ADINA 汎用非線形解析

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ADINA 汎用非線形解析

 

ADINAシステムは、有限要素法プログラムの原点といわれるSAP/NONSAP開発者、マサチューセッツ工科大学のBathe教授らによって設 立されたADINA R&D Inc.(米国)が提供する解析システムです。線形/非線形構造解析モジュール、熱伝導解析モジュール、流体解析モジュールおよびプリポストモジュールか ら構成されています。材料非線形、大変形、接触、摩擦など、非線形性を考慮し、実現象をより正確に考慮した製品の性能予測を実行でき、また各解析モジュー ルを組み合わせることで、熱・構造連成解析を自動的に行うことも可能です。構造解析だけのプログラムとは違った、より広範囲なエンジニアリングツールとし て、世界中の多くの研究機関・企業で利用され高い評価を受けています。


ADINAシステムはBathe教授の指揮の下に開発され、常に最新技術を取り入れつづけている非線形CAEの最高峰プログラムです。長い歴史に裏付けられた高い品質が、自動車、電気機器、各種機械、建築、土木、航空宇宙、医学などあらゆる分野で指示されています。
特に原子力発電施設や橋梁などの信頼性が要求される分野での評価は高く、中でもカリフォルニア地震の後の橋の補修工事においては、強度解析に必ずADINAシステムを使うよう指示を受けているほどです。


ADINAシステムは高い技術力に裏付けられた精度に対するポリシーを持って開発されています。その1つの例として歪が大きくなっても高い精度を保つ独自開発の要素があります。
非線形現象を解析する時、頻繁に発生する問題として、要素が歪すぎて計算が止まってしまったり、誤った答えを出力することが挙げられます。過去には、ある 著名なFEMプログラムがこのような状態で出力した答えを解析者が信じた結果、大きな事故が発生したことが実際にありました。このように要素が歪みすぎた 時に、リメッシングした新しい要素に解をマッピングして解析を続けることが頻繁に行なわれます。しかし、一般に使用されているマッピング技術では、マッピ ングの際に精度を非常に低下させ、高い精度を得ることが困難です。ADINAシステムでは、リメッシングを使用せずに、非常に歪の大きな問題を高い精度で 解くことができます。


ADINA システムのもう1つの魅力は短時間での計算を実現する高速ソルバー技術です。ADINAシステムはスパース法やマルチグリッド法をサポートし、大変形、材 料非線形、接触などを考慮した大規模問題でも効率的に計算することができます。この高速なソルバーと収束性の高い接触アルゴリズムにより、遅い動的現象で あるにもかかわらず、陽解法が用いられることの多い板成型や破壊試験などの問題も、

ADINAシステムは陰解法により高速かつ精度良く解析することができ ます。


ADINAシステムは、構造解析のみならず、熱伝導、流体解析を1つのシステムで網羅し、それらの連成解析が実行可能です。
熱伝導-構造連成解析では、塑性変形に伴う、発熱や接触熱伝達、接触面の摩擦発熱を考慮した完全なカップリングが可能です。熱流体-構造連成解析では ALF手法を早くから導入し、多くの分野で高い評価を得ています。板成形の1つであるハイドロフォーミング(バルジ成形)などのような接触や大きな塑性変 形をともなう流体-構造連成解析も可能です。
 

 

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今日、より高性能、高品質な製品開発は、必然的にプラスチック化や、 新素材、特殊材料の応用を促進しており有限要素法(FEM)解析は製品開発にともなう強度設計、振動、熱、流体問題等の解析に重要なツールとなっていま す。特にハイテクノロジー製品の開発は、材料非線形、大変形、接触、摩擦等の非線形性を考慮した解析が不可欠であり、これらを効率的に行う汎用有限要素解 析法プログラムのニーズが高まっています。このようなニーズに答えるのが、汎用非線形有限要素法プログラムADINAシステムです。ADINAシステムは 構造解析、熱伝導解析、熱流体解析を扱うことの出来る総合解析システムです。線形構造解析も非常に効果的に、またその上幾何学および材料非線形性や接触条 件も含めた非線形解析が出来ます。流体に関しては、非圧縮性および圧縮性流体を取り扱え、さらに流体と構造との相互作用を考慮した完全なカップリング解析 機能も提供しております。

各解析は単一の専用プリプロセッサ:ADINAユーザーインターフェース(ADINA-IN、ADINA-PLOT)を使用してモデル作成、解析実行、結果評価を行うことが出来ます。

信頼性(Reliability)、業務に対する高い有効性(Efficiency)、精度(Accuracy)、これら3つがADINAのプログ ラム開発で重要な点です。信頼性が高い、効率的な、そして正確な有限要素法の手法のみを使用し、プログラムは多数の検定と工学テストとの比較で広範囲に チェックしております。この信頼性で多くの企業がADINAの導入を決定しています。

ADINAは様々なハードウェアプラットホームで全く同じ解析機能を提供しています。これにより多種にわたるエンジニアリング環境に柔軟に対応します。なお、パソコン、エンジニアリングワークステーション、スーパーコンピュータ上でまったく同じプログラムが走ります!

 

機能一覧

適 用
静・動解析 線形
材料非線形 弾塑性
異方性
熱弾塑性
クリープ
超弾性
コンクリート / 地盤
非線形弾性
粘弾性
形状非線形 大変形・大回転
大ひずみ
境界非線形
(接触)
拘束関数法
セグメント法
熱応力解析(ADINA-Tとの連成含む)
積層材
ボルト結合
動解析解法 直接時間積分
モード重ね合わせ
熱伝導解析 定常・非定常解析
熱-構造
連成解析
(ADINAのみ、またはADINA-Tとの連成)
塑性変形による発熱
接触摩擦による内部発熱
接触熱伝達
流体-構造
連成解析
(ADINA-Fとの連成)
流体圧による変形および
その変形による流体流の変化
熱-流体-構造連成
座屈解析 線形座屈
線形化座屈
非線形座屈
周波数解析 固有値
応答スペクトル
フーリエ解析
調和振動解析
不規則振動解析
破壊解析 線形(K値) 仮想亀裂進展法(VCE)
非線形(J値) VCE,直接J積分
亀裂伝播解析
その他 周期対称解析
要素の
生成・消滅
時間指定
破損歪み基準
音響解析 ポテンシャル流体要素
ソルバー スカイライン法
共役傾斜(CG)法
スパース法
マルチグリッド法
3D-Iterative法
並列処理 領域分割法
時間積分 陰解法 ニューマーク法
ウィルソンΘ法
Bathe複合法
陽解法 中心差分法
 
ライブラリ
要素

2Dソリッド(軸対称,平面歪・応力, 一般化平面歪み)
3Dソリッド
トラス
ビーム
パイプ
プレート
シェル
ギャップ
スプリング、ダンパー、マス(線形, 非線形)
ボルト(ソリッドおよびビーム)
剥離要素
整列要素
流体要素
ユーザー定義

材料

等方・異方性線形弾性
弾塑性材料 (二直線, 多直線, 異方性, Gurson, Ilyushin, Mroz, Ramberg-Osgood, Cyclic)
クリープ (陰解法、陽解法)
弾塑性クリープ (陰解法、陽解法)
超弾性(Mooney-Rivlin,Ogden, Arruda-Boyce, Ogden-Hyperfoam, Sussman-Batheモデル)(Mullins効果および粘弾性効果、温度依存考慮可能)
コンクリート
土質(曲線, Drucker-Prager, Cam-Clay, Mohr-Coulomb)
積層材
線形粘弾性
非線形弾性
音響流体(ポテンシャル流体)
亜音速ポテンシャル流体
多孔質媒体
ガスケット
ユーザー定義

  1. 超弾性材料は実験値(応力-歪カーブ)より各パラメータを計算可
  2. クリープ材料は各パラメータの多直線近似特性が利用可
境界条件

線・面接触
速度依存など多様なクーロン摩擦モデル
ドロービード
単点・多点拘束
剛体リンク

  1. 接触は摩擦,オフセットや両面接触,タイド接触も利用可能
荷重条件

点荷重(変位,力,モーメント,加速度)
線・面分布荷重
パイプ要素への内圧
慣性力
遠心力
温度荷重
シェルへの板厚方向の温度勾配
電磁力
回転コンタクトスリップ
表面張力
ユーザー定義

ソルバー

Roof crush analysis: 陰解法、
速度 12.4 mm/sec (0.05 km/hr)

二次元/三次元の静的または動的な応力/構造解析はADINAプログラムで実行します。 線形はもちろん、非常に高い非線形性を示す解析、材料非線形や大変形、接触解析などで非常に有効なプログラムです。
ゴムなどの非圧縮性材料に発生する体積ロッキングを回避するu/p定式化要素、および薄板の曲げに発生する剪断ロッキングを回避するMITCシェル要素などの独自開発の要素は、非常に優れた収束性を持つことが理論的に証明されています。

そして、接触解析 は特筆すべきものの一つです。 例えば、右の米国Ford社の「Windstar」に対する圧壊解析(Crush Analysis)をご覧ください。

ADINAプログラムは一般的な要素;ソリッド、トラス、ビーム、パイプ、プレート、シェル、ギャップでモデルを構築します。 また材料モデルは金属、土、岩、プラスチック、ゴム、布、木材、セラミック、コンクリートなどを用意しております。

  • 線形解析
  • 周波数およびモード重ね合わせ法
  • 微少および大歪、微少および大変形
  • 直接応答、ランダム振動解析
  • 熱依存性を考慮した弾塑性およびクリープ解析
  • 線形化座屈解析
  • 座屈解析と座屈後解析
  • 波動伝播、衝撃波解析
  • 静的または動的接触問題
  • 構造振動、調和振動解析
  • 大規模解析における反復ソルバー
  • 音響流体-構造カップリング解析
  • すべての解析に適用できる非常に高速なソパースソルバー
  • クラック進展を伴う破壊力学
  • 静的および動的問題におけるサブストラクチャ
  • ユーザー定義要素および材料モデルおよび荷重
  • 解析中との要素の生成と消去
ADINAユーザーインターフェース(ADINA-AUI) はADINAのすべての解析に対するプリプロセッシング(前処理)およびポストプロセッシング(後処理)をユーザーフレンドリーなグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)で提供します。
 
 

Roof crush analysis of Ford Windstar shown with the ADINA-AUI interface on PC Windows.
 
 

ADINA-AUIの主な特長

  • 解析モデルの2Dまはた3Dジオメトリ形状はAUIで作成する場合、またはお持ちの3D-CADで作成しそのデータを読み込んで使用する場合の二通りが可能です。 3Dソリッドジオメトリ形状を利用する際にはPro/ENGINEER、ParasolidベースCAD(NX、 SolidEdge、SolidWorks他)、Mechanical Desktopについてはそれぞれの保存ファイル等よりダイレクトに形状およびアセンブリ情報をAUIに読み込めます。それ以外のCADについてはIGESフォーマットで読み込むことになります。なお、いずれの場合も3Dソリッド形状の読込が可能です。当然、読み込んだCADデータにAUIで変更を加える(フィレット、穴あけ、ブーリアン演算等)ことも可能です。
 
  • 材料特性、物理特性、荷重、境界条件は直接これらジオメトリ形状に設定します(サーフェス面に分布荷重を加える等)。
 
  • フレキシブルにメッシュサイズ分布の設定が可能な完全自動メッシュ生成機能を有しています。アルゴリズムはアドバンスフロント法とデローニー法をサポートしており、複雑な形状、薄板など、また数百万要素のメッシングにも非常に品質の高いメッシュを作成していただけます。マップトメッシュ機能もあります。
 
  • セッションファイルに入力コマンドやアイテムセレクションを書き込むようになっています。このセッションファイルを読み込むことで同じ操作を繰り返すことが出来ます。そして、このファイルを編集し別のモデルとすることも可能です。
 

ADINA-AUIは次の多くの使いやすい機能を有しています

 
  • 完全にインタラクティブなグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)
  • 頻繁に使用する機能のアイコン
  • グラフィックウィンドウのコピー&ペースト
  • AVIムービーの直接作成機能(Windowsのみ)
  • ベクトルおよびビットマップデータによるグラフィック出力
  • UndoとRedo機能(保存する回数は変更可)
  • モデルのダイナミック回転・拡大
  • コマンドファイルの実行
 

ポスト処理では様々な結果の表現方法があります

  • 変形およびオリジナルメッシュ図
  • コンター図
  • ベクトルおよびテンソル図
  • XYグラフ
  • 粒子軌跡表示
  • 結果のリスト
  • 結果の組み合わせから作成する任意の解析結果の図示
ADINAには広く汎用的に使用することのできる基本プロダクトと、お客様の解析ニーズに対応した豊富なオプションプロダクトが用意されています。

ADINA_M_三次元ソリッドモデラー

ADINA Modeler (ADINA-M)はADINA-AUIにソリッドモデリング機能を提供する追加モジュールです。ADINA-Mを使用することで、ソリッドジオメトリをADINA-AUIで直接作成することが可能です。


ADINA-MはParasolidカーネルを採用しており、これはNX, SolidWorks, SolidEdge, Bentley Systemsのような一般的なCADソフトウェアにおいても採用されています。これらのソフトウェアや他のParasolideベースのCADのソリッ ドジオメトリはADINA-MによってADINA-AUIへ直接読み込むことが出来ます。また、読み込んだParasolidパートに変更や修正を加える ことが可能です。
 

 

右図はSolidWorksで作成したパートをADINA-Mを使用しADINA-AUIに読み込み、自動フリーメッシュを作成した例です。

ADINA_CADインターフェース

The ADINA Systemは構造解析、熱流体解析、そして流体-構造カップリング解析が一つにパッケージされているプログラムです。ユーザーの利便性を向上させるため、以下のシステムとのインターフェースを提供しています。
 
System インターフェースの概要
ParasolidベースCAD ParasolidカーネルをベースとしたADINA Modeler(ADINA-M)は、NX,SolidWorks,SolidEdgeなどの全ParasolidベースCADのデータを読み込めます。
I-deas I-deas/ADINAインターフェイスTRANSORは、I-deasの有限要素モデルをADINAプログラムへ変換します。また、ADINAの結果をI-DEASへ読み込み、その後I-DEASでのポスト処理を可能にします。
MSC.Nastran MSC.Nastranの入力ファイルをADINA-AUIデータベースへ直接読み込み可能です。
IGES IGESデータはADINA-Mを使用し、ADINA-AUIにソリッドモデルとして読み込むことが出来ます (標準機能では点とカーブのみが読み込まれます)。またADINA-Mを使用しAUIに読み込んだソリッドモデルへ変更を加えることが出来ます。
NX Nastran NX Nastranの入力ファイルADINA-AUIデータベースに直接読み込み可能です。
特にNX Nastran SOL601/701入力ファイルに完全対応しております。
ADINA解析結果をNastran OP2ファイルに出力可能です。

ADINA_F_熱流体解析ソルバー

The ADINA-F programは非圧縮性および圧縮性流体に対するCFDソルバーです。自由表面や流体間境界および流体-構造間境界の移動も考慮できます。この場合Arbitrary Langrangian-Eulerian (ALE)を使用します


ADINA-F CFDソルバーはもっとも一般的で効率の良い手法である有限要素法および有限体積法をベースとしています。任意形状に対し一般的な流体条件を適用できます。

 

流体解析


 

  • Full Navier-StrokesまたはEuler equation
  • 非圧縮性または圧縮性流体
  • 定常または非定常解析
  • 層流または乱流
  • 熱伝導を伴うまたは伴わない流体流れ
  • 質量移動。右図参照。流量機器おける粒子拡散解析(右上図は機器概略図、右下図は90度回転させたときの結果を示す)
  • 自由表面
  • 二相流(相変化含む)
  • 固定、移動壁(滑り有、無)
  • 弁(時間、圧力差、ギャップ量制御)
  • 定常回転
  • 流体-構造連成
  • 自動時間増分(自動分割、CFL)
  • アダプティブメッシュ


 

圧縮性流体の材料モデル

  • Sutherland式の粘性係数、熱伝導率、定熱容量
  • 温度依存性の粘性係数、熱伝導率、熱容量
  • 圧力依存性の粘性係数、熱伝導率、熱容量
  • 温度および圧力依存性の粘性係数、熱伝導率、熱容量
  • 高マッハ数の流れ
  • 低速流れ
 

非圧縮性流れの材料モデル

  • 一定の粘性係数、熱伝導率、熱容量
  • 温度依存性の粘性係数、熱伝導率、熱容量
  • 時間依存性の粘性係数、熱伝導率、熱容量
  • 乱流モデル: 混合長、K-Epsilon、K-Omega、SST、SA、LES、DESなど
  • 非ニュートンモデル
  • 多孔質媒体モデル
 
ADINA-F解析機能
流体モデル
非圧縮性流体 定常解析
非定常解析
ニュートン流体
非ニュートン
流体
温度依存
時間依存
べき乗則
2次オーダーモデル
Carreauモデル
乱流モデル 混合長
LES
k-ε
RNG k-ε
k-ω
SST
SA
DES
多孔質媒体内流れ
弱圧縮性
低速圧縮性
圧縮性
流体
定常解析
非定常解析
ニュートン流体
非ニュートン流体 温度依存
時間依存
圧力(および温度)依存
べき乗則
乱流モデル k-ε
遷音速流入・流出境界
超音速流入・流出境界
 
ADINA-F解析機能
その他
移動境界 自由表面 ALE法/VOF法
流体-流体境界 ALE法
流体-剛体境界
流体-構造境界
境界条件他 自然対流解析
共役熱伝導解析
粒子拡散解析 一定拡散係数
速度依存
温度・圧力依存
自動無次元化
アダプティブメッシュ
スライディングメッシュ
基準座標系
周期対称
付帯拘束
領域/境界摩擦
ファン/ベント
接触角
ジュール発熱
静電場
鏡面輻射
相変化(固液、気液、キャビテーション)
定式化 二次元
三次元
軸対称
ソルバー スカイライン法
BCG法
GMRES法
スパース法
AMG法
並列処理
時間積分 陰解法 オイラー後退差分
台形則
TR-BDF法
陽解法 オイラー前進差分

ADINA-T_熱伝導解析ソルバー

ADINA-Tは固体や構造体における熱伝導解析を行うプログラムです。ADINA-Tの特徴的な機能に「任意のジオメトリ面間の輻射の考慮」や「要素の生成・消滅」また「高非線形性をもつ材料の適用」があります。
 
 
 
対流を考慮したタービンケースの温度分布
 
  • 二次元・三次元伝達、対流、輻射
  • 任意のサーフェス間の輻射計算
  • ソリッドおよびシェル構造
  • 自動時間増分
  • 定常および非定常解析
  • 圧電解析
  • 時間および温度依存性材料
  • 潜熱解析
  • 素の生成と消滅
  • 構造解析とのカップリング解析(熱応力解析)
 
ADINA-T解析機能
定常熱伝導解析 線形
非線形 温度依存性材料
時間依存性材料
輻射
非定常熱伝導解析 線形
非線形 上記非線形性を含む
相変化
その他 熱固有値解析 
浸透流解析 
静電場解析
定常電流解析
ジュール発熱解析
サーモスタット
熱一構造連成解析(ADINAとの連成)
拡散解析
圧電解析(ADINAとの連成)
地盤圧密解析(ADINAとの連成)
要素の生成・消滅
ユーザー定義材料および荷重
ソルバー スカイライン法
共役傾斜法
スパース法
並列処理
時間積分 陰解法 オイラー後退差分
台形則
陽解法 オイラー前進差分
 

ボトルのシェル要素モデルの熱伝導解析

ADINA-Tではサーフェス間の輻射を検討できます。この際サーフェスは任意のジオメトリに適用でき、また遮断・放射の設定も可能です。

この図のボトルは輻射を考慮しています。

サブマージアーク溶接の熱解析

溶接による残留応力解析を行うためには特別なモデリング技術を有する信頼性の高い非線形解析システムが必要です。ADINAとADINA-Tはこの要求を十分満足し、目的の解析を精度良く解析できます。






 

 

ボトルのシェル要素モデルの熱伝導解析

要素の生成と消滅の機能と温度依存性の高い非線形材料を使用してFEM解析を行いました。

なお、この解析では1500の時間ステップで3回のリスタート解析を行っています。
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