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CAEとは?CAEの意味やCADデータを解析する方法を徹底解説!

こんにちは、キャド研の濱谷です。
今回はCAE解析でできることついてまとめてみました。
是非CAD分野でCAE解析を使いたい、と思っている方は参考にしてください。

目次

CAEとは?CAEの意味

CAEとはComputer Aided Engineeringの略です。
主に「解析」といった意味合いで使われています。
分かりやすく知りたい方は上記動画を参考にしてみてください。
CADでは基本的に製品を製造するために、設計後試作品を作って耐荷重・耐震・熱伝導など、様々な実験・テストを行います。
CAEはこの試作・実験をパソコン上でシミュレーションできるシステムです。

CAEで解析をすることのメリット

それではCAEで解析をすることでのメリットとは?と言うところですが、
CAEを導入して解析をすると以下の様なメリットがあります。

  • 製造にかかるコストカットができる
  • 製造にかかる時間の短縮になる
  • 環境問題の対策がしやすい
  • 検証不可能な事象の検証が実現できる

などの事例があります。
CAEでCADデータをシュミレーションすることで様々な形でメリットを見出すことができます。
今回はそのCAE解析のメリットを1つ1つ紹介していきます。

CAEのメリット①製造にかかるコストカットができる

CAEを導入する以前、製造業では試作品を作ってテストを行い不具合があれば設計に差し戻し、また新たな試作品を作るといったことを繰り返しました。
この試作品づくりにも当然にコストがかかるわけですので、CAEを使ってシミュレーションを行うことでこの試作品にかかるコストを大幅にカットすることが出来ます。

CAEのメリット②製造にかかる時間の短縮になる

試作品の作成と設計の差し戻しといった工程を繰り返すことは、当然製品完成までに時間がかかるということです。
CAEを導入することで試作品を作る時間を短縮できるだけでなく、試作品を使ったテストの時間も短縮できますので、製品完成までの時間を大幅にカットすることが出来ます。

CAEのメリット③環境問題の対策がしやすい

試作品を作るということは、製品完成までに多くの資材を使うということです。
また実際にテストや実験を行うということは、その実験内容によっては環境問題にも繋がります。
しかし、CAEは全てコンピューター上で行われますので、資源を無駄にすることもなく、環境を汚染することもありません。

CAEのメリット④検証不可能な事象の検証が実現できる

例えば真空状態での実験や無重力状態での実験など、大規模な施設が必要となるような場合、一般的な企業では当然実験の実施が難しいとされています。
また専門機関に頼む場合も高額な金額を支払って依頼をすることとなってしまいます。
そして他にも高温となる条件下での耐火・耐熱実験も、特別な施設・装置が必須となる場合が多いです。
ですがCAEの解析があれば、こう言った実現が難しい実験・検証も、パソコン上で簡単に行うことが出来ます。

CAEで解析できる物の種類・CAE活用実例

次に、CAEで解析できる物の種類やCAEの活用事例を紹介します。
CAE解析で一般的にイメージしやすいのは、橋や建物などの建築物ではないでしょうか。

CAEイメージ-建築物

建築家は基本的に『ラーメン構造か?ブレース構造か?力を集めるか?分散か?』といった構造計画から始まり、構造設計、構造計算を行います。
最終的には「建物が壊れないように部材断面を決める」ことになります。
この時使われているのがCAEの構造解析です。
さらに実は構造解析は建築家だけでなく機械設計の分野でも親しまれています。

CAEの構造解析

構造解析はさらに静解析と動解析に分かれますが、それ以外にも「熱伝導解析」「固有値解析」「流体解析」「樹脂流動解析」「熱流体解析」などがあります。
図にあらわすと、以下のようなイメージです。

CAEのイメージ図

今回は構造解析を中心にCAE解析でできることを確認してみましょう。
建築業でのCAEの役割やメリットに関しては下記記事でも紹介しています。

建設業におけるCAEの役割とメリット

CAE解析の使い方①線形解析・非線形解析

まずCAE解析の使い方一つ目は線形解析・非線形解析です。
CAEによる構造解析の分野では、線形解析と非線形解析という分類がよく使われます。
線形というのは、負荷した荷重と変形量や変形形状が比例関係にある、ということです。
非線形はさらに材料非線形と幾何学的非線形に分けることができますが、今回は一旦非線形をひとまとまりにして理解していきましょう。

CAE解析の使い方②荷重をかけつづけてみる

次のCAEの使い方は荷重をかけつづけてみることです。
壁から鉄の棒が出ていたとして、端に荷重をかけた場合、CAEで解析すると右図のような結果が出てきます。

CAEで荷重をかけつづけてみる-1

この状態であれば、荷重をかけるのをやめると元の左図の形に戻ります。
「荷重をかけて変形させ、荷重をかけるのをやめたら戻る」この状態を「線形」と言います。
さらに荷重をかけ続けると、以下のように大きく変形した結果がCAEの中で得られます。
しかしお気づきの通り、現実世界では途中で折れ曲がってしまったりすることが多いです。

CAEで荷重をかけつづけてみる-2

これをグラフに表したものが、応力ひずみ線図と呼ばれる以下の図になります。

CAEの応力ひずみ線図

実線の直線部分が、荷重をかけるのをやめると形状が戻る範囲、それ以上荷重をかけ続けると点線の部分になり、折れたり破断してしまったりしてしまいます。
このようになる部分が「非線形」(1次関数で表せない)となります。
※こちらは延性材の引っ張り試験結果ですが、イメージしやすいと思い利用しました。

CAE解析エンジニアが設計のときに必要な知識

それではCAE解析エンジニアがCAEを使って解析するときに知っておいたほうがいい知識をご紹介します。

CAEエンジニアの必須知識①安全率と設計範囲

安全率=基準強さ/許容応力となりますので、各材料によって「基準強さ」がきちんと設定されていれば、自動的に安全率が導き出されます。
基準強さは、降伏強度や最大引張強度などの材料物性値としてCAEでは定義されています。
CAEで安全率を設定するときは、荷重の種類によって変える必要があります。
過去の実績や経験値で安全率を設定します。
先ほどの線形範囲(荷重をかけるのを止めると戻る範囲)で設計することを心がけます。

CAE解析エンジニアが知っておきたいこと - 安全率と設計範囲

CAEエンジニアの必須知識②メッシュを切る

CAEではよく「メッシュを切る」といった表現をされます。
イメージしやすいのは、3Dプリンター用のSTLファイルのような形ではないでしょうか?
ただ、STLのように細かいものではなく、できるだけ簡易に構築できるイメージです。
例えば、以下画像だと、フィレットのR部分周辺だけ、他の部分よりメッシュが細かく切られています。

CAE解析エンジニアが知っておきたいこと - メッシュを切る

メッシュを切ることにより、CAEでは3Dモデルの中を力が伝達していく様を表現しています。

CAEエンジニアの必須知識③固定と荷重

CAEは空中に3Dモデルが浮いているようなイメージですので、固定する面やエッジ・荷重をかける箇所などは実際に使用した時を想定しながら設定します。

CAE解析エンジニアが知っておきたいこと - 固定と荷重

CAEエンジニアの必須知識④材料を決める

CAEでは、材料を設定してあげる必要があります。
アルミ・鋼・プラスチックなど、最近ではCAEソフト内に物性情報が入っていますが、自社の物性データがある場合はどんどん追加していかなければなりません。

CAE解析エンジニアが知っておきたいこと - 材料を決める

また、この材料により結果が変わったりするので材料を想定して決めることも大変重要な作業になります。

CAEエンジニアの必須知識⑤解析する、評価する

CAEエンジニアの必須知識として一番大きいのは想定製品を解析する、評価することです。
今回は安全率3~6を目指して解析しましたが、0.84の箇所がありました。角柱の根本部分ですね。

CAE解析エンジニアが知っておきたいこと - 解析する、評価する

CAEエンジニアの必須知識⑥設計変更する⇒解析する⇒評価する

そしてまた設定変更し再解析していきます。
この繰り返しがいかに早く、机上で行えるかがCAEにとって重要なポイントになります。
結果を評価し、設計モデルに戻って角柱を太くしたり、根元にフィレットを付けたりといった設計改善を行うことができるわけですね。
ちなみに今回は根元にフィレットを付けたところ安全率が2.5になりました。

CAE解析エンジニアが知っておきたいこと - 根元にフィレットを付着

どのCAEソフトでも言えることですが、CAEと3DCADは切り離して考えてはいけないので、3DCADユーザーであるなら最低限CAEの基礎知識は持っていた方が良いですね。

安価で使えるおすすめCAEソフト4選

そして今回はおすすめのCAEソフトを4つに絞って選びました!
安価なものを集めたのでCAE予算を抑えたい方にも使っていただけるソフトウェアだと思います。

おすすめCAEソフト①ANSYS Discovery Live:ANSYS社

CAEのおすすめソフトANSYS Discovery Live

CAEソフト①ANSYS Discovery Live 概要

ANSYS Discoveryシリーズは、SpaceClaimを軸とした3次元CADとCAEが一体化した、設計者CAE向け製品群です。
3次元で設計したCADモデルを、一般的なCAEとは桁違いのスピードで瞬時に解析。
すぐに結果が検証することで、初期設計の開発コスト大幅削減に貢献します。

CAEソフト①ANSYS Discovery Live 主な機能

Discovery Ultimateの主な機能はこちら。

  • 構造解析:線形、幾何学的非線形(大変形など)、接触、材料非線形(塑性)、モーダル解析、応力寿命疲労、ひずみ寿命疲労
  • 伝熱解析:定常伝熱解析、過渡伝熱解析、伝熱携帯として、熱伝導、熱伝達、輻射に対応。
  • 流体解析:定常流れ、非定常流れ、単相流流れ、多孔質媒体、伝熱(共役熱伝達(CHT)、自然対流)、粒子追跡
  • 電磁界:静磁場解析、交流地場解析、温度依存性材料特性及び温度条件

また、多くの連成解析<流体-構造(片方向)、構造-モーダル、熱‐構造など>に対応している。

ANSYS Discovery Live

おすすめCAEソフト②Ansys Mechanical:ANSYS社

CAEのおすすめソフトAnsys Mechanical

おすすめCAEソフト②Ansys Mechanical 概要

ANSYS Mechanicalは、構造解析と伝熱解析機能を全て備えたパッケージです。
「Mechanical Pro」、「Mechanical Premium」、そしてフラッグシップ製品である「Mechanical Enterprise」で構成されており、エントリーレベルからアドバンスレベルまでシンプルかつスケーラブルにステップアップしていただくことが可能です。
有限要素法解析のフラグシップツールとして、主要な3DCADの多くにアドオンとして利用されています。

おすすめCAEソフト②Ansys Mechanical 主な機能

Ansys Mechanicalの機能に関しては下記のように分かれています。
ANSYS Mechanical Enterprise:ANSYSの構造解析・伝熱解析すべての機能をカバーしているほか、容易に連成解析を行うことができる「ANSYS AIM」も搭載したフラッグシップモデル
ANSYS Mechanical Premium:Mechanical Proの機能に加え、高度な非線形応力解析や線形動解析などが利用できるミッドレンジ・モデル
ANSYS Mechanical Pro:線形構造解析や接触解析、伝熱解析、疲労解析など、汎用的な解析機能を利用できるエントリーモデル

CAEのおすすめソフトInventor Nastran

おすすめCAEソフト③Fusion 360:Autodesk社

CAEもできる3DCADソフト Fusion 360

Fusion360は、Autodesk社が提供している高機能3DCAD/CAM/CAEソフトです。
Fusion360は3DCAD機能に加え、豊富なCAE機能が搭載されています。
従来、数百万円していたCAEソフトですが、Fusion 360は年間約6万円と安価で使用できる優れもののソフトウェアです。
さらに高機能であるため、3DCADを活用した設計者者CAE解析を推進する為のCAEソフトとして注目を浴びています。
世界初のクラウドベースの3DCAD+CAE製品で、使用するPCに過度なスペックを求めないで利用可能な製品です。ただし64ビット専用です。

おすすめCAEソフト③Fusion 360 主なCAE機能

CAEの構造解析機能として、静的応力解析/モード周波数/座屈/非線形静的応力解析/イベントシミュレーション(プレビュー)の5種類、熱伝導解析として、定常の熱解析/熱応力解析 の2種類があります。
また、解析結果をモデルに適用させる「シェイプ最適化」と、さらに、AIに形状提案させる最先端技術の「ジェネレーティブデザイン」も使用できます。
クラウドベースのソフトなので、CAE計算は全てクラウドで行います。(一部ローカル計算が可能です)
計算をする際は、都度クラウドクレジットを支払う必要がありますが、必要な分を必要な時に買う、という今の時代のサービスとして注目されています。
クラウドベースのソフトなので、簡単にデータ共有ができます。

おすすめCAEソフト③Fusion 360 価格

Fusion36の価格は年額56,000円(税別)、月額7,000円(税別)、3年間151,200円(税別)となっています。

購入・無料体験版ダウンロード
CAEのおすすめソフトFusion 360

Fusion 360の詳しい機能紹介はこちら
入門者向け Fusion 360セミナーはこちら
製造業・法人向けFusion 360セミナーはこちら

おすすめCAEソフト④Inventor Nastran:Autodesk社

CAEのおすすめソフトInventor Nastran

Inventor Nastranは、Fusion 360と同じAutodesk社が提供しているプロフェッショナル向けのCAEソフトです。
3DCAD機能と図面機能は、プロフェッショナル向けの3DCAD Inventor をベースに、CAEとしてNastranが搭載されています。
非線形解析に高度な解析機能を有しており、疲労解析・非定常熱解析などに対応しています。

おすすめCAEソフト④Inventor Nastran 主なCAE機能

構造解析機能として、自動落下試験(投射物の衝突や仮想落下試験)・線形静的応力固有値解析応答スペクトル解析(地震と風荷重を考慮した解析)・線形座屈解析静的疲労解析衝撃解析(非線形を考慮した衝突イベントと落下試験の計算を同時に行う)・周波数応答・熱伝導解析として非定常の熱伝導解析が搭載されています。
1回の仮想試験で金属やゴム・軟部組織などをモデル化できる高度な材料モデル機能や、フレームジェネレータによる梁の理想化・スライド・摩擦・溶接などさまざまなパーツの接触を高精度でシミュレートモデル化する機能を保有しています。

おすすめCAEソフト④Inventor Nastran 価格

Inventor Nastranの価格は426,000円/年間・月額52,920円(税別)・3年間1,152,360円(税別)となっています。

Inventor Nastran

Inventor - PDMCパッケージのご紹介

CAEとは、おすすめCAEソフトとは まとめ

今回はCAEツールでできることを解説していきましたがいかがでしたでしょうか。
画像は今回紹介したCAEソフト、Fusion 360の静的応力解析を利用してご説明しました。
更にFusion360のCAE解析機能について試している記事がありますので、是非こちらも参考にしてください。

CAEの解析機能とは?Fusion360がすごい!機能や特徴を徹底解説

荷重条件や固定条件・材料物性など、さまざまな解析種類やシチュエーションがあると思います。
その用途に合ったCAEソフトを選択すると共に、少しでも「CAEってそんなに難しくないんだ」と感じてもらえれば幸いです。
また最近では、構造解析の結果をデザインデータ(3DCADモデル)へ直接フィードバックし、人が考え付かないような3Dデータを作成する技術も出てきています。

ジェネレーティブデザイン

今後ますますCAEの需要は増えていきますので、これを機にCAEを始めてみてはいかがでしょうか。

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