CAE

CAE（コンピュータ支援エンジニアリング）とは

CAE（Computer-Aided Engineering）は、コンピュータを用いて製品の設計、製造、工程設計などのエンジニアリング作業を支援する技術です。また、そのためのソフトウェアやツールを指すこともあります。日本語では計算機援用工学とも呼ばれます。

CAEの概要

コンピュータ技術が発達する以前は、製品設計の検討は工学便覧に掲載された簡易計算で行われ、試作品が完成するまで詳細な評価は困難でした。そのため、試作品の製作と耐久試験などの検証に多大なコストと時間を費やしていました。

しかし、コンピュータ技術の進歩に伴い、以下のニーズが高まりました。

CADで作成された製品データのコンピュータ計算への再利用
CAMによる複雑な形状加工に対応した製品性能予測
製品への要求性能向上と最適な設計条件の追求
投資やリードタイム圧縮のための試作回数削減

これらのニーズを満たすツールとして、各種CAEツールが登場し、設計プロセスにおける事前検討の重要な手段として普及しました。特に微細加工分野では、実験的なデータ収集が困難なため、CAEが現象の理論的考察に活用されることも多くなっています。

CAE作業の流れ

CAEの作業は以下のフローで行われます。

1. 解析対象の選定と解析内容の決定：解析する現象を予測し、具体的な解析内容を決定します。
2. 解析条件の整理：解析に必要な条件を整理します。
3. データ収集とCADモデル作成：必要なデータを収集し、CADで解析対象のモデルを作成します。
4. プリプロセッサによる解析用データ作成：計算格子の生成など、解析用のデータを作成します。
5. ソルバーによるシミュレーション実行：作成したデータに基づいてシミュレーションを行います。
6. ポストプロセッサによる結果分析：シミュレーション結果を分析します。
7. 設計妥当性、性能試験、最適化検討：結果を分析し、設計の妥当性、性能試験、最適な形状や条件を検討し、問題点を洗い出します。

このフローを必要に応じて繰り返し、目標性能を達成するまで製品設計を推進します。最後に試作品でCAEの結果を検証し、量産に着手します。一部の業界では、CAEの結果のみで量産を開始することもあります。

代表的な解析手法

CAEで用いられる代表的な解析手法は以下の通りです。

有限要素法：複雑な形状を小さな要素に分割して解析する手法。
有限差分法：微分方程式を差分で近似して解く手法。
境界要素法：解析対象の表面のみを要素分割して解析する手法。

CAEの適用分野

CAEは、機械工学、電気工学、電子工学、建築工学、土木工学、化学工学など、非常に幅広い分野で活用されています。

CAEとEDAの融合

近年、CAE企業によるEDA企業の買収やその逆の動きが見られます。これは、半導体の微細化に伴う歩留まりの悪化に対応するため、チップレット技術が普及したことが背景にあります。チップレットでは複数物理にまたがる問題が生じるため、CAEとEDAを統合したソリューションの重要性が増しています。

主なメーカー

CAEソフトウェアを開発・販売する主なメーカーは以下の通りです。

TOYOTA SYSTEMS
MSC Software（ヘキサゴン傘下）
Dassault Systèmes
ANSYS
Autodesk
シーメンス
Altair Engineering
ESI Group（キーサイト・テクノロジー子会社）
ケイデンス・デザイン・システムズ
COMSOL
AMPS Technologies
株式会社アライドエンジニアリング
株式会社計算力学研究センター
株式会社くいんと
株式会社先端力学シミュレーション研究所
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
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
株式会社JSOL
サイバネットシステム

主な解析の種類

CAEで用いられる主な解析の種類は以下の通りです。

構造解析：物体の変形や応力を解析します。
応力解析：物体にかかる応力を解析します。
振動解析：物体の振動現象を解析します。
超音波解析：超音波の伝搬を解析します。
音響解析：音の伝わり方や騒音を解析します。
衝撃解析：物体に衝撃が加わった際の挙動を解析します。
流体解析：液体や気体の流れを解析します。
粉体解析：粉の挙動を解析します。
伝熱解析：熱の移動や温度分布を解析します。
電磁場解析：電場や磁場の分布を解析します。
電磁波解析：電磁波の伝搬を解析します。
光学解析：光の挙動を解析します
光量子解析：光の量子的な挙動を解析します。
機構解析：機械の運動を解析します。
圧電解析：圧電効果を利用したデバイスを解析します。
半導体解析：半導体デバイスの動作を解析します
MEMS/NEMS/マイクロフルイディクス/MicroTAS解析：微細構造デバイスにおける現象を解析します
化学反応解析：化学反応を解析します。
電気化学解析：電気化学反応を解析します
プラズマ解析、CVD：プラズマや化学気相成長を解析します
Li-ion電池・全固体電池・燃料電池解析：電池の性能を解析します
腐食・めっき解析：腐食やめっきプロセスを解析します
溶接解析：溶接プロセスを解析します。
摩擦攪拌接合解析：摩擦攪拌接合プロセスを解析します
複合材解析：複合材料の挙動を解析します。
騒音・振動・ハーシュネス (NVH) 解析：騒音、振動、乗り心地を解析します。
1次元解析：1次元モデルでシステムを解析します。
着氷解析：着氷現象を解析します
疲労寿命予測解析：疲労による寿命を予測します。
パワーモジュール寿命予測解析：パワーモジュールの寿命を予測します
自動設計信頼性解析：自動的に設計の信頼性を解析します
ベアリング解析：ベアリングの挙動を解析します
モーター解析：モーターの性能を解析します
発泡成形解析：発泡成形プロセスを解析します
樹脂射出成形解析・樹脂流動解析：樹脂の流動を解析します
金属押出成形解析：金属の押出成形を解析します。
ポリマー押出成形解析：ポリマーの押出成形を解析します
ブロー成形解析：ブロー成形を解析します
プレス成形解析：プレス成形を解析します
鋳造金型：鋳造プロセスを解析します
砂ブロー造型金型：砂型鋳造プロセスを解析します
鍛造金型：鍛造プロセスを解析します
積層造形：積層造形プロセスを解析します
施設園芸園芸施設内熱気流解析：施設園芸内の熱気流を解析します
ジオメカニクス、地下水流解析：地盤や地下水の流れを解析します
バイオ、メディカル解析：バイオテクノロジーや医療分野の現象を解析します
熱流体解析、フリーズドライ、マイクロ波加工：食品分野の熱流体現象を解析します。
データセンター解析：データセンターの設計を解析します
電波伝搬解析、無線ネットワークプランニング：電波の伝搬や無線ネットワークを解析します

主な事前・事後処理ソフトウェア

CAE解析を行う上で、事前処理や事後処理を行うためのソフトウェアも重要です。

有限要素解析向け：Altair HyperMesh、Siemens Femap、MSC Patran、ANSA、CATIA FMS/FMD
流体解析向け：Pointwise、ANSA
* NVH解析向け：ANSA

CAE技術は、製品開発プロセスにおいて不可欠な要素となっており、その適用範囲は今後もますます拡大していくと考えられます。

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