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構造シミュレーションの最近の課題 ~”やわらかい”材料は、粘弾性や超弾性を考慮した解析が必要~

みなさんこんにちは。第一技術部 構造設計課の大野です。
当ブログには久々の登場となります。

WTIには多数の電子回路・システム・基板等の設計者が多数在籍し、特に電子機器や半導体応用製品の設計開発に強みを持っています。
私たち構造設計課では、これらに隣接する技術者集団として、”CADを用いた金属筐体やプラスチック筐体などの構造設計”および”熱流体シミュレーション/構造シミュレーション技術を用いた開発のフロントローディング”を主な仕事にしています。

構造解析・構造CAE・応力解析・FEM解析など様々な呼び名があります。

以下では当社の①構造シミュレーションの取り組みについて少しご紹介し、その後②ゴム製品の解析(防水設計などで活躍)についてお話しします。

 

① 構造シミュレーションの取り組み

<シミュレーションの目的>

設計変更による機械強度への影響評価や、製品試験で発生した不良の原因解明、製品寿命の予測および改善方法の検討などを目的として、製品の構造と材料物性・解析条件等を入力して解析を行い、結果を製品設計やプロモーションに役立てていただいています。

<シミュレーション技術者に求められること>

現代の構造シミュレーションソフトは非常に簡単に扱えるようになってきており、「与えられた入力に対して、結果がどうなるかを出力する(だけの)もの」と言えます。

ただし、その結果が現実に沿うことを保証するためには、解析と現実のすり合わせによるモデリング手法のPDCAが必要です。シミュレーション技術者はこの過程を明文化しながら、モデル化方法を研究していく力が求められます。この積み重ねがノウハウとして蓄積されていきます。

有限要素法を例に取ると、メッシュパターンの切り方や要素タイプの選択、境界条件の与え方、解析規模低減の工夫、計算の収束性を保つための工夫、材料物性の定義など様々な検討項目があります。

これまで半導体製品や電子機器分野の仕事が多く、これらの分野の経験を強みにしていたのですが、最近はお客様の課題や扱う製品も多様化しており、当社も新しいことにチャレンジしつつ課題解決を図る場合が多くなっています。既存のノウハウだけでなく、書籍や論文、材料データベース、各種研究会などの情報ソースを総動員して対応しています。

 

② ゴム製品の解析(防水設計などで活躍)

<ゴム製品のモデル化について>

ブログ記事「防水設計におけるネジの重要性について」でもお伝えしているように、防水設計にはいろいろなポイントがあり、防水パッキン等の直接防水構造の変形が適切な状態にあるかも重要になってきます。

ゴムは超弾性材料と呼ばれ、圧縮時に大きな反発力を生む性質(非圧縮性)、振動吸収材に用いられるような減衰性(粘弾性)、荷重に対するヒステリシス(Mullins効果)など、金属等の「硬い」構造材料とはかなり違ったふるまいをするため、単に「やわらかい」だけの材料として扱うと、解析結果は現実と離れてしまいます。

このように”やわらかい”材料を含む構造の解析は未だチャレンジングな課題ですが、うまく工夫すれば実際の設計に使えることもわかってきました。DMA(Dynamic Mechanical Analysis:動的粘弾性測定)等の測定データから物性パラメータを抽出して解析モデルに反映したり、逆に素性がわからない材料に適当な物性を仮定して別方向からのアプローチを試みるなど、状況に応じた解決策をお客様と一緒に考えながら、開発を進めています。特に最近は、解析による検証を併用した設計開発案件の引き合いを多数いただいています。構造設計・解析でお困りの際はぜひ一度ご相談ください。

 

 

WTIでは、防水パッキンに対するシミュレーションだけでなく、防水機器の筐体設計も豊富な開発実績を持っておりますので、シミュレーション以外の筐体設計に関するお困りごとでもお気軽にご相談ください。

また、以下のように防水設計に関する外部講座の開催を準備しておりますのでご興味がある方はぜひご参加ください。

【ライブ配信セミナー】
ゼロから学ぶ!防水製品の設計手法と開発プロセス
~防水規格から防水設計の要点、防水機能の評価、と合否判定、効率的な設計手法まで~
 日時: 2020年 11月 18日(水)14:00~17:15
 主催: 日刊工業新聞社
 講師: 井清 久
 URL:  https://corp.nikkan.co.jp/seminars/view/4189

 

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