Elastic Stress Analysis of an Ax-symmetric Pressure Vessel by Salome-Meca2023

Salome-Mecaによる 軸対称体の弾性解析 （圧⼒容器の耐圧設計） PE/計算固体⼒学研究室 1

学習⽬標 • 軸対称体の弾性解析を⾏い，簡単な耐圧設計式へ の適⽤により整合性を確認する • 2Dスケッチを⽤いて，軸対称体のモデル作成を 体験する • AsterStudyを⽤いて，コマンドファイルを編集 し，簡単な弾性解析におけるコマンド構成を把握 する • 解析結果のテキスト印刷出⼒を⽤いて，ワーク シートによる後処理を体験する 2

解析の流れ 問題の設定 Geometry Module • 解析対象の形状，⼨法，材料特性の準備 • 解析結果処理に必要な情報の確認 • 形状の作成（2D Sketchを使⽤） • 境界条件を与える形状グループに名前をつける Mesh Module • メッシュの作成 • 要素に形状グループ名を継承 Aster Module • AsterStudyを⽤いたコマンドファイルの作成 • Studyケースの設定（コマンド＋メッシュ） • 解析の実⾏ ParaVis Module • 変形図によるおおまかな妥当性の確認 • 応⼒分布の確認 結果の評価 • ワークシートによる断⾯平均応⼒計算 3

解析対象（形状） 上下対称な容器 断⾯図 モデル化対象 （1/8容器の断⾯） 4

y (z) y (z) 素材︓炭素鋼（steel） を想定し， 内径 Di = 1000 O (0, 0, 0) 胴部半⾼さ H = 1000 ⾁厚 w = 50 解析対象（境界条件，材料特性） E = 200 GPa  = 0.3 Sm = 100 MPa 対称⾯ uy = 0 x (r) ⼨法の諸元（単位︓mm） O (0, 0, 0) とすれば、 許容圧⼒はどうなるか x (r) 境界条件 5

解析⽅法 • 軸対称2次要素を使⽤（modelisation=AXIS） • Salome-Meca2023 for windows を使⽤し， AsterStudyのAssistant機能と編集機能を⽤い てコマンドファイルを作成 • 対称⾯（GROUP_MA=Symm）上の節点に対 して、応⼒成分をテキスト出⼒する • 応⼒成分のテキスト出⼒をExcelにコピーし， 解析結果のグラフ化，分析（断⾯平均算出な ど）を⾏う 6

形状データの作成 • Geometryモジュールにある2D Sketchを使 ⽤して，容器形状の外形線を描く • 荷重（内圧）をかける⾯，後処理⽤にデータ を出⼒する⾯（対称⾯）に名前をつけておく • 形状作成までの作業をファイルに保存する 7

SalomeMecaの起動 ① run_salome.bat をダブルクリック 8

Geometryの起動 ① プルダウンメニュー から Geometry を選択 9

2D Sketchの起動 ① New Entity -> Basic -> 2D Sketch (0, 1550) (0, 1500) (0, 1000) 円弧の (500, 1000) 中⼼ (500, 0) (550, 1000) (550, 0) スケッチする図形 10

2Dスケッチの作成（直線部） ③ 始点座標を⼊⼒ X=550 Y=0 (0, 1550) (500, 0) ② 直線を確認 ④ 適⽤する (0, 1500) (0, 1000) 円弧の (500, 1000) 中⼼ ① グローバル座標系 を確認 (550, 1000) (550, 0) スケッチする図形 ※ 反時計回りにスケッチを作成 11

2Dスケッチの作成（直線部） ① 直線の終点座標を⼊⼒ X=550 Y=1000 (0, 1550) ② 適⽤する (0, 1500) (0, 1000) 円弧の (500, 1000) 中⼼ (500, 0) (550, 1000) (550, 0) スケッチする図形 12

2Dスケッチの作成（円弧部） ⑤ Fit All で全体の 形状を確認 (0, 1550) ① 円弧を選択 ② 中⼼を追加パラ メータに指定 (0, 1500) (0, 1000) 円弧の (500, 1000) 中⼼ (500, 0) (550, 1000) (550, 0) スケッチする図形 ④ 適⽤する ③ 中⼼と終点座標 を⼊⼒ X Center = 0 Y Center = 1000 X=0 Y = 1550 13

2Dスケッチの作成（直線部） ① 直線にもどす (0, 1550) ③ 適⽤する (0, 1500) (0, 1000) 円弧の (500, 1000) 中⼼ (500, 0) ② 頭部内側の座標を⼊⼒ X=0 Y=1500 (550, 1000) (550, 0) スケッチする図形 14

2Dスケッチの作成（円弧部） (0, 1550) ① 円弧を選択 (0, 1500) ② 中⼼を追加パラ メータに指定 (0, 1000) 円弧の (500, 1000) 中⼼ (500, 0) ④ 適⽤する (550, 1000) (550, 0) スケッチする図形 ③ 中⼼と終点座標 を⼊⼒ X Center = 0 Y Center = 1000 X = 500 Y = 1000 15

2Dスケッチの作成（直線部） ① 直線にもどす (0, 1550) ③ 適⽤する (0, 1500) (0, 1000) 円弧の (500, 1000) 中⼼ (500, 0) ② 中⼼内側の座標を⼊⼒ X=500 Y=0 (550, 1000) (550, 0) スケッチする図形 16

2Dスケッチの終了 ① Sketch を 閉じる 17

2Dスケッチの作成（確認） ① Geometry の中に Sketch_1 ができているこ とを確認（⽬のアイコンを 点滅させる） ② Sketch_1 の点滅 を確認 18

フェースの作成 ② New Entity -> Build -> Face を開く ① Sketch_1を選択 19

フェースの作成 ② Face の名前（Face_1）と オブジェクト（Sketch_1） を確認 ① Face を確認 （⾊が変わる） ③ 適⽤して閉じる 20

形状グループの作成 ① Face_1を右 クリック ② グループを作成 21

形状グループの作成（圧⼒⾯） ① 「線」を選択 ② 名前は「Press」 ③ 内⾯の円弧 をピック ⑦ 2つの線の 表⽰を確認 ④ 追加する ⑤ 内⾯の直線 をピック ⑧ 適⽤する ⑥ 追加する 22

形状グループの作成（対称⾯） ① 名前は「Symm」 ③ 追加する 4 ②下端の線（対 称⾯）をピック ④ 線番号を 確認 ⑤ 適⽤して閉じる 23

形状グループの作成（確認） ① Face_1の中のPress とSymmを確認 24

作業の保存（Geometryまで） ① File -> Save As... を開く 25

作業の保存（Geometryまで） ① 作業フォルダ を開く ② ファイル名は 「Study1_geom1.hdf」 ③ 保存する 26

メッシュデータの作成 • Meshモジュールを⽤いてメッシュ（有限要 素によるモデル）を作成する • 板厚⽅向にサブメッシュを定義し，分割数を 制御する • メッシュデータをファイル出⼒（エクスポー ト）する • メッシュ作成までの作業を保存する 27

Meshの起動 ① Meshモジュー ルを起動 28

Meshの作成 ③ Fit All で全体表⽰ ② -OZ の⽅向 に表⽰ ① Face_1を選択して， 表⽰させる（「⽬」 のマークをオン） 29

Mesh の作成 ① メッシュの作成 30

Mesh の作成 ① ⾃動要素分割の仮 定に四辺形を選ぶ 31

分割数の指定（全体） ① セグメントの分割 数を50とする ② OKする ③ 適⽤して閉じる 32

サブメッシュの作成 ② サブメッシュ の作成 ① Mesh_1 を 右クリック ※ Mesh -> Create Sub-mesh でも作成できる 33

サブメッシュの作成 ① Mesh_1 の中に SubMesh_1を作成し， Geometry は Symm とする ② 1Dタブ中のアルゴリ ズムから「線の離散化」 を選択 ③ 設定（⻭⾞マーク）を 開く 34

サブメッシュの作成 ① 分割数を選ぶ 35

サブメッシュの作成 ① 5分割にする ② OKする 36

サブメッシュの作成 ① 追加の仮定の設定（⻭⾞ マーク）から「反対側の エッジまで貫通」を選択 ② 適⽤して閉じる 37

メッシュの作成 ② メッシュ⽣成 （compute） ① Mesh_1 を右クリック 38

メッシュの作成（結果） ② メッシュの 情報を確認 ① メッシュの確認 ③ 閉じる 39

メッシュの確認 ① ボックス拡 ⼤する ② マウスで拡⼤表⽰し たい部分を囲むと拡⼤ される 40

⼆次要素化 ② ⼆次要素への （からの）変換 ① Mesh_1 を右クリック 41

⼆次要素化 ① 「中間節点を形状（例えば円 弧）の上に置く」をチェック ② ⼆次要素への変換 ③ 適⽤して閉じる 42

メッシュ情報の確認 ② メッシュ情報 ① Mesh_1 を右クリック 43

メッシュ情報の確認 ① 500要素が全部⼆次 要素になっている ② OK する 44

メッシュファイルの作成 ② Mesh_1 を 右クリック ③ Export -> MED fileを選択 ① Mesh_1の下にエッジグルー プができていることを確認 45

メッシュファイルの保存 ① 作業フォルダ を開く ② ファイル名は 「Mesh_1.med」 ③ 保存する 46

作業の保存（Meshまで） ① File -> Save As... を開く 47

作業の保存（Meshまで） ① 作業フォルダ を開く ② ファイル名は 「Study1_mesh1.hdf」 ③ 保存する 48

解析条件データの作成 • AsterStudy の 等⽅線形弾性⽤ Assistant 機能 を⽤いて新しい Stage を作成する • AsterStudy を⽤いてファイルのメッシュファ イルとバイナリ出⼒ファイルの割当を⾏う • AsterStudy を⽤いてコマンドファイルを修正 する • ワークシートで後処理を⾏うデータをテキス トファイルに出⼒する • 解析を実⾏する 49

AsterStudyの起動 ① Asterモジュール を起動 50

新しいステージの作成 ① Operation -> Add Stage with Assistant -> Isotropic linear elasticity 51

Assistant の起動 ① 注意書きを確認 ② 次に進む 52

メッシュの選択 ① メッシュの確認 ② 次に進む 53

モデルの選択 ① モデルには AXIS （軸対称）を選ぶ ② 次に進む 54

材料特性の⼊⼒ ① ヤング率は 200000 MPa， ポアソン⽐は 0.3 ② 次に進む 55

拘束条件の指定 ① 緑⾊のプラスをクリック すると Group 選択できる ② 編集する 56

拘束条件の指定 ① 拘束するグループ は Symm ② Y ⽅向（軸⽅向） 変位はゼロに拘束 ③ 次に進む 57

荷重（内圧）の⼊⼒ ③ Press を選ぶ ① 緑⾊のプラスをクリック して Group 選択を表⽰ ④ OK する ② 編集する ⑤ 圧⼒は 10 MPa ⑥ 次に進む 58

出⼒ファイルの指定 ① フォルダ を探す 59

出⼒ファイルの指定 ① 作業フォルダを 開く ② ファイル名は 「PressureVessel.rmed」 ③ 保存する 60

Assistant の終了 ① 終了 61

メッシュの読込み（LIRE_MAILLAGE） ① 作成されているコマンド ファイルからLIRE_MAILLAGE （メッシュの読込み）をダブ ルクリック ③ 「...」をクリックして メッシュファイルを探す ② フォーマットは バイナリ（MED） 62

メッシュファイルの読込み ① 作業フォルダ を開く ② 保存してある Mesh_1.med を選ぶ ③ 開く 63

変更の適⽤とコマンドファイルの確認 ① 適⽤する ② コマンドファイ ルが更新される ③ OK する 64

モデルの割当（AFFE_MODELE） ③ [0] 番⽬のモデル を開く ① AFFE_MODELE（モデル の割当）をダブルクリック ② なぜかモデルが 3D になっている 65

モデルの割当（AFFE_MODELE） ① モデルの対象は TOUT（=all）を OUI（=yes） ② PHENOMENE（現象）は MECANIQUE（機械）， MODELISATION（モデル 化）は AXIS（軸対称） ③ 適⽤する 66

モデルの割当（AFFE_MODELE） ③ OK する ① コマンドファイ ルの更新を確認 67

解析結果の後処理（CALC_CHAMP） ① Commands -> Post Processing -> CAL_CHAMP （場の計算）を開く 68

解析結果の後処理（CALC_CHAMP） ① 後処理結果は解析と 同じコンセプト名を継承 ② CONTRAINTE（応⼒） のアイテムを増やし， SIGM_NOEU（節点上の応 ⼒成分）を選ぶ 69

解析結果の後処理（CALC_CHAMP） ① 同様にして，CRITERES（基準） を SIEQ_NOEU（節点上の相当応 ⼒），FORCE（荷重）に REAC_NODA（節点反⼒）を追加 ③ コマンドファイル が更新される ② 適⽤する ④ OK する 70

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ① IMPR_RESU（結果 の印刷出⼒）をダブル クリック ③ 「...」をクリックして 結果ファイルを探す ② フォーマットは バイナリ（MED） 71

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ① 作業フォルダ を開く ファイル名を確認 （拡張⼦は rmed） ③ 保存 72

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ① 出⼒するRESULTAT（結果） は result(CALC_CHAMP) ② 結果は TOUT_CHAM（=all fields）を OUI（=yes）にする ③ OK する 73

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ② コマンドファイル が更新される ③ OK する ① 適⽤する 74

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ① Commands -> Output > IMPR_RESU（結果の印 刷出⼒）を開く 75

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ② 「...」をクリックして 結果ファイルを探す ① フォーマットはテ キスト（RESULTAT） 76

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ① 作業フォルダ を開く ファイル名は PressureVessel.txt ③ 保存 77

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ① RESUにアイテム を追加 ② 編集する 78

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ① 出⼒するRESULTAT（結果） は result(CALC_CHAMP) ② NOM_CHAM（場の名前） を SIGM_NOEUと REAC_NODAにする ③ 下にスク ロールする 79

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ② 出⼒する形状グループ を編集する ① IMPR_COOR（座標の印 刷）を OUI（=yes）に 80

結果の印刷出⼒（IMPR_RESU） ① Symmを選ぶ ② OK する さらに OK し， 適⽤してさらに OK する 81

コマンドファイルの保存 ① ステージ名を 右クリック ② コマンドファイルを エキスポート 82

コマンドファイルの保存 ① 作業フォルダ を開く ファイル名は Stage_1.comm ③ 保存 83

コマンドファイルの確認 DEBUT(LANG='FR') mesh = LIRE_MAILLAGE(FORMAT='MED', UNITE=2) model = AFFE_MODELE(AFFE=_F(MODELISATION='AXIS', PHENOMENE='MECANIQUE', TOUT='OUI'), MAILLAGE=mesh) mater = DEFI_MATERIAU(ELAS=_F(E=200000.0, NU=0.3)) materfl = AFFE_MATERIAU(AFFE=_F(MATER=(mater, ), TOUT='OUI'), MODELE=model) mecabc = AFFE_CHAR_MECA(DDL_IMPO=_F(DY=0.0, GROUP_MA=('Symm', )), MODELE=model) mecach = AFFE_CHAR_MECA(MODELE=model, PRES_REP=_F(GROUP_MA=('Press', ), PRES=10.0)) result = MECA_STATIQUE(CHAM_MATER=materfl, EXCIT=(_F(CHARGE=mecabc), _F(CHARGE=mecach)), MODELE=model) result = CALC_CHAMP(reuse=result, CONTRAINTE=('SIGM_NOEU', ), CRITERES=('SIEQ_NOEU', ), FORCE=('REAC_NODA', ), RESULTAT=result) IMPR_RESU(FORMAT='MED', RESU=_F(RESULTAT=result, TOUT_CHAM='OUI'), UNITE=80) IMPR_RESU(FORMAT='RESULTAT', RESU=_F(GROUP_MA=('Symm', ), IMPR_COOR='OUI', NOM_CHAM=('SIGM_NOEU', 'REAC_NODA'), RESULTAT=result), UNITE=8) FIN() 84

解析ケース（Study）の保存 ① File -> Save As... を開く 85

解析ケース（Study）の保存 ① ファイル名はStudy1_aster1とする ② 保存 86

解析ケース（Study）の実⾏ ③ 解析ケースの追加 （緑⾊のプラス） ① 解析に使うメモリ， 上限時間を確認 ④ Run ② ⾃動更新5秒毎に 87

解析ケース（Study）の終了 ① 緑マークで解析成功 を確認 88

解析結果の確認と利⽤ • ParaVisを⽤いて，解析結果を可視化し，定 性的な妥当性を確認する • 解析結果のテキストファイル（*.txt）を開 き，対称⾯の応⼒分布を確認する • 対称⾯の応⼒を Excel にコピーし，設計評 価に必要な主応⼒，相当応⼒（⼀次⼀般膜 応⼒）を計算する 89

ParaVisの起動 ① Case View タブ を開く ② rmed ファイル を右クリック ③ ParaVis で開く 90

結果の読込み ③ 適⽤する ① 読込むデータに チェックを⼊れる ② ベクトルを ⽣成する 91

変形図の表⽰ ① Filters -> Common -> Warp By Vector を開く 92

変形図の表⽰ ③ 変形を確認 ② 適⽤する ① Vectors = result_DEPL_Vector Scale Factor = 600 93

変形図上への相当応⼒のカラーコンターの表⽰ ② 適⽤する ① result_SIEQ_NOEU（節点 上の応⼒），VMIS（フォン ミーゼス相当応⼒）を選ぶ 94

結果テキストファイルの処理 ① 出⼒されたテキスト ファイルを開き，応⼒成 分の部分をコピーする 95

ワークシートへのデータのコピー ① ワークシート（ここで は Excel）を起動し，デー タを貼り付ける 96

ワークシートへのデータのコピー ① データタブ を開く ② 区切り位置の 設定 ③ 固定⻑フィー ルドを選ぶ ④ 次へ 97

データのセル区切り設定 ① 区切り位置 を調整 ③ 完了 ② 次へ 98

ワークシートでの後処理 ① 表⽰を確認 99

ワークシートでのグラフ作成 内⾯は許容応⼒を超えるが，板厚平 均応⼒は許容応⼒程度 例えば，周⽅向応⼒（最⼤主応⼒） の半径⽅向分布と板厚平均を求める 100

まとめ • 圧⼒容器の弾性解析を例題として，2Dスケッチ による形状作成，AsterStudyを⽤いたコマンド ファイル作成などを体験した • 圧⼒容器解析の結果からワークシート（Excel） を⽤いての結果後処理を体験した 101