設計者向けCAE実践10選：解析精度向上と材料力学の重要性

설계자는 CAE 해석 정확도 향상을 위해 재료역학에 대한 이해와 적절한 메쉬 설정이 필수적입니다.

### 설계자를 위한 CAE 실전 10계명
* 🛠️ **단위 환산**의 중요성 강조: 입력 데이터 오류의 약 10%, 그중 80%가 단위 환산 실수이며,  "Unit Converter" 웹사이트 활용을 추천.  3가지 방법(수작업, 소프트웨어, 웹사이트)으로 검증할 것을 권장.
* 📚 **재료역학**의 필수성 강조: 설계자 400명 중 5% 미만만 재료역학 지식에 자신감을 보였으며,  **재료역학 이해 부족**이 CAE 오류의 주요 원인임을 지적.  저자의 재료역학 관련 저서 언급.
* ⚙️ **재료 데이터**의 중요성과 **자체 정비** 필요성 강조: CAE 소프트웨어가 자동으로 재료 데이터를 할당하지만, 온도 변화에 따른 재료 특성 변화(예: 고온에서의 Young's modulus 변화)를 고려해야 함을 설명.
* 📏 **메쉬 크기**의 적절한 설정: 메쉬 크기가 결과에 미치는 영향을 설명하며, **20회 이상의 반복 계산**을 통해 안정적인 결과를 얻는 방법 제시.  학계의 일반적인 견해와 저자의 경험적 견해의 차이점 언급.
* ⚖️ **모델 무게** 일치의 중요성: 3D 모델과 실제 시제품의 무게를 일치시켜야 분석 정확도가 향상됨을 강조.  **무게 차이**는 강성과 강도에 영향을 미침.
* 🔎 **모델 연속성** 확인: 소프트웨어 버그로 인해 모델이 깨질 수 있으므로, **각 절점에 중력가속도를 적용**하여 모델의 연속성을 확인하는 방법 제시.
* 🔬 **소규모 모델**을 이용한 **사전 시뮬레이션**: 본격적인 3D 모델 분석 전에 소규모 모델을 이용하여 분석 원리와 기법을 시험하고, 하드웨어 리소스 확인을 강조.
* ⛓️ **하중과 구속 조건**의 연동성: 하중과 구속 조건은 상호 연관되어 있으므로, **하중이 가해졌을 때 모델의 움직임을 예측**하며 조건을 설정해야 함을 강조.
* 📍 **특이점** 문제 해결: 특이점 문제 발생 가능성을 설명하고, 해결 방안 제시.  **응력 집중 현상**을 예시로 제시.
* 🎁  **자료 및 도서 증정 이벤트** 안내: 발표 자료와 저서를 참석자에게 추첨을 통해 증정.

### 설계자를 위한 CAE 실전 활용 10가지 방법
* 📌 **유한요소 해석**에서의 특이점은 응력 평가에 적합하지 않으므로, 최대 응력 값을 평가할 때는 특이점을 제거하고 **후처리**해야 함을 강조. 메쉬 크기를 줄여도 특이점에서 최대 응력 값은 계속 증가함.
* 📊 최적의 메쉬 크기를 찾기 위한 방법으로, **변 길이(세로축) 대 접점 수(가로축)** 그래프를 사용하여 그래프가 수평을 이루기 시작하는 지점을 선택하는 것이 좋음.  이는 **특이점의 영향을 최소화**하는 방법임. 400개 이상의 계산 결과를 통해 검증됨.
* 📁 해석 결과 관리를 위해 **Evernote**를 활용하여, **검색 기능**을 통해 필요한 데이터를 쉽게 찾을 수 있도록 함.  수백 개의 해석 사례가 저장되어 있으며, OCR 기능을 통해 손글씨로 작성된 내용도 검색 가능.
* 💾 **Cax 포맷**을 이용하여 대용량 CAE 데이터를 압축하고, 무료 뷰어를 통해 인터넷으로 손쉽게 공유하고 검토 가능. 1.4GB 데이터를 92MB까지 압축 가능.  유료 버전은 PowerPoint 삽입 기능 제공.
* 🔄 **설계 변경**에 따른 파일 관리를 위해 **문서 중심 데이터 관리 시스템**을 개발 중.  CATIA 기반으로, Word 문서에 그림을 삽입하고, 그림을 더블 클릭하면 관련 모델과 해석 결과를 자동으로 불러와 수정 및 반영 가능.
* 👨‍🏫 **재료역학 및 유한요소 해석 교육**을 위해 수식 없이 누구나 이해하기 쉬운 교재를 개발하여 700명 이상의 수강생 배출.  자세한 내용은 'CAE for all' 웹사이트 참조.
* 💡 **In-process CAE**를 통해 설계 초기 단계부터 **반복적인 해석**을 수행하여, 최적의 설계를 도출하는 방법 제시.  형상이 상세화될수록 강성이 떨어지므로, 초기 단계에서 문제점을 발견하는 것이 중요함.
* 🚀 **제품의 신뢰성과 가능성**을 높이는 CAE 활용을 강조.  'はやぶさ'를 예로 들어,  **장기간 사용에도 견딜 수 있는 제품 설계**의 중요성을 언급.

みなさんこんにちは、CADラボの送り手と申します。どうぞよろしくお願いいたします。

私の方からは、設計者必携のための10の方法ということで、ここで聞いて実践して頂ければ、解析の精度が上がる10の方法をお伝えしたいと思っています。

資料ですけれども、表明したアンケート受付にURLを出しいただければ、ダウンロードURLをちょうどお送りいたします。

まず、私は材料力学を再履修しておりまして、その過程でどのように再履修したかですね…

「at it」というサイトでずっと連載をしてまいりました。

全部で材料力学が9回、有限要素法が10回…いや11回という風に連載をしてまいりまして、これをご覧になった講談社の方がですね、

「本にしないか」ということで、今年の1月ですが、本になりました。

今日はこの本を、欲しいという方に抽選でプレゼントしたいと思います。どうぞ最後まで聞いて頂ければと思います。

ちなみに、工業基礎分野でずっと上位をキープしておりまして、ですので、そこでも需要があるんだなと思っています。

このプレゼンテーション資料を、最後に欲しい方に抽選で差し上げたいと思います。どうぞよろしくお願いいたします。

まずプロローグなんですけれども、ものに対する愛着…皆さん、自分が長く使っていた携帯電話…

乗っていた車を手放す時、寂しい思いをしたことはありませんか？

それは物への愛着だと思います。良い製品というのは、この愛着とイコールだと思いますが、

愛着というものは、まず長く使えなければいけません。長く使えなければいけないということは、壊れてはいけないんですね。

壊れてはいけないために、設計する方は様々なことをやるわけですが、そのうち

のひとつが3次元CADの活用だと思います。

設計業務の中で3次元CADを使う機会は増えていて、その割合は8割に達しています。

ですから、もうほとんどの設計業務の8割の方が、3次元CADを使おうと考えています。一方、3次元CADの普及

度合いも、やはり同じぐらいで、8割の方が設計に3次元モデルを活用

しているんですね。で、3次元化というのは、もともと設計のためのツールではなくて、解析のためのツールでした。

解析のためのモデルを作るのは大変なので、形状を3次元で表現したい。

もともとは3次元CADというのは設計のためのツールだったんですね。

で、3次元CADの最大のご利益は、解析との相性が元々良いわけですから、

解析ということになります。ところが、3次元CADで設計をしているのに、解析をしていないとしたら、それは大変な無駄です。

ところがですね、ここに市場があるわけですよ。

各社たくさんの設計者向けのソフトを出してきていますが、私が現場で見ていると

設計者の解析は非常に間違いが多いです。

今日はその間違いを正すために、即効性のある設計者向けのCAE解析の実践のための

10の方法をご紹介したいと思います。限られた時間ですので、駆け足で説明してまいります。

まず一つ目ですが、簡易的な単位換算のミス。

これは非常に多いのですが、私の経験の中で、

解析ミスの原因の約10％が入力データのエラーです。

これは、その中の約8割、全体では64％の人が、

単位系と単位換算のミスを犯しているのです。

ですから、これは解析を実行する前に必ず確認しなければならない、

最重要事項だと思います。私はこれまで多くの解析をしてきましたが、今でも

単位換算は3つの方法で確認しています。一つは自分の頭と手で確認し、もう一つは単位

換算ソフトを使い、さらに単位換算のウェブサイトで確認します。

「Unit Converter」というウェブサイトが非常に良い単位換算サイトになっておりますので、ぜひお使い

いただければと思います。必ず単位換算は確認すること。これがまず一つ目のポイントです。単位換算は念には念を。

入れて行っていただきたいということです。次、座学力ですね。で、

これまで私が調査した、これ母集団400名ぐらいなんですが、

材料力学という間を、そう分かってますかっていうことに対して、バッチリわかるって答えた人が5%以下なんですね。こんな状態で設計の方がCAEを使っているんです。これ、

設計者でCAEを使っている方400名に聞きました。で、まぁ95%以上の人が知識に不安を持ちながら、

解析を使っているということになります。で、本当にあった怖い話といたしまして、このような直径120mmピストンがある場合、

に頂点部が25mm変形しますと言ったような解析結果の報告を平気で聴取にしてくる、

わけですね。もう皆さんお分かりのように、感覚的にわかってらっしゃるように、120mmのピストンは25mmも変形し、

ません。だいたいこれまで言われているわけですね。ところがこういう報告をしてくるんですね。で、構造解析の基本原理が、まぁ出てくるミーゼス応力と、

降伏応力を比較するというのが基本なんですね。

でした。ここからした後は壊れない。ここで、まぁいろんな専門用語が出てくるんですが、これは何なんだ、

ということがわからないまま解析をしている方、実はいらっしゃいます。

で、これらを習うには、まず材料力学は必ず習わないといけません。

で、これを習う過程で力学が身につき、有限要素法の解析ソフトに入れる技がわかるということになります。

この本にもだいたい5分の2ぐらいを採点

材料力学の話をしています。これが分からないと何もわからないからですね。

で、2番目のポイント。材料力学は、ものづくりに関わるすべての人の義務だというふうに

思っています。是非、材料力学を身につけていただきたいと思います。

3番目、材料データ。ヤング率やポアソン比が分からなくても、CAEで出来てしまう現状は、

どういうことかというと、三次元CADモデルをみなさんが作ると、そこに

材料をアサインしますよね。実はこの材料アサインをするんですが、その裏では解析が行われる時の

強度データを勝手にアサインしてるんです。つまり、

ここにあるような、材料の硬さやポアソン比、密度といったものも、勝手に与えられちゃってるんです。自動的に。ところが、高温なんかですと、温度が500度になるとヤング率は変化します。

プラスチックなんか、樹脂材料なんかですと、80度ぐらいでもう

材料は強度が低下していきます。こんな大切なデータを勝手にアサインされてしまうんですね。で、私が言いたいことは、あの、このテーブル自分で作れますので、材料データは自力で整備

する。これをぜひCAEの作業に忘れずに、というふうに思います。

次、4番目。メッシュサイズ。実は、設計者が行う解析のソフトは、

キャ、同ベースにメッシュ分割を勝手にやってくれるんですね

その時のメッシュの大きさ、有限要素の大きさはですね

まちまちです。別に何の根拠があるわけでもありません。例えばそれがたまたま2番だったらどう

でしょうか？こんなに理論解から遠いデータになってしまう結果になってしまいます。本当は5番、6番

あたりのメッシュの大きさを採用しなければいけないんですね。ところがここにあるように

2番だとこんなところにしかならないと。じゃあこれはどうやって出すのかっていうと、

もう簡単で、解析は一回こっきりではそれが正しいかどうかわからない。

これはぜひ肝に銘じておいていただきたいと思います。実際私も未だにこの方法は

ちゃんと守ってまして、実際のこれは私がやった解析ですが、全部で20回の計算をしてまして、

この解が安定したある点を取っています。一番端っこを取りますね。

それはどうしてかというと、学者の方はみんな『有限要素が細ければ細いほど良い』

とおっしゃいますが、そうじゃないんですね。私の経験ではこの点を取るのが一番です。それはまた後で説明いたします。

解析は終息を見るということで、解析は複数回やらないとその答えが良いのかどうかも

わかりません。次空間が異なる各モデルということで、これやってない方は非常に多いです。

どういうことだと申しますと、まあ4ケースがあったり…

3次元で作ったモデルがあったりします。有限要素モデル、これ

特にここ、この2つは同じCAD上で行なわれるので、同じモデルのような錯覚

をしてしまいますが、全く別の空間にあります。ということは重さも違うんですね。

だから必ずこれ、重量を合わせるって事をしないといけません。

重量が違うものの強度が同じはずがないですよね。

ですから重量合わせ込みをしただけで、モデルの精度、解析の精度はぐっと上がっていきます。

5番目のポイントとしては、重量は剛性と強度を司るということで、重量合わせ。

もしも皆さんが試作品があるなら、試作品の重量と有限要素モデルの重量

必ず合わせるようにしてください。それだけで解析の精度は上がると思います。

次、6番目。このような自動車の底板なんですが、これをメッシュ分割しました。

見た目は非常にきれいで、このまま解析に投入するんですが、

実は皆さんが操作上のミスをしたわけでもないのに、こういうプログラムにありがちな

のはバグですね。バグによってこのように破れている場合があるんです。

破れてるんですけども、見た目は全然分かりませんで、解析を、本番の解析をしてみても、

変形量が小さく取っていると分からないですね。

ですから、私はこのようなモデルを、すべての有限要素モデルを作成した場合には、各節点に

二重精度をかけて重力加速度をかけて解析をします。3方向でモデルをぐるぐるアニメーション

させながらアニメーションして、どこかが破れていないか、外れていないかを確認します。

ある最新版のソフトでも破れてました。というわけで、みなさんが

設計者CAE実践のための10の方法

解析設計者

강연 주제: 설계자를 위한 CAE 실천 10가지 방법 소개

저자의 재수강 경험과 'at it' 사이트 연재 소개

저서 출판 및 책 증정 이벤트 안내

3D CAD 활용 및 설계자의 CAE 오류 문제 제기

제품에 대한 애착과 품질의 중요성 강조

3D CAD 활용 증가 추세 및 3D CAD의 본래 목적 설명

3D CAD 설계 시 분석의 중요성 및 설계자의 분석 오류 지적

설계자의 CAE 오류 수정을 위한 10가지 방법 제시

설계자를 위한 CAE 실천 10가지 방법

1. 단위 환산의 중요성 및 확인 방법 강조

2. 재료역학 지식의 중요성 및 부족으로 인한 오류 사례 제시

3. 재료 데이터의 중요성과 자동 할당의 문제점 지적

4. 메쉬 크기의 중요성과 다중 계산을 통한 결과 안정화 방법 제시

5. 서로 다른 모델 간의 무게 맞춤의 중요성 강조

6. 모델의 연속성 확인을 위한 방법 제시

7. 작은 모델을 이용한 시행착오를 통한 분석 원리 및 기법 확립

8. 하중과 구속 조건의 연동성 고려의 중요성 강조

9. 특이점 문제와 해결 방법 제시

10. 분석 결과 관리를 위한 요약 시트 작성 및 Evernote 활용법 소개

재료역학 학습 방법 및 인프로세스 CAE 소개

재료역학 학습의 어려움과 재미있는 학습 방법 제시

인프로세스 CAE의 개념과 설계자의 역할 변화 제시

인프로세스 CAE를 통한 효율적인 설계 프로세스 제안

일본의 재난 상황 언급 및 긍정적 사례 제시

설계자 CAE를 통한 제품 신뢰성 향상 및 애착 형성 강조