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製品開発における CAE の運用 （Creo Simulate
MECHANICA最先端 最先端 製品開発における CAE の運用 （Creo Simulate) 先端技研株式会社 Sentan Digital Co.,LTD 〒222-0033 横浜市港北区新横浜3-8-11KDX新横浜381-3F TEL 045-474-1457 FAX 045-474-1458 mobile (81)80-3805-6523 E-mail [email protected] http://www.e-sentan.com 1 2012/12/18 Agenda 1. 会社紹介 2. 設計と解析（Creo Simulate) 3. 幾つかの事例 2 2012/12/18 1 会社情報 商 号 先端技研株式会社 本社所在地 〒220-0033 横浜市港北区新横浜3-11-8 KDX新横浜381-3F （JR新横浜駅徒歩5分,市営地下鉄新横浜駅3分） 代 表 者 代表取締役社長（工学博士） 叶 新華 連 絡 先 資 本 金 \17,000,000 TEL 045-474-1457 FAX 045-474-1458 技 術 顧 問 吉村 信敏（工学博士） 営 業 開 始 平成16年12月1日 主要メンバーは 元PTCコンサルタント P.3 個人概要 1989年 来日、静岡大学留学 1993年 博士課程終了、ミネベアへ就職 1997年 PTCに転職 コンサルティングチーム所属 設計者CAEを推進 Pro/ENGINEER内蔵のMechanicaについて 日本一と自負 2004年 PTC CAEグループメンバーを中心に 先端技研株式会社設立 設計者向けのCAD/CAE業務を中心に展開 2006年 北京･合肥で事務所 2012年 南京321プロジェクトに入選、南京で法人を設立 P.4 2 事業内容 1. CAD/CAE/CAO製品の販売、開発と支援 CAD/CAE/CAO製品の販売、開発と支援 2. 設計者向けのCAD/CAE 設計者向けのCAD/CAEコンサルティングとトレー CAD/CAEコンサルティングとトレー ニング 3. モデリングと解析の受託 モデリングと解析の受託 4. エンジン解析のコンサルティングと受託 5. 高度な解析受託（機構解析、構造解析、熱流体 解析、公差解析、信頼性解析、最適化解析） 6. 各種プログラミング（ 各種プログラミング（CADカスタマイズ CADカスタマイズ、各種アプ カスタマイズ、各種アプ リケーションの作成） 7. モデルの修復 8. 中国人材の紹介、中国進出の仲介 9. 翻訳及び通訳業務（英語⇔ 翻訳及び通訳業務（英語⇔日本語⇔ 日本語⇔中国語） 解析を中心、Creo全般 全般 解析を中心、 P.5P.5 Sentan Digital Co.,LTD 使命： デジタルモデル価値の最大化 設計完成度の向上 （品質の向上、期間の短縮、コストの削減） 設計者CAE 設計者CAE Mechanica BMX MDX/MDO ＦｌｏＥＦＤ 解析者CAE 解析者CAE 最適化 信頼性解析 組込みソフト 制御技術 iSIGHT Cetol- 6σ Matlab Simulink ツールを問わず ツールを問わず CADデジタルモデル CADデジタルモデル P.6 3 主要商品 PTC CREO CREO Simulate（設計者向け Simulate（設計者向け 構造解析ソフト） Mathcad PDMLinkなど PDMLinkなど EFD‐Pro（設計者向けマルチ EFD‐Pro（設計者向けマルチCAD （設計者向けマルチCAD アドイン 熱流体解析ソフト） NEI/NSTRAN（ NEI/NSTRAN（構造解析ツール、ハイパフォーマンス・低コスト） iSIGHT（最適化解析ツール、ソフトウェアロボット） iSIGHT（最適化解析ツール、ソフトウェアロボット） JSCAST(鋳造解析） JSCAST(鋳造解析） ANSYS系列（一般商用マルチフィジカル解析ツール） ANSYS系列（一般商用マルチフィジカル解析ツール） LSLS-DYNA（ DYNA（衝撃解析） Moldex3D（ Moldex3D（樹脂流動解析） ACTRAN VA（振動騒音解析ソフト） VA（振動騒音解析ソフト） P.7 PTC 解析製品群 Creo BMX Mechanism MDX Creo Simulate Mathcad Structure DAO Fatigue Advisor 公差解析 MDO ＜概要＞ EFD-Pro Thermal BMX；全体最適化 MECHANISM；機構解析 MDX；キネマティック解析 Moldex3D Pro/FEM MDO；ダイナミック解析 Structure；構造解析 Thermal；熱伝導解析（定常＆非定常） CreoSimulate FEMプリポストプロセッサー Fatigue Advisor；簡易疲労解析 Moldex3D；樹脂流動解析 P.8 4 ビジネス形態 顧客 Advanced Simulation Business Pro/ENGINEER Simulation Business PTCジャパン様 PTCジャパン様 請負 （直販アカウント） 新日鉄ソリューションズ様 理経様 直接 大塚商会様 販売 等の代理店と協業 他ベンダー様 との協業 直接 販売 先端技研 縁の下の力持ち P.9 Sentan Digital Co.,LTD 中国の拠点 中国南京市の人材誘致で 会社設立 PTCの代理店 PTCの代理店 北京、上海、重慶、合肥 にビジネス拠点を設置 日本からの業務 現地日系企業をサポート 解析を中心、Creo全般 全般 解析を中心、 P.10 Sentan Digital Co., LTD. 5 先端技研トレーニングコースの一覧表 1.CAE基礎講座（座学） 2日 12.Pro/ENGINEER基礎コース 3日 2.CAEアドバンス講座（座学） 2日 13.トップダウン設計コース 2日 3.Mechanica基礎解析トレーニング講座 2日 14.シートメタル 1日 4.Mechanica接触解析トレーニング講座 1日 15.流用設計 1日 5.振動解析基礎講座（座学） 1日 16.図面コース 1日 6.Mechanica振動解析 1日 17.パイピング基礎（2011年3月下旬） 1日 7.熱解析基礎講座（座学） 1日 18.EFX wf5.0 （2011年5月） 8.Mechanica熱解析トレーニング 1日 19.Pro/NC wf4.0（ポスト含まず） 2日 9.MDX機構解析トレーニング 1日 20.Pro/E wf5.0初級 3日 10.MDO機構解析トレーニング 1日 21.Pro/E wf5.0中級 3日 1日 22.Pro/E wf5.0上級 3日 11.BMXトレーニング 1日 カスタマイズトレーニング（別途お見積り） スキルチェックとフォローアップトレーニング Sentan Digital Co.,LTD CAE 結果ビューワー • • 見たい、変更したいアイテムはクリック 横浜市政府助成 P.12 6 カスタマイズ 無限の可能性 非リンク寸法の検出と整理 解析のテンプレート化 （完全初心者もできる） Pro/ENGINEER Toolkitでのアプリケーション開発 Pro/Intralink Toolkitでのアプリケーション開発 顧客のPro/Toolkit使用支援のためのコンサルティングサービス Toolkit使用のための顧客向けトレーニング P.13 P.13 Agenda 1. 会社紹介 2. 設計と解析（Creo Simulate) 3. 幾つかの事例 14 2012/12/18 7 製品ライフサイクル原価を最小限に 原価決定のライフサイクル “Total Product Confidence” 100 80 Digital Product 95% 85% ライフサイクルコスト が決まる 70% Physical Product 60 一旦それが製造に行 けば、最大９５パーセ ントの製品のライフサ イクル原価は固定され ます 35% 40 22% 原価を切下げ る機会 20 概念のデザイン 詳細デザイン 生産 サポート 製造への移行 情報元: 情報元 DARPA RaDEO Project デジタルモデル価値の最大化 解析型設計を提唱 解析と設計が分離 期間が長い、コストが高い （死因判定） ¥¥¥ ¥¥ ¥ 従来 製品 開発 解析（応力、剛性、振動、熱） 概念設計 基本設計 詳細設計 性能解析 剛性、固有値、 応力レベルの 解析 細部応力の 解析 提案 試作 試作回数 減少 製造 市場 不具合減少 解析と設計が一体 戻りが大幅に減少、期間短縮、コスト削減 （健康診断） 8 応力、変形、安定性、固有振動数の把握 手法1－手計算 古くから使われている。 高度な力学知識が必要 複雑な形状では無力、誤差も大きい。 手法2ー実験 最も分かりやすい。確かな情報が得られる。 実物が必要。コストが高い。時間がかかる。 実験できないときも多い。（無重力） 手法3－机上の実験（解析） コンピュータと有限要素法の力を借りる。 実物が不要なので、設計段階で確認できる 投資（ハード＆ソフト）が必要 正しい使い方が必要 17 2012/12/18 有限要素法の考え方 計算可能な挙動 挙動= ?? 複雑な形状を有限な数の単純な形状に 分割するというのがFEMの考え方 9 有限要素法の歴史 １９５６年 M.J.Turner,R.W.Clough,H.C.Martin, M.J.Turner,R.W.Clough,H.C.Martin, and L.J.Topp, L.J.Topp, “Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structure “ J. Aeronautical Sciences ,1956 １９６０年代 １９６０年代 汎用線形構造解析コード NASTRAN １９７０年代 １９７０年代 汎用非線形構造解析コード MARC、 MARC、ANSYS １９８０年代 １９８０年代 CAEが様々な産 CAEが様々な産 業で普及し始める 。 FEMメッシュの自動作成、 FEMメッシュの自動作成、CAD CAEの連動、IDEAS メッシュの自動作成、CADと CADとCAEの連動、 の連動、IDEAS １９９０年代 FEMメッシュの自動作成、 FEMメッシュの自動作成、CAD メッシュの自動作成、CADと CADとCAEの連動、精度自動収束（ CAEの連動、精度自動収束（P の連動、精度自動収束（P法-Mechanica） Mechanica） 解析結果に影響する要因 形状の近似 要素の種類（4面体が最悪） 要素の歪み（正方形が良い） 要素パターンの規則性 分割粗さの変化（漸進） 要素間の連続性（中間節点） • • • これをノウハウだと自慢する人が多い。 なぜこんな設計と関係ないことを覚えないといけないのか？ 設計活動にリアルに対応可能か 分割あらさと予想応力（応力集中） 要素内の節点番号の順番、差 要素の次数（高次が良い） 荷重条件／拘束条件の正確さ 板厚／材料物性との対応 材料定数の正確性、非線形性 現場では、メッシュ作成でもう精一杯 解の精度の良し悪しを論ずる余裕がない。 20 2012/12/18 10 アダプティブP法とMechanicaの小史 1975年頃 Zienkiewicz教授がhierarchical要素（Mechanicaの要素）を提案 1980年頃 Babuska教授がアダプティブP法の収束性を証明 1985年頃 Szabo教授がアダプティブP法の優位性を証明 1988年 1990年 この頃 IBM Almaden研究所がアダプティブP法に注目 IBM Almaden研究所の研究者が ソフト開発のためのベンチュア企業 Rasna を設立 Applied Structure（静応力解析）を発表 アダプティブP法とパラメーター解析が可能 その後 Applied Thermal、Applied Vibration が開発され、 後に Mechanica シリーズ となる 1999年 PTC社が Rasna社を買収 ProMechanica シリーズと改称 ProEngineerとの統合モードの開発に注力 Wildfire 4.0 メッシュ制御機能を追加（H-P法）、超弾性材料 Wildfire 5.0 弾塑性解析、 Creo2.0 非線形解析の組み合わせ 21 2012/12/18 解の精度向上するアプローチ 変形の形を変えずに、要素を細かくすることに よって、新の変位を近似する 22 要素の大きさを変えずに、変形の形を高くするこ とによって、真の変位を近似する。 2012/12/18 11 形状関数と要素数 変形： 多項式 変形： 線形 要素1個 要素1個、形状関数１次 要素1個、形状関数2次 要素2個 要素3個 要素4個 何処まで次数を高めるとよいか 解の収束性 メッシュの品質 - 実例 ようやく Pro/MECHANICA の96％になる Ｈ法： 苦労すれば、メカニカ のデフォルト結果になる。 一回だけの結果を信じないで 要素に関するノウハウが不要 設計者のためのツール 24 2012/12/18 12 P法 VS H法（天網恢恢、疎して漏らさず） 設計者は設計と関係ないFEM知 識を覚えなくてよい。 MECHANICAを活用し、製品品 質の把握と制御に安心に専念す ることができる。 H-Code 要素数5120 5120 要素数 最大応力31.1 最大応力31.1 設計者による解析 ジオメトリの導入（CADとの一体化） 要素の作成 解析条件の定義 何を求めるか（解析の種類） どのように求めるか（H法 VS P法） 結果を如何に表示するか 結果は正しいか？ いかに設計結果を設計に反映するか？ 感度解析。最適化解析 26 2012/12/18 13 簡単に使えること CADと一体化（NativeかAdd－in) CADと共通の操作 直感的、体系的 27 2012/12/18 正確な結果が得られること 精度管理されていない結果は設計に役立たない。 経験、勘、度胸からの脱却（個人差を無くす） フィレット部の応力が 収束していることをグ ラフで確認できる 28 2012/12/18 14 品質の制御：感度解析（有用） 寸法などの変化に伴う物理量（応力、変位、固有値など）の 変化を自動的に算出する。一々モデルの再構築が不要 必然的に設計を改善できること 設計変更に対応（パラメトリックモデル） 感度解析 最適化解析 30 Max_Disp(mm) Max_Stress_vm(Mpa) mass(g) 最初設計 最適化設計 0.052 0.028 141.0 93.0 166.5 78.3 効果 -46% -34% -53% 2012/12/18 15 注意点 その１ その１- 収束法 シングルパスアダブティブ 1回目は、すべてのエッジに３次の形状関数を設定、２回目は、要素間の応力の 回目は、すべてのエッジに３次の形状関数を設定、２回目は、要素間の応力の 段差に基づいて、次数を決定。マルチパスより早い。 マルチパスアダブティブ パス間のローカル変位・ローカル歪みエネルギー及びグローバルRMSの応力の の応力の パス間のローカル変位・ローカル歪みエネルギー及びグローバル 差で次数を決定。変化の激しい処、自動的に次数をアップ。収束はより丁寧に行 われている。収束グラフがあるので、収束度を確認できる。特に高次の周波数を 要求する場合、使うべき 解の収束性 固有値 有限要素法の解は常に危険側にある！ 応力、剛性は実際より低く算出 固有振動数は実際より高く算出 うっかり信用すると、大惨事になりかねない 実際 変位 応力 要素の細かさ（H 要素の細かさ（H法） 変位の次数（P 変位の次数（P法） 簡単に桁違いの結果を出す 32 2012/12/18 16 自動収束 Adaptive P法を搭載、応力集中を見逃さない 各エッジの変位、ひずみエネルギー、 RMS応力の変化に応じて、次数を自 動的にアップする。 収束率の確認 17 注意点 その2 その2- 特異点 面積ゼロの拘束と荷重 形状変化の不連続 拘束（実際変形を反映しない拘束） 注意点 その3 その3- 要素制御 最大要素サイズ 曲率 18 Agenda 1. 会社紹介 2. 設計と解析（Creo Simulate) 3. 幾つかの事例 37 2012/12/18 事例１: 感度解析 ボルト締結 材質；STEEL シャフトにより、 回転可能 実機での 変形位置 PNT1 PNT0 結論 この断面の捻り強度不足 →断面2次極モーメントを 大きくする必要有り。 PNT1 PNT0 19 事例１: 感度解析 PNT1付近の最大応力 PNT0付近の最大応力 幅を変更するメリットは小 PNT1付近の最大応力 設計変更の指針を定量的に！ h試作で不具合（曲がり）発生の対策。 試作で不具合（曲がり）発生の対策。 →設計変更の指針を定量的に求め、 有効な対策を打てた。 PNT0付近の最大応力 フランジ高さ4 フランジ高さ4mm付近がベスト mm付近がベスト? 付近がベスト? 事例2: 軸受け 微小なラウンドを追加するだけで、最 大応力値が激減 問題のあった軸受け 全体アセンブリ 設計変更の指針を定量的に！ 問題のあった軸受け 部品 ma8298,prt 感度解析の定量的なデータによる 効率的な設計変更。 ラウンド R0.1 σ1=50.4MPa ラウンド R0.5 σ1=24.7MPa 20 事例3 オルタネータ： 共振が発生 共振が発生 試験で 発電機 共振周波数= 共振周波数=280Ｈｚで共振数することを確認 280Ｈｚで共振数することを確認 MECHANICAのプロセス Mount’g Brkt. Boss (Cylind. Head) Alternator Oil Pump Case Analysis Procedure 1. 2. 3. 4. ソリッドモデルの構築 現状モデルの固有値を把握 設計パラメータの決定 感度解析と最適化解析 21 現状の把握 1st : 147 Hz 2nd : 281 Hz Von Mises Stress Distribution Contour Plot 設計パラメータの策定 Plate Thickness Base Thickness Rib Angle RibThickness Mounting Bracket OP Rib Thickness Oil Pump Case 22 最適化の結果 対策前 ブラケットを修正 (Plate T : 13mm, Rib Angle : 52°) Response Point 実験結果 Exciting Point Displacement (Log) 1.E-06 2次固有振動数は 次固有振動数は320Ｈｚ 次固有振動数は Ｈｚ 共振回避ができた。 共振回避ができた。 共振のピークも下がった。 共振のピークも下がった。 1.E-07 1.E-08 1.E-09 0 100 200 300 400 Frequency (Hz) 事例４ フォークリフトの振動 某フォークリフトメーカ（３トン） トータル重量4.4トン アイドリング時、ハンドルは大きく振動 Sentan Digital Co.Ltd 46 23 問題提出 現象分析 プロジェクトの流れ 現象再現 設計改善 実測 問題提出 設計改善 実測 現象考察（実際と理論） 2ヶ月間 最終確認 2ヶ月間 問題の再現 2ヶ月間 設計の2次改善 設計の１次改善 Sentan Digital Co.Ltd まとめ 測定 ２次試作 改善案の選定 実測結果分析 測定 次試作 改善案の選定 1 47 問題提出 現象分析 現象分析 現象再現 設計改善 実測 設計改善 実測 励振 構造物 応答 最終確認 アイドリング時の回転数800rpm 周波数=26.7Hz 強制振動= 内的要因(各自共振モード)+外部的要因（エンジンからの振動) Sentan Digital Co.Ltd 48 24 問題提出 現象分析 解決方法 現象再現 設計改善 振動問題を解決するために、幾つかの手段がある。 実測 設計改善 実測 最終確認 1. 2. 3. 4. 振動元からの振動を小さくする。 振動元からの振動を隔離、もしくは減衰させる。 構造物の固有振動数を変えて、エンジンからの振動と共振させない。 共振を避けられない場合、減衰などを利用して、共振の振幅を抑える。 今回のハンドル振動問題に対して、以下の手法を考えられる。 1. 2. 3. 4. エンジンアイドリングの回転数を変える。 振動伝達経路にダンパーなどをつけて、振動を吸収する。 ハンドルおよび関連部品の固有振動数を変える。 ハンドルおよび関連部品の動的剛性を高める。 強制振動= 内的要因(各自共振モード)+外部的要因（エンジンからの振動) Sentan Digital Co.Ltd 49 問題提出 現象分析 設計案の確定 現象再現 設計改善 実測 設計改善 実測 最終確認 • エンジンアイドリングの回転数を高めると、 アイドリング時の燃費が悪い。回転数を下げ ると、回転に切り替える時の性能が影響され る。アイドリング回転数の変更余地が小さい。 • 動力伝達経路にダンパーおよびその他 の装置を取り付けると、設計の抜本的な変更 が必要。コストが大幅に上昇する。 • 全体設計を変えない前提で、ハンドルお よび関連部品の設計変更により、共振周波 数を変えることにより、ハンドルの振動を抑え る方法は最も有効、且つ経済的である。 ハンドル機構の共振周波数を変える Sentan Digital Co.Ltd 50 25 問題提出 現象分析 モデルの構築 現象再現 設計改善 実測 設計改善 ハンドル（ブルー） 実測 最終確認 支持板（グレイ） 支持フレーム（オレンジ） 固定板（グリーン） Sentan Digital Co.Ltd 51 問題提出 現象分析 解析条件 現象再現 設計改善 実測 設計改善 • 材料特性の指定 • 部品間の接続 • 拘束条件の設定 • 荷重の設定 • 特別要素の使用 • メッシュの作成 • モデルの修正 • メジャーの定義 • 解析の定義 • 実行 実測 最終確認 Sentan Digital Co.Ltd 52 26 問題提出 現象分析 固有値解析 現象再現 設計改善 実測 設計改善 実測 問題になるモードは？ 最終確認 Sentan Digital Co.Ltd 問題提出 53 現象分析 現象再現 設計改善 実測 設計改善 実測 最終確認 固有値解析の結果 Mode1:26.20Hz Mode2:50.51Hz Mode3:71.57Hz 全体左右振動 ハンドル局部前後振動 全体前後振動 Mode4:73.30Hz Mode5:80.53Hz Mode6:128.25Hz ハンドル局部ねじり ハンドル局部左右振動 全体左右ねじり 54 Sentan Digital Co.Ltd 54 27 問題提出 現象分析 卓越モード 現象再現 設計改善 実測 設計改善 Mode_01 実測 最終確認 問題モード26.2Hz 実際現象を見事に再現 Sentan Digital Co.Ltd 55 問題提出 現象分析 感度解析 現象再現 設計改善 実測 設計改善 実測 最終確認 設計変数の指定 •寸法 •質量 •材料特性 評価対象 Sentan Digital Co.Ltd 56 28 長さ 幅 厚さ 部品 支持板 Sentan Digital Co.Ltd 変数 カレント值 カレント值(mm) 長さ 135 厚さ 6 幅 65 変化範囲 周波数変化範囲(Hz) 周波数変化範囲(Hz) 50—250 50.39—15.16 敏感度 强 3—13—23 16.53—50.30—50.48 强 35—95 19.45—30.56 强 57 問題提出 長さ 現象分析 現象再現 設計改善 実測 設計改善 実測 最終確認 正面厚さ 側面厚さ 部品 変数 カレント値(mm) カレント値(mm) 長さ 275 変数変化範囲 175—375 周波数変化範囲(Hz) 周波数変化範囲(Hz) 40.49—18.05 側面厚さ 6 3—26—33 19.84—50.14—50.45 正面厚さ 6 3—9—33 24.93—26.11—24.67 敏感度 强 支持 フレーム Sentan Digital Co.Ltd 强 弱 58 29 問題提出 現象分析 設計目標 現象再現 設計改善 実測 エンジンアイドリング回転数 750 —— 850rpm 850rpm 周波数 25 —— 28.3Hz 設計改善 実測 最終確認 理論上、共振周波数から3Hz程離れると共振を避けられる ここではアイドリング周波数から5Hzの離れを目指す。 20Hz 1次固有振動モード （卓越モード） 33Hz Sentan Digital Co.Ltd 59 問題提出 現象分析 応答曲線 現象再現 設計改善 アイドリング範囲25 - 28.3Hz 実測 設計改善 26Hz 実測 最終確認 Sentan Digital Co.Ltd 33Hz 20Hz 60 30 問題提出 現象分析 最適化設計 現象再現 設計改善 実測 固有周波数 33Hz 33Hzか か20Hz 設計改善 実測 最終確認 総合効果 特定モード アセンブリ 剛性 質量 Sentan Digital Co.Ltd 61 問題提出 現象分析 最適化結果 現象再現 設計改善 実測 設計改善 実測 • • 支持板の厚さと支持フレームの厚さを設計 変数にする。 アセンブリの寸法の変更が不要 最終確認 最適化目標 質量最小 制限条件 33Hz 33Hz 最適化結果 支持板 支持板厚さ 6→7.96 支持フレーム厚さ 6のまま 設計変数 Sentan Digital Co.Ltd 62 31 問題提出 現象分析 振動測定 現象再現 設計改善 実測 設計改善 実測 最終確認 1. 2. 3. 4. 5. 現行支持板の厚さ6mm 支持板厚さ4mm 支持板厚さ8mm 支持板厚さ10mm、幅42.5mm 支持板厚さ4mm、フレーム厚さ4mm（4_4mm） 試作品 試作品 Sentan Digital Co.Ltd 63 問題提出 現象分析 振動測定 現象再現 設計改善 ハンドル Z軸 実測 設計改善 Y軸 測定位置 実測 Ｘ軸 最終確認 支持フレーム 測定位置 センサー 支持板 固定 板 Sentan Digital Co.Ltd 64 32 問題提出 現象分析 測定結果 現象再現 設計改善 実測 ハンドル振動比較－－上下方向 設計改善 アイドリング区間 実測 最終確認 Sentan Digital Co.Ltd 65 問題提出 現象分析 測定結果 現象再現 設計改善 ハンドル振動比較－－左右方向 実測 アイドリング区間 設計改善 実測 最終確認 Sentan Digital Co.Ltd 66 33 問題提出 現象分析 測定結果 現象再現 設計改善 ハンドル振動比較－－前後方向 実測 アイドリング区間 設計改善 実測 最終確認 Sentan Digital Co.Ltd 67 問題提出 現象分析 最適化設計 現象再現 アイドリング範囲25 - 28.3Hz 設計改善 実測 設計改善 26Hz 33Hz 20Hz 実測 最終確認 最適化目標 質量最小 制限条件 20Hz 20Hz 最適化結果 支持板厚 支持板厚さ 板厚さ 6→4.02 フレーム厚さ 6のまま 設計変数 Sentan Digital Co.Ltd 68 34 問題提出 現象分析 最適化設計 現象再現 設計改善 実測 ハンドル（4mm）の振動状況 設計改善 アイドリング区間 実測 最終確認 従来設計の振動レベル 70％削減 Sentan Digital Co.Ltd 69 事例５ 半導体測定装置の振動 半導体ウエハーの品質を測定するため に、装置のゆれを厳密に管理しなけれ ばならない。特に測定している間、装置 の静かさが要求されている。 しかしながら、デイスペンスおよびボン ディングの往復運動により、加速度が生 じ、測定装置が振動する。 往復運動の速さにより、装置が大きく揺 れ、測定装置としての役割を果たせな いことがある。 したがって、設計段階において装置の 動的特性を把握することにより、装置の 品質向上、コスト低減に大きく寄与する 。 実際、3000万円で試作した装置は、大 きく揺れて画像が見えない。 どこをどう変更したらよいか 。 全くノーアイデア 35 実験で現象の把握 振動の原因を究明するために、簡易モデルでDispenseのみX方向を往復運 動させて、数点の変位を測定した。 上部測定点の変位は0.2mm有り、ウエハー部とDispense先端の相対変位は、 遥かに基準値を超えていることがわかった。 数千万円を投入し、設備を製造したが、設計の変更が余儀なくなされる。 振動の問題は、静的な問題と異なり、単純な増肉では、問題を解決するでき ない。不必要な増肉により、かえって悪化する恐れがある。 どこを厚くしたらよいかか、どこを減らしてもよい か必然的な解決法があるか Pro/ENGINEERを使っているので、Pro/ENGINEERで解決できるか 解決のアプローチ１ Pro/ENGINEERはこのためのツール！ ３Dモデルの構築（Pro/ENGINEER) 原因の究明 解析条件の定義（拘束、荷重） 静解析の実施（剛性の算出） 固有値解析の実施（共振の可能性） 時刻歴応答解析（実際の振動量、実験と照合） 改善 感度解析、最適化解析 設計にフィードバック 単純に解析結果を出すのではなくて、必然的に解決法を見つけ出す！ 36 解決のアプローチ2 Pro/ENGINEER+MECHANICAが最適 1.Pro/EとMECHANICAの一体化 2.解析専門知識が不要（P法搭載） 3.機能豊富（部品接続、質量要素、ばね要素、ビーム要素 ファスナ要素、剛体結合、スポット溶接、 振動解析機能があり） 4.感度解析、最適化機能 設計者でも十分できる。 従来の設計と往復運動の速度 速度 (mm / sec) Dispense 1000 Bonding 800 600 400 200 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 -200 -400 -600 -800 -1000 時間 Bonding＆Dispenseの先端とウェハーの中心がずれ、 ウエハーの観察が不可能となった。 37 原因の究明（モードの確認） 下部にエネルギーが集中している。 下部を強化する必要 解析の結果： 構造物1 構造物1次周波数は、17 次周波数は、17Hz 17Hz 荷重の周期は60 荷重の周期は60ｍｓ、周波数は 60ｍｓ、周波数は 1/0.060=16.67Hz 1/0.060=16.67Hzとなる。 Hzとなる。 共振だ 原因の究明 振動の再現 上部の振幅値は、見事に測定結果（0.2mm程）と一致している。 程）と一致している。 上部の振幅値は、見事に測定結果（ 解析手法の有効性が立証された。 38 解決のアプローチ ３Dモデルの構築（Pro/ENGINEER) 原因の究明 解析条件の定義（拘束、荷重） 静解析の実施（剛性の算出） 固有値解析の実施（共振の可能性） 時刻歴応答解析（実際の振動量、実験と照合） 改善 感度解析、最適化解析 設計にフィードバック 設計の改善（パラメータ） 設計寸法をパラメータに設定 39 感度解析 どこをどれだけ強化すべきか その影響度を調べるために感度解析が有効 最適化解析 特定のモード固 有値を制限条件 に 特定のモードをト ラッキング 設計要件を満たした上での軽量化 40 設計の改善（固有値と歪みエネルギー） 固有値が倍増 エネルギーの分布はより広範囲になった。 無駄な贅肉が減った。 設計の改善（振幅の比較） 観測期間 従来の設計よりかなり改善された。 とりわけ観測期間の振幅は、基準値以下となった。 これで自信 って、試 作に取 組む。 試験も一 これで自 信を持って、 試作に 取り組む 。試験も 一発合格 41 お客様の声 軽くて強い 早くPro/Mechanica コンサルを導入すれば 早く 、数千万円損をせずに済むはずだったのに これでやっと安心 に作れるぞ！ 事例６ 最適化事例 （複数目的設計スタディ利用） ＜L字断面フレーム構造物＞の構造検討 ･･･振動負荷をうける構造物の設計改善･･･ 設計目標 軽量化 発生する最大応力値を低減 設計パラメータ フレーム材L字断面の①板厚（L_T）、②板幅 （L_W） 制約条件 （振動荷重適用時に） 変位の最大値が過大でないこと 発生する最大応力値が許容範囲内のこと 42 最適化事例 （複数目的設計スタディ利用） Pro/MECH解析設定 ＜基準振動解析＞の設定 固定場所指定 衝撃荷重適用 解析（固有値解析＋時刻歴応答解析）設定 ＜初期形状での解析実施、結果確認＞ 入力荷重 0.1秒 0.1秒､最大５G 最大５G モデル最大（解析時間内）応力の取得 計算実行1回の必要時間確認 今回のモデルでは、＜約２０～２５分/回＞ ＜振動解析で予 振動解析で予測されること＞ 測されること＞ ＊動的荷重を受ける構造では、自重が大きい場合に支持 部に大きな負担がかかるため、板厚の薄肉化（軽量化）は 応力低減に有効 ＊ただし、板厚を薄くしすぎると、剛性不足のため応力が高 くなる部位がでてくる 最適化事例 （複数目的設計スタディ利用） 設定 ＜解析フィーチャ＞の設定 複数の設計パラメータセットごとに自動計算・評価値取得するための設定 （Pro/E再生）質量を取得 （Pro/MECH解析実行）振動解析での最大応力を取得 ＜複数目的スタディ＞の設定、実行 変数を設定： ①板厚（L_T）、②板幅（L_W） 評価量（ゴール）を設定： ①重量②最大応力③最大変位 計算回数を指定して、実行 今回の実行数 １２５回 必要実行時間 約４５時間 43 最適化事例 （複数目的設計スタディ利用） 複数目的スタディ実行結果 集計された（設計変数、評価量）のうちから２つの量をグラフ化すること で結果を検討 応力 STRESS_MAX_05:ANALYSIS1 散布図の縦軸、横軸に設計変数、評価量 を選び結果の分布を確認 1つの点は、一つの設計案を意味 複数の設計案からトレードオフー 集計された結果 250 200 150 100 50 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 重量 MASS:MASS_PROP_1 最適化事例 （複数目的設計スタディ利用） 結果集計 [板厚 板厚－ 板厚－最大応力]グラフ（下図左：青点群が全体分布、緑点線は最適解ｸﾞﾙｰﾌﾟ分布） 最大応力 [板幅 板幅－ 板幅－最大応力]グラフ（下図右：紺点群が全体分布、緑点線は最適解ｸﾞﾙｰﾌﾟ分布） 最大応力 板厚が厚いと質量 増加により応力大 応力 STRESS_MAX_05:ANALYSIS1 応力 STRESS_MAX_05:ANALYSIS1 板厚が薄いと剛性 不足により応力大 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 板厚 L_T_ASSY:S01_089L_00074 許容応力 50[MPa] とした場合に最軽 量な設計モデルと なる領域 板幅が大きいほ ど応力低下 250 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 板幅 L_W_ASSY:S01_089L_00074 最も応力を低減 できる設計モデ ルとなる領域 44 最適化事例 （複数目的設計スタディ利用） ＜最適化されたモデルでの解析、結果確認＞ 応力低減モデル 軽量化モデル 板厚： 板厚：薄く、 薄く、板幅：大 幅：大きくし 応力低減、軽量化 減、軽量化低 応力低 減、軽量化低下 を実現 初期モデル 45