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【初心者必見】CAE解析とは?基礎をわかりやすくまとめました

機電派遣コラム この記事は約 6 分で読めます。

CAE解析(熱流体解析)という言葉をご存知でしょうか? 一般的にはなじみの薄い言葉ですが、機械設計においては欠かすことのできないプロセスのひとつです。

どのような解析を行うものなのか、CAE解析を行うメリットや必要となるツール、知識などを踏まえ、CAE解析についてわかりやすくご紹介します。

機械設計になくてはならないCAE解析とは

CAEとは、Computer Aided Engineeringの略で、設計段階でその製品に性能的な問題がないかシミュレーション、工程設計の事前検討を手助けするシステムです。

設計段階で発生する問題には、荷重・振動などによる強度面での問題や、熱の伝わりやすさによる熱問題などが挙げられます。こういった問題を設計開発の段階からパソコン上でシミュレーションできる手法をCAE解析と呼びます。なお、CAE解析では、応力の解析や伝熱解析、流体解析などがシミュレーションできます。

CAE解析を行う大きなメリットとして、以下の点が挙げられます。

  • プロセス(時間)の短縮になる
  • コストカットになる
  • 再現困難な環境での結果を得られる
  • 環境にやさしい

CAE解析を活用することによって、試作機を作成したり実験を行ったりする回数を減らすことができます。

また、プロセスの短縮になるばかりでなく、コストを削減することも可能です。たとえば自動車を衝突させるなど、コストがかかる実験の代替にもなります。

さらに、「宇宙空間ではどうなるか」や「100万度の環境下でどのようになるか」といった実際には再現困難な環境でのシミュレーションが行える点もメリットです。試作や実験によって生じるエネルギーや産業廃棄物も減るため、環境にやさしい点も見逃せません。

CAE解析の導入事例

導入によりさまざまなメリットを享受できるCAE解析は、実際にさまざまな大手メーカーも導入しています。

ホンダ:設計案に対して都度行われる「実験」をCAE解析に置換

ホンダでは性能検討やシミュレーションにCAE解析ツールを活用し、実験に関連する業務負荷の削減を図っています。

複数提案される設計や形状に対し、それぞれを実験し設計案を絞り込んでいくアプローチでは、業務負荷は自ずと増大してしまいます。そこでCAE解析ツールを用いた性能検討を事前に行うことで、実験を介さずに設計案を1つに集約。実験リソースの削減と同時に開発スピードの向上に取り組んでいます。

トヨタ自動車:グループ会社も含めたトータルでの解析環境を構築

トヨタ自動車でもCAE解析システムを運用し、グループ関連会社も含めて共同利用できる体制を敷いています。

これまではグループ会社各社がそれぞれ独自にCAE解析システムを運用していました。しかし開発ピーク時に計算リソースが不足してしまい、解析に遅れが生じるケースがあること、またピークを想定した計算リソースを各社が準備することにはコストの増大が懸念されることから、体制の見直しを図りました。

トヨタ自動車が運用する計算リソースを各社が共同で利用する体制に刷新することで、大規模開発の解析や複数解析の同時処理などを実行できるようになっています。

CAEツールの仕組み

CAEツールは、主にCADソフト・解析ソフトに分類されます

CADソフトによって実験に必要な形状データを生成します。その形状データをもとに解析を行うのが、プリプロセッサ・ソルバー・ポストプロセッサの3つのソフトです。

プリプロセッサ CADデータで生成した形状データのほか、解析に必要な条件を入力する解析ソフト。
ソルバー プリプロセッサより入力された情報をもとに実際の計算を行う
ポストプロセッサ ソルバーの計算結果をビジュアル的に分析し、設計へフィードバックを行う

CAEツールを駆使したCAE解析は、製品設計の過程において必要不可欠な項目です。

CAEツールを使用するために必要な3つの知識

CAE解析に必要な3つの知識についてそれぞれ解説していきます。

  • 材料力学の知識
  • 有限要素法の知識
  • ソフトウェアを利用するための知識

材料力学の知識

CAE解析にはさまざまな工学知識が必要ですが、中でも必要なのが材料力学に関する知識。

材料力学とは、機械や構造物に負荷がかかったときに生じる応力や変形が生じるかを計算し、強度設計にフィードバックするための学問です。

 

有限要素法の知識

「有限要素法」の画像検索結果

有限要素法とは、解析が困難な微分方程式を小領域に分割して解くことで近似解をえるための方法です。

CAE解析では、複雑な形状や性質をもつ物質を小さな要素に分割して解析し簡単なモデルへと置き換え、再構成して全体としての挙動を予測・計測します。

 

ソフトウェアを利用するための知識

そして最後に必要なのは、上述したCADソフト・解析ソフト(プリプロセッサ・ソルバー・ポストプロセッサ)を使うための知識です。

主にこれら3つの知識をもってCAE解析を行います。

CAE解析エンジニアになるには?将来性と向いている人

上記の3つの知識のほか、CAE解析エンジニアにはどのような素養が求められるのでしょうか? 実際の業務内容と適正、さらに職種の将来性を紹介します。

業務内容と向いている人

CAE解析エンジニアの業務内容は、下記の3つのステップに分類されます。

  1. 【シミュレーション】CAE解析ソフトを用い要件に応じたシミュレーションを実行
  2. 【分析・検証】シミュレーションの結果を分析し、求める性能に対し問題がないか検証
  3. 【フィードバック】問題が認められる場合は、設計の見直しのフィードバック

業務にCAE解析ソフトを用いるため、ソフトに関する知見は欠かせません。また、シミュレーションやフィードバックを繰り返し進行する業務であるため、粘り強く業務に取り組める素養や、旺盛な探求心がある人に向いている仕事です。

CAE解析エンジニアの将来性

CAE解析エンジニアの需要は増加しており、将来性の高い職種です。その背景には、製造業におけるDX推進の流れがあります。

製造業のあらゆる工程へのDX導入が進行するなか、CAE解析のベースとなるデータ量は増大し、データの取得効率も最適化に向かっています。また、CAE解析が活用される領域も拡大しています。

こうした変革を受け、製造業におけるCAE解析エンジニアの存在感は増している一方で、人材需要に対し供給が追い付いていないのが現状です。CAE解析エンジニアの価値は今後も高まる、将来性の明るい職種と予見されます。

まとめ

CAE解析を扱うには、解析対象の製品知識はもちろんのこと、光学分野やソフトウェアなどの広い知識が必要となります。しかし、製品開発者である機械設計エンジニア・CAEエンジニアになる為の知識を、座学だけで身につけるのは難しいでしょう。

計算力学技術者(CAE技術者)の認定資格取得においても、実務経験は必要です。CAE技術は経験がモノを言います。工学的な探求心を持って粘り強く業務にあたり、場数を踏む努力が求められます。

 

 

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