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【構造】有限要素法の脇役シリーズ Vol.15- 構造も挫折する

構造が力を受けながらもその場に居られるのは、力学的平衡状態が安定しているからです。しかし、外力が限界を超えるとその平衡状態が崩れ、全く別の安定状態に移行しようとします。


これは材料が弾性状態でも起き、座屈(構造不安定現象)と呼んでいます。長柱に圧縮力を加えたり、薄肉中空パイプを曲げてみたり、石油缶のふたの真ん中を押してみたりすると、与える力があるレベルを超えると突然変形モードや抵抗力が変わる現象が体験できます。


通常、強度設計では内部応力が材料許容応力以下である必要がありますが、座屈が起き易い形状(細長く薄い形状)が圧縮荷重を受けると、材料破損より先に座屈が起きることがあります。材料強度の高い材料を使って軽量化する場合には注意が必要です。


フレーム、薄板材で構成される自動車のボディも衝突した際の座屈を制御することが重要ですし、外装パネルも座屈が起き難いように、アーチ上にしたりビード形状を成型します。


一般に、構造不安定現象は、分岐座屈、屈服座屈、飛び移り座屈に分類できます。詳細はここでは省略しますが、屈服/飛び移り型は、荷重と変位関係に変極点が現れますが一本の曲線で表されます。
それに対して分岐型は、座屈点に達するとその後複数のパス(モード)に分岐します。何本の分岐パスが存在するか、その内どの分岐パスに移行するかは、微妙な不整(ばらつき)に依存すると言われています。座屈の中でもより不安定な現象といえます。


解析上は、想定される初期不整を入れて屈服/飛び移り型に直して計算することが行われます。但し、座屈後の挙動まで見る必要が無ければ、固有値解析で座屈(不安定)荷重を推定できることも分岐型の特徴です。


[From N.Sahashi]

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