PrePoMaxを用いたシェル解析

# はじめに

FEMソルバー「CalculiX」用の無償プリ・ポストプロセッサ「PrePoMax」の新バージョンでは、シェルベースの有限要素解析を行うための機能が充実しています。

作者によるYouTube操作動画の内容をQiitaの記事にしました。

https://youtu.be/SbGDWqLxsy4

作者によるYouTube操作動画はPrePoMax Version 0.9.0ですが、この記事は[PrePoMax Version 1.0.0 (18. 4. 2021)](http://lace.fs.uni-mb.si/wordpress/borovinsek/?page_id=41)を用いました。

# 概要

## 目的

PrePoMaxを用いてシェル要素を用いた解析の操作手順を習得します。

## 使用するデータ

Sheet Metal Bracket.STEP

## モデル外観および解析条件

![2021-04-25-13-17-59.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/8c9d545c-f1c2-662a-0054-aaec2107eef1.png)

## 材料

* Material LibraryのS235（等方性材料）を使用
  * ヤング率：210,000MPa
  * ポアソン比：0.3
  * 質量密度：7.85$\times$10$^{-9}$ t/mm$^{2}$

# 操作手順

## PrePoMaxを起動

PrePoMax v1.0.0を起動します。

## 「STEP形式」の「3次元モデル」の読み込み

* メニューの「File」 > 「Import」を選択
* 「開く」ウィンドウで、「PrePoMax v1.0.0」のインストールフォルダー内の「Models」フォルダー内より、「Sheet Metal Bracket.STEP」を選択して開きます。

##  単位系の設定

* 「Select Unit System:Geometry & Model」ウィンドウで、「unit system:mm,ton,s,℃」を選択します。
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-18-50.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/3abbbfae-2001-beba-d591-1ccd7fac973e.png)

## メッシュの作成

* グラフィック・ウィンドウのモデル上で右クリックし、「Meshing Parameters」を選択します。
* 「Edit Meshing Parameters:Shell_part-1」ウィンドウで、メッシュ生成条件を確認します。
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-20-06.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/325babf2-b488-98bf-c5f3-67193a83bd58.png)

* グラフィック・ウィンドウのモデル上で右クリックし、「Create Mesh」を選択してメッシュを作成します。

![2021-04-25-11-20-54.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/fe6e9f25-f67d-60a5-1888-6fca7151ae86.png)

## 荷重用の節点グループの作成

* オブジェクト・ブラウザ「FE Model」タブの「Node sets」をダブルクリックします。
* 「Set selection」ウィンドウで、「Edge angle」を選択し、角度を「50°」に設定します。
* グラフィック・ウィンドウのモデル上で荷重をかける円を選択します
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-22-47.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/81881e2e-552c-82cd-b250-47460c439f97.png)

## 荷重用の参照点を作成

* オブジェクト・ブラウザ「FE Model」タブの「Reference Point」をダブルクリックします。
* 「Create Reference Point」ウィンドウで、「Region」グループの「Create by/form」項目の値を、「Selection」をプルダウンし、「Bounding Box Center」に変更します。
* 「Node set」項目が荷重用の節点グループ「Node_set-1」であることを確認します。
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-24-06.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/60316fd1-d767-59bb-134e-cf7f76c400f1.png)

## 材料の定義・設定

* オブジェクト・ブラウザ「FE Model」タブの「Materials」を右クリックし、「Material Library」を選択します。
* 「Material Library」ウィンドウで、「Library materials」グループの「Materials」 > 「Elastiic_Models」 > 「Steel」 > 「Structural」より、「S235」を選択します。
* 右矢印で、選択した材料モデル「S235」をライブラリからFE modesにコピーします。
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-25-07.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/9a8b2d39-2adc-4851-1802-a79e8259de6c.png)

## シェルの板厚設定

* オブジェクト・ブラウザ「FE Model」タブの「Sections」をダブルクリックします。
* 「Create Sections」ウィンドウで、「Type」に「Shell section」を選択します。
* 「Data」グループより、「Thickness」を「4mm」に設定します。
* 「Set selection」ウィンドウで、「Surface angle」を選択します。
* グラフィック・ウィンドウのモデルを選択します
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-27-09.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/83d38bea-31f6-3cb9-def7-07c0ca77b2c3.png)

## 拘束点の設定

* オブジェクト・ブラウザ「FE Model」タブの「Constrants」をダブルクリックします。
* 「Create Constrants」ウィンドウで、「Type」に「Rigid body」を選択します。
* 「Control point」グループの「Reference point」項目の値が「Reference_point-1」であることを確認します。
* 「Region」グループの「Region type」項目の値を、「Selection」をプルダウンし、「Node set name」に変更します。
* 「Node set」項目が、「Node_set-1」であることを確認します。
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-29-06.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/b76a6048-8a72-8a19-ee8c-22ce709ba605.png)

## 解析条件の設定

* オブジェクト・ブラウザ「FE Model」タブの「Steps」をダブルクリックします。
* 「Create Step」ウィンドウで、「Type」に「Static step」を選択します。
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-30-01.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/37207385-5e5d-3c8e-8bbf-809cec6edd69.png)

## 拘束条件の設定

* オブジェクト・ブラウザ「FE Model」タブの「Steps(1)」 > 「Step-1」 > 「BCs」をダブルクリックします。
* 「Create Boundary Conditions」ウィンドウで、「Type」に「Fixed」を選択します。
* 「Set selection」ウィンドウで、「Edge angle」を選択します。
* グラフィック・ウィンドウのモデル上で拘束する円を選択します（2つ目の円はSHIFTキーを押しながら選択）。
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-31-57.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/78965f93-908e-4b09-9570-d66a104f76e0.png)

## 荷重条件の設定

* オブジェクト・ブラウザ「FE Model」タブの「Steps(1)」 > 「Step-1」 > 「Loads」をダブルクリックします。
* 「Create Load」ウィンドウで、「Type」に「Concentrated force」を選択します。
* 「Region」グループの「Region type」項目の値を、「Selection」をプルダウンし、「Reference point name」に変更します。
* 「Reference point」項目の値が「Reference_point-1」であることを確認します。
* 「Force componets」項目の「F2」の値を、「-100N」に設定します。
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-33-47.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/85d41889-55d1-8679-cec0-5a654888c465.png)

## 解析の実行

* オブジェクト・ブラウザ「FE Model」タブの「Analysis-1」を右クリックし、「Run」を選択します。
* 「Monitor」ウィンドウ下部に「Finishied」と表示され解析終了です。

![2021-04-25-11-34-41.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/c5abe808-7135-8c66-c241-1fc80de8b199.png)

## 結果の確認

* 「Monitor」ウィンドウ下部の「Results」を選択すると「DISP（変位）」 > の「ALL（全方向）」の解析結果が表示されます。

![2021-04-25-11-36-18.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/9006eee0-46ac-6002-7020-74d35373a5f7.png)

## アニメーション表示

* 「Animate」ボタンをクリックします。
* 「Animation」ウィンドウの右矢印で繰り返し表示されます。

![2021-04-25-11-36-51.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/a4012526-2ac9-5e54-aa0f-ee5e6dab040d.png)

## ミーゼス相当応力の表示

* オブジェクト・ブラウザ「Results」タブの「STRESS」項目から「MISES」を選択します。

![2021-04-25-11-37-29.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/e5d14275-bc3a-2de1-315a-4a42da6a2fdf.png)

# メッシュ生成条件を変更しての再解析

* オブジェクト・ブラウザ「Geometry」タブをクリックします。

![2021-04-25-11-38-09.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/b7ccd690-1041-e228-efad-89ecfe06f5d8.png)

* グラフィック・ウィンドウのモデル上で右クリックし、「Meshing Parameters」を選択します。
* 「Edit Meshing Parameters:Shell_part-1」ウィンドウで、「Mesh size」「Region」グループの「Max element size」項目の値を「3mm」に、「Elements per curvature」項目[^1]の値を「4」に設定します。
* 「OK」を選択します。

![2021-04-25-11-39-33.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/e7fd803f-1950-1f35-7bed-f24de601721a.png)

[^1]: Number of elements to generate per curvature radius.（曲率半径ごとに生成する要素の数）

* グラフィック・ウィンドウのモデル上で右クリックし、「Create Mesh」を選択してメッシュを作成します。

![2021-04-25-11-40-52.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/4618df4c-d028-6603-adc8-e858867d5768.png)

* オブジェクト・ブラウザ「FE Model」タブの「Analysis-1」を右クリックし、「Run」を選択します。
* 「Monitor」ウィンドウ下部に「Finishied」と表示され解析終了です。

![2021-04-25-11-42-02.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/201403/3056e45e-6589-a90f-ea31-e6cd635da55a.png)

# 参考文献

柴田　良一著,工学社「[PrePoMaxではじめる実践構造解析](https://www.amazon.co.jp/%E3%80%8CPrePoMax%E3%80%8D%E3%81%A7%E3%81%AF%E3%81%98%E3%82%81%E3%82%8B%E5%AE%9F%E8%B7%B5%E6%A7%8B%E9%80%A0%E8%A7%A3%E6%9E%90-I%E3%83%BB-BOOKS-%E6%9F%B4%E7%94%B0-%E8%89%AF%E4%B8%80/dp/4777520625)」