CAEソフトに仕掛けられたトラップ：CAEを正しく使い疲労強度計算と有機的につなげる（1）（3/4 ページ）

金属疲労を起こした際にかかる対策コストは膨大なものになる。連載「CAEを正しく使い疲労強度計算と有機的につなげる」では、CAEを正しく使いこなし、その解析結果から疲労破壊の有無を予測するアプローチを解説する。第1回のテーマは「CAEソフトに仕掛けられたトラップ」だ。

[高橋良一／ＲＴデザインラボ 代表，MONOist]

境界条件の彼方

　今回使用したフリーソフトは「LISA」です。フリーソフトだから解析精度が悪かったわけではないようです。NastranとANSYSを疑う余地はありません。昔のANSYSのマニュアルには数多くの検証データが載っていて、理論値との比較がされています。Nastranも同じだと思います。困りましたね。「オイラ、いつもレジェンドの最大値しか見なかったけど、今までの強度計算、全部大丈夫だったのかな？」と不安になられた方がいるかもしれませんね。一つ教訓ができたと思います。以下です。

レジェンドの最大値は見るな

　レジェンドとは図14のことです。

図14　レジェンド［クリックで拡大］

　いずれ「1次要素と2次要素の違い」と「応力特異点」を説明するときに、この理由と理論値と一致した解析結果を紹介します。材料定数が原因だとは考えられないので、図9に示した境界条件に原因があるようです。境界の彼方（かなた）には何があるのでしょうか。では、次に行きましょう。

イジらないで、高橋さん

　図15のようなフレーム構造物をモノづくり現場では非常によく見掛けます。これを題材に、事例を紹介しましょう。

図15　フレーム構造物［クリックで拡大］

　図16のようにフレームが割れてしまいました。このとき「手をケガするから、イジらないで、高橋さん」と注意されました。10⁴回以上の繰り返し荷重が作用した結果です。ギリギリ高サイクル疲労に分類されるでしょうか。フレーム交換だけでは済まないようで、もっと長い寿命に設計変更しなければなりません。取りあえず解析してみましょう。

図16　フレームの金属疲労例［クリックで拡大］

　図17のような荷重が作用したことは分かっています。

図17　作用した荷重［クリックで拡大］

　フレームが割れた部分の第一主応力分布を図18に示します。

図18　フレームが割れた部分の第一主応力分布［クリックで拡大］

　ブラケットとの結合部で応力集中が発生しています。このような応力分布から予測されるき裂を図19に示します。しかし、実際のき裂は図20です。

図19　CAE解析から予測されるき裂の入り方［クリックで拡大］

図20　実際に発生したき裂［クリックで拡大］

　CAE解析結果を見ると、図20のようなき裂が入る応力は発生していません。もっともらしい応力分布が出たのですが、どうやら現実を反映していない応力解析だったようです。困りました……。この問題もこの辺にして、次に行きましょう。