このページでは、数値解析(CAE: Computer Aided Engineering)の基本的なコンセプト、理論、計算式や歴史についてまとめています。主に、有限要素法(FEA: Finite Element Analysis / FEM: Finite Element Method)、数値流体力学(CFD: Computational Fluid Dynamics)について記載しています。
概要
CAEとは
CAE (Computer-Aided Engineering)とは、高度な解析アルゴリズムを用いた設計、仮想テストから製造計画まで、製品エンジニアリングプロセス全体の手順を表す用語です。 CAEは、製品開発に何らかの設 […]
多目的最適化
日進月歩のエンジニアリングと設計の世界では、相反する目的の間で完璧なバランスを見つけることは、しばしば困難な課題です。従来の最適化技術では、複数の相反する目標を含む現実の問題の複雑さに対処するのに苦労することがあります。 […]
プリ処理
CADトポロジーとは
CADモデルでシミュレーションを実行するには、そのCADモデルが、解析に必要な基準を満たす必要があります。メッシュを生成する必要があるため、CADモデルが正しく見えるだけでは十分ではありません。そのため、CADの準備で説 […]
メッシュとは | CAEとシミュレーションの基本要素をやさしく解説
メッシュとは何か？なぜ必要なのか？基礎から学べるシミュレーション入門。図解とともにメッシュ生成の考え方をやさしく説明します。 メッシュとは、有限要素解析 (FEA) や数値流体解析 (CFD) におけるシミュレーションプ […]
数値解析の理論
ナビエ・ストークス（Navier-Stokes / NS）方程式とは
ナビエ・ストークス（Navier-Stokes/NS）方程式は、流体の運動を支配する偏微分方程式です。この方程式は流体力学の基本方程式です。 物理領域における流体の運動は、様々な特性によって決定します。流体の挙動を明らか […]
LES (ラージ・エディ・シミュレーション) とは
LES (ラージ・エディ・シミュレーション) はCFDの乱流モデルの一つです。RANSやDNSとの違い、特徴、活用例をわかりやすく解説します。 乱流解析の鍵: LES (ラージ・エディ・シミュレーション) とは？ 乱流の […]
レイノルズ数とは
レイノルズ数 (Re) は、流れの中で「慣性力」と「粘性力」のどちらが支配的かを表す無次元数です。主に、流れが層流か乱流かを判断するために用いられます。レイノルズ数は次の式で計算できます。 $$ Re=\frac{慣性力 […]
境界条件とは | CAEとシミュレーションの基本要素をやさしく解説
境界条件とは、CAE(シミュレーション技術)で解析対象の挙動を決めるために設定する条件のことです。境界値問題との関係や基本的な考え方をやさしく解説します。境界値問題とは、境界上の一連の条件がわかっている領域で解かれる微分 […]
輸送方程式とは
輸送方程式はスカラー量が流体内でどのように輸送されるかを記述するもので、パッシブスカラー、温度、運動量など多くのスカラーに適用されます。一般的な輸送方程式は以下の通りです: $$ \frac{\partial \phi} […]
流体解析
浮力とは
浮力とは、流体が流体中の物体に及ぼす上向きの力のことです。流体では、圧力は深さとともに増加します。したがって、物体が流体に浸かると、その底面にかかる圧力は上面にかかる圧力よりも高くなります。 この圧力の差により、正味の上 […]
空気力学(空力)とは
空気力学(空力)は、空気の動きと、流れ場に障害物として置かれた固体へのその影響の科学です。副分野であるため、すべての支配方程式、乱流、境界層理論、理想気体の仮定など、流体力学の方程式のほとんどが空気力学にも当てはまります […]
粘度 (粘性) とは
粘性とは、流体が流れるときに生じる抵抗となる、粘り気の強さです。空気、水、油などの流体の流れの性質を決定するため、空気力学や貯留層工学などの分野で重要な役割を果たします。 2つの流体の粘度を比較する日常的な例として、蜂蜜 […]
層流とは
流体の流れは層流と乱流に分類されます。層流とは、流体が平行な層状に流れることで、層と層の間に乱れはありません。層流では、流体層は平行に滑り、流れに垂直な渦や渦巻き、流れはありません。 このタイプの流れは、交差しない流線に […]
乱流とは
流体力学において乱流とは、渦や旋回、流れの不安定性が発生する不規則な流れを指します。乱流は、運動量の大きい対流と運動量の小さい拡散によって支配されます。層流とは、流体が層間に乱れのない平行な層で流れることです。 乱流領域 […]
圧縮性流れと非圧縮性流れ
この記事では、圧縮性流れと非圧縮性流れの違いを探ります。その前に、流れとは何でしょうか？ 流れとは、単位時間あたりにある点を通過する流体(液体、蒸気、気体)の動きのことです。流体の流れは、流体力学の一部です。この動きは、 […]
揚力・抗力・ピッチとは
飛行機が空を飛ぶ仕組みには、揚力 (ようりょく)･抗力 (こうりょく)･ピッチという空気力学的な力が大きく関係しています。これらは、空気中を移動する翼型の形状や動きによって発生する力です。 特に、飛行機がどのように離陸し […]
NPSH (正味吸い込みヘッド) とは
Net Possitive Suction Head: NPSH (正味吸い込みヘッド) は、油圧システム設計、特にポンプ選定で使用される用語です。NPSHは、気相転移(フラッシング)につながる運転条件を定義し、それを回 […]
キャビテーションとは
キャビテーションは、局所的な静圧が作動液の蒸気圧を下回ると発生し、液体が蒸発して蒸気泡になります。これらの気泡は小さなポケットに閉じ込められ、下流に移動します。局所圧力が再び上昇すると、これらの蒸気ポケットは破裂し、局所 […]
拡散/Fickの法則とは
フィックの法則は、濃度の高い場所から低い場所へと粒子が移動する現象を説明するものです。この移動は「拡散」と呼ばれ、圧力差によって生じるバルクフロー (流れ全体の動き) とは無関係に起こります。 流体流の拡散をシミュレーシ […]
屋内の湿度について
湿度とは、空気中に存在する水分または水蒸気の量を指します。天候に大きく影響され、特定の環境内で体験する全体的な快適性に大きな影響を与えます。 図1: 気温と湿度を含む天気予報のサンプル1 湿度レベルは、気温、地理的位置、 […]
ターボ機械とは
ターボ機械システムは、発電、航空宇宙、石油・ガスなど、さまざまな主要産業にとって極めて重要です。ターボ機械装置は、流体エネルギーを利用・制御し、この流体エネルギーをローターと交換するように設計されています。自動車のターボ […]
クリーンルームの流体解析について
クリーンルームは、高度な清浄度を維持するために、空気中の粒子、ほこり、汚染物質の存在を最小限に抑えるように設計された管理された環境です。 クリーンルームは、製薬、バイオテクノロジー、エレクトロニクス、航空宇宙、医療機器製 […]
ブシネスク近似とは
ブシネスク近似は、浮力によって駆動される流れを解くために使用され、ナビエ・ストークス方程式の完全な圧縮性定式化を解くよりも、計算コストが低くなります。 ブシネスク近似はすべての非等温流に適用可能であり、重力が乗算される方 […]
格子ボルツマン法(LBM)とは
格子ボルツマン法(LBM)は計算流体力学(CFD)手法の1つで、近年実用化の進む新しい解法です。 LBMは、複雑な流れシナリオや複雑な形状を扱うことができるため、その応用範囲は大きく広がっています。航空宇宙、自動車、建築 […]
構造解析
有限要素法（Finite Element Method | FEM）とは
有限要素解析(Finite Element Analysis | FEA)とは、有限要素法(Finite Element Method | FEM)と呼ばれる数値解析技術を用いて、任意の物理現象をシミュレーションすること […]
フォンミーゼス応力とは
フォンミーゼス応力とは、与えられた材料が降伏するか破壊するかを決定するために使用される値です。主に金属などの延性材料に用いられます。フォンミーゼス降伏基準は、荷重を受けた材料のフォンミーゼス応力が、単純引張を受けた同じ材 […]
応力ひずみ線図とは
応力-ひずみ曲線は、材料が荷重下でどのような挙動を示すかを定義するもので、これにより材料の強度、剛性、延性、および破壊限界を知ることができます。 例えば、ガラスのビー玉を地面に落とすとすぐに粉々に砕けますが、ゴム球は衝撃 […]
固有振動数とは
固有振動数（固有周波数）とは、ある物体が駆動力や減衰力を受けずに外乱を受けたときに励起される自由振動の振動数（周波数）のことです。このときの振動のパターンや形状が、その物体やシステムの振動モードであり、固有モードとして知 […]
疲労解析とは
疲労解析は、高い耐久性と信頼性が求められる製品を設計し、最適化する上で非常に重要なステップです。疲労解析は、故障のポイントを特定し、製品の誤動作、リコール、あるいは大惨事を防ぐのに役立ちます。予想される部品の負荷をシミュ […]
曲げ応力とは
曲げ応力は、固体力学および構造解析において極めて重要な概念です。そびえ立つ超高層ビルから最小の機械部品に至るまで、あらゆる構造物は様々な部品から構成されており、それらが構造物の荷重に対する耐力と変形に対する抵抗力を高めて […]
主応力と主ひずみとは
主応力と主ひずみは、構造工学と設計における基本的な概念であり、材料と構造物の評価と解析を支えています。様々な用途の安全性と安定性に不可欠なこれらの用語は、外部荷重を受けた際に材料が受ける内部力と変形を反映しています。これ […]
振動解析とは
機械構造が持つ駆動部品や輸送中の路面状況、あるいは風といった外部環境など様々な要因で振動は生じます。こうして生じた振動は、多くの場合構造物や機械部品・アセンブリにとって故障や損傷につながります。振動解析は、構造物や機械の […]
伝熱解析
熱膨張とは
熱膨張とは、温度が上昇するにつれて物質の幾何学的寸法(長さ、面積、体積)が増加することです。冷却によるこのプロセスの逆転は、しばしば熱収縮と呼ばれます。この挙動を表す特徴的な値が熱膨張係数で、長さや体積の変化を温度の変化 […]
熱伝導とは | フーリエの法則
伝導とは、熱エネルギーがある場所から別の場所に伝達される3つの主な方法の1つです。伝導は、主に固体や液体の物質において、隣り合う原子や分子の衝突によって起こります。伝導は粒子が密に詰まっている物質ではより重要です。 互い […]
対流とは
対流とは、温度に応じて固体から流体へ、またはその逆に熱が移動することです。この熱の移動は、流体の移動によってもたらされます。流れが速ければ速いほど、熱伝達量は多くなります。加えて、熱伝達量は固体と流体間の温度差にも依存し […]
ジュール熱とは | ジュールの第一法則
ジュール熱とは、導体に電流が流れることで発生する熱エネルギーのことです。この現象は、電流によるエネルギー損失が熱に替わる物理的効果であり、導体の温度上昇として確認されるため、「加熱現象」とも呼ばれます。 ジュール熱は、電 […]
熱流束とは | フーリエの法則
熱流束(ヒートフラックス)とは、単位面積あたり、単位時間あたりのエネルギーの流れのことです。熱流束は通常、伝導熱の場合のように固体表面を通して測定されます。また、流体と固体の境界で測定することも可能で、これは対流熱伝導解 […]
電磁界解析
電磁誘導とは | ファラデーの法則とレンツの法則
電磁誘導の原理やファラデーの法則、レンツの法則、渦電流、変圧器などへの応用まで、図解とともにわかりやすく解説します。 電磁誘導の世界 - 現代技術を支える目に見えない力 1831年、マイケル・ファラデーによって発見された […]
誘導加熱(IH)とは | 原理と応用例
誘導加熱の原理や、渦電流損失、ヒステリシス損失、表皮効果や誘導加熱の応用について、図解とともにわかりやすく解説します。 誘導加熱(IH)とは 誘導加熱 (IH: Induction Heating) は、電磁場を利用して […]
電磁界の時間調和解析とは | マクスウェル方程式の周波数領域解法
時間調和解析の原理や、低周波近似、また近似が適用可能な現象や用途について、図解とともにわかりやすく解説します。 電磁気現象は一般にマクスウェル (Maxwell) 方程式によって記述されます。線形材料と時間調和励起 (つ […]
バスバー (ブスバー) とは | 用途とシミュレーションの活用
バスバー (ブスバー) は導体として機能する金属片または棒であり、電力を一箇所に集中させ、様々な産業における電力分配の効率を高めます。ほとんどの電力用途において、電源モジュールと外部環境を接続する主要な導電部材として重要 […]
ワイヤレス給電/充電 (ワイヤレス電力伝送) とは | 原理とシミュレーション活用
ワイヤレス給電/充電 (ワイヤレス電力伝送) の原理や、用途、そして電磁界解析の使われ方について、図解とともにわかりやすく解説します。 ワイヤレス電力伝送 (Wireless Power Transfer: WPT) は […]
変圧器 (トランス) とは | 原理とシミュレーションの活用
変圧器 (トランス) は電力システムにおいて電圧の変更（変圧）や効率的な電力分配を担う重要な機器です。エネルギー損失、過熱、性能低下を最小限に抑えるため、変圧器の設計と運用は精密でなければなりません。 現在では、変圧器の […]
パワーエレクトロニクスとは
パワーエレクトロニクスは、再生可能エネルギーシステムから電気自動車、産業機械に至るまで、様々なアプリケーションを支える現代技術において重要な役割を果たしています。これらのシステムは電力を効率的に変換・制御するために不可欠 […]
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