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機械設計と物理シミュレーションについて
2023/10/19 07:30
- 機械設計での強度計算に物理シミュレーションを活用できるか検討中
- 物理シミュレーションを用いて部品の負荷を計算する方法について調査中
- 複雑なモデルや動荷重に対して物理シミュレーションを適用するメリットについて検討
機械設計と物理シミュレーションについて
2014/12/14 22:23
機械設計で強度計算を行う際に、各部にかかる負荷を物理シミュレーションで求められないかと検討しています。
例えば、下のようなテコのモデルを考えます。
壁 F
□□□ ↓
---------------
△
A O B
ここで、
各部寸法(AO間の距離、BO間の距離)
拘束条件(Oは回転軸、A点は全拘束)
荷重F
を与えて、A点の壁に作用する反力が求められるようなソフトはありますでしょうか?
上記モデルは単純なので、手計算でも反力を容易に求められますが、モデルが複雑になった場合や、動荷重が作用する場合に計算が複雑になるので、物理シミュレーションを活用できないかと検討しています。
このような手法で強度計算を行うことは可能でしょうか?
回答 (4件中 1~4件目)
私ならば、大学等のレポートや宿題であればフリーのBulletPhysicsやODEなどの物理シミュレーションを使用することも考えます。タダですから。
でも、インストールしてプログラミングして動作させて、結果を確認して、結果の妥当性を評価して…。この程度に毛が生えた程度の物であれば、前準備と後始末に時間がかかりすぎるので、手計算やexcelで済ましそうです。
製品としての機器設計ならば、自分の強度計算結果がユーザのケガに直結するから、計算方式と計算結果が保証ものを使用します。3DCADの構造解析機構解析ソフトやANSYSとか。
>このような手法で強度計算を行うことは可能でしょうか?
すでに回答されていますが、可能か不可能か、という事であれば可能と思います。それよりも、物理シミュレーションを使うことが「妥当」か? という点で評価すべきと思います。私は「妥当ではない、なじまない」と思います。
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大まかな考えでは、機械工学と物理は、単位が異なるだけで同じ物と考えています。
ですから、数学、物理、機械工学は、理系では同じ物で、3つの単位が取れる美味しい教科。
電気系なら、物理が化学となる事が、予想できますがね。
さて、日経テクノロジー・オンラインで“くさび増力効果”を検索しますと、
仮想仕事の原理で証明ができると記載されています。
直線運動の動力計算と、回転運動の動力計算は、
トルク=力×腕の長さ を、トルク=力×半径 としたら、
2×π×半径=円周長さ、 回転数N[rpm]÷60=回転数Ns[r/sec] なり、
同じになるので、回転運動のくさび増力効果は、てこの原理ともなります。
? トルク=力(F1)[N]×腕の長さ(L1)[m]=力(F2)[N]×腕の長さ(L2)[m]
力(F1)[N]×腕の長さ(L1)[m] = 力(F2)[N]×腕の長さ(L2)[m]
例えば、力(F2)[N]が、10×力(F1)[N]なら、腕の長さ(L2)[m]
は、
(1/10)×腕の長さ(L1)[m] とならなければ、等号(=)が成り立ちません。
因って、トルクの力(F1)[N]と、腕の長さ(L1)[m]は、反比例の関係となる
回転の動力計算である
? 動力P[kW]=2×π×回転数N1[rpm]×トルクT1[kg・m]÷(102[kW換算の係数]×60[sec/min])
=2×π×回転数N2[rpm]×トルクT2[kg・m]÷(102[kW換算の係数]×60[sec/min])の
両項共通である 2×πと÷(102[kW換算の係数]×60[sec/min])を移項削除すると、
回転数N1[rpm]×トルクT1[kg・m]=回転数N2[rpm]×トルクT2[kg・m]となり、
同じ動力では、減速し回転数が少なくなるとトルクが増え、その逆で回転数が多くなる
とトルクが増える、反比例の関係になります。
そして、 回転数N1[rpm]と回転数N2[rpm]が同じなら、トルクT1[kg・m]=トルクT2[kg・m]
=力(F1)[N]×腕の長さ(L1)[m] = 力(F2)[N]×腕の長さ(L2)[m]
となり、?と同じになります。
戻って、
動力P[kW]=2×π×回転数N1[rpm]×トルクT1[kg・m]÷(102[kW換算の係数]×60[sec/min])
=2×π×回転数N2[rpm]×トルクT2[kg・m]÷(102[kW換算の係数]×60[sec/min])
= 動力P1[kW] = 動力P2[kW] は、エネルギー保存の法則で、物理でも出てくる。
ベルヌーイの定理での速度ヘッド、圧力ヘッド、位置ヘッドは一定も、エネルギー保存の
法則で、
? 圧力ヘッド ⇔ 位置ヘッド
海や湖を10m潜る毎に1[kg/cm2]又は1気圧掛かる
? 速度ヘッド ⇔ 圧力ヘッド
差圧計、差圧流量計、揚力(非圧縮流体より、圧縮流体の方が変換効率が極端に悪い)
? 速度ヘッド ⇔ 位置ヘッド
トリチェリーの定理(風呂や洗面の水が抜ける速さ計算)
パスカルの原理も、仮想仕事の原理で証明でき、
仕事=力F1[N]×移動距離[m]なので、URLの 40mm×10kg = 10mm×40kgがそれ、
また、単位時間当たりの仕事を仕事率と云いまして、それが動力なので、
動力=動力、仕事率=動力、にて、エネルギー保存の法則からの移項削除で、
多くの物が姿を変化させていますが、計算できます。
ですから、結論は、計算が可能ですか、市販ソフトはなく、係数を実験や論文から
見つけるや購入し、貴殿が製作するしかないでしょう。
それ等を、“飯の種”としている方も、沢山いますから。
はりの計算は弾性学の近似理論で求められた手法で、拘束条件により計算の
結果が変わります。そのため、一般には同一モデルの計算結果を適用して
求めます。物理シミュレーションは限定して利用することは可能でしょうが、
一般化するのは難しいと思います。はりの計算に関するサイトを下記しておき
ます。
http://www.at-system.jp/m/005_zairiki/zairiki.html
http://homepage2.nifty.com/Pixy/calchtml/index.html
http://ebw.eng-book.com/heishin/vfs/book/
>このような手法で強度計算を行うことは可能でしょうか?
直接の回答ではありませんが、
そのような方法で、部材に加わる応力を計算することは可能と思います。
計算結果の応力を用いて、変形量の計算をすることなどは、設計上有用と
思います。
その一方で、その計算結果の応力によって、強度に対する判定を下すには
根拠が不十分の可能性があります。
一般論として結果を求めるには範囲が広すぎと思いますので、具体的な
事例をお示しになることがよさそうに思います。