FEMの結果はどの応力で評価すれば良い？適切な応力を選びましょう！

FEMソフトでは応力成分・主応力・ミーゼス相当応力など様々な応力を表示できます。しかし、評価したい現象に合わない応力を選ぶと、結果を誤って解釈してしまいます。各応力の特徴を理解して正しく使い分けましょう。

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

1. 3つの応力の種類と特徴

FEMの結果評価に使われる代表的な応力として以下があります。

• 応力成分（σx・σy・τxyなど）：各方向に生じる応力を表す。評価する向きは自分で任意に選択でき、引張が正・圧縮が負。ただし、1方向だけの情報なので他方向の応力の影響はわからない。
• 主応力（σ1・σ2・σ3）：せん断応力がゼロになる向きの垂直応力。最大・最小の垂直応力や最大せん断応力が求まる。向きは応力場で決まるため自分では選べない。引張が正、圧縮が負。
• ミーゼス相当応力：多軸応力場のせん断ひずみエネルギーが単軸と同じになるよう換算した応力。方向を持たないスカラーで、引張・圧縮ともに正。静水圧成分は反映されない。

2. 各応力の使い分け

3つの応力にはそれぞれ適するケースと適さないケースがあります。

• 応力成分が適するケース：評価する応力の方向が決まっている場合（ひずみゲージとの比較など）、破壊モードが決まっている場合、破壊モードを調べたい場合。
• 主応力が適するケース：最大主応力説に従う脆性材料（セラミックス・鋳鉄など）の破壊判定。最大の垂直応力やせん断応力が破壊を支配する現象。
• ミーゼス相当応力が適するケース：金属など延性材料の降伏判定のように、せん断ひずみエネルギーが支配する現象。

特に注意が必要なのがミーゼス相当応力の使いすぎです。FEMソフトのデフォルト表示になっていることも多いですが、静水圧の影響や応力の方向性が重要な現象には使えません。

まとめ

• 応力成分は、評価方向や破壊モードが決まっているとき、または破壊モードを調べたいときに適する。
• 主応力は最大主応力説に従う脆性材料の破壊判定など、最大の垂直応力・せん断応力が支配する現象に適する。
• ミーゼス相当応力は金属など延性材料の降伏判定など、せん断ひずみエネルギーが支配する現象に適する。静水圧が影響する現象や界面剥離など方向性のある現象には不適。
• FEMの結果評価に使う物理量は、評価したい現象に合致したものを選ぶ必要がある。今回紹介した3種類の応力に適するものがない場合は、その他のパラメータ（ひずみ、応力拡大係数など）を検討する。

より詳細な説明や演習問題をYouTube動画で解説しています。ぜひご覧ください。

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