有限要素解析(FEA)

有限要素解析FEA とは、製品やシステムの構造または性能における潜在的な問題や既知の問題を特定して解決することを目的に、バーチャルな環境で実行されるモデリング手法のひとつです。FEA は有限要素法( FEM ) をベースにしており、エンジニアや科学者が非常に複雑な構造上の問題や流体の問題、マルチフィッジクス(連成)の問題を数学的にモデリングして、数値で解析する場合に使用されています。FEA ソフトウェアはさまざまな業界で利用されていますが、最も広く利用されているのが航空、生体力学、自動車の業界です。

有限要素 ( FE ) モデルは、設計の形状を作っているノード(節点)と呼ばれる点の集合からなります。これらのノードに有限要素が結合して、モデルの材質や構造上のプロパティを含んだ有限要素メッシュが作成され、特定の条件に対する反応が定義されます。有限要素メッシュの密度は、予想される応力レベルの変化に応じて局所的に可変することができます。通常、応力レベルの変化が大きい領域は、変化のないまたは少ない領域よりも密度を高くする必要があります。既知材料の破断点、フィレット、コーナー、複雑なディテール部分、応力の高い領域などが関心領域になります。

FE モデルは、一次元要素 ( 1D ビーム )、二次元要素 ( 2D シェル )、三次元要素 (3D ソリッド ) を使って作成することができます。一般的には、ソリッド要素ではなく、解析精度を落とさずにノード数を減らすことができるビーム要素やシェル要素を使ってモデルを作成します。いずれのモデルにも、次のようなさまざまなプロパティを定義する必要があります。

  • 断面積
  • 慣性モーメント
  • ねじり定数
  • 板厚
  • 曲げ剛性
  • 横せん断

FEA で現実世界の動作環境の影響をシミュレートする場合、次のようなさまざまな種類の負荷を FE モデルに適用することができます。

  • ノード: 力、モーメント、変位、速度、加速度、温度、熱流束
  • 要素: 分布荷重、圧力、温度、熱流束
  • 加速による荷重 (重力)

解析の種類:

  • 線形静解析:  静的な荷重や拘束を適用した線形解析
  • 非線形静解析と動解析: 接触による影響 (モデル内の接触)、非線形材料の定義 (可塑性、弾性など)、大変位 (線形解析に限られる小変位理論を超える歪み)
  • 正規モード: 固有振動数
  • 動的応答: 時間や周波数で可変する荷重や運動
  • 座屈解析: 構造が不安定になる臨界荷重
  • 熱伝達解析: 伝導、放射、相転移

ソルバーによる代表的な計算結果:

  • ノード: 変位、速度、加速度
  • 要素: 力、歪み、応力

FEA の利点

FEA は、新製品の設計、既存製品の改良、製造前の設計仕様の性能確認に活用することができます。FEA を活用すると、次のようなことができます。

  • 製品の性能と信頼性の予測と改善
  • 物理的な試作品と試験の削減
  • さまざまな設計案と材料の評価・検討
  • 設計の最適化と材料使用の削減

FEA ソフトウェア

FEA ソフトウェア・アプリケーションの例を次に紹介します。

Simcenter 3D is a unified, scalable, open and extensible environment for FEA with connections to design, 1D simulation, test and data management. Simcenter speeds the FEA process by combining best-in-class geometry editing, associative simulation modeling and multi-discipline solutions embedded with industry expertise. Simcenter 3D integrates fast and accurate solvers that power structural, acoustics, flow, thermal, motion and composites analyses, as well as optimization and multiphysics simulation.

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 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。

STAR-CCM+ is a stand-alone simulation solution for computational fluid dynamics (CFD), computational solid mechanics (CSM), heat transfer, particle dynamics, reacting flow, electrochemistry, electromagnetics, acoustics and rheology. STAR-CCM+ delivers accurate and efficient simulation technologies through a single integrated user interface and automated workflows. This facilitates the analysis and exploration of complex real-world problems.

HEEDS provides an efficient and easy to use design exploration framework. Workflows are easily automated through integration with your current design and simulation tools. HEEDS automatically explores the design space to quickly identify solutions that meet your goals and constraints such as reducing product costs while keeping stresses below acceptable limits.

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。

次に紹介するソフトウェア・コンポーネントは、FEA ソフトウェア開発者が自社のアプリケーションの基盤に使用しているものです。

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。

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