疲労解析に挑戦、強度設計における繰り返し荷重を評価する：実例で学ぶステップアップ設計者CAE（9）（2/4 ページ）

初心者を対象に、ステップアップで「設計者CAE」の実践的なアプローチを学ぶ連載。詳細設計過程における解析事例を題材に、その解析内容と解析結果をどう判断し、設計パラメータに反映するかについて、流れに沿って解説する。第9回は、強度設計において、繰り返し荷重を評価する際に用いられる「疲労解析」を取り上げる。

[土橋美博／飯沼ゲージ製作所，MONOist]

3．解析実行

　解析条件や解析対象については以下の通りです。

解析条件（1）

1. エアシリンダ径：Φ25［mm］
2. シリンダロッド径：Φ12［mm］
3. エア圧力：0.3〜0.7［MPa］（※注1）
4. エアシリンダ出力推力（押し出し側）：147.26〜343.61［N］（※注1）

※注1：エア圧力、エアシリンダ出力推力は、最も負荷のかかる条件として大きい方で検証を行った。

解析対象（1）

図2　解析対象1：エアシリンダロッド先端に取り付けられた部品 ［クリックで拡大］

解析条件（2）

• 材質：ポリアセタール樹脂（POM）
  　⇒SOLIDWORKSデータベースの特性値が不十分であったため、インターネットで機械特性値を調べ、ユーザー定義の材料として使用
• 先端径：Φ12［mm］
  　⇒エアシリンダロッドのネジ穴取り付けとするが、解析を行う上ではΦ5［mm］の軸部とし、この部品のロッド先端の面に343.61［N］の荷重が作用すると想定

固有値解析

　まず、固有値解析を実行します。これにより、どこの部分が弱そうなのか、その方向を予測できます。

図3　固有値解析結果（1〜4次モード） ［クリックで拡大］

　この部品では、ネジ部は固定されている状態であるため、部品の径が変化する箇所にその方向が見て取れます。

応力解析

　続いて、応力解析です。正常な状態の場合、軸心と荷重の方向は同じになります。この状態で応力を求めてみます。

図4　応力解析結果（上：von Mises応力／下：最小主応力） ［クリックで拡大］

　図4から、最小主応力の最小値の部分（青色の箇所）で圧縮応力が高いことが分かります（※「補足」参照）。

補足：

　強度理論には、次の3つの仮説があります。

• 最大主応力説
• 最大せん断応力説
• せん断ひずみエネルギー説

　最大主応力説は、部材の内部に発生する最大となる主応力が、材料の強度に達したときに破損が発生するという考え方で、この主応力は大きさと方向を持ちます。最大主応力は引張応力、最小主応力は圧縮応力となります。最大主応力の結果表示のプラス値は引張応力を示し、マイナス値は圧縮応力を示します。最小主応力の結果表示では、このマイナス値が大きければ大きいほど、圧縮応力が高いことを示しています。

　応力解析の結果を確認したところ、降伏点を超えていないので問題はなさそうです。