圧力容器の線形解析 — トラブルシューティングガイド

圧力容器特有のトラブルは応力分類に関連するものが多い。

確認項目：

1. 端部条件 — 開放端か密閉端かで軸方向応力が変わり、ポアソン効果でフープ応力にも影響

2. 不連続部の影響範囲内 — 鏡板接続部から $\sqrt{Rt}$ 以内では不連続応力が重畳。十分離れた位置で比較

3. 厚肉効果 — $D/t < 20$ ではラメの式との比較が必要。内面応力は薄肉公式より高い

4. 圧力の作用面 — 内面圧力の向きが法線方向（外向き）か確認

胴の中央部（端部から十分離れた一様な領域）で薄肉公式と比較する。ここで一致しなければモデル化に問題がある。

最も難しい判断だ。基本原則：

一次応力（$P$） — 荷重平衡に必要な応力。除去すると構造が平衡を保てない。

• 例: 内圧による膜応力、自重による応力

二次応力（$Q$） — 変位の適合条件から生じる応力。自己制限性がある。

• 例: 不連続応力（胴と鏡板の接続部）、熱応力

判断のテスト: 「この応力を取り除いても構造は崩壊しないか？」→ Yes なら二次。No なら一次。

これはSCL法の本質的な弱点だ。対策：

• ASME Annex 5-Aのガイドラインに従う — SCLの設定位置が規定されている
• SCLは板厚方向に直交させる — 曲面上では局所的な法線方向
• 複数のSCL位置で結果を確認 — 最も厳しい位置を採用
• 弾塑性解析法の検討 — SCLが不要な手法で検証

そう。応力分類の曖昧さに悩むなら、弾塑性解析法（ASME Div. 2 Part 5.2.3）への移行を検討すべきだ。計算コストは上がるが、判断の曖昧さが排除される。

圧力の方向が逆になっている。FEMでは圧力は面の法線方向に作用する。法線が内向きの場合、正の圧力は外圧として作用する。

確認：

• 要素の法線方向を表示して確認
• 内圧なら変位が外向き（半径増大）になるはず
• 反力が圧力×面積と整合するか確認

• [ ] 胴の中央部でフープ応力が薄肉公式と整合するか（基本検証）
• [ ] 圧力の方向（法線方向）は正しいか（変位方向で確認）
• [ ] 不連続部のメッシュは板厚の1/2以下の要素サイズか
• [ ] SCLの位置はASME Annex 5-Aに従っているか
• [ ] 応力分類（一次/二次/ピーク）は物理的に妥当か
• [ ] 全応力カテゴリが許容値以内か
• [ ] 疲労評価が必要な場合、ピーク応力を使っているか
• [ ] 弾塑性解析法での検証も検討したか

その通り。単純な理論解と合わせるのはFEM解析の鉄則だ。圧力容器では薄肉公式がその最も基本的な検証手段になる。