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CAEとは?製品開発に貢献するこれからのCAE

Digital Engineering Solution by
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シミュレーション(Simulation)は、予測・設計・計画策定などのために、現実のモデルを作り、それを使って観測または実験すること、現実に想定される条件を取り入れて、実際に近い状況を作り出すこと、模擬実験を指します。このシミュレーションには様々な種類がありますが、その中の一つにコンピュータ・シミュレーションがあります。

コンピュータ・シミュレーションは、自然や社会の現象をコンピュータの中に再現して、その仕組みを理解したり予測することができます。たとえば、天気予報。雨をもたらす雲は、大気の流れに沿って動いています。明日の天気を知るには、まず大気の流れを知らなければなりません。大気の流れや雨の降り方は、物理の法則に従って、方程式で表すことができます。これらの方程式を解くわけですが、計算には、主に四則演算しかできないコンピュータが使われるため、まずは方程式を足し算、引き算、掛け算、割り算の形にします。それから、コンピュータが計算しやすい解き方を考えて、計算スピードが上がるようにプログラミングします。
計算が終了すると、文字や数字のみで結果が出力されるため、計算結果を画像にします。画像にすると、わかりやすいからです。この画像が、私たちがよく目にする天気予報図となります。

コンピュータ・シミュレーションの価値

1.世の中のしくみがわかる

  • 自然現象・社会現象のメカニズムが解明できる。
  • 現象の本質が理解できる。
  • 原因と結果だけでなく、途中経過がわかる。
  • 自然災害や社会の安全を脅かす事象を仮想的に起こすことができる。
  • 可視化できるため、情報の共有化がしやすい。

2.実験・観測、理論との知的共創により科学の進歩が加速する

  • 実験や観測での抜けを埋めることができる。
  • 実験・観測計画の立案、設計に利用できる。
  • 自然界にない物や極端な状態を作ることができる。
  • これまでにない理論・法則に気づける。新たな創造。

3.未来の予測ができる

  • 定量的な予測ができる。
  • 研究の確度を高め、余分な労力・時間やお金をかけずに済む。

(C)理研計算科学研究センター 2018「コンピュータ・シミュレーションでできること、わかること」

このコンピュータ・シミュレーションの中に、CAE(Computer Aided Engineering)が含まれます。 CAEは、工業製品の設計・開発工程においてその作業を支援するコンピュータシステム、あるいはそのツール等を指します。具体的には、製品にまつわる様々な物理現象をコンピュータ上でシミュレーションすることで、構造解析、機構解析、熱流体解析、燃焼反応解析、電磁場解析、音響解析、制御ロジック診断解析、最適化解析とそれらすべてを統合したシステムシミュレーションなどが含まれます。 現在のものづくりにおいては、新製品開発、既存製品の高効率化・高信頼性化、設計の合理化、トラブルシューティングなどに広く活用されるようになりました。

CAEの歴史

CAEのコンセプトは、1980年代に米国SDRC社(Structural Dynamics Research Corporation)を設立した、Jack R. Lemon博士が提唱した概念で、その後大きく発展した技術です。CAE=(イコール)「解析」・「ソフトウェア」というイメージもありますが、解析(Analysis)は、自然科学や工学の問題を数式を用いて近似的に解くこと(コンピュータを使わずに手計算でも実施可能)、また、ある物事を分解して、それらを成立している成分・要素・側面を明らかにすること(分析も含む)と言えます。ただ、CAEという言葉を利用する場面によっては同義に使うこともあります。また、CAEがそのツール(ソフトウェアまたはプログラム)として使われることもあります。

CAEソフトウェアの足跡

CAEと同義で使われることもあるソフトウェア(プログラム)の歴史を簡単にご紹介します。

主な構造解析系CAEプログラムの足跡
1950年代:米国ボーイング社で航空機翼振動特性の解析に有限要素法(FEM:Finite Element Method)を適用
1963年:MacNeal-Schwendler Corporation(現MSC Software Corporation)設立、構造解析プログラムSADSAM(Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods)開発
当時のSADSAMは、300自由度程度(約100節点・100要素)の解析能力で、最初に適用されたのはアーチダムの強度解析
1965年:米国航空宇宙局(NASA)は、米国の基幹産業である航空宇宙産業を支援する目的で、有限要素法構造解析プログラムNASTRAN(NASA Structural Analysis)の開発を決定。米国政府は運用版が完成するまで数社に対して5年の年月と1,000万ドルを投資
1971年:MSC.Nastranが商用FEMプログラムとしてリリース
1980年:SDRC社 J. Lemon氏がCAEのあるべき姿を提唱
1982年:SDRC社が商用CAD組み込み型FEMプログラムI-deas(Integrated Design Engineering Analysis Software)をリリース

非線形構造解析ソフトウェアの足跡
1971年:米国ブラウン大学 P. Marcal博士らによりMarc社設立、非線形構造解析プログラムMarc(Matrix Analysis Research Code)をリリース
1978年: D. Hibbitt博士らによりHKS社を設立、Abaqus(※)をリリース。その他ANSYS、ADINA、機構解析プログラムのADAMSもこの時期に発表
※Abaqusの語源は、ギリシャ語のaboxに由来しており、「砂をかぶった板」の意味

商用流体解析ソフトウェアの足跡
1969年:英国Combustion, Heat and Mass Transfer Ltd (略称CHAM)設立
1981年:CHAM社が汎用3次元熱流体解析コードPHOENICSリリース
1984年:有限会社ソフトウェアクレイドル設立、STREAMリリース
1985年:FLOW-3D(米国Flow Science社)リリース
~1990年代:FLUENT、STAR-CD、HARWEL/FLOW3D他リリース
1990年代後半~:機能特化型ソフトウェア(FLOTHERM、ICEPAK、X-COOL、熱設計PAC、FIRE、VECTIS、POWERFLOW他)が台頭

CAEが果たす役割の変遷

CAEは、ものづくりにどういった影響を与えたのでしょうか。
従来の開発プロセスは、勘・コツ・経験に大きく依存し、設計・試作・実験を繰り返していました。問題が発生した際の時間と費用のロスが多く、開発期間が長い傾向にありました。

CAEが果たす役割の変遷 初期の図

~1995年
CAEソフトウェアの販売が開始された1980年前半からは、トラブルシューティングとしてのCAEの活用が始まりました。しかし、解析は、高度な専門知識と多くの労力が必要だったので専任者のみが実施し、試作や生産準備フェーズといった設計プロセスの下流での限定的な利用にとどまり、解析にはスーパーコンピュータ(スパコン)や大型コンピュータが必要でした。

  • 耐久評価不具合の際の、対策検討に活用 ⇒ 次設計の問題を未然に防ぐため
  • 線形、静的強度解析
  • 解析(モデリング)期間が長期にわたる(1か月~3か月程度)
  • 対象部品を限定
  • 専任者による解析
CAEが果たす役割の変遷 初期~1995年の図

~2000年
1990年代後半には、試作回数や費用の削減を目的として、実験の置き換え(仮想実験)として利用されるようになりました。利用シーンは、詳細フェーズへと広がりましたが、依然として解析専任者による利用がメインでした。また、計算サーバーとしてUNIXマシンが広く利用されるようになってきたのもこの頃です。

  • 開発プロセス・イン、フロントローディング
  • 試作と解析用モデルの作成、評価とCAEによる評価を並行して実施 ⇒ CAE精度向上と次設計提案が可能にCAD(3次元ソリッド)のデータを解析モデルに直接変換できるようになった。
  • 線形、静的強度解析
  • 解析期間短縮(1週間~1か月)
  • 部品レベルから装置レベルまで解析可能(例:エンジン本体サイズ)
  • 設計者による解析
CAEが果たす役割の変遷 1995年~2000年の図

2000年代以降
2000年代に入ると、ハードウェア・ソフトウェアの発展を背景として、現在主流となっている、設計プロセス早期での課題抽出とその対応策の検討、開発期間の短縮といった目的での利用が加速しました。また、解析専任者による技術の深耕に加えて、Windowsマシンが計算サーバーにも利用できるようになったため、CAEのユーザーが設計者へと広がっていきます。企画・構想設計フェーズへの利用を背景としてCAEのフロントローディングという利用シーンと、ユーザーの拡大がさらに進みました。一方で、CAEにかかる作業自体の効率化が注目されるようになり、ルーティン作業の自動化や最適化技術が構築されています。

  • ハードウェアの性能向上とも相まって、精度向上を目的にモデル規模が大規模化
  • 流体解析では、OpenFOAMなどのオープンソースとFOCUSや商用クラウドの活用性の向上
CAEが果たす役割の変遷 2000年代以降の図

CAEが設計現場で必要とされる理由

製品に求められる性能や要件が今ほど厳しくなかった時代には、「材料力学」や「機械実用便覧」などで紹介されている簡易計算式、各社独自の経験則を含めた内製の計算式を使って、関数電卓やExcelなどを用いて強度や変形を計算し、目標への到達可否を判断していました。しかし、近年の製品に求められる複合的な性能・要件への対応においては、これまでは考えられなかった試作時の不具合や市場出荷後の問題が発生し、簡易計算式などでは求められない技術検討が設計段階において必要になってきました。

CAEを使わずに、試作品による性能検証をするならば、

  • 費用がかかる
  • 時間がかかる
  • 不完全な情報しか得られないことがある

ということになるでしょう。

CAEを設計・開発プロセスに組み入れることで、試作検証試験を削減し、

  • ローコスト
  • 短期間
  • 膨大な情報を得る

ことができます。
さらに、実験ではなかなか見られない物理現象、例えばエンジン内部の燃焼状態なども、シミュレーションを用いて可視化することができるため、第三者とのスムーズなコミュニケーションと情報共有が可能になります。

CAE導入前
CAE導入後

主なCAEの種類

1)設計問題にあわせて使用します。単独または連成・連携による解析が可能です。

主なCAEの種類 図1

2)目的とする結果の詳細度や利用シーンによって使い分けます。また、それぞれをシームレスに連携させた解析が可能です。

主なCAEの種類 図2

主なCAEソフトウェアの分類

主なCAEソフトウェアの分類 図1

CAEの適用分野

自動車、重工業・重電、電気・電子機器、化学・薬品・バイオ、建築、電力・環境、航空宇宙、ターボ機器、産業機械・造船など、広く産業界全体への適用が可能です。
コンピュータ上でモデルとして表現できるのであれば、小さな半導体からタービン発電機や航空機などの大きな機械、電気化学、制御・システムまでカバーします。

CAEの課題

設計者がCAEを使う目的は、できるだけ短い時間で適切な結果を得ることにありますので、簡単かつスピーディーにCAEを実施する自動化システムや、より効率的で低コストなCAE環境が求められています。

製品開発に貢献するこれからのCAE

ソフトウェアやハードウェアが目覚ましい発展を遂げた今、「CAE」は、従来の「解析」や「シミュレーション」という範疇を超えて、「バーチャル・エンジニアリング」としての役割を求められています。そこでIDAJでは、CAE技術の究極形は、コンピュータ上でバーチャルプロダクトを構築することであることを踏まえて、「製品開発に貢献するこれからのCAE」のために、3つのキーワードで「CAE」を再定義したいと考えています。

CAE for Virtual Product

従来のCAEが、製品の簡易化された形や特定の条件下で解析を行っていたのに対して、これからのCAEは、製品全体や製品が使われる実際の使用状況を想定した解析、すなわち「バーチャル・プロダクト」を解析対象とすることが求められています。そのためには、構造解析、熱流体解析、電磁場解析、音響解析などを融合させたMulti-Physics、0次元、1次元、3次元、リアルタイムなどを融合させたMulti-Scale、Co-Simulationなどの広範囲をカバーするソフトウェアと解析技術が必要です。同時に、お客様の製品開発に精通し、様々なCAE技術を複合的に利用する最適なソリューションをご提供しなければなりません。IDAJは、様々なソフトウェアと解析、お客様の製品開発に関連する知識と経験が豊富なエンジニアを抱えており、お客様の将来的な要求にお応えする体制を確立しています。

CAE for Innovation

CAEは、単に解析をして結果を評価するだけの技術にとどまらず、イノベーションに欠かせない戦略的な技術となりつつあります。厳しい競争環境で勝ち抜くには、今までとは異なる発想で、イノベーションを起こすための製品開発が求められています。そのためCAEには、最適化やデータマイニング、ビッグデータ、AIなどの様々な新しい技術と組み合わせてお客様のイノベーションをサポートするソリューションが必要です。IDAJは、CAE技術に対して積極的に最適化やデータマイニングを取り入れ、今後はAIなどにも取り組みます。

CAE for Process Transformation

CAEは、製品開発プロセスに深く浸透し、開発の上流工程から生産技術を含む下流工程にまで適用されており、近い将来、「バーチャル・プロダクト」が主導の開発プロセスが確立されるだろうと予想されます。そのためにCAEには、PLMやPDMなどの設計基幹データベースと連携してシームレスにデータをやり取りすることや、「バーチャル・プロダクト・ライフサイクル」の管理が求められます。また、設計者がCAEを使えるように自動化や専用システムの構築も重要です。IDAJは、CAE分野における自動化やPLM・PDMとの連携、専用システムの開発を専門的に担うチームがあり、今後のCAE環境の大きな発展に対応できるよう準備を整えています。

本ページでご紹介した内容の中には、弊社の経験・知見に基づいた主観的な記述を含んでおります。

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