はじめに

「3次元ソリッドモデラー活用のすすめ」第3回として、FEMのお話をいたします。FEMについては最終回（第4回）で取り上げる予定でしたが最近、業務でFEM解析を行う頻度が非常に増えたので、今回勝手ですがテーマを変更いたしました。

TCMでは製品の事前評価ツールとして、ソリッドモデラーと連携したFEMを活用しています。設計段階でFEMを使用することにより、試験評価時間の短縮とトラブル発生時の対応速度をあげることができます。したがって、設計の効率アップと製品品質向上のため、FEMによる事前評価を行なうことが重要です。

（「①デザイン検討」はNO.9に掲載、「②マスプロパティの計算」、「③型への展開」はNO.10に掲載）

FEMの活用

■ TCMにおけるFEMの歴史

弊社がFEMを導入したのは1988年で、約10年の歴史があります。はじめに導入したのは、GRADE/FEMでソルバーはSAPを使用していました。このソフトは制約が多く、解析モデルが大きく、形状が複雑になるにつれ能力不足が目立つようになりました。そこで1995年にI-DEASを導入しました。I-DEASは、解析機能が非常に優れていることが選定理由のひとつにあります。解析内容は、線形静解析（強度解析）がほとんどで、今後、振動、熱など適応範囲を広げていきたいと考えています。

■ ソリッドモデラーとの連携

現在のソリッドモデラー（3次元CAD）には、必ず連携するFEMソフトがあります。FEMソフトの中にはメッシュの自動分割機能があり、メッシュ分割の時間を大幅に削減することができるようになりました。

また、ソリッド形状とメッシュ分割が連携しているため、ソリッド形状を変更すればメッシュもそれに追随します。この連携を有効に使用することで、解析専門家以外の者（設計者）でもFEMソフトを簡単に使えます。

■ FEM活用の方法

FEM活用の第1歩は、境界条件（拘束、荷重条件）や材料特性、使用する要素の種類とサイズを標準化することです。これにより解析結果のバラツキを最小限に押えることができます。FEMで絶対的な評価をすることは難しいので、はじめは相対的な評価で使用するのがよいと思います。相対評価では、いくつかの案を同じ条件で解析して、その中で最善案を選ぶことができます。相対評価でFEMをマスターしてノウハウを蓄積すれば絶対評価も可能になります。

■ TCMでの活用事例

TCMの活用事例をいくつか説明します。

最初は、ソリッドモデラーとの連携でもっとも効率のよいものです。鍛造用のインゴットをつかむアームの剛性（アーム先端の変位）を評価しました。

この問題は境界条件（拘束、荷重条件）が簡単なので、モデラーでの3次元形状定義（図1参照）からソリッド要素で自動メッシュ分割を行い、解析結果（図2参照）を出すまでの時間は、約１時間でした。

ソリッドモデラーを使えば、固まりに近い形状の部品（鋳造、鍛造部品など）の解析は非常に簡単になることがわかります。

次は、中型フォークリフトのフレーム（シャシー）で、鋼板の溶接構造物の例です。このモデルは寸法的に大きなものなので、シェル要素で解析を行いました。（図3参照）

一度ソリッド要素の自動メッシュ分割を行ったところ、節数点（要素数）が膨大になったため、従来どおりシェル要素で解析したものです。したがって、解析の時数は従来と変わらず、効率アップにつながらなかったものの例です。
しかし試行錯誤の結果、現在では小型フォークリフトのフレームであれば、ソリッド要素の自動メッシュ分割機能を使って解析ができるようになりました。（図4参照）

今までで一番大きなモデルは約30万自由度のモデルです。従って、フォークリフトを構成するほとんどの部品の解析が行える目途がつきました。

それから、今までSAPで解析してきた部品は、境界条件が決まっているので、モデリングができれば解析できるようになりました。

最近解析した例として、鋼板の溶接構造物ではバッテリブラケット（図5参照）、鋳造部品ではミッションケース（図6、7参照）をあげます。