FreeCADのFEMワークベンチで水槽台の応力などを計算

前回の記事水槽台の自作計画で作りたい水槽台のイメージをまとめましたが1×4材を想定しているため強度に不安がありました。
そこでFreeCADというフリーソフトのFEM解析機能を利用して強度計算みたいなことをしてみました。
最終的には作りながらなんとなく強度を確認していきますが、今回は作る前の参考としての位置づけです。
水槽台の自作を考えている人、FreeCADを使ってみたい人の参考になればと思いやった事を紹介します。

CADデータの作り方

「新しい空のドキュメントを作成」というボタンを押します。

スタート

Partというワークベンチを開きます。
私の環境ではPart Designから図形を作るとFEMの入力ファイル出力で止まってしまうエラーがあったため、この方法にしました
パートを選択

「立方体のソリッドを作成」のボタンを押し、ソリッドを作成します。
ソリッド作成

モデルの立方体を選択し、プロパティのPlace,Length,Width,Heightに作りたい板の寸法と座標を入力します。
立方体の寸法を入力

同じ要領でパーツを作り、最後に「複数の和集合を作成」で1つに結合します。
その後メニュー部品(P)からソリッドに変換を選べばCADデータが完成です。
「形状の高精度化」というボタンを押せば境界はなくなりますがFEMの結果には大きな影響はなさそうです。
水槽台の骨組み完成

FEM解析の進め方

FEMというワークベンチを開き、CADデータのソリッドを選択します。
「新しい力学解析を作成」というボタンを押すと、メッシュのパラメータ設定画面になります。
四面体要素しかないので、計算精度を考えると細かい方がいいのですが、自分のPCがしょいぼため、
今回はメッシュサイズの最大サイズを10に変更してOKを押しました。

メッシュを作成

その後、「機械材料定義を作成」というボタンを押し、材料パラメータを決定します。
今回はFREECADに初期から設定されていたWood Genericを選択しました。
材料の設定

続いて、固定面と荷重を設定します。
底面を固定

荷重を設定(今回は200kgを想定)

Calculixというボタンを押し、Inpファイルの書き出し→Calculixの実行で計算は完了です。
計算完了

「解析の結果情報を表示」で結果を見ることができます。
変形を実際の99倍大きくして表示した状態

解析条件メモ

荷重と安全率

木材で静荷重の場合、安全率は7くらい必要なようです。
ミニM水槽は20L弱なのでその他諸々含め、30㎏弱だろうと考えました。
その7倍の荷重に耐えればOKかなということで200kgの荷重がかかったときの応力と変位を見てみました。

材料パラメータ

Wood Genericのポアソン比が0.05と小さすぎないかと気になりました。
コルクは0のようなので間違いではないような気もしたのですが、鉄などと同じ0.3に変更して計算しました。
応力、変位ともに0.05の方が厳しそうな結果だったのでポアソン比は変更しないことにしました。
ヤング率はそれほどおかしくない気がしたので変更していません。
密度は静解析なので関係ないはずと思い、これは確認していません。

荷重の与え方

面でしか荷重を定義できないようなので、水槽を置く範囲であろう面積を計算し圧力として定義しました。

案①

10mm厚の天板と底板+1×4材の柱のみの計算
フォンミーゼス応力最大値:18.8MPa
変位の絶対値最大:2.89mm
木材の降伏応力をネットで見る限りダメそう。天板も変形し過ぎ。

案①変形形状(倍率99)

案②

案①の柱の方向違いの計算
フォンミーゼス応力最大値:25.1MPa
変位の絶対値最大:0.98mm
これもダメそう。

案②変形形状(倍率99)

案③

案②の天板下に梁を追加。底面も箱を追加。
フォンミーゼス応力最大値:1.4MPa
変位の絶対値最大:0.05mm
これくらいならOKそう。

案③変形形状(倍率99)

案④

案③に目隠しの板を追加。
フォンミーゼス応力最大値:1.6MPa
変位の絶対値最大:0.04mm
これもOKそう。

案④変形形状(倍率99)

最後に

1×4材でも水槽が乗る部分に梁をつければ強度的に問題なさそうです。
あとはホームセンターで木材を見て安く作れるような構成に変更して自作したいと思います。
ではまた!

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