MAMBA
MAMBAシミュレーションの概要
複雑な機械システムやメカトロニクスシステムの開発フェーズでは、信頼性の高い動的シミュレーションがとても重要になります。特に、車体やトラックフレーム、電子機器のハウジングのボルト結合部など、接合構造体において、より信頼性の高い疲労評価を行うためには、接触により発生する応力も考慮する必要があります。
しかしながら、それを実現するために必要な非線形接触条件は複雑であるため、一般的には、計算負荷を増大させてしまいます。そのため、このような非線形接触を考慮したシミュレーションは、極めて正確であると同時に迅速に処理できる数値モデルが必要です。
MAMBAは、接触による局所的な非線形効果を考慮した解析のためにカスタマイズされたソフトウェアです。シミュレーションを正確かつ迅速に達成するため、2つのステップで行われます。まず、1つ目は、接触面の特定、定義をした縮約モデルを作成します。2つ目は、この縮約されたモデルに基づいて接触を考慮したシミュレーションを行うことです。
MAMBAを使用することで、CAEエンジニアは、振動挙動の評価や疲労評価の改善など、構築されたモデルの動解析に対応することができます。次の図は、乗用車のバッテリーブラケットの疲労評価結果の例です。
モードベース接触解析
MAMBAを使ったシミュレーションプロセスは、大きく2つの作業ステップに分かれています。
ステップ1は、非線形接触による非線形挙動を考慮したモデル次数低減ステップです。標準的な次数低減の考え方と低減された運動方程式を拡張することで実現されます。これは市販のFEソルバーで実行されます。
ステップ2は、接触を考慮したシミュレーションです。MAMBAが接触応力を計算します。これは市販のMBSソルバで実行されます。
MAMBAは、一般的なモードベース法を基に、接触で発生する応力を捉えることを可能にした拡張モードを活用したモーダルアプローチです。この機能は、汎用のFEMソルバーとMAMBA Preprocessing モジュール内で実行され、次のような利点があります。
- ・自動で接触面の特定
・接触面の定義をした縮約モデル準備
・ボルト軸力の定義
接触面の特定
縮約モデル
MAMBAの縮約モデルは、接触による局所的な非線形効果を考慮しています。
通常の線形弾性体モデルに加えて、接触による局所的な非線形効果を考慮していますので、重ね合わせ原理による弾性体モデル全体の変形を表現することが可能です。
モード合成法として一般的なCraig Bampton法、つまりは、静的変位形状を表す拘束モードと、線形弾性体の内力を表す境界拘束ノーマルモードによって構成される手法をベースにしていますので、とても効率よく計算結果を得ることができます。
締結部において、発生する接触応力による局所的な変形を正確に捉えることができるモード合成法が不可欠です。これはトライアルベクトルを追加することで実現しました。ジョイントインターフェースモードまたは接触モードと呼び、接触応力による局所変形を再現するための定式化されました。実際の物理現象を再現できるため、接触応力もより確かな結果として得られます。
The total deformation is described as superposition of selected trial vectors.
Exemplary constraint modes accorting to Craig and Bampton.
Exemplary normal modes according to Craig and Bampton.
Exemplary contact modes computed during the MAMBA preprocessing step.
MAMBAの接触を考慮したシミュレーションは、接触面を定義した縮約モデルがベースになります。そして、2つの方法があります。1つは、Multibody Solution と呼んでいる機構解析（MBS）モデルに組み込んで実行する方法です。もう一つは、Standalone Solution と呼んでいるフリーボディに節点荷重を入力して実行する方法です。
次の図は、車体のシミュレーションを例に、それぞれの方法を説明したイメージになります。
コンタクトモデル
1つ目は、表面法線方向の接触応力が支配的な接触面です。これは、例えばスポット溶接部付近に多く見られます。MAMBAでは、これを「Normal Contact」と示します。
2つ目は、摩擦によるせん断応力も発生している場合です。これは、例えば外部荷重によって接触面が接線方向に相対移動する場合です。MAMBAでは、これを「Frictional Contact」と示し、同様に「Normal Contact」も含みます。
3つ目は、プリテンションなどによって、高い接触圧力が生じる場合です。これは、しっかり締め付けられたボルト締結の場合です。MAMBAでは、これを「Pretensioned Contact」と示し、「Frictional Contact」も含みます。
Contact stress component in normal direction within normal contact interfaces.
Additional shear stresses within frictional contact interfaces.
Hysteresis curve obtained from a pretensioned contact interface.
ソフトウェア・パッケージ
Multibody Solution
機構解析（MBS）モデルの一部として実行されます。
これは、締結部の接触応力が、MBS全体の挙動に影響を与える場合に最適です。
・弾性体MBSモデルへのシームレスな統合
・弾性体内の接触を考慮
Standalone Solution
不拘束解析（イナーシャリリーフ解析）として実行されます。
これは、インターフェース荷重が、接触応力から独立しており、その荷重を事前準備できる場合に最適です。
・解析モデルの高速セットアップウィザード
・短時間で接触解析が可能な独自ソルバー
・並列解析も可能
