Ansysブログ
April 28, 2020
特異なテンセグリティ構造を設計し理解する方法
エンジニア同士でよく共有されるのは、直感的ではない非常に興味深い物理系を扱う動画です。その中でも最近特に話題に上ったのは、The Action Labのフローティングテーブルで、テンセグリティ構造の珍しい性質が紹介されました。
The Acton Labのフローティングテーブルの仕組み
テンセグリティ（tensegrity、またはtensile integrity）は、連続的な張力を受けている弦（張力材）のネットワーク内に配置された、分離された圧縮材の系です。真のテンセグリティ構造では、これらの圧縮材は接触しませんが、それでも圧縮を受けます。
弦のような張力材で圧縮荷重を支えることは信じがたいですが、典型的なクレーンのように、引張強度を使用して荷重を吊り下げることを想像できます。ただし、張力材単独で圧縮を支えることはできません。適切なセットアップとバランス調整を行うことで、圧縮材の系を吊り下げることができます。
クレーンの張力材は、張力を受けている
典型的な系です。圧縮荷重を単独で支えることは
できませんが、適切なテンセグリティの
セットアップで可能になります。
このような浮動圧縮を受ける構造は、圧縮材を吊り下げている張力材から強度を得ます。結果として、これらの系では、張力材で圧縮材の系を支えられるようになります。
テンセグリティの仕組み
クレーンはそれだけでは圧縮荷重を支えることはできませんが、テンセグリティ構造を構築するための秘訣になります。
フローティングテーブルのシミュレーション
たとえば、フローティングテーブルの例では、土台と天板を構成する2つのプラスチック片に、クレーンに似た構造が含まれています。これらの構造は、中央の弦の張力を介して全体が1つに保持されます。土台部と天板部の各コーナーの3つの弦は、安定性を高めるために追加されています。
重量のバランスをとることがすべてです。クレーンのようなビームに取り付けられた張力材は、一方向にしか重量を保持できません。完璧な世界では、系に作用する唯一の力は重力であり、この中央の弦だけが必要とされる方法で系のバランスが取れています。
しかし、実際には、弦が1本しかないと、振り子のような不安定な系ができあがります。他の弦は、重量分布に応じてそれぞれの張力を変えることで安定性を高めます。
オーストラリアのクイーンズランド州ブリスベンの
ブリスベン川に架かるクリルパブリッジ（旧タンクストリートブリッジ）
こうした吊り下げ構造には、橋梁建設のための実用的な用途があります。たとえば、オーストラリアのクイーンズランド州ブリスベンにあるクリルパブリッジは、人々が水路を横断するために使用できる最も有名なハイブリッドテンセグリティ構造の1つです。クレーンのような一連の柱によって吊り下げられ、張力材を使用して構造を適切な位置で支えます。
しかし、フローティングテーブルのように、この構造がどのように元の形を保つのかを理解するのは難しいかもしれません。より良く理解するために、エンジニアは弦と3Dプリントされた部品を使用して、橋またはフローティングテーブルのモデルを構築できます。3Dプリンターを利用できない人は、レゴブロックやアイスキャンディの棒を使用して、吊り下げられたコンポーネントの構築を試みることができます。
テンセグリティ構造の設計とシミュレーションの方法
これらの構造の設計とモデル化の方法を学ぶには、フローティングテーブルのような簡単な例から始めるのが良いでしょう。
フローティングテーブルのシミュレーションでは、
圧縮材となるプラスチックのビームと張力材となるビームが示されています。
力の大部分は中央の弦に作用します。
計算を単純化するために、エンジニアはモデルの複雑さを軽減する方法を見つける必要があります。この場合、土台、クレーンのような構造、張力材は、それぞれサーフェス、ビーム、弦としてモデル化できます。そのため、ソリッドモデリングは必要ありません。
Ansys Mechanical 2020 R1では、ケーブル要素機能が追加されました。これは、以前のリンク要素がアップグレードされたものです。
これらのケーブル要素は張力が生じている場合にのみ機能し、端部は自由に回転できます。これは張力や圧縮が生じ、所定の位置に溶接されるビーム要素とは異なります。
シミュレーションが作成されると、エンジニアはそれを使用してケーブルの配置を最適化し、重量をより適切に分散して、固有振動数を考慮して構造を安定させることができます。また、ケーブルの1つが故障した場合に、吊り下げられた要素のいずれかが座屈または破損する可能性がある場合は、座屈シミュレーションを実行できます。
このシミュレーションコンセプトを橋梁設計に拡張する場合、エンジニアは可変重量分布、強風、地震などの条件に合わせて最適化する必要があります。これらのシミュレーションを使用して、土台、クレーンのような構造、ケーブルが、現場で受ける力に確実に耐えるようにすることができます。
その結果、エンジニアは設計の弱点を見つけ、構造が実世界で存続し続けることが確実になるまで最適化に集中することができます。一般的に、この最適化は、吊り下げられた物体と張力材のジオメトリ、断面、材料、および配置を変更することで達成されます。
詳細については、ウェビナー「Ansys Structures 2020 R1のアップデート」をご覧ください。
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