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Ansysブログ

July 27, 2022

陽解法動解析とは

それは誰にでも起こります。あなたは携帯電話に応答するために手を伸ばしますが、掴み方が悪く、気付くとドサッ!っと硬い床に落ちてしまいました。エンジニアにとって、自由落下などのシナリオで製品がどのように耐えるかを理解することは、安全性とパフォーマンスの目標を達成するために不可欠です。このような非常に非線形で高速な状況で設計をテストするには、陽解法動解析と呼ばれるシミュレーション手法に頼る必要があります。

陽解法動解析は、速度が重要な場合に動的なシミュレーションを実行するために用いられる時間積分法です。陽解法動解析では、自由落下、高速衝撃、適用荷重など、急速に変化する条件や不連続イベントが考慮されます。こうした非線形の動力学はシミュレーションに組み込まれているため、非常に過渡的な物理現象をシミュレーションする場合には、陽解法動解析が適しています。

地面に向かって落下するスマートフォン

陽解法動解析の機能

陽解法動解析ツールは、エンジニアがさまざまな課題を解決するのに役立ちます。

  • 短時間、複雑、または変化する物体相互作用（接触）
  • 準静荷重（低ひずみ速度）
  • 高速および超高速の衝撃
  • 材料の大変形を引き起こす極めて大きな荷重
  • 材料破壊
  • 材料の破砕
  • 貫通メカニズム
  • 宇宙デブリの衝突（超速度）
  • スポーツ用品のデザイン
  • 非線形塑性応答を伴う製造プロセス
  • 落下試験シミュレーション
  • 爆発荷重
  • 爆発成形
  • 爆風と構造物との相互作用
複雑さに基づいて、準静的、衝突、落下試験、爆発の順に陽解法動解析問題を示すグラフ

図1: Ansysの陽解法動解析ツールにより、問題の詳細やユーザーの専門知識に基づいて、複雑さに応じてさまざまな解析の要求事項を満たせます。

Ansysの陽解法動解析とは

製品が衝撃や短時間で大きな圧力荷重に耐えられるようにする必要がある場合は、Ansysの陽解法動解析ソリューションを使用して設計を改善できます。特殊な問題には、製品またはプロセスの振る舞いに対する設計上の考慮事項の影響を正確に予測するための高度な解析ツールが必要です。このような複雑な状況に関する知見を得ることは、実機試験を行うにはコストがかかりすぎる、または不可能な場合に特に重要です。

Ansysの陽解法動解析スイートを使用することで、非線形性が高く、過渡的で動的な力を受ける製品の短時間イベントの物理特性をとらえることができます。当社の専門的かつ正確で使いやすい陽解法動解析ツールは、ユーザーの生産性を最大限に高めるように設計されています。

エンジニアは、Ansysを使用することで、構造が極度の荷重を受けたときにどのように応答するかを把握できます。第一原理に基づいたアルゴリズムは、材料の大変形や破壊、物体相互作用、急速に変形する構造と流体の相互作用など、複雑な応答を正確に予測します。非常に複雑な問題、特に高いひずみ速度を伴う問題や、汎用的な陰解法では収束が困難な現象は、高度かつ最先端の数学アルゴリズムを使用して解くことができます。

一般的な問題のほとんどについては、デフォルト設定であれば安全かつ妥当です。つまり、問題の設定と実行に費やす時間を短縮でき、製品のパフォーマンス、耐久性、コストを最適化し、設計上の問題点を除去するための時間が増えます。

多くの状況では、陽解法による解の精度は物理実験との比較によってのみ検証できます。（爆発など）問題によっては、実機試験ではコストがかかりすぎる、あるいは実行するのがそもそも不可能であるかもしれません。それにもかかわらず、Ansysを使用する世界中のユーザーは、陽解法シミュレーション結果の高い精度に大きな信頼を寄せています。

陰解法解析と陽解法解析の比較

時間依存のシミュレーションを解析するうえで、陰解法と陽解法のどちらも使用されますが、実際にどちらを使用するかは解決する問題に依存します。

若干の非線形性を伴う動的な有限要素法解析（FEA）問題を解く場合や、大きな時間ステップを使用できる場合は、陰解法解析を使用します。これには以下が含まれます。

  • 静的平衡
  • 時間がかかるプロセス、線形のプロセス、やや非線形のプロセス
  • 大きな時間増分

次のような材料の変形または破壊といった急速な変化を伴う非常に複雑で非線形の問題を計算する場合は、陽解法解析を使用します。

  • 落下試験
  • 衝撃と貫通
  • 分裂
  • 衝撃波
  • 大変形
Explicit dynamics table

どの陽解法動解析ツールが最適であるか

Ansys LS-DYNA

Ansys LS-DYNAは、世界で最も頻繁に使用される陽解法シミュレーションプログラムであり、落下試験、衝撃と貫通、粉砕と衝突、乗員の安全性といったアプリケーションをシミュレーションできます。

Ansys Mechanical内のAnsysの陽解法動解析

Ansys Mechanicalは、構造、熱、音響、過渡、非線形の機能を備えたクラス最高レベルの有限要素法ソルバーであり、複雑な構造工学問題を解析できます。

Ansys Autodyn

Ansys Autodynには、液体、固体、気体の相互作用、物質の相転移、衝撃波の伝播、爆発など、複雑な物理現象を表現するためのさまざまなモデルが用意されています。

極めて過渡的かつ非線形なシミュレーションを解析するためには、時間積分法の選択として陽解法動解析が推奨されます。業界をリードする陽解法シミュレーションソフトウェアについては、Ansys LS-DYNAのマルチフィジックスソルバーをご覧ください。

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