有限要素法の概要

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・まず、はじめに
学校によりますが、大学3,4年では弾性力学という授業は聞き慣れないと思います。この内容は、今まで勉強した構造力学や材料力学を土台に学習していく分野です。さらに言えば、構造力学や材料力学で習った公式やフックの法則は、元々は弾性力学から考えられたものです。まだまだ構造力学に不安がある人は、ここは後回しにしても良いでしょう。

・弾性力学とその学問体系
構造力学では主に２次元での物体を勉強してきましたね。弾性力学では３次元に拡張して力のつり合いや、ひずみと変位の関係などを考えていきます。本来なら、３次元→２次元→１次元と勉強していく方が自然ですね。しかし３次元で理解するのは時間も必要ですし、ある程度、知識の土台が無いと難しいです。よって１次元→２次元→３次元と学校では学習します。

実は弾性力学も大本は固体力学という学問の一部です。さらに、固体力学と流体力学（例えば水理学）も連続体力学という学問の一部と考えることができます。私たちが必死で勉強している｢構造力学｣も｢連続体力学｣の一部だったんですねー。

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記事を書いた人

ハナダユキヒロ／建築学生が学ぶ「構造力学」

難解な構造力学、建築構造の用語を分かりやすく解説する専門家。高等専門学校在学中から建築学生が学ぶ「構造力学」を運営。その後、国立大学大学院⇒組織設計事務所⇒弊サイト運営に従事している。

著書：「わかる構造力学/工学社」、「わかる構造力学改訂版/工学社」

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有限要素法について

・有限要素法（FEM）とは
FEM（Finite Element Method）とは対象とする領域を有限の要素に分割し、一つ一つの要素について比較的単純な関数を解くことで全体の挙動を明らかにしようとする数値解析の手法です。日本語では有限要素法ですね。 FEMを使えば物体に加わる応力の分布や、主応力等を示せば、その方向まで定量的にコンター図で示すことができるのです。

・鉄板の引張載荷を考えてみよう
例えば鉄帯板の単純引張載荷を考えてみましょう。この場合、両端から徐々に引っ張っていくと板のおよそ中心部分に応力が集中しやがて破断します。このような挙動は、FEMを利用することなく、頭の中でイメージできると思います。では、２つの円孔を有する帯板で単純引張載荷を施した場合はどの部分に応力が集中するか判断できますか？このような形が線形でない場合や、ボルト接合部など対象とする形や境界条件等が複雑な場合、FEMは威力を発揮するのです。

・解析は万能ではない
ただ、FEMという便利な解析方法も、所詮は近似計算を行っているにすぎません。解析というものは万能ではありません。あくまで理想状態でシュミュレーションしているだけなのです。しかし、解析を行うことでお金のかかる実験回数を減らすことや、安全側の設計を行うことが可能となっています。また、FEMの基礎を学ぶ前に弾性力学を勉強しましょうね。