4節点四辺形要素(QUAD4) — トラブルシューティングガイド
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4節点四辺形要素(QUAD4) — トラブルシューティングガイド
Q4のトラブル
Q4要素でよくあるトラブルを教えてください。
2次元FEMの基本的なトラブルがQ4に集約される。
変位が過小（シアロッキング）
曲げ問題で変位が理論値より小さいです。
完全積分のQ4でシアロッキングが起きている。対策は3次元のHEX8と同じ：
- CPS4I（非適合モード）に変更
- CPS4R（低減積分）に変更
- Q8（CPS8R）に切り替え
アワーグラスモード（変位がジグザグ）
低減積分のQ4で変位が波打ちます。
集中荷重でアワーグラスモードが励起されている。荷重を分散させるか、CPS4I（非適合モード）に切り替える。
応力コンターに「チェッカーボード」パターン
応力が市松模様になります。
2つの可能性：
1. 低減積分のアワーグラス — CPS4Iに切り替え
2. メッシュが歪んでいる — 要素品質を確認。アスペクト比 > 5 や スキューネス > 45° がないか
板厚の設定忘れ
結果の力のオーダーがおかしいです。
2次元平面応力要素では板厚の設定が必要。デフォルトの1.0のままだと、実際の板厚と異なるため力やたわみのオーダーが合わない。Abaqusの *SOLID SECTION で板厚を必ず指定すること。
境界条件での過拘束
固定端のつもりで全節点の全自由度を拘束したら、応力がおかしくなりました。
ポアソン効果で横方向に膨張する変形が拘束されてしまっている。「固定」の意味を明確にすること：
- 面外変位のみ拘束 — 最も一般的
- 面内も拘束 — ポアソン膨張も抑制。実構造に合っているか確認
まとめ
Q4のトラブル対処、整理します。
Q4のトラブルはHEX8と同じ構造を持つ。2次元で理解すれば3次元にも応用できる。
Coffee Break よもやま話
Q4要素の砂時計モード診断
1点積分Q4要素で砂時計（hourglass）モードが発生すると、隣接要素で変位が交互に正負に振れる模様がコンター図に現れる。MSC NastranではDIA=16のフラグで零エネルギーモードを検出できる。Abaqusでは人工的な砂時計制御スティフネスをデフォルト採用しており、HOURGLASS=ENHANCEDオプションが最も精度が高いとされる。
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