プレート要素とは
プレート要素は、3 次元空間内で定式化される 3 節点または 4 節点要素です。これらの要素は、薄いプレートまたはシェル タイプの構造における熱伝達をモデル化する際に使用します。プレート要素のサーフェスには熱伝達荷重や輻射荷重を設定することができます。サーフェスに対して熱流束も直接指定することが可能です。プレート要素ではさらに、単位体積当たりの発熱量も設定できます。
要素を定義する線の中で最大のサーフェス番号によって、その要素のサーフェス番号が決まります。
プレート要素のパラメータ
プレート要素を使用する場合、[要素定義]ダイアログの[一般]タブにある[厚さ]フィールドでパーツの厚さを定義する必要があります。この要素はプレート要素の中立面に描画されると考えられます。したがって、[厚さ]に入力された値の半分が要素の上半分、もう半分が中立面より下の部分になると考えられます。厚さの値は、解析を実行するために必ず入力する必要があります。ただし、FEA エディタ環境の中立面メッシュから生成されたプレート要素の場合は、厚さが既に定義されています。モデルの各サーフェスの厚さの平均が計算されて、解析時に使用されます。パーツ全体で厚さを一定にするには、[一定厚さを適用]チェック ボックスをオンにして、適用する値を[厚さ]フィールドに入力します。
図 1: プレート要素の厚さ
次に、このパーツの材料モデルを[材料モデル]ドロップダウン ボックスで指定する必要があります。すべての方向の材料特性が同一で温度によって変化しない場合は、[等方性]オプションを選択します。すべての方向の材料特性が同一で温度によって変化する場合は、[温度依存等方性]オプションを選択します。材料特性が 3 つの直交する軸方向によって異なり、温度によって変化しない場合は、[直交異方性]オプションを選択します。材料特性が 3 つの直交する軸方向によって異なり、温度によって変化する場合は、[温度依存の直交異方性]オプションを選択します。
続いて、熱流の計算方法を[熱流計算]ドロップダウン ボックスで指定します。[中心投影]オプションを選択した場合、このパーツの熱流束は、フーリエの法則を使って導かれた節点温度から計算されます。[BCに基づく非線形]オプションを選択した場合は、熱伝達荷重または輻射荷重を受けるこのパーツの外面の熱流束は、熱伝達または輻射境界条件の入力パラメータおよび導かれた節点温度を用いて計算されます。このオプションは、内面の熱流束には影響しません。[境界条件に基づく線形]オプションを選択する場合、このパーツ上の熱伝達または輻射負荷による外部サーフェスの熱流束は、輻射負荷による熱流束が線形化されること以外、[境界条件に基づく非線形]オプションと同じ方法で計算されます。
輻射または熱伝達の境界条件に対する実際の熱流束が必要な場合は、 [境界条件に基づく非線形]オプションや[境界条件に基づく線形]オプションを使用するだけで済みます。実際の熱流は面の流束に基づきます。十分に精度が高い有限要素メッシュの場合は、どれを選択しても面の熱流束は等しくなるはずです。
次に、このパーツのプレート要素に使用される積分オーダを、[積分オーダ]ドロップダウン ボックスで選択します。長方形の要素の場合は、[第 2 オーダ]オプションを選択します。中程度に変形した要素の場合は、[第 3 オーダ]を選択します。過度に変形した要素には、[第 4 オーダ]を選択します。要素剛性の定式化にかかる計算時間は、積分オーダの 3 乗に比例して増大します。このため、許容できる結果が導かれる積分オーダのうち最も次数の小さいものを使用した方が、処理時間を短縮できます。
次に、[要素の法線]セクションで要素標準点を指定します。このセクションの[X 座標]、[Y 座標]、[Z 座標]の各フィールドを使用して、プレート要素のこのパーツの要素標準点を定義できます。プレート要素の上面は常に、要素標準点と反対向きになります。この設定は、物体間輻射があるエンクロージャに含まれるプレート要素の面を決定する目的で使用できます。図 2 を見てください。
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| 図 2: 要素の法線を決定する |
| プレート要素を真横から見た図を示しています。 |
プレート要素の方向を制御する
プレート要素のこのパーツに等方性または温度依存等方性以外の材料モデルを使用している場合、[要素定義]ダイアログの[方向]タブで、材料軸 1、2、3 の方向を定義する必要があります。基本的には次の 2 種類の方法で定義できます。
1 つ目は、全体軸の 1つを材料軸 1 として選択する方法です。[次を使用した材料軸方向]ドロップダウン ボックスで[全体 X-方向]オプションを選択した場合、直交する各材料軸と X 軸、Y 軸、Z 軸の対応関係は次のようになります。
- 材料軸 1: X 軸
- 材料軸 2: Y 軸
- 材料軸 3: Z 軸
[グローバルなY-方向]オプション([材料軸方向指定]でドロップダウン ボックスを使用して設定)を選択する場合、材料軸の方向は、次のように X 軸、Y 軸、Z 軸に従います。
- 材料軸 1: Y 軸
- 材料軸 2: Z 軸
- 材料軸 3: X 軸
[グローバルなZ-方向]オプション([材料軸方向指定]でドロップダウン ボックスを使用して設定)を選択する場合、材料軸の方向は、次のように X 軸、Y 軸、Z 軸に従います。
- 材料軸 1: Z 軸
- 材料軸 2: X 軸
- 材料軸 3: Y 軸
2 つ目の方法では、[次を使用した材料軸方向]ドロップダウン ボックスで[空間点]オプションを選択します。次に、[空間点の座標]テーブルで 3 つの空間点の座標を定義します。続いて、[空間点1のインデックス]、[空間点2のインデックス]、[空間点3のインデックス]の各ドロップダウン ボックスで、それぞれの空間点に対して適切なインデックスを選択します。材料軸 1 は、[空間点1のインデックス]ドロップダウン ボックスの空間点から[空間点2のインデックス]ドロップダウン ボックスの空間点に向かうベクトルになります。材料軸 2 は、ローカル軸 1 に垂直で、[空間点3のインデックス]ドロップダウン ボックスの空間点を通ります。材料軸 3 は、材料軸 1 と材料軸 2 のクロス積として計算されます。
プレート要素を使用するには
- 単位系を定義します。
- モデルで使用される解析タイプが熱になっていることを確認します。
- プレート要素にするパーツの[要素タイプ]を右クリックします。
- [プレート]コマンドを選択します。
- [要素定義]の見出しを右クリックします。
- [要素定義を編集]コマンドを選択してください。
- [材料モデル]ドロップダウン ボックスで、このパーツに適用する材料モデルを選択します。
- モデルが中立面メッシュ エンジンによって作成されたものではない場合、またはプレート要素の厚さを指定する場合は、[厚さ]フィールドに値を入力します。モデルが中立面メッシュ エンジンによって作成されている場合、および CAD ソリッド モデルの厚さを使用する場合は、[一定厚さを適用]チェック ボックスをオンにします。
- 物体間輻射を使用し、プレートの片面のみを輻射に関連付ける場合は、[要素の法線]セクションで、そのプレートの面を決めるための座標を定義します。ここに入力された座標によって、物体間輻射に関連する側の面が決まります。この座標点の反対方向を向くのがプレートの上面になります。
- [材料モデル]ドロップダウン ボックスの[直交異方性]または[温度依存の直交異方性]オプションを選択した場合は、[方向]タブをクリックして材料軸を定義します。
- [OK]ボタンをクリックします。