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CAEと設計

CAEの設計適用状況と課題--一電機メーカの例--

大富浩一2003年 12月 16日

2 / JSME設計研究会第９回@豊田中央研究所

CAEの利点/欠点

・利点‐CAEを使う環境が大衆化、GUI等の工夫により使い勝手も飛躍的に向上‐実験では把握困難な事象も可視化可能

・欠点‐結果の精度、現象の確からしさの評価困難（見た目での評価が難しい）‐もの（現物）からの遊離（見ずして設計）

・利点/欠点は両刃の剣


CAEを設計に活かすには

・前提条件‐CAEを使う以前の教育（最低、材力の知識）‐CAEか実験かの見極め力（Management）‐CAE結果の評価能力（正しい答えか誤った答えか）

・CAEの有機的な活かし方‐CAD/CAE連携による真のComputer Aided

Design‐設計ノウハウ、KnowledgeによるCAEの高度化‐簡易CAE（便覧CAE）とCAEの融合（FOA?)


計算機パワー

解析モデル詳細

簡便

大（スーパーコン）小（ＰＣ）

高度シミュレーション

設計シミュレーション

東芝レビュー1997年7月号(Vol.52 No.7)より抜粋

高度シミュレーションと設計シミュレーション


重要度

実現度困難

容易

大小流体

熱

電磁界

衝撃

ＥＭＩ

燃焼

樹脂流動

音響

振動構造強度

組立性

配置

反応

機構

工程

コスト

タイプ１

タイプ２

タイプ３

タイプ４

解析力向上

使い勝手向上

シミュレーションの分類

東芝レビュー1997年7月号(Vol.52 No.7)より抜粋


上流設計、柔軟ﾌﾛ゚ｾｽ、短期協調

大量生産（不特定顧客）

小量生産（特定顧客）

小規模（開発費小）

自動車

半導体(ﾒﾓﾘ)家電

ロボット

建設機械大規模（開発費大）

航空機

宇宙機器

長期開発

短期開発

新規製品

ﾘﾋﾟーﾄ製品

ﾉｰﾄＰＣ

原子力プラント

QualityCostTime

QualityCostTime

QualityCostTime

製品形態の分類例

CAD/CAE/CAOの大規模展開

固有領域

このカテゴリを支援する市販ﾂｰﾙが存在しない。

ここを目指す！


CAEの設計適用事例と課題

・報告者が関わったノートPC、宇宙機器開発を紹介・製品開発の進め方とCAEの位置づけ・CAEが設計ツールとしていかに重要であるか・CAE適用にあたっての留意点・CAEでできることできないこと


売値?!開発期間?!

重さ

デザイン色

HDD容量

ﾃｨ゙ｽﾌﾚ゚ｲｻｲｽﾞ

ﾊｯ゙ﾃﾘ容量 CD-R/DVD-ROM付けるのか/内蔵or外付け

ﾒﾓﾘ容量 CPU

大きさ入力装置

ｿﾌﾄｳｪｱ

電磁気設計

強度設計

回路設計

ｿﾌﾄ設計

ﾚｲｱｳﾄ設計

製造性設計

騒音設計

筐体設計

顧客要求

ノートノートPCPCの開発の場合の開発の場合

冷却設計

振動設計


設計上の制約

・大きさ（A4サイズ、B5サイズ、等々）、重量・性能（Pentiumxx以上、HDDxxGB以上、等々）・装備（DVD-ROM、CD-R、ポート、等々）・コストレイアウト（ほとんど購入品、いかに配置!?）熱（CPUはGiven、自然or強制）構造強度（静的、振動、落下）電磁ノイズ騒音（熱との関係で今後重要に!?）


ノートＰＣ設計の特徴

・開発機関が短い（基本的に後戻り不可）

・主要部品（LCD、CPU、HDD、等々）の集合体‐部品のトレンドを先読み‐誰でも作れる

・ほとんど設計的に限界‐半導体のようにただ小さくすれば良いというものではない??‐設計目標を決めて最適化


ノートＰＣ設計のために

・個別技術の確立（現状）‐熱設計技術（実験をベースとしたシミュレーション）‐強度評価技術（同上）‐配置設計技術（2.5次元、経験的）‐電磁ノイズ予測技術（現在は精度悪し）‐騒音予測（要素試験、今後はシミュレーション）

・システム設計技術の重要性（今後）‐複数因子条件下で設計を最適化

• 人間系による予測では精度的、時間的に限界最適化手法（ツール）による設計支援


各設計因子の相関関係

重量大きさ

性能熱

構造強度配置

電磁

騒音

最適設計最適設計


熱設計

発熱量

自然空冷

ファンによる強制空冷

??!!

プロセッサの発熱量５Ｗ程度

CPU性能


0

500

1000

1500

'89 '90 '91 '92 '93 '94 '95 '96 '97年

プロセッサ性能

ラップトップPCノートPCサブノートPC

プロセッサ性能の推移 (92年を100とした相対値)


0

2

4

6

8

10

12

'88 '89 '90 '91 '92 '93 '94 '95 '96 '97年

発熱量

[W

]

発熱量の推移


ヒートパイプ

金属フレーム

プロセッサ

ディスプレー

自然空冷のノートパソコン


強制空冷のノートパソコン


ノートパソコンの内部構造


解析結果(自然空冷機器の温度分布)


0

20

40

60

0 10 20 30 40 50Heat dissipation [W]

Tem

pera

ture

rise

[K] NC

NC+R

BodyFC: 5E-4 m3/s

NC+FC

NC+FC+R

A4サイズのノートPCからの放熱量


Processor

HDDPC card

Battery pack

Power supply

Air

Fan

数値モデル


0

20

40

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Measurement location

Tem

pera

ture

rise

[K] Numerical analysis

Experiment

温度上昇(ファン停止時)

0

20

40

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Measurement location

Tem

pera

ture

rise

[K] Numerical analysis

Experiment

温度測定位置

温度上昇(ファン駆動時)


構造強度設計

・筐体の強度‐通常使用時（パームレスト、ヒンジ、等）‐衝撃力作用時（落下時、等）

・チップベースの強度


パームレスト強度

Palmrest

HDD Holder

HDD

HDD HolderPalmrest

Load


ＬＣＤカバー強度

高さ方向変形量分布図（ＬＣＤ－ＣＯＶＥＲ）

最大主応力（セル）


ヒンジ強度


落下衝撃時強度

• 評価項目– ＬＣＤカバー急閉時強度– 落下時強度

• ＬＣＤパネル、ＨＤＤ

• 評価アプローチ– 確立された数値解析技術は存在しない

– 現象の正確な把握– 実験と数値解析の融合


落下衝撃試験&解析

-500

0

500

1000

1500

0 5 10 15

Exp. Edge

Exp. Center

Num. Center

Num. Edge

Acceleration (m/sec2)

Time (msec)


チップレベルの強度


素子レベルの強度


宇宙機器開発の場合宇宙機器開発の場合

発生重力

微小振動

重量

低消費電力試験体の数

大きさ

低騒音

運転期間

可視化

ｾﾝｼﾝｸﾞ

構造機構設計要素機器設計

ｿﾌﾄ設計

電気設計安全性設計

客先要求

筐体設計

Launch設計

振動設計騒音設計

制御設計

コスト?!開発期間?!


セントリフュージ・プロジェクト重力発生装置搭載モジュール(MHI開発)

Centrifuge Accomodation Module(CAM)

セントリフュージ・ロータ(CR)NTS・東芝開発回転により人工重力を発生(~2G)重力が生物に与える影響を調査

国際宇宙ステーション(建設中)International Space Station(ISS)


プロジェクトの特徴

・国際協調プロジェクト（最終顧客はNASA）・要素品も国際調達・全くの新規開発製品・その性格ゆえ、実機条件での事前の検証が困難


CAEの位置づけ

・先入観を排除した数値実験的アプローチ・解析が主で要素試験で検証補完


How to establish CR Simulation Model


構造

ステータ

ロータ回転制御

自動バランス機構(バランス制御)

振動絶縁機構(位置制御、減衰付加制御)


要素のモデリング

例：振動絶縁機構のモデリング剛性行列

要素試験

できるだけ簡略化!!


打ち上げ時の荷重に耐えるか!!対策は!!

打ち上げ時荷重解析


軌道上挙動解析

ディメンジョンが違いすぎるので直接モデリングは不可能!?


現象が良く理解できる!!でもどこまで信用できるの??機構解析

弾性体衝突


流体解析解析はしてみたが?!実験はできないし??


弾性体、制御、衝突を考慮した大規模機構解析

膨大なモード数相互干渉


強度評価を目的とした構造解析VT

VC

VA

MB θ

複合荷重解析（非線形）荷重を与える順番?!


構造設計の例

設計要求（例）

倒れ剛性：１０4Nm以上倒れ角：30mrad許容無限回の疲労にもつこと

X

Z

Y

Inner Ring

Outer Ring

X

Z

Y X

Z

Y

Inner Ring

Outer Ring

??!!??!!

構造最適化?!設計熟練者


その他にも

・熱解析（冷却、熱応力）・騒音解析（意外とうるさい）・人間工学（3次元空間）・リスク解析・組立性・検証・異常時対策


CAEと設計

• 設計にCAEが不可欠なのは事実

• だが、実際に使っているのは解析先任者

• それでいいｖｓ設計者が使えないと

• いずれも正論

• 昔は、製図台、便覧で設計者自らcad&cae

• CAD&CAEの普及で分業化

• 設計を知らない設計者、設計を知らない解析者→結局、誰も設計知らない状況を危惧


設計環境のあるべき姿

• 構想(Think)、具現化(Visualize)、検証(Analyze)が一体となって初めて設計と言える

• 構想をWordで表し、検証をExcelで行い、結果をPowerPointで表現するように、設計も行える環境は実現できないものか

• CAE＋知識＞cae＋知識＞CAE＋None

• 分野によってはCAEだけでは対応不可

• ．．．．．．．．．!

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