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Dynamic Concepts, Inc. Case Study
Femap／NX Nastran 航空宇宙／防衛 航空宇宙分野のイノベーションを支える 高度な CAE ツールと専門技術 DY N A M I C C O N C E P T S I N C . Siemens PLM Software ビジネス上の目標 新製品開発 プロセス効率改善 課題 技術的難易度の高い問題に ついて顧客を支援する 迅速かつ精度の高い解析お よびシミュレーションを提 供する 宇宙開発におけるイノベー ションを支援する 成功の鍵 構造力学、FEA に関する深 い工学的専門知識 最先端の CAE ツール 解析結果の詳細なレポー ト／ドキュメント 結果 迅速かつより精度の高い 解析 複雑な構造の挙動の詳細な 把握 有限要素モデルの改善、 より高度な研究を支援する ドキュメント www.siemens.com/plm 航空宇宙および防衛分野を 支える CAE 1995 年創業の Dynamic Concepts Inc.（DCI）社は、航空宇宙およ び防衛分野におけるシミュレー ションの専門技術で高い評価を 得ている企業です。積極的な取 り組みに基づく堅実な実績と深 い専門知識により、DCI 社は、 顧客からプロジェクトの迅速な 問題解決に向けた分析の依頼を 受けることが少なくありません。 1995 年に 4 名の創業者が少数の契約を元に始めた同社は、現在では 40 名を超えるエン ジニアを擁し、顧客やプロジェクトの幅も広がっています。 DCI 社の構造解析担当グループは、NASA のプログラム、米軍の Aviation Engineering Directorate（航空工学理事会） 、およびその他のミサイル防衛プロジェクト関連の企業 と支援契約を結んでいます。DCI 社は、動的な構造解析、特に応力解析で使用する振動 荷重の動的特性を特定する分野で、NASA のマーシャル宇宙飛行センターにとって頼れ る企業です。米軍関連で DCI 社が請け負う仕事の多くは、ヘリコプターのシステムの 疲労解析です。ミサイル防衛プロジェクトでは、DCI 社は主に有限要素モデルの作成と 応力解析の実行を担っています。典型的なプロジェクトでは、有限要素モデルの作成、 解析の実行、および解析結果を伝える詳細なレポート、プレゼンテーション、画像、ア ニメーションの作成を行います。 DCI 社は、顧客企業のハイテク関連の問題に対応するための技術的なバックグラウンド に強みを持っています。DCI 社のエンジニアリング担当者は、構造力学および有限要素 法による応力解析に関する深い知識を持つ専門家です。彼らは、シーメンス PLM ソフ トウェアの有限要素モデリングソリューション Femap®や包括的 CAE ソリューション NX™ Nastran などの最先端のデジタル・シミュレーションソフトウェアを利用して、そ の専門知識を活用しています。 DCI 社では複数のフローティングライセンスを使用して、Femap の直感的で生産性の高 い、モデルのプリ処理ツールや結果を可視化するソリューションを利用しています。 Femap／NX Nastran 航空宇宙／防衛 DCI 社が解析エンジンとして選択したのは、NX Nastran の Basic と Advanced の両方のパッケー ジ、さらに、特殊な解析要件に対応するための DMAP およびスーパーエレメントの機能です。 スタッフ全員がアクセス可能なサーバ上で NX Nastran を実行することで、日常的に利用でき る便利なツールとなっています。 NX Nastran は、以前 DCI 社で使用していた他のベンダーの Nastran と比べて大幅なコストダウ ンを実現しました。さらなるメリットとなったのは、DCI 社の最大の顧客である NASA でも 同じ解析ソフトウェアが使用されていることです。 スペースシャトル輸送のための細かな調整 最近のプロジェクトで NASA から DCI 社に課せられた仕事は、組み立てられたスペースシャ トルのオービター、外部燃料タンクおよび固体ロケットブースターをクローラー・トランス ポーター（輸送車両）で組立棟から発射台へと移動させる、輸送工程の構造力学的評価でし た。この輸送は時速 1 マイル未満のスピードで行われ、機体の疲労寿命に影響を与えること がないよう丁寧に行われることが求められます。シャトルの飛行再開について、外部燃料タ ンクの発泡断熱材などの問題に対する関心が高まる中、NASA では輸送中にカメラで撮影、 記録された振動をさらに徹底的に検査する方法を模索していました。 DCI 社では、Femap を使用してシャトルのすべてのコンポーネントを組み込んだモデルを作 成し、NX Nastran を使用して振動シミュレーションの解析を行いました。DCI 社のエンジニア は、Femap の結果を可視化するツールを利用して、輸送による振動のアニメーションを作成 しました。これは、輸送車両の振動を明確に示すものです。輸送時のシャトル尾翼のフィル ムと並べると、Femap のアニメーションは撮影で記録された 2.5Hz の振動とほぼ一致しており、 DCI 社の解析結果が正しいことが確認されました。この解析は、NASA で支持機構の問題を解 決する助けとなり、損傷を与えるおそれのある振動を最低限に抑える目標輸送速度を決定す る際にも役立てられました。 DCI 社のシニアエンジニア／科学者である Anthony Williams 氏は、解析結果の提示において Femap の可視化ツールがいかに役立ったかを説明するうえで、このシャトル輸送のプロジェ クトについて言及しています。 「1 枚の絵が千の言葉に匹敵するとしたら、1 つのアニメー ションは 100 万の言葉に匹敵します」と Williams 氏は言います。 「一昔前までの最先端とい えば、散布図、棒グラフ、そしてモーダル解析の線画アニメーションくらいだったでしょう。 Femap では、モデル全体を利用して、構造の内部からでも外部からでも、どのような角度か らでも、注目点に応じて解析結果のアニメーションを短時間で生成することができます。関 連するエンジニアリングデータをすべて盛り込んで直感的にわかりやすく伝えることができ ます。 」 より詳細な有限要素モデルの開発 スペースシャトル、コロンビア号の事故を受け、NASA では、精密な工学研究によってス ペースシャトルの構造的挙動をより完全に把握することに力を注ぎました。その一環として NASA は、外部タンクのより詳細な有限要素モデルの開発を DCI 社に依頼したのです。過去 20 年間のスペースシャトルに関する CAE（コンピュータ支援エンジニアリング）では、ほ ぼすべての作業にタンクの有限要素モデル（レビューおよび承認済みのもの）を使用してい ました。これは、全体構造や接合部の研究には有効でしたが、各部のコンポーネントの精密 な解析という新しいニーズを満たすには不十分なものでした。 Femap／NX Nastran 航空宇宙／防衛 2 年間のプロジェクトは、Femap のモデリン グと NX Nastran の解析ツールを使用して、図 面から直接新しい有限要素モデルを作成する ことから始まりました。中間タンクおよび液 体水素タンク筒部のモデル作成を担当した Jeffrey Oliver 氏 （シニアエンジニア／科学者） は、 「外部タンクは一般の人が考えるよりも複雑 なもの」だと言います。 「軽量化しつつ構造 的完全性を維持するためのエンジニアリング は膨大な作業になります。そして、現在使用 している有限要素モデルには含まれていない ような非対称のフィーチャが多いのです。 」 現状では、DCI 社の開発したモデルには、 50,000 を超える要素、23,250 のノード、99 の 変形した液体酸素タンクおよび燃料タンク 材料、744 のプロパティが含まれ、自由度は 全体の図 140,000 にもなります。発泡断熱システムは 独立した要素群となっています。新しいモデルの完成時には、現在のモデルに構造的に組み 込まれ、プラグアンドプレイ形式で他のコンポーネントモデルと組み合わされて、より広範 な工学研究に利用されるようになります。NASA のエンジニアは新しいモデルを使用して感 度解析や what-if 分析を行います。潜在的な問題が特定されれば、ハードウェアを担当する請 負業者に解決を依頼することになります。 次世代ロケットエンジンのエンジニアリング DCI 社は、 「もういちど月へ」の目標実現の原動力となる次世代ロケットエンジンの開発支援 も行っています。NASA のコンステレーション計画に含まれている使い捨て型ロケット、ア レス I には、Pratt & Whitney-Rocketdyne 社が開発する新しい上段エンジン J2-X が搭載されます。 ロケットエンジンの力学分野で 20 年以上の経験を持つ、DCI 社のシニアエンジニア Eric Christensen 博士は、NASA と共同で、J2-X エンジンの設計に利用されるシミュレーションの ための力学的環境の定義に取り組んでいます。 「エンジン設計の構造力学における当面の課題 は、ランダムな振動に対するエンジンの応答をどのようにモデル化するか、ということです」 と Christensen 博士は説明しています。 「燃焼、流体、乱流や、荷重、応力など、特徴を捉え て計算することが難しい要素があるのです。これまでのエンジンで使用されていた非常に保 守的な方法では、高めの荷重が計算結果として得られていました。荷重は多くのエンジンコ ンポーネントの重量に大きな影響を及ぼす可能性があり、エンジンの全体的なパフォーマン スを損ないます。そのため、これらを可能な限り正確に計算することが重要なのです。 」 Femap／NX Nastran ソリューション／サービス Femap NX Nastran 主な事業内容 Dynamic Concepts, Inc.社は政 府や商用アプリケーションの ための工学およびソフトウェ アサービスを提供する企業 です。 www.dynamic-concepts.com 所在地 米国 アラバマ州ハンツビル 「1 枚の絵が千の言葉に匹敵す るとしたら、1 つのアニメー ションは 100 万の言葉に匹 敵します。Femap では、モ デル全体を利用して、構造 の内部からでも外部からで も、どのような角度からで も、注目点に応じて解析結 果のアニメーションを短時 間で生成することができま す。関連するエンジニアリ ングデータをすべて盛り込 んで直感的にわかりやすく 伝えることができます。 」 航空宇宙／防衛 近年の NASA におけるエンジンのプログラムでは、動的負荷の計算手法を改善する必要性 が示されています。従来のプログラムでは、計算上の限界から、コンポーネントごとに計 算する手法に頼らざるを得ず、コンポーネント間の動的結合が考慮されていませんでした。 1990 年代に入って初めて、主要なエンジンコンポーネントがすべてモデル化された、完全 なエンジンシステムの有限要素法による動的モデルが NASA で使用されましたが、ランダ ムな負荷の計算手法による負荷が高すぎ、結局そのシステムモデルは利用されず、従来の コンポーネント方式が採られました。 負荷の計算手法を改善するため、Christensen 博士は NASA と共 同で、1990 年代に開発された、同様の設計のエンジンである ファストラックを使用して研究に取り組みました。そこで考案 されたのが、予備のエンジンの実物をバンジーコードで吊り下 げ、ランダムな振動エネルギーの入力を与える複数の加震機に 接続した、振動のテストベッドです。エンジンにおける複数の 重要個所について加速性や歪みの計測が行われました。 Christensen 博士は、エンジンの有限要素モデルにテストベッド で得られたデータを適用し、NX Nastran で解析結果のシミュ レーションを行い、さまざまな計算方法を使用して、その結果 をテストデータと比較しました。すべての方法で従来同様の結 果が得られた一方、強制加速を用いる手法では加速度環境を正 確に再現でき、構造内の静的力に応じた負荷成分を排除するこ とで、より合理的な負荷レベルが得られました。Christensen 氏 は、この方法により J2-X の設計における解析の精度を高める ことができると確信しています。 DCI 社 シニアエンジニア／科学者 Anthony Williams 氏 お問い合わせ シーメンスPLMソフトウェア 〒151-8583 東京都渋谷区代々木2-2-1 小田急サザンタワー TEL 03-5354-6700 FAX 03-5354-6780 www.siemens.com/plm © 2010 Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. 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