シミュレーションの複雑さ、と、設計仕様の「複雑さ」

設計者は、設計検証が不可欠!そう、設計者が、自分の設計を前に進めるためには、今や、設計検証(シミュレーション)は不可欠な存在になりました。中でも、SOLDIWORKS Simulationのように、SOLIDWORKS(3次元CAD)に統合されたシミュレーションツールは、CADと同じユーザーインターフェイスを有しているため、操作方法を学習しなくても、3次元CADデータ(3次元モデル)さえあれば、検証できるという、驚くほど手軽なツールになっています。一方、設計者の検証範囲は、「フックの法則」が成り立つ、微小変形範囲の問題、つまり、静的(動的効果を期待できない)で線形解析(荷重の負荷/除荷しても変位/応力の割合は一定で変化しない)が主な領域でした。非線形と呼ばれる解析は、静的で線形な結果を予想できないため、十分な基礎知識がないと使いこなせない、とされているからです。言い換えれば、静的で、線形解析でない問題は、「これこれ、しかじかなプロセスで、変形が発生しているのだろう」という定式化が難しく、変形と応力が比例関係ではないため、計算時間が長いとされていることが原因である可能性があります。しかし、ここ10年のハードウェアの進化と、検証プロセスの確立、などの環境変化により、SIMULIAworks®などの非線形有限要素解析(FEA)ツールがSOLIDWORKS®のデータおよびワークフローと統合されるようになり、非線形解析へのハードルが低くなってきていることも事実です。

例えば、Structural Performance Engineer のロール(役割)は、SOLIDWORKSユーザーを念頭に置いて開発されました。設計者がもっと使いやすい環境で、非線形解析ができれば、もっと製品仕様の課題を克服できるのはないか、を念頭に開発されています。SOLIDWORKS Simulatuionと連携さることで、SOLIDWORKS Simulation で構築したFEAモデル(境界条件や材料特性なぢ)を3DEXPERIENCE上で稼働する解析用アプリケーションに1クリックで転送できます。

 

EXPERIENCE®プラットフォーム、クラウドでシミュレーション(解析)計算をする利点は、より複雑な問題を計算する場合、あなたが他の仕事のためにローカルコンピュータを開放してくれるということです。解析のための計算を開始してしまうと、他の作業にPCを使用したくても、全てのコンピュータリソースが計算用に使用されてしまい、数十分、いや数時間、デスクトップ(PC)を使用できないことがあります。シミュレーションにクラウドを使用すれば、クラウド上のリソースで計算させることができ、手元のPCリソースは開放され、別の作業ができるというわけです。

予測可能な挙動と予測できない挙動

線形と仮定できる構造では、「力」と「変位」の関係は一般に予測可能です。系を解析する場合、力を加えれば、変位が発生します。力を2倍にすれば、変位が2倍になりまるという、比例関係が成立します。

 

以下に示す計算式で、F(荷重)、は、X(変位)の関数で、Kは定数です。これが、直線的なアプローチ(フックの法則)です。

 

非線形のシナリオは、通常、もっと複雑で、予測可能な関係ではなくなります。使う材料が複雑で荷重と変位に比例関係が成り立たない、とか、幾何学的な形状が線形の変形を生じさせない、または接触など、様々な問題が、非線形性を発生させます。以下の非線形の例では、定数(K)が不明で、比例関係が成り立たない(曲線を表す)場合です。フックの法則は成り立たないため、1回計算した結果から、次の予測をし、予測した値を基に、その次の値を予測する、という、「複雑な」問題になるのです。これを式で表すと、以下のようになります。

 

その先のシミュレーションへ
前述の通り、比例関係にならない荷重と変位の関係を、現実の製品に対して、予測に予測を重ねることが、設計者にとって必要なのか、という議論はあるでしょう。しかし、材料は金属から樹脂へと変化し、熱要因、接触要因など、製品仕様の変化に伴い、今までは性能を十分に発揮できた部品でさえ、そのパフォーマンスが今後も保証されるとは限りません。一方で、設計者に手の届くところまで、非線形シミュレーションツールが身近になっていることを確認するというのはいかがでしょうか。
百聞は一見に如かず。「へぇ、こんなこともできるんだ」という体験は、新しい何かをデザインするための足掛かりになるに違いありません。
多くのエンジニアが、設計ツールとしてFEAを使用することが当たり前の時代になりました。FEAソフトウェア、コンピュータハードウェア、およびクラウドコンピューティング技術は成熟しています。設計エンジニアのツールボックスとして、非線形解析を是非お役立て下さい。

 

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