有限要素法(FEM)

有限要素法(FEM)CAE(有限要素法)

はじめての金属材料 はじめての力学 はじめてのCAE はじめての設計 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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FEMを使うために必要な基礎知識:2つの応力、フォン・ミーゼス応力と主応力
FEM(有限要素法)とは:要素とメッシュについて
身近にある振動・騒音について
4つの応力(垂直・曲げ・せん断・ねじり)と2つの弾性係数(縦横)
実験とシミュレーションの結果が違ったらどうしますか?

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有限要素法(FEM)のカテゴリー一覧

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。

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。

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などについてまとめています。

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。

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。

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の連携

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。

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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はじめての金属材料

型を使った鍛造(叩いて成形)と鋳造(溶かして成形)の違い

金属材料というと車や機械に使われる鋼材や非鉄金属(アルミニウム合金など)が思い浮かびますが、製品の用途によって、鍛造や鋳造による加工品も使われています。鍛造と鋳造の基本について説明します。
はじめての設計

はじめての設計:金属加工品の材料や加工方法による公差のJIS規格

はじめての設計、単一でシンプルな部品から図面作成に慣れつつ、寸法や公差の考え方を学びます。公差は加工コストに直接影響するため、設計者は必要な公差を決め、組立品では組み立て方法も考慮します。金属に関する公差のJIS規格について説明しました。
はじめての設計

知っていてよかった第一角法と第三角法の違い。対象の見方と投影法

第一角法と第三角法は、どちらも正投影法です。第三角法の図面ばかり見てきたので、参考図が第一角法とは気づかず、現場で取りつかなかった不具合を経験しました。言葉では分かりにくいので、第一角法と第三角法の違いを座標系や投影法の図で説明します。
はじめての設計

投影図の落とし穴:第一角法と気づかず勝手違い(左右対称)に

図面の投影法には第一角法と第三角法があります。JISは第三角法、製品形状をイメージしやすい第三角法なので、第一角法は知っていればよいと考えていましたが、参考図を元に図面を描き物を作ったら現場で取り付かないトラブルに。原因と対策を考えます。
はじめての設計

初めての設計:図面に使う線の種類を意識する。代表的な線種とJIS

設計の基本は板金設計と言われますが、基本的な知識や3D CADの操作法を学んだら量をこなして図面作成に慣れることが必要です。製図は、いろいろな線を使い部品の形を作っていきます。慣れるためのトレースでも、線の種類を意識して部品を描くことが重要です。
はじめての設計

はじめての設計:応力を集中させないように設計する理由

3D CADを使い設計すると、材料や形状などの事前検討ができます。設計では、応力が集中することで部品が壊れないように、応力が集中しないようにすることが重要です。FreeCADでL字金具例に、設計で応力を集中させない理由について説明します。
はじめての設計

はじめての設計:設計(図面)と加工、計測の共通言語が幾何公差?

「初めての設計」をテーマに学びはじめて幾何公差の入り口までやってきました。3D CADへの苦手意識から幾何公差を避けていましたが、学びはじめてみると幾何公差は、設計、加工、計測と、本来のモノづくり(あるべき姿)ではないのかと考えています。
はじめての設計

はじめての設計:「JIS B 0420製品の幾何特性仕様(GPS)」幾何公差?

3D CADによる3Dモデル設計やモノづくりにおいて公差は、寸法公差から幾何公差に変わっています。設計図面の曖昧さをモノづくりの製造側で何とかしてきた時代から、NCに加え3Dプリンタによる現在のモノづくりで幾何公差が必要だということです。
はじめての設計

はじめての設計:一品物(手作り品)と量産物の公差計算方法の違い

モノづくりにおいて製造者(加工作業者)は、設計者が作成した図面を見て材料を加工し図面通りに仕上げますがばらつきが出ます。設計者はばらつきを考慮した公差を設定します。一品物(手作り品)と量産物の公差計算方法の違いについて説明します。
はじめての設計

はじめての設計:部品を組み合わせる場合の寸法と公差と設計の自由度

3D CAD(FreeCAD)では形状作成と座標軸(点)などに拘束をして仕上げていきます。3D CADによる設計では座標軸や原点を意識することが必要です。部品を組み合わせる場合の寸法と公差、座標系、自由度と拘束との関係につい説明します。
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