「解析を実行したら、計算が終わるまで何時間も待たされる…」

「メッシュを細かくしたいけれど、メモリ不足でPCが固まってしまう…」

「精度が出ないからメッシュを細かくしたいが、そうすると計算が終わらない…」

設計検討を急ぎたいのに、解析がボトルネックになってしまうのは非常にストレスですよね。

高価なハイスペック・ワークステーションを購入すれば解消しますが、その前に、まずは「モデルの作り方と設定」を見直してみませんか？

実は解析のプロは、モデル全体を馬鹿正直に計算することは滅多にありません。

彼らは「対称性」という強力な武器を使って、計算コストを劇的に下げつつ精度を上げるという賢いテクニックを駆使しています。

この記事では、SOLIDWORKS Simulationで今日から使える「対称性を活かした解析テクニック」の基本と、絶対に知っておくべき重要な注意点について、プロの視点から分かりやすく解説します。

設計業務で解析を多用している方は、ぜひご一読ください。

対称性を利用した解析とは

本題に入る前に、このテクニックの本質とメリットを理解しておきましょう。

「対称性を利用した解析」とは、モデルの形状や使用条件が対称である場合に、モデルの半分（1/2）や1/4、あるいは円周の一部だけを切り出して解析する手法のことです。

「対称性を利用した解析」では、切り出した断面に「ここは切断面ですよ（＝反対側にも同じ形状が続いていますよ）」という設定を行います。

それによって、モデル全体を計算したのと同じ結果を導き出すことができます。

これは決して「手抜き」ではありません。

計算リソースを有効活用するための「賢い省略」です。

対称性を利用した解析には、主に以下の3つのメリットがあります。　

メリット1：計算時間の短縮

計算するモデルの体積が半分になれば、作成されるメッシュ（要素）の数も半分になります。

これにより計算時間が劇的に短縮されます。

また、計算負荷が減るので、「メモリ不足」のエラーでPCが固まるリスクも回避できます。

特に大規模なアセンブリ解析になればなるほど、その効果は絶大です。

メリット2：解析精度の向上

計算リソース（メモリやCPUパワー）に余裕ができる分、メッシュをより細かくすることができます。

構造解析では、メッシュが細かいほど高精度な結果が得られます。

対称性を利用した解析は、「時短」と「精度向上」を同時に実現できる、まさに一石二鳥のテクニックです。

プロが対称性を好む最大の理由は、ここにあります。

メリット3：設計検討のサイクルが加速する

計算がサクサク終わるようになれば、モデルの試行錯誤が気軽に行えます。

例えば、「板厚を少し変えて再計算」「リブの位置や大きさを変えて再計算」など、形状を変えて次々と解析を行うことも容易になります。

結果として、より短時間で質の高い設計へたどり着けるようになります。

対称性が使える「3つの条件」

「よし、じゃあ早速モデルを半分にしよう！」と焦ってはいけません。

このテクニックを使うためには、絶対に満たさなければならない3つの条件があります。

ここを間違うと、解析結果は全く無意味なものになってしまいますのでご注意ください。

対称性を利用した解析を行うには、「形状・拘束・荷重」の3つ全てが「対称面（カットする面）」に対して対称になっている必要があります。

この3つの条件を全てクリアした場合のみ、次のステップへ進めます。

実践テクニック1：【平面対称】で計算時間を半分にする

具体的な設定方法を解説します。

まずは最も基本的な、モデルを平面でカットする「1/2モデル」の作り方です。

Step1 : 解析用モデルの準備（カット）

まず、SOLIDWORKSのモデリング機能を使って、モデルを対称面できれいに半分にカットします。

「押し出しカット」などを使って、バッサリと半分（状況によっては1/4）にします。

Tips: 解析用に専用の「コンフィギュレーション」を作成し、そこでカットを行うと、元の設計モデルに影響を与えずに済みます。

Step2 : 条件設定（対称拘束）

Simulationのスタディを作成したら、カットした断面に「ここは対称面です」という設定を行います。

1. 「拘束」のPropertyManagerを開き、「詳細設定」から「対称」を選択します。
2. グラフィック領域で、モデルをカットした断面を選択します。
3. OK（✓）をクリックして設定を完了します。

これで設定は完了です。あとはいつも通りメッシュを作成して実行するだけです。

実践テクニック2：【円対称】で回転体モデルを攻略する

続いて、ギア、ファン、ホイール、ボルト穴が等間隔に並ぶフランジなどに使える「円対称（周期対称）」テクニックです。

これはモデル全体を計算せず、「ホールケーキの1ピース」分だけを切り出して解析する方法です。

設定のポイント（平面対称との違い）

モデルを「押し出しカット」などで1ピース分切り出すところまでは同じですが、Simulationでの設定が少し異なります。

1. 「拘束」のPropertyManagerを開き、「詳細設定」から「周期対称」を選択します。
2. 平面対称とは異なり、以下の2つの要素を指定する必要があります。
   • 切り出した両側面: ケーキの断面にあたる2つの面を選択します。
   • 回転の中心軸: モデルが回転する中心となる軸を指定します。（あらかじめ「参照ジオメトリ」で軸を作成しておくとスムーズです）
3. OK（✓）をクリックして設定を完了します。

この設定により、SOLIDWORKSは「この断面が、指定した軸を中心にグルっと一周つながっているんだな」と認識して計算を行ってくれます。

【重要】モデルカット時の「荷重設定」のルール

ここが今回の記事で最も重要な注意点です。

初心者が必ずと言っていいほど陥る罠があります。

「モデルを半分にしたんだから、かける力（荷重）の値も半分にするべき？」

という疑問です。結論から言うと、荷重のタイプによって扱いが異なります。

これを間違えると、計算結果は実際の2倍になったり半分になったりと、めちゃくちゃな値になってしまいます。

必ず以下のルールを覚えてください。

ルールA：値を「半分にする」必要がある荷重

「力（Force）」「トルク」など、全体で合計〇〇Nかかる、というタイプの荷重。

ルールB：値を「そのまま（変えてはいけない）」荷重

「圧力（Pressure）」「重力・遠心力（加速度）」「温度」など、単位面積（または体積）あたりにかかる荷重。

【注意点】対称性の解析でやってはいけないこと

対称条件は非常に便利ですが、万能ではありません。

利用する前に「適用限界」も知っておく必要があります。

基本的に、対称テクニックは静解析（線形静解析・非線形静解析）専用と考えてください。

絶対にNGなのが、「座屈解析」や「振動解析（固有値解析）」に対称条件を使うことです。

なぜなら、自然界の現象は、条件が対称であっても、必ずしも対称に変形するとは限らないからです。

もし、対称拘束を設定してしまうと、「対称に変形する（弓なりになる）結果しか計算してはいけない」と強制されてしまいます。

その結果、現実には発生する危険な「非対称な壊れ方」を見逃し、「まだ大丈夫」という危険側の嘘の結果を出してしまう恐れがあるのです。

リスクを避けるためにも、静解析以外では安易に対称条件を使わないようにしましょう。

【便利Tips】解析結果を「全体モデル」としてきれいに表示する方法

最後に、知っておくと少し嬉しいTipsを紹介します。

モデルを半分にして計算すると、当然ですが結果の応力図や変位図も半分だけしか表示されません。

これでは報告書などに使う際に少し見栄えが悪いですよね。

実は、簡単な設定で、あたかも全体を計算したかのようにフルモデルで表示させることができます。

これで上司やお客さんへの報告資料作成もバッチリです。

まとめ

今回はSOLIDWORKS Simulationで「対称性」を利用して、賢く解析を行うためのテクニックを紹介しました。

解析のプロは、「真面目に全部計算しない」術を知っています。

条件が合うモデルであれば、ぜひこの「対称性」のテクニックを活用してみてください。

計算時間を短縮し、その分メッシュ精度を高めることで、設計検討のサイクルがスピーディーになります。

あなたの設計・解析業務の助けになれば幸いです。

最後までお読みいただき、ありがとうございました。

SOLIDWORKS PremiumのライセンスやSOLIDWORKS Simulationのアドインをお持ちの方は、SOLIDWORKS Simulationの機能を使用することができます。

SOLIDWORKS Simulationでは、作成した3Dモデルに対して、有限要素法（FEM）による構造解析を行うことができます。

SOLIDWORKS Simulationを用いて構造解析をすることで、手計算では難しいような形状の計算でも、発生応力や変形量を確認することができます。

大きな力が加わる部品や、高い剛性が求められるような部材は、簡易的にでも構造解析を行うことをおすすめします。

条件設定や結果の考察など、難しい場面もありますが、丁寧に解説しますので、ぜひ最後までお読みいただければと思います。

①解析の心構え、①条件設定、②メッシュ、③結果考察　の4部に分けて解説いたします。

本記事では　第4部 結果考察編　をお送りします。

特に、本記事では、結果を正しく評価するために、「解析の妥当性を評価する」方法について記載しています。

解析実行後の作業

第2部の条件設定編、第3部のメッシュ編までの解析手順を踏めば、解析を実行することができます。

解析実行後は、解析結果の考察を行います。

解析結果を表示して各指標値を確認し、その解析の妥当性を評価し、設計上の安全性を含めた機能性を評価し、それらを踏まえて実設計に反映させるというフェーズになります。

それぞれどういったことをするのかを以下で詳しく説明します。

解析結果の確認

まずは、解析結果を画面表示して、応力や変位量などを確認していきます。

強度解析において、確認すべき主な項目は以下の4点です。

解析結果の妥当性の評価　

解析結果を確認しながら、解析結果が妥当なものなのかを評価・判断する必要があります。

構造解析は、解析条件が適切でないと、求めたい解析結果が得られません。

また、解析には必ず誤差があり、現実と解析で必ず乖離が生じます。

解析結果はあくまで近似解です。厳密解ではありません。

そういったことを踏まえて、得られた解析結果（＝近似解）が、求めたい解析結果（＝厳密解）とどの程度近しいかを判断します。

解析できたからと言って、解析結果を鵜呑みにしてしまうと危険です。

妥当性を評価して、解析結果が信頼できるものかを確認しましょう。

妥当性評価の判断材料

解析の妥当性を判断するには、以下の項目に注視します。

変形挙動の確認

SOLIDWORKS Simulationでは、変形挙動を動画で確認することができます。

変形の起点や変形時の形状、応力の立ち方など、動画でその移り変わりを確認することができます。

変形の移り変わりを確認して、不自然な変形をしたり、想定と全く異なる変形をしたりする場合は、解析条件が間違っている可能性が高いです。

解析条件をもう一度見直して確認してみましょう。

拘束条件や接触条件に設定ミスがある可能性が高いです。

設定の間違いや設定モレしている条件がないか確認しましょう。

メッシュサイズの確認

第3部のメッシュ編でも述べましたが、メッシュの設定が適切でないと、適切な解析結果が得られません。

中でも、メッシュサイズが解析精度に大きく影響します。

メッシュサイズが適切かを判断するには、解析結果の変位量を確認しましょう。

有限要素解析では、接点の変位をもとに、フックの法則より応力を求めます。

そのため、変位量が間違った値であれば、応力も正しい値になりません。

フックの法則　\(\sigma＝E\epsilon\)（ \(\sigma\)：応力、\(E\)：ヤング率、\(\epsilon\)：ひずみ ）

メッシュサイズの妥当性を確認する方法として、解析条件はそのままで、メッシュサイズのみを変えて再解析してみます。

具体的には、以下の手順で追加解析をしていきます。

メッシュサイズを細かくしていくと、変位量や応力は収束していきます。　

閾値の決め方は解析者によって異なります。

筆者の場合、5%程度の閾値に設定する場合が多いです。

手計算によるオーダー確認

応力や変位量を、手計算で算出したものと、解析結果とを比較してみます。

単純な梁のような簡単な解析モデルであれば、手計算でも計算できるかと思います。

しかし、複雑な形状や複雑な条件の場合は、手計算するのも難しいです。

手計算が難しい複雑な解析モデルの場合は、手計算できるくらいの形状に大胆に簡易化してもいいでしょう。

簡易化している場合は、当然、手計算と解析結果で値が変わります。

しかし、オーダーが変わるほど、そこまで大きくは変わりません。

手計算の結果と解析結果とで、オーダーがおおよそ合っていれば、妥当性は高いといえるでしょう。

補足：オーダーとは、工学などでよく使われる言葉で「大体このぐらいの桁の大きさ」という意味です。

反対に、手計算の結果と解析結果とで桁数が2つも3つも異なるような場合は、解析結果の妥当性を疑った方がいいかもしれません。

特異点の判別

解析結果を鵜呑みにできない理由の一つに、「特異点」があります。

特異点とは、メッシュの形状的によって起きるひずみ現象で、周囲に対して局所的に高い応力が発生する現象です。

特異点は、実際には起きない解析特有の現象です。

しかも、特異点では、メッシュを細かくすればするほど、応力値が収束せずに大きくなっていきます。

似たような現象で、「応力集中」があります。

応力集中とは、構造物や部品の一部に応力が局所的に発生する現象です。

構造物に穴や切欠きなど、断面形状が急に変化する部分で発生します。

応力集中は、実際に起きる現象です。

解析結果を評価する際には、応力集中と特異点を判別する必要があります。

特異点を見分けるポイント

特異点は、主に以下のところに発生します。

隅Rがゼロの地点

解析モデルの隅Rがゼロとなる地点では、特異点による高い応力が発生します。

ですが、実際の現象でも、隅部は応力集中が発生しやすい箇所になります。

特異点を解消するには、応力の高い隅部にフィレット(R加工)を追加します。

3Dモデルに隅Rを付与することで、メッシュ形状によるひずみが解消され、応力値を収束させることができます。

隅部に発生する特異点は、隅Rを追加して解消してあげましょう。

拘束条件を付与した地点

構造解析する際には、どこかの面や辺を固定する必要があります。

固定条件を付与した地点の近傍は、固定部と変形部の境界となるため、特異点による高い応力が発生します。

この場合、実際には発生しない応力ですので、解析結果に含めないようにしましょう。

固定した地点の付近には、特異点が発生するものだと覚えておきましょう。

その上で、この特異点の応力値は無視しましょう。

集中荷重を付与した地点

解析モデルに対して集中荷重をかけると、その地点近傍に高い応力が発生します。

この場合も、実際には発生しない応力となりますので、解析結果から除外すればOKです。

集中荷重をかけた地点の近傍も特異点が発生します。

この応力値も無視して大丈夫です。

機能性の評価

解析結果の妥当性を確認できたら、次は解析結果から得られた値（応力や変位など）が機能を満たすかどうかを評価します。

これは、許容応力や許容変位量など、比較できる基準があるため、それほど難しくはないでしょう。

許容応力は、使用する材料の強度と安全率の決め方によって決まります。

許容変位量は、部品の機構・形状的なところから求められます。

実設計への反映

解析結果を踏まえて、実設計の形状をどのようにするか検討します。

例えば、応力の高い箇所には、補強追加や形状変更により強度UPを図ります。

逆に、応力的に余裕がある場合は、重量削減のために材料の板厚を薄くしたり、補強の数を減らしたりもできるでしょう。

応力集中が見られる場合は、切欠き形状の見直しや隅Rを大きくするなどにより、応力集中を緩和するような施策が必要です。

構造解析の結果を実設計にフィードバックすることで、より良いものづくりができます。

実設計に反映できてこそ、解析に価値が生まれます。

まとめ

本記事では、構造解析における結果考察の方法、とりわけ解析結果の妥当性評価について解説しました。

解析結果が妥当なものかどうかを確認する作業が、解析業務では一番重要ですし、一番大変な作業です。

ある程度の設計経験や材料力学の知識が必要となりますので、誰でも簡単にできるわけではありません。

しかし、だからこそ解析の評価ができるようになれば、設計者としての幅が広がり、職場でも重宝されるようになります。

設計者の方は、ぜひ構造解析にもチャレンジしてみてください。

最後までお読みいただきまして、ありがとうございました。

SOLIDWORKSで本格的な構造解析をするには、SOLIDWORKS PremiumかSimulation のパッケージが必要となります。

ですが、簡易的な応力解析であれば、Simulation Xpressという機能を使用することで実行できます。

本記事では、「Simulation Xpress」での強度解析の方法について解説します。

Simulation Xpressは、SOLIDWORKSのStanndard、Professional、Premiumのどのパッケージでも実行できます。

Simulation Xpressは、SOLIDWORKS Simulation に比べると使用できるファイルや設定できる条件に制限があります。

ですが、使いどころを見極められれば、十分有用なツールだと思います。

ぜひ活用いただければと思います。

Simulation Xpressとは

Simulation Xpressとは、SOLIDWORKSの全てのパッケージで使用可能な強度解析機能です。

SOLIDWORKSには、Standard、Professional、Premiumの3つのパッケージがありますが、どのパッケージででも使用できます。

SOLIDWORKS Simulationは、Premium版を購入するか、アドインを追加購入する必要があります。

ですが、Simulation XpressはStandard版であっても使用可能です。

Simulation Xpressは、SOLIDWORKS Simulationでの構造解析に比べて、機能は劣ります。

使用できるファイルや設定できる条件、確認できる結果に限りがあります。

ですが、設計において初期の方針を探る際や、だいたいの当たりをつける際には、有効な機能となるかと思います。

Simulation Xpressは、個人向けのSOLIDWORKS for Makersでも使用可能です。

Simulation Xpressの使い方

Simulation Xpressの機能は、以下の手順で使用することができます。

本記事では、SOLIDWORKS for Makersの画面を用いて解説します。

Makersだと画面下部に「SOLIDWORKS for Makers製品」と表示されますが、機能や設定方法は通常のSOLIDWORKSと同じです。

解析したい部品モデルを開く

解析するための部品ファイルを用意します。

Simulation Xpressでは、部品ファイルのみ解析できます。アセンブリファイルは解析できません。

アセンブリファイルとして作成したファイルをSimulation Xpressで解析したい場合は、部品ファイルとして保存する必要があります。

本記事では、簡単な片持ち梁を例に、強度解析していきます。

解析するには、作成した部品の材料設定が必要となります。

Feature Managerデザインツリーの材料から、部品の材料を指定しておきます。

ユーザー定義からコマンドを追加する

Simulation Xpressのコマンドを追加する必要があります。

このステップは、Simulation Xpressを使用したことがない方が、初めて使用する場合に必要となります。

既にSimulation Xpressのコマンドがコマンドマネジャーにある場合は、次のステップに移動してください。

コマンドマネジャー上で右クリックして、ユーザー定義を選択します。

コマンドタブの検索窓に「xpress」と入力しましょう。

Simulation Xpressのコマンドボタンが表示されます。

上記のSimulation Xpressのコマンドボタンをコマンドマネジャーにドラッグアンドドロップします。

そうすると、コマンドマネジャーにSimulation Xpressのコマンドが追加されます。

追加するコマンドタブはどこでもOKです。

どこのタブに追加すればいいか悩む場合は、「評価」タブに追加するのがいいと思います。

上記のように、「Simulation Xpress解析ウィザード」のコマンドボタンが追加されました。

これで、Simulation Xpressを使用する準備が整いました。

Simulation Xpressを立ち上げる

Simulation Xpressを立ち上げます。

先ほど追加した「Simulation Xpress解析ウィザード」のコマンドをクリックすると、Simulation Xpressが起動します。

Simulation Xpressを起動すると、画面右側にウィザードが表示されます。

解析条件を設定し、解析実行する

Simulation Xpressでは、画面右側表示されるウィザードに従って解析を進めていきます。

条件設定項目は以下の6点です。

拘束条件の設定

最初の画面から、「次へ」をクリックして、条件を設定していきます。

「拘束を追加」をクリックして、拘束条件を設定します。

Simulation Xpressで設定できる拘束条件は「固定のみ」となっています。

荷重条件の設定

拘束条件を設定後、「次へ」をクリックして、荷重条件の設定を行います。

荷重の種類を選択します。「力」か「圧力」のどちらかを選択できます。

今回は「力」を選択してみます。

荷重をかける面と荷重の大きさ、向きを設定します。

荷重は、「力」か「圧力」を選択できますが、作用する「面」しか選択できません。（エッジや点は選択できません）

集中荷重をかけたい場合は、分割ラインなどで狭い面を作成しましょう。

荷重を設定後、「次へ」をクリックします。

材料の設定

「材料選択」をクリックして、材料を設定します。

「適用」ボタンを押した後、「閉じる」ボタンを押して設定を完了します。

これで材料が設定されました。「次へ」をクリックします。

メッシュサイズの設定

以上で基本的な設定は完了となりますが、さらにメッシュの粗密の設定をすることもできます。

メッシュサイズの設定をする際は、「設定変更」をクリックします。

メッシュ密度のバーを左右に動かすことで、メッシュサイズを変更できます。

Simulation Xpressで設定できるのは、メッシュサイズ（メッシュの粗密）だけです。

SOLIDWORKS Simulation のような細かな設定はできません。

以上で基本設定は完了です。「シミュレーション実行」をクリックすると、解析が実行されます。

結果を確認する

解析結果は、変形挙動の動画と応力・変位などのコンター図で確認することができます。

まずは、変形挙動のアニメーション

アニメーションを停止し、次に進むと応力や変位などのコンター図を確認できます。

以上の手順で強度解析を行うことができます。

解析を行った後、レポートを作成する場合は、自動で作成することも可能です。

「レポートを生成」を選択すると、Wordファイルでレポートを作成してくれます。

以下は、作成されたWordのレポートになります。

まとめ

本記事では、Simulation Xpressを使った簡単な強度解析の手順について解説しました。

Simulation Xpressでは、設定できる条件や項目も少なく、簡単な強度解析しかできません。

以下に、Simulation Xpressだと制限される点について記載します。

簡易的な強度解析ですので、使いどころを考えて、上手に使っていただければと思います。

一方で、簡単だからこそ、誰でも気軽に使える使いやすいツールになっているかと思います。

簡単といえど、解析後の考察・裏取りはもちろん必要です。

また、より高度な解析をしたい場合は、SOLIDWORKS Simulationを使用する必要があります。

SOLIDWORKS Simulationを用いた構造解析については、こちらの記事をご参考ください。

≫【条件設定編】SOLIDWORKS Simulationで構造解析しよう

以上、参考にしていただければ幸いです。

最後までお読みいただき、ありがとうございました。

SOLIDWORKS PremiumのライセンスやSOLIDWORKS Simulationのアドインをお持ちの方は、SOLIDWORKS Simulationの機能を使用することができます。

SOLIDWORKS Simulationでは、作成した3Dモデルに対して、有限要素法（FEM）による構造解析を行うことができます。

SOLIDWORKS Simulationを用いて構造解析をすることで、手計算では難しいような形状の計算でも、発生応力や変形量を確認することができます。

大きな力が加わる部品や、高い剛性が求められるような部材は、簡易的にでも構造解析を行うことをおすすめします。

条件設定や結果の考察など、難しい場面もありますが、丁寧に解説しますので、ぜひ最後までお読みいただければと思います。

①解析の心構え、②条件設定、③メッシュ、④結果考察　の4部に分けて解説いたします。

本記事では　第3部 メッシュ編　をお送りします。

メッシュ（要素）とは

構造解析、取り分け「有限要素解析」では、解析するモデルを細かな三角形や四角形の「要素」に分割して計算します。

平面であれば、三角形と四角形。立体であれば、四面体と六面体の要素に分割します。

この「要素」に分割することを、「メッシュを切る」と言います。

単に要素のことを「メッシュ」と呼んだりしますし、要素の集まりのことを「メッシュ」と呼んだりもします。

ニュアンス的には若干違いますが、小さく切った要素＝メッシュ と思っていただいても問題ありません。

メッシュは、構造解析において非常に重要な因子の一つになります。

良いメッシュが切れるかに依って、解析の全てが決定するといっても過言ではありません。

細かくてサイズの小さいメッシュで埋め尽くされたモデルの解析は、精度が良くなります。

しかし、メッシュ数が多ければ多いほど計算時間が長くなってしまいます。

また、どんな形のメッシュにするか、どんな特性のメッシュにするかに依っても変わってきます。

メッシュによって解析の信用度・信頼性も決まりますし、解析コスト・時間的コストも決まります。

構造解析をする上で、どんなメッシュを切るか、メッシュの品質が非常に大事になります。

メッシュを切る作業自体は、CAEソフトがやってくれます。

メッシュをどのように切るかの設定が、解析者にとっての重要な作業になります。

節点とは

メッシュ（要素）の頂点のことを節点（せってん）と呼びます。

正確には、頂点などの計算するポイントのことを節点と呼びます。

構造解析では、節点に対して力を加えたり、力の釣り合いを計算したり、変位を計算したりします。

後で述べる1次要素では、節点は頂点にしかありません。2次要素では、頂点同士の中間点にも節点が設けられます。

メッシュを扱う際には「節点」という言葉もよく耳にしますので、理解しておきましょう。

メッシュの品質を決めるパラメータ

メッシュの品質＝解析の品質　であることをお伝えしましたが、メッシュの品質を決めるパラメータもいくつかあります。

メッシュには、主に下記の４つのパラメータがあります。

それぞれについて解説します。

メッシュの形状の種類

メッシュの品質を決めるパラメータの一つに、メッシュの形状の種類があります。

メッシュの形状の種類は、主に三角形メッシュと四角形メッシュがあります。

立体メッシュの場合は、主に四面体メッシュと六面体メッシュがあります。

三角形４つからできているのが四面体メッシュ、四角形６つからできているのが六面体メッシュです。

四面体メッシュの特徴

四面体メッシュは三角形から構成されるメッシュです。

三角形は構造的に剛性が高いという特徴を持っています。

ですので、四面体メッシュも六面体メッシュに比べて硬くて変形しにくいです。

有限要素解析、とりわけ線形解析では、フックの法則により応力を計算します。

フックの法則　σ＝Eε（σ：応力、E：ヤング率、ε：ひずみ）

変形しにくいということは、発生応力も小さいということになります。

四面体メッシュでは、最大応力や変位量が実際より小さくなってしまう傾向があります。

構造物の中でも、よく三角形を見ることがあるかと思います。

これは、四角形よりも三角形のほうが剛性が高いからですね。

これは、実際より危険側の結果となるため、結果考察時には注意が必要です。

ただし、実用的には、四面体メッシュを使用する場面が多くあります。

理由は、四面体メッシュは形状の再現性が高いからです。

どんな形状のモデルに対しても、メッシュを作成することができるということです。

六面体メッシュの特徴

六面体メッシュは四角形から構成されるメッシュです。

四角形は三角形に比べると構造的に柔らかいという特徴があります。

ですので、六面体メッシュは変形しやすいという特徴があります。

六面体メッシュを用いると、応力や変位の値は大きくなり、精度の良い結果を得ることができます。

ただし、六面体メッシュにも欠点があります。

それは、六面体メッシュでメッシュが切れない形状のモデルもあるということです。

もしくは、六面体メッシュで切るには時間がかかり過ぎる形状のモデルもあるということです。

六面体メッシュは解析モデルの形状により使えないこともあります。

が、使える状況であれば、積極的に取り入れることをおすすめします。

メッシュの次数

メッシュの次数により、メッシュで表現できる形状が異なります。

メッシュの次数とは、要素を区切る線が何次式で表されるかというパラメータです。

一般的に、構造解析では1次要素と2次要素が用いられます。

1次要素は、要素の頂点のみに節点がある要素になります。

2次要素は、要素の頂点と、頂点間の中間点にも節点がある要素になります。

要素の形状は、節点をどのようにつなげるかによって決まります。

1次要素の場合、頂点にある節点同士をつなげる線は直線となります。

2次要素であれば、頂点節点＋中間節点により、頂点をつなげる線は2次曲線（放物線）で表現することができます。

直線でしか表現できない1次要素よりも、曲線も表現できる2次要素のほうが、形状を正確に表現することができるため、精度も良くなります。

SOLIDWORKS Simulationでは、デフォルトで2次要素となっています。

メッシュの大きさ

メッシュの大きさにより、解析精度が大きく変わります。

メッシュが荒いと、形状の再現性が悪く、応力値や変形が小さく出る傾向にあります。

かといって、メッシュが細かすぎると、精度の良い解析にはなりますが、計算時間がべらぼうに長くなってしまいます。

メッシュの適切な大きさは、解析するモデル、解析条件等によって異なります。

そのため、一意に「この大きさ以下にしましょう」ということは言えません。

ですので、解析者が都度、適切なメッシュサイズがどの程度なのかを見極める必要があります。

適切なメッシュサイズを見極めるには、メッシュサイズをいくつか変えた解析モデルを作成して、解析してみるといいでしょう。

メッシュを荒いものから細かいものにしていくと、解析値もある値に収束していく様子が見て取れます。

解析値とメッシュサイズの関係をグラフにすると一目瞭然です。

解析値と収束値（推測値）の誤差が許容範囲内となるメッシュサイズを、実際の解析でのメッシュサイズとしましょう。

メッシュを無限に細かくすることができれば、理論上は誤差は0となります。

解析精度を上げるには、メッシュの細かさが最重要ファクターです。

メッシュの形のきれいさ

メッシュの形状のきれいさによっても、解析精度が決まります。

メッシュのきれいさとは、形が整っているかということです。

メッシュのきれいさを判断する因子として、アスペクト比があります。

アスペクト比とは、メッシュの縦と横の比率のことです。

アスペクト比が1に近いほど、つまり正三角形や正四角形に近いほど、良質なメッシュとなります。

アスペクト比が大きくなると、歪んだ三角形や四角形となり、精度の悪い解析結果となります。最悪、計算できない場合もあります。

ぱっと見から、きれいなメッシュとそうでないメッシュを見分けできます。

綺麗なメッシュは、形が均一で、整ってるなーと感じると思います。

きれいにメッシュが切れていない場合は、再度、設定し直して切り直しするといいでしょう。　

実用的には2次の四面体メッシュ、可能なら六面体メッシュ

メッシュのパラメータについて解説しましたが、実用的な結果を得るためには、2次の四面体メッシュがおすすめです。

一番良いのは、少ないメッシュ数で精度の良い解析結果を得られるため、六面体メッシュがおすすめです。

ですが、モデルの形状によっては六面体メッシュを作成できない場合も多いです。

そのため、実用的には2次の四面体メッシュを使用する場面が多いかなと思います。

四面体メッシュはどんな形状のモデルでもメッシュを作成できますし、2次要素であれば、ある程度精度よく解析を行うことができます。

1次の四面体メッシュでは、精度の良い解析はできないのでご注意ください。

まとめ

本記事では、構造解析におけるメッシュの重要性、メッシュのパラメータの意味や決め方について解説しました。

構造解析では、メッシュの切り方が解析精度と解析時間を左右します。

メッシュの切り方によって、応力値も許容値内に納まったり、許容値を超えたりもします。

特にメッシュサイズについては、一度の解析だけでメッシュのサイズを決めてしまわないようにしましょう。

何度か解析を繰り返して、最適なメッシュサイズを見つけるようにすることをオススメします。

手間はかかりますが、構造解析の信頼性を上げるための重要な作業です。

条件を設定して、最適なメッシュの設定ができたら、あとは解析を実行するだけです。

解析実行後は、解析結果を考察していく作業になります。

結果考察については、こちらの記事で詳しく解説していますので参考にしてください。

≫【結果考察編】SOLIDWORKS Simulationで構造解析しよう

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2024.11.07

最後までお読みいただきまして、ありがとうございました。

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SOLIDWORKS Simulationでは、作成した3Dモデルに対して、有限要素法（FEM）による構造解析を行うことができます。

SOLIDWORKS Simulationを用いて構造解析をすることで、手計算では難しいような形状の計算でも、発生応力や剛性を確認することができます。

大きな力が加わる部品や、高い剛性が求められるような部材は、簡易的にでも構造解析を行うことをおすすめします。

条件設定や結果の考察など、難しい場面もありますが、丁寧に解説しますので、ぜひ最後までお読みいただければと思います。

①解析の心構え、②条件設定、③メッシュ、④結果考察　の4部に分けて解説いたします。

本記事は　第2部 【条件設定編】　です。

SOLIDWORKS Simulationとは

SOLIDWORKS Simulationは、SOLIDWORKSに組み込まれた解析ツールです。

SOLIDWORKSでモデリングしたパーツやアセンブリを構造解析することができます。

残念ながら、StandardやProfessionalのパッケージライセンスだけではSOLIDWORKS Simulationは使用できません。

SOLIDWORKS Simulationを使用するには、SOLIDWORKS PremiumのライセンスかSOLIDWORKS Simulationのアドインが必要になります。

StanndardもしくはProfessionalパッケージを使用されている方は、SOLIDWORKSの標準ツール「Simulation Xpress」を用いて解析する方法もあります。　

詳しくはこちらの記事を参照ください。

≫【SOLIDWORKS標準機能】Simulation Xpressで構造解析しよう

SOLIDWORKS Simulationを用いることのメリット

構造解析を行える解析ソフトはいくつかありますが、中でも、SOLIDWORKS Simulationを選ぶと下記のようなメリットがあります。

モデリングと解析をシームレスに行える

SOLIDWORKS Simulationを用いれば、モデリングと解析作業の行き来がシームレスになります。

解析をするために別ソフトを起動する必要がありませんし、解析ソフトにモデルデータをエクスポート・インポートする必要もありません。

モデルから解析スタディを作成することも、解析結果をモデルに反映させることもスムーズに行えます。

モデリング→解析→リモデリング→解析→・・・のサイクルを短縮できます。

アドイン追加で追加機能を導入できる

SOLIDWORKSにはアドインを追加することができます。

アドイン追加することで、SOLIDWORKSに新しい機能を追加することができます。

例えば、解析しながら最適形状を導き出すようなアドインを追加すれば、さらに設計効率は上がります。

アドインは有料のものばかりですが、導入効果は高いです。

一度検討するのもいいかもですね。

SOLIDWORKS Simulationでの構造解析の手順

本記事では、例題として【片持ち梁の先端に集中荷重がかかる際の応力解析】を行います。

材料力学で一番よく見る基本問題です。

一緒に解析していきましょう。

SOLIDWORKS Simulationでは、以下の9ステップで構造解析を行います。　

解析する3Dモデルを作成する

まずは、解析する3Dモデルを作成します。

解析用の3Dモデルを作成する際に気を付けるポイントは以下の2点です。

確認したい部分とそうでない部分を取捨選択する

部品・部材の形状において、強度に大きく関係する部分と、そうでもない部分とが存在します。

解析結果に大きく影響を及ぼしそうな部分は正確にモデリングし、逆に、あまり影響しなさそうなものはラフにモデリングします。

例えば、下記のようなブラケットについての応力解析を行う場合に、キリ穴やC面取りなどは応力にさほど影響ないと思われます。

そういった場合は、フィーチャーを抑制して簡素化したモデルを作成する場合があります。

モデルを簡素化することで、解析時間の短縮を図れます。

キリ穴までモデリングしてしまうと、穴周辺のメッシュは、形状を再現するために細かくなります。

そうすると、結果にあまり影響しない箇所のくせに、メッシュが細かくなり、計算時間が余計にかかることになります。

上図のような簡単なブラケットであれば、キリ穴やC面取りのある状態で解析しても、解析時間はほとんど変わりません。

しかし、構造物のベッドやベースとなるフレームなど、大きなモデルを解析しようとすると、一つひとつのキリ穴や面取りを抑制することで、かなりの時間短縮になります。

また、形状を変えた2つのモデルの対比を見たいという場合は、形状が異なる部分は詳細にモデリングし、形状が共通の部分は同程度のラフさ加減でモデリングします。

ただし、応力集中緩和のための隅Rなどは、場合によってはモデリングしたりということもあります。

あくまでケースバイケースです。

解析用のモデリングをする際は、解析で強度を確認したい箇所と、そうでもない箇所を見極めた上で、モデリングするようにしましょう。

あくまで「推奨」ですので、キリ穴・面取り有のモデルを解析しても間違いではありません。

解析時間短縮のためのご提案と思っていただければ結構です。

比較対象と座標・基準を合わせる

基本的に、解析において上下左右など基準や座標は任意で良いです。

解析では、荷重や重力の方向などは任意に決められます。

そのため、縦方向に取り付けて使用する部品を横向きにモデリングしても問題はありません。

ですが、解析結果を確認する際に、せめて上下方向だけでも揃えておくと、見やすいかと思います。

解析結果を上司へ報告したり、客先への説明資料に使ったりという場面もよくあります。

そうなった際は、見た目のわかりやすさも大事になります。

解析結果とは関係ないところで難癖をつけてくるような方もいます。

せっかく解析するのであれば、モデリングの時点から気を付けましょう。

こちらも、あくまで「推奨」です。

静解析スタディを作成する

静解析スタディを作成します。

作成については、特に注意点はありません。下記手順で作成できます。

コマンドマネジャーツールバーより、「SOLIDWORKSアドイン」のタブを選択＞SOLIDWORKS Simulationをクリックします。

SOLIDWORKS Simulationのアドインを有効化できるとボタンが凹み、コマンドマネジャーツールバーに「Simulation」のタブが追加されます。

Simulationタブを選択し、「新規スタディ」をクリックします。

スタディの中から、解析の種類を選択します。

今回は、応力解析を行いますので、「静解析」を選択します。

SOLIDWORKS Simulationの製品ライセンスよって、選択できるスタディが決まっています。

SOLIDWORKS Premiumの場合、静解析のみ可能です。

以上で、解析スタディが作成されます。

モデルの材料を設定する

解析するモデルが、どんな材料を想定しているのかを設定します。

静解析のツリーのモデル名を右クリック＞設定/編集 材料特性を選択します。

材料一覧の中から、設定したい材料を選択します。

このとき、材料の特性値が入力されていることを確認しましょう。

OKなら「適用」ボタンをクリックして、設定完了です。

3Dモデルを作成する際に材料設定している場合は、その材料特性がモデルに反映されます。

接触条件を設定する

解析モデル内の部品・部材同士の接触条件を設定します。

マルチボディからなる部品モデルや複数の構成部品からなるアセンブリモデルを解析する際は、接触条件を設定する必要があります。

部品同士は、面で接触しているかと思います。

その面が、「くっついて動かない」のか「滑って動く」のかを設定してあげます。

主には、

• ボンド（完全にくっついた面として扱う）
• 接触（摩擦あり/摩擦なし）（滑ったり離れたりする）
• フリー（干渉せず、力のやり取りなし）
• シュリンク接合（焼き嵌め・冷やし嵌め・軸受けなどに使用）
• 仮想壁（剛性体・弾性体の壁として扱う）

のどれかを選択します。

接触条件の選び方で、解析結果も解析時間も大きく変わります。

「接触」の条件が、最も計算時間がかかります。

接触条件の設定方法には3種類あります。

• グローバル相互作用
• コンポーネント相互作用
• ローカル相互作用

グローバル相互作用は、モデル内の全ての構成部品に適用される設定です。

コンポーネント相互作用は、選択した部品にのみ適用される設定です。

ローカル相互作用は、選択した面やエッジにのみ適用される設定です。

それぞれで接触条件を設定できますが、力関係（上下関係）が決まっています。

接触条件の力関係：ローカル＞コンポーネント＞グローバル

コンポーネント相互作用で部品ごとの接触条件を設定した際は、グローバル相互作用での設定よりもコンポーネントの設定事項が優先されます。

また、ローカル相互作用で面やエッジの接触条件を設定した際は、コンポーネント相互作用やグローバル相互作用での設定よりも、ローカルの設定事項が優先されます。

グローバルやコンポーネント、ローカルの設定をうまく使えば、接触条件の設定が楽になります。

今回の片持ち梁の解析モデルでは、パーツが1つだけですので、接触条件の設定はありません。

拘束条件を設定する

解析モデルの拘束条件を設定します。

拘束条件とは、解析するモデルに対して、どういった固定をするかを設定します。

拘束条件のことを「境界条件」と言ったりもします。

拘束条件がない場合、作用する外部荷重が、部材の「変形」ではなく「移動」に使われることになります。

解析モデルを固定（拘束）することで、外力に対してその場にとどまり、変形による緩和計算をすることができます。

拘束条件もいくつかりますが、代表的なものは下記2つです。

• 固定（設定面は変形しないし移動もしない）
• ローラ/スライダー（設定面は変形するし面上で移動するが、面から離れたり食い込んだりはしない）

拘束条件の設定手順

今回の解析モデルでは、左側の梁端面に固定の条件を設定します。

静解析ツリーの拘束を右クリック＞固定ジオメトリを選択します。

拘束条件を入れたい面を選択し、拘束条件を確認して、チェックマークをクリックします。

以上の手順で、拘束条件を設定できます。

拘束条件を入れる際の注意点

安易に拘束条件を設定すると、想定していないような荷重を受けることもあります。

特に、固定の拘束条件を入れる際は、注意が必要です。

例えば、部品を静置したモデルで解析したいのに、固定面から曲げモーメントを受けたり、引張力を受けたりというケースもあります。

また、固定面は変形しませんので、変形しないことによる応力も生じます。

（ミクロな視点で見れば、外力を受けて曲がれば、断面は変形します）

そういったことが、実際の現象と解析結果との誤差を生む1つの要因となります。

固定を選択する際は、そのことを理解した上で設定するようにしましょう。

外部荷重を設定する

解析モデルに作用する外部荷重を設定します。

静解析内で設定できる外部荷重のうち、主なものは下記4つです。

• 圧力（面に等分布/不等分布圧力をかける）
• 力（モーメント、トルクも含む）
• 重力
• 遠心力

以下の工程で、片持ち梁の解析モデルに集中荷重を設定します。

外部荷重の設定は、静解析ツリー内の外部荷重を右クリック＞力を選択します。

力をかける場所、力の方向、力の大きさを下記の図の手順で設定します。

メッシュを作成する

解析モデルのメッシュを作成します。

メッシュについては、第3部の【メッシュ編】で詳しく解説します。

メッシュの作成方法は以下の通りです。

静解析ツリーのメッシュを右クリック＞メッシュ作成を選択します。

メッシュのサイズやパラメータを設定し、チェックをクリックします。

メッシュを切ったモデルが作成されます。

メッシュのことを要素と言ったりもします。

部品を小さな細切れの要素に切って、それらの要素ごとで力やモーメントのつり合い計算をするのが有限要素解析（FEA、FEM）です。

解析を実行する

これまで設定してきた解析モデルに対して、解析を実行します。

解析を実行する前に、ファイルの保存をすることをおすすめします。

モデルによっては、解析が長時間かかる場合があります。

その際に、不慮の事故でPCがダウンしたりフリーズしたりすると、時間をかけて設定した条件が台無しになってしまいます。

解析実行する前に、リスクヘッジとして、ファイルの保存をしておくといいでしょう。

解析実行中はファイルの保存はできません。

ですので、解析実行前に保存しましょう。

解析の実行は、コマンドマネジャーツールバーの「スタディの実行」をクリックすると開始されます。

解析中は、下記のようなステータスバーが表示され、解析の進捗を確認できます。

解析結果を確認する

解析結果を確認していきます。

解析結果の考察等については、第4部【結果考察編】で詳しく解説します。

解析が終了すると、下記のように応力・変位・ひずみの大きさを色で表示されます。

（等高線：コンターといったりします。）

他にも、確認したい項目があれば、項目を確認できますし、表示の仕方も変更することもできます。

その辺りのことも、第4部で詳しくお伝えできればと思います。

まとめ

本記事では、片持ち梁のモデルを例に、SOLIDWORKS Simulationを用いた構造解析の手順について解説しました。

構造解析ソフトはSOLIDWORKS Simulation以外にもたくさんありますが、大まかな流れはほぼ同じです。

構造解析を行うことで、設計に対する安心度、信頼度が上がります。

「強度が足りるかな」と不安に思うくらいないら、一度解析してみるといいでしょう。

本記事の通り、解析するための操作自体は難しくありません。

SOLIDWORKS Premiumのライセンスをお持ちの方や、Simulationのアドインがある方は、ぜひお試しいただければと思います。

最後までお読みいただきまして、ありがとうございました。

SOLIDWORKS PremiumのライセンスやSOLIDWORKS Simulationのアドインをお持ちの方は、SOLIDWORKS Simulationの機能を使用することができます。

SOLIDWORKS Simulationでは、作成した3Dモデルに対して、有限要素法（FEM）による構造解析を行うことができます。

SOLIDWORKS Simulationを用いて構造解析をすることで、手計算では難しいような形状の計算でも、発生応力や変形量を確認することができます。

大きな力が加わる部品や、高い剛性が求められるような部材は、簡易的にでも構造解析を行うことをおすすめします。

条件設定や結果の考察など、難しい場面もありますが、丁寧に解説しますので、ぜひ最後までお読みいただければと思います。

①解析の心構え、②条件設定、③メッシュ、④結果考察　の4部に分けて解説いたします。

本記事では　①解析の心構え　について解説します。

構造解析とは

構造解析では、構造物をCADなどのソフトウェア上で作成し、静的荷重や動的荷重をかけ、構造物の挙動を算出します。

構造解析によって、構造物の耐久性や、壊れやすい箇所などを分析することができます。

構造解析には、応力解析や振動解析など、様々な解析手法が含まれます。

構造解析では、有限要素法などによって解析する対象を小さな要素に分割して、各要素に働く応力を計算して求めます。

計算した応力は、そのままでは把握できないため、3次元画像に変換するソフトウェアと組み合わせて使われます。

（参考：Google Bard）

構造解析とは、PCの仮想空間上で、部品に荷重や熱などの条件を加えて、どのような挙動をするかをシミュレーションすることです。

設計者が作成した部品やアセンブリに対して、想定する使用環境下で求める性能を満たすかを知りたいときに構造解析を行います。

似たような意味を持つ言葉として、CAE、FEM、FEA、有限要素法、有限要素解析、構造シミュレーション、強度解析などの言葉があります。厳密には異なるものですが、こと機械設計においては、すべて同じような意味ととらえて問題ありません。

構造解析のメリット・デメリットを以下に解説します。

特にデメリットは、構造解析を行う上での心構えとして頭に入れておくことをおすすめします。

構造解析のメリット

構造解析を行うことで、以下のようなメリットが得られます。

以下に詳しく説明します。

複雑な形状の部品でも、強度の計算が簡単にできる

設計する上で、部品によっては複雑な形状の部品も出てくるかと思います。

そういった部品に対して、強度的に安全かどうかを確認するには、手計算ではなかなか難しいです。

手計算では扱いきれないような形状であっても、構造解析を行えば、簡単に強度計算を行うことができます。

これにより、設計不良を未然に防ぐことができます。

手戻りが減り、設計作業の効率化を図れます。

構造解析であれば、部品の応力・変位計算も簡単に行えます。

設計不良による不具合トラブルも減り、設計者のメンタルも保全されます。

計算結果が視覚的にわかりやすい

応力や変位の状態を3Dモデル上でコンター表示できるため、応力の分布が一目でわかります。

また、変形の様子をアニメーションで見ることも可能です。

構造物全体の分布がわかるため、応力の集中箇所や、負荷のかかっていない効果の薄いリブなども見えてきます。

応力の高い箇所には補強し、応力の低い箇所は薄肉にするなどすることで、コストダウンや形状の最適化を効率的に行えます。

視覚的にもわかりやすいため、お客さんへの説明資料などにも使用できます。

試作や実験の回数が減り、時間もコストも削減できる

新規設計の際は、求める機能を満たすか確認するために、試作したり実験したりする場面もあるかと思います。

しかし、構造解析をすれば、試作しなくても性能を満たすか確認できるため、試作品を作る開発コストを抑えることができます。

また、試作品の製作待ち時間を抑えられ、トライ＆エラーのサイクルスピードが上がり、開発期間の短縮を見込めます。

試作する場合でも、闇雲に試作するではなく、ある程度見極めができたものを厳選して試作できるため、試行回数を抑えることができます。

実験では難しい条件も再現できる

現実世界では再現するのが難しいような条件であったり、再現するには装置などのコストがかかりすぎたりする場合でも、構造解析で再現することができます。

「熱による影響を見たいが、恒温槽がない」とか、「大きな荷重をかけたいが、いい装置がない」などといった場合でも、実験の代わりに構造解析で結果を得ることができます。

例えば、何十年に一度の規模の災害を想定した解析なども、シミュレーションすることができます。

材料力学の知識とセンスが磨かれる

強度設計は機械系設計者にとって非常に重要です。

構造解析の業務を通して、その核となる材料力学の知識とセンスを磨くことができます。

構造解析を極めると、解析をしなくても、ある程度の応力分布やたわみなどを予想できるようになります。

また、性能を満たすための効率的な補強の方法を選択できるようになります。

ベテラン設計者に対抗する手段として、経験の浅い若手設計者にこそ使ってほしいツールです。

構造解析のデメリット

構造解析にはいいことばかりではありません。難しい点もいくつかあります。

構造解析を行う上で、障害となるものを以下に列挙します。

以下に詳しく説明します。

条件を設定するのが難しい

構造解析を行うには、現実世界で起きている事柄を、仮想空間上に再現する必要があります。

ですので、現実世界でどんな外力や要因が発生するのかを正しく理解するところから始まります。

そして、その外力や要因を、仮想空間上にどのように再現するかをモデル化する必要があります。

（モデル化することを条件設定と言ったりします）

モデル化ができない事象については、構造解析を行うことはできません。

さらには、設定条件の間違いがあると、正しい結果が得られません。

条件設定できない事象に対しては、そもそも解析することができません。

そのことも踏まえて、解析結果が「現実で起こることの全て」ではないことを理解しておきましょう。

また、これらの条件を正しく設定したとしても、解析結果が出るとは限りません。

設定する条件によっては、解析結果が収束しない場合もあります。

ですので、条件設定は、構造解析を行う際にはとても重要なプロセスとなります。

時間的コストと精度の折り合いが難しい

構造解析を行うことで、何らかの解析結果を得ることができます。

しかし、現実の事象と解析結果には必ず誤差が生じます。

なぜなら、解析をする際に設定する物性、モデル形状、設定条件（外力、拘束条件）、解法などの要因には必ず誤差が含まれているからです。

誤差を小さくするためには、メッシュを細かく切ったり、条件設定時に現実世界の事象を細かく再現したりすれば、精度は上がります。

しかし詳細に設定すればするほど、計算時間がかかってしまいます。

「詳細に条件設定して精度を上げようとした結果、解析が終わるまでに1年かかる」なんて、悠長なこと現実にはできないですよね。

計算時間と解析精度にはトレードオフの関係があります。

時間と精度のいい塩梅を見つけることが必要となります。

結果を正しく評価できる能力が必要となる

上記でも述べたように、構造解析で得られた結果は、現実世界での事象と異なる場合があります。

その際に、得られた解析結果が妥当なものかどうかを評価・判断することが必要となります。

想定しないような箇所に高い応力が発生した際に、「この応力波形は合っているのか間違いか」の判断が求められます。

また、どの程度信頼できる結果なのか、精度はどの程度なのか、そういった結果の裏付け作業が必要となります。

材料力学の知識や、構造解析の特性なども熟知しておく必要があります。

複雑な解析には高性能なPCが必要となる

構造解析を実行して結果を得るには、PCの計算時間が必要です。

複雑な解析をしようとすると、それだけ計算時間がかかります。

複雑な解析で実用レベルの精度を時間をかけずに得るためには、高性能なワークステーションが必要となります。

複雑な解析をしたい場合でも、モデル化によって構造を単純化したり、モデルを分割したりと、今あるマシンで戦う方法もあります。

まとめ

本記事では、構造解析を行う上での心構えをお伝えしました。

構造解析は、ものづくりにおいて品質を向上させ、開発スピードを加速させるとても有用なツールです。

ただし、何でもできる万能のツールというわけではありません。

解析特有のジレンマ・デメリットもありので、よく理解して活用されることをおすすめします。

デメリットもお伝えしましたが、ツールによっては、ある程度解消されているものもあります。（クラウド上での解析であったり、解析結果をレビューしてもらえる機能など）　

また、構造解析を通して、設計者の知識・スキル・センスを磨くことができます。

少なくとも私は、構造解析によってかなり設計者としての知識やセンスが磨かれたように思います。

ぜひ、設計経験の浅い若手設計者の方には、構造解析にトライしてみてほしいと思います。

最後までお読みいただき、ありがとうございました。