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機械設計エンジニアの基礎知識 | 設計・3DCAD・製図・金型等

CAE解析に必要な知識

CAE解析を行うためには、次の3つの知識が必要となります。

 

・ 材料力学をはじめとする工学知識
・ 有限要素法の知識
・ 解析ソフトの利用知識

 

材料力学をはじめとする工学知識

 

「材料力学をはじめとする工学知識」 はCAE解析を行う前に学習する必要があります。 CAE解析で必要とされる工学知識は様々ですが、中でも特に重要であるのが「材料力学の知識」です。

 

材料力学とは、機械などの部品に発生する「応力」や「変形量」を算出する学問のことです。※「応力」とは内部に発生する単位面積あたりの力のことです。

 

例えば、材料力学を用いて丸棒にかかる「応力」を計算してみます。

 

 

  

 

丸棒を引張る力(P)を100N、断面積を(A) 10mm2 とします。
この時の応力(σ)は、引張る力(P)を断面積(A)で割ることで計算できます。

 

応力 σ = P / A =  100 ÷ 10 = 10 N/mm2

 

丸棒の内部に発生している応力は10 N/mm2となります。
この応力が材料固有の強度以下であれば破壊しないことが解ります。

 

以上のように単純な形状であれば、材料力学による机上計算で求めることは容易です。しかし、実際の製品は複雑な形状であり、材料力学で解くことが困難な問題も多いです。

 

これらの問題に対してCAE解析は非常に有効な技術となります。

 

材料力学については、「材料力学の基礎を学ぶ」で解説しておりますので、詳しくはこちらをご覧下さい。

 

有限要素法の知識

 

有限要素法とは、構造物を要素に分割して数値解析を行うことです。英語では、Finite Element Method といい、短縮してFEM解析といいます。

 

下図のように複数の 三角形(4面体) などの小さな 「要素」 に分割して、コンピューターで計算を行います。要素はメッシュと呼ばれます。

 

  

 

形状はメッシュの集合体で表現しますが、メッシュの良し悪しで解析の結果に影響を及ぼします。

 

従って、解析を行う場合は、メッシュに関する基礎を理解しておく必要があります。

 

解析ソフトの利用知識

 

CAE解析ソフトは、一般的に次の3つで構成されます。

 

・ プロプロセッサ
・ ソルバー
・ ポストプロセッサ

 

下図は解析の概略の流れを示しています。

 

  

 

解析を行うにあたって必ず必要となるものは形状データです。形状データはCADソフトで作ることができます。(解析ソフトに内蔵されている形状作成機能で作ることも可能です。)

 

・ プリプロセッサ

CADソフトで作成した形状データをプリプロセッサで読み込みます。
プリプロセッサは、「メッシュ作成」、「材料定義」、「境界条件の設定」 等、解析実行前に解析条件を入力するソフトウェアです。条件を設定した後に、ソルバーへ渡します。

・ ソルバー

ソルバーは、プロセッサで入力された条件をもとに計算を実行するソフトウェアです。

・ ポストプロセッサ

ポストプロセッサは、ソルバーで計算した結果を処理するソフトウェアです。応力分布図や変形の様子をビジュアル的に処理することが可能です。出力された結果を正しく評価するためには、結果の意味を理解して正しく設計へフィードバックする必要があります。

以上のとおり解析ソフトは、プロセッサ、ソルバー、ポストプロセッサの3つから成るソフトウェアですが、現在の解析ソフトの多くは、これらのソフトが一緒になったものが市販されています。CAE解析を行うためには、これらのソフトウェアを正しく使う知識が必要となります。

 

 

「CAE解析を使いこなせない。。。」
「正しく解析条件の設定を行うことができない。。」
「解析で得られた応力の意味が理解できていない。。」
「出てきた値が本当に正しいのか分からない!」
「主応力、ミーゼス応力? どのように使い分けるの?」


という声をよく聴きます。
あなたもこのような悩みをお持ちではないでしょうか?
これらの悩みをスッキリ解決したいと思いませんか?



最近では、コンピューターの性能向上と共に、
設計現場で当たり前のようにCAE解析ソフトの活用が進んでいますが、
上手に活用できていない場面によく出会います。



CAE解析を行うことは、3D設計で最大のメリットですが、
CAE解析ソフトを上手に活用するためには【材料力学】の知識が必須となります。
ですが、この材料力学の知識が不足している方がとても多いです。



私たちは、CAE解析ソフトの導入支援を10年以上実施しています。
その中には、材料力学の知識が0に近い設計者の方もいらっしゃいますが、
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 ・手計算で【様々な形状の強度】を求めることができるようになる
 ・求めた【応力の評価方法】が理解できるようになる
 ・解析で得られた【結果を正しく評価】できるようになる
 ・【3次元や組み合わせ応力】が理解できるようになる
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