有限要素法(FEM)

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有限要素法入門 基本的な振動モード形 固有値解析

FreeCADのFEM(有限要素法)による振動解析(固有値解析)などのシミュレーションについてまとめています。

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有限要素法(FEM)入門

「製品の品質とコストの8割は、設計段階で決まる」と言われています。3D CADやシミュレーションツール(CAE)を設計ツールとして活用することで、設計力の強化にもつながります。

有限要素法(FEM)を使ったシミュレーションには、解析目的により様々な工学的な知識が必要です。有限要素法(FEM)を使う際の基本的な知識として、材料力学などについてまとめています。

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解析モデルの基礎知識

FEMで解析する場合3D CADの設計データ(形状モデル)を使うことが多いと思います。シミュレーションの目的に応じた解析モデルの簡素化、解析モデルと実際の加工などについて説明しています。

FEMを使うために必要な基礎知識

製品設計でよく使われるFEM(有限要素法)によるシミュレーションが、応力解析です。

設計者は、使用する材料、製品の形状などの設計条件を満足できるのか、複数の設計案の中でどれがよいのかなどをFEMの応力解析で検証や比較をすることができます。

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設計に関する基礎知識

図面を見て作られたモノの寸法はある幅(公差)に収まるように作られます。初心者向けに材料選択のについてまとめています。

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パスタブリッジでモノづくり体験(設計・組立・評価)

現在のモノづくりでは、製品の一部の部品だけ、設計だけ、作るだけ、評価するだけといった役割分担が進み、設計者が自分で設計したモノを見たり、手に取ったりするリアルな機会が少なくなっています。

パスタブリッジ研修の運営側として参加したことがありますが、参加者の声を聞くと、自分たちで考え、設計し、自らの手で作るとてもよい経験になったようです。

パスタブリッジで構造力学を学ぶ:設計・組立・評価(荷重試験)まで
3D CADを設計ツールとしたモノづくりが主流となり作図工数が増え、自分で設計したモノを実際に目にしたり、手に取る機会が少なくなっています。パスタブリッジは構造力学を体感するだけでなく、1人ではできないモノづくりを知るよい機会になります。
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FreeCADで始める固有値解析入門

金属バットを例にFreeCADの固有値解析による振動モード解析についてまとめています。

FEMによる振動現象の解析(固有値解析)

  • 設計開発における実験・計測とシミュレーションの概要
  • 固有値解析の流れとポイント
  • 振動解析を行う場合の注意点
  • CAE(主としてFEM)を使う際のポイント
  • FEM(FreeCAD)による振動モード解析について、金属バットの固有値解析を例に説明しています。
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基本的な振動モード形

平板を解析対象に選び、境界条件(拘束条件)による基本的な振動モードの違いについて紹介しています。

基本的な振動モード形
FEM(固有値解析)による平板の基本的な振動モード形についてまとめています。固定条件フリー、片端固定(タワー)、両端固定(橋)、周辺固定の振動モード形を紹介しています。また、FEMの解析自由度と剛体モードについても説明しています。

実験とシミュレーションによるホームランの振動解析

ホームランについて振動面から仮説を立て、

  • ハンマリング試験による実験モード解析
  • FEMよる固有値解析

の結果を使い、実験とシミュレーションを連携させる例としてまとめています。

ホームランの振動解析:実験モード解析とFEMによる仮説と検証
実験とシミュレーションの連携事例として、振動解析によるホームランの仮説と検証を章かします。バットのハンマリング試験で得た周波数応答関数(伝達関数)から作成した振動モード形とFreeCADの固有値解析結果を比較し仮説を検証します。

実験とシミュレーションによるジャンプ台(飛び板飛び込み)の振動解析

ジャンプ台(飛び板飛び込み)の振動解析と題して、片持ち梁の実験モード解析とFEMによる固有値解析例を紹介します。

片持ち梁とは、平らな長板(平板)の一端を固定したものです。プールにある飛び込み台のような構造です。

実験とシミュレーションによるジャンプ台(飛び板飛び込み)の振動解析
実験とシミュレーションによるジャンプ台(飛び板飛び込み)の振動解析について、FEMの固有値解析、実験モード解析(周波数応答関数からの簡易的な振動モード形の作成)、振動モード形状の考察、飛び板飛び込みについての一考察について説明します。
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有限要素法(FEM)

実験屋は実験から。では、設計初心者はCAEを何から始めるだろうか

このブログ記事から「FreeCADで始めるCAE設計入門」と「ハンマリング試験から始めるモード解析入門」をKindle出版しました。本を書きたいとの思いを実現したKindle本の販売実績から売れている理由やCAEと実験との違いを考察します。
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設計初心者が設計の参考にできる材料選択の標準はありますか?

モノづくりにおいて、材料選択は設計のQCD、品質、コスト、納期(生産期間)に直接影響する重要なプロセスです。類似製品の図面データからコピーするだけで、材料を選択しないことに疑問さえ持たなくなっていませんか?材料選択の標準について説明します。
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ものづくり白書2020:製品品質とコストの8割を決める設計力強化

製品の品質とコストの8割は設計段階で決まると言われています。一方でコスト削減の8割は製造コストによるとも言われ、メーカーの体力勝負になっている一面もあるようです。「2020年版ものづくり白書」を引用しながら設計力の強化について説明します。
2021.02.27
有限要素法入門

FreeCADでFEMモデルによる変位と応力解析結果の違いを知る

3D CADで形を作るだけでは設計者とは言えません。CADの直角は90度ですが実際に直角を作るためには特殊な加工が必要です。90度の角部に応力集中が発生し実物と違う結果になることもあります。L字金具を例に形と変形や応力について説明します。
2021.02.27
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FEMによる応力解析の注意点:モデル形状、荷重や拘束による特異点

応力解析は設計者がよくつかうシミュレーションです。特異点というと難しそうですが、CADで描く図面上の形状と実際のモノの違いや応力シミュレーションをする際のモノの固定方法(拘束条件)、外力(荷重条件)の設定の際の注意点と考えています。
2021.02.27
有限要素法入門

3D CADで作成する形状モデルと実際のモノとの違い(集中応力)

図面では円は真円、直角は90度ですが、通常の加工では真円も直角も実現できません。この現実を知り材料や加工の知識を使い3D CADで図面を描くのが、設計者としてのはじめの一歩と考えています。応力解析の際注意が必要な形状について説明します。
2021.02.27
有限要素法入門

FEMで使う解析モデルの簡素化が必要な理由と簡素化例

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パスタブリッジで構造力学を学ぶ:設計・組立・評価(荷重試験)まで

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2021.02.27
有限要素法入門

モデラーから設計者に:CAEで変形量と応力のシミュレーション

3D CADは製図をするだけでは工数が増えるだけでメリットがありません。設計モデルによるシミュレーション(変形量、ミーゼス応力)、モデルの再利用、設計ノウハウの蓄積と活用などにより、設計(設計力)のレベルアップにつなげることができます。
2021.02.27
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