ケーブル疲労を考慮した斜張橋における静的・動的応答解析

直近の課題

 

☐中間発表の資料作成

☐Marc_Mentatで簡易モデル(片持ち梁をケーブルで吊った構造)解析 (21/07/20)

☑ボックス作成した斜張橋モデルで線形解析できるか確認 (21/06/21)

☑salomeで斜張橋モデル(2D・3D)を作成する (21/05/21)

☑ 今までと同様のモデルで弾塑性解析(梁モデル、ソリッドモデル・バイリニア)(21/05/21)

☑ ケーブルの軸応力を求められるようにし、分布荷重モデルの解析が可能であるかの確認。(21/05/14)

☑ 梁モデル(温度変化)のケーブル部分のノードを3つ→2つにする。節点をヒンジ設定にする。(21/05/13)

☑ salomeでケーブル要素を用いたモデル(簡易的)に対して解析可能であるのかを確認する。(21/04/26)

 
 
 

修論日誌

8月~

 
日付時間帯作業時間内容立会
8/1611:00~18:005hMarc
8/1711:00~17:005hMarc
8/1810:00~18:005hMarc
8/1910:00~18:005hMarc
8/2010:00~18:005hMarc
 

8/19(木)

中村先生
・ケーブル要素は用いない(高度な計算になり複雑になるため)
・代わりに梁要素に温度荷重を与えてケーブルのプレストレスとする
・ソリッドでの全景モデルで構造計算することは、かなり難しい
・骨組みモデルで計算する

 
 

~8/18(木)

Mark_Mentat ユーザーズガイド(例題)を実際に解いてみた
目的:Markでの構造解析のやり方を一通り学ぶため

#1Summary Comprehensive Sample Session
「3D linear elastic analysis」

Analysis type : 荷重ステップを変えた静的解析
Element type: Solid element type 7

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2108/sa2.png

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2108/sa1.png

 
 

#25 Summary Plastic Limit Load Analysis of a Simple Frame Structure

 

Analysis type : 非線形静的解析
Element type: Beam element type 52

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2108/sa3.png

 
 

7月~

 
日付時間帯作業時間内容立会
7/1910:00~18:005h ゼミ後藤さん 青木さん 石黒さん
7/2010:00~18:005h Marc操作

これまでのまとめ・整理

<大まかな流れ>・salome_mecaでケーブル(プレストレス)をどう表現するか。
↓       ・解析可能であるのか、適切な結果が出るのか
↓ keyword:・ケーブル要素
↓     ・温度変化
↓     ・線形、非線形解析
↓     ・ヒンジ

ケーブル要素…コンクリートのプレストレスとして用いられる?
       PCのような緊張力を想定している?(salomeの文献から)
ケーブル要素×
→温度変化で緊張力を再現(20℃→200℃)
・salome_meca梁モデル〇
・線形解析〇(たわみの値は中村先生と同じ)
・片持ち梁をソリッド、ケーブルを梁要素(上記と同じ条件)〇

 

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr15.png
熱応力・梁要素(ケーブル)片持ち梁【10m・集中荷重】たわみ-4.15603mm

 
 

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr16.png

・たわみ0.03373mm
・鉛直荷重1kN
・ケーブルの温度変化-200℃
・ソリッドの断面10cm×10cmの正方形、ケーブル半径10cmの円形

 

線形解析→非線形解析(弾塑性解析)
・(弾塑性)梁モデル→multfiber?(現在×)
・(弾塑性)ソリッドモデル→〇
・(弾塑性)ソリッドと梁のモデル→× salome_mecaでは弾塑性解析をするとき、すべての部材(異なる材料があるとき)に弾塑性の設定を与える必要がある(仮説)

斜張橋モデル(ソリッドと梁) 線形解析×

ソリッドモデルの弾塑性解析→結果が中村先生と異なる。ケーブルに曲げが生じている?(構造としてはありえない)ヒンジにできていない?

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tunoda/depo2.gif
scalefactor20倍

 
 

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2106/scr31.png
斜張橋モデル

 
 
 
 

7/6(火)~

接線同士を重ね合わせてヒンジ?とした。

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tunoda/depo2.gif

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tunoda/depo2.png

 
 
 

7/2(金)~

・ケーブルの断面形状を円柱→四角形

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tunoda/scr20.png

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tunoda/scr21.png

 
 

・結果(アニメーション)
300kN
http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tunoda/dep2.gif

 

試しに線膨張係数を小さく
1.2×10-5 →1.2×10-7
http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tunoda/dep3.gif

 
 

6月~

 
日付時間帯作業時間内容立会
6/210:00~18:006hゼミ 弾塑性解析後藤さん 青木さん 石黒さん
6/310:00~18:006h 弾塑性解析
6/410:00~18:006h 弾塑性解析
6/710:00~18:006hゼミ 弾塑性解析後藤さん 青木さん 石黒さん
6/810:00~18:006h 弾塑性解析
6/910:00~18:006hゼミ 弾塑性解析後藤さん 青木さん 石黒さん
6/1010:00~18:006h 弾塑性解析
6/1110:00~18:006h 弾塑性解析
6/1410:00~18:006hゼミ 弾塑性解析後藤さん 青木さん 
6/1510:00~18:006h 弾塑性解析
6/1610:00~18:006hゼミ 弾塑性解析後藤さん 青木さん 石黒さん
6/1710:00~18:006h モデル作成
6/2111:00~18:005hゼミ モデル作成後藤さん 青木さん 石黒さん
6/2211:00~18:005h モデル作成
 
 

6/28(火)~

弾塑性解析 350kN
・DEPL_自由端
http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tunoda/dep350.png

荷重(kN)変位(mm)
00
351.446695
70-0.930408
1050.564237
1402.28589
1754.37557
2106.64201
2459.06512
28011.7471
31515.1006
35019.2662
 
 

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tunoda/depl350.gif

 

6/15(火)~

【斜張橋モデルの作成】

 

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2106/scr31.png

 

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2106/scr32.png

PCがかなり重くなる...

 
 

モデルの作成方法(Geometry)は、
①まずケーブル(Line)14×4=56本を作り、それらをfuse(fuse1とする)
②主塔(Line)をつくり、同じくfuse(fuse2とする)
③床版(solid)をつくる(Box1とする)
④ケーブルの縁端部(solid側)の節点をグループ化する(54個)、載荷・固定のグループ化
⑤fuse1、fuse2、Box1、それぞれメッシュを切ってcompound
が一連の流れになる

 

・しかし現在、作成したモデルで線形解析ができない。

impossibility, the node N5 carries the degree of freedom of rotation  DRX~

エラー内容は「ノード(N5?)の回転自由度がない」といっているらしいので
fuseをせずにモデルを作成できるか模索してみる。
fuseをすると部材同士が一体化されるので、実際の斜張橋を構造的に再現できていない可能性がある。
実際の斜張橋は、ケーブルと塔との結合部はヒンジになっており回転は許されるようになっている。

 
 

6/8(火)~

【弾塑性解析】
MULTIFIBREがうまくいかないので、とりあえずニュートン法でやってみることにした
「2部材あったとき両方に構成則を与える必要がある」という制約があるらしいので
いままで梁要素(ケーブル)をソリッド(円柱)に変えてモデルを作成した。

・最初に上記のモデルで温度応力を与えた状態のみで解析可能であるか検証

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2106/scr18.png

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2106/scr19.png

 

続いて同じモデルに対して弾塑性解析(ニュートン法)できるかの検証

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2106/scr17.png

 
 

6/2(火)~

現時点でわかっていること
・POU_D_E、POU_D_T要素は非線形では使えない(単純なオイラー・ティモシェンコ梁の有限要素では
単純に増分塑性を計算することはできない。断面積分を適用する必要がある)
・代わりに使える要素→POU_D_EM、POU_D_GM(マルチファーバー)
・要素特性を定義するコマンドAFFE_CARA_ELEMの設定が必要
AFFE_CARA_ELEM
・GEOM_FIBRE
・MULTIFIBRE
の設定がうまくいかない。

  !  DEFI_GEOM_FIBRE VALE : Pour .NOMTM          $$XNOM il y a 1 valeurs, ce devrait !
  ! être un multiple de 3    

・ソリッドと梁のモデル(ソリッドだけ弾塑性)は

  ! Aucune maille du maillage mesh n'a été affectée par des éléments finis.!
  !  In the mesh" mesh" the mesh" 3531" is of type" TETRA4" (neither TRIA3 nor !
  ! QUAD4)  
 

5月~

日付時間帯作業時間内容立会
5/211:00~14:303hケーブル解析
5/610:00~18:006hケーブル解析
5/710:00~18:003hケーブル解析
5/1010:00~18:006hゼミ ケーブル解析後藤さん 青木さん 石黒さん
5/1110:00~18:006hケーブル解析
5/1210:00~18:006hゼミ ケーブル解析後藤さん 青木さん 石黒さん
5/1310:00~18:006hケーブル解析
5/1710:00~18:006hゼミ ケーブル解析後藤さん 青木さん 石黒さん
5/1810:00~18:006hケーブル解析
5/1910:00~18:006hゼミ ケーブル解析後藤さん 青木さん 石黒さん
5/2011:00~18:005hケーブル解析
5/2111:00~18:005hケーブル解析
5/2410:00~18:006hゼミ 弾塑性解析後藤さん 青木さん 
5/2710:00~18:006h弾塑性解析
5/2810:00~18:006h弾塑性解析
5/3110:00~18:006hゼミ 弾塑性解析後藤さん 青木さん 
 
 

5/24(月)~
http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr16.png

ソリッドと梁要素(ケーブル)のモデルで、温度応力を与えた解析はまわることが確認できた。
・たわみ0.03373mm
・鉛直荷重1kN
・ケーブルの温度変化-200℃
・ソリッドの断面10cm×10cmの正方形、ケーブル半径10cmの円形

梁モデル(片持ち梁をケーブルで吊った構造)の弾塑性解析は色々試して入るがうまくいっていない

 
 

5/17(木)~

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr14.png
熱応力・梁要素(ケーブル)片持ち梁【1m・分布荷重】たわみ-3.4429mm

 

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr15.png
熱応力・梁要素(ケーブル)片持ち梁【10m・集中荷重】たわみ-4.15603mm

 

5/13(木)~
・ケーブル要素を用いたモデルで今まで解析を試みていたが、一旦
モデルを梁要素で作成し、熱応力でケーブルプレストレスを再現することにした。

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr8.png http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr9.png

 

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr10.png

 

スケール10倍
http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr11.png
・集中荷重1000N
・温度−200℃
・先端のたわみ量 -4.15603mm

 
 

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr12.png
・ケーブルのはりのノードが3つになってしまっている
→メッシュの設定の Numbwr of segments でセグメント数に1を入力することで解決
・先端のたわみ量 0.03mm(ケーブルプレストレスなし)

 
 

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr13.png
・節点がヒンジになっていることを確認

 
 

5/6(木)~

・直近の課題はケーブル要素を用いた簡易的なモデルを作成して青木さんのFEM解析の結果と比較する

片持ち梁(分布)片持ち梁(先端集中)片持ち梁(分布・ケーブルあり)片持ち梁(先端荷重・ケーブルあり)
××

・固定面に載荷面が触れていても問題なく実行できた
・しかし、ケーブルの設置点と載荷部分が重なるとエラーが生じた。

  !  les 3116 mailles imprimées ci-dessus n'appartiennent pas au modèle       !
  !  et pourtant elles ont été affectées dans le mot-clé facteur : FORCE_FACE 

・対策として、
(1)載荷面をケーブルの接地点から1mmほどずらして設定し直す
(2)ケーブルはケーブル要素、四面体のボックスは3Dで分けて設定していたのを、ケーブル・ボックス含めて全体を3Dに設定且つ
ケーブルはケーブル要素に設定するに変更(ケーブルとボックスの接地点を解析に含まれるようにするため)
・次のエラーメッセージ

  ! Erreur utilisateur :                                            !
  !   Vous voulez contraindre le ddl DRY sur un ensemble de noeuds, !
  !   Mais ce ddl n'existe sur aucun de ces noeuds.                 !

(ノードが含まれていない?)

・メッシュの切り方を3Dだけ→3D且つ、アルゴリズム(補完)2D、1Dまで設定しメッシュを切る
・ケーブルの固定点のBC&Loadの設定を変えてみる
・梁だけのモデル(ケーブル要素含む)、ケーブル単体のモデルを作成
→いずれも同じエラーメッセージだった

・ケーブル要素は非線形でしか使えない可能性がある(線形では使えない)
・非線形モデルを作成して試してみる
・梁とBARRE要素を用いてモデルを作成してみる

→BARRE要素と梁を用いたモデルで解析を回してみたが同じエラーが出た

  ! Erreur utilisateur :                                            !
  !   Vous voulez contraindre le ddl DRY sur un ensemble de noeuds, !
  !   Mais ce ddl n'existe sur aucun de ces noeuds.                 !
 
 

5/2(月)

・(100,100,1000)で集中荷重も試みた
→載荷面を上面に指定
http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr5.png

・問題なく解析できた
・やはり(100,100,10000)という寸法で解析すること(片持ち梁)に無理があったのか?..

 
 

4月~

 
日付時間帯作業時間内容立会
4/110:00~18:006h3年生課題
4/5~910:00~17:006h3年生課題
4/2110:00~18:006hsalomeゼミ ケーブル要素解析後藤さん 青木さん 石黒さん
4/2210:00~17:006hケーブル要素解析
4/2610:00~18:006hゼミ ケーブル要素解析後藤さん 青木さん
4/2710:00~18:006hケーブル要素解析
4/2810:00~17:005hケーブル要素解析
4/3011:00~18:004hケーブル要素解析
 
 

4/30(金)

モデルが(100,100,10000)だったので(100,100,1000)にしてみて試してみた。
↑10cm,10cmの断面に対して、10mが長すぎるのではないかと予想

・集中荷重(先端)

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr4.png

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr7.png

・10mにしたらうまくいった

 
 

4/28(水)

片持ち梁のモデルの解析ができていないので優先して取り組むことにした。
モデルの荷重のかけ方は等分布荷重だったので、載荷面をボックスの上面に指定して解析を回していた。
→これを線載荷に変更して同様に試みた。

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/2105/scr3.png

  ! <S> Exception user raised but not interceptee.                !
  ! The bases are fermees.                                        !
  ! Type of the exception: error                                  !
  !                                                               !
  ! Solver MUMPS:                                                 !
  !  The solution of the linear system is too vague:              !
  !  Computed error:  1.58999e-05                                 !
  !  Acceptable error:  1e-06 (RESI_RELA)                         !
  !                                                               !
  !  Advices:                                                     !
  !  One can increase the value of the key word SOLVER/RESI_RELA. !

・26日のエラーとほとんど同じ

・同じモデルで集中荷重(先端)で試した
→うまくいかなかった

 
 

4/26(月)

salomeで、ケーブル要素を用いた簡易的なモデルを作成し解析を回してみた。
↑青木さんがやられていた解析プログラムで算出した値と比較する

  1. 片持ち梁モデル
  2. 片持ち梁にケーブルをつないだモデル(荷重なし)
  3. 片持梁にケーブルをつないだモデル(荷重あり)
     
    1.片持ち梁モデル
    ・(x,y,z)=(100,100,10000)
    ・鋼材E=200GPa,σ=0.3
    ・荷重1km/m(等分布)
    http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/April/scr1.png
            ! Exception user raised but not interceptee.                    !
            ! The bases are fermees.                                        !
            ! Type of the exception: error                                  !
            !                                                               !
            ! Solver MUMPS:                                                 !
            !  The solution of the linear system is too vague:              !
            !  Computed error:  5.59007e-05                                 !
            !  Acceptable error:  1e-06 (RESI_RELA)                         !
            !                                                               !
            !  Advices:                                                     !
            !  One can increase the value of the key word SOLVER/RESI_RELA. !
    ・収束判定基準がおかしい..?
     
    2.片持ち梁にケーブルをつないだモデル(荷重なし)
    ・ケーブル半径1cm、E=200GPa
    ・ケーブル張力6.233kN

http://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/j2021/tsunoda/April/src2.png

  ! <S> Exception user raised but not interceptee.                            !
  ! The bases are fermees.                                                    !
  ! Type of the exception: error                                              !
  !                                                                           !
  !  les 9 mailles imprimées ci-dessus n'appartiennent pas au modèle          !
  !  et pourtant elles ont été affectées dans le mot-clé facteur : FORCE_FACE !
 
 
 

メモ

 

2021 時間割

前期

曜日1 23 45 67 89 10
ゼミ
都市システム計画特論土質工学特論
外国語文献講読内輪ゼミ
材料設計学特論科学技術者倫理特論(後半)
地域防災学特論

後期

曜日1 23 45 67 89 10
Introduction to Systems Design Engineering(後半)
地域エネルギー特論
地域産業アントレプレナー論(前半)
構造力学特論

Marc_Mentat

Q1.ポイントやソリッドが表示されない
・(0 0 0)→0 0 0 にしてみる
・ビューのモデルエンティティタイプのポイントに☑を入れる
・ビューに合わせるをクリックする

Marc_Mentat資料

Mark_Mentat▸ヘルプ▸ユーザーズガイド▸Basics of Mentat

・日本語
・ファイル形式:Word
・自分で訳したため多少不備があるかもしれない

salome 資料

salomeキーワード

Fuse
結果:単一のソリッド。
目的:単純な形状を組み合わせることにより、複雑なモデルを構築。

Partition
結果:面を共有する2つの接続されたソリッド。
目的:モデルの個別の領域(流体/固体、コンクリート/鋼...)を確保するのに役立つ。

Compound
結果:2つの別々のソリッドを含むオブジェクトを作成。(2つのソリッドは接続されていない、単なる形状のセットでありそれ以上のもではない)
目的:図形のコレクションに操作を適用できるようにする。

 

熱応力・梁要素(ケーブル)

片持ち梁【集中荷重・1m・10m】

1. 【集中荷重・1m】(hari4)
・Geometryの作成:新しいエンティティ->基本オブジェクト->点->(0,0,0),(0,0,1000)作成
・基本オブジェクト->線->Vertex1、2->Line1作成
・点->(0,-1000,0)->Vertex2、3->Line2作成
・Fuse->Line1、Line2->Partition->Fuse1、Line1、Line2
・Line1グループ作成->node(0,0,0)-kotei->node(0,0,1000)-saika
・Line2グループ作成->node(0,-1000,0)-kotei2
・Mesh1:Line1->ジオメトリのグループ作成->ジオメトリ-Line1->node-kotei-saika
・Mesh2:Line2->Wire Discretisaition->Number of Segments->セグメント数1->ジオメトリのグループ作成->ジオメトリ-Line2->node-kotei2
・Compound_Mesh->Mesh1、2
・Astestudy:メッシュ->Read a mesh->format-Med
・Material:Model Definition->Assign finite element->Finite element->Everywhere->Mechanic->POU_D_E
・Model Definition->AFFE_CARA_ELEM->POUTRE->RECTANGLE->Group-Line1->CARA-HY-HZ->Value-100-100
・Material:Define a material->Linear isotropic elasticity->ヤング率200000->ポアソン比0.3
・Material:Define a material->Linear isotropic elasticity->ヤング率200000->ポアソン比0.3->Thermal expansion 1.17e-0.5
・BC and Load:EnforceDOF->Group node-kotei->Laison-ENCASTRE->DX~DRZ-o
・EnforceDOF->Group node-kotei2->Laison-ENCASTRE->DX~DRZ(DRX以外)-o
・FORCE_NODLE->Group node-saika->FY-1000
・Post Processing->CREA_CHAMP->Model-AFEE_MODELE->TYPE_CHAM-NOEU_TEMP_R->OPERATION-Assingment->
Group element-Line2->Value- -200->NOM_CMP-TEMP
・Material:Assigm a material->Model-model(AFEE_MODELE)->Marerial assigment->Group-Line1->mater->
Marerial assigment->Group-Line2->mater0->External state-Temperature->Reference value-20->Group-Line2->Field-unnamed5->
・Analysis->Material field->Structural element->Model->Load=Load->Solver->Method-MUMPS->RESI_RELA-0.01
・Post processing CALC_CHAMP->SIGM_NOEU->MODEl-model->Material field->fieldmat->Structural element
・Output->Set output result->Format-Med-> Result-DEPL-SIGM_NOEU

1m.comm
(commファイル:一度保存してAsterstadyでエクスポートすることによって利用可能。hdfファイルではないため、Geometry等は反映されない)

 

2. 【集中荷重・10m】(10m)
1.集中荷重1mとほとんど同じ。異なる点は、Geometryで10mのモデルを作ることとAstestudyの
SolverでNPREC->-1、RESI_RELA->20にする(収束基準・条件を緩和する)

10m.comm

 

片持ち梁【分布荷重・1m】

3. 【分布荷重・1m】(bump2)

bunpu.comm

1.集中荷重1mとほとんど同じ。異なる点は、BC and Loadで載荷のオプションを変更することのみ。

FORCE_POUTRE=_F(FY=1.0,
GROUP_MA=('saika', )),
MODELE=model)

ケーブル要素

❌線形モデル


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