モーダルシミュレーション

設計者は、形状、マテリアル、、または合致コネクタを変更することで、アセンブリの剛性をインタラクティブに増減できます。振動の固有振動数が、システムで発生する可能性のある励起周波数よりもはるかに大きいこと (またはかけ離れていること) を計算し、確認することが重要です。

マテリアルプロパティを持つアセンブリを作成すると、それを分析できます。視覚化には、変形に必要なエネルギーがモードごとに示されます。Onshape はアセンブリの合致間の接続を自動的に推測し、アセンブリのコンフィギュレーションを直感的にサポートし、Part Studio のリアルタイム編集にも対応します。

コンフィギュレーションまたはグローバル変数とともに固有振動数解析を使用して、目的の仕様に収まるまで設計を試してみることを検討してください。

このワークフローは、[アセンブリ] タブに完成した CAD モデルがあることを前提としています。

1. シミュレーションを作成する前に、次の 2 つの基準を満たす必要があります。

   1. アセンブリ内のすべてのインスタンスにはマテリアルが割り当てられている必要があります。

   2. 1 つまたは複数のインスタンスの固定を解除する必要があります

2. シミュレーションパネルアイコン () をクリックしてシミュレーションパネルを開きます。

   

3. パネルの上部にある [シミュレーションを追加] ドロップダウンをクリックし、[モーダルシミュレーションを追加] を選択します。

   

アセンブリに他のシミュレーションがある場合、このドロップダウンはパネルの下部にあります。

4. Check Show results in the Simulation area of the Instances list. As the results are calculated, a blue progress bar indicates the time remaining before the final calculation is displayed. Early iterations are displayed in the stress scale. When finished, the blue progress bar reads complete, and then a checkmark is placed next to the Status signifying the calculation (convergence) is complete:

   

オーバーライドされた質量値はシミュレーション結果では無視されます。一括オーバーライドが存在する場合、[結果を表示] チェックボックスをオンにする前後両方に警告ツールチップが表示されます。ステータスアイコンにカーソルを合わせると、警告が表示されます。



5. シミュレーション結果とカラースケールが上部に表示されます。剛体モードが存在しない場合は、既定ではモード 1 が選択されます。結果ドロップダウンを使用して他の結果モードを選択します。

   

   車のブレーキで行ったモーダルシミュレーションの例

シミュレーションの結果を読み込むと、グラフィック領域の上部にカラースケールと結果が表示されます。これらの概要は以下のとおりです。

• 結果 - 結果は、1 ～ 15 個の非剛体モードと、多数の可能性のある剛体モードの 2 つのモードに分かれています。一度に表示できるモードは 1 つだけですが、どのモードでも切り替えることができます。モードを切り替えると、振動の相対振幅が表示されます。

  

  • モード 1-15 (x ヘルツ) - 周波数の昇順に一覧表示された各モードは、構造が振動する一意の変形パターン (またはモード形状) に対応しています。その振動が発生する速度は、モードカウントの右にヘルツ (Hz) 単位で一覧表示されます。

    選択すると、変形フィールド上にエネルギーフィールドが表示されます。

    

    3 つのフィールド (周波数、エネルギー、変形) はすべて、変位したモード形状の振幅を制御し、これらはすべて相互にリンクされています。変位はモデル全体に存在する最大の変形に対応します。エネルギーは、構造体が所定のパターン、周波数、および振幅で振動するために構造に追加する必要がある作業量を定量化します。

    ユーザーが変位を設定した場合、エネルギーは異なる非剛体モードごとに再計算されます。ユーザーがエネルギーを設定すると、変位は異なる非剛体モードごとに再計算され、アニメーションの振幅はそれに応じて調整されます。

    エネルギーまたは変形スケール係数 (振幅) を上下に調整できますが、周波数は一定に保たれます。また、ユーザー環境またはドキュメントのワークスペース単位のエネルギーに使用する単位を変更することもできます。

    既定では、5 つの非剛体モードが表示されます。ただし、シミュレーションパネルの下部にある [非剛体モード数] フィールドに値を入力することで、最大 15 個まで選択できます。

    

  • 剛体モード - アセンブリ内の各インスタンスの平行移動/回転を手動で操作する方法と同様に、構造物が変形したり形状が変化したりすることなく移動できるモーションパス。

    剛体モードの数は、アセンブリに偶然存在する自由度と同じになります。これは 1 つもない場合もあれば、多数ある場合もあります。

• 変形を表示する - このチェックボックスを有効にすると、アセンブリインスタンスの変形が表示されます。これは、特定の振動時に構造物がどのように動くかを示す一意のパターンです。

シミュレーションのアニメーション中に変形を表示するには、[変形を表示する] チェックボックスをオンにする必要はありません。

• アニメーションアイコン - このアイコン はシミュレーションをアニメーション化します。アニメーションが有効である限り、アニメーションはループします。アニメーション化すると、開始位置がインスタンスのアウトラインとして表示され、アセンブリは一定のペースで移動します。このアイコンはトグルです。一度実行すると、アイコンは停止ボタンアイコン に切り替わります。これを押すと、アニメーションが停止します。

• カラースケール - カラースケールは、最小値から最大値までの変形 (振幅) を表します。この変形スケールは物理量、つまり構造物をそのモード形状、周波数、および振幅に変形させるのに必要なエネルギーと関連しています。これにより、変形を視覚化する際にアセンブリの強度と剛性が考慮されるため、振動特性に関するより詳細なガイダンスが得られます。

  最小スケール値と最大スケール値をそれぞれ数値で入力するには、下限または上限スケールのリンクをクリックします。これらの数値の右側にあるリセットアイコンをクリックすると、最小値または最大値が既定値にリセットされます。垂直スケール線の最小値と最大値をドラッグして、最小スケール制限を増やしたり、最大スケール制限を下げたりします。

• Onshape のモーダル解析では、自由境界条件と制約条件がサポートされますが、荷重はサポートされません。外部荷重の適用は、プレストレスまたは応力補強と呼ばれます。モーダルシミュレーションがアクティブな間は、荷重は自動的に抑制され、アセンブリに追加されない場合があります。

• モーダルシミュレーションがアクティブである間は荷重を適用できないため、モーダル解析を定義できる条件は 1 つだけです。そのため、アセンブリに追加できるモーダルシミュレーションは 1 つだけです。

• Onshape のモーダル解析は線形力学を使用します。線形力学ではマテリアルの挙動が線形であることを前提としているため、ゴムなどの非線形マテリアルには適していません。また、減衰効果も考慮されていません。

• Onshape のモーダル解析は、薄肉のソリッドでは実行時間が長くなる場合があります。

• シミュレーションには次の 2 つのタイプがあります。

  • 線形静的。線形静的シミュレーションの詳細については、シミュレーションを参照してください。

  • モーダル

• 静的解析と異なり、動的解析の荷重は時間または周波数の関数として適用されます。これにより、時間変動または周波数変動応答 (変位、速度、加速度、力、応力) が発生します。Onshape はまだ動的荷重をサポートしていません。そのため、モーダルシミュレーションでは固有振動数のみ計算されます。

• オーバーライドされた質量値はシミュレーション結果では無視されます。

• 通常、エンジニアは、一般的なエンジニアリングアプリケーションで、最初の数個の (最も低い) 固有振動数とそれに対応するモード形状に注目します。これらは標準的な動作条件下で励起される可能性が最も高いためです。より単純な構造の場合、通常は [結果] ドロップダウンリストに表示される最初の 3 ～ 5 つのモードがこれに該当します。必要に応じて、Onshape のモーダルシミュレーションでは、最大 15 件の非剛体モードの結果が得られます。

• 識別可能な固有振動数には個数に制限はありません。ただし、固有振動数が増えるごとに、構造をその形状に変形させるのに必要なエネルギーはますます大きくなります。より複雑な構造の場合、またはより広範囲の励起を調査するより高度な解析を行う場合、エンジニアは数十から数百ものモードに関心を持つことがあります。

• アセンブリの非剛体モード数は、アセンブリ内の拘束されていない (または浮遊性の) インスタンス数の増加に伴い劇的に増加します。独立した、拘束されていないボディが多数あるアセンブリでは、モーダルシミュレーションの応答時間が大幅に長くなることを想定しておく必要があります。

• 対称パーツ/アセンブリは対称 (複製) 非剛体モードになります。このような構造では、(ほぼ) まったく同じ固有振動数をもつ鏡面または回転対称の変形輪郭を持つ非剛体モードがいくつか見られることが想定されます。これらのモードは、シミュレーション結果の解析中に同じモードに組み込まれる可能性があります。