基礎加振応答解析 — 理論と支配方程式
基礎加振とは
先生、「基礎加振」って何ですか？
構造の支持部（基礎）に振動が入力される問題だ。地震による建物の振動、車体からの機器への振動伝達、振動試験台による加振が代表例。
荷重が直接構造に作用するのではなく、「床が揺れる」ことで構造が振動するんですね。
そう。運動方程式：
$\ddot{u}_g$ が基礎の加速度入力。右辺は慣性力として作用する。
絶対応答と相対応答
2つの応答の定義：
- 絶対応答 — 静止座標系での構造の変位・加速度
- 相対応答 — 基礎に対する構造の変位・加速度
設計ではどちらが重要ですか？
用途による：
- 応力評価 → 相対応答（相対変位から応力を計算）
- 加速度限度 → 絶対応答（人体への影響は絶対加速度）
- 変位限度 → 相対応答（隣接構造とのクリアランス）
FEMでの設定
基礎加振の入力方法：
1. 支持点に加速度入力
支持点（SPC点）に加速度を与える。大変位法（large mass method）やSPCによる強制変位で入力。
2. 慣性力入力
$\{F\} = -[M]\{1\} \ddot{u}_g$ を荷重として与える。モード法では有効質量を使って各モードへの入力を計算。
ソルバー設定
Nastran
```
SOL 111
CEND
DLOAD = 100
BEGIN BULK
RLOAD2, 100, 200, , , 1.
TABLED1, 200, ...
$ 支持点の加速度入力
SPCD, ...
```
Abaqus
```
*STEP
*STEADY STATE DYNAMICS
1., 100., 100, 1.
*BASE MOTION, DOF=2, AMPLITUDE=accel_input
*END STEP
```
Abaqusの*BASE MOTIONが一番わかりやすいですね。
*BASE MOTIONは基礎加振を直接入力できる。方向（DOF）と入力波形（AMPLITUDE）を指定するだけ。
まとめ
基礎加振応答を整理します。
要点：
- 基礎が揺れて構造が応答 — 地震、振動試験、車体振動
- $F = -M \ddot{u}_g$ — 慣性力として入力
- 絶対応答 vs. 相対応答 — 用途で使い分け
- Abaqus *BASE MOTIONが最も直感的 — 方向と波形を指定
NASAとNASTRAN — FEMの夜明け
今や世界中で使われている有限要素法ソルバー「NASTRAN」は、1960年代にNASAが開発しました。アポロ計画でロケットの構造解析が必要だったのです。当時のコンピュータはメモリ数KBの時代——今のスマートフォンの100万分の1以下の性能で、人類を月に送る構造計算をしていたのです。
各項の物理的意味
- 慣性項（質量項）：$\rho \ddot{u}$、つまり「質量×加速度」。急ブレーキで体が前に投げ出された経験はありませんか？ あの「持っていかれる感じ」がまさに慣性力です。重い物体ほど動き出しにくく、動き出したら止まりにくい。地震で建物が揺れるのも、地面が急に動いたのに建物の質量が「置いていかれる」から。静解析ではこの項をゼロにしますが、それは「ゆっくり力をかけるから加速度は無視できる」という仮定です。衝撃荷重や振動問題では絶対に省略できません。
- 剛性項（弾性復元力）：$Ku$ や $\nabla \cdot \sigma$。ばねを引っ張ると「戻ろうとする力」を感じますよね？ あれがフックの法則 $F=kx$ であり、剛性項の本質です。では質問——鉄の棒とゴム紐、同じ力で引っ張るとどちらが伸びるでしょうか？ 当然ゴムです。この「伸びにくさ」がヤング率 $E$ であり、剛性を決めます。よくある勘違い：「剛性が高い＝強い」ではありません。剛性は「変形しにくさ」、強度は「壊れにくさ」で、別の概念です。
- 外力項（荷重項）：体積力 $f_b$（重力など）と表面力 $f_s$（圧力、接触力など）。こう考えてみてください——橋の上のトラックの重さは「中身全体にかかる力」（体積力）、タイヤが路面を押す力は「表面だけにかかる力」（表面力）。風圧、水圧、ボルトの締付力…すべて外力です。ここでありがちな失敗：荷重の方向を間違える。「引張」のつもりが「圧縮」になっていた——笑い話に聞こえますが、3D空間で座標系が回転していると実際に起こります。
- 減衰項：レイリー減衰 $C\dot{u} = (\alpha M + \beta K)\dot{u}$。ギターの弦を弾いてみてください。音は鳴り続けますか？ いいえ、徐々に小さくなりますよね。振動エネルギーが空気抵抗や弦の内部摩擦で熱に変わるからです。車のショックアブソーバーも同じ原理——わざと振動エネルギーを吸収して乗り心地を良くしています。もし減衰がゼロだったら？ 建物は地震の後いつまでも揺れ続けることになります。実際にはそうならないので、適切な減衰の設定が重要です。
仮定条件と適用限界
次元解析と単位系
| 変数 | SI単位 | 注意点・換算メモ |
|---|---|---|
| 変位 $u$ | m（メートル） | mm入力時は荷重・弾性率もMPa/N系に統一すること |
| 応力 $\sigma$ | Pa（パスカル）= N/m² | MPa = 10⁶ Pa。降伏応力との比較時に単位系の不一致に注意 |
| 歪み $\varepsilon$ | 無次元（m/m） | 工学歪みと対数歪みの区別に注意（大変形時） |
| 弾性率 $E$ | Pa | 鋼: 約210 GPa、アルミ: 約70 GPa。温度依存性に注意 |
| 密度 $\rho$ | kg/m³ | mm系ではtonne/mm³（= 10⁻⁹ tonne/mm³ for 鋼） |
| 力 $F$ | N（ニュートン） | mm系ではN、m系ではNで統一 |
数値例：片持ち梁の先端荷重（L=1m, 断面50×100mm, 鋼材E=210GPa, P=1kN）
最大たわみ δ = PL³/(3EI) = 1000×1000³/(3×210000×4,166,667) ≈ 0.381 mm 最大応力 σ = PL×(h/2)/I ≈ 12.0 MPa（降伏応力235MPaに対して安全率19.6）
メッシュ密度を変えた収束性の確認：
ポイント：要素数を4倍にしても結果は0.5%しか変わらない→8,000要素で十分収束。これが「メッシュ収束性」の確認です。
構造解析の収束問題や計算コストに課題を感じていませんか？ — Project NovaSolverは、実務者が日々直面するこうした課題の解決を目指す研究開発プロジェクトです。
CAEの未来を、実務者と共に考える
Project NovaSolverは、基礎加振応答解析における実務課題の本質に向き合い、エンジニアリングの現場を支える道具づくりを目指す研究開発プロジェクトです。
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