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コンピュータ支援による工学的検討:CAE導入の課題

1.CAEによる開発期間の短縮

 CAEは開発期間短縮には欠かせないツールの一つとして位置づけられています。しかし、3D-CADの導入が進む一方で、CAEが普及しているようには見えません。そこで今回は、CAE導入により開発期間を短縮するための課題について解説します。

 

2.CAEとは

 CAEとは、Computer Aided Engineering (コンピュータ支援による工学的検討)の略で、コンピュータの高い計算能力を利用し、製品設計や工程設計における工学的な事前検討を行う手法の総称です。具体的には以下の手法が有名です。 

(1)FEM (Finite Element Method : 有限要素法)

強度・剛性、振動、周波数応答、衝突、熱伝導シミュレーションなど

(2)BEM (Boundary Element Method : 境界要素法)

電場、磁場、音響シミュレーションなど

(3)CFD (Computational Fluid Dynamics : 数値流体力学)

流体シミュレーション(航空機や高速鉄道車両等の空気流れなど)

(4)その他

機構シミュレーション、組立作業シミュレーション、景観シミュレーションなど

 以上の手法のうち、FEMをCAEと認識されている方も多いので、FEMを例に導入の課題を説明します。

  

3.CAE導入の課題

 多くの場合、CAE導入後、以下の課題に直面します。

(1)難解な専門用語

(2)分割する要素の大きさ

(3)シミュレーション結果の評価方法

 これらの課題を解決する取り組み方を紹介しましょう。

3.1. 難解な専門用語

 多くの専門用語は材料力学の教科書を参考にしながら社内で勉強会を開催し、関係者の皆さんで理解することをお勧めします。特に、担当者が専門用語を理解していても、業務を指示する側が理解できていないと、次第にどのようなことを説明されているのか分からなくなり、コミュニケーションが取れなくなってしまいます。

 勉強会が困難な場合には、社内で通用するような技術用語集などを作成し、個々に学ぶ機会を作ることも有効です。

 

3.2.分割する要素サイズ

 シミュレーション用のモデルを作成する場合、有限要素に分割します。分割される要素が粗ければシミュレーションの計算精度は低くなり、反対に細かくなれば計算精度も高くなります。計算精度と要素分割の関係を定量化するために、片持ち梁をモデル化し、設計式の結果と比較することをお勧めします。定量化する際、梁の断面を矩形だけでなく他の断面形状(パイプや板など)でも試してみてください。

 

3.3 シミュレーション結果の評価方法

 シミュレーション結果のうち応力分布を表示させる時に、複数の応力項目があり、どれを評価に使ったらよいか迷うという話を聞きます。また、具体的な強度基準をどのように決めたらよいか判断に困る場合もあります。法的な根拠を求められる場合には、建築基準法施行令の第90条(許容応力度(※1))や96条(材料強度)を適用することもあります。

 個々の内容により評価基準は異なるので、専門家にご相談されることをお勧めします。

(※1) 許容応力度とは、機械工学における許容応力を意味します。

 

4.CAE導入を成功させるためには

 3D-CADの一部機能として、CAEはパソコン上でも活用できるようになっています。今回、提示した課題の解決は開発期間短縮に役立つものと思われます。

 ご意見やご質問をぜひお聞かせください。

 


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(ひなぢ てるひこ) / 専門家A / 株式会社応用技術研究所

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