転んだからではなかった――自転車フレームの破断を解く：CAEで逆引きするトラブル診断の思考法（4）（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4回では、自転車フレームの破断事例を題材に、転倒歴という目立つ情報に惑わされず、破面と荷重履歴を手掛かりに、本当の原因をさかのぼる考え方を取り上げる。

[水野操 mfabrica合同会社 社長／3D-GAN，MONOist]

勘との対比：「転倒が原因」だけでは説明できない

　「転倒の衝撃が原因」という現場の勘は、間違いとは言い切れない。比較的大きな衝撃が、既に進展していたき裂の最終破断を促す場合もあるからだ。

　しかし、CAEと破面観察の視点を加えると、問いの立て方自体が変わる。「何が引き金だったか」ではなく、「き裂はいつから、どこを起点に、どのような荷重を受けて育ってきたのか」と問うのだ。

　疲労解析は、溶接部に作用する応力と荷重の繰り返し数から、どの部位に疲労損傷が蓄積し、どの程度の寿命が見込まれるかを定量的に評価する。転倒などの目立つ出来事は見えやすいが、累積した疲労損傷は外から見えにくい。勘が指す「直近の一撃」を入り口に、CAEが「そこに至る時間」をさかのぼって埋める。今回も、勘と解析は対立せず、補い合う関係にある。

まとめ：「最後の一撃」だけに罪を着せない

　自転車フレームの破断から得られる教訓を整理する。

　第1に、トリガーと根本原因は別物だということ。目立つ一撃に原因を求める前に、そこへ至る荷重の履歴を疑うべきだ。

　第2に、溶接部や接合部は疲労き裂の起点になりやすいということ。特に溶接部は、形状の不連続、溶接欠陥、残留応力という3重の不利が重なる場所であり、母材の強度計算だけでは寿命を語れない。

　第3に、疲労き裂は進展するにつれて加速しやすいということ。外観に異常がない期間が長いからこそ、設計段階での疲労評価と、溶接部の品質管理が効いてくる。

　カタログスペックや静的試験では見えない「時間の中で進む破壊」を、CAEは可視化してくれる。

　次回は、家電筐体の落下破損を取り上げる。「コストダウンで材料を変えたのが原因だ」と疑われた破損の裏に、実は形状変更の影響が潜んでいた――。衝撃解析と静解析の使い分けを軸に、材料のせいにされがちなトラブルを読み解く。　（次回へ続く）

【ポイント】現場ではこう疑う――「自転車フレーム」編

　破断品を前にしたら、まず破面を見る。貝殻状の模様（ビーチマーク）や比較的平滑な領域があれば疲労を疑い、「直前の一撃」だけを原因にしない。

　溶接構造では止端部の形状や溶け込みの状態を確認し、CAEではホットスポット応力と繰り返し荷重から疲労寿命を評価する。トリガー探しよりも先に、荷重履歴を復元することが重要だ。

参考文献／参考資料：

• ［1］走行中にフレームが破損した折りたたみ自転車｜国民生活センター
• ［2］フレームが破断した電動アシスト自転車（相談解決のためのテストから No.160）｜国民生活センター
• ［3］自転車の事故に関する注意喚起（2025年4月）｜NITE
• ［4］リコール情報（自転車）｜経済産業省
• ［5］リコール情報サイト｜消費者庁
• ［6］日本鋼構造協会編「鋼構造物の疲労設計指針・同解説」（溶接継手の疲労設計）
• ［7］日本材料学会編「疲労設計便覧」

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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『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。