ギャップ要素

ギャップ要素とは、3D 空間で定式化される 2 つの節点から成る要素のことを指し、線形材料モデルの静解析のみで利用できる要素タイプです。

ギャップ要素は 3D 空間で指定される 2 つの終了節点によって定義されます。各要素の軸力のみが計算され、設定によっては圧縮力のみ、または引張力のみが生成されます。ギャップ要素では、要素ベースの荷重は定義されません。

圧縮ギャップは閉じるまで有効化されず、伸張ギャップは開くまで有効化されません。したがって、ギャップ要素と関連する有限要素モデルの構造的な動作は、不確定条件によって必ず非線形となります。ギャップの開閉を事前に判断することはできません。ギャップ要素の状態(開いているか閉じているか)は、反復解法によって決まります。

解析が線形となり、小たわみ理論が用いられるため、元のギャップ要素の方向における動作のみが考慮されます。横方向の動きは、ギャップ要素の状態には影響を与えません。

ギャップ要素の用途は主に 3 つあり、要素入力に関してそれぞれに独自の特徴があります。概要は次のとおりです。

用途のタイプ	要素方向	入力要素剛性
構造境界で支点反力を計算する剛性の高い支点	要素は全体座標軸 X、Y、Z と同調させる必要があります	構造内の他の垂直剛性よりも 3～4 桁大きい
空間内の構造の 2 つの面の間にある界面要素	要素はどの方向にも定義できます	構造内の他の垂直剛性と同じ桁数
構造基部と土台の間にある弾性ばね	要素はどの方向にも定義できます	基礎土壌から計算される実ばね定数

過度に剛性が高く(過度にばね剛性が高い)、全体座標系と同調しないギャップ要素は使用できません。そうした要素は非対角の値を構造剛性マトリックスに取り込み、解析が困難になります。求められる解も不正確な可能性があります。構造内の他の垂直剛性よりも桁数が 3～4 多いばね剛性が、用途のタイプ 1 の剛性の高いギャップ要素に適しています。

注: この内容は自作のギャップ要素(モデル内の 2 つの節点間、またはモデルと地盤の間に描画されたライン)に当てはまります。自動生成されたギャップ要素と接触要素(CAD モデル、2D 自動メッシュ、自作モデル)はわずかに異なります。詳細は、「メッシュ作成の概要」>「接触ペアを作成する」>「接触のタイプ」を参照してください。

ギャップ要素を使用するケース

すべての荷重下に剛性が存在するわけではない場合に、ばねまたはケーブルの効果のモデルを作成する。
1 つの荷重下の 2 つのパーツ間の接触力を検索する。

ギャップ要素パラメータ

ギャップ要素を使用する場合は、最初に[要素定義]ダイアログボックスの[タイプ]で、パーツに使用するギャップ要素のタイプを選択します。次のオプションを利用できます。

タイプ	ギャップ要素の動作
ギャップを含んだ圧縮	節点同士がお互いに向かい、ギャップ要素の元の長さと同じ距離を移動する場合のみ、要素が圧縮荷重を伝達します。計算されるパーツ間のギャップは、パーツ間に作成されたギャップと等しくなります。
ギャップ伸張	節点同士がお互いから離れる方向へ、ギャップ要素の元の長さと同じ距離を移動する場合のみ、要素が伸張荷重を伝達します。たとえばたるみのあるワイヤーやチェーンの場合、ワイヤーやチェーンが元の長さの 2 倍まで伸張すると、伸張荷重が伝達されます。
ギャップを含まない圧縮	節点同士がお互いの方向に向かうすべての動作に伴い、要素が圧縮荷重を伝達します。ギャップ要素を定義するラインは 0 単位の長さにはならないため、モデルのパーツ間には必ず物理的なギャップが存在します。このタイプの接触要素はモデルのギャップを補います。
ギャップなし伸張	節点同士がお互いから離れる方向に向かうすべての動作に伴い、要素が伸張荷重を伝達します。

次に、[剛性]フィールドでギャップ要素の剛性を定義します。剛性の概要は前の項の「ギャップ要素」を参照してください。

実際のばね(伸張または圧縮)またはチェーンのような構造(伸張のみ)を複製する場合は、既知の剛性を入力します。ロッドや単純なワイヤーの剛性(k)の計算方法は k=A*E/L となります。A は断面積、E はヤング率、L はロッドの長さです。パーツ対パーツ接触を複製する場合は、高い剛性が必要です。材料係数と同じ桁数の剛性が適しています。2 つの値の単位が異なっていても同様です(「力/長さ」と「力/長さ平方」など)。k = F/Δ という式で剛性を計算することもできます。F は要素を貫通して伝達される力、Δ は要素内の圧縮または延長です。モデルに基づき、適切な Δ を選択してください。接触力を推測できる場合は、必要な剛性を計算できます。

ギャップ要素を使用する手順

単位系が定義されているようにしてください。
モデルで線形材料による静解析を使用していることを確認します。
ギャップ要素をラインとして作成します。詳細は以下の「ギャップ要素を作成する」を参照してください。
ギャップ要素に設定するパーツの[要素タイプ]列を右クリックします。
[ギャップ]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]見出しを選択します。
[タイプ]ドロップダウンボックスで適用するギャップ要素のタイプを選択します。
- 新しい長さが 0 未満の場合のみ要素を有効化するには、[ギャップを含んだ圧縮]オプションを選択します。
- 新しい長さが元の長さの 2 倍を超える場合のみ要素を有効化するには、[ギャップ伸張]オプションを選択します。
- 新しい長さが元の長さ未満の場合のみ要素を有効化するには、[ギャップを含まない圧縮]オプションを選択します。
- 新しい長さが元の長さを超える場合のみ要素を有効化するには、[ギャップなし伸張]オプションを選択します。
[剛性]フィールドにギャップ要素の剛性を入力します。この値は必須です。
[OK]ボタンをクリックします。
必要に応じて、パーツを安定させるために剛性の低い境界要素を追加します。詳細は、「ギャップ要素による解析を実行する」を参照してください。

ギャップ要素を作成する

対応する節点を接続するラインを描画します。[作成] [作成] [ライン]コマンドを使用します。
[作成] [デザイン] [接触要素]コマンドを使用します。このコマンドによって、頂点の 2 つのセット間のラインが自動的に描画されます。変形が小さいことが想定される線形応力に関しては、通常は面と面の間に垂直な最短のラインのみが必要です。この場合は[長さを拘束]オプションを使用します。詳細は、「ジオメトリを追加する」の「モデルに接触要素を追加する」を参照してください。
ラインを 1 つの面から対応する面にコピーし、その間に複数のコピーを結合するオプションを使用します。次に、結合されたラインをギャップ要素として定義します。たとえば接触する 2 つのプレートの場合は、ギャップ要素のラインを 1 つ 1 つ描画する代わりに、次の手順に従ってください。
1. 結合させる面のどちらかのラインを選択([選択] [選択] [ライン])します。
2. [作成] [パターン] [移動またはコピー]コマンドでコピーを開始します。
3. [コピー]チェックボックスをオンにし、作成するコピーの数が 1 に設定されていることを確認します。
4. [連接]チェックボックスをオンにします。
5. コピーの総距離と方向ベクトルを設定します。距離や方向が不明な場合は、[ベクトルセレクター]ボタンを使用して 2 つの頂点をクリックします。
6. [OK]をクリックします。選択されたラインが結合する面にコピーされ、面と面の間のラインがギャップ要素になります。
7. これにより結合させる面の元のラインのコピーが作成され、これらの余分なラインは必要がなくなるので、[削除]をクリックします。コマンドの完了後も、最後に作成されたコピーが選択されたままになっています。
8. 最後に、ギャップ要素に定義できるパーツ番号とラインを結合します。通常は長方形選択([選択] [形状] [長方形)を使用して結合されたラインを選択し、右クリック後に[属性を編集]に適切なパーツ番号を入力します。長方形選択を使用する場合は、ライン全体を選択範囲に含める必要があります。パーツの面上のラインも選択されますが、それらのラインの属性は変更しないでください。解除モードを使用([Shift]キーと[Ctrl]キーを押したままにする)して、選択範囲内にある面上のラインの選択を解除します。
9. 詳細はジオメトリの変更「ツール」セクションの「既存のラインのコピーを作成する方法」の項を参照してください。

ギャップおよびサーフェスの接触要素に関する詳細は、「解析の設定と実行」>「解析を実行する」>「線形解析を実行する」>「ギャップ要素による解析を実行する」を参照してください。