振動式加工機における機械構造の解析

質問

振動モーターを利用して、ワークを加工する機械を設計している者です。

機械の構造部が複雑な製缶構造をしており、新規機械を設計する際には過去に作った機械を参照し、実機を作成して実際に運転させて振幅の大きい箇所を補強している状況です。（つまりカンで設計して、だいたいの目安で検証している状況）

振動によるひび、割れ等が発生した際には都度補強をして対応しております。

このままでは、どんどん過剰設計になる傾向で、なおかつ、カンで設計しているので、機械の全体レイアウトに対する設計変更もままならない状況です。

当方はCAEに対する知識も乏しいのですが、振動機器の構造体の強度解析に使えるCAEソフトはどの様なものがあるのでしょうか？

回答No.2

noname#230359

基本的には前回答者さんと同意見ですが、同じ経験をした設計として書き込みます。

まずＣＡＥソフトは構造解析ソフト(弾性体の応力や歪、固有振動数を解析する)となります。既にアドバイスがある通り、3次元ＣＡＤを使っていればそれに適したソフトをＣＡＤ購入の商社に聞けば紹介してもらえます。基本的には3次元データは中間ファイル経由でどの解析ソフトでも使えますが、特定ＣＡＤのデータをダイレクトに扱えるＣＡＥソフトもあり、そちらの方が格段に楽です。

私も設計である会社に属していた時、全く応力計算をしない設計者ばかりで驚いた経験があります。最低でも片もち梁等の単純モデルで応力計算等をし、複雑形状でより経済設計を目指す段階で、ＣＡＥソフト活用というステップになります。上述の様な状況の場合、まず単純モデルで計算する事が第一歩です。それを飛ばしてＣＡＥを導入しても猫に小判です。その会社では導入しても解の収束確認はしないし、プラスチックを解析して応力の絶対値をカタログと比較する(プラスチックは材料非線形である事を考慮せずに安全率1.2とかで設計すると繰り返し荷重等でよく折れます)等かなり危ない設計をする方が増えてしまいました。原因はやはり材料力学や有限要素法の知識不足が原因です。

以上を考慮し、貴社の方向性を検討下さい。

回答No.1

noname#230359

まず形式的に回答します。

３次元CADを使っていらっしゃるのなら、それと相性の良いCAEツールを使われると良いと思います。
ただし、SolidWorlsなどは無料で使えるような低機能のものではなくて、ちゃんとお金を払って使うものでなければ役立ちません。
もっとも３次元CADを使っていらっしゃっても、複雑な製缶構造だと、最近流行の設計者向け解析ツールは、期待はずれに終わることになると思います。シェルモデル化・梁モデル化などが必要になると考えます。

３次元CADを使っていらっしゃらないのなら、構造解析と固有振動解析ができるCAEツールを購入されるのが良いと思います。
有名で比較的手ごろなツールとしては、ANSYS、NASTRANなどが挙げられます。
ただし、その使いこなしには、かなりの時間がかかると思ってください。

金額的には、ツールでひと声150万円、いろいろな勉強のために、さらに50万円ぐらいかかるものだとお考えになったら良いと思います。

もし、この際、３次元CADを導入し、個人でいろいろと勉強なさるのであれば、Pro/ENGINEERのStudentEditionというのが、CAD機能のほか、解析機能もついて、６万円程度で購入でき、Pro/E関連のCAD・CAEのほとんどフル機能が使えます。StudentEditionとは言うものの、社会人も購入できます。ただし、業務に使用してはならず、あくまで個人で購入し、個人の勉強のために使う目的での購入に限定されます。
http://www.varsitywave.co.jp/products/proeng/price.html

以下、私の本音です。
はっきり申し上げて、そんな設計でよく商売していますねえ？
あなたの会社の問題は、CAE解析以前の問題だと思います。

加工機械や、それ以上の機械らしい機械では、通常、どの構造部品が、どのような役目を担っている、ということを意識して設計しているものです。
具体的には、設計者は、ある部品について、その部品が、
・機構的にはどの部品からどの部品へ、どんな挙動を伝えるか？
・強度的には、どんな力やモーメントに耐えるか？
・剛性的には、どの程度の変位や回転を生じるものなのか、固有振動数はどの程度以上を確保しているのか？
など、言えなければなりません。
（ただし、家電品などの設計者は、これらについて言えないのも実情ですが。）
それ抜きで設計していては、”次の一手”を合理的にみつけることができないではありませんか？
逆に、以上のことを意識していれば、CAEなどを使わずに、手計算でも設計が出来てしまうレベルの問題だと思います。
要は、洞察力があるかないかの問題だと思っています。

まあ、そういう原則論をここで申し上げても、解決にはならないことでしょうから、もし今後、自社の特徴を出して、他社を凌駕する製品を世に出したくなった場合には、考えてみましょう。

ところで、「CAEに対する知識が乏しい」とのことですが、材料力学や振動の知識はどのくらいおありなのでしょうか？
「強度解析」という表現を使っていらっしゃいますが、何を目的として解析するものか、わかっていらっしゃいますか？
「強度」というものは、測定するものであって、解析はできないものなのですよ。
ですから、「応力解析」とか、「変位解析」とか、はたまた「固有振動数解析」などと言い換える必要があるのです。
この辺の意味合いがおわかりにならなければ、CAEに飛びつくのは早すぎます。

CAEというものは、材料力学や振動の知識を前提に使用するものです。
CAEとは、複雑な計算を手助けしてくれるツールであって、わからないことを教えてくれるツールではありません。
ワープロが、文章の書き方までは教えてくれないのと一緒です
CAEツールを使うといっても、解析対象の評価方法や、入力すべきものがよくわからないのに、出力が評価できるはずがないのです。材料力学や振動の知識なしに使うのは非常に危険です。

まあ、こういう理屈をここで申し上げても、あなたの解決にはならないにはならないことでしょうから、もし今後、CAEを使って解析なさる場合には、材料力学と振動について、あわせて勉強していきましょう。
まずは、どこかのCAEベンダーの講習会か、または機械学会主催の講習会に参加するのが良いと思います。
ただし、前者の場合、先方は良い客をみつけたとばかりにいろいろと攻勢をかけてきますし、良いことしか言いませんので、複数のツールの比較をし、納得しないうちは、話に乗らないようにしましょうね。

お礼

早速のご回答有難う御座います。

確かに構造体一つとっても、どの部位に一番力が掛かるのか位は機械設計者として理解していないとマズいと思います。

ただ、理想を言えば補強リブ一つとっても、｢どの位の厚みでどのような形状にすれば、どの位改善されるのか｣を定量的に評価していかなければ、最適な設計にたどり着かないと思っております。

機械自体は単純なので、その構造体を｢剛体｣とした時のモデル作成は比較的簡単だと思います。但し私個人、仰る通り振動体の挙動に関しては勉強が必要だと思います。もう一度基本に立ち返ってこの構造体に向き合いたいと思います。現状｢結果論として｣理解しているだけなので。

現在3D-CADを導入しようか、という過程でベンダーから紹介を受けた際に
部品レベルでの固有振動数や静的な力を受けた場合の応力分布も簡単に解析出来ますよ。とデモを受け、それなら｢あの｣機械に使えないか？と思い質問させて頂いた次第です。