計算材料科学

有限要素法で、穴や切欠きのある部品の弾性応力を計算するときの考え方として正しいものはどれか。

  1. A要素の数を増やすほど丸め誤差が積み重なって誤差が大きくなるので、応力集中部も含めて、要素はできるだけ粗く大きくするのがよい
  2. B線形弾性の計算では、鋭いき裂の先端の応力も、要素を十分細かくすれば一定の有限の値に収束するので、その値を引張強さと比べればよい
  3. C近似解法なので、応力が集中する部分の要素を細かくし、要素の大きさを変えても結果がほぼ変わらないこと(収束)を確かめる
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正解:C. 近似解法なので、応力が集中する部分の要素を細かくし、要素の大きさを変えても結果がほぼ変わらないこと(収束)を確かめる

有限要素法では、構造を三角形や四角形などの小さな要素に分け、要素の中の変位を節点の変位から簡単な関数で補間します。全体の剛性方程式 [K]{u} = {F} を解いて節点の変位を求め、そこからひずみと応力を計算します。補間は近似なので、応力が急に変わる穴や切欠きの近くでは要素を細かくし、メッシュを細かくしても値が変わらなくなることを確かめるのが基本です。粗い要素ほど誤差は大きくなるのがふつうです。一方、線形弾性では鋭いき裂の先端の応力は理論上無限大なので、細かくするほど値は大きくなり続け、収束しません。そのため、き裂は応力ではなく応力拡大係数やJ積分で評価し、先端には特異要素などを使います。

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