演習資料 ( 作成 : 江澤良孝 ) 3D-CAD による翼型モデル作成と有限要素法による 3 次元応力解析 人力飛行機用の構造部材 - Creo Elements Pro によるデータ作成と 3 次元応力解析 - ( この写真では 穴は 7 つあるが演習では穴の数は任意とする ) 1000mm 翼

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1 演習資料 ( 作成 : 江澤良孝 ) 3D-CAD による翼型モデル作成と有限要素法による 3 次元応力解析 人力飛行機用の構造部材 - Creo Elements Pro によるデータ作成と 3 次元応力解析 - ( この写真では 穴は 7 つあるが演習では穴の数は任意とする ) 1000mm 翼型 DAE21( 実際は翼の位置で翼型と大きさは変わるが 演習では同じとする ) 部材の長さ 1000mm 厚み 50mm 材質スタイロフォームヤング率 :10N/mm 2 ポアソン比 :

2 材料名引張り強さ質量密度ヤング率ポアソン比せん断弾性 係数 N/mm 2 kg/m 3 N/mm 2 N/A N/mm 2 スタイロフォーム 単位に注意 1 kg/m 3 = tonne (1m) 3 = tonne ( mm) 3 = tonne/mm 3 荷重部材の下面に浮力に相当する力がかかるものとする 正確には上下面の圧力の差が浮力になるが ここでは簡単のため浮力に相当する力のみを考える 計算 : 機体の重さを約 34kgf とするパイロットを約 65kgf とする合計約 100kgf= 約 1000N 飛行機が浮上するにはこれに相当する浮力が必要 構造部材の数は簡単のため 100 個と仮定する 構造部材にかかる荷重は場所によって異なるが 簡単のため一様と仮定すると部材ひとつあたりが担当する力は 1000N/100=10N 部材の厚みが 50mm の場合 構造部材の横断面積は 1000mm 50mm=50000mm 2 浮力は一様ではないが ここでは簡単のため一様と仮定すると部材の下面の単位面積当たりの圧力の推定値は 10N/50000mm 2 = N/mm 2 拘束 2 カ所の穴の部分で固定ここに骨組みの丸棒が入る 固定 ( この円孔の周囲を固定 ) 2

3 演習資料 ( 作成 : 江澤良孝 ) 翼型データの準備 (1) 下記のサイトからDAE-21の翼型データファイルdae21.datを取り込む (2) 翼型データファイルdae21.datをメモ帳で開いて 座標以外の行 (1 行目から3 行目 ) を削除 翼の上側データファイルと下側データファイルに分けて それぞれに拡張子 txtを追加して保存 例 :dae21-u.dat.txt dae21-l.dat.txt (3)EXCELを起動して ファイル 開く を クリック (4) テキストファイル を選択して 翼の上側データファイルdae21-U.dat.txtを開く (5) テキストファイルウィザードで 元のデータ形式で スペースによって をを選択して 次へ をクリック (6) フィールドの幅が10になっていることを確認して 次へ をクリック (7) 列のデータ形式が G/ 標準 になっていることを確認して 完了 をクリック (8) ファイルが正常に読み込まれたことを確認 (9)C 列に =A1*1000 D 列に =B1*1000 を入力( 文字はすべて半角 ) (10)C 列をクリックして 右下の四角のマークを下までドラッグ (11)D 列も同様に操作 (12)E 列にZ 座標の 0 ( ゼロ ) を追加 (13) 名前をつけて保存 をクリック (14) ファイルの種類で CSV( コンマ区切り )(*.csv) を選択し 保存 (15) この形式でブックを保存しますか に 保存 はい (16) ファイル 閉じる その後 保存 はい (17) ファイル 開く を クリック (18) テキストファイル を選択して 翼の下側データファイルdae21-L.dat.txtを開く (19) 手順 (5) から手順 (16) を実施 (20) 先に保存した翼の上側データCSVファイルdae21-U.csvを開く (21)A 列とB 列を削除 (22) 名前をつけて保存 をクリック (23) ファイルの種類で テキスト ( スペース区切り )(*.prn) を選択し 保存 (24) 下側 CSVファイルにも同様の操作 ( 作業 20から作業 23) ( 当然 ファイル名は下側ファイルに合わせて変更して作業 ) (25) 作成したデータファイル (*.prn) の修正 x 座標の値とy 座標の値の間にスペースがないところを見つけて 半角スペースを挿入 (26) 翼の上側の節点座標データファイルと下側座標データファイルの拡張子を pts に変更 3

4 演習資料作成 : 江澤良孝 Creo Elements Pro によるモデル作成 1. パソコンを起動し ログインする ( デフォルトの仮想デスクトップ ) 2. Creo Elements Pro のワーキングフォルダを作成する ( 詳細は省略 ) 3. Creo Elements Pro を起動する [ スタート ] >[ すべてのプログラム ] > [PTC] >[Creo Elements Pro] > [Creo] 4.Creo Elements Pro が開いたら ワーキングディレクトリを指定する ( 詳細は省略 ) 5. [ ファイル ]> [ 新規 ] をクリックする 6. [ 新規 ] ダイアログが現れたら [ 部品 ] [ ソリッド ] にチェックが入っていることを確認し [OK] をクリックする 7. 部品モードの初期画面が現れる 8. [ ファイル ]>[ プロパティ ] を選ぶ 9. モデル特性のパネルがでるので 単位 の欄の 変更 をクリック 10. 単位マネージャのウィンドウが表示される 11.[ 単位マネージャ ] ダイアログボックスで ミリメートルニュートン秒 (mmns) を選んで [ 設定 ] をクリック 12.[ モデル単位を変更 ] ダイアログボックスが表示されるので 寸法を変換 ( たとえば 1 は 25.4rnm になります にチェックを入れ [OK] をクリック 13.[ 単位マネージャ ] ダイアログボックスの [ 閉じる ] ボタンをクリック 14. モデル特性 の 材料 の欄の 変更 をクリック 材料のパネルがでるので 材料を適当に選んで 右三角 をクリック 鉛筆の形をした 選択した材料の特性を編集します アイコンをクリック 材料定義パネルが表示されるので ヤング率 ポアソン比 質量密度を入力して OK をクリック 材料パネルで OK をクリック モデル特性 のパネルの 閉じる をクリック 材料名引張り強さ質量密度ヤング率ポアソン比せん断弾性 係数 N/mm 2 kg/m 3 N/mm 2 N/A N/mm 2 スタイロフォーム 単位に注意 1 kg/m 3 = tonne (1m) 3 = tonne ( mm) 3 = tonne/mm 3 4

5 15. 挿入 モデルデータム 点 座標オフセット 16. 部品座標系 PRT_CSYS_DEF をクリックする 5

6 17. 座標系オフセットデータム点 ダイアログの インポート をクリックする 18, 開く ダイアログが表示されるので 翼型上面の pts ファイルを指定し 開く をクリック 6

7 19. 座標系オフセットデータム点 ダイアログの OK をクリック データム点が確定する 7

8 20. 挿入 モデルデータ カーブ とクリック 21. メニューマネージャ ダイアログが表示されるので 実行 をクリック 8

9 点通過 ダイアログが表示される 22. 上面データの最後の定義点 ここでは PNT40 をクリックする 9

10 23. 青色のデータムカーブが表示されるので 選択 ダイアログで OK をクリックし メニューマネージャ で 終了 をクリックし カーブ : 点通過 ダイアログの OK をクリック して データムカーブを完成させる 24. 下面のデータムカーブを 手順 15 から手順 23 を参考に作成する ック ただし 最後の定義点のクリックの部分は この例では下面データの最後の定義点 PNT80 をクリ 10

11 25. 二つのデータムカーブが完成 26. 挿入 押し出し をクリック 27. [ 押し出しダッシュボード ] の [ 配置 ] をクリックする 28. [ 定義 ] をクリックする 29. 画面上で FRONT を選択する ( このとき事前にビューの表示を デフォルト 方向に変えておくとクリックしやすい ) < 参考 > 保存したビューリスト アイコンをクリック 11

12 30.[ スケッチ ] ダイアログボックスの [ 平面 ] に FRONT が入る 31. [ スケッチ ] ダイアログボックスの [ スケッチ ] ボタンをクリックして [ スケッチ ] ダイアログボッ クスを閉じる FRONT 12

13 32. スケッチ エッジ 使用 33. 上面のデータムカーブをクリックし つづいて CTRL キーを押しながら下面のカーブをクリック する 13

14 34. 選択 ダイアログで OK をクリックし タイプ ダイアログで 閉じる をクリックし スケッチの 終了 ボタンをクリックする 35. 押し出し量を 50 にする 14

15 36. フィーチャーツールへのすべての変更を適用して保存し ツールダッシュボードを終了しま す アイコンをクリック 37. 押し出し ( 突起 ) ができる ( 参考 ) 押し出しが生成された時に 警告が表示されることがありますが 通常は警告を無視して作業をすすめてかまいません それでも問題がおきたら TA に相談してください 押し出しが生成されなかったらデータ作成をやり直すこと 38.[ 押し出し ] ツールをクリックする 39. [ 押し出し ] ダッシュボードの [ 配置 ] をクリックする 15

16 40. [ 定義 ] をクリックする 41. 画面上で FRONT を選択する 42.[ スケッチ ] ダイアログボックスの [ スケッチ ] ボタンをクリックして [ スケッチ ] ダイアログボックスを閉じる 43. 円のアイコンをクリックする 44. 部材に穴となる適当な円を複数描く < 注意 > 円を描くときは そのまま描くとスケッチ自動拘束の機能が働き 円の中心点のx 座標または y 座標が既に作成した円と同じになって 自由な位置に円を描けないことがある そこで ここでは Shift キーを押しながら円を描くことを推奨する こうすると自動拘束を無効にして描くことができる 45. 位置や大きさを調整する ( 参考 ) 個別選択アイコンをクリック その後 寸法を直接ダブルクリックして修正するか または下記の方法で修正する 16

17 円の中心をドラッグして位置を修正 ( 下記の寸法修正ウィンドウで中心の座標を変更してもよい ) マウスを画面の左上から右下にドラッグ (2 点で囲まれる4 角形がスケッチ全体を包むようにドラッグ ) 寸法修正アイコンをクリック (e) 寸法修正ウィンドウで修正 このとき 再生 のチェックははずしておくことを推奨する 46. [ カレントの断面を継続します ] アイコンをクリック 47. 保存したビューリスト アイコン をクリックして ビュー方向 デフォルト方向 をクリック 48. 押し出しの関連のダッシュボードの変更 (a)[ 押し出し ] ダッシュボードの [ カットを作成 ] アイコン をクリックする 17

18 (b) 貫通指定アイコンの横の をクリックして [ 全貫通 ] を選択する 49. フィーチャーツールへのすべての変更を適用して保存し ツールダッシュボードを終了しま す アイコンをクリック 50. 円の穴 ( カット ) ができる 18

19 演習資料作成 : 江澤良孝 MECHANICA による 3 次元応力解析 1. MECHANICA の起動 [ アプリケーション ] [Mechanica(M)] を選択する 2.[MECHANICA モデル設定 ] ウィンドウが表示されたら モデルタイプが [Structure] FEM モードにチェックが入ってないことを確認し OK をクリックする [MECHANICA モデル設定 ] ウィンドウが表示されない時は 編集 Mechanica モデル設定 をクリック 3. 材料の選択 材料指定アイコンをクリックする 19

20 4. 材料指定ウィンドウが表示される 詳細表示ボタン をクリック 材料 ウィンドウを表示す る (CAD で材料特性指定済みなので ここで OK クリックで可 ) 5. 材料パネルの左側の ライブラリの材料 から材料を選択し ( たとえば steel.mtl) 右向きの矢 印をクリック (CAD で材料特性指定済みなので この手順は省略 ) 20

21 6. 鉛筆の形をした 選択した材料の特性を編集します アイコンをクリック (CAD で材料特性指定済 みなので この手順は省略 ) 7. 材料定義 ウィンドウが表示される ポアソン比 ヤング率を入力して OK ボタンをクリック 材料 ウィンドウの OK ボタンをクリック 材料指定 ウィンドウの Ok ボタンをクリック 材料名引張り強さ質量密度ヤング率ポアソン比せん断弾性 係数 N/mm 2 kg/m 3 N/mm 2 N/A N/mm 2 スタイロフォーム 単位に注意 1 kg/m 3 = tonne (1m) 3 = tonne ( mm) 3 = tonne/mm 3 21

22 8. 荷重の設定 圧力荷重アイコン をクリック圧力荷重ウィンドウが表示されるので 個別 が選択されていることを確認し その下の ジオメトリ参照を選択します が黄緑色になっていることを確認してから 分布荷重をかける面 ( 部材の下面 ) をクリック 22

23 < 参考 > 事前に翼の下面が手前に見えるように モデルを回転させておくこと マウスとキーボードの操作中ボタンのホイールを回転中ボタンを押したままドラッグ Shift キー + マウスの中ボタン 効果モデルを拡大 縮小モデルを回転モデルを移動 圧力荷重ウィンドウで値を入力 すべての設定が終わったら ウィンドウ下の プレビュー ボタンを押して 正しく設定されていることを確認して OK をクリック < 注意 > 圧力は面に向かう方向が正であることに注意 プレビューで荷重の向きを確認すること 23

24 9. 拘束条件 変位拘束アイコン をクリック 拘束条件ウィンドウがでてくる 個別 が選択されていることを確認し その下の ジオメトリ参照を選択します が黄緑色になっ ていることを確認 10. サーフェス 個別 になっていることを確認して 拘束する軸の穴をクリック 24

25 11. 座標系は ワールド 直線移動はすべて 固定 回転移動はすべて 自由 にして OK をク リック 12. もうひとつの穴も同様に拘束する 25

26 13. トップレベルメニューの 解析 Mechanica 解析 / スタディ を選択 14. 解析およびデザインスタディ ウィンドウがでてきたら このウィンドウのプルダウンメニュ ーで ファイル 新規の静解析 を選択する 26

27 15. 静解析定義 ウィンドウが表示される 16. 先に設定した拘束条件と荷重を選択されているのを確認して OK ボタンを押す 17. 実行開始 アイコンをクリック 18. 対話型診断を実行しますか には はい をクリック 27

28 19. 診断 ダイアログで 実行完了 と表示されたら 閉じる をクリック 20. 解析および設計スタディ ウィンドウで スタディのステータスを表示 アイコン をクリックすると 解析結果をテキスト形式で確認できる 例えば y 方向の最大変位は例 : max_disp_y: e+00 モデルの質量は例 : モデルの全質量 : e-01(= ) < 注意 > ここで どのような密度の単位を使ったかを思い出すこと tonne/mm 3 なら 上記の全質量の単位はトン(=1000kg) 解析でエラーになった時 エラー内容はこのリストに表示されるのでこのリストを見て エラー原因を確認してください 28

29 21. 設計スタディまたは有限要素解析結果をレビュー アイコンをクリック 22. 結果表示ウィンドウのための設計スタディ ウィンドウがでてくる 解析結果を選択して 開く をクリック < 注意 > このウィンドウが出てこない場合は 新しい定義の挿入 アイコンをクリック 23. 結果表示ウィンドウの定義 ウィンドウが表示される 29

30 24. 表示タイプは フリンジ 量は 応力 と 最大主 を選択 25. 表示オプション タグをクリック 凡例レベルを 9 にし 変形 荷重を表示 拘束条件を表示 などをチェック 26. OK および表示 ボタンをクリック 30

31 27. 等高線が表示される ( 注意 ) 下の図の値は 適当な荷重条件の結果なので参考にしないこと 31