JP5839582B2 - Mold design method and mold - Google Patents
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Description
本発明は、鋳型のキャビティ形状を設計する鋳型設計方法と鋳型に関する。 The present invention relates to a mold design method and a mold for designing a cavity shape of a mold.
鋳物を鋳造する鋳型には一般的に砂型が用いられており、複雑な形状の鋳物を鋳造する場合等には、鋳型は主型と中子とで構成されることもある。砂型を形成する鋳物砂には珪砂が多く用いられ、通常、造型性を高めるために、樹脂等の粘結剤が混煉されている。 A sand mold is generally used as a casting mold for castings. When casting a casting having a complicated shape, the casting mold may be composed of a main mold and a core. Silica sand is often used for the foundry sand forming the sand mold, and usually a binder such as resin is mixed in order to improve moldability.
鋳物業界では、鋳造後の鋳物の加工代を少なくするために、鋳込まれる鋳物成品形状を最終製品形状に近づける、いわゆるニアネットシェイプ化が進んでいる。このようなニアネットシェイプの鋳造では、伸び尺と呼ばれる鋳物の熱収縮量を見込んで鋳型のキャビティ形状が設計されている。例えば、鋳物材料がねずみ鋳鉄や球状化黒鉛鋳鉄の場合は、0/1000〜15/1000程度の伸び尺が見込まれているが、このような変動幅があるため、長さ寸法や外径寸法が200mm以上の大きな鋳物を鋳造するときは、加工代が0〜3mm以上の範囲で変化することになり、ニアネットシェイプ化の一つの目安となる加工代3mm未満の鋳物を鋳造することが困難となっている。 In the casting industry, in order to reduce the processing cost of a cast product after casting, so-called near net shaping, in which a cast product shape to be cast is brought close to a final product shape, is progressing. In casting of such a near net shape, the cavity shape of the mold is designed in consideration of the amount of heat shrinkage of the casting called an elongate scale. For example, when the cast material is gray cast iron or spheroidal graphite cast iron, an elongation scale of about 0/1000 to 15/1000 is expected, but since there is such a fluctuation range, the length dimension and the outer diameter dimension are expected. When casting a large casting with a thickness of 200 mm or more, the machining allowance changes in the range of 0 to 3 mm or more, and it is difficult to cast a casting with a machining allowance of less than 3 mm, which is one guideline for near net shaping. It has become.
このようなニアネットシェイプ鋳造の精度を高めるために、これまでの伸び尺を用いる経験的な鋳型設計方法の替りに、鋳物の凝固・冷却時における収縮および熱変形を、数値解析の一手法である有限要素法によって計算し、その計算結果に基づいて、鋳造用模型の形状、すなわち鋳型のキャビティ形状を決定する鋳型設計方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In order to improve the accuracy of near-net shape casting, instead of the empirical mold design method using the conventional stretch scale, shrinkage and thermal deformation during casting solidification / cooling is a numerical analysis method. There has been proposed a mold design method for calculating by a certain finite element method and determining the shape of the casting model, that is, the cavity shape of the mold based on the calculation result (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載されたものでは、有限要素法により凝固・冷却時における鋳物および鋳型の温度計算と、それに基づいた熱応力・変形計算とを実施することにより、鋳物の収縮・熱変形を予測し、これを鋳型のキャビティ形状の設計にフィードバックするようにしている。また、鋳物の熱応力と変形解析には、鋳型の変形抵抗および鋳物と鋳型界面との力学的境界条件を考慮するようにしている。
In the method described in
なお、注湯時の鋳型には、注湯される溶湯によって張り気と呼ばれる静圧が内側から作用し、この静圧に起因する変形が生じることが知られており、この静圧による鋳型の変形を抑制する手段がいくつか提案されている(例えば、特許文献2参照)。これらの手段は、いずれも鋳型の外面側を拘束して変形を抑制するものであり、静圧による鋳型の変形を定量化するものではない。 Note that it is known that a static pressure called tension is applied from the inside to the casting mold during pouring, and deformation due to the static pressure occurs. Several means for suppressing deformation have been proposed (see, for example, Patent Document 2). All of these means restrain the deformation by restraining the outer surface side of the mold, and do not quantify the deformation of the mold due to static pressure.
特許文献1に記載された鋳型設計方法は、凝固・冷却時における鋳物の収縮と熱変形を考慮したものであるが、鋳造工程では、高温の溶湯によって注湯から凝固開始までの間に鋳型が熱変形し、この熱変形によって凝固開始時の鋳型のキャビティ形状が変化することが想定される。このため、鋳物の収縮と熱変形を考慮するのみでは、キャビティ形状の設計精度を十分に確保できない問題がある。また、溶湯による鋳型の熱変形は、キャビティを狭めることが予想されるので、鋳造後の鋳物成品の加工代がマイナスとなって、寸法不足の不良品となる恐れもある。
The mold design method described in
そこで、本発明の課題は、ニアネットシェイプ鋳造の精度をより高め、かつ、鋳造後の鋳物成品が寸法不足とならないように鋳型のキャビティ形状を設計することである。 Therefore, an object of the present invention is to design the cavity shape of the mold so that the accuracy of near-net shape casting is further improved and the cast product after casting does not have insufficient dimensions.
上記の課題を解決するために、本発明は、溶湯を注湯して鋳物を鋳造する鋳型のキャビティ形状を数値解析に基づいて設計する鋳型設計方法において、前記溶湯が注湯されてから凝固開始までの前記鋳型の熱による変形を数値解析して、注湯から凝固開始時までの鋳型キャビティの形状変化量を求めるとともに、前記鋳物の凝固開始から冷却終了までの凝固と冷却による変形を数値解析して、凝固開始から冷却終了までの鋳物の形状変化量を求め、これらの求められた鋳型キャビティの形状変化量と鋳物の形状変化量とに基づいて、前記鋳型のキャビティ形状を設計する方法を採用した。 In order to solve the above problems, the present invention provides a mold design method for designing a cavity shape of a mold for casting a cast metal by casting a molten metal based on numerical analysis, and then solidification starts after the molten metal is poured. Numerical analysis of the deformation due to heat of the mold up to the time of pouring to the start of solidification, and numerical analysis of deformation due to solidification and cooling from the start of solidification to the end of cooling And determining the shape change amount of the casting from the start of solidification to the end of cooling, and designing the mold cavity shape based on the obtained shape change amount of the mold cavity and the shape change amount of the casting. Adopted.
すなわち、鋳物の外殻ができる凝固開始時から鋳物が常温となる冷却終了までの形状変化量のみでなく、注湯から凝固開始時までの鋳型キャビティの形状変化量も数値解析によって求め、これらの鋳型キャビティの形状変化量と鋳物の形状変化量に基づいて、鋳型のキャビティ形状を設計することにより、凝固開始時における鋳型キャビティ形状を鋳型設計に反映させて、ニアネットシェイプの精度をより高め、かつ、鋳造後の鋳物成品が寸法不足とならないようにした。 That is, not only the amount of shape change from the start of solidification when the outer shell of the casting is formed to the end of cooling until the casting becomes room temperature, but also the amount of shape change of the mold cavity from pouring to the start of solidification is obtained by numerical analysis. By designing the mold cavity shape based on the mold cavity shape change amount and casting shape change amount, the mold cavity shape at the start of solidification is reflected in the mold design, and the accuracy of the near net shape is further improved. In addition, the cast product after casting was made not to be short of dimensions.
前記鋳物の長さ寸法または外径寸法が200mm以上である場合は、鋳物成品の加工代をより効果的に低減することができ、加工代を3mm未満とすることができる。 When the length dimension or outer diameter dimension of the casting is 200 mm or more, the machining allowance of the cast product can be more effectively reduced, and the machining allowance can be less than 3 mm.
前記鋳物が軸方向で大径部と小径部を有するものである場合も、鋳物成品の加工代をより効果的に低減することができ、特に、小径部で寸法不足が生じないように加工代を低減することができる。すなわち、小径部を形成する鋳型の部位は、大径部を形成する鋳型の部位よりも、鋳型の熱変形によるキャビティの狭まり度合いが大きくなるからである。 Even when the casting has a large diameter portion and a small diameter portion in the axial direction, the machining allowance of the cast product can be more effectively reduced. Can be reduced. That is, the portion of the mold that forms the small-diameter portion has a greater degree of narrowing of the cavity due to thermal deformation of the mold than the portion of the mold that forms the large-diameter portion.
前記鋳型の熱による変形の数値解析に用いる鋳型材料の物性値に対して、温度依存性を考慮することにより、鋳型の熱変形をより精度よく数値解析することができる。なお、この鋳型材料の物性値としては、線膨張率、ヤング率等が挙げられる。 By considering the temperature dependence of the physical properties of the mold material used for the numerical analysis of the deformation of the mold due to heat, the thermal deformation of the mold can be numerically analyzed with higher accuracy. In addition, as a physical-property value of this casting_mold | template material, a linear expansion coefficient, a Young's modulus, etc. are mentioned.
前記鋳型に注湯される溶湯の静圧に起因する鋳型の変形を加味して、前記鋳型キャビティの形状変化量を求めることにより、ニアネットシェイプの精度をさらに高めることができる。 The accuracy of the near net shape can be further improved by calculating the shape change amount of the mold cavity in consideration of the deformation of the mold due to the static pressure of the molten metal poured into the mold.
本発明に係る鋳型設計方法は、鋳物の外殻ができる凝固開始時から鋳物が常温となる冷却終了までの形状変化量のみでなく、注湯から凝固開始時までの鋳型キャビティの形状変化量も数値解析によって求め、これらの鋳型キャビティの形状変化量と鋳物の形状変化量とに基づいて、キャビティ形状を設計するようにしたので、ニアネットシェイプの精度をより高め、かつ、鋳造後の鋳物成品が寸法不足とないようにすることができる。 The mold design method according to the present invention includes not only the amount of shape change from the start of solidification when the outer shell of the casting is formed to the end of cooling until the casting becomes room temperature, but also the shape change amount of the mold cavity from the pouring to the start of solidification. Since the cavity shape is designed based on the amount of mold cavity shape change and casting shape change obtained by numerical analysis, the near net shape accuracy is further improved and the cast product after casting Can be prevented from being insufficiently dimensioned.
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図1は、第1および第2の実施形態の鋳型設計方法を適用した鋳型1を、図2は、この鋳型1で鋳造される鋳物成品としてのスクリュ圧縮機用ロータ11を示す。このスクリュ圧縮機用ロータ11は球状化黒鉛鋳鉄(JIS;FCD500)で形成されており、軸方向の全長が860mmとされ、軸方向で大径部と小径部を有するスクリュ部11aは、長さ寸法が460mm、外径寸法が240mmとされている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a
前記鋳型1は、主型1aと、スクリュ部11aを鋳造する中子1bとで構成され、いずれの鋳物砂にも粘結剤としての樹脂が混煉された珪砂が用いられている。鋳型1には、スクリュ圧縮機用ロータ11を鋳造するキャビティ2が縦向きに形成され、その上方に押し湯部3が設けられるとともに、溶湯が注湯される注湯部4と、注湯された溶湯をキャビティ2に導く湯道5が設けられている。
The
図3は、第1の実施形態の鋳型設計方法における数値解析の手順を示す。この数値解析用のソフトは、溶湯の流動、凝固計算と系全体の伝熱計算を行う鋳造解析ソフト21と、鋳型の変形計算を行う変形解析ソフト22と、鋳物の変形計算を行う変形解析ソフト23とからなる。ここでは、鋳造解析ソフト21には有限要素法の計算ソフトJSCAST(商品名;クオリカ社製)を用い、各変形解析ソフト22、23には有限要素法の計算ソフトABAQUS(商品名;シムリア社製)を用いている。なお、これらの計算ソフトは、有限要素法のものに限定されることはなく、差分法等の計算ソフトを用いてもよい。
FIG. 3 shows a numerical analysis procedure in the mold design method of the first embodiment. This numerical analysis software includes a
まず、前記鋳造解析ソフト21に、鋳造方案(鋳型形状、鋳物形状、注湯温度、注湯量、注湯速度)、鋳型材料の熱特性(密度、比熱、熱伝導率)、鋳物材料の熱特性(密度、比熱、熱伝導率、固相線温度、液相線温度、凝固潜熱)、および熱境界条件(鋳型−鋳物間の熱伝達率、鋳型−雰囲気間の熱伝達率、雰囲気温度)を入力データとして入力し、経過各時刻における鋳型と鋳物の温度分布および鋳物の固相率を計算するとともに、溶湯の凝固開始時刻TSを算出する。ここでは、鋳物の全表面温度が固相線温度(1140℃)以下となり、鋳物の外殻ができる時刻を凝固開始時刻TSとする。
First, the
つぎに、前記変形解析ソフト22に、鋳造解析ソフト21で計算された時刻0〜TSにおける鋳型の温度分布と、別途に求められた鋳型材料の物性値である線膨張率およびヤング率が入力され、時刻0〜TSの間に生じる鋳型の熱による変形量が算出される。これと並行して、変形解析ソフト23に、鋳造解析ソフト21で計算された時刻TS〜冷却終了時、すなわち鋳物が常温となるまでの鋳物の温度分布と、別途に求められた鋳物材料の物性値である線膨張率およびヤング率が入力され、時刻TS〜冷却終了時までの間に生じる鋳物の変形量が算出される。最後に、これらの算出された鋳型と鋳物の凝固と冷却による変形量が、最初に入力された鋳型のキャビティ形状に加算され、キャビティ形状が設計される。
Then, the
図4(a)、(b)は、それぞれ前記鋳型材料としての樹脂が混煉された珪砂と、鋳物材料としてのFCD500についての既知の熱膨張線図である。表1(a)、(b)は、それぞれ図4(a)、(b)の熱膨張線図から求めた代表的な各温度における樹脂混煉珪砂とFCD500の線膨張率であり、各変形解析ソフト22、23の入力データとして用いたものである。
FIGS. 4A and 4B are known thermal expansion diagrams for silica sand mixed with resin as the mold material and
図5(a)、(b)は、それぞれ各試験温度における圧縮試験で求めた鋳型材料の応力−ひずみ曲線と、引張試験で求めた鋳物材料の応力−ひずみ曲線である。表2(a)、(b)は、それぞれ図5(a)、(b)の応力−ひずみ曲線から求めた代表的な各温度における樹脂混煉珪砂とFCD500のヤング率であり、各変形解析ソフト22、23の入力データとして用いたものである。
FIGS. 5A and 5B are a stress-strain curve of the mold material obtained by the compression test at each test temperature and a stress-strain curve of the casting material obtained by the tensile test, respectively. Tables 2 (a) and 2 (b) show the Young's modulus of resin-mixed quartz sand and FCD500 at typical temperatures obtained from the stress-strain curves in FIGS. 5 (a) and 5 (b), respectively. This is used as input data for the
図6は、第1の実施形態の数値解析で求められた各軸方向座標での鋳型と鋳物の径方向の変形量(半径分)を示す。図6には、鋳型と鋳物の変形量を加算した値も示し、鋳物成品形状も併せて示す。なお、この鋳物成品形状は加工代を2mm見込んだものである。この数値解析結果より、鋳型の変形量は、キャビティを狭めるマイナスの値となり、鋳物のスクリュ部を鋳造する部位ではスクリュの山部(大径部)よりもスクリュの谷部(小径部)で狭まり量が大きくなる。また、鋳物の変形量も径が縮径するマイナスの値となり、スクリュ部では谷部(小径部)よりも山部(大径部)で縮径量が大きくなる。この結果、鋳型と鋳物の変形量を加算した値は、スクリュ相当部では、半径分で約3mm、直径分で6mmのほぼ一定のマイナスの値(収縮値)となっている。なお、図示は省略するが、本数値解析では、鋳型と鋳物の3次元の変形量が求められ、これらの軸方向の変形量もマイナスの値となる。 FIG. 6 shows the radial deformation amount (for the radius) of the mold and the casting at each axial coordinate determined by the numerical analysis of the first embodiment. In FIG. 6, the value which added the deformation | transformation amount of a casting_mold | template and a casting is also shown, and a casting product shape is also shown collectively. In addition, this casting product shape anticipates a machining allowance of 2 mm. From this numerical analysis result, the amount of deformation of the mold becomes a negative value that narrows the cavity, and in the part where the screw part of the casting is cast, it is narrower at the valley part (small diameter part) of the screw than at the peak part (large diameter part) of the screw. The amount increases. Further, the amount of deformation of the casting also becomes a negative value that the diameter is reduced, and in the screw portion, the amount of diameter reduction is larger in the mountain portion (large diameter portion) than in the valley portion (small diameter portion). As a result, the value obtained by adding the deformation amount of the mold and the casting is a substantially constant negative value (shrinkage value) of about 3 mm for the radius and 6 mm for the diameter in the screw equivalent portion. In addition, although illustration is abbreviate | omitted, in this numerical analysis, the three-dimensional deformation amount of a casting_mold | template and a casting is calculated | required, and these axial deformation amounts also become a negative value.
図7(a)、(b)は、図6の鋳型と鋳物の変形量を加算した値に基づいて鋳型を設計した実施例のキャビティ断面形状を、それぞれスクリュ部の山部と谷部について拡大して示す。各図中には、比較例として、凝固開始時から冷却終了までの鋳物の変形量のみを考慮して設計したキャビティ断面形状も示す。注湯から凝固開始時までの鋳型の変形量を考慮していない比較例では、図7(b)に示すスクリュ部の谷部での収縮量が小さく見込まれ、谷部でのキャビティ径が実施例よりも小さく設計されている。このため、スクリュ部の谷部で2mmの加工代を割り込み、鋳物成品が寸法不足の不良品となる恐れがある。これに対して、注湯から凝固開始時までの鋳型の変形量を考慮した実施例では、スクリュ部の収縮量が山部でも谷部でもほぼ一定に見込まれており、鋳物成品が谷部で寸法不足の不良品となる恐れはなく、加工代を小さくして、ニアネットシェイプの精度を高めることができる。 7 (a) and 7 (b) expand the cavity cross-sectional shape of the embodiment in which the mold is designed based on the value obtained by adding the deformation amount of the mold and the casting of FIG. Show. In each figure, as a comparative example, a cavity cross-sectional shape designed in consideration of only the deformation amount of the casting from the start of solidification to the end of cooling is also shown. In the comparative example in which the amount of deformation of the mold from pouring to the start of solidification is not taken into account, the shrinkage amount at the valley portion of the screw portion shown in FIG. 7B is expected to be small, and the cavity diameter at the valley portion is implemented. Designed smaller than the example. For this reason, the machining allowance of 2 mm is interrupted at the valley of the screw part, and the cast product may be a defective product with insufficient dimensions. On the other hand, in the example considering the amount of deformation of the mold from pouring to the start of solidification, the amount of shrinkage of the screw part is expected to be almost constant in both the crest and trough, and the casting product is in the trough. There is no risk of a defective product with insufficient dimensions, and the machining allowance can be reduced to increase the accuracy of the near net shape.
図8は、第2の実施形態の鋳型設計方法における数値解析の手順を示す。この数値解析の基本的な手順は、第1の実施形態のものと同じであり、図1に示した鋳型1の変形計算を行う変形解析ソフト22に、注湯される溶湯の静圧に起因する鋳型1の変形を加味している点が異なる。その他は第1の実施形態と同じであり、図2に示した鋳物成品としてのスクリュ圧縮機用ロータ11はFCD500で形成され、鋳物砂には樹脂が混煉された珪砂が用いられている。
FIG. 8 shows a numerical analysis procedure in the mold design method of the second embodiment. The basic procedure of this numerical analysis is the same as that of the first embodiment, and is caused by the static pressure of the molten metal poured into the
すなわち、第2の実施形態では、図9に示すように、キャビティ2の各部位で鋳型1に内側から作用する静圧pによる変形を加味している。湯面Aからの深さをz、溶湯の密度をρ、重力加速度をgとすると、深さzの位置における静圧p(z)は、(1)式で表される。
p(z)=ρ・g・z (1)
(1)式で求められる各部位のp(z)は、変形解析ソフト22に用いる有限要素法モデルのキャビティ面の各接点に垂直に付加される。
That is, in the second embodiment, as shown in FIG. 9, the deformation due to the static pressure p acting on the
p (z) = ρ · g · z (1)
The p (z) of each part obtained by the equation (1) is added perpendicularly to each contact point on the cavity surface of the finite element method model used in the
図10は、第2の実施形態の数値解析で求められた各軸方向座標での鋳型と鋳物の径方向の変形量(半径分)と、これらの鋳型と鋳物の変形量を加算した値を示す。図10には、加工代を2mm見込んだ鋳物成品形状も併せて示す。なお、軸方向座標は、鋳型内における鋳物成品の最深位置を原点としており、軸方向座標が大きくなるほど、湯面からの深さzは浅くなる。また、図10における鋳型と鋳物の変形量およびこれらの加算値は、第1の実施形態の数値解析結果を示した図6よりも、スケールを拡大して示している。 FIG. 10 shows a value obtained by adding the deformation amount (radius) in the radial direction of the mold and the casting at each axial coordinate obtained in the numerical analysis of the second embodiment, and the deformation amount of these mold and casting. Show. FIG. 10 also shows the shape of the cast product with a machining allowance of 2 mm. In addition, the axial coordinate has the origin at the deepest position of the casting product in the mold, and the depth z from the molten metal surface becomes shallower as the axial coordinate becomes larger. Further, the deformation amount of the mold and the casting and the added value thereof in FIG. 10 are shown in an enlarged scale than FIG. 6 showing the numerical analysis result of the first embodiment.
静圧pによる鋳型の変形を加味した第2の実施形態の数値解析結果を示す図10では、第1の実施形態の数値解析結果を示す図6に較べて、鋳型の変形量がプラス側へシフトしており、このシフト量は、湯面からの深さzが深くなる軸方向座標が小さい領域ほど大きくなっている。このため、図6では、鋳型の変形量がスクリュ部を鋳造するほとんど全ての部位でキャビティを狭めるマイナスの値となっていたのに対して、図10では、スクリュの各山部(大径部)で、キャビティを拡げるプラスの値となっていることが分かる。なお、鋳物の変形量は第1の実施形態のものと同じである。この結果、スクリュ相当部での鋳型と鋳物の変形量を加算した値は、マイナスの値(収縮値)の絶対値が図6よりも小さくなっており、収縮値をより厳密に見積もって、ニアネットシェイプの精度をさらに高めることができる。 In FIG. 10 showing the numerical analysis result of the second embodiment in consideration of the deformation of the mold due to the static pressure p, the deformation amount of the mold is on the plus side compared to FIG. 6 showing the numerical analysis result of the first embodiment. There is a shift, and this shift amount is larger in a region where the axial coordinate is smaller and the depth z from the molten metal surface is deeper. Therefore, in FIG. 6, the deformation amount of the mold is a negative value that narrows the cavity in almost all portions where the screw portion is cast, whereas in FIG. 10, each peak portion (large diameter portion) of the screw ), It can be seen that it is a positive value to expand the cavity. Note that the amount of deformation of the casting is the same as that of the first embodiment. As a result, the absolute value of the negative value (shrinkage value) of the value obtained by adding the deformation amount of the mold and the casting at the screw equivalent portion is smaller than that in FIG. Net shape accuracy can be further increased.
上述した実施形態では、鋳造される鋳物成品を球状化黒鉛鋳鉄のスクリュ圧縮機用ロータとしたが、本発明に係る鋳型設計方法と鋳型は、球状化黒鉛鋳鉄の鋳物の鋳造用に限定されることはなく、ねずみ鋳鉄や鋼の鋳造に用いることもでき、アルミニウム等の非鉄金属の鋳造にも用いることができる。また、鋳物成品もスクリュ圧縮機用ロータに限定されることはなく、特に、長さ寸法や外径寸法が200mm以上の大寸法の鋳物成品や、軸方向で大径部と小径部を有する鋳物成品の鋳造に好適である。 In the embodiment described above, the cast product to be cast is a rotor for a spheroidal graphite cast iron screw compressor. However, the mold design method and the mold according to the present invention are limited to casting of a spheroidal graphite cast iron casting. It can also be used for casting gray iron or steel, and can also be used for casting non-ferrous metals such as aluminum. Also, the casting product is not limited to the rotor for the screw compressor, and in particular, a casting product having a large dimension with a length dimension and an outer diameter dimension of 200 mm or more, and a casting having a large diameter part and a small diameter part in the axial direction. Suitable for casting of products.
1 鋳型
1a 主型
1b 中子
2 キャビティ
3 押し湯部
4 注湯部
5 湯道
11 スクリュ圧縮機用ロータ
11a スクリュ部
21 鋳造解析ソフト
22、23 変形解析ソフト
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