シェル要素 — CAE用語解説

ソリッド要素は3次元の体積を持つ要素で、シェル要素は面で表現する要素だ。板厚が薄い構造、例えば自動車のボディパネルとか飛行機の外板みたいに、板厚に対して面積が圧倒的に大きい部品をモデル化するのに使う。面の中央にメッシュを貼って、板厚はプロパティとして入力するんだよ。

板厚方向の応力分布は板理論（Kirchhoff-LoveとかReissner-Mindlin）で仮定するんだ。板厚方向に複数の積分点を配置するから、表面と裏面で応力が違うのもちゃんと計算される。薄い構造ならソリッドよりずっと少ない要素数で同等の精度が出せるよ。

QUAD4は4節点の四角形シェル要素、TRIA3は3節点の三角形シェル要素だ。実務ではQUAD4が精度的に有利でよく使われる。TRIA3は曲面の複雑な部分で埋め草的に使うことが多い。ただしTRIA3は曲げ変形でロッキングを起こしやすいから、なるべく割合を減らすのがコツだよ。

そう、ボディの鉄板部分は全部シェル要素だね。衝突解析の全車モデルで数百万要素あるけど、シェル要素だからこそ成り立つ。これをソリッド要素で板厚方向に3〜4層切ったら要素数が5倍以上になって計算時間が爆発する。梁要素と組み合わせてフレーム部品を表現することもあるよ。

板厚が大きくて板厚方向の応力分布が複雑な場合、例えばエンジンブロックとか鋳物部品はソリッドが適切だね。目安として板厚と面内寸法の比が1:10以上ならシェルでOK、それより厚いとソリッドを検討すべきだ。溶接部の細かい応力評価もシェルだと限界がある場面がある。