CAE

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

これはこのページの過去の版です。MathXplore (会話 | 投稿記録) による 2021年1月2日 (土) 11:09 （個人設定で未設定ならUTC）時点の版 (出典などを追加)であり、現在の版とは大きく異なる場合があります。

曖昧さ回避 この項目では、コンピュータツールについて説明しています。その他のCAEについては「CAE (曖昧さ回避)」をご覧ください。

CAE（英: computer-aided engineering、シーエーイー）は、コンピュータによって支援された、製品の設計・製造や工程設計の事前検討などといったエンジニアリングの作業のこと。[1][2][3]あるいはそのためのソフトウェアやツール等を指す場合もある。計算機援用工学（けいさんきえんようこうがく）[4]とも呼ばれる。

要素技術としては、シミュレーション（コンピュータシミュレーション）数値解析[5][6][7]、などがある。

概要

製品の設計時の検討は、コンピュータが発達する以前は、工学便覧に載っているような簡易計算でおこなっており、実物ができるまでその設計の細かな良し悪しがわからなかった。そのため、量産品を作る前に試作品を作り、その際に製造方法の妥当性を検証したり、また耐久試験などを行って製品の性能が十分かを検証していた。このような方法では、コストもリードタイムも多く必要とし、また試作できる回数も限られることから最適な設計の追求も十分ではなかった。

コンピュータ技術の進歩により、以下のようなニーズが高まっていった。

  • 設計のCAD化によって容易に作れるようになった製品データの、コンピュータ計算への再利用。
  • CAMの普及により複雑な形状加工が実現したが、従来の机上計算では予測困難な製品形状の性能予測の実施。
  • 製品に対する要求性能が高まり、最適な設計条件を求めることが必要となる。
  • 投資、リードタイム圧縮のために試作を廃止したり、回数を減らす必要が高まる。

上記ニーズを満たすツールとして、各種CAEツールが登場し、設計における事前検討行為の一つとして普及していった。また、微細加工などの分野では、実験での科学的なデータ収集が困難なものも多く、実験の事前検討としての使用ではなく、現象の理論的な考察に使用される事も多い。

CAE作業の流れ

CAEの作業のフローは、以下の順番で行う。[1][2][3]

  1. 解析する現象を予測し、解析内容を決定する
  2. 解析条件の整理
  3. 必要なデータの収集、CADで作成
  4. プリプロセッサにて、解析用データを作成（計算格子の生成など）
  5. ソルバーを実行して、シミュレーションを行う
  6. ポストプロセッサにて結果を分析

その結果を分析して実物を作る前に設計の妥当性、性能試験、最適形状や最適条件を検討して、製品の問題点の洗い出しを行う。必要に応じてこのフローを何回か回し、目標性能を達成させて製品設計を推進する。最後に試作品にてCAE結果の妥当性を確認して、量産品製造に着手する。業界によっては量産前の試作品を全く作らずに、CAE結果をもって量産品着手を行うことも多い。

解析手法

以下の3つが代表的である。[8]

主な適用分野

CAEの適用分野は機械工学[13]、電気工学[14]、電子工学、建築工学、土木工学、化学工学など多岐に渡る。

主なメーカー

  • TOYOTA SYSTEMS - TopCAST（鋳造シミュレーションソフトウェア）[15]を開発・販売している。
  • MSC Software（英語版） - 2015年、溶接解析および積層造形のSimufact社を買収し[16]、2016年、流体解析のSoftware Cradle社を買収した[17]。2017年、ヘキサゴン社に買収された。ヘキサゴンは2020年、電気機械解析のRomax Technology社を買収した。
  • Dassault Systèmes - 2005年、Abaqus（英語版）社 (後のDassault Systèmes Simulia社) を買収し[18]、2006年、1D-CAEのDynasim社を買収し、2011年、複合材解析のSimulayt社を買収し、2013年、疲労寿命予測解析のSafe Technology社を買収し、同年、射出成形解析のSIMPOE社を買収し、同年、SFE社を買収し、、2016年、CST社を買収し、同年、流体解析のNext Limit Dynamics (Next Limit Technologies（英語版）子会社) を買収し[19]、2017年、Exa Corporationを買収し、2018年、Opera Simulation Softwareを買収した。
  • ANSYS - 2003年、流体解析のCFX社を買収し、2006年、流体解析のFluent社を買収し、2008年、電磁界解析のAnsoft社を買収し、2017年、積層造形の3DSIM社を買収し、2018年、光学解析のOPTIS社を買収し、2019年、自動設計信頼性解析のDfR Solutions社およびマルチフィジックスのLivermore Software Technology Corporation (LSTC) 社を買収し、2020年、光量子解析のLumericalを買収した。
  • Autodesk - 2008年、射出成形解析のMoldflow（英語版）社を買収し、2009年、構造解析および流体解析のALGOR社（英語版）を買収した。
  • シーメンス - 2007年、UGS社 (現Siemens PLM Software（英語版）) を買収し、2011年、複合材解析のVistagy（英語版）社を買収し、2012年、LMS Internationalを買収し、2016年、CD-adapco社を買収し、2017年、Mentor Graphics社を買収し、同年、電磁界解析のInfolytica社を買収し、2019年、複合材解析のMultiMechanics（英語版）を買収した。
  • Altair Engineering - 2006年、構造解析のMECALOG社を買収し、同年、電波伝搬解析のAWE Communications社を買収し、2010年、FEM解析のSimLab社を買収し、2011年、流体解析のACUSIM Software社を買収し、2014年、電磁気解析のEM Software & Systems社を買収し、2016年、電磁場及び伝熱解析のCEDRAT社を買収し、2017年、複合材解析のComponeering社を買収し、2018年、GPU流体解析のFluiDyna社および構造解析のSIMSOLID社を買収し、2019年、Cambridge Collaborative社の騒音・振動解析ソフトウェアSEAMを買収し、同年、粉体解析のDEM Solutions社を買収し、2020年、電磁気解析のnewFASANT社を買収し、同年、発泡成形解析のS&WISE社を買収した。
  • ESI Group（英語版） - 2011年、電磁界解析のEfield社を買収し、2013年、1D-CAE「CyModelica」開発元であるCyDesign Labsを買収し、2015年、AMOEBA社より流体解析のPRESTOを買収し、同年、流体解析のCiespace社の資産を買収し[20]、2016年、1D-CAEのITI社を買収し、2017年、オープンソースソフトウェア「Scilab」(1D-CAEモジュールのXcosを含む) の開発元Scilab Enterprisesを買収した。
  • NUMECA International（イタリア語版） - 2018年、流体解析のFlowkit社を買収した。
  • COMSOL（英語版） - 1986年、KTHの大学院生3名で創業、1996年、MATLABの物理シミュレーションアドオンPDE Toolbox発売、1998年、FEMLAB発売、2005年、製品名をCOMSOL Multiphysicsに変更した。
  • AMPS Technologies
  • 株式会社アライドエンジニアリング - 1981年創業。構造解析ソフトウェア「ADVENTURECluster」を開発する。SCSKの子会社。
  • 株式会社計算力学研究センター
  • 株式会社くいんと - 1985年創業。構造最適設計ソフトウェア「OPTISHAPE」等を開発する。
  • 株式会社先端力学シミュレーション研究所 - 1999年創業の理研ベンチャー。創業者は牧野内昭武。
  • アドバンスソフト株式会社
  • 株式会社科学技術研究所
  • ムラタソフトウェア株式会社 - 設計者向けCAEソフトウェア「Femtet」を開発する。村田製作所の子会社。
  • ファンクションベイ株式会社
  • プロメテック・ソフトウェア株式会社 - 2004年創業の東大発ベンチャー。粒子法流体解析ソフトウエア「Particleworks」や粉体解析ソフトウェア「Granuleworks」を開発する。
  • 株式会社JSOL - 電磁界解析ソフトウェア「JMAG」を開発する。

主な解析の種類

（括弧内はCAEソフト）

　※NX、Fusion 360など、最近の3D CADシステムには線形領域での構造解析機能を持ったものも多く、設計者自らが思考の過程でCAE結果を参考にすることが可能となっている。[22][23]

金型分野への適用も非常に多い

  • 樹脂射出成形解析・樹脂流動解析（3D TIMON、Autodesk Moldflow、SIMULIA Simpoe-Mold (旧SIMPOE)、Moldex3D、Altair Inspire Mold）
  • 金属押出成形解析 (Altair Inspire Extrude-Metal (旧Click2Extrude Metal))
  • ポリマー押出成形解析 (Altair Inspire Extrude-Polymer (旧Click2Extrude Polymer))
  • プレス金型（Pam-Stamp、JSTAMP-Works、AutoForm、DYNAFORM、Altair RADIOSS、Altair HyperForm、Altair Inspire Form (旧Click2Form)）
  • 鋳造金型（ADSTEFAN、MAGMASOFT、Procast、ConiferCast、JSCAST、CAPCAST、Pam-Cast、AnyCASTING、Altair Inspire Cast (旧Click2Cast)）
  • 砂ブロー造型金型（ArenaFlow）[60]
  • 鍛造金型（Simufact Forming (旧MSC.SuperForge）、DEFORM、FORGE3、Altair HyperForm）

積層造形 (Additive Manufacturing[61][62]) 向けのものも登場した

  • 積層造形 (Autodesk Netfabb、Virfac Additive Manufacturing、Amphyon、ANSYS Additive Print、ANSYS Additive Suite (3DSIM exaSIMの後継[63])、Simufact Additive)

農業分野への応用も始った

地球物理、土木、地下水流分野への適用もある

バイオテクノロジー、医用工学分野への適用

食品分野への適用

無線通信分野への適用

  • 電波伝搬解析、無線ネットワークプランニング (Altair WinProp、Raplab、Wireless InSite、iBwave Design、GRASS-RaPlaT)

脚注

  1. ^ a b Chang, K. H. (2016). e-Design: computer-aided engineering design. Academic Press.
  2. ^ a b Chang, K. H. (2014). Product design modeling using CAD/CAE: the computer aided engineering design series. Academic Press.
  3. ^ a b Raphael, B., & Smith, I. F. (2003). Fundamentals of computer-aided engineering. John Wiley & Sons.
  4. ^ オープンCAE学会. “オープンCAE学会について”. 2018年2月6日閲覧。
  5. ^ Stoer, J., & Bulirsch, R. (2013). Introduction to numerical analysis. Springer Science & Business Media.
  6. ^ Conte, S. D., & De Boor, C. (2017). Elementary numerical analysis: an algorithmic approach. Society for Industrial and Applied Mathematics.
  7. ^ Linz, P. (2019). Theoretical numerical analysis. Courier Dover Publications.
  8. ^ 平瀬創也. (2009). C# で学ぶ偏微分方程式の数値解法: CAE プログラミング入門. 東京電機大学出版局.
  9. ^ 昭吉, 伊藤, 順洋, & 河瀬. (2000). 最新有限要素法による電気・電子機器の CAE. 森北出版.
  10. ^ 栗山好夫, & 笹川宏之. (2008). 機械強度設計のための CAE 入門: 有限要素法活用のノウハウ. 東京電機大学出版局.
  11. ^ Louhichi, B., Abenhaim, G. N., & Tahan, A. S. (2015). CAD/CAE integration: updating the CAD model after a FEM analysis. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 76(1-4), 391-400.
  12. ^ 境界要素法 (計算力学と CAE シリーズ) 田中正隆, 中村正行, 松本敏郎 - 1991 - 培風館
  13. ^ 溝口孝遠. (1987). 建設機械の開発における基盤技術と CAE: 基幹技術における機械工学の役割. 日本機械学会誌, 90(828), 1414-1419.
  14. ^ 重松優希, 福本尚生, 古川達也, 伊藤秀昭, & 相知政司. (2014, September). CAE 解析データを利用した電気工学学習用拡張現実ツールの開発. In 電気関係学会九州支部連合大会講演論文集 平成 26 年度電気・情報関係学会九州支部連合大会 (第 67 回連合大会) 講演論文集 (pp. 325-325). 電気・情報関係学会九州支部連合大会委員会.
  15. ^ TopCAST（鋳造シミュレーションソフトウェア） トヨタシステムズ 2019年2月24日
  16. ^ CAEの専門家ではなくても使いやすい溶接シミュなどを本格展開 ITmedia 2015年3月6日
  17. ^ 米MSC、国産CFDソフトベンダー クレイドルを買収 ITmedia 2016年12月26日
  18. ^ PLM雌伏の10年、これからは飛躍の10年となるか (1/4) ITmedia 2017年9月20日
  19. ^ 流体解析ソフトウェア「XFlow」の開発元を買収 ITmedia 2017年01月26日
  20. ^ Company Overview of Ciespace Corporation Bloomberg
  21. ^ ZHANG, M., & WANG, P. (2006). Application of MSC SimDesigner in product design [J]. Computer Aided Engineering, 15, 447-449.
  22. ^ Coward, C. (2019). A Beginner's Guide to 3D Modeling: A Guide to Autodesk Fusion 360. No Starch Press.
  23. ^ Willis, J., & Dogra, S. (2018). Autodesk Fusion 360: A Power Guide for Beginners and Intermediate Users. CreateSpace Independent Publishing Platform.
  24. ^ 戸川隼人. (1975). 有限要素法による振動解析. サイエンスライブラリ情報電算機= 33.
  25. ^ Meirovitch, L. (1975). Elements of vibration analysis. McGraw-Hill Science, Engineering & Mathematics.
  26. ^ Petyt, M. (2010). Introduction to finite element vibration analysis. Cambridge University Press.
  27. ^ Norton, M. P., & Karczub, D. G. (2003). Fundamentals of noise and vibration analysis for engineers. Cambridge University Press.
  28. ^ 日本音響学会. (2011). 音環境の数値シミュレーション―波動音響解析の技法と応用― 丸善.
  29. ^ Verma, G. (2018). Basics of Autodesk Nastran In-CAD 2018 (Colored). CADCAMCAE Works.
  30. ^ Jasak, H., Jemcov, A., & Tukovic, Z. (2007, September). OpenFOAM: A C++ library for complex physics simulations. In International workshop on coupled methods in numerical dynamics (Vol. 1000, pp. 1-20). IUC Dubrovnik Croatia.
  31. ^ Jasak, H. (2009). OpenFOAM: open source CFD in research and industry. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 1(2), 89-94.
  32. ^ Chen, G., Xiong, Q., Morris, P. J., Paterson, E. G., Sergeev, A., & Wang, Y. (2014). OpenFOAM for computational fluid dynamics. Not. AMS, 61(4), 354-363.
  33. ^ Stout, P. J., Yang, H. Q., Dionne, P., Leonard, A., Tan, Z., Przekwas, A. J., & Krishnan, A. (1999, March). CFD-ACE+: A CAD system for simulation and modeling of MEMS. In Design, Test, and Microfabrication of MEMS and MOEMS (Vol. 3680, pp. 328-339). International Society for Optics and Photonics.
  34. ^ 原田隆. (2010). 粒子法流体解析ソフトウェア 「MPS-RYUJIN」(特集 コーティングの底ヂカラ (1) ハード編). コンバーテック, 38(4), 98-100.
  35. ^ Lindell, I.V. (1992). Methods for electromagnetic field analysis. United States: Oxford Univ Press.
  36. ^ Balk, M. C. (2011, February). 3D Magnetron simulation with CST STUDIO SUITE™. In 2011 IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC) (pp. 443-444). IEEE.
  37. ^ 笹川平久. (2015). 光学解析技術の進歩 (< 特集> LED 化にともなう光学系と光学設計・解析技術の進化). 照明学会誌, 99(6), 290-292.
  38. ^ 『Präzisere Echtzeit-Flugsimulation kleiner Nutzflugzeuge durch Integration feingranularer Teilmodelle』 P.22 （ドイツ語） Wolfram Meyer-Brügel 2019年9月17日 ISBN 978-3798330580
  39. ^ Geike, R., Berlin, T. F. H., & Maschinenbau, V. U. U. (2008, November). COMSOL multiphysics in education–chemical reactions, heat and mass transfer. In Proceedings of the COMSOL Conference (Vol. 1).
  40. ^ Dickinson, E. J., Ekström, H., & Fontes, E. (2014). COMSOL Multiphysics®: Finite element software for electrochemical analysis. A mini-review. Electrochemistry communications, 40, 71-74.
  41. ^ 複合材解析を分かりやすくするCAE「MSC Apex Harris Hawk」 ITmedia 2018年4月3日
  42. ^ Panza, M. A. (2015). A review of experimental techniques for NVH analysis on a commercial vehicle. Energy Procedia, 82, 1017-1023.
  43. ^ Binh, L. N. (2014). Optical fiber communication systems with Matlab and Simulink models. CRC Press.
  44. ^ Stewart, R. W., Barlee, K. W., & Atkinson, D. S. (2015). Software defined radio using MATLAB & Simulink and the RTL-SDR. Strathclyde Academic Media.
  45. ^ Chaturvedi, D. K. (2017). Modeling and simulation of systems using MATLAB and Simulink. CRC press.
  46. ^ Bishop, R. H. (1996). Modern control systems analysis and design using MATLAB and SIMULINK. Addison-Wesley Longman Publishing Co., Inc..
  47. ^ Xue, D., & Chen, Y. (2015). Modeling, analysis and design of control systems in MATLAB and Simulink. World Scientific Publishing.
  48. ^ Yakimenko, O. A. (2019). Engineering Computations and Modeling in MATLAB®/Simulink®. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc..
  49. ^ Klee, H., & Allen, R. (2016). Simulation of dynamic systems with MATLAB and Simulink. CRC Press.
  50. ^ Vasiliu, N., Vasiliu, D., Călinoiu, C., & Puhalschi, R. (2018). Simulation of Fluid Power Systems with Simcenter Amesim. CRC Press.
  51. ^ Hřebíček, J., & Řezáč, M. (2008). Modelling with maple and maplesim. In 22nd European Conference on Modelling nad Simulation ECMS 2008 Proceedings (pp. 60-66).
  52. ^ Lynch, S. (2017). An Introduction to Wolfram SystemModeler. In Dynamical Systems with Applications Using Mathematica® (pp. 509-522). Birkhäuser, Cham.
  53. ^ Rozhdestvensky, K., Ryzhov, V., Fedorova, T., Safronov, K., Tryaskin, N., Sulaiman, S. A., ... & Hassan, S. (2020). Computer Modeling and Simulation of Dynamic Systems Using Wolfram SystemModeler. Springer Singapore.
  54. ^ Fritzson, P., Aronsson, P., Lundvall, H., Nyström, K., Pop, A., Saldamli, L., & Broman, D. (2005). The OpenModelica modeling, simulation, and development environment. In 46th Conference on Simulation and Modelling of the Scandinavian Simulation Society (SIMS2005), Trondheim, Norway, October 13-14, 2005.
  55. ^ Fritzson, P., Aronsson, P., Pop, A., Lundvall, H., Nystrom, K., Saldamli, L., ... & Sandholm, A. (2006, October). OpenModelica-A free open-source environment for system modeling, simulation, and teaching. In 2006 IEEE Conference on Computer Aided Control System Design, 2006 IEEE International Conference on Control Applications, 2006 IEEE International Symposium on Intelligent Control (pp. 1588-1595). IEEE.
  56. ^ Wouwer, A. V., Saucez, P., & Vilas, C. (2014). Simulation of Ode/Pde Models with MATLAB®, OCTAVE and SCILAB: Scientific and Engineering Applications. Springer.
  57. ^ Bunks, C., Chancelier, J. P., Delebecque, F., Goursat, M., Nikoukhah, R., & Steer, S. (2012). Engineering and scientific computing with Scilab. Springer Science & Business Media.
  58. ^ Mora, Á., Galán, J. L., Aguilera, G., Fernández, Á., Mérida, E., & Rodríguez, P. (2010). Scilab and Maxima Environment: Towards Free Software in Numerical Analysis. International Journal for Technology in Mathematics Education, 17(2).
  59. ^ Gaier, C., Unger, B., & Vogler, J. (1999). Theory and applications of FEMFAT-a FE-postprocessing tool for fatigue analysis. In Fatigue'99: Seventh International Fatigue Congress (pp. 821-826).
  60. ^ 宮本義弘. (2014). 砂中子のシミュレーションソフト Arena-Flow. 鋳造工学, 86(12), 957-961.
  61. ^ Gibson, I., Rosen, D. W., & Stucker, B. (2014). Additive manufacturing technologies (Vol. 17). New York: Springer.
  62. ^ Wong, K. V., & Hernandez, A. (2012). A review of additive manufacturing. International scholarly research notices.
  63. ^ Frustum and ANSYS: 3D Software Solutions on Display at RAPID + TCT 3DR Holdings 2018年5月1日
  64. ^ Mohsin, T., Arhonditsis, G., Mirza, M., & Gough, W. A. (2019). Key Agri-Climatic and Socio-Economic Indicators for Cereal Production across the World. International Journal of Environment, Agriculture and Biotechnology, 4(2).
  65. ^ Li, Q., Ito, K., Wu, Z., Lowry, C. S., & Loheide II, S. P. (2009). COMSOL Multiphysics: A novel approach to ground water modeling. Groundwater, 47(4), 480-487.

関連項目

CAE ソフトウェア
オープンソース
プロプライエタリソフトウェア
「https://ja.wikipedia.org/w/index.php?title=CAE&oldid=81150426」から取得