設計の“良し悪し”をシミュレーションで判断

3D CADでシミュレーションを活用した設計検証

製品形状を3次元モデルで表現しながら設計を行う3D CAD。そのメリットは形状を直感的に把握できる設計の「見える化」だけではありません。詳細に再現された3Dモデルを基に質量や体積、重心、距離、干渉の有無などのさまざまな情報を実機がなくても確認できる「バーチャル試作」として利用することができます。

さらに3D CADとシミュレーション機能を併用し、CAD上で強度の有無などを検証する「バーチャル試験」を行うと、より効率的な設計検証が可能です。コンピューター上で強度計算などを行うことをCAE(Computer Added Engineering)と言い、3次元設計における重要な検証方法になります。

この記事を詳しく解説した資料があります

動画で分かる シミュレーションを活用した設計検証

本動画は音声オンで再生されます。音量は、動画プレーヤー画面の下部にあるスピーカーアイコンで調整可能です。

設計で作成した3Dモデルで検証

最近の3D CADには、同じ設計環境でシミュレーション機能を利用できる製品が多数存在します。設計で作成した3Dモデルをそのまま使用し、設計から検証作業までシームレスに移行できます。別ツールへのデータの移動や出力の必要がないため、素早く検証・修正作業を繰り返し実施できるのが強みです。

手計算では困難な構造を簡単に計算

シミュレーションツールを導入していない現場では、構造や荷重による影響を手計算で評価することになります。片持ち梁(はり)のような単純な形状であれば問題ありませんが、構造や荷重の条件が複雑になると手計算での評価は非常に困難です。

3D CADとシミュレーションを活用すれば、設計で作成したモデルを使用し、複雑な構造であっても簡単に製品に生じる負荷を計算できます。

  • 手計算

  • 3D CADによるシミュレーション

シミュレーションによる評価

製品使用時の条件を容易に再現

3次元モデルに材料や部品に加わる荷重・設置方法などに合わせて境界条件を設定するだけで、製品使用時に受ける負荷や影響を再現できます。

例えば、プーリを回転させるモデルでアーム部品の強度計算を行いたい場合、力が加わる部分に「力」荷重を設定、プーリ周囲を動かないものとして「固定」拘束を設定することで、使用時の状況を簡易的に再現できます。

定量的に適正を評価

シミュレーションを実施することで、部品内で生じる負荷や設計の適正を定量的に評価できます。強度計算などに利用される構造解析では、部品が受ける負荷の判定基準となる応力や変位といった値を計算します。また、部品の材料が持つ「降伏応力」から安全率を計算されます。一般的に「安全率<1」で材料に破壊が生じる(壊れる)という評価になります。

どれが強度が強い? シミュレーションクイズ

ここで、シミュレーションに関するクイズをお出しします。下の図は先端の穴部分に垂直方向に荷重が加わるブラケットになります。

【問題】AとBを比べて、どちらの強度が高いでしょうか? このようなケースなら直感的に分かる方が多いのではないでしょうか?

  • A

  • B

どれくらい強度が違うでしょうか?

では続けて問題。
【問題】AとBはどれくらい強度が違うでしょうか? こうした問題は見ただけでは判断が難しくなります。

  • A

  • B

答えはBです。シミュレーション結果で応力や安全率の値を比べることで、Bの方が飛躍的に強度が向上していることが判断できます。

最も強度が高くなる形状はどれ?

ではさらに問題です。
【問題】A、B、Cのうち、最も強度が高くなるのはどの形状でしょうか?

  • A

  • B

  • C

シミュレーション結果を比べるとご覧のような結果になります。応力や変位の値が低く、安全率が最も高いのは「C」という結果になりました。ブラケットを支持する部品の角度によって強度が異なることが結果から判断できます。

  • A

  • B

  • C

シミュレーション結果で裏付けられた効果的な設計

シミュレーションを活用することで、シミュレーションの計算結果に裏付けられた適切な設計を短時間で導き出せるようになります。これまで簡易的な手計算や勘に頼った設計によりミスや手戻りが多発していた設計環境でも、試作・実製品で問題の生じない精度の高い設計へと改善し、競争力のある製品開発が可能になります。

さらに詳しく知りたい方へ無料資料請求

本トピックスでご紹介しきれなかった内容を資料にまとめています。もちろん無料!ぜひお役立てください。

シミュレーションを活用した設計検証

主な内容

  • シミュレーションは本当に必要なのか?
  • シミュレーション結果による設計案の判断
  • シミュレーションの必要性ノウハウ不足をサポート