StructuralFEA

Name: StructuralFEA
Author: robdtaylor

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リポジトリ

StructuralFEA について

StructuralFEAは、ダンパー部品や機械部品の構造検証向けオープンソーススキルです。CalculiX、FreeCAD FEM、Gmshなどを使う解析計算と有限要素解析の手順を備えています。

主な機能

01迅速な解析応力チェック
02部品の有限要素解析フロー
03座屈・モード解析
04疲労評価
05材料データと部品テンプレート
06メッシュ作成と結果解釈のガイド

活用シーン

01本解析の前にロッドの応力を確認
02内圧を受けるダンパーチューブを解析
03荷重下のロッド座屈を評価
04部品の疲労寿命を見積もる

インストール

コマンドをコピーしてターミナルで実行します。

$npx skills add https://github.com/robdtaylor/personal-ai-infrastructure --skill structuralfea

インストール後、Claude Code で/structuralfeaを入力して読み込まれたか確認します。

同梱ファイル

SKILL.md と一緒にインストールされる参考資料やスクリプト。

CLAUDE.md

Workflows/

QuickStress.md

ComponentFEA.md

詳細

StructuralFEA

ダンパー部品および機械部品の構造検証に使える、オープンソースの有限要素解析スキルです。CalculiX、FreeCAD FEM、Gmsh、ParaViewを使用します。

ワークフローの振り分け

ワークフロー	トリガー	説明
QuickStress	"quick stress check", "hand calc"	FEAの前に解析的に応力を計算します
ComponentFEA	"analyze rod", "tube stress", "piston FEA"	特定の部品を対象に完全なFEAを行います
BucklingAnalysis	"buckling", "column", "stability"	オイラー座屈解析と非線形座屈解析を行います
ModalAnalysis	"natural frequency", "modal", "vibration"	固有値を抽出します
FatigueCheck	"fatigue", "endurance", "life"	応力寿命法による疲労評価を行います

ツールチェーンの概要

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    OPEN SOURCE FEA STACK                            │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                     │
│   ┌─────────────┐     ┌─────────────┐     ┌─────────────┐          │
│   │  FreeCAD    │────▶│    Gmsh     │────▶│  CalculiX   │          │
│   │  (CAD/GUI)  │     │  (Meshing)  │     │  (Solver)   │          │
│   └─────────────┘     └─────────────┘     └──────┬──────┘          │
│         │                                         │                 │
│         │              ┌─────────────┐           │                 │
│         └─────────────▶│  ParaView   │◀──────────┘                 │
│                        │  (Post-proc)│                              │
│                        └─────────────┘                              │
│                                                                     │
│   Alternative paths:                                                │
│   - FreeCAD FEM Workbench (integrated GUI workflow)                │
│   - Salome-Meca (Code_Aster) for advanced nonlinear               │
│   - OpenFOAM for CFD (valve flow analysis)                         │
│                                                                     │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

インストール

macOS（Homebrew）

# FreeCAD with FEM workbench
brew install --cask freecad

# Gmsh mesher
brew install gmsh

# CalculiX solver (requires tap)
brew tap costerwi/calculix
brew install calculix-ccx     # Solver
brew install calculix-cgx     # Pre/post (optional, requires XQuartz on macOS)

# ParaView post-processor
brew install --cask paraview

# Optional: OpenFOAM for CFD
brew install openfoam

macOSの代替方法（Conda）

# If you prefer conda
conda install conda-forge::calculix
conda install conda-forge::gmsh

Linux（Ubuntu/Debian）

# FreeCAD
sudo apt install freecad

# Gmsh
sudo apt install gmsh

# CalculiX
sudo apt install calculix-ccx calculix-cgx

# ParaView
sudo apt install paraview

# Salome-Meca (alternative, more powerful)
# Download from https://www.code-aster.org/

Windows

# FreeCAD - via winget or download from freecad.org
winget install FreeCAD.FreeCAD

# Gmsh - via winget or download from gmsh.info
winget install -e --id Gmsh.Gmsh

# CalculiX - multiple options:

# Option 1: bConverged installer (recommended, includes GUI)
# Download from http://www.bconverged.com/calculix.php
# Provides ccx.exe and optional cgx.exe

# Option 2: Chocolatey (if installed)
choco install calculix

# Option 3: WSL (most reliable, identical to Linux)
# Install WSL, then: sudo apt install calculix-ccx calculix-cgx

# ParaView - via winget or download from paraview.org
winget install Kitware.ParaView

注： CalculiXはUnixネイティブのソフトウェアです。Windowsでは、bConvergedインストーラーが最も簡単な選択肢です。最大限の互換性を得るには、WSL（Windows Subsystem for Linux）でCalculiXを実行することを検討してください。これにより、ネイティブのLinuxと同じ動作が得られます。

インストールの確認

# Check versions
freecad --version
gmsh --version
ccx -v
paraview --version

材料データベース

アルミニウム合金（CalculiXの.inpファイル用）

*MATERIAL, NAME=AL6061T6
*ELASTIC
68900, 0.33
*DENSITY
2700E-12
*EXPANSION
23.6E-6

*MATERIAL, NAME=AL7075T6
*ELASTIC
71700, 0.33
*DENSITY
2810E-12
*EXPANSION
23.4E-6

*MATERIAL, NAME=AL2024T351
*ELASTIC
72400, 0.33
*DENSITY
2780E-12
*EXPANSION
23.2E-6

鋼（CalculiXの.inpファイル用）

*MATERIAL, NAME=STEEL4140
*ELASTIC
205000, 0.29
*DENSITY
7850E-12
*EXPANSION
12.3E-6
*PLASTIC
655, 0.0
860, 0.10

*MATERIAL, NAME=STEEL4340
*ELASTIC
205000, 0.29
*DENSITY
7850E-12
*EXPANSION
11.7E-6
*PLASTIC
860, 0.0
1100, 0.08

*MATERIAL, NAME=STEEL174PH
*ELASTIC
196000, 0.27
*DENSITY
7780E-12
*EXPANSION
10.8E-6
*PLASTIC
1170, 0.0
1310, 0.06

材料特性の概要

材料	E (MPa)	ν	ρ (kg/m³)	Sy (MPa)	Su (MPa)
6061-T6	68,900	0.33	2,700	276	310
7075-T6	71,700	0.33	2,810	503	572
4140 QT	205,000	0.29	7,850	655-860	810-970
4340 QT	205,000	0.29	7,850	860-1100	950-1200
17-4 PH H900	196,000	0.27	7,780	1,170	1,310

部品テンプレート

ピストンロッド - 軸荷重＋曲げ荷重

** ================================================
** PISTON ROD FEA - COMBINED LOADING
** ================================================
**
*HEADING
Damper Piston Rod - Axial Load with Side Force
**
*NODE, NSET=ALLNODES
** Node data imported from mesh file
*INCLUDE, INPUT=rod_mesh.inp
**
** ------------------------------------------------
** MATERIAL DEFINITION
** ------------------------------------------------
*MATERIAL, NAME=STEEL4140
*ELASTIC
205000, 0.29
*DENSITY
7850E-12
**
*SOLID SECTION, ELSET=EALL, MATERIAL=STEEL4140
**
** ------------------------------------------------
** BOUNDARY CONDITIONS
** ------------------------------------------------
** Fixed end (piston attachment)
*BOUNDARY
FIXED_END, 1, 3, 0.0
**
** ------------------------------------------------
** LOADING
** ------------------------------------------------
** Axial load (compression)
*CLOAD
LOAD_NODE, 3, -5000.0
**
** Side load (bending from misalignment)
*CLOAD
LOAD_NODE, 1, 500.0
**
** ------------------------------------------------
** ANALYSIS
** ------------------------------------------------
*STEP
*STATIC
**
*NODE FILE
U
*EL FILE
S, E
**
*END STEP

チューブ - 内圧

** ================================================
** DAMPER TUBE - INTERNAL PRESSURE
** ================================================
**
*HEADING
Damper Tube Hoop Stress Analysis
**
*INCLUDE, INPUT=tube_mesh.inp
**
*MATERIAL, NAME=AL6061T6
*ELASTIC
68900, 0.33
**
*SOLID SECTION, ELSET=EALL, MATERIAL=AL6061T6
**
** Fixed end cap
*BOUNDARY
END_FIXED, 1, 3, 0.0
**
** Internal pressure (20 MPa = 200 bar)
*DLOAD
INNER_SURFACE, P, 20.0
**
*STEP
*STATIC
*NODE FILE
U
*EL FILE
S, E
*END STEP

座屈解析テンプレート

** ================================================
** ROD BUCKLING ANALYSIS
** ================================================
**
*HEADING
Piston Rod Linear Buckling
**
*INCLUDE, INPUT=rod_mesh.inp
**
*MATERIAL, NAME=STEEL4340
*ELASTIC
205000, 0.29
**
*SOLID SECTION, ELSET=EALL, MATERIAL=STEEL4340
**
** Pinned bottom
*BOUNDARY
BOTTOM, 1, 2, 0.0
BOTTOM, 3, 3, 0.0
**
** Guided top (can move axially)
*BOUNDARY
TOP, 1, 2, 0.0
**
** Unit load for eigenvalue extraction
*CLOAD
TOP, 3, -1.0
**
** ------------------------------------------------
** LINEAR BUCKLING (EIGENVALUE)
** ------------------------------------------------
*STEP
*BUCKLE
5
**
*NODE FILE
U
*EL FILE
S
**
*END STEP

モーダル解析テンプレート

** ================================================
** COMPONENT MODAL ANALYSIS
** ================================================
**
*HEADING
Natural Frequency Extraction
**
*INCLUDE, INPUT=component_mesh.inp
**
*MATERIAL, NAME=STEEL4140
*ELASTIC
205000, 0.29
*DENSITY
7850E-12
**
*SOLID SECTION, ELSET=EALL, MATERIAL=STEEL4140
**
*BOUNDARY
FIXED, 1, 3, 0.0
**
*STEP
*FREQUENCY
10
**
*NODE FILE
U
*EL FILE
S
**
*END STEP

メッシュ作成のガイドライン

要素サイズの推奨値

部品	全体サイズ	細分化する領域	要素タイプ
ロッド（Ø16-25mm）	2-3mm	ねじ山：0.5mm、フィレット：0.5mm	C3D10（四面体）
チューブ（Ø40-60mm）	3-4mm	ねじ谷：0.5mm	C3D10またはC3D20R
ピストン	2-3mm	バルブポート：0.3mm	C3D10
アイ／クレビス	2-3mm	穴の縁：0.5mm	C3D10

Gmshメッシュ作成スクリプト

// ================================================
// GMSH SCRIPT FOR DAMPER ROD
// ================================================

// Load geometry (STEP file from CAD)
Merge "piston_rod.step";

// Define mesh size
Mesh.CharacteristicLengthMax = 2.0;  // mm
Mesh.CharacteristicLengthMin = 0.3;  // mm

// Refine at threads (identify surfaces by number)
Field[1] = Distance;
Field[1].FacesList = {5, 6};  // Thread surfaces
Field[1].NNodesByEdge = 100;

Field[2] = Threshold;
Field[2].IField = 1;
Field[2].LcMin = 0.5;
Field[2].LcMax = 2.0;
Field[2].DistMin = 0.5;
Field[2].DistMax = 5.0;

Background Field = 2;

// Generate 3D mesh
Mesh.Algorithm3D = 1;  // Delaunay
Mesh 3;

// Save for CalculiX
Save "rod_mesh.inp";

FreeCAD FEMのワークフロー

ジオメトリの作成／インポート
- 新しいジオメトリにはPart Designワークベンチを使用します
- 既存のCADにはSTEP/IGESをインポートします
FEMワークベンチに切り替え
- Analysis → New Analysis
- Model → Solver CalculiX Standard
材料の割り当て
- Model → Material for Solid
- ライブラリから選択するか、カスタム材料を定義します
拘束条件の適用
- Model → Constraint Fixed（支持部用）
- Model → Constraint Force（荷重用）
- Model → Constraint Pressure（面用）
メッシュの作成
- Mesh → FEM Mesh from Shape
- 要素サイズと細分化を設定します
解析の実行
- Solve → Solver Job Control
- .inpファイルを書き出し、CalculiXを実行します
結果の表示
- Results → Show Result
- フィルター：Von Mises、変位など

結果の解釈

応力限度（設計許容値）

材料	静的 σ_allow	疲労 σ_allow	注記
6061-T6	165 MPa	60 MPa	0.6×Sy、Se=97 MPa
7075-T6	300 MPa	100 MPa	0.6×Sy、Se=159 MPa
4140 QT	400-520 MPa	200-260 MPa	焼戻し状態によって異なります
4340 QT	520-660 MPa	260-330 MPa	優れた疲労特性
17-4 PH	700 MPa	350 MPa	H900状態

安全率のガイドライン

用途	静的SF	疲労SF	座屈SF
道路車両	2.0	3.0	3.0
モータースポーツ	1.5	2.0	2.5
産業用途	2.5	4.0	4.0

結果のチェックリスト

## FEA Result Verification

□ Mesh convergence check (refine 2x, stress change <5%)
□ Displacement magnitude reasonable
□ Stress concentrations identified and acceptable
□ von Mises < σ_allowable everywhere
□ No yielding in critical regions
□ Buckling factor > required SF
□ Natural frequencies away from excitation frequencies
□ Reaction forces balance applied loads
□ No mesh distortion warnings

簡易応力チェック（FEAの前に）

ロッドの軸応力

σ = F / A = F / (π × d²/4)

Example:
F = 5000 N, d = 20 mm
σ = 5000 / (π × 20²/4) = 15.9 MPa

For 4140 steel (Sy = 700 MPa):
SF = 700 / 15.9 = 44 ✓ (very conservative)

ロッドの座屈

Pcr = π² × E × I / (K × L)²

I = π × d⁴ / 64

Example:
d = 20 mm, L = 200 mm, K = 0.7 (guided)
E = 205,000 MPa

I = π × 20⁴ / 64 = 7854 mm⁴
Pcr = π² × 205000 × 7854 / (0.7 × 200)²
Pcr = 809,000 N = 809 kN

For F = 5000 N:
SF = 809,000 / 5000 = 162 ✓

チューブのフープ応力

σ_hoop = P × r / t

Example:
P = 20 MPa, r = 20 mm (inner), t = 3 mm
σ_hoop = 20 × 20 / 3 = 133 MPa

For 6061-T6 (Sy = 276 MPa):
SF = 276 / 133 = 2.1 ✓

他のスキルとの連携

スキル	連携内容
DamperEngineering	コンポーネントの荷重、材料選定
PlantCapability	設計の機械加工の実現可能性
CuttingParams	表面仕上げの要件
QuoteEstimator	材料費、機械加工時間

例

例 1：ロッドの簡易チェック

User: "Check if 16mm rod can handle 4000N"
→ Run analytical calculation
→ Check axial stress vs allowable
→ Check buckling if stroke > 100mm
→ Report pass/fail with SF

例 2：FEA の完全なワークフロー

User: "Run FEA on piston rod with thread detail"
→ Generate CalculiX template
→ Provide meshing guidance
→ Define boundary conditions
→ Interpret results
→ Recommend design changes if needed

例 3：座屈解析

User: "Will this long rod buckle under max load?"
→ Euler calculation first
→ Set up CalculiX buckling analysis
→ Extract eigenvalue (buckling factor)
→ Report margin

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基本情報

作者: robdtaylor
リポジトリ: robdtaylor/personal-ai-infrastructure
カテゴリ: その他
インストール数: 118

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