剛体変位【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「剛体変位」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。

剛体変位とは

剛体変位とは、解析対象が変形するのではなく、解析対象全体が平行移動や回転する現象です。有限要素法で適切に固定せずに荷重を与えると、反力が生じる箇所がなくて力が釣り合わないため、部材は変形せずに全体として移動し続けてしまいます。静的な有限要素法で剛体変位が生じる条件で荷重を与えると、計算が収束せずエラーになります。

一方、強制変位を与えるケースでは、計算は収束しますが解析対象は本来の変形をしません。剛体変位が生じる条件は本来計算したい条件ではなく、間違った境界条件であることがほとんどです。計算が収束しないときは、まず剛体変位の有無を確認することが重要です。

剛体変位の種類と防ぎ方

剛体変位には、x・y・z方向の平行移動3種類とx・y・z軸回りの回転3種類、合計6種類があります。静的な有限要素法ではこれら全てを止める必要があります。面を固定する境界条件がある場合は自動的に剛体変位を防げますが、熱変形や内圧だけが作用する様なケースでは固定面がないことがあり、剛体変位を止めるための境界条件を別途設定する必要があります。

剛体変位を止めるには、余計な変形拘束を与えない工夫が必要です。例えば、単純に複数の点を完全固定すると、固定点間の距離が拘束されて実際には生じない変形拘束が加わってしまいます。6種類の剛体変位を全て止めながら、余計な拘束をしない様に設定する必要があります。

まとめ

• 解析対象が変形せずに、解析対象全体が平行移動や回転する現象を剛体変位という。
• 静的な有限要素法で、剛体変位が生じる条件で荷重を与えると計算が収束せずエラーがでる。強制変位を与えると収束してしまうので要注意。
• 剛体変位を止めるには、解析対象の本来の変形を拘束しない様にしながら、XYZ方向の平行移動とXYZ軸回りの回転（合計6種類）を止める必要がある。

YouTube動画でより詳細に説明しています。ぜひご覧ください。

再生できない方はこちらからどうぞ

関連する内容

材料力学用語辞典

材料力学の教室

身近な材料力学

HOME

生活に役立つ材料力学

YouTube

材料力学分野の仕事に20年以上従事する博士(工学)が運営しています。
2022年にYoutubeチャンネルを開始し、動画数が増えてきたので探しやすくするために本サイトを開設しました。
ここで紹介する動画以外にもYoutubeには多くの動画が有るので、ぜひチャンネル登録もお願いします。