サステナブルなものづくり　強度アップ×軽量化の美味しいところ取りの設計を考える【構造 vol.7】

2023年11月01日

今回は「強度アップ」と「軽量化」という一見相反するテーマについて、構造最適化ソフトウェアHiramekiWorksを用いて検証します。

以下のような片持ち梁のモデルで、一方に荷重を加えた際の合成変位を解析します。

◆解析モデル

◆解析結果　合成変位量コンター図表示

片持ち梁にかかる荷重に対する強度を高めるには、以下のようにリブを付けることが最初におもいつく対策だと思います。

◆初期対策モデル　リブを付ける

◆初期対策モデル解析結果　合成変位量コンター図表示

質量は元の形状から約13％増加しています。
このように強度を高めるためには、なにかを「足す」ことが多いのではないでしょうか。

「軽量化」はものづくりにおいて大きなテーマですが、それと同時に強度を上げる・維持することは非常に重要です。軽量化と強度の問題を両立する形状の解を導くことはできるのでしょうか。
これについて、HiramekiWorksによる形状最適化で検証してみます。

HiramekiWorksによる形状最適化

初めに基本モデルの剛性最大化を目的とし、制約として質量40％削減を設定し、計算をしてみます。

◆HiramekiWorks 解析条件

◆HiramekiWorks 解析結果　合成変位量コンター図表示

最大変位は元の形状より改善し、質量についても43％減という結果を得ることができました。
この形状をみると、重要な箇所にはリブを立てて、影響が小さい箇所を削るというメリハリの効いた形状が出力されることが分かります。
次は制限を追加し、面の片側のみ形状変化が出るように設定します。

◆HiramekiWorks 解析条件２
目的：剛性最大化
制約：質量40％減
＋上面（水色の面）は変形しない

◆HiramekiWorks 解析結果２　合成変位量コンター図表示

形状の制約が加わりましたが、こちらも最大変位は元の形状から小さくなっており、質量も約38%減少しています。
質量、体積、剛性といったパラメータを制約条件として扱える形状最適化ならではの検証が可能です。
同様なテーマで悩んでいらっしゃる方々に興味をもっていただけると嬉しいです。

[From K. Mikuni]

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