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CAEの使い方を徹底解説!Fusion 360で簡単にCAE解析を使おう

「Fusion360」は、パソコンで構造物をデザインすることができる3DCAEがメインのソフトウェアになっています。
デザインした構造物をCAE解析することで、実際に構造物を作ったときの壊れやすさや安全性などをシュミレーションすることができる優れものです。
今回はFusion360でのCAE解析の使い方や手順を紹介します。

「Fusion 360」はどんなソフトウェアなのか

Autodesk社が提供している「Fusion 360」は、パラメトリックモデリングとスカルプトモデリングに対応しているので、幾何学的なデザインから曲線が多様された滑らかなデザインまで、あらゆる3Dモデルを設計することができる高機能クラウド3DCAEソフトです。
デジタル設計をする工程で必要な3DCAE機能や3DCAM機能、レンダリング、解析、アセンブリ、2次元図面などが網羅されています。「Fusion 360」を使用すると、デザインの設計はもちろん、デザインを元にして実際にモノを作った時にどの程度耐久性や安全性のあるものが作れるかをシミュレーションすることもできます。

作成されたデザインは、クラウド上で管理されています。
「Fusion 360」は、商用利用の場合は有料なら使用できるので、デザイン会社がチームでデータ共有をしやすいというメリットがあります。一つのソフトでデザインの全ての工程を行うことができるので、導入している企業も多いです。
また、非商用使用の場合、つまり個人が趣味で使用する場合は無料でダウンロードして使用することができます。
多くの人が個人で趣味で使用してデザイン設計を楽しんでいるソフトウェアです。

CAEって何?

CAEを簡単にいうと、シミュレーション技術のことです。
モノづくりをする上で、設計作業は非常に大切な作業のひとつです。顧客にニーズのあるデザインをすることはもちろんですが、壊れにくさや安全面についても考えて使用する必要があります。

CAEは、コンピューター上でデザインした仮想モデルにコンピューター上で力や固定などの一定の条件を与えて壊れにくさや安全性を数値計算して判定できるシステムです。
モノを作る前にCAE解析で仮想実験を行うことで、実際にモノを作った時に思わぬ不具合が起きる可能性を減らすことができます。

CAEの解析の種類

CAE解析機能が搭載されているソフトウェアはたくさんありますが、使いやすさやすべての工程がひとつのソフトウェアでできるということなどの点からもAutodesk社の「Fusion 360」がおすすめです。
「Fusion 360」には、Standard版とUltimate版があり、どちらの場合でもCAE解析を使用することができます。
搭載されているCAE解析は8種類ありStandard版では静的応力、モード周波数、熱解析、熱応力の4種類のみ、Ultimate版は8種類すべての解析をすることができます。
「Fusion 360」に搭載されているCAE解析は以下の8種類です。

静的応力

静的応力とは、モノに一定の力が静かにかかっている状態のとき、モノの構造の変位や歪み、応力を解析して、実際にモノを作った時に壊れやすい部分を知ることができます。
設計前に壊れやすい部分を知ることができるので、耐久性をあげることができます。

モード周波数

すべての構造物は、何かがぶつかったときなどだけでなく、何の力もかかっていないときでも一定の振動が起きています。
さらに、モノに何かがぶつかると共振と呼ばれる状態になるので大きく振動します。
共振は破損の原因となるので、できるだけその構造物が持っている振動数を調べておくと対処することができます。
共振は、モード法という手法で調べるので、振動数を調べることをモード周波数と呼んでいます。

熱解析

エンジンや配管、調理器具などを制作する場合、熱伝導が十分発揮できているかはとても重要な問題です。
モノに熱が加わった際にモノと熱源の間の環境や温度分布、熱伝導などの解析を行うことで実用性や耐久性を上げることができます。

熱応力

熱応力とは、熱膨張や熱収縮などの現象がなんらかの原因で妨げられた時に発生します。
モノに温度変化が起きると、熱膨張や熱収縮によって物体の内部に歪みが生じます。
その時の歪みが生じた力を解析する方法です。

構造座屈(Ultimate版のみ)

モノに対して荷重を少しづつ継続して加えていくと、モノが持っている限界点を超えると急激に変形して大きな歪みが生じ、折れ曲がってしまいます。
この急激に変形したときの荷重と応力を解析する方法です
テーブルやイスの脚など細長い棒などでよく行われています。

イベントシミュレーション(Ultimate版のみ)

時間経過が原因で構造物に衝突、変形、座屈などの現象がどれだけ起きるかを解析します。

非線形静的応力(Ultimate版のみ)

静的応力を解析する場合、比例関係が成り立っていることが前提条件ですが、デザイン設計をする場合、材料非線形、幾何学的非線形、境界非線形などの比例関係が成り立たないものを解析したい場合もあります。
荷重に対して大きく変形するモノなど、静的応力の改正ができないものの解析を行いたい場合に使用される方法です。

シェイプ最適化(Ultimate版のみ)

拘束や荷重、領域、軽量化したい数値などの条件を細かく指定すると、コンピューターが最適な形を計算して設計してくれます。

CAEの使い方

CAE解析を行うためには、作業スペースにデザインを作成する必要があります。
アプリケーションバーにあるファイルから「新規デザイン」を選択し、作業スペースをデザインに変更します。
続いて、ツールバーから「スケッチ」を選択し、図形を描いていきます。スケッチが終了したら、「押し出し」を選び、構造物の作製を終了します。
CAEの前の3DCADデザインのやり方を学びたいと思ったらぜひFusion 360入門セミナーを利用してみてください。

「Fusion360」でのCAE解析の使い方は、「作業スペースの変更」をクリックして、作業スペースを「シミュレーション」に変更します。
シミュレーションに変更後は、「スタディ」をクリックして、構造物にあわせて実施したいシミュレーションタイプの設定を行います。
必要な設定を行い、解析ボタンをクリックすることで、CAE解析が実行されます。終了後は結果が表示されます。
実施できるシミュレーションは8タイプ存在していて、解析結果もクラウド上で表示されるため、チームでの共有も容易に行うことができます。

Fusion 360でCAEの解析機能を使う手順

「Fusion 360」でCAEの解析機能を使用するには、シミュレーションしたい構造物の種類によって最適なCAE解析の内容を選ぶ必要があります。
今回は、静的応力の解析を例に手順を紹介します。

まず、「Fusion 360」をモデルモードにして、シミュレーションを行いたいモノを骨組みだけにします。
モードをシミュレーションモードに切り替えると、いくつか解析が出てくるので、「静的応力」を選択します。
次にナットやネジ、鉄板など部品同士の接触を定義するため、「接触>自動接触」を選択しましょう。
「接触>自動接触」することで、お互いに重なりあってる部品を自動的に計算してくれるようになります。
手動接触を選択すると、シミュレーションから接触部分を除外することもできます。
この接触タイプの変更は、後からの変更も可能です。

さらに、シミュレーションしたいモノが空中に浮いているものでない限りは、必ずどこかが地面と接することを考慮する必要があります。「高速>構造拘束」を選択して設計物の下面を拘束しておきます。
これらの設定の確認は、「表示>自由度ビュー」で確認することができます。

設計物の安全性をシミュレーションするためには、構造物に力を掛ける必要があります。
「荷重>構造荷重」を選択し、実際に荷重をかけてみたい数値を入力します。
解析ボタンを押してシュミレーションを開始すると安全率が表示されます。
解析結果の安全率が1を下回ると躯体が変形する仕様になっています。

安全性に問題が確認されたり、他のパターンのシミュレーションを試したくなった場合は、構造の見直しを行います。
例えば、補強用の鉄骨をいれたり、鉄骨の板厚を変えるなどの設定を変更します。
構造を見直した後は、再度シミュレーションを行い、安全率を確認します。
このとき、プレビューを変位に設定することで、構造物にどのように力が伝わっているかも確認することができます。

CAD解析はモノづくりで欠かせないプロセス!

モノづくりを行うとき、壊れやすさや安全性をシュミレーションするCAD解析は欠かすことができません。
「Fusion 360」のCAD解析は簡単な手順で解析を行うことができます。
また、データはすべてクラウド上に保存されるので個人の趣味はもちろんチームでの利用にもおすすめです。

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