製造影響を早期シミュレーションし、ロバストな設計を構築

設計とエンジニアリングでは、単純化のメカニズムとして、また場合によってはその単純化で十分であるため、仮定がなされることがよくあります。しかし多くの場合、非線形効果を考慮するための十分な時間もツールもないためです。

多くのコンポーネントにおいて、製造プロセスは製品性能に大きな影響を与えますが、最もよく見落とされる効果の一部でもあります。どの製造効果を考慮し、どれを無視できるか？ これらの答えは常に明確に理解されているわけではありません。エンジニアリングの標準的な慣行では、設計者が設計を作成し、それを解析者に渡し、解析者がモデルを構築して解析することがよくあります。このアプローチは往々にして煩雑で、結果として理想よりも長い時間がかかります。CADからCAEへの理想的でない接続とデータ移行時間のため、実際にモデルを構築、解析、理解する時間よりも、データ移行と初期解析実行に多くの時間を費やすことは珍しくありません。

3DEXPERIENCE Platform - 設計と固体力学ツールの融合：

3DEXPERIENCE Platform（DASSAULT SYSTÈMES製）は、CATIAの世界トップクラスの設計機能と、SIMULIAの線形・非線形固体力学ツールセットを融合しています。この強力な機能により、業界では典型的ではないほどシームレスなCADとCAEの接続が可能になります。また、ガイド付きプロセスと標準化されたテンプレートも可能になり、より迅速な初期回答が得られます。これにより、専門の構造解析エンジニアが行う初期の単純化された計算と仮定が、CADと初期エンジニアリングツールセット内に組み込まれ、最初のモデルと構造キー性能指標に関する最初の推測の両方に到達できます。これにより、最初の線形構造解析をCAD内で実行・解析し、その後解析者に渡すことができます。

構造解析エンジニアは、設計者に届けられた「ファーストパス」モデルをさらに洗練させ、適切な効果を追加することで「刃を研ぐ」ことができます。これらの製造考慮事項の一部は単に「拡張された」線形仮定かもしれませんが、接触、材料非線形性、応力硬化効果などを適切な箇所で含めることもできます。後で見るように、この洗練は極めて重要であり、見落とされがちな故障を容易に明らかにできます。「古典的な」非線形性の例としては、材料非線形性（鋼の塑性、ゴムの非線形挙動、様々な材料とコンポーネントの亀裂と破壊）があります。これらはよく理解されていますが、他の2つの非線形性（接触の効果と「非線形幾何」の影響）はより頻繁に見落とされます。これら3つすべての非線形性は製造プロセスの結果となり得ますが、すべて3DEXPERIENCE Platformで容易にモデリング、解析、ポストプロセッシングできます。

これらの製造効果を示す2つの例を評価し、特にそれぞれがシステムへの製造効果の影響を考慮する上でどのような役割を果たすかに焦点を当てます。

• ロアコントロールアームの圧入接続：

接触は一般的にエンジニアによく理解されています。2つ以上のコンポーネントが互いに「衝突」し、それらの間で力が伝達され、応力とひずみが生じます。しばしば考慮されないが、その影響が極めて重大になり得る接触の例が「圧入」です。圧入では、わずかに大きな外径のコンポーネントが、より小さな内径のコンポーネントに「強制的に」はめ込まれます。圧入は相反する要件のバランスを取る必要があります：パーツ間の干渉が少なすぎると、簡単に抜けてしまい、パーツ分離を通じてシステムの完全性を損なう可能性があります。しかし、干渉が大きすぎると、高応力と高ひずみが生じ、一方または両方のパーツで破壊が起きます。

3DEXPERIENCE Platformのシミュレーションモジュールは、このような圧入を（単純化アプローチではなく）取り込む能力だけでなく、干渉の変動を考慮して、圧入自体による応力と、「標準的な」荷重を含めた際の圧入応力の結果を研究することも容易にします。圧入効果を考慮しないことは、壊滅的な結果を招く可能性があります。

上記の例のように、ロアコントロールアーム（圧入の一般的な例）は、シミュレーション時に圧入効果を考慮しないと、予期せぬ破損を起こす可能性があります。左側の結果は誤解を招き、メーカーにとって保証問題の原因となり得ます。こうした予期せぬ故障とリコールは、OEMの評判にも影響を与えかねません。

業界では、圧入効果はコンポーネントの詳細解析段階で考慮されることが多いですが、初期設計段階で過度な圧入を検出し修正すれば、プロジェクト全体の時間とコストを節約できます。

以下に、これを実現する3DEXPERIENCEワークフローをまとめます：

• パラメトリックCADモデリング：

3DEXPERIENCEプラットフォームでのパラメータベース設計は、設計の様々な構成をテストする可能性を活用します。ロアコントロールアームとブッシングの間の干渉は、以下の画像のように設計パラメータとして定義し、変化させることができます。

• 統合モデリングとシミュレーション：

CADモデリングとシミュレーションの統一プラットフォームにより、設計者はコンポーネントを解析者に渡す前に解析できます。3DEXPERIENCEプラットフォームのシミュレーションアシスタンスは、非専門家アナリストでも基本的な線形・非線形シミュレーションを実行し、専門家アナリストにモデルを渡せるようガイドします。ここでは、垂直荷重4kNと横方向（X方向）荷重2.5kNの2つの別個のシミュレーションケースを定義しています。設計者レベルで非線形効果を無視するため、ブッシングをロアコントロールアームにタイ接合し、ブッシュの内側シリンダーをクランプしています。

• 線形シミュレーションの再利用による高度な非線形シミュレーションの実行：

詳細かつ正確な研究のために、設計者はブッシングとロアコントロールアーム間の接続パラメータを変更し、シミュレーションに圧入効果を含めることができます。CADとFEMのアソシエイティビティにより、線形シミュレーション内で新しいシミュレーション機能を定義したり、既存の機能を修正したりするのが容易です。フィーチャーマネージャーは、定義されたシミュレーション機能の統合ビューを提供し、最小限のマウスクリックで修正が非常に簡単になります。

• 自動化とコラボレーション：

専門家アナリストは、明確に定義されたワークフローに対するシミュレーションテンプレートを定義し、設計者が製造効果を考慮した詳細解析を実行できるよう容易に利用可能にできます。これらの事前定義シミュレーションを実行するWebベースのウィジェットは、設計者と解析エンジニア間の効果的なコラボレーションを促進し、共同でレビューして設計を確定できます。

 

このように、3DEXPERIENCEプラットフォームの包括的なツールにより、初期設計段階で圧入干渉を最適化し、望まない故障とリコールを回避できます。

• クリビスジョイントのボルトモデリング：

製造効果の2つ目の例は、クリビスジョイントです。クリビスジョイントは、U字型のリンケージ（時には「フォークエンド」と呼ばれる）と、それを貫くピンまたはボルトで構成される継手です。このピンは通常、リンケージまたはロッドに取り付けられ、リンケージがピンを中心に回転できるようにしながら、他のすべての方向ではフォークエンドに「固定」します。

クリビスジョイントは無数の製品で使用され、自動車と重機のサスペンション、産業機械、航空宇宙リンケージ、その他多くのユースケースで非常に一般的です。安価な家庭用品のシンプルな小さな「ピン」としてのジョイントから、産業機械や大型機械では人より重く、非常に大きなボルトが「ピン」として必要な場合まで、サイズは様々です。大型機械用途では、単純にフォークエンドをロッドに「接続」するだけでは不十分なことが多く、ボルト自体を強く締め付ける必要があり、これにより「運転荷重」が考慮される前に製造応力が部品に加わります。これらのボルト荷重はフォークエンドを「曲げ」ようとし、大きな初期応力を生じさせます。これらの製造応力を無視すると、運転荷重に対する不正確な安全率となり、非保守的なピーク荷重応力と疲労寿命の過大予測を招きます。

このジョー式グリッパーでは、ボルト締めされたクリビスジョイントがリンクとジョーコンポーネントを接続するために使用されています。このようなアセンブリでは、分離を防ぐために大きなボルト（関連する高いボルト予張力）を使用する必要があります。ボルト荷重はクリビスジョイントのフォークを互いに「引き寄せ」、組み立て応力を生じさせます。このような重機はしばしば過剰設計されます。このような高価な機器では、ダウンタイムをリスクとするより多少の余分な質量を持つ方が良いためです。しかし、高い安全率があっても、これらの製造効果が運転荷重とどのように組み合わさるかを考慮することは重要です。

図9のシミュレーション結果では、運転荷重のみではフォークの応力はかなり控えめで、目標応力よりほぼ20%低いです。しかし、運転応力の上に製造誘導応力を考慮すると、実際の結果は目標より30%高くなります。このような応力は降伏点を大きく下回っていますが、それでも最終的にはコンポーネント疲労を引き起こし、現場での故障と運用ダウンタイムにつながる可能性があります。したがって、最適なボルト締め付け力を選択することは、これらの問題を回避する上で非常に重要です。3DEXPERIENCEプラットフォームは、以下のワークフローでまとめられるように、この種のシミュレーションを実行する設計者フレンドリーなツールを提供します：

• バーチャルボルトのモデリング：

締め付け効果を研究するためのボルトCADジオメトリの定義には、設計者にとって不要な複雑さ（接触による非線形性など）が含まれる可能性があります。したがって、3DEXPERIENCEのバーチャルボルト定義ツールは、ボルト表現をFEエンティティとして定義し、プリロードを許容して締め付け効果を研究する簡易アプローチを提供します。設計者は単純にパートのエッジを選択するか、ボルト検出を使用してクリビスジョイント位置にバーチャルボルトを定義できます。

• 線形シミュレーションの定義：

圧入例と同様に、シミュレーションアシスタンスが設計者のセットアップをガイドします。面、エッジ、頂点などのCADフィーチャーを選択することで、設計者は荷重と境界条件を容易に定義できます。この場合、ジョーを底面でクランプし、クリビスジョイントに10kNの荷重を適用します。

• DOEと最適化のためのカスタムテンプレート：

専門家アナリストは、設計者がクリビスジョイントへのボルト締め付け力の異なる値の効果を研究するためのWebベースシミュレーションテンプレートを定義できます。実験計画法（DOE）を、専門家アナリストをループに含めずに初期設計段階で形成できます。ここでは、プロセスコンポーザーDOEテンプレートを使用して、ボルトプリロードを1kNから5kNまで500N刻みで変化させた効果を研究しています。

• Results AnalyticsでのWebベース結果検証：

プロセスが完了すると、設計者は専門家アナリストと協力し、Results Analyticsと呼ばれるWebベースのウィジェットで結果を可視化できます。荷重やボルト締め付け力などの入力パラメータを変更するだけで、類似の用途を持つ異なるモデルにテンプレートを再利用できます。以下の画像のように、設計者はボルト力が2kNを超えると許容限界（150 MPa）を超える応力が発生することを結論付けられます。

このように、専門家CAEエンジニアはより高度なシミュレーションに集中し、設計者が初期設計段階で製造効果をケアすることで、全体のプロセス時間とコストを節約できます。

結論：

製造効果を設計段階の早期に考慮すれば、設計における真の「安全率」をより正確に理解できます。3DEXPERIENCEプラットフォームの設計者フレンドリーなツールは、製品性能をより一貫して予測するのに役立ち、結果として保証コスト、リコールコスト、顧客の運用コストを削減できます。

Transportation & Mobilityソリューションのすべてをご覧ください：

https://www.3ds.com/products-services/simulia/solutions/transportation-mobility/