持 ) が作用すると 16 鉛直変位 p = 1 変位評価点 要素を小さくすればするほど変位も増える! 要素サイズ h 弾性解 ( 解析解 ) に近づいている

9 ( 半 ) 無限弾性領域解析の落とし穴 17 結論 弾性体に集中荷重 ( 含む点支持 ) が作用すると, 要素の細分化に伴って変位は無限大となる. 有限要素法の不備ではなく, あくまで解析解に近づいていくため 対称条件は使える? 使えない? 半解析 : 左右対称の問題を半分で解析できる 18 z y,v x,u プリプロセッサでも, 対称性を表す境界条件が選べる. u = 0 (θz = 0)

10 対称条件は使える? 使えない? 半解析 : 左右対称の問題を半分で解析できる 19 y,v u = 0 (θz = 0) z x,u 鉛直軸 ( 原点を通る ) に関して対称 u(x) = Äu(Äx) v(x) = v(äx) u(0) = Äu(0) )u(0) = 0 v(0) + d v dx h +ÅÅÅ= v(0)ä d v dx h +ÅÅÅ 2 d v dx h +ÅÅÅ= 0 d v dx = í z = 0 対称条件は使える? 使えない? 半解析 : 左右対称の問題 (= 構造 ) を半分で解析できる 20 z y x 構造が対称でも, 境界条件を含む問題が対称でないと半解析はできない. u = 0 (θz = 0)

11 対称条件は使える? 使えない? 21 " I û 対称 := r ( 直交 ) û 反対称 := 鏡映対称性 x 7! Äx y 7! y " I # 2n n Är 左 右 2n n # 左 右 この変換を表す行列 (n 個の ) 対称なモード (n 個の ) 反対称なモード r := もとの問題 2n 自由度 2 Ä1 1 Ä n n 自由度の並び x y x y 対称条件は使える? 使えない? 鏡映対称性 x 7! Äx y 7! y " # I û 対称 := r ( ( u 左 u 右 ) u 対称 u 反対称 ) r ( 直交 ) û 反対称 := それぞれのモードを使って座標変換 = Ç É ( û 対称 û 反対称 u 対称 u 反対称 = Ç ( É T û 対称 û 反対称 " u 左 u 右 もとの問題 2n 自由度 I Är ) ) # 22

12 対称条件は使える? 使えない? ( ( f 左 f 右 鏡映対称性 ) f 対称 f 反対称 x 7! Äx y 7! y " # I û 対称 := r = Ç É ( û 対称 û 反対称 ) r ( 直交 ) 荷重ベクトルも座標変換 û 反対称 := f 対称 f 反対称 = Ç ( É T û 対称 û 反対称 " f 左 f 右 もとの問題 2n 自由度 ) I Är ) # 23 対称条件は使える? 使えない? 24 鏡映対称性 " # I û 対称 := r " I û 反対称 := Är x 7! Äx y 7! y 対称なモード直交する # " 反対称なモード もとの問題 2n 自由度 û T 対称 û T 反対称 = # " K Ç É û 対称 û 反対称 k 対称 0 0 k 反対称 #

13 対称条件は使える? 使えない? 25 鏡映対称性 x 7! Äx y 7! y もとの問題 2n 自由度 以上から, 解くべき式は " k 対称 0 0 k 反対称 # ( u 対称 u 反対称 ) = ( f 対称 f 反対称 ) 荷重が対称なら f 反対称 はゼロ 上の式の上の行のみ解けばよい 対称条件は使える? 使えない? 26 鏡映対称性 x 7! Äx y 7! y もとの問題 2n 自由度 以上から, 解くべき式は " k 対称 0 0 k 反対称 # ( u 対称 u 反対称 ) = ( f 対称 f 反対称 ) 荷重が対称でない場合でも, 上の変換を行って, 対称 反対称の問題を別々に解き, 後で重ね合わせることができる

14 対称条件は使える? 使えない? 27 鏡映対称性 x 7! Äx y 7! y もとの問題 2n 自由度 " k 対称 0 0 k 反対称 # ( u 対称 u 反対称 ) = ( f 対称 f 反対称 ) ブロック対角化 : 何らかの対称性により可能になる 連立方程式を解くのに自由度の 1 乗以上の演算が必要な場合, メリットがある. 例えば古典的な消去法で 3 乗なら 元の問題 (2n) 3 = 8n 3 > 2n 3 対角化 (1/4の演算) 対称条件は使える? 使えない? 28 結論 構造と荷重が対称性を持っていれば使える. 荷重が対称でなくても, ブロック対角化は可能

15 7 話固体の非線形解析って何ですか? 7.1 何が非線形なんですか? 7.2 材料非線形とは? 7.3 幾何学的非線形とは? 7.4 境界の非線形性とは? 執筆者東北大学斉木東北大学山川木更津高専石井 そもそも非線形とは? 30 õ y 線形 非線形 非線形 線形 ひずみ (a) 応力 - ひずみ関係 変位 (b) 荷重 - 変位関係 線形 õ(è a +è b ) =õ(è a ) +õ(è b ) P (é a + é b ) = P (é a ) + P (é b ) 非線形 õ(è a +è b ) 6=õ(è a ) +õ(è b ) P (é a + é b ) 6= P (é a ) + P (é b )

16 非線形性のいろいろ 31 釣合式 ( 運動方程式 ) 運動 ( 変位 ) 変位 -ひずみ関係変形 ( ひずみ ) 応力 - ひずみ関係 力 ( 応力 ) 境界値問題 境界条件 幾何学的非線形性 有限変形, 微小ひずみ有限回転, 分岐, 構造不安定 変位境界条件, 荷重境界条件 境界の非線形性 接触, 摩擦, 追従力 ( 圧力 ), 破壊 材料非線形性 非線形弾性, 弾塑性, 損傷, 破壊, 材料不安定 材料非線形とは? õ(è a +è b ) 6=õ(è a ) +õ(è b ) 32 除載除荷 載荷 a 載荷 除載除荷 è b ひずみ 弾塑性材料 ひずみ 非線形弾性材料 ex. 弾塑性材料応力 = 構成モデル ( 弾性ひずみ ) 弾性ひずみ = 全ひずみ 塑性ひずみ速度 ( 増分 ) 形構成関係は必須ではない! 塑性ひずみは履歴依存なので増分解法は必須

17 固体の非線形解析とは 33 結論 材料非線形性 弾塑性材料や非線形弾性 弾塑性では増分解析は必須だが, 速度形の構成則は必須ではない 幾何学的非線形とは? 34 幾何学的に線形とは, 変位もひずみも小さいこと = 微小変形 Case1. 変位が小さくないときは 変形後の状態で力の釣り合いを考える.

18 幾何学的非線形とは? 35 幾何学的に線形とは, 変位もひずみも小さいこと = 微小変形 Case1. 変位が小さくないときは 変形後の状態で力の釣り合いを考える. 力を加えて変形させると, 力の作用点も変化する. 鉛直方向の力がモーメントを発生させる. 微小ひずみでも幾何学的非線形 36 微小ひずみ有限変位 : 変位は大きくてもずみは微小 やわらかい ( 細長い ) 梁を曲げてみると... 一見, 大きく変形しているように見えて 剛体回転 実質変形 剛体回転は大きいが, 実質的な変形は小さいストレッチテンソルが小さい ( 極分解の定理 ) 微小変形の構成モデルで十分

19 固体の非線形解析とは 37 結論 材料非線形性 弾塑性材料や非線形弾性 弾塑性では増分解析は必須だが, 速度形の構成即は必須ではない 幾何学的非線形性 微小ひずみでも非線形 幾何学的非線形とは? 38 幾何学的に線形とは, 変位もひずみも小さいこと = 微小変形 Case2. ひずみが小さくないときは 変形後の状態で力の釣り合いを考える.

20 幾何学的非線形とは? 39 幾何学的に線形とは, 変位もひずみも小さいこと = 微小変形 Case2. ひずみが小さくないときは 変形後の状態で力の釣り合いを考える. 力を加えて伸ばすと, 断面積は減少する. 同じ力でも断面積が変化するので, 応力も変化する. ( 応力を定義するときの断面積はどちらを使ったらよい?) ( ひずみの定義は一意か?) 大変形のひずみの定義 40 ひずみの定義がいろいろあります 工学 (Biot) ひずみ もっとも簡単 対数 (Hencky) ひずみ `ÄL L ln ` L = ln `1 L Green ひずみ `2Ä L 2 2L 2 多次元への拡張が容易 Lagrange 的なので異方性材料の記述に便利 `2 `1 ÅÅÅ ` `nä1 加算分解が可能 = ln `1 `2 + ln +ÅÅÅ+ ln L `1 履歴依存の弾塑性の記述に便利 ` `nä1 対象とする材料と構成モデルによって選択

21 大変形のひずみの定義 ひずみの定義による違いは工学 (Biot) ひずみ è L = `ÄL L 対数 (Hencky) ひずみ è H = ln ` L Green ひずみ è G = `2Ä L 2 2L 2 ひずみ 伸び 20% 程度以上にならないとあまり変わらない 41 対数ひずみは Ål! ÄL で " L! Ä1 対象とする材料と構成モデルによって選択 大変形の応力の定義 伸びると断面積は小さくなる. F = P A = õa 公称応力 ( 第 1Piola-Kirchhoff 応力 ) 真応力 (Cauchy 応力 ) 変形前の断面積 現在の断面積

22 固体の非線形解析とは 43 結論 材料非線形性 弾塑性材料や非線形弾性 弾塑性では増分解析は必須だが, 速度形の構成即は必須ではない 幾何学的非線形性 微小ひずみでも非線形 有限ひずみと対応する応力の定義は複数 硬化材料の軟化? 伸びひずみと面積ひずみ è l = lä L L ; è a= aäa A P A=õa より P = a A õ= õ(1 + è = l = A L Poisson 比が正であれば負 ( 0.5 程度 ) (1 + è a ) + ï l 定数 硬化材料であれば正 ( 弾性係数, 硬化係数 )

23 = l = A L ( 0.5 程度 ) (1 + è a ) + ï l 定数硬化材料であれば正 ( 硬化係数 ) 伸び ( 断面減少 ) が大きくなり, 応力が大きくなると荷重は減少する 固体の非線形解析とは 46 結論 材料非線形性 弾塑性材料や非線形弾性 弾塑性では増分解析は必須だが, 速度形の構成即は必須ではない 幾何学的非線形性 微小ひずみでも非線形 有限ひずみ ( と対応する応力 ) の定義は複数 硬化材料も軟化する

24 境界の非線形性とは 接触 g ï 0 and N î 0 and gn = 0 接触する点も自明ではない 摩擦すべり Coulomb 摩擦 T î ñn 固体の非線形解析とは 48 結論 材料非線形性弾塑性材料や非線形弾性弾塑性では増分解析は必須だが, 速度形の構成即は必須ではない 幾何学的非線形性微小ひずみでも非線形有限ひずみ ( と対応する応力 ) の定義は複数硬化材料も軟化する 境界の非線形性接触や摩擦

25 9 話固体の非線形解析における 2 つの論点 9.1 速度形 の正体 9.2 トータルラグランジュと更新ラグランジュは何が違うのか? 執筆者東北大学寺田 トータルラグランジュと更新ラグランジュ 何が違うのか? 変形を考える場合, 変形前と変形後の情報 ( 状態 ) が必要 t=t n 現配置 (updated) 参照配置 t = 0 初期配置 (total) total: 初期配置を参照配置とする updated: 現配置を参照配置とする t=t n+1

26 トータルラグランジュと更新ラグランジュ 何が違うのか? total: 初期配置 = 0 updated: 現配置 = 0 õa=p A 真応力 公称応力 トータルラグランジュ 内力ベクトル ([ 仮想ひずみ 応力 ] の積分 ) total: 初期配置 (X) を参照配置とする H e Ä X H e X H e Z He P AdX ë 0 (X) = N 1 (X) ë1 0 + N 2 (X) ë2 0 線形の近似関数 dë 0 dx = dn 1 dx ë0 1 + dn 2 dx ë0 2 ( ) F total int = = 1 H e fä1 1g ( ) ÄP A P A ë 0 1 ë 0 2

27 更新ラグランジュ 内力ベクトル updated: 現配置 (x) を参照配置とする h e Ä x h e x h e õadx ë(x) = N 1 (x) ë 1 + N 2 (x) ë 2 線形の近似関数 dë dx = dn 1 dx ë 1 + dn 2 dx ë 2 ( ) 0 F updated int = = 1 h e fä1 1g ( ) Äõa õa ë 1 ë 2 トータルラグランジュと更新ラグランジュ 実は同じです total: 初期配置 (X) を参照配置とする updated: 現配置 (x) を参照配置とする ( ) F total ÄP A int = P A ( ) F updated Äõa int = õa õa=p A なので F total int =F updated int

28 トータルラグランジュと更新ラグランジュは何が違うのか? 55 結論 トータルラグランジュと更新ラグランジュは本質的に何も変わらない. プログラムを書く際に少しの違いがあるだけ There is no difference in the formulations. Bathe et al., Int. J. Num. Meth. Eng., 話破壊現象の数値解析の罠 10.1 破壊現象の数理問題の特徴 10.2 弾塑性解析のメッシュ依存性 10.3 弾塑性解析の解の唯一性の喪失 10.4 亀裂先端の特異性 10.5 個別要素法による連続体解析の落とし穴 執筆者東京大学堀慶応義塾大学小国

29 弾塑性解析のメッシュ依存性 硬化係数が極めて小さい弾塑性体を引張ると 要素寸法大 57 要素寸法小 h せん断帯 H 現実 : せん断帯の幅は有限 要素を小さくすればするほどせん断帯の幅も小さくなる! 矛盾 メッシュ依存性 解析解に近づいている モデル化そのものが現実を表していない 弾塑性解析のメッシュ依存性 58 結論 弾塑性解析では, メッシュ依存性が現れる場合がある. 有限要素法の不備ではなく, モデルの問題

30 弾塑性解析の解の唯一性の喪失 線形 ( 弾性 ) 問題でない限り, 唯一性は保障されない 59 せん断帯. 一様引張りなら, 角度, 幅が同じせん断帯はどこにできても等価 複数の解 = 分岐 分岐点では接線剛性行列の固有値の符号が変化する ( 固有値がゼロになる ). 分岐解はゼロ固有値の固有ベクトルから求める. 分岐解が複数 ( 無数 ) ある場合もある. 弾塑性解析の解の唯一性の喪失 60 結論 弾塑性問題の解は一つとは限らない. 接線剛性行列の固有値に注意しよう

31 個別要素法による連続体解析の落とし穴 2 点間の相対変位では 3 成分のひずみを表せない (2D) >< >: è 鉛直 è 水平 2è せん断 9 >= >; / ( u 1 接線 Ä u 2 接線 u 1 法線 Ä u 2 法線 ) 2 次元のひずみ成分は 3 つに対し,2 体間の相対変位は 2 成分しかない. 図では, 水平方向の垂直ひずみとせん断ひずみを表現できているが, 鉛直方向の垂直ひずみは表せない. Poisson 効果が表現できない 個別要素法による連続体解析の落とし穴 62 結論 個別要素法では連続体の変形を表現できない. 連続体の変形を再現するには 3 体間の相対変位が必要

32 構造解析に入る前に知っておきたい 常識 5 話知ってそうで知らない境界条件処理のいろいろ徳山高専原, 新潟大学阿部, 東北大学斉木 7 話固体の非線形解析って何? 東北大学斉木, 山川, 木更津高専石井 9 話固体の非線形解析における 2 つの論点東北大学寺田 10 話破壊現象の数値解析の罠東京大学堀, 慶應義塾大学小国 東北大学斉木功

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<4D F736F F F696E74202D AB97CD8A E630398FCD5F8AC C896E291E8816A2E B8CDD8AB B83685D> 単純な ( 単純化した ) 応力状態における弾塑性問題 () 繊維強化複合材の引張り () 三本棒トラスへの負荷 () はりの曲げ (4) 円筒 丸棒のねじりとせん断変形 (5) 熱弾塑性問題 負荷 ( 弾性変形 ) 負荷 ( 弾塑性変形 ) 除荷 残留応力 第 9 章,4 ページ ~ その. 繊維強化複合材料の引張り Rs.: []htt://authrs.library.caltch.du/5456//hrst.it.du/hrs/

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