FEMによる振動解析(固有値解析)の流れ

設計開発におけるCAEによるシミュレーションの利点の1つに、試作を作らずに設計検証ができることが上げられます。

試作レスのモノづくりは、シミュレーションにより実験と同様の結果が得られることが前提になりますので、実験とシミュレーションのノウハウがなければ、CAEツールを使いこなすことは難しいとも言えます。

ここでは、CAEツールの普及と利用範囲などについて触れた後、振動現象の解析(固有値解析)の流れについて説明します。

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CAEツールの普及と利用範囲の拡大

かつて、FEM(有限要素法)などのCAEツールは、船舶や航空機などの大規模かつ安全性の要求が高い分野や研究機関などで使われていましたが、2000年頃からのPCの急激な高性能化と普及により、CADソフト(特に3D CAD)とともに使用される分野やユーザーが急速に増えているように思います。

例えば、ワークステーションでなくては実用的には使えなかったCAEツールが、シミュレーションの処理が高速になり、PC(パソコン)で動作するようになっています。

結果として、設計変更(形状変更など)によるシミュレーションのトライ&エラーも容易にできるようになっています。現在の設計開発では、実験とシミュレーションでは、シミュレーションが主となり、実験でシミュレーション結果を確認(検証)するような使われ方もしています。

一方で、トラブルシュート、例えば振動・騒音問題が発生した時には、現象確認や原因究明のために振動や騒音の計測、計測データの分析、設計情報との比較・検討などが必要となります。この際にもCAEを活用できるはずなのですが、実際にはなかなかハードルが高いようです。

はかせ
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CAEのハードル、私の場合は3D CADだったりします。

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CAEと実験・計測データの比較・検討の難しさ

CAEと実験・計測データとを比較・検討するには、単純にそれぞれの結果を比較すればできるといったものではなく、CAEや実験・計測の条件や制約などを考慮する必要があると考えています。

また、解析や実験・計測の専任者や部署がない場合には、少なくとも、CAEの分かる人、実験・計測の分かる人が必要になります。さらに、CAEと実験・計測をつなげる人も必要ですが、現実的にそんな人はいないというのが現状かもしれません。

このため、実験・計測とCAEの活用、連携を深めるための最初の一歩が、簡単な事例で双方の仕事の内容を知ることではないかと考えています。

はかせ
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スペシャルな人材が必須だと言うことではなく、解析や実験の担当者間で話ができるところから始めましょうという意味です。忙しさからかもしれませんが、話したことがないということも少なくないようなので。

別途紹介する金属バット振動解析(FreeCADを使ったの固有値解析)の例を通して、実験・計測とシミュレーションは何をしているのか、その違いは何なのかについて知るきっかけや、実験とシミュレーションをつなぐヒントとなれば幸いです。

FreeCADで始める固有値解析入門:金属バットの振動モード解析
FreeCADを使ったFEM(有限要素法)による振動現象の解析(固有値解析)について、金属バットを例に説明しています。FEMによる振動モード解析は、形状モデルがあれば比較的簡単にできるので、実験における計測点の選定などにも利用できます。
バットのハンマリング試験で始めるモード解析入門(体験実習ガイド)
実験の経験が少ない新入社員などへの体験学習を想定し、金属バットを対象に振動の計測と可視化を体験して学ぶ内容をまとめています。ハンマリング試験によりバットの周波数応答をFFTアナライザで計測し、実験データから振動モード形を作成し考察します。
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設計開発における実験・計測とシミュレーションの流れ

設計開発における実験・計測とシミュレーションの流れは、ざっと以下の様になります。

①シミュレーション

設計(構想設計、概略設計):計画(P)とD(実施)

CAEによる評価:チェック(C)

検討:アクション(A)

→設計に戻る(再設計)。

②試作・実験

→①に戻る。

→③へ進む。

③量産

はかせ
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余談ですが、実験・計測とシミュレーションでもPDCAが回っています。

PDCAや品質マネジメントについてご興味のあるかたは、以下のブログをご参照ください。

ビジョンで回す博士の品質マネジメント
品質マニュアルと規定例と内部監査や情報セキュリティなどの運用と教育
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振動解析(固有値解析)の流れ

振動解析(固有値解析)の流れについて説明します。

振動解析(固有値解析)をするための事前準備として、形状モデル(3Dモデル)が必要です。

設計担当者であれば、3D CADによる形状モデル作成は簡単なことなのでしょうが、実験・計測から振動解析に入った場合、3D CADを使うことが大きなハードルだったりします。実験用の試作品の形状モデルを作ってくれる人が身近にいると助かるのですが・・・。

①解析対象、現象及び検討範囲を想定します。

  • 例えば、バットの振動モード形状(固有値解析)、3次の曲げモードまで(現象を表現できる簡易モデルを考えます。)

②形状モデル、拘束条件、荷重条件を設定します。

  • バットの形状モデル
  • 材料はアルミニウム合金
  • 固有値解析なので拘束と荷重条件どちらもなし(フリー)

③有限要素モデルを作成する(メッシュ作成)

  • 解析ソフトのオートメッシュ機能を使うことが多いかと思われます。

④固有値解析を行います。

  • 材料などの条件を確認します。

⑤解析結果の妥当性を確認します。

  • モード形状
  • 固有振動数

⑥必要なら②に戻る。

⑦まとめ(解析結果のまとめ)

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解析にあたってのポイント

まずは、解析作業を始める前に、解析目的を明確(具体的)にします。

次に、解析目的達成に必要な解析結果を得るための解析モデル、解析条件を決めていきます。

これには、ある程度の知識や経験が必要なため、一朝一夕には身につかない事ではありますが、簡単なモデル化で現象を理解し実験等からの経験を積み重ねることがポイントだと考えています。

また、CAEを用いて検討するには、振動現象のみならず数値解析の基本的な知識も必要です。

FEM(有限要素法)については、以下のページにまとめています。

有限要素法入門
「有限要素法入門」では、有限要素法についての基本的な知識、材料力学、有限要素法(FEM)の要素やメッシュ、応力や歪などについてまとめています。FEMはFreeCADを使っています。

まとめ

ここでは、振動現象の解析(固有値解析)の流れのうち、振動解析(固有値解析)の流れについて、以下の項目について説明しました。

  • CAEツールの普及と利用範囲の拡大
  • CAEと実験・計測データの比較・検討の難しさ
  • 設計開発における実験・計測とシミュレーションの流れ
  • 振動解析(固有値解析)の流れ
  • 解析にあたってのポイント
はかせ

振動制御を学ぶことで実験・計測とCAE、モデリングに制御と幅広く学び、出会いとチャンスにも恵まれ工学博士になりました。
CAEが珍しくない今だからこそ、実験やリアルなモノづくり体験が必要だと考えています。

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