概要

弾性サポートは、選択した面の節点に仮想スプリングを導入し、スプリングを介してボディが拘束される条件を設定できます。

用途としては、バネの再現や完全拘束されていない対象の剛体運動の拘束が挙げられます。以下の図1は、シートメタルのプレスシミュレーションにおいて計算を安定化させるために用いられている弾性サポートの境界条件を示しています。詳細は本記事の下部をご覧ください。

setting up an elastic support boundary condition — 図1: 弾性サポートの設定パネル

設定項目

可能な各入力について以下で説明します。

Spring stiffness (スプリングの剛性)

ユーザは手動でスプリングの特定の剛性（バネ定数）を定義できます。SimScaleでは Isotropic (等方性)と Orthotropic (異方性)の二通りの定義を使用できます。

Isotropic (等方性)

このオプションではx、y、z方向で同じバネ定数を仮定します。

イメージ図を図2に示します。1、2、3で表される半透明の形状はそれぞれX、Y、Z方向への変形を表します。

面Aの節点には、スプリングが接続されています。ここで、スプリングの固定端もスプリングが接続された節点の位置となります。したがって、変位していない状態ではスプリングの移動端と固定端は同じ位置となります。

荷重・強制変位が作用し、設定した面の節点が変位すると、スプリングは変位方向に対して反応します。全方向に対して特定のバネ定数でジオメトリを拘束する場合は、この Isotropic (等方性) の設定を用います。

isotropic elastic support — 図2: 面Aに適用される等方弾性サポートのイメージ図

Orthotropic (異方性)

Orthotropic (異方性)では、各方向で異なる剛性を定義できます。下図はこのケースを詳しく説明したものです。ここで、1、2、3はそれぞれx、y、z方向に沿った変形を表しています。

バネの固定端と移動端の考え方は上述と同じです。唯一の違いは、剛性をゼロとした方向にはスプリングは作用しません。

図3では、y方向にはバネ定数がゼロと定義されています。これは、ボディがy方向には拘束されていないことを意味します。したがって、Orthotropic (異方性)は、特定の方向へスプリングが作用する状態を表現したい場合に用いられます。

orthotropic elastic support — 図3: 面Aに適用される直交弾性支持体の表現

Stiffness definition (剛性の定義)

スプリングサポートのバネの強さを表す剛性の値は Total (全体) と Distribution (分散) の2通りで定義できます。

Total (全体): 定義されたバネ定数 \([N/m]\) が面のすべての節点に適用されます。
Distributed (分散): 定義された単位面積辺りのバネ定数 \([N/m^3]\) が適用される面の領域に分散されます。

理解を深めるためには、検証事例: 弾性サポート上の自由振動 (英語) を参照してください。

弾性サポートの用途

弾性サポートにはいくつかの応用例があります。以下に2つのケースを説明します。

剛体運動の拘束

解析ケースの中には、アセンブリの一部を自由にして特定の動作を実行させる必要があるものがあります。アセンブリの部品の1つが完全に拘束されていない場合、シミュレーションの開始時に剛体運動が発生する可能性が高くなります。自由体運動の結果、解行列は発散し、シミュレーションは失敗します。

このような現象は、アセンブリの2つの部品間の物理的な接触を含む解析を実行しようとしたときによく起こります。接触が起こる前に、どちらか一方または両方の部品が拘束されていないと、解が発散してしまいます。このような場合、シミュレーションの開始時に、剛性が非常に低いバネで拘束されていないボディを保持することで、剛体運動挙動を防ぐことができます。

このアプリケーションの一例を、このドキュメントページの図1に示します。弾性サポートは、接触が発生する前にシートメタルを所定の位置に保持します。弾性サポートが指定されていない場合、シートは自由に動き、発散につながります。

詳細はシートメタルのプレス解析を行ったプロジェクトをご覧ください。

重要

剛性の値が高いと、剛性方向に沿ってボディが部分的に拘束されます。したがって、ばね剛性が結果に影響を与えないように十分に小さいことを確認してください。
良い近似値は、結果がバネ剛性に依存しなくなるまでの値です。このためには、例えば500、1000、5000など異なる剛性値で数回シミュレーションを実行する必要があります。

物理的なバネの置き換え

弾性サポートのもう一つの応用は、物理的なバネを仮想的なバネに置き換えることです。こうすることで、アセンブリ内の複雑なスプリング構造を避けることができ、計算時間を節約することができます。図4に例を示します。

fea spring model simplification — 図4: 弾性サポート境界条件を使用したバネ付きモデルの簡素化

上図は空気圧アクチュエータの例です。左側のモデルは完全な形状です。右側のモデルでは、物理的なバネが、赤くハイライトされた面に適用される弾性サポートに置き換えられています。この場合、2つのことが達成できます:

複雑なスプリング構造を避けることができます。
バネを取り除いた後、対称性のために1/4モデルのみが考慮されます。

詳しくは、バネと弾性支持を持つ空気圧アクチュエータプロジェクトをご覧ください。

最終更新日2022年5月16日