CAEモデルを簡略化するには？

CAE解析を行う際、設計用の3DCADデータをそのまま使ってエラーに悩まされていませんか。計算時間の増大を防ぐために必須となるのが「モデルの簡略化（簡素化）」です。計算時間を短縮し、エラーを防ぐための具体的な手法と注意点を紐解きます。

なぜCAE解析で3Dモデルの簡略化が必要なのか

3DCADで作成された詳細な設計モデルをそのままCAEに読み込むと、数々の問題が生じます。「メッシュを切る」段階でサイズにばらつきが出てしまい、膨大な計算時間を必要とするのです。また、アセンブリモデルでは複雑な構造が原因で、解析途中にエラーが表示されるリスクが格段に高まります。

モデルを簡略化する具体的な方法・テクニック

解析をスムーズに進めるためには、どのような処理が必要なのでしょうか。CAE解析を効率化するための具体的なモデル簡略化の手法を見ていきます。

細かい形状（小さな穴・コーナーR・面取り・ネジ部）の除外

解析の目的に影響を与えない範囲で、「小さな穴」「コーナーR（丸み）」「面取り」「刻印マーク」などの細かい形状を除外します。ボルトのネジ部などの詳細な形状も、メッシュが細かくなりすぎる原因となるため省略することで、計算時間の大幅な短縮が見込めます。

不要な部品の除外とパートモデルへの統合

解析対象ではない周りの部品を除外し、必要な箇所だけ残すことで工数が削減できます。さらに、材料特性が同じでボルトや溶接で強く固定されている箇所は、1つのパートモデルとして統合（くっついた状態に）しましょう。境界条件の入力手間が省け、計算時間を短縮することが可能になります。

対称性の利用とエラー回避の形状調整

モデル形状とかかる荷重が対称である場合、1/2や1/4のカットモデルにすることで解析精度を保ちながら計算時間を大幅に削減できます。水圧が均等にかかるバルブなどに有効なテクニックです。また、メッシュエラーを防ぐために、部品同士の干渉部分や不自然な角のアールをモデリング段階で修正しておくことも重要と言えます。

モデル簡略化における注意点と「サンブナンの原理」

単純に形状を削るだけの「漠然とした簡素化」は、解析の目的を見失う危険性があります。理論に基づいた正しいアプローチを理解しておきましょう。

評価目的に応じて「残す形状」を見極める

フレーム全体へのリブの影響を見たいのに極限まで簡略化してしまうと、正しい結果が得られません。応力解析の場合、応力が集中する「凹部のコーナーR」などを削ってしまうと解が歪んでしまいます。目的と応力が集中しそうな箇所を予測して、正しく忠実に表現する形状を残す必要があるというわけです。

サンブナンの原理を活用した除外判断

評価と関係のない形状を除外する際の根拠として「サンブナンの原理」が利用できます。これは「荷重点から十分に遠く離れた領域では、局所的な形状の違いが生じる応力に影響を与えない」という原理です。これを利用することで、応力集中部から離れた不要な形状を安全に除外できると判断できます。

目的に合わせた適切な簡略化で解析効率を向上

CAE解析では、計算時間の短縮とエラー回避のために3Dモデルの簡略化が欠かせません。漠然と削るのではなく、解析の目的や応力集中部を考慮し、「残す部分と削る部分」を正しく見極めてトライ＆エラーの効率を高めていきましょう。