なぜ踏み台は突然壊れたのか――破損の謎をCAEで追う：CAEで逆引きするトラブル診断の思考法（1）（3/3 ページ）

連載「CAEで逆引きするトラブル診断の思考法」では、身近な製品トラブルを起点に、「なぜ壊れたのか」を逆算して読み解くCAEの思考プロセスを解説する。第1回では、踏み台の破損事故を題材に、現場の勘とCAEの分析を対比しながら、破損要因をどのように導き出すかを順を追って整理する。

[水野操 mfabrica合同会社社長／3D-GAN，MONOist] PC用表示関連情報

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勘との対比：合っていたこと、見落としていたこと

　冒頭で「継ぎ目が怪しい」という“現場の勘”を紹介した。この直感は、部分的には正しい。

　継ぎ目は確かに構造上の不連続点であり、応力集中が生じやすい場所だ。設計不良や施工不良があれば、最初に破損するのは継ぎ目である可能性が高い。長年の経験から「まず継ぎ目を見る」という判断は合理的である。

　しかし、CAEの視点で見ると、見落としが2つある。

　1つ目は、継ぎ目を機構の境目（ヒンジ部）だけに限定して考えてしまうことだ。実際に壊れたのは、ヒンジそのものではなく、天板の分割線周りや横梁の取り付け部――いわば「機構を成立させるための形状の不連続」であった。動く継ぎ目ではなく、動かない継ぎ目の方が先に壊れたのである。

　2つ目は、荷重条件の盲点だ。静荷重では問題にならない応力レベルが、動荷重によって一気に許容値を超える。現場の勘は「どこが壊れるか」を当てるのは得意だが、「どのような条件で壊れるか」という定量的な線引きは苦手だ。ここにCAEの出番がある。

　勘とCAEは対立するものではない。勘が示す「怪しい場所」の仮説を、CAEが定量的に検証し、さらに勘だけでは気付けなかった条件の閾値を明らかにする。この組み合わせこそが、トラブルの本質に迫る最短ルートだと筆者は考えている。

まとめ：「当たり前の製品」を疑う目を持つ

　今回取り上げた折りたたみ式の樹脂製踏み台の破損から得られる教訓を整理する。

　第1に、「形状の不連続点には応力集中が潜む」という力学的な基本認識である。見た目に単純な構造でも、力（荷重）の流れを丁寧に追えば、どこに問題が潜むかは論理的に導き出すことができる。

　第2に、「静荷重だけでは不十分」という動荷重への感度である。実使用では必ず衝撃が加わることを前提に、設計を評価すべきだ。

　第3に、「疲労は外から見えない」という地味だが重要な事実である。破損直前まで外観に異常が現れないことが疲労破壊の怖さであり、定期的な点検と設計段階での余裕設計の必要性を示している。

　カタログスペックだけでは見えないリスクを、CAEは可視化してくれる。

　次回は、「椅子の疲労破壊」を取り上げる。1回座っただけでは何も起きない。10回でも100回でも問題ないかもしれない。だが、1万回、10万回と繰り返したとき――「なぜ壊れるのか？」を考えてみよう。　（次回へ続く）

【ポイント】現場ではこう疑う――「踏み台」編

　以下、現場でのチェックポイントを整理する。

図3　「踏み台」設計のチェックポイントはどこにあるのか？［クリックで拡大］

折りたたみヒンジ部に緩みやガタつきがないかを確認する。ただし、ヒンジだけが原因とは限らない
天板の中央部（分割線やヒンジ周辺）および天板裏側の横梁の付け根に、ヒビや白化がないかを目視点検する。脚そのものよりも、踏む部分とその直下の補強構造を疑う
カタログの耐荷重は「静荷重」の値である。上り下りの衝撃はその数倍になり得ることを忘れない
樹脂は紫外線や経年によって劣化し、脆くなる。古い踏み台は過信しない

参考文献：

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Profile

水野操（みずのみさお）

1967年生まれ。mfabrica合同会社社長。ニコラデザイン・アンド・テクノロジー代表取締役。3D-GAN理事。外資系大手PLMベンダーやコンサルティングファームにて3次元CADやCAE、エンタープライズPDMの導入に携わった他、プロダクトマーケティングやビジネスデベロップメントに従事。2004年11月にニコラデザイン・アンド・テクノロジーを起業し、オリジナルブランドの製品を展開。2016年に新たにmfabrica合同会社を設立し、3D CADやCAE、3Dプリンタ関連事業、製品開発、新規事業支援のサービスを積極的に推進している。著書に著書に『絵ときでわかる3次元CADの本』（日刊工業新聞社刊）などがある。