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CAE技術情報局

「CAE技術者のための情報サイト」の管理人JIKOのブログ。CAE技術者、機械系技術者向けの技術情報、ホームページの更新情報などを掲載していきます。
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使ってはいけない要素

少し過激なタイトルですが、使ってはいけない要素などありません・・。しかし構造解析に使うのには不適切な要素がありますので今回はそれを紹介したいと思います。

結論から言うとそれは、2次元要素では3角形1次要素、3次元要素では4面体1次要素です。これらは非常に剛に評価されるという特徴があります。つまり、変位は小さく、応力は低い結果となります。これらの要素を使って解析することはできるだけ避けるべきです。

ではなぜこれらの要素が存在するのか?について疑問に思うかもしれませんが、その理由の一つは補間要素として使うというのがあります。つまり、例えばすべて四角形1次要素を使いたいのですが、どうしても形状が複雑で四角形1次要素を敷き詰めることができないとき、部分的に三角形1次要素を使って補完するという用途です。自動メッシュではこれを使わないとメッシュが切れない、あるいは極端に歪んだ要素になってしまう場合もありますが、部分的に三角形1次要素を使う設定にすることで、きれいなメッシュが作成できることもあります。

【検証例】

3次元要素で検証した例を示します。
片持ち梁の解析を4面体要素を使って解析した例です。下図に示すように粗いメッシュと細かいメッシュを用意し、それぞれ1次要素と2次要素で解析してみました。解析精度は材料力学の公式を使って計算した結果を理論値として誤差を評価します。


TET_size20.png
要素サイズ:粗

TET_size5.png
要素サイズ:細


結果
下の表に理論値に対する解析結果の誤差を[%]で表したデータを示します。負値は理論値よりも小さいことを示します。
ちなみに応力値は拘束部付近(拘束の影響のない部位)の応力値を観測し、変位は梁の先端の最も変位が大きくなる部位の値を観測しました。


result3.png


表を見ると一目瞭然ですが、1次要素では応力・変位ともにかなり小さめの値となっています。メッシュを細かくすると改善はしますが、図のようなメッシュでも2ケタの誤差です。それなりの精度を出すにはかなり細かいメッシュにする必要があるということが推測できます。

一方2次要素の方ですが、メッシュが粗くとも細かくとも変位・応力ともに1[%]以下の誤差です。粗いメッシュの方なんて、一般にはこんな粗くて良いの?と思うくらいですが誤差は1[%]以下です。かなり優秀な要素と言えます。

四面体要素はほとんど自動でメッシュを生成できるメリットがあるため、多くの場面で活用される要素ですが、1次要素と2次要素ではその解析精度に大きな違いがあります。ほとんどのソフトウェアではデフォルトで2次要素を採用するようになっているかと思いますが、念のため確認するようにした方が良いと思います。

<補足>
ちなみに解析精度の観点で6面体要素にこだわる人もいますが、確かに計算も軽く、精度も高いです。しかし、自動メッシュに対応していないソフトも多く、複雑形状な実モデルに対してメッシュを生成するにはテクニックと時間を要します。
私は線形静解析であれば4面体2次要素で自動メッシュが最も効率的だと考えます。6面体よりは解くべき自由度が増えるので計算の時間はかかりますが、線形静解析であるので大したことありませんし、本検証でも解るように粗いメッシュでもそれなりの精度で計算してくれます。しかし、4面体2次要素も万能ではなく、非線形解析になると接触問題に向かなかったり計算に時間がかかったり、そもそも対応していないなどのデメリットがあり、6面体要素の出番となります。

<参考リンク>
設計者CAEを始める前にシッカリ学ぶ有限要素法(5)
ソリッド四面体1次要素は、デンジャラス!?


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[ 2011/01/16 16:26 ] CAE活用のカギ | TB(0) | CM(0)

計算力学技術者資格について

マイナーな資格なので知らない方も多いと思いますが、計算力学技術者(CAE技術者)という資格があります。日本機械学会が主催し、毎年12月に試験が行われています。この試験ではCAEを適切に実施する上で必要な知識が問われ、合格すると計算力学技術者(CAE技術者)の認定資格を得ることができます。

今回はこの計算力学技術者(CAE技術者)資格制度について考えてみたいと思います。

実はツイッターでも少し議論していまいて、『計算力学技術者(CAE技術者)資格はCAE技術者の育成に有効か?』でまとめていますので参考にしてください。

また、本ブログで以前書いた記事ですが、関連するものを挙げておきます。

CAE技術のコンサルティングについて [2010/01/31]
計算力学技術者試験のススメ② [2009/12/25]
計算力学技術者試験のススメ [2009/12/24]

CAE技術者の前提知識

昔はそれなりの知識を持った技術者・研究者のみがCAEを活用するという感じでしたが、現在ではソフトウェア自体も使いやすくなってきており、多くの開発現場で誰もが当り前のように利用するようになってきています。しかし、当然ながら使いやすいソフトウェアであっても、適切に利用するにはそれなりの前提知識が必要になることには変わりありません。そんな前提知識を身に付ける意味で本資格を取得することは非常に有効であると考えます。

ここで強調したいのは、あくまで前提知識だということ。この資格を取得したからと言って、有能はCAE技術者になれるわけではないということ。資格を取得すればある一定の知識を有していることが認定されるだけであって、実務上はそれ以上にたくさんの知識が要求されますし、知識だけでなくこれまでの経験に基づく感覚など、総合力が必要になってきます。

技術士などの資格もそうです。最近では技術士も技術者としてのスタートラインとの位置付けになってきています。つまりはそれぞれの専門分野での前提知識をある程度有しているかどうかの客観的指標に過ぎません。大事なことはこういった資格取得で得た知識を有効に発揮して実務で成果を上げていくことだと考えます。

どんな人が受験すべきか

現在では初級から2級、1級、上級アナリストまで様々な認定レベルが用意されていますので、前提知識との立場であれば、CAEを扱う技術者すべてが受験すべきだと思っています。特に経験の少ない若手技術者は受験することで多くの知識を得ることができると思います。

また、別な意味で受験が必要な人もいます。それは解析を受託する会社に勤めている人など、CAEコンサルタントとして対外的にその技術レベルを提示する必要がある人。このような人はすでに受験で問われる内容をすべて理解していたとしても本資格を取得して名刺にしっかり記載すべきだと思います(参考)。

例外的に、メーカーなどに勤務するベテラン技術者など、すでにCAEに関する多くの経験を有し、相当な技術力を持った人は改めて受験する必要はないと思います。このような人はすでに社内で実績を残されていると思いますし、対外的に技術レベルを提示する必要もないと考えるからです。もちろん自ら力試しのために受験するのはあると思いますが・・。

計算力学技術者資格認定事業の効用

機械学会の案内では計算力学技術者資格認定事業を通じて次の2つの効用が期待されるとあります。1つはCAEソフトウェアを扱う技術者自体の品質保証、2つ目は、CAE技術者の社会的地位向上・社会的認知。

現在のCAEは、ある意味人の技術レベルに依存したシステムです。解析結果の信頼性を担保するにはまず、それを扱う技術者自体の品質を担保する必要があると考えます。またCAE技術者の社会的地位、社会的認知についてですが、確かにツイッターでも議論しましたが、CAE技術者とはどういう人を指すのか曖昧で定義ができずにいます。社会的地位の前にまず社会的認知の必要性を感じます。

こういった資格を通じてCAEに携わる技術者のレベルアップは勿論、そういったことを仕事にする人もいるのだという社会的認知の向上にも繋がればよいなぁと思います。

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[ 2010/11/21 16:21 ] CAE活用のカギ | TB(0) | CM(0)

設計者CAEとは?そもそも設計者とは?(3)

前回、設計者が利用するCAEツールはどのようなものが理想なのかを考えました。しかし、それをCAEツールの機能という観点で見た場合、ほとんどの設計者CAEと呼ばれるツールには既に必要な機能を備わっているのではないかと思われます。しかし、実際には設計者CAEを効果的に運用できていない部分もあるのではないでしょうか。今回はその理由について考えてみます。


(これまでの記事)
設計者CAEとは?そもそも設計者とは?(1)
設計者CAEとは?そもそも設計者とは?(2)
CAE専任者は何をする?

設計者CAEの問題点

ここでは、前回書いた概念設計時におけるCAEの運用方法を"概念CAE"、詳細設計時におけるCAEの運用方法を"詳細CAE"と呼ぶことにします。

(1)概念設計時にCAEを活用したいがCAD形状がない!?

多くはCAD形状ありきで解析が行われることがほとんどです。設計案の形状を決めたいのに解析するためにはCAD形状を要求するとは矛盾です。概念設計時にはそれなりの手法を構築する必要があると思います。つまり、概念的な形状で大まかな傾向が把握できるような解析モデルの構築が必要です。この段階でのCAEがもっと活用されたなら、設計開発現場においてCAEがもっと貢献できるようになるのではないでしょうか。

(2)概念CAE、どうやってモデリングしたらいいの?

モデル化の方法が解らないから効果的に概念CAEが運用されないとも言えます。シェルやビームなどを用いた解析モデルを作成すること自体はさほど難しいものではありませんが、現象がある程度再現する形で適切な解析モデルを作成すること、そしてその解析結果をどのように設計的に判断するか、については、高度な知識、経験が必要になると考えます。

(1)、(2)の問題を解決するためには、まずは設計者が概念設計時に活用すべき解析モデルの作成方法を標準化し、それが効果的に運用されるように設計者をバックアップしていくことが必要だと考えます。これをやれるのは社内のCAEを専門にする人やベンダー等のコンサルタントだと思います。社内にCAE専任者がいない場合は、ソフトを売るベンダー側でこの辺の運用までサポートしてもらえるようになれば、より効果が上がり、ひいては更なる販売にもつながるのではないかと思います。

(3)詳細CAEで細部にこだわり過ぎる

CADモデルを用いる詳細CAEに関してはある程度普及しており、皆さん活用していると思いますが、そのモデル化方法や評価方法に多少問題があると考えます。その多くは細部にこだわり過ぎるということ。

モデル化においては、細かな穴やRをそのまま残したままモデル化してしまうと、うまくメッシュが切れない、要素数が無駄に多くなり計算時間もかかる、結果を見るのも大変、等々、とにかくスピーディーな解析、判断、設計の流れを妨げてしまいます。評価にあまり関係のない細部は削除して、できるだけシンプルな解析が望ましいです。そのためにはCADの機能を効果的に使いながら形状修正を行う必要があります。またそのような機能を充実させていくことが、ベンダー側の役割でもあると思います。

解析結果の評価においては、上記のような細部の応力集中にこだわり過ぎて、なかなか対策が進まなかったり、過剰品質になってしまったり、などがよくあります。そもそも設計者CAEで構築する解析モデルにおいて、応力集中部を評価すべきではないと思います。例えばホットスポット応力と切欠き係数、ホットスポット応力基準のS-N線図を用いて評価するなどの方法が合理的だと思います。

(4)そもそもCAEの運用方法を社内で明確にしていない。

これはある意味私のようなCAE専任者の責任なのですが、社内でどのようにCAEを運用するのかということを明確にしていないことが原因としてあると思います。前回書いたような運用方法を明確にして標準化し、設計者に対して周知徹底すれば、ある程度は改善できるのではないかと考えています。

こう考えると実は設計者CAEを有効活用するにはツールがどうのというより、如何にCAEを効果的に活用するかという運用上の戦略が特に重要なのではないかと考えます。もちろん簡単で使いやすいツールであることに越したことはありませんが、そればかりを前面に出すと、前提知識がなくとも誰でも使えるかのように勘違いされ、導入したけれどうまく運用できず効果を上げることができない、なんてことに・・・。

私もこれを書くにあたっていろいろ考えを整理してみました。そうして自分自身のやり方に関してたくさん問題点が見えてきた気がします・・。これからはもう少しCAEが効果的に運用できるように努力していきたいと思います。

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[ 2010/11/16 22:30 ] CAE活用のカギ | TB(0) | CM(0)

CAE専任者は何をする?

前回の補足です。
http://jikosoftcom.blog25.fc2.com/blog-entry-868.html

前回、設計者CAEとは?について考えましたが、今回は設計者CAEをうまく運用するためにCAE専任者は何をすべきなのかについて考えます。

私は一応メーカでCAE専任者をしていますが、とりあえず自分のことを棚に上げときます。あしからず・・。

CAE専任者がすべきことは、設計者が概念設計時に活用するような簡略モデルをどのようにモデル化するか、そしてそれを用いてどのような評価をすべきなのか、についてしっかり検討して標準化していくことだと考えます。

現実の複雑な問題を簡略モデルに落とし込み、設計で活用できるような評価ができるようにすることは、非常に技術力が要求される仕事だと思います。標準化されてしまえば、簡略モデルなので、時間のない設計者でも簡単に作成できるようになります。

また、基本的に設計者が解析した方がよいのですが、詳細設計時などにおいて設計者が手に負えない大規模になるものや、より高度な解析機能(非線形、動解析、熱流体など)が必要な場合はCAE専任者が対応すべき案件だと思います。

更に新規解析分野へのチャレンジと社内展開、啓蒙活動、操作教育、技術教育など、いろいろやることはありそうです。

しかし最も重要なことは、CAEをうまく運用して開発を進める風土づくりでしょうか。とりあえずそういった流れを作れば徐々にレベルが上がっていくものだと思いますが、これがまたうまくいかないのです。標準化しても活用されなければ意味がないし、高度な解析してもその場限り、後のノウハウになっていかないとか・・まぁ私の力が足りないのですが・・そんなことを考えてまた明日からそうできるように頑張ります。

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[ 2010/11/04 21:58 ] CAE活用のカギ | TB(0) | CM(0)

設計者CAEとは?そもそも設計者とは?(2)

前回の記事 『設計者CAEとは?そもそも設計者とは?(1)

前回、私なりに定義した設計者像に基づけば、設計者が行う主な設計作業というのは、技術的検討を重ねながら要求仕様を具現化することです。その時に有効に活用できるCAEとはどのようなものなのでしょうか。今回はこのテーマで考えてみます。
○設計者CAEとは?

概念設計と詳細設計

設計作業は概念設計と詳細設計という2つの工程に大きく分けることができます。概念設計時にはどのような形状にするのかを技術的検討を重ねながら構想し、大まかな形状を決めていく工程です。詳細設計では、概念設計時に定まった大まかな設計案に対して、実際の製品に仕上げるために細部を作り込み、最終的には制作できるよう部品図まで作成します。

概念設計時のCAE

概念設計時は、製品の構造(形状)を何もない状態から決めていく必要があります。具体的な形状を決める前に、設計案としてA案がよいのか、それともB案が良いのか・・、とにかくたくさんの水準を試して正しい方向性を探る必要があります。

そのような段階でCAEを適用するとすれば、簡単なモデルでよいので素早く答えを出し、評価できるような手法が望ましいのではないかと考えます。モデル作成・解析→評価→モデル作成・評価→・・・このサイクルをたくさん回すことが重要です。それらのたくさんの水準の中から設計として正しい方向性を見出していく。その過程が概念設計と言えます。この時解析精度はあまり要求せず、各設計案の相対的な優劣が解る程度で構いません。

これを具体的にCAEでどうやるかとなると、まずはシェルやビームなどの要素を活用してモデル化することが適切なのではないかと考えます。もしくは抽象的な概念モデルをすでに作っておき、パラメータを変えるだけで検討したいモデルがすぐに作成できるようなシステムもよいでしょう。このようなやり方をFOA(First Order Analysis)と呼ぶこともあります。

詳細設計時のCAE

詳細設計時にはある程度設計の方向性が定まり、大まかな形状ができていますので、今度は細部の作り込みに入ります。この段階では既に3Dモデルも作成されていますので、ソリッド要素を用いてより詳細な解析が可能になります。しかし、設計者ですのでモデル化に多くの工数を割くことができませんし、まだ設計変更の余地は多分にあります。

そこで、この段階でのCAE手法としては、3Dモデルに対してソリッド要素を用いてメッシュを作成するなど、ある程度最終的な製品形状を再現したモデリングを行うべきだと考えます。もちろん製品によってはシェル要素でないとメッシュが切れない薄板物もありますので、それはそれでシェル要素でモデリングしますが、細部の形状も再現した詳細なモデルを作成します。

この工程で品質上の問題が発見されたなら、直ちに形状を見直して再度計算を実行します。ここにでは、むしろ初めの解析モデルの作成には多少時間がかかっても、モデル修正・解析→評価→モデル修正・解析→評価→・・のサイクルを早く回せるようにすべきだと考えます。この時、有効なのがCADとの連携機能です。このCAD連携機能を有効に活用して詳細形状の作り込みを実施します。その過程が詳細設計と言えます。

設計者CAEに要求される機能とは

したがって、設計者が使うCAEツールとして外せない機能としては、以下の2点だと私は考えます。

  1. シェルやビームなどの要素を用いた解析モデルが簡便に作成できる。もしくはFOAツールとしてパッケージ化されたものでもよいが、とにかく簡略モデルで簡単に、素早く、解析・評価が可能なシステムが望ましい。

  2. CAD形状と解析モデルが連携し、設計変更が解析モデルに直接反映されるなど、製品に近い詳細形状で、設計変更に柔軟に対応できるようなシステム。


現在の設計者CAEは既に上記のような機能を有しているものがほとんどなのではないでしょうか。そう考えると、設計者CAEとはその運用方法がポイントになるのではないかと考えます。


ということで、まずは設計者について定義し、そのような設計者が使うCAEはどのようなものが理想なのかについて考えてみました。しかし現状として設計者CAEがうまく機能していない部分が多分にあると思われます。それはなぜなのでしょううか?

次回以降この辺の課題について考えていきたいと思います。

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[ 2010/11/03 21:27 ] CAE活用のカギ | TB(0) | CM(0)
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JIKO

Author:JIKO
 とあるメーカに勤め、CAEを担当する技術士(機械部門)。 コンピュータシミュレーションにより製品の強度や性能を評価するのがお仕事。
 CAE技術者のスキルアップを支援する『CAE技術者のための情報サイト』の管理人。
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