OS-HM-T:3010 関節炎の指、非線形静解析

チュートリアルレベル：中級本チュートリアルでは、超弾性材料と接触を伴う非線形陰解法解析をOptiStructで実行する方法を説明します。

開始する前に、このチュートリアルで使用するファイルを作業ディレクトリにコピーします。
図 1. モデルと荷重の詳細


図 1は、本チュートリアルに用いられる構造モデルを示しています。超弾性インプラントの両端に骨が結合されています。モデルの一端には9Nの力がかかり、もう一端ではすべての自由度が拘束されています。

関節炎の指は、超弾性材料を使用してモデル化されており、指を90度回転させるために、9Nの力が指に加えられます。TIE接触について、ひずみ、変位、応力の結果が解析されます。

以下の演習が含まれます：
  • 超弾性材料の作成
  • 超弾性特性の作成
  • 境界条件と作用荷重のセットアップ
  • インプラントと骨の間の接触の定義
  • 非線形陰解法のパラメータの定義
  • NLSTAT解析のセットアップ
  • ジョブのサブミットと結果の確認

Launch HyperWorks

  1. Launch Altair HyperWorks.
  2. In the New Session window, select HyperMesh from the list of tools.
  3. For Profile, select OptiStruct.
  4. Click Create Session.
    図 2. Create New Session


    This loads the user profile, including the appropriate template, menus, and functionalities of HyperMesh relevant for generating models for OptiStruct.

Import the Model

  1. On the menu bar, select File > Import > Solver Deck.
  2. In the Import File window, navigate to and select Arthritis_Finger.fem you saved to your working directory.
  3. Click Open.
  4. In the Solver Import Options dialog, ensure the Reader is set to OptiStruct.
    図 3. Solver Import Options


  5. Accept the default settings and click Import.

モデルのセットアップ

カーブの作成

このステップでは、超弾性材料のカーブを作成します。

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Curveを選択します。
    Curve Editorのデフォルトウィンドウが開きます。
  2. 新しいテーブルを右クリックして、Renameを選択します。
  3. NameにTABLES1100と入力します。
  4. X欄とY欄に次の値を入力します：
    表 1. シンプルな引張圧縮データ値
    X（応力） Y（ひずみ）
    1.1338 1.5506
    1.2675 2.4367
    1.3567 3.1013
    1.6242 4.2089
    1.8917 5.3165
    2.1592 5.981
    2.4268 6.8671
    3.051 8.8608
    3.586 10.6329
    4.0318 12.4051
    4.7898 16.1709
    5.3694 19.9367
    5.8153 23.481
    6.172 27.4684
    6.4395 31.0127
    6.707 34.557
    6.9299 38.3228
    7.0637 42.0886
    7.1975 45.6329
    7.3312 49.3987
    7.465 53.1646
    7.5541 56.9304
    7.6433 64.2405
    図 4.


  5. Closeをクリックします。
  6. Model Browser内で、Curvesをダブルクリックし、TABLES1100を選択します。
  7. Card Imageに、ドロップダウンメニューからTABLES1を選択します。
  8. 等双軸引張の別のカーブを作成します。
    1. Curve editorウィンドウが表示されます。Newをクリックし、Name=にTABLES1200と入力してproceedをクリックします。
    2. X欄とY欄に次の値を入力します：
      表 2. 等双軸引張データ値
      X Y
      1.02 0.9384
      1.06 1.59
      1.11 2.4087
      1.14 2.622
      1.2 3.324
      1.31 4.4278
      1.42 5.183
      1.68 6.6024
      1.94 7.7794
      2.49 9.7857
      3.03 12.6351
      3.43 14.6804
      3.75 17.4
      4.07 20.1058
      4.26 22.4502
      4.45 24.653
    3. Card Imageに、TABLES1を選択します。
  9. 純せん断荷重データの別のカーブを作成します。
    1. Curve editorウィンドウが表示されます。Newをクリックし、Name=にTABLES1400と入力してproceedをクリックします。
    2. X欄とY欄に次の値を入力します：
      表 3. 純せん断荷重データ値
      X Y
      1.069 0.6
      1.1034 1.6
      1.1724 2.4
      1.2828 3.36
      1.4276 4.2
      1.8483 6
      2.3862 7.8
      3.0 9.6
      3.4897 11.12
      4.0345 12.96
      4.4483 14.88
      4.7793 16.58
      5.0621 18.2
    3. Card Imageに、TABLES1を選択します。
  10. 体積データの別のカーブを作成します。
    1. Curve editorウィンドウが表示されます。Newをクリックし、Name=にTABLES1500と入力してproceedをクリックします。
    2. X欄とY欄に次の値を入力します：
      表 4. 体積データ値
      X Y
      0.9703 60
      0.9412 118.2
      0.9127 175.2
      0.8847 231.1
    3. Card Imageに、TABLES1を選択します。

インプラント超弾性材料の定義

インプラントの超弾性挙動を定義する必要があります。

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Materialを選択します。
  2. NameにImplantと入力します。
  3. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  4. Card Imageに、ドロップダウンメニューからMATHEを選択します。
  5. MODELにドロップダウンメニューからABOYCEを選択します。
  6. TAB1にload-curveTABLES1100を選択します。
  7. TAB2にload-curveTABLES1200を選択します。
  8. TAB4にload-curveTABLES1400を選択します。
  9. TABLDにload-curveTABLES1500を選択します。

Bone材料の定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Materialを選択します。
  2. NameにBoneと入力します。
  3. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  4. Card Imageに、ドロップダウンメニューからMAT1を選択します。
  5. Eに14800と入力します。
  6. NUに0.3と入力します。

Implantプロパティの定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Propertyを選択します。
  2. NameにImplantと入力します。
  3. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  4. Card Imageに、ドロップダウンメニューからPSOLIDを選択します。
  5. Materialに、Unspecified > Materialをクリックします。
  6. ダイアログで、材料のリストからImplantを選択し、OKをクリックします。

Boneプロパティの定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Propertyを選択します。
  2. NameにBoneと入力します。
  3. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  4. Card Imageに、ドロップダウンメニューからPSOLIDを選択します。
  5. Materialに、Unspecified > Materialをクリックします。
  6. ダイアログで、材料のリストからBoneを選択し、OKをクリックします。

接触インターフェースプロパティの定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Propertyを選択します。
  2. NemeにPCONTと入力します。
  3. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  4. Card Imageに、ドロップダウンメニューからPCONTを選択します。
  5. STIFF_REAL_VALの下のSTIFFにドロップダウンメニューからHARDを選択します。
  6. MU1 OptionsのMU1に0.3を入力します。

コンポーネントへのプロパティの割り当て

  1. Implantプロパティの割り当て
    1. Componentブラウザから、Implantを選択します。
    2. Unspecified > Propertyをクリックし、リストからImplantを選択します。
      Material欄にImplantが自動入力されます。
    3. OKをクリックします。
  2. Bone1プロパティの割り当て
    1. Componentブラウザから、Bone1を選択します。
    2. Unspecified > Propertyをクリックし、リストからBoneを選択します。
      Material欄にBoneが自動入力されます。
    3. OKをクリックします。
  3. Bone2プロパティの割り当て
    1. Componentブラウザから、Bone2を選択します。
    2. Unspecified > Propertyをクリックし、リストからBoneを選択します。
      Material欄にBoneが自動入力されます。
    3. OKをクリックします。

Implantセットセグメントの定義

  1. ComponentブラウザでImplantを右クリックし、context menuからIsolateを選択します。
  2. Model BrowserでCreate > Set Segmentをクリックします。
  3. NameにImplantと入力します。
  4. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  5. Card Imageに、ドロップダウンメニューからSURFを選択します。
  6. Elementsに0 Elements > Elementsを選択します。
  7. ドロップダウンメニューでfacesを選択します。
  8. modeling windowのImplantコンポーネントのフェイスをすべて選択します。

Boneセットセグメントの定義

  1. ComponentブラウザでBone2を右クリックし、context menuからIsolateを選択します。
  2. Model BrowserでCreate > Set Segmentをクリックします。
  3. NameにBoneと入力します。
  4. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  5. Card Imageに、ドロップダウンメニューからSURFを選択します。
  6. Elementsに0 Elements > Elementsを選択します。
  7. ドロップダウンメニューでfacesを選択します。
  8. modeling windowのBone1とBone2コンポーネントの内側のフェイスをすべて選択します。
    図 5.


    図 6.


TIE接触の定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Contactを選択します。
  2. NameにTie_Contactと入力します。
  3. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  4. Card Imageに、ドロップダウンメニューからTIEを選択します。
  5. 2Secondary Entity ID用に、Unspecified > Set Segmentをクリックし、Implantを選択します。
  6. Main Entity ID用に、Unspecified > Set Segmentをクリックし、Boneを選択します。
  7. DISCRET用に、ドロップダウンメニューからN2Sを選択します。

荷重と境界条件の適用

非線形陰解法のパラメータの定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Load Step Inputsを選択します。
    デフォルトの荷重ステップ入力エディタウィンドウが開きます。
  2. NemeにNLPARMと入力します。
  3. Config Typeに、ドロップダウンメニューからNonlinear Parametersを選択します。
    デフォルトでは、タイプNLPARMが選択されています。

NLADAPT荷重ステップ入力の定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Load Step Inputsを選択します。
    デフォルトの荷重ステップ入力エディタウィンドウが開きます。
  2. NameにNLADAPTと入力します。
  3. Config Typeに、ドロップダウンメニューからTime step Parametersを選択します。
    デフォルトでは、タイプNLADAPTが選択されています。
  4. NCUTSのチェックボックスを選択し、対応するテキストボックスに 25を入力します。

NLMON荷重ステップ入力の定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Load Step Inputsを選択します。
    デフォルトの荷重ステップ入力エディタウィンドウが開きます。
  2. NemeにNLMONと入力します。
  3. Config Typeに、ドロップダウンメニューからRuntime Monitoringを選択します。
    デフォルトでは、タイプNLMONが選択されています。
  4. ITEMにドロップダウンメニューからDISPを選択します。
  5. INTにドロップダウンメニューからITERを選択します。

NLOUT荷重ステップ入力の定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Load Step Inputsを選択します。
    デフォルトの荷重ステップ入力エディタウィンドウが開きます。
  2. NemeにNLOUTと入力します。
  3. Config Typeに、ドロップダウンメニューからOutput Parametersを選択します。
    デフォルトでは、タイプNLOUTが選択されています。
  4. Nonlinear Incremental Outputに、ドロップダウンメニューからNINTを選択します。
  5. VALUEに、10と入力します。
  6. SVNONCNVチェックボックスを選択し、VALUEでYESを選択します。

CNTSTB荷重コレクターの定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  2. NemeにCNTSTBと入力します。
  3. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  4. Card Imageに、ドロップダウンメニューからCNTSTBを選択します。
  5. S0に0.01と入力します。
  6. S1に1e-05と入力します。

SPC境界条件の定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  2. Nameにspcと入力します。
  3. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  4. Analyzeリボンを開き BCs > Constraintsを選択します。
    拘束を定義するパネルが開きます。
  5. パネルの最初のドロップダウンメニューで、nodesを選択します。
  6. 2番目のドロップダウンメニューでfacesを選択します。
  7. modeling windowで、Bone1の裏面全体（すべての節点）を選択します。
  8. load typesにSPCを選択します。
  9. dofのチェックボックスをすべて選択し、対応するテキストボックスに 0.0を入力します。
    図 7.


    図 8.


Forceの定義

  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Componentを選択します。
  2. Curve editorウィンドウが表示されます。Newをクリックし、Name=にRBE2と入力してproceedをクリックします。
  3. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  4. ガイドバーでDependentを選択し、ドロップダウンメニューからfacesを選択します。
  5. Bone2の前のフェイスを選択し、をクリックします。


  6. Model BrowserでCreate > Load Collectorをクリックします。
  7. NameにForceと入力します。
  8. Colorをクリックし、カラーパレットから色を選択します。
  9. Analyze リボンを選択します。
  10. Loadsツールで、Forcesサブツールを選択します。
    図 9.


    対応するパネルが開きます。
  11. modeling windowで、RBE2のコーナー節点を選択します。
  12. magnitudeに9.0と入力します。
  13. magnitudeの下のドロップダウンメニューでx-axisを選択します。
  14. load typesにFORCEを選択します。


出力コントロールパラメータの定義

  1. Analyze リボンを選択します。
  2. Runツールグループのドロップダウンメニューで、Control Cardsを選択します。
  3. Control CardsパネルでGLOBAL_OUTPUT_REQUESTを選択します。
  4. 選択されたすべての出力パラメータ（ELFORCE、SPCF、STRAIN、STRESS）について、FORMAT(1) をH3Dに設定します。

データベースの保存

  1. File > Saveをクリックします。
  2. File NameにArthritis_Finger.hmと入力します。
  3. Saveをクリックします。

Run the Analysis

  1. Select the Analyze ribbon.
  2. In the Run tool group, select Run OptiStruct Solver.
  3. Click save as.
  4. In the Save As dialog, specify location to write the OptiStruct model file and enter Arthritis_Finger for filename.
    For OptiStruct input decks, .fem is the recommended extension.
  5. Click Save.
    The input file field displays the filename and location specified in the Save As dialog.
  6. Set the export options toggle to all.
  7. Set the run options toggle to analysis.
  8. Set the memory options toggle to memory default.
  9. Click OptiStruct to run the analysis.
    If the job was successful, new files are available in the directory where you chose to write the files. OptiStruct also reports error messages if any exist. The file Arthritis_Finger.out can be opened in a text editor to find details regarding any errors. This file is written to the same directory as the .fem file.

結果の表示

  1. Solverウィンドウで、Resultsを選択し、結果をHyperViewで開きます。
  2. HyperView、Contour を選択します。
  3. Result Typeで、1つ目のドロップダウンメニューからElement Stresses (2D & 3D) (t)を選択します。
  4. Result Typeで、2つ目のドロップダウンメニューからvonMisesを選択します。
    図 10. 荷重が作用したボーンとインプラントの要素応力コンター


    図 11. 荷重が作用したボーンとインプラントの変位コンター


    図 12. 荷重が作用したボーンとインプラントの要素ひずみコンター