初心者を対象に、ステップアップで「設計者CAE」の実践的なアプローチを学ぶ連載。詳細設計過程における解析事例を題材に、その解析内容と解析結果をどう判断し、設計パラメータに反映するかについて、流れに沿って解説する。最終回となる第12回は「流体解析」をテーマに、解析ゴールの考え方とメッシュ生成の基礎について解説するとともに、設計者CAEの実践に向けたメッセージをお届けする。

» 2021年05月06日 10時00分公開

[土橋美博／飯沼ゲージ製作所，MONOist]

　初心者の方を対象に、例題を交えながら「設計者CAE」の実践的なアプローチについて解説してきた本連載ですが、今回でいよいよ最終回となります。

　前回の後半部分で「流体解析」を取り上げ、流体の内部空間の定義とサーフェスゴール（解析ゴール：解析が収束する条件）の設定まで行いました。これまで主題として扱ってきた「構造解析」のように、この後にメッシュを生成し、解析を実行するという流れで解析結果を得るわけですが、その前にもう少しだけ“解析ゴール”について説明しておきたいと思います。

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解析ゴールとは

　今回は「SOLIDWORKS Flow Simulation」を用いた定常流れにおける、解析ゴールについて説明します。

　流体解析では、構造解析で“力の釣り合いを解く”のと同じように、流れが定常状態（Steady State：時間が経過しても変化しない状態、平衡状態）になるまで反復計算を行います。その際に必要となるのが、定常状態であるという“判断基準”です。これがなければ反復計算を終わらせることができません。

　SOLIDWORKS Flow Simulationには、計算処理を停止する内部基準というものがありますが、そもそも設計者CAEを行う担当者の頭には「どのような状態が定常状態なのか」という想定の基準があるはずです。そのため、筆者としては内部基準に任せ切りにするのではなく、自身で解析ゴールを設定して反復計算を実施すべきだと考えます。

「定常流れ」があるなら「非定常流れ」もある

　前回「定常解析」と「非定常解析」のお話をしましたが、“流れ”に関しては、時間が経過しても変化がない流れのことを定常流れ（Steady Flow）というのに対し、時間の経過により流れが変化するものを「非定常流れ（Unsteady Flow）」といいます。

【例】

定常流れ：川へ流れる水の流入量に変化がないときの川の流れ
非定常流れ：川へ流れる水の流入量に変化があるときの川の流れ

　定常流れの場合、最終的な定常状態の結果を得ることが目的となりますが、非定常流れでは、途中経過の結果を得ることにも意味があるため、解析時間を適切な間隔で設定し、計算結果を取得する必要があります。

今回の解析テーマ

　今回の解析テーマは、前回に引き続き“ノズル先端の均一性の評価”です（図1）。前述の通り、ここでは定常流れの問題として扱い、解析ゴールについては、複数あるノズル先端（流体の出口となる蓋）の面の静圧パラメーターに対して「最大」と「平均」を設定しました（詳しくは前回参照のこと）。

図1　解析テーマのモデル［クリックで拡大］

図2　「SOLIDWORKS Flow Simulation」の一般設定メニューの項目。非定常で解析する場合は「時間依存」にチェックを入れる［クリックで拡大］

メッシュは大切

　SOLIDWORKS Flow Simulationでメッシュ作成を行う場合、「直交格子メッシュ」がベースとなります。有限要素法では、メッシュ作成について“解析対象を微小な要素の集合体と見なし、これを分割する”としています。

　以前行った「SOLIDWORKS Simulation」を用いた構造解析では、四面体のメッシュで要素を分割しましたが、SOLIDWORKS Flow Simulationでは直交格子のメッシュによって、固体と流体が分割されます。また、メッシュ分割によって生成された要素のことを「セル（Cell）＝解析領域」といいますが、流体解析には次のようなセルの種類があります。

【流体解析におけるセルの種類】