設計シミュレーション

設計シミュレーション を使用することで、製造企業は、開発中の製品の機能や、製品の製造性を検証することができます。 「シミュレーション」という言葉は、コンピューター支援エンジニアリング (CAE) を表す一般的な用語として使用されることがあります。 この何年かの間に、いくつかの設計シミュレーション手法が、多くの産業で製品開発の標準的な要素として採用されています。安価で高速なコンピューターと低価格で使いやすい設計シミュレーションソフトウェアの普及によって、ユーザーが新技術やアプリケーションを利用できるようになり、さらにその重要性を増しています。

シミュレーションモデルとは、目的の物理領域でのシステム動作を表現するための数式の集合です。 数式の複雑さは、データの入手しやすさに依存し、アプリケーションと設計段階に応じて変化します。

開発の初期段階では、一般的に、解析的な仮定に基づく比較的単純なシステム表現が用いられ、複数の物理的要因の間の関係を概念レベルで検証する役割を果たします。 開発後期では、一般的に、非常に複雑なアプリケーション固有のモデルを使用して、検証や改良が行われます。 アプリケーションは、構造挙動、音響、システムダイナミクス、耐衝突性、熱と流体分析、ストレス解析、燃費向上、制御開発など、多岐にわたります。 このようなさまざまな設計段階とアプリケーションをサポートするため、次のようないくつかのテクノロジが存在します。

  • 1D CAE またはシステムシミュレーション
  • 有限要素 (FE) モデリング
  • 境界要素モデリング
  • マルチボディ シミュレーション
  • 数値流体力学 (CFD)

実稼働条件を、境界条件、負荷ケース、または制約の形式で追加できます。 これらは、理論的仮定、測定データ、または過去のシミュレーション結果から得ることができます。

仮想テストおよび検証のための設計シミュレーション

設計シミュレーションには、さまざまな実稼働条件や環境条件での製品挙動の仮想テストする広範囲の解析を含めることができます。 試行錯誤のプロセスに代わって、スマートなシミュレーションプロセスを採用することにより、開発サイクルのさまざまな段階における設計の選択を、目標を絞って実現できます。 これにより、コストのかかる物理プロトタイプを、時間をかけて繰返しテストする必要がなくなるので、全体としての開発時間を短縮できます。 効果的な設計シミュレーションプロセスを採用することで、企業は開発コストを減らし、革新的な製品を競合他社より速く市場に出すことができます。

製造性のための設計シミュレーション

製造プロセスのシミュレーション、すなわち製品の製造方法を予測することは、「プロセスシミュレーション」または「仮想製造」と呼ばれます。 これには、設計の製造性を判定し、設計変更が製造方法に与える影響を評価するための、成形、スタンピング、加工、その他のプロセスシミュレーションが含まれます。 これは、前述した従来の応力エンジニアリングよりも、製造エンジニアリングに近いものです。ただし、基礎となる技術 (有限要素モデリング) は同じです。 製品の設計段階で製造プロセスのシミュレーションを参照することで、製造プロセスを最適化できるだけでなく、製品の性能、コスト、品質も最適化できます。

シミュレーションモデルと物理プロトタイプ

シミュレーションモデルは、物理プロトタイプに比べて、製品開発プロセスにより多くの柔軟性をもたらします。 ボタンを何回かクリックするだけで設計代替案を作成でき、複雑なセットアップなしに試験を実行できます。 さらに、設計シミュレーションを実行すれば、物理試験では得られないさまざまな種類の解析結果を入手できます。 また、シミュレーションモデルを使用することで、測定機器で物理的にアクセスできない製品内部の場所の仮想試験を行ったり、測定するセンサーが存在しない物理量を出力したり、製造現場の仮想ビューを表示することで製造プロセスを理解することができます。

試験対象 (製品) を損傷するおそれがないので、異なる境界条件を適用するだけで、追加の動作条件をシミュレートできます。 これは特に、衛星のような製品のテストを行う場合に有効です。事前に物理プロトタイプを用意することができず、極端な条件での試験を製品に対して行うことが望ましくないため、最終製品の試験のみ行うからです。 また、設計シミュレーションは、動作範囲が物理的試験よりもはるかに広くなっています。実際の環境では実現が困難あるいは不可能な条件を仮想的にモデル化してテストすることができ、材料を無駄にするおそれがないため、新しい製造プロセスのシミュレーションを行う場合でも、製品定義を操作して特定の製造方法を適用するだけで済みます。

製品開発における物理試験の役割がなくなることはありませんが、シミュレーションモデルを使用することで、製造企業は、1つの試作品、すなわち最終製品しか製造しないという、究極の理想に近づくことができます。

設計シミュレーションの利点

設計シミュレーションの利点としては、物理プロトタイプ試験の繰返しを避けることによる製品開発のコストと時間の削減と、品質の向上が挙げられます。

  • 設計判断を行う際に、機能的性能と製造への影響を考慮することが可能
  • 概念設計の際に、さまざまな機能的側面の間のバランスを考慮
  • 費用のかかる物理プロトタイプのテストによる試行錯誤を行わなくても、設計代替案を効率的に評価できるので、設計のイノベーションを促進
  • シミュレーションを行うことで、設計を最適化し、不要な材料を取り除いて重量を減らすことができるので、コストの削減と設計効率が向上
  • 設計シミュレーションによって、開発プロセスの初期段階で性能と製造性に関する洞察が得られるので、設計変更にかかる費用の削減が可能
  • 詳細な属性固有のモデルを使用して、検証と製品の改良を実現
  • シミュレーションモデルを使えば、物理プロトタイプでは測定が困難あるいは不可能な結果を得ることが可能
  • シミュレーションモデルは、過酷な動作条件での仮想的にテスト可能

設計シミュレーション ソフトウェア

設計シミュレーション  ソフトウェア アプリケーションの例を以下に示します。

NX CAE は最新のシミュレーション環境であり、エンジニアリング作業におけるモデリング時間の短縮、設計と解析の繰り返しの削減、および FEA の生産性の向上を実現します。 NX CAE は、プリ処理およびポスト処理、構造、熱、フロー、機構、およびマルチフィジックス解析、最適化、シミュレーションデータ管理、およびシミュレーション駆動型設計のためのソリューションを提供しています。

NX Nastran は、応力、振動、構造欠陥/耐久性、熱伝導、騒音/音響、フラッタ/空力弾性の解析を行う有限要素(FEA)ソルバーです。

LMS Virtual.Lab は、メカトロニクスシステムの実環境での性能のシミュレーションをおこなう、有限要素、境界要素、およびマルチボディ モデリングソフトウェアです。 複雑なモデルを迅速に構築し、構造健全性、騒音、音響、振動、試験結果との相関、システムダイナミクス、および耐久性性能を正確に調査して、試作機作成よりずっと前に設計を最適化することができます。

LMS Samtech には、機械システムの重要な性能エンジニアリング属性のシミュレーションをおこなうための有限要素法(FEM) ソルバーが含まれています。 風力タービン開発、ローターダイナミクス、構造・熱解析、複合材といったアプリケーションの要件を的確に満たすように設計されています。 ハイエンドのソルバーは、非線形 FEM とマルチボディ シミュレーションの両方に対応しています。 また、ソフトウェアには、航空機エンジニアリング プロセス管理のための高度な CAE 統合プラットフォームも備わっています。

LMS Imagine.Lab は、仮想知的システム設計を推進するために役立ちます。 モデルとデータの作成、管理、使用に必要なすべてのツールを提供し、モデルベースト システムズエンジニアリングのさまざまなニーズに応えます。 メカトロニクス システムシミュレーション固有の課題に有効に対処できます。

Femap は、高度なエンジニアリング FEA のための、CAD ニュートラルでソルバーに依存しない、Windows ネ イティブのプリ・ポストプロセッサです。 複雑な問題にも簡単、正確、低コストで対応できるのはもちろん、一般の設計者から解析専任者まで、幅広く有限要素モデリングを行っていただけます。

Solid Edge Simulation は、設計者がSolid Edge 環境内で部品とアセンブリをデジタルで検証できる内蔵型の FEAツールです。Solid Edge Simulation は、実証済みの Femap 有限要素モデリング技術をベースにしており、試作品を製作する必要性を大幅に低減して、材料コストと試験コストを削減し、設計時間を節約します。

Fibersim は、高度な複合材料を使用して、革新的で耐久性が高く軽量な製品や部品を開発するために必要な、複雑な独自の設計と製造のメソドロジーをサポートするソフトウェアです。 DFM と製造エンジニアリングを統合することで、CAD に組込まれた製造プロセスシミュレーションを実現し、生産可否性シミュレーション機能によって、設計の製造可能性を検証します。 解析インタフェースでは、他のCAEソフトウェアとの双方向リンクを使用して、製品解析をサポートする詳細な設計データのインポートとエクスポートを実行できます。

Seat Design Environment (SDE) は、市販の 3D CAD システムに完全に統合されたソフトウェアであり、革新的な乗り物の座席システムや車内コンポーネントの設計と製造に使用できます。 デジタル製品定義を完全に取込むことにより、費用のかかる実際のプロトタイプ作成の必要をなくし、CAD に組込まれた製造プロセスシミュレーションを実現します。 生産可否性シミュレーション機能によって製造の問題を早期に診断することで、製品の効率的な製造と、スタイル要件への適合を約束します。

以下のソフトウェアコンポーネントは、設計者シミュレーションソフトウェアの開発者がアプリケーションの基礎として使用しています。

Parasolid は、3D ジオメトリのモデリング・ソフトウェア・コンポーネントです。Parasolid を基盤とした 3D システムは、複雑な部品やアセンブリのモデリングに使用されています。また、何百種類もの CAD/CAM/CAE アプリケーションのジオメトリ・エンジンとして使用されています。

D-Cubed は、ソフトウェア・デベロッパーの自社製品への統合を可能にするためにライセンス供与されている6つのソフトウェア・ライブラリからなります。パラメトリック・スケッチング、部品とアセンブリのモデリング、モーション・シミュレーション、衝突検出、クリアランス測定、隠れ線の表示などの機能を提供します。

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