ソリッド要素、シェル要素、ビーム要素【材料力学用語辞典】

材料力学用語辞典では、材料力学で出てくる専門用語を分かりやすく紹介しています。今回の用語は「ソリッド要素・シェル要素・ビーム要素」です。

この記事はYoutube動画で紹介した内容の概要です。詳細は動画をご覧ください。

ソリッド・シェル・ビーム要素とは

FEM（有限要素法）では、解析モデルを小さな要素に分割します。代表的な要素の種類として、ソリッド要素・シェル要素・ビーム要素があります。それぞれ形状・自由度・必要な入力情報・計算時間が異なり、解析目的に応じて使い分けます。

ソリッド要素は6面体などの体積を持つ3次元要素です。節点の自由度は3（x・y・z方向の並進変位）で、厚さ方向も含めた詳細な応力分布の表現に適しています。一方、要素数が多くなるため計算時間が長くなります。

各要素の特徴と使い分け

シェル要素は厚さを持たない面要素で、節点の自由度は5（3並進＋2回転）です。事前に中立面の算出が必要ですが、ソリッド要素より要素数が少なくなるため計算時間は短いです。薄板・板金などの解析に適しています。ビーム要素は体積や面積のない線要素で、自由度は6（3並進＋3回転）です。解析前に断面二次モーメントや断面係数の算出が必要です。

ビーム要素は要素数が極めて少ないため計算時間は極短ですが、詳細な応力分布は表現できません。梁・フレーム構造の全体変形を素早く確認したい場合に適しています。必要な精度と使える計算時間に応じて、これらの要素を使い分けることが重要です。

まとめ

• ソリッド要素は、6面体などの体積を持つ要素。詳細な応力分布の表現に適するが、計算時間が長い。
• シェル要素は、厚さを持たない要素。用いるには中立面の算出が必要。計算時間は短い。
• ビーム要素は、体積や面積の無い梁モデルの要素。断面二次モーメントや断面係数の算出が必要。詳細な応力分布は表現できないが、計算時間は極短。
• 必要な精度や使える時間に応じて使い分ける。

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