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CAEとは?WHAT'S_CAE

CAEとは?・CAE解析とは?・計算力学技術とは?

CAEについて

CAEとは、Computer Aided Engineeringの略称で、コンピュータ支援による工業解析技術。
コンピュータ上で、CAD等を用いて仮想的に作成(モデリング)した製品(デジタルモデル)データに、製品仕様等の条件を加え、数値計算により仮想実験を行う、シミュレーション技術です。
実験と同等の評価を行うことができる技術として用いられています。

パーソナルコンピュータ(パソコン)の進歩により、コンピュータだけでなくパソコンでも計算可能な解析が増えたことから、身近な研究開発技術の1つとして、急速に広がってきました。

FEM(有限要素法)を用いた解法が主流ですが、ほかにも様々な解法を用いたり、それらを組み合わせたものが出てきています。

ちなみに、数値計算を用いて結果を予測する技法は古来から用いられてきましたが、コンピュータを用いて計算するCAEが登場したことで、格段に速く近似値を求めることができるようになりました。

※注意:時々、インターネット上で、CAEを行うソフトウェア自体のことをCAEというような謝った掲載を見かけますが、CAEはソフトウェアのことではありません。

CAEの活用

CAEは当初、航空宇宙、軍事(防衛)技術等の開発に用いられ、その後、機械、造船、建設等の分野に広がりました。
コンピュータの性能向上にともない、より速く精密な解析結果を出せるようになっていく中で、民間での需要も増え、汎用CAEソフトウェアの種類も増えました。
パソコンの性能が向上してCAEを行うことができるレベルになり、パソコン用のCAEソフトも誕生したことから、民間の研究開発現場での活用も増え、CAEは身近な研究開発技術になってきました。

例えば、製造企業によるCAEを用いた製品開発では、CAD等を用いて仮想的に作成(モデリング)した製品(デジタルモデル)データを用いてCAEを行って品質評価を行い、設計段階で必要な修正を加えて製品の完成度を高めています。

この開発手法を用いることは、品質を高めるだけでなく、試作を用いた実験回数を減らし、開発期間やコストを低減することができます。
また、CAEによる解析結果は、品質を示すデータとして用いることができるため、企業間取引や他の研究との連携の際、実験結果とともに重要な資料として用いることができます。

機械系を中心に発展してきましたが、現在では、電気・通信・医療・建設・スポーツ・自然科学等、あらゆる分野の研究や開発に、CAEを用いた解析技術が用いられています。

CAEとスパコン

CAEは、もともと大型コンピュータで行われることから始まりましたが、パソコンでもできるようになってからは、コンピュータを用いた解析の割合は減っていました。

2009年以降、スーパーコンピュータの民間利用を増やすための取り組みが積極的に行われるようになり、産業分野における活用目的の一つとしてCAEに白羽の矢が立ちました。
「京」や「フォーカス」等では、産業分野が活用し易い配慮も多く、大小様々な規模のCAEを行うことができる環境になっています。

スーパーコンピュータの活用拡大によって、より複雑で大規模な計算を、民間でも行い易い環境になりました。
CAEの活用範囲はますます拡大しており、自然を含む様々な災害等の解析にも、CAEを用いてシミュレーションし、インフラ整備や災害対策に役立てるケースも増えています。

「京」の後継機となる「富岳」が、2020年6月の国際スーパーコンピュータ会議にて発表されたTOP500ランキングにおいて1位となり話題となりました。
2021年から本格運用開始予定とされていますが、互換性の高いOSを搭載していることから、CAEでの活用もかなり期待できそうです。

ちなみに、「富岳」世界1位を報じるニュースで「富岳」紹介の際に「咳やくしゃみによる飛沫の流れ」のシミュレーション動画を目にした人も多いのではないかと思いますが、CAEによる解析結果のアニメーションでした。

CAEとソフトウェア

CAEを用いた解析が行われるようになった初期の頃は、エンジニアが自らプログラムして計算させることが主流でした。
汎用CAEソフトウェアの登場と品質及び機能の向上、CAEソフトの種類の増加、CAEの普及によるソフトの価格低下等が重なり、現在では、汎用CAEソフトを用いて解析を行うことが主流になっています。

現在、解析の種類や規模、解法等が異なる、様々な特性を持った汎用CAEソフトが出ています。ソフト開発企業の統合や吸収合併も盛んで、機能の拡大や性能の向上に繋がるものと、劣化に繋がるものとの差が出ています。

CAEソフトの価格は全体的に高価ではありますが、開発費用やユーザ対象数を考えると仕方ないと思われます。
中には、開発が終了したものや、自社使用のために開発したものを無料で公開しているオープンソースタイプのCAEソフトも僅かにあり、それらを用いる人も出てきています。

CAEは国内外を問わず世界中の研究開発現場において需要が高まっている

主に、研究開発現場において、製品開発・改良・不良発生時の原因究明等に使われています。その他、災害等の原因究明や対策、既製品の研究(リバースエンジニアリング)にも使われており、現在、世界中の開発現場や研究機関でCAEが活用されています。

大企業だけでなく中小企業においても需要が高まっている

企業においては、クライアントへ試作品を納品する際、CAEデータの添付を要求されるケースも増えてきており、製品の信頼性を高める上からも、CAEはなくてはならないツールとなってきています。

ちなみに、計算力学技術はCAEだけではない

「CAE」は「計算力学技術」の一部で、CAE=計算力学技術ではありません。
「計算力学技術」自体は、コンピュータを用いて行う技術だけではなく、数値計算を用いて解を求める、手計算でも可能な、古くから使われてきた技術です。

CAEは、コンピュータを用いて計算力学技術を用いることで、解を求めるための時間を短縮し、大規模な計算を可能にした、コンピュータ支援による計算技術です。


CAEソフトウェアが進歩して手軽になっても心掛けたいこと

CAEは、研究開発を行う人々にとって、便利で有用な技術です。
計算ツールである、CAEソフトウェアやコンピュータ・パソコン等が進歩していくことで、現在では、計算のベースとなっている有限要素法等の原理や式を知らない人でも、CAEの作業を行うことができるほど、身近な技術になってきました。

ただし、解析の精度を高めるには、やはり、ベースとなっている知識・原理を知っている必要があります。
ベースとなる知識を持っていると、誤った解が出た場合、見抜くことができる確率が高まります。

例えば、材料データや環境データを誤って入力して計算してしまったら、当然、解析結果は誤ったものになります。
誤った解は、実験や、その他の検証方法の値と大きく異なるはずであるため、研究過程のどこかで、CAEの作業上に誤りがあったことに気づける可能性はあります。
しかし、CAEの解の検証を行うことができるレベルの知識を持っていると、手計算で解の検証を行うことができますし、そこまでしなかったとしても、知識や経験から、解の誤りに気づくことができる確率が高まります。

また、誤入力の問題だけではなく、CAEソフトウェア自体にも個性があり、得意、不得意の計算があります。同じデータの解析であっても、ソフトウェアによって計算方法の違いや仕様が異なることから、解にバラつきが出ます。

最終的に判断するのは人間です。
ソフトウェアの精度も、ますます高まっていくと思いますが、ベースとなる知識を持っていることは、自分が行っている作業がソフトウェアにどのような計算の指示をしているのか、自覚しながら行うことができるため、より的確な作業と判断を行うことに繋がります。

やはり、CAE技術者として必要な最低限の知識は学んでおくと良いのではないかと思います。


What's CAE?


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