シミュレーション、すなわち有限要素解析（FEA）を用いたCAEとは、製品や設計をバーチャルに表現する手法のことです。一般的には、PC上で、CADで作成したモデルからFemapのようなプリプロセッサを用いて有限要素モデルを作成します。その後、NX NastranなどのFEAソルバーを使用してこのシミュレーション・モデルに対してバーチャルなテストを行って、定められた動作条件下で設計が予測通り機能することを検証します。シミュレーション結果から設計の良否を把握することができるため、エンジニアはそれに基づいて設計変更や改善を行うことができます。

シミュレーションを使用する理由

シミュレーションは、かつては航空宇宙業界や自動車業界の大企業の独擅場でしたが、今日では強力かつ低価格なコンピュータと、手頃な価格で使い易いソフトウェアが登場し、多種多様な業界でより多くの中小企業が活用しています。

設計プロセスでシミュレーションを使用すれば、時間とコストを節約し、企業と製品の評価を高める多くのメリットをもたらすだけでなく、もちろんイノベーションの加速と製品の市場投入期間短縮にも貢献します。以下は、シミュレーションを使用する理由のほんの一部です。

優れた設計をより速く完成させて製品の市場投入を加速

設計期間の短縮要求が高まるにつれて、市場投入期間の短縮はビジネスにおける最大のプレッシャーであり、設計プロセスにシミュレーションを導入しようという流れを作っている要因になっています。実際の試作品の製作と試験には多大な時間を要する場合があります。しかし、シミュレーションで設計をバーチャルにテストすれば、試作品や試験への依存度が弱まり、結果として時間が短縮され、設計した製品を効果的により速く市場に投入できるようになります。

「Femapなら、ジオメトリを非常に迅速に作成できます。Femapで構造のモデルを作成し、NX Nastranでモード解析を行って、モデルがうまく機能しない場合は素早く設計を調整して、もう一度やり直すことができます。」

-- Pagnotta Engineering社社長、Mike Pagnotta氏

物理的試験を減らし、コストを削減

製造はコストがかかるものですが、試験もまた多大なコストがかかる場合があります。設計検証にシミュレーションを取り入れると、時間の節約に加えて、試験にかかる諸経費を節約でき、物理プロトタイプの製作と物理的試験にかかる諸経費を大幅に削減し、ひいてはコスト全体の大幅な削減となります。

「Femapを使用したことで、物理的試験ならその4倍の時間がかかるであろう情報を得られるようになりました。」

-- Quest Aircraft Company社設計技術者、Brenton Ellis氏

イノベーションを加速して、競争に勝ち抜く

ますます複雑化する顧客要件を満たす高品質製品を提供することが今、製造企業にとって大きなビジネス上のプレッシャーとなっています。ますます複雑化する設計のニーズに応えるには、設計サイクルで迅速にイノベーションを創出することが極めて重要となっています。設計プロセスにシミュレーションを導入すれば、設計をバーチャルに試験して、より迅速なイノベーション、つまり創造的な製品設計と新しいアイデアに基づくプロセスの改善を実現することができます。シミュレーションを行えば、現行製品の改善や高品質な新製品の開発、つまり顧客の要望により良く応えることが可能となり、競争の一歩先を行くことができます。

「FemapとNX Nastranを使用すると、このアイデアがもしかしたら会社を誤った方向に導くかもしれないという不安が払拭され、創造的な作業に専念することができます。当社のようなイノベーションが求められる業界では、FEAは欠かせないツールです。」

-- Challenge B.V.社社長兼創業者、Paul Voerman氏

材料費の管理

最近大きな懸念となっているのが材料費の高騰です。シミュレーションを使用すれば、必要な設計強度を最適化し、無駄な過剰設計を回避することによって、設計で使用される材料の量を最小限に抑えることができます。さらに、より低コストの他の材料のパフォーマンス評価もその設計に対して行えるため、一層のコスト削減を実現します。

「当社では、材料の使用を最適化することで低コスト・高パフォーマンスを実現しています。材料の最適化は手計算でも可能ですが、Femap with NX Nastranでは設計の最適化をルーチン作業に組み込めるほど高速に行えるため、これが競争優位性の向上につながっています。」

-- MDT Mc Drill Technology社構造設計マネージャ、Gianluca Camparini氏

製造開始後に製品を修理するのではなく、製造前に設計を修正

販売後の製品リコールや不良品の発覚は多大なコストがかかるだけでなく、企業や製品自体の評価にも計り知れないダメージを及ぼします。製品設計をバーチャル環境でシミュレートすれば、問題を発見しても製造に入る前にすぐに修正できるため、設計品質を向上させ、後でコストのかかるリコールが生じる可能性を排除し、企業と製品の評価を高めることができます。

「“measure twice, cut once”、つまり大工仕事などで、板を切る前に念のため寸法を2回測って、切るのは1回で済むようにしなさい、という意味の格言があります。機械エンジニアの分野でも、当社はFemap with NX Nastranを使用して計算を2回行って、試験を1回で済むようにしています。これによって、市場投入期間の短縮、コスト削減、安全な製品の販売という効果がもたらされています。今日のグローバルな市場では、当社のホイール部品を地方でも地元の店でも同じようにオーストラリア中で見ることができるようになりました。当社は万全の注意を払って設計を行わなければなりませんが、そこでFemap with NX Nastranが大きな役割を果たしています。」

-- KIC Holdings社製品開発担当ディレクタ、Joe Brotherton氏

シミュレーションの主な製品

Femap with NX Nastran

• Femapのグラフィカル・モデリング環境をCADシステムと連動させ、CADのジオメトリ・モデルを取り込んで、そのモデルを解析モデルに変換して、荷重環境をセットアップします。
• NX Nastranが解析を実行し、変形、力、応力を計算します。
• Femapに戻って、NX Nastranの計算結果をグラフィカルに表示すれば、解析プロセスは終了です。