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CAEを設計者が自ら有効活用するための
基本要件

3D CADを用いて設計作業を進める課程の中で、設計者や設計チームがCAE(Computer Aided Engineering)を有効に活用することが、製品品質の向上や製品開発サイクルの短縮、トータルコストの削減に有効である。その一方で、設計者が設計データをもとに自らCAEを手がけることには、設計者自身の作業負荷や設計システムの負荷の増大が伴う。過剰な負荷を避けながら、設計者自らがCAEを導入し有効に活用するための基本要件を整理する。

設計者が活用する
CAEとは?

コンピュータ処理能力が格段に向上したことを背景として、使いやすい3D CADの普及と機能向上が進んだ結果、新製品投入のサイクルが短くなり開発のスピードが加速してきた。このことは翻って、恐るべきスピードで欠陥をもった機械製品を世界市場にバラまいてしまうといった危険性をはらんでいる。開発上流の設計段階における品質や信頼性検証の重要性があらためて見直される中で、設計者による解析検証の必要性がますます強く意識されるようになった。

多忙を極める設計者とそのチームに、解析検証の仕事を追加する以上、その業務は効率的ではっきりとした成果を生むものでなければならない。そのための「設計者が活用するCAE」ツールとしては、まずメインストリーム3D CADメーカーがCADに組み込んで提供するCAEがある。SolidWorks SimulationあるいはAutodesk Inventor Simulationなど端的に「シミュレーション」という表現で製品名を言い表していることからも明らかなように、設計者が日常的に使用するCAD組み込み型CAEは、基本的にコンピュータ上で仮想実験するツールである。設計者は仮想実験ツールの中に設計したモデルを入れて、実際の製品を作る前に、強度や信頼性などさまざまな条件下でモデルが機能するかどうかをチェックすることができる。

これとは別に、従来は解析専任者向けにCAEを開発提供してきたCAE専業メーカーからも、高機能CAEと各種CADとの間でデータ変換やモデル作成を容易にするCADインターフェース開発を通じて、設計者が活用できる高機能CAEが提供されている。

「設計者が活用するCAE」として、これら2つのグループを区別して理解しておくことは重要である。例えば、デジタルカメラの落下衝撃をシミュレーションする場合も、一次落下による応力波の伝搬状況の確認にとどめるのか、あるいは摩擦係数を加えて落下のリバウンドの減衰シミュレーションまで含めて実際のクラッシュ現象に迫るかの選択は、CAEを使う設計者チームの材料工学や有限要素法に関する知識・経験レベルに関わる問題であると共に、CAEツールが備える機能の問題でもある。

また近年話題となっているマルチコアプロセッサによる解析の並列処理に関しては注意が必要だ。設計者間で採用が加速しているCAD組み込み型CAEのレベルでは、まだ並列処理に対応していないのが実情であるため、使いたいCAEツールの対応状況を確認しておきたい。

さらに、並列処理が可能なより高次のCAE導入を検討する場合も、実際にシステムを導入する前に、実行したい解析処理と同等の負荷条件下で、並列処理の実行により単一CPU利用と比較した場合、どの程度の処理時間の短縮が見込まれるかを確かめる必要がある。解析の効率化の効果を事前に把握することは、並列処理化と解析データを蓄積管理するためのシステムへの追加投資額、マルチコア対応のソフトウェアライセンス料との兼ね合いで必要な判断材料となる。このほか、並列処理には向き不向きがあり、例えば構造解析よりも、広い領域を分割して並列計算が可能な伝熱・流体解析に向いていると言われている。

解析の狙いを
明確化する

ツール側の機能がそのような状況にあることを踏まえ、設計者チームとしてはまず、必要な解析のターゲットを明確に意識し、それに従ってプロセスを組み立てることが重要になる。

設計チームが効果的にCAEツールを活用するための第一の要件は、解析に何をどこまで求めるか、すなわち解析を導入する意図、目的を明確にすることである。設計対象の機械部品の精度・品質や信頼性の向上、コスト削減、納期短縮、またこれらに関連して試作レスの実現など、設計チームのリーダーがこのポイントを明確に絞り込むことができれば、設計者が意図したことを定量化しやすくなり、CAEの導入効果に対する評価もしやすくなる。

効率的な
CAD/CAE連携を重視する

解析は、CADの形状データをもとに、有限要素法を用いた力学現象のモデル化・解析準備、解析演算処理、解析結果の評価、設計への反映といった一連のプロセスに基づいて進行する。このプロセスにおいて、CAD組み込み型CAEは、解析専用のCAEと比べて自動化を進めることで、格段の操作性の良さを実現している。すなわち、CADのモデルに対して、特定箇所に条件をつけたり、荷重を与えたりする解析のための準備操作は、CADモデル上で直接、操作変更できる。また解析後のCADの形状変更を即座に解析に反映させることもできる。

これに対し、解析専任者向けに開発されたハイエンド解析専用ソフトとCADを、CADインターフェースを介してデータ変換するように組み合わせた連携では、その自動化の範囲、変換に伴う手間などを注意する必要がある。形状変更を加えるたびにCADとCAE間でデータ変換をやりとりし、変換作業を繰り返す必要があるものもある。さらにバージョンの更新に関しても、CAD組み込み型CAEは、CADと同時期に更新されるのに対し、独立系CAEのバージョン更新は、基本的にCADのバージョン更新から独立している。

従って、設計者は自らが使用するCADと、活用したいCAE間のインターフェースの操作性を十分承知したうえで、CAEを選択する必要がある。

最適化支援ツールの活用と
導入効果の評価

CAEを使いたい設計者の目的はそれぞれ異なる。コスト削減を狙って、どの程度の肉厚の部品であれば使用に耐えるのかを知りたい場合には、線形の範囲で接触の問題が解ければ必要となる強度を求めることはそれほど難しくない。想定される荷重条件を書き出し、重みをつけて、一番重みの高い条件でシミュレーションして大丈夫という結果を得れば、評価ができる。

では、伝熱、流体、構造、機構の計算を実施して、それぞれの評価結果がバラけた時に、コスト削減の観点からどう判断するか。そのような場合のために、最適化支援ツールが提供されている。このツール機能を活用することによって、最も頻度の高い使用環境を想定する中で、例えば、流体の評価値を採用することが最適解である、という判断を引き出すことができる。設計者は、この一連の作業を通じて、製品を開発するにあたって製造前の評価を実現できる。

また、CAEを導入した効果を、部品精度の向上やコスト削減といった当初の目的と照らし合わせて設計チーム全体で定期的に検証することが重要である。有効性の評価は、CAEをルーティン化して「ただやっています」という状態から脱して、よりよい製品設計を推し進めるうえで不可欠なプロセスである。

部品の落下試験シミュレーション図
SolidWorks Simulation Professionalによる部品の落下試験シミュレーション
さまざまな高さ、向きで床に落下させた対象物の応力、速度、加速度を解析できる
(提供:ソリッドワークス・ジャパン株式会社)

(掲載:2010年6月)

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