水槽台を自作①|強度計算

 ネットでいろいろ水槽台を探してもいいなと思うものはかなり高額。調べてみると自作(DIY)している方も多数いるよう、ということで水槽台の自作にチャレンジしてみます。

 ただ水槽台は、水槽自体の重さが数十~数百Kgと非常に重い、、、棚や机を作るのと違ってかなり強度(耐久)には気を遣う必要があります。なのでまずは得意なところのデジタルツールをいろいろ使用して(3Dモデル設計や強度解析なんかを使って)構想設計から始めてみようかなぁとか考えてます。

で早速ですが、先駆者様たちのお知恵を拝借してざっくり設計(模写)、どれくらいの強度が出ているのか相対的に比較してみました。

 まずは何個か比較モデルを準備。

▼3Dモデル▼

 左から「60cmタイプ」、「90cmタイプ」、「スチール製」の水槽台。60cmタイプは1×4材で、90cmタイプは2×4材でモデリングしてます。構造はネット上でよく見かける自作水槽台の構造を模してます。スチール製は板厚2.3mmほどの中空でモデルリング。大きさの目安に60cm水槽をそれぞれに配置してます。

 このモデルでそれぞれ強度計算を行って、今後の目安となる強度を見ていきます。梁のたわみ公式から簡易的な断面計算でもいいのですが、3Dモデルを準備しているので有限要素法(FEM解析)と呼ばれる方法で変形応力解析を行って比較してみたいと思います。

 解析はFreeCADと呼ばれるフリーソフトを使用したのですが、無料でここまでできる時代になったとはほんとすごいですね。ひと昔前では数百~数千万クラスのソフトだっと記憶してます。。。

▼60cm水槽台の解析結果、変形量▼

 まずは60cm水槽1×4材ベースの変形解析結果からです。条件として、60cm水槽の重さ90kgに安全率を「10」(根拠はないです)として、およそ8825N(900Kgf)の等分布荷重を天板へ負荷。木材の弾性率は7300MPa。

 足の開きも見たかったので底面への境界条件はZ方向のみ固定、XY方向には自由度持たせてます。収束しないかと思ったのですがうまく収束してくれました。メッシュのバランスのせいですかね?足に掛かる負荷が均等ではなくなってます。

 結果、天板中央あたりに約0.4mm程度の変形。弾性率(ヤング率)とかその他もろもろ条件の確からしさが不明なので、結果の確からしさも不明。参考程度でお願いします。

▼60cm水槽台、応力分布▼

 天板中央と足の付け根に応力が立つ感じですね。最大で4.6MPa程度。続いて90cm水槽の結果です。

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▼90cm水槽台、変形量▼

 90cm水槽の重さは200kgを想定。こちらも安全率「10」で、19612N(2000kgf)の等分布荷重を天板に負荷。他の条件は60cm水槽と同様です。これだけの荷重を負荷しても変形は0.8mm程度。ほんとかな、、。

▼90cm水槽台 応力分布▼

 応力は若干高めで、足付け根で11MPa程度発生してます。次はスチール製ラックの解析です。

▼60cmスチールラック台 解析結果▼

 上が変形。下が応力分布です。60cm水槽で90kgの前提、金属の弾性率は215GPaで行ってます。他の条件は先の物と同様。解析の確からしさが不明なので、この形状の定量的な結果の展開は控えます。個人的には違和感のない結果かな、と思ってます。

 今回の強度解析ではビス止めや重ねた部分、溶接部など繋ぎ目の境界条件は無視、負荷も等分布荷重であったりと、他にもいろいろと条件が適当で解析の確からしさが不明です。ただ相対的な当たりはつけれたかなぁといったところ。ここら辺の数値を目標に好みのサイズで設計~ものづくり(DIY)していこうと思ってます。

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