2017 Fiscal Year Research-status Report
超大規模解析手法を用いた溶接力学・構造崩壊挙動統合解析手法による船体構造解析
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16K18324
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
生島 一樹 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80734003)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 非線形有限要素解析 / 大規模解析 / 座屈崩壊挙動 / 溶接変形 / 残留応力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
船体構造などの大型薄板構造物においては、外力が作用した際に幾何学的非線形性に起因する座屈などの大変形現象が生じ、荷重の大きさによっては構造物の最終強度を上回り、構造物が崩壊することも想定される。こうした現象を予測するためには、幾何学的な非線形性と材料学的な非線形性を同時に考慮し、解析を実施する必要がある。特に船体構造などの溶接を用いて制作される構造物においては、溶接時の変形や残留応力の最終強度への影響についても検討する必要があると考えられる。
本研究ではこうした課題について検討するために、本年度においては、溶接構造物に対して最終強度を超える大荷重が作用した際の座屈崩壊現象を高精度に解析するために、理想化陽解法FEMによる座屈崩壊時の大変形弾塑性問題の解析システムを構築した。構築した理想化陽解法FEMに基づく大変形弾塑性解析手法を座屈問題に対して適用することで、大変形問題における理想化陽解法FEMの適用性について検討した。
検討対象としては、鋼板で制作された箱型の構造に対して防撓材を溶接した構造物を想定し、箱型防撓構造の4点曲げ時の座屈崩壊問題を解析した。箱型防撓構造の解析においては、座屈崩壊挙動解析において一般的に用いられるシェル要素ではなく、今後、溶接時の残留応力や変形の予測結果を考慮するために、ソリッド用を用いた解析を実施した。これにより、実大構造物レベルの鋼構造物において、溶接の影響を考慮した解析を実施できるシステムを構築した。
解析の結果、得られた荷重-変位曲線は過去に実施された実験時の結果とよく一致し、本解析システムを用いることで、ソリッド要素を用いた場合においても鋼構造物の座屈崩壊時の挙動を解析できることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、これまでの研究で開発した大規模構造解析が可能な理想化陽解法FEMに対して、座屈時の大変形現象の効果を考慮することで、実大構造物の最終強度解析が可能な解析システムの構築を目標として研究を実施した。
開発した解析システムの妥当性を検証するために、開発システムを鋼材で制作された箱型防撓構造の4点曲げ時の座屈崩壊挙動解析に対して適用し、検討を実施した。防撓構造の4点曲げ最終強度解析においては、シェル要素ではなくソリッド要素を用いてモデル化を行うことで、今後の研究において、溶接変形や残留応力の影響を検討可能な手法を構築した。以上の解析システムを用いて箱型防撓構造の最終強度を解析した結果、以前に実施された実験結果とよく一致することから、本解析の妥当性について示すことができたといえる。
以上のように、本研究では、平成29年度において実施を計画していた、構造物の座屈崩壊挙動を予測可能な大規模解析システムの開発、および、その解析結果の妥当性についての検討を概ね実施できていることから、本研究は計画通りに進捗しているものと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、溶接を用いて製作される大型薄板構造物の最終強度解析および崩壊挙動解析の高精度化を行うために、溶接時の残留応力や変形の影響を考慮可能な解析手法の構築を目標としている。
平成28年度の研究成果により、座屈をはじめとする溶接時の大変形現象を解析可能なシステムを理想化陽解法FEMに基づき構築した。これにより、溶接により発生する変形を高精度に予測することが可能となり、この変形予測結果を最終強度予測時の初期不整として用いることが可能である。
さらに、平成29年度は、理想化陽解法FEMに基づき、構造物の座屈崩壊挙動を解析可能なシステムを構築した。座屈を含む大変形現象のモデル化においては、シェル要素ではなくソリッド要素を用いることで、溶接組立時の変形や残留応力の影響について検討可能な手法を構築した。
最終年度である平成30年度は、平成29年度までに開発した大規模溶接変形予測システムと最終強度予測システムを統合することで、溶接変形や残留応力が崩壊挙動に及ぼす影響について検討する。解析においては、従来の構造解析比べて解析規模が飛躍的に大きくなり、解析が困難になることが予想される。理想化陽解法FEMはGPU並列化に対して非常に高い親和性を有しているため、本解析においては、GPUワークステーションの使用を想定している。また、マルチグリッド法を導入した手法を用いることで、解析の効率化を図り、実用可能な計算時間での解析を目指す。
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