ベストプラクティス

ここでは、SimSolidで解の適応性がどのように機能するか、解の適応性に影響する要因、信頼性のある一貫した結果を得るためのベストプラクティスに関する情報を提供します。SimSolidは、簡素化されていないCADジオメトリで直接機能するマルチパス適応型ソルバーです。有限要素解析ツールと同様に、SimSolidのワークフローもプリ処理、解法（ソルバーフェーズ）、ポスト処理に分類されます。

ジオメトリのインポート / 表現

SimSolidではCADサーフェスもソリッドジオメトリもインポートされず、より効率的なファセット化ジオメトリの手法が使用され、ジオメトリがファセット化ボリュームとして保存されます。.このようなファセット化ボリュームによって作成した境界上で解析を実行します。インポートオプションに用意されているさまざまな解像度レベルによって、ファセット化ボリュームで表現するジオメトリの品質が決まります。

SimSolidには、Standard、Enhanced、Fineのプリセットオプションのほか、角度偏差と弦偏差を指定できるCustomオプションがあります。解像度を上げると、ファセット数は増加しますが、それにより解析時間も増加します。Fine設定やCustom設定が、常にベストプラクティスであるわけではありません。したがって、作業対象のジオメトリと解析の目的に基づいて適切なインポート設定を選択します。

最終目的が応力解析である場合は、応力集中の原因になる可能性がある粗いファセットを避けることをお勧めします。そのような場合は、EnhancedまたはFine設定を使用します。剛性の確認が目的であれば、ほとんどの場合はStandardインポート設定が適切です。

図 1.


インポートの解像度を高くすると実行時間が長くなります。特に、Fine設定を使用すると、その傾向が強くなります。

図 2.


以下の状況では高い解像度をお勧めします：
  • 曲面があるパート：どの場合でも、高いリファインレベルの使用をお勧めします。粗いファセットで表現したジオメトリの例を次の左図、同じジオメトリを高いリファインレベルで表現した例を右図にそれぞれ示します。右のモデルは左のモデルよりもなめらかであり、実際のジオメトリを適切に表現しています。左のモデルでは、ジオメトリのボリューム全体に欠落があるほか、粗いファセットが使用されています。粗いファセットを使用すると、応力が集中する領域や非現実的な特異点が発生する傾向も強くなります。曲面のあるパートで応力を評価する場合やボリューム全体を正しく把握できないことがわかっている場合は、解像度をEnhancedまたはFineにすることをお勧めします。
  • 穴：普通、穴は応力が集中する領域であり、関心領域となります。このような場合は、粗いファセットに起因する特異点が発生しないようにします。穴や円筒形状があるパートでは、パートを目視検査します。必要に応じて少なくともEnhanced解像度でインポートし、粗いファセットに起因する特異点の発生を防止します。極端な状況の例を以下の図に示します。ここでは穴が十分な数のファセットで表現されていないために鋭角な角の特異点が発生し、穴が五角形や六角形に変化しています。
    図 3.
  • 薄肉構造：高い解像度が適切な別の状況として、シート状の金属やプラスチックなどの薄肉構造があります。薄肉構造を扱う場合は、少なくともEnhanced解像度でモデルを読み込みます。特に、モデルの厚みが1mm未満の場合に重要です。

    粗いファセットで表現した薄肉構造は、自己貫通と呼ばれる特殊な状況に陥ることもあります。自己貫通とは、問題が物理的でなくなり、数値的に不安定になるとSimSolidのソルバーで発生する行き止まり状態です。自己貫通では、底面が上面を貫通することや、逆に上面が底面を貫通することがあります。

    この問題は、その原因がジオメトリになければ、ほとんどの場合、解像度をEnhancedまたはFineとしてモデルをインポートすることで回避できます。ジオメトリに問題がある場合は、ジオメトリを修正したうえでSimSolidへ取り込みます。ジオメトリエラーのチェックを実行することで、自己貫通を当初の段階で特定できます。SimSolidでは、問題を特定するほか、シートを修復することもできます。公称厚みよりも薄い領域や厚い領域があるために自己交差が発生している例を以下の図に示します。SimSolidでこれらをすべて修復できます。パートの1つの領域を修復すると、別の領域で厚みが変化することがあります。この修復プロセスには反復性があるので、すべての問題を解決するには複数回の修復が必要になることもあります。

    図 4.

全体的なガイドライン

  • 薄肉構造、曲面、穴があるモデルの場合や応力に注目する場合は、必ず少なくともEnhanced解像度でモデルをインポートします。
  • 不要な空孔、自己交差、鋭角や粗いファセットなどの問題がジオメトリにないことを必ず確認したうえで解析の手順へ進みます。
  • マージしたパートは避けてください。

結合の忠実度

SimSolidは、通常の接触ベース、シーム溶接、スポット溶接、レーザー溶接に加え、ジョイント、ブッシング、リモート質量などの仮想コネクターの増加リストなど、さまざまな種類の結合をサポートしています。

標準結合

  • 標準結合は、パート間の接触面でのポイントクラウドとして可視化されます。
  • 自動または手動で作成できます（どちらの場合も、SimSolidは、解像度だけでなく、ギャップ/貫通トレランスも選択します）。
  • この2つの入力（近接トレランスと解像度）の調整が、現実的な結合を作成する上での鍵となります。これにより現実的な荷重経路が得られます。
トレランス
  • 結合は近接基準に基づいて検索されます。2つのパートのフェイスがギャップ / 貫通トレランスウィンドウ内にある場合、結合が確立されます。
  • 剛体モデルで、ギャップトレランスが大きすぎると、望んでいない領域で結合が生じる可能性があります。
  • ギャップ / 貫通トレランスが小さすぎると、パートは結合されないままか、不安定となる可能性があります。
  • もし切断されているパートがあれば、SimSolidは、それらもチェックできます。
図 5.


解像度
  • ポイントクラウドの密度は結合の強さを示します。ポイントクラウド内のポイント数が多ければ、パート間の結合がより強くなります。
  • 結合は、ポイントクラウドの密度を定義する解像度（normal、increased、highから指定）で作成されます。
  • increased/highの解像度は、結合を完全に定義する必要がある領域でのみ使用してください。
  • パート間の結合点が少なくとも2層必要です。
  • 応力集中の原因となるため、結合部に不連続点がないことを確認してください。
  • 通常の結合の品質は、結合レビューウィンドウのアスペクト比オプションを使用して確認できます。アスペクト比が0.1未満の結合は、パート間の結合性が良好であると判断されます。
図 6.


以下に不適切な結合の例を示します。





結合解像度にIncreased（中）を選択すると実行時間が長くなります。High（高）に設定した場合はさらに時間がかかります。

図 7.


シーム溶接

  • シーム溶接は、パート間のオーバーラップしているフィーチャーラインで、角柱状のソリッドとして作成されます。
  • パート間で手動で作成するか、インポートされたCAD溶接またはライン（.xmlファイル）を使用して作成できます。
  • SimSolid溶接を使用すると、単に固着結合を伴うソリッドボディを使用するより優れたアダプティブ手法を利用できます。
  • 現在、次の3つの状況では、SimSolidで溶接を作成することはできません。
    • エッジがオーバーハングしているチューブ
    • インポートされたソリッドで、中心線がフィーチャーラインから遠く離れている
    • 凸状エッジ
  • CAD溶接を固着結合する代わりに、SimSolidシーム溶接を使用することを強くお勧めします。

結合ツール

SimSolidには、適切な結合の作成を容易にするツールが用意されています。

切り離されたグループの表示
削除、除去、または結合される、すべての切り離されたパートのグループが一覧表示されます。
  • 切り離されたグループを必要なだけ選択してConnectを選択すると、これらを結合することができます。その他すべてを再作成する必要はありません。


標準結合の確認
設計スタディ内のすべての標準結合が、すべての関連情報と共に一覧表示されます。
  • これを使用して、見つかったギャップ / 貫通、またはポイント数で結合を並べ替えることで、問題のある結合を特定します。


すべての標準結合では、ブルシャンクを除き、自動的に固着結合が割り当てられます。

全体的なガイドライン

標準結合
  • 自動結合を適切に使用し、トレランスを低い状態に維持します。
  • 必要な場合にのみ、解像度の高い結合を使用します。
  • 結合チェックツールを使用することで、迅速にグループを結合し、問題のある結合を見つけることができます。
  • ボルト軸での結合は、常にスライドする必要があります。
  • 大きなフェイスへの仮想結合の適用は避けてください。
シーム溶接
  • 最良の結果を得るには、可能な限りSimSolid溶接を使用します。
仮想結合
  • 大きなフェイスへの仮想結合の適用は避けてください。

ジオメトリアダプティブとソリューションアダプティブ

SimSolidではジオメトリとソリューションアダプティブが可能です。これらのアダプティブ計算の精度を上げるためにさまざまな設定が用意されています。

SimSolidでは、解の精度を上げるため、ジオメトリおよびソリューションアダプティブを使用できます。ジオメトリおよびソリューションアダプティブ計算を制御するための設定が多数あります。アダプティブ計算を制御する機能はすべてSolution Settingsウィンドウにあります。応力アダプティブや剛性アダプティブなどの上位目標のほか、目的の精度を持つ解を得るためにさまざまな制御機能を備えたカスタム設定目標もあります。ここでは各目標の機能を紹介し、SimSolidで高忠実度な解を求めるためにどの目標をどの条件で使用するかについて説明します。

ここで説明するオプションは、SimSolidでサポートされているすべての解析で使用でき、個々のサブケースごとに変更や制御ができます。

ジオメトリアダプティブ

Adapt to Thin Solidsを有効にするとジオメトリアダプティブを使用できます。曲率が変化する曲面を持つパートが薄肉構造である場合は、Adapt to Thin Solidsの使用を強くお勧めします。このオプションにより、局所的な曲面の領域を特定し、自由度を追加することができ、曲率変化に適応させることが可能になります。これにより、解析の段階でジオメトリの変化を正確に取り込みます。

Adapt to Thin Solids
  • 局所的な薄い湾曲した領域の自由度を上げます。
  • 重要な領域でより正確に曲率を捕捉することにより、精度を向上させます。

波状シートの例を以下の図に示します。Adapt to Thin Solidsを有効にすると、曲面上に自由度が追加されます。Adapt to Thin Solidsを適用した場合の自由度の位置が赤い点で示されています。Adapt to Thin Solidsが有効でない場合、赤い点が少なくなります。この状態で赤い点の間にラインを描画しても、ラインによって鋭角が形成され、実際のジオメトリが正確に表現されません。これは、構造の剛性が高くなる傾向の原因となります。

薄肉構造や曲面のあるモデルを扱っているときは、応力スタディだけではなく、剛性スタディでもAdapt to Thin Solidsの使用を強くお勧めします。曲面がある機械加工パートや鋳造パートのような大型ボディを扱う場合に、この方法を適用できます。剛性に大きな違いが見られないこともありますが、忠実度が高い解法の実行や高忠実度の結果が最終的な目的であればAdapt to Thin Solidsを使用します。このオプションでは自由度が多くなるので、最終的には優れた結果が確実に得られます。
図 8.


次の2つの図は、モデルの剛性に対するAdapt to Thin Solidsの効果を示しています。これは、波状シートを対象としたフリーフリーモデル解析の結果です。1番目の図ではAdapt to Thin Solidsを使用せず、2番目の図ではAdapt to Thin Solidsを使用しています。
図 9. Adapt to Thin Solids 未使用


図 10. Adapt to Thin Solids使用


1番目のモデルは2番目よりもはるかに剛性が高く、高い周波数を予測します。2番目のモデルは低周波数を示し、局所的なモードを捕捉できます。定義が明確な有限要素解析（FE）問題と比較すると、Adapt to Thin Solidsを使用する場合は2番目のモデルの方法が適しています。
Groups
ジオメトリアダプティブで有用な別の機能としてGroupsがあります。グループの規模によってジオメトリのs初期の精度が決まります。このグループは、従来の有限要素法でのグローバルなメッシュパラメータの定義と似た考え方です。アセンブリに属するあるパートがボリュームの80%を占めている場合、このパートによって初期の精度が決まります。これよりも小さいパートでは初期の精度を特定することはできません。
従来の有限要素法においては、小さいパートを対象とする場合はメッシュ密度を高くすることが一般的です。SimSolidでも同様に、小さいパートでも十分なs精度が得られるように、ローカルグループの使用をお勧めします。初期の精度を制御するにはリファインレベルを変更します。特定のグループ、パートのグループ、またはアセンブリ全体を対象としてリファインレベルを変更できます。
図 11.


次の図は、簡単なファンのハブのモデルです。このアセンブリでは、外側の鋳造パートが他のパートよりもはるかに大きなボリュームを占めています。ブレードなどの小さいパートの分布を特定するためには、ローカルグループを作成します。これにより、小さいパートでも十分な精度が得られるようになります。
図 12.


SimSolidには、アセンブリにあるすべてのパートをその相対的な体積と共に一覧表示するツールが用意されています。パートを相対的な体積でソートしてローカルグループに追加し、関連するリファインレベルを設定できます。ローカルグループにパートを追加するときは、必ずサイズが類似したパートを1つのグループにまとめます。互いにサイズが大きく異なるパートが1つのグループに混在しないようにします。

ソリューションアダプティブ

一般的に、通常の有限要素法はモデルにメッシュを設定して解析の実行を完了すると終了します。SimSolidでは、ソリューションアダプティブと呼ばれる段階が追加されています。SimSolidはマルチパス適応型ソルバーです。指定のジオメトリアダプティブを使用して解析の1つのパスを最後まで実行し、さまざまな種類の誤差を検出し、自由度を追加することでアセンブリのさまざまなパートへのアダプティブを実行します。また、局所的な穴、拘束、結合などのフィーチャーへのアダプティブも実行します。

アダプティブパス

SimSolidには、穴周囲の応力集中を捕捉し、自由度を追加することによってこのような穴の周囲で局所的に適応する特殊な関数が用意されています。これに続いて次に続くパスを実行します。ソリューション設定で指定したアダプティブパスの回数だけ、この処理が繰り返されます。剛性アダプティブではパスが3回実行され、応力アダプティブではパスが4回実行されます。パスを7回以上実行することはお勧めできません。必要に応じてパスの回数を多くするのではなく、ローカルグループの作成をお勧めします。グループを多くするほど、またパスの回数を多くするほど関数の次数が高くなります。

独立した結合が多数あるアセンブリでは、解析を実行しようとすると数値的に不安定な動作になります。パスの数が多いとき、拘束が不十分であることを示すエラーが発生する場合は、必ず結合の状態を確認し、解像度を高くして解析を再実行します。

誤差の基準

SimSolidで問題を解くときはさまざまなパスが実行され、1つのパスが終了するたびに各種の誤差が検出されます。

  • グローバルなエネルギーの測定では、アセンブリのさまざま領域でひずみエネルギーを検出し、そのひずみエネルギーが大きい領域に局所的に適応します。
  • 変位誤差では境界周辺の誤差が検出されます。このような境界として拘束や結合の領域があります。次の図は、境界の周囲でアダプティブ計算が機能する様子を示す簡単な片持ち梁の例です。

    SimSolidでは、この支持領域で自由度を追加することによって解析が始まります。パスの最後で誤差を測定して、境界条件が満足されているかどうかが確認されます。自由度の単一点で解析するのではなく、その点を中心として解析が実行されます。したがって、自由度が追加されて、境界条件を満足するまで指定された回数のパスが実行されます。結合にも同じ手順が適用されます。
    • 単独のライン結合の使用、または独立したポイントの結合設定は避けてください。これらは、パス数が多い場合に不安定性の原因となることがあります。また、独立したポイントは、応力の増大につながりかねない不連続性の領域であることもその理由です。このような応力はパス数の増加に伴って増大します。
    • 同様の理由から、ポイントやラインに境界条件を適用しないようにします。大きな応力が集中する領域の発生を避けるにはフェイスまたはスポットに境界条件を適用します。
  • Adapt to featuresをオンにすることで、けん引誤差が有効になります。応力アダプティブでは、Adapt to featuresオプションを使用します。特定のパート、パートのグループ、またはアセンブリ全体を対象としてけん引を有効にすることができます。けん引のデータが必要な場合は、必ずAdapt to featuresを使用します。SimSolidでは、応力勾配が大きい領域を探し出し、自由度を追加することによってこのような領域に対し局所的にアダプティブ計算を実行します。すでに説明したように、SimSolidには特殊な関数があり、穴などの特定のフィーチャーに対し、デフォルトで局所的にアダプティブ計算を実行します。Adapt to featuresが有効になっていれば、フィレットやトーラス面などのさまざまなフィーチャーがあるアセンブリ全体でけん引誤差を探し出し、自由度を追加することによってそのような領域に対し局所的にアダプティブ計算を実行します。
    応力が集中する穴やスロットなどの領域が複数ある例を以下に示します。
    図 13.


    上側の図では、Adapt to featuresがオフになっています。SimSolidではデフォルトで局所的に穴の周囲に適応し、その穴の周囲の応力集中を予測します。四角形スロット周囲は、鋭角な角があることから、実際には特異領域となり、この周辺の応力は適切に捕捉されません。正確に定義された有限要素解析用データと比較する場合は、取得した応力をオフにすることもできます。Adapt to featuresを有効にすると応力分布が変化して、スロット周囲の応力集中と全体的な応力分布が良好になります。

    けん引誤差は、アセンブリの最大応力に基づくことに留意してください。最大応力に対する特定の比率範囲で、このような領域からけん引誤差が検出されます。ポイント上にある鋭角な角、独立した結合、境界の結合などの実際に特異領域と考えられる箇所によって最大応力の領域が変化し、これらの領域でのアダプティブ計算によってソルバーの機能が浪費され、このような状況は避ける必要があります。

    正確に定義された問題であれば、フィーチャーアダプティブを使用して、アセンブリのレベルで特定のパートやパートのグループ（ローカルグループを作成する必要があります）に使用できる高忠実度の応力を取得します。

例

全体的なガイドライン

  • Adapt to Featuresを使用すると、小さなフィーチャーの自由度を選択的に増やすことができます。
  • Adapt to Thin Solidsを使用すると、薄い湾曲したパートの自由度を選択的に上げることができます。
  • 以下の場合はローカルグループを使用します:
    • 特定の位置で高忠実度な応力に注目する。
    • パートの大きさが互いに大きく異なる。
    • 剛性の高い材料と柔軟性の高い材料がアセンブリに混在している。

まとめると、湾曲した薄肉のシートやパートで優れたジオメトリアダプティブを実現するには必ずAdapt to thin solidsオプションを使用します。応力が重要であれば、必ずAdapt to featuresオプションを使用します。

ローカルグループの作成がベストプラクティスとなる状況がわずかにあります。高忠実度の応力データが必要で、Adapt to stressオプションでは特定の領域で目的の応力結果が得られない場合はローカルグループを設定します。大きさが異なる複数のパートがある場合は、それらを別々のグループに追加して、より小さいボリュームパートの剛性と応力を正確に捕捉します。弾性率が大幅に異なる材料を使用したパートは対象から除外します。

大きさと剛性が大幅に異なるパートがモデルにある場合は、応力アダプティブで得られた結果をレビューした後、最後の段階でローカルグループを作成し、モデルの特定の領域で高忠実度の応力に注目します。