構造解析

構造解析とは

機械や構造物は”力”が作用しながらその役割を果たします。物体は”力”を受けると”変形”し、それと同時に”内力（応力）”が発生します。構造に力が作用した時の変形や応力をみることで、「機械や構造物が強度的に安全であるか？」、「変形量は許容できるか？」などを検討することが構造解析の基本です。

従来、このような解析は理論ベース（連続体力学）の手計算による検討が中心でした。しかしながら、数学的なハードルが高く、形状や境界条件を簡略化したモデルに対する計算や試作・試験によるアプローチに頼る必要がありました。
現在、構造解析などによる設計段階の事前検討において重要な役割を担っているのが”CAEソフトウェア”を用いた検討です。従来の手計算による解析はCAEソフトウェアによるコンピューターを利用した数値計算に置き換えられています。

スマートな製品設計からよりスマートな製造まで、当社の線形、非線形、高度な非線形有限要素解析（FEA）ソリューションは、データとワークフロー管理、クラウドコンピューティング、AIの最新のパラダイムを活用することで、オープン環境のコンポーネントから完全なシステムまでの構造をシミュレーションします。

構造解析ソフトウェアにより、製品と機械の信頼できる正確なデジタルツインを作成できるため、エンジニアは次世代デバイスの設計と開発を行うことができます。物理学に基づいた実稼働条件での工学データがあれば、エンジニアは、地球を維持するための環境に優しい飛行機や電気自動車、人の命を救い向上させる医療機器、宇宙探査を可能にする次世代宇宙船などを作成も可能です。

FEM：有限要素法について

コンピューターによる解析のベースとなっているのが”有限要素法（FEM：Finite Element Method）”という代表的な手法です。FEMでは解析対象の構造物を小さい要素の集合体として捉えることで、解析の数学的なハードルが低いモデルに置き換えます（近似します）。FEMは基本的にコンピューター計算を前提としており、複雑な形状・材料物性に対しても解の精度をある程度保ったまま解析を行えます。

上記のようなコンピューターを用いた設計・製造工程における検討は一般的にCAE(Computer Aided Engineering)と呼ばれています。CAE技術の利用によって、より複雑な製品形状に対する現象の予測、試作の回数削減によるコスト・リードタイムの削減、繰り返し計算を利用した最適化解析による設計の充実化、衝突試験などの現実では危険を伴う環境下における検証、などが可能になります。

有限要素法を、数値的に解釈をすることで解析を実施する、有限要素解析 (FEA: Finite Element Analysis)は、正確なシミュレーションベースの意思決定サポートと製品に関するベストプラクティスの選択を提供します。これにより、エンジニアは物理的な製品が構築される前に、最終設計が要件を満たしていると確信できます。

構造解析の種類について

上記にて、構造解析の大きな概要について説明しました。ここから、構造解析という大きな括りの中に、どのような種類が存在するのかを解説していきます。

線形解析

いわゆる「強度解析」、「剛性解析」と呼ばれるタイプの解析で、静的な状態での変位や応力を解析します。変位と荷重の関係をグラフにすると原点を通る直線の関係（すなわち”線形”）になることを想定した解析で、実際に線形とみなせるような微小変形を取り扱います。また、完全に静的な場合のみでなく動的挙動において作用する荷重の最大値などを用いて、強度の概算などにも利用されます。

非線形解析

”非線形”とは上記の”線形”を否定する言葉で、変位と荷重の関係が直線にならないような場合を取り扱います。ゴムなどの材料非線形性（S－S線図が曲線）、大変形による幾何学的非線形性（大変形時の張力変動から生じる剛性変化）、部品間の接触・摩擦などの境界非線形性（接触と解離による剛性・減衰力の不連続性）などがあります。線形とみなせないようなより現実に近い現象・挙動を取り扱うことができます。

動解析

動解析の内、過渡応答解析では、運動方程式を解くことで製品の動的（時間変化）な挙動について取り扱います。また、製品の寿命低下や破損の原因となり得る”共振”現象を解析する周波数応答解析、共振が起こり得る振動数（”固有振動数”）の解析を行う実固有値解析などの振動解析が動解析に含まれます。

伝熱解析

伝熱解析はフーリエの法則に従って、固体内部の熱の伝わりについて解析します。物体が加熱された際、時間とともにどのように熱が伝わっていくか（非定常解析）、最終的にどのような温度分布に落ち着くのか（定常解析）などを検討できます。

疲労解析

物体は時間とともに繰り返しの荷重を受けることで最終的に破壊に至ります。疲労解析では疲労寿命や損傷の予測を行います。機械破損の8割は疲労が原因といわれており、ものづくりにおいて疲労設計は重要な位置づけとなっています。

構造解析の主な適用分野

上記の種類を踏まえて、構造解析が活用されている業界、分野について見ていきます。

自動車業界

・足廻り部品の強度解析
・衝突解析による安全性の確保
・振動・音響解析による車室内騒音低減

航空業界

・足廻り部品の強度解析
・衝突解析による安全性の確保
・振動・音響解析による車室内騒音低減

医療機器

・補聴器の周波数応答解析
・複合材を用いた義足の接触解析

Hexagonの構造解析

MSC Softwareは、構造解析およびCAE分野で世界的な存在です。有限要素解析（FEA）やマルチフィジックスアプローチに特化しており、製造業向けに包括的なソリューションを提供しています。産業設計から製造、検査、品質管理までのプロセスを統合し、製品のマルチフィジックス解析が可能です。Hexagonグループの一員として、最新技術を取り入れながら、デジタルツインやIoTを活用して製品の最適化に貢献しています。Hexagonの構造分析シミュレーションツールは、人工知能（AI）、機械学習（ML）、高性能コンピューティング（HPC）、クラウドおよびシミュレーションプロセス、データ管理（SPDM）を活用して、自動車、航空宇宙、防衛、再生可能エネルギー、ライフサイエンスのさまざまなスマート製造の課題に対処をサポートします。

構造解析ソフトウェアのみならず、CAE製品に関する問い合わせ、導入をご検討されているお客様、お気軽にお問い合わせください。

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