疲労解析とは？

製品の耐久性を検証するために欠かせない「疲労解析」について、その概要やCAEソフトを使った具体的な進め方を解説します。

CAEソフトを導入するメリットについても紹介しているため、設計プロセスを効率化したい方はぜひ参考にしてください。

疲労解析とは？

構造物や製品の設計において、長期的な安全性を担保するために欠かせないのが疲労解析です。ここでは、疲労解析の基本概念と、解析時に重要となる指標について解説します。

疲労解析の役割と疲労破壊

疲労解析は、設計段階における構造物の耐久性を検証するためのCAE解析の一つです。構造物は、一度では破壊されない小さなレベルの荷重であっても、それを繰り返し受けることで「疲労破壊」を起こす危険性があります。

そのため、事前に疲労破壊のリスクを考慮し、安全上のマージンを設ける役割として疲労解析が非常に重要になります。

極限強度と疲労限度の違い

疲労解析では、静破壊の解析で用いられる「極限強度」ではなく、「疲労限度」という指標を用いて解析を行います。疲労限度とは、無限に負荷をかけ続けたとしても構造物が破断しない上限値のことです。

構造物は極限強度を下回る荷重であっても、長期間の繰り返しによって疲労破壊が起こり得ます。だからこそ、耐久性を正確に評価するためには疲労限度を基準にする必要があるのです。

CAEソフトを使った疲労解析の進め方

実際にCAEソフトを用いて疲労解析を行う場合、どのような手順を踏むのでしょうか。ここでは、具体的なプロセスを2つのステップに分けて解説します。

境界条件の設定とモデル作成

まずは、CADで作成した設計データをCAE解析ソフトウェアに取り込みます。データが読み込めたら、シミュレーションの前提となる境界条件の設定を行います。

具体的には、対象物の材料特性やヤング率、そして構造物の固定方法である拘束条件などを細かく指定します。これらの条件を正確に入力することで、解析のベースとなる構造物のモデルが完成します。

シミュレーション実行と結果の視覚化

モデルが作成できたら、実用を想定した荷重をかけてシミュレーションを実行します。これにより、破壊に至るまでの繰り返し回数である疲労寿命を数値化することが可能です。

また、解析結果では、応力が集中しやすい部位や最大の変形量を等高線（コンター）で図示できます。問題箇所を視覚的に把握できるため、その後の設計改善へスムーズに移行できるのが大きな特徴です。

疲労解析にCAEソフトを導入するメリット

疲労解析をより正確かつ効率的に進める上で、専用のソフトウェアは欠かせない存在となっています。CAEソフトを導入することで得られる具体的なメリットは以下の3点です。

• 試作回数の削減によるコスト・時間短縮
• 自動化による複雑な寿命算出の効率化
• 現実では難しい環境下でのシミュレーション

それぞれの観点から詳しく解説します。

試作回数の削減によるコスト・時間短縮

CAEソフトを導入する最大のメリットは、設計段階で完成品の問題点を発見できることです。従来は、試作品の製作と実験を何度も繰り返して耐久性を確認する必要がありました。

しかし、コンピュータ上で精度の高いテストができるため、物理的な試作回数を大幅に減らすことができます。結果として、人件費や材料費といったコストの削減や、開発プロセスの時間短縮に直結します。

自動化による複雑な寿命算出の効率化

実際の運用環境では、製品に加わる繰り返し荷重が常に一定（一定振幅）であるとは限りません。非一定振幅荷重などの場合、複数箇所での手計算による疲労寿命の算出は困難を極めます。

CAEソフトを用いれば、こうした複雑な疲労寿命算出を自動で行うことが可能です。手作業による計算ミスを防ぎつつ、解析にかかる手間と時間を大幅に効率化できます。

現実では難しい環境下でのシミュレーション

製品によっては、宇宙空間や自然災害時など、現実で再現することが極めて困難な厳しい環境下での使用が想定されるケースもあります。CAEソフトを使えば、そうした過酷な条件であっても製品の耐久性や稼働性を仮想空間でシミュレーションできます。

また、実験室には収まらないような大規模な装置の評価も可能になります。あらゆる状況を想定した質の高い検証ができるのは、ソフトウェアならではの強みです。

まとめ

疲労解析は、製品が長期間にわたって安全に使用できるかを担保するため、構造物の耐久性検証において非常に重要な役割を果たします。

コンピュータ上のシミュレーションを活用することで、開発にかかる時間やコストを大きく節約し、設計プロセス全体を効率化することが可能です。製品の品質向上や開発スピードに課題を感じている場合は、CAEソフトの導入やCAE受託解析サービスの利用をぜひ検討してみてください。