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バルク固体は、構造を複雑な負荷にさらします。この記事では、Altair EDEMの離散要素法(DEM)モデリングとAltair OptiStructおよびAltair SimSolidの有限要素法(FEM)モデリングを組み合わせた、バルク固体処理システムの静的構造応答を予測するための高忠実度アプローチを示します。以下に示すバンカーを例に、このタイプの構造物では重要な設計荷重ケースであることが多い、フル容量の静的ケースに分析の焦点を当てています。
この場合の負荷の複雑さは、保存されたバルク固体の不均一な空間分布の結果です。充填段階は、Altair EDEMでシミュレートされ、フル容量での最終状態とその結果の負荷を予測します。
次に、荷重を構造のOptiStructまたはSimSolid FEMモデルに転送し、線形静解析を使用して構造応答を予測します。EDEMを使用したDEMモデリングの主要なステップを最初に詳しく説明します。次に、OptiStructとSimSoidのFEMモデリングワークフローの概要を説明し、それらの比較の利点について説明します。
必要なモデルファイルはすべてここに添付されています：バンカーモデルファイル
1. Altair EDEMの充填ステージをモデル化し、構造物にかかる力をエクスポートする
バルク固体の複雑な挙動と機器部品との相互作用は、市場をリードするDEMソフトウェアであるAltairEDEMでシミュレートできます。EDEMでは、バルク固体は離散的な数値粒子を使用してモデル化されます。これは、今日利用可能なこれらの材料の最高の忠実度モデリングアプローチです。EDEMモデルの設定は比較的簡単で、ワークフローの主要な手順を次に概説します。
1.1 バンカーのCADジオメトリをインポートしてメッシュ化する
ジオメトリを右クリックし、バンカーの2Dサーフェスジオメトリを含むBunker_Shell.stpファイルをインポートします。EDEMのメッシュ密度は結果に影響を与えず、デフォルトのメッシュ設定を使用できますが、モデルのパーツ数を減らすためにセクションのマージオプションが有効になっていることを確認してください。
1.2 GEMMデータベースからバルク固体材料モデルを選びます
バルクマテリアルで右クリック、GEMMウィザードを開きます：
以下のプロパティを使用します：
| System size | Large |
| Bulk density(Kg/m^3) | >2000 |
| Angle of repose(deg) | 40 |
| JKR(J/m^2) | 40 |
| Wall friction | High |
以下のバルク固体および機器材料は、EDEMによって自動的に定義されているはずです。
1.3 バルク材料をバンカーに導入するためパーティクルファクトリーを定義する
粒子注入口のEDEMにボックスジオメトリを作成して配置します。
ジオメトリで右クリックしてファクトリーを作成します。
質量流量、作成する総質量、初期粒子速度を以下のように定義します。初期速度ダイアログは、歯車をクリックすることでトリガーされます。
1.4 EDEMシミュレーターからシミュレーションを解く
1.5 EDEMからジオメトリ接触力をエクスポートします
EDEM AnalystからFile->Exportに移動し、OptiStructを使用する場合はHyperMeshデータ、SimSolidを使用する場合はSimSolidデータを選択します。どちらの場合も、以下の設定を使用して、充填の最後にバンカー壁の接触力をエクスポートします。
2. Altair OptiStructでのバンカーのモデリング
OptiStructは、Altairの忠実度の高いFEMソルバーであり、線形解析と非線形解析の両方が可能で、幅広い構成モデルと広範なトポロジー最適化機能を備えています。Altair HyperMeshとAltair HyperWorksをプリプロセッサとして使用する古典的なメッシュベースのFEMソルバーです。この例のモデリングは、OptiStructソルバーインターフェイスを使用してAltairHyperWorksで実行されます。 この例のモデリングは、OptiStructソルバーインターフェイスを使用してAltairHyperWorksで実行されます。
2.1 バンカーのCADジオメトリをインポートしてメッシュ化
FIle->Import->Geometry Model に移動し、バンカーの 2D サーフェスジオメトリを含む Bunker_Shell.stp ファイルをインポートし、以下の設定で一般的な 2D メッシュを使用してメッシュします。
2.2 材料とシェルセクションのプロパティを定義して割り当てます
この構造は、構造用鋼の弾性定数を備えた線形弾性等方性材料で作られた2Dシェルとしてモデル化されています。 以下のように定義する必要があります。
2.3 境界条件と荷重を定義します
補強材の付け根とバンカーの出口にあるすべてのノードは完全に拘束されている必要があります。
EDEMからの力フィールドは、線形補間オプションを使用してインポートされます。このオプションでは、OptiStructが要素の重心の検索半径内の力を要素ノードに自動的にマッピングします。あまり広く力を分散させないために、探索半径を要素サイズに近づけておくことをお勧めします。力ベクトル場内にあるノードにのみ力を適用するため、フィルギャップオプションを無効にする必要があります。力場は以下に示すように、EDEMの粒子材料分布に対応しています。
2.4 静的線形荷重ステップを定義し、モデルを解く
以下のように静的線形荷重ステップを定義します。この場合、EDEMとBCの力は、それぞれEDEMからの力場と境界条件を含むロードコレクターです。 これで、モデルを解決できるようになりました。
Altair HyperViewで.h3dファイルを開くと、結果が視覚化され、以下に示すように構造の複雑な応力状態が表示されます。
3. Altair SimSolidでのバンカーのモデリング
SimSolidは、アルテアの最先端のメッシュレスFEM解析スイートです。高度に自動化されたワークフローとメッシュに依存しないソルバーにより、従来のFEMモデリング手法に必要なエンジニアリング時間のほんの一部で、完全に機能したCADアセンブリの構造解析が可能になります。ソルバー機能に関してはOptiStructほど広範囲ではありませんが、線形解析と非線形解析の両方が可能ですが、3次元のソリッドCADジオメトリのみに制限されています。
3.1 バンカーのCADジオメトリをインポートしてコンポーネント接続を自動生成します
プロジェクト->ファイルからImpotを取得し、バンカーの3次元ソリッドジオメトリを含むBunker_Solid.stpファイルをインポートします。SimSolidはメッシュレスFEMソルバーを使用するため、メッシュ作成は不要です。ジオメトリコンポーネント間の接続はSimSolidによって自動生成でき、遠くのコンポーネントを接続することによってモデルが過度に強化されないように、十分に低い許容誤差を定義する必要があります。プロンプトが表示されたら、以下に示す設定を使用します。
3.2 材料の定義と割り当て
[アセンブリ]で[材料の適用]ボタンをクリックし、材料モデルデータベースから鋼をロードして、[すべての部品に適用]ボタンをクリックします。
3.3 境界条件の定義とEDEMロードのインポート
上部リボンから構造的な線形荷重ステップを作成し、すべての補強材とバンカー出口のベースに移動不可能なサポートを追加します。モデルにはメッシュがないため、選択はノードではなくサーフェスによって行われます。
EDEMロードをインポートするには、Apply forces -> Imported Forces -> Import from csv を選択し、EDEMからエクスポートされた.csvファイルをロードします。
3.4 解析の実行とポスト処理結果
これで、モデルを解くことができ、結果を[結果]タブで視覚化できます。結果は、OptiStructの従来のメッシュベースのFEMソリューションによって得られた結果と非常によく似ており、SimSolidメッシュレスFEMソルバーの有効性を示しています。
4. さらなるリソース
Altair EDEM の使用を開始するには、以下を参照してください：4 steps to accelerate your EDEM learning curve!
Altair OptiStruct for linear analysis の使用を開始するには、以下を参照してください：OptiStruct for Linear Analysis E-learning
Altair SimSolid の使用を開始するには、以下を参照してください：SimSolid Quick Start v2022 eLearning