シミュレーション(CAE)と設計開発の期間の短縮

ここでは、製品開発にシミュレーション(CAE)がどのような役割を果たしているのか、シミュレーションのメリットについて、自動車の製品開発を例にして説明します。

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シミュレーション(CAE)に期待される役割

シミュレーション(CAE)に期待される役割には、次のようなものがあります。

  • 開発期間短縮
  • 新製品の早期市場投入
  • 試作・実験コストの削減
試作レスの流れは広がっていますし、アナログの電気回路設計はデジタル回路(FPGA)によるプログラミングへと置き換えが進んでいます。

次に、シミュレーションが試作や実験よりも優れているポイントを列挙してみます。

  • 試作が困難な製品開発への対応
  • 高い精度が要求される製品設計
  • 厳しい安全性要求への対応
  • 試験条件(例えば境界条件、固定、自由、ばね支持など)による比較が簡単
    • シミュレーションでは、条件設定を変更するだけで結果を得られます。
    • 実験では試験条件をそろえるのも一苦労です。
  • 実験での再現が難しい条件設定
  • 計測の難しい現象の確認
    • ねじりの振動モード形状など

また、シミュレーションでなければできないこともあります。

  • 計測できない場所の応力値などを知りたい。
    • 水中や真空中など特殊な環境での実験
どれをとっても一朝一夕に何とかなる、シミュレーションツール(CAE)を導入すれば直ちに期待する成果が得られるわけではありません。知識や経験、ノウハウの蓄積が必要になってきます。
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シミュレーション(CAE)の使われ方と注意点

解析専任者と、解析専任ではない人とでは、シミュレーションを使う目的・用途が下表の様に異なります。

 

解析専任者

解析専任ではない人

CAEへの要求

  • 実験結果との相関や解析精度
  • 設計判断材料の一つとしてのシミュレーション

解析内容

  • 研究、実験検証またはトラブルシューティング
  • ある物理現象のシミュレーション精度を追及
  • 3D CADによる日々の設計業務
  • 実験との比較や精度よりも、注目しているパラメータを変化させる相対比較を中心の考察

ツール

  • ハイエンド系CAEツールと呼ばれる高機能ツール
  • CAD環境に統合された視覚的で操作し易いツール

このため解析目的により実際にやることが違ってくるため、シミュレーションを始める前に、「何のために解析するのか」を明らかに、できるだけ具体的にイメージすることがポイントになります。

解析目的の例としては、

  • 実験データと合わせこみたい。
  • 設計案の比較をして、傾向をつかみたい。
  • 実験で検証できない現象を調べたい。

といったことがあり、各々の要求に対し条件設定や解析精度などが違ってきます。

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製品開発のトータルコストを下げる取り組み

製品開発のトータルコストを下げるためにも、開発期間の短縮と試作レスへの挑戦は続いています。

製品開発のトータルコストを下げるためには、

  • 製品開発前段でのシミュレーションの割合を増やす。
  • 製品開発全体に占めるシミュレーションの割合を増やす。

これを並行して進める必要があります。下図はこのイメージ図です。

現在は、開発が進むにつれ、

  • 実験(試験)のリソース(コスト)増加
  • トータルの開発リソース増加

将来的には、以下の様にしていくイメージです。

  • 開発初期のシミュレーションのリソースを増加
  • 開発のトータルコストを削減

シミュレーションによる設計開発リソース削減イメージ

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シミュレーション(CAE)の必要性:自動車の研究開発への要求

なぜシミュレーション(CAE)が必要なのでしょうか?

ここでは、自動車に求められる要求について考えてみます。

  • 振動・騒音に関する要求
    • 性能(燃費)と快適性
    • 軽量化と高剛性
  • ニーズの多様化
    • 街乗り、長距離、輸送
  • 環境
    • リサイクル
    • 省エネ、ハイブリッド
  • 自動運転、予防安全(運転補助)

さらに、これらの要求全てをバランスよく満たすためには、

  • 多目的な最適化
    • 軽量化、衝突安全、居住性、デザイン、騒音・振動、環境対策等、様々な要求をバランスよく満足させること

が必要となってきていますが、簡単なことではありません。

例えば、

燃費を良くするには軽量化が効果的ですが、

振動対策の面からは剛性が高い方がよい、

でも材料コストが上がるのは困る。

といったイメージになります。

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製品開発の流れ:自動車を例に

自動車を例にざっくりと製品開発の流れについて説明します。

開発車のコンセプト

どのようなコンセプトの商品(車)とするのかを決めます。

例えば、

  • 車のサイズは?
  • ファミリー向け?
  • 運転を楽しむスポーツタイプ?

などなど。

この段階で車の性能(例えば燃費や運動性能など)をシミュレーションできるとよいのですが・・・。

この段階では、

  • 設計詳細は決まっていない。
  • つまり、図面(=3Dの形状データ)がない。
  • シミュレーションできない。

といった状態なので、形状モデル(3D CADのデータ)を使うシミュレーションツールは使えません。

粗い形状でシミュレーションすると結果の精度が低すぎてやはり使えないといったイメージになるかと思います。

シミュレーションソフトの1つに、機能モデルというものがありますが、自社製品の部品モデルを作って初めて使えるようになります。このため、高いパフォーマンスを持ちながら使いこなすのが難しい点は課題だと思います。

設計(構想設計~詳細設計)

3D CADで形状ができあがってきます。

ボディや外装は結構変更が多いそうですが、フレームやエンジンなどは、小規模な変更にとどまることが多いそうです。

シミュレーションによる設計の最適化

シミュレーションによる様々な検証が行われ、試作品(実機)の詳細設計が進みます。

テスト(実験)による設計の最適化

実験や試験により、試作品候補を絞り込みます。

試作完了

シミュレーションやテスト結果により必要に応じ設計まで戻り、最終的に試作が完了すると、量産に移ります。

量産

量産試作、小ロット生産から始め、生産台数の増減などによる調整が行われます。

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自動車の騒音・振動:NVH(騒音、振動、快適性)

自動車の騒音・振動は、車外と車内の騒音・振動とに分けられます。

例えば、以下のような騒音や振動が、社内に伝わり、騒音として運転者や同乗者に伝わります。

騒音の例

エンジン騒音、駆動系、車体の振動音、風切り音、タイヤ騒音、排気騒音

自動車のNVHとは、車両の振動、騒音及び乗り心地のことです。

  • ノイズ(Noise)
    • 車室内の騒音
  • バイブレーション(Vibration)
    • 主にエンジン及びタイヤから伝わってくるステアリングやシート、フロアの振動
  • ハーシュネス(Harshness)
    • 路面からの外乱により、ステアリングやシート、フロアに感じる振動
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自動車の騒音・振動対策

自動車の場合も音から問題がみつかり、原因究明となることが多いようです。現象を確認しその原因を究明し、シミュレーションや実験で確認します。

対策は、まずは応急処置、その後恒久対策をとることが一般的です。例えば、応急処置では吸音材を貼り付け、恒久対策では設計変更をして吸音材を不要にするといったイメージです。

対策についてもコストの考慮は必須です。

振動と騒音の発生から対策までの流れは、以下のようになります。

発見された問題:騒音が発生している

  • 騒音(源)の特定
  • 振動解析
  • 対策(対策部品の付加や製品の設計変更など)

ここまでで対策完了とする場合が多いのではないかと思います。

ここから先は、騒音と振動の関係(相関)の話が出てくるのでなかなか難しいからです。

例えば、自動車のある部分を手で軽く抑えると(手が減衰材の働きをして)、振動が収まりきになっていた音も消えたとします。

これをシミュレーションで確認しようとすると、まず、振動と騒音の関係(相関)をどのように考えるかで悩むことになります。

部品間の振動の伝達については寄与率などを使い、どのような経路からどの程度の振動が伝わるかを表現します。

部品から出る音(放射音)についても同様に、どの部分(部品)が、問題となっている騒音に寄与しているかを求めることになります。

振動や騒音の寄与率は実測値を使い決めていくことになりますが、これはこれでシミュレーションの一分野になるほどの奥深さがあります。

まとめ

ここでは、製品開発にシミュレーション(CAE)がどのような役割を果たしているのか、シミュレーションのメリットについて、自動車の製品開発を例に以下の項目について説明しました。

  • シミュレーション(CAE)に期待される役割
  • シミュレーション(CAE)の使われ方と注意点
  • 製品開発のトータルコストを下げる取り組み
  • シミュレーション(CAE)の必要性:自動車の研究開発への要求
  • 製品開発の流れ:自動車を例に
  • 自動車の騒音・振動:NVH(騒音、振動、快適性)
  • 自動車の騒音・振動対策
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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