構造解析の目的とは？何のためにやるのか 

構造解析の主な目的は以下の3点です。 

・荷重に対する応力
・変形の可視化・安全率や破損リスクの定量評価
・過剰設計や材料・構造の最適化 

特にプラスチックの場合は、金属のような一律で高い剛性がないため、「変形を許容する設計」や「剛性のバランス設計」が必要です。そのため、数値だけでなく、「どこにどう力が集中しているか」、「変形の量や方向はどうか」などの空間的な分布情報を得るために構造解析が使われます。 

CAEで使われる「有限要素法」とは？ 

CAEの構造解析の多くは、「有限要素法（FEM：Finite Element Method）」という計算手法に基づいています。 

FEMの基本概念 

構造物を小さな要素（メッシュ）に分割し、それぞれに物理法則（たとえばフックの法則）を当てはめて、全体の挙動を数値的に再現するものです。 

・材料モデル（ヤング率、ポアソン比など） 
・要素モデル（ソリッド、シェル、ビームなど） 
・荷重・拘束条件（固定、圧力、加重） 
・結果出力（応力、変形量、安全率など） 

解析結果で見えるもの 

・Von Mises応力（等価応力）：金属設計でよく使われる破壊判断指標 
・変形量・方向：剛性確認やクリアランス設計に不可欠 
・応力集中領域：形状・ゲート・リブ設計の妥当性を評価 

プラスチック材料特有の注意点 

プラスチック部品を構造解析する際には、金属とは異なる以下のような特性を考慮する必要があります。 

非線形性（弾性域が狭く、すぐ塑性変形に入る） 

引張試験でも明らかな通り、エンプラやスーパーエンプラの多くは、降伏点を過ぎるとすぐに塑性域に入り、応力とひずみが比例しない（非線形）挙動になります。 

異方性（繊維配向による強度差） 

GF（ガラス繊維）補強材では、流動方向と直交方向で引張強度や弾性率に差異があります。通常の等方性材料モデルでは精度が出にくく、異方性材料モデルを用いる必要があります。 

時間依存性（クリープ・応力緩和） 

常温でも、外力が加わり続けると時間とともに変形が進む「クリープ」現象が生じます。これは短期的な解析では捉えきれず、時間ステップ解析やviscoelastic-plastic constitutive model（粘弾塑性構成モデル）が必要です。（汎用的なソフトでは対応していない場合があります。） 

構造解析の典型的なプロセス 

構造解析は、以下の手順で実施されます。 

・3Dモデル準備（CADデータ） 
・材料物性の設定（ヤング率、ポアソン比など） 
・メッシュ生成（ソリッド・シェル等） 
・拘束・荷重条件の設定 
・ソルバー実行 
・結果評価・図化 
・設計フィードバック・再検証 

ここで、材料物性や拘束条件が不適切だと、結果が実際と大きく乖離することになります。CAEを「正しく」使うには、こうした前提条件の妥当性検証が極めて重要です。 

よく使われる解析ソフトの例 

構造解析に使われるソフトウェアには商用・オープンソースともに多くの種類があります。 

・Abaqus：高度な非線形・異方性解析に対応 
・ANSYS Mechanical：多目的CAE。設計段階での汎用性が高い 
・SolidWorks Simulation：CADと統合され、設計者でも使いやすい 
・PrePoMax（フリー）：Open sourceベース。中〜上級者向け 
・MSC Nastran：航空・自動車向けの高精度解析に用いられる 

プラスチック部品での構造解析の活用例 

テーマ	活用例	効果
スナップフィットの変形予測	薄肉のスナップ構造において、挿抜時の応力と変形を解析。材料の破断伸びと比較し、安全率を検証	形状変更＋材料変更（より延性の高い材）で破損回避
大型ハウジングの座屈対策	取付ボルト周辺の変形集中を解析。金属からPA-GF30へ代替するにあたり、リブ形状を最適化	CAEを用いて剛性確保しつつリブ重量を削減
異方性を考慮した板厚設計	GF配向方向を流動解析と連携し、構造解析に反映。繊維方向で応力が集中しないよう、ゲート位置や補強方向を調整	解析と実成形との一致率向上、トライ回数を削減

よくあるご認識と注意点 

誤解①：CAE結果は絶対である？ 
→あくまで仮定条件のもとでの予測。実物試験での検証が不可欠です。 

誤解②：材料設定はヤング率と降伏応力だけで十分？ 
→ プラスチックでは破断伸び、温度依存性、非線形特性も重要です。 

誤解③：ソフトを使えば誰でも高精度解析ができる？ 
→ モデル構築や拘束条件に大きく依存。CAEの正しい理解が不可欠です。 

設計・材料・成形の三位一体で使うCAE 

CAEは「設計」だけで完結するものではなく、使用材料の物性や成形条件の影響を加味する必要がある解析です。例えば、次はCAEでは再現が難しい事象になります。 

・成形収縮 ⇒ 初期変形を考慮 
・成形応力 ⇒ 応力集中やクラックの起点に
・吸水　　 ⇒ 剛性や寸法が時間と共に変化 

精度を左右するメッシュの考え方と落とし穴 

構造解析において、解析結果の精度と計算効率を最も左右する要素のひとつが「メッシュ（要素分割）」です。CAEの根幹となる有限要素法では、解析対象を小さな「要素」に分割し、それぞれの要素に力学計算を行って全体の挙動を再現します。このとき、どのようにメッシュを切るか（形状・サイズ・密度）によって、出力結果が大きく変わります。 

ソリッド vs シェル：形状に応じた要素選定 

ソリッド要素（立体）：立方体状の要素。厚みのある構造に向いており、一般的な射出成形部品ではこちらが主流です。 

シェル要素（殻状）：板厚を持たない2次元面要素。外装カバーや一体成形の大型筐体、薄肉の意匠部品ではシェル要素が有効です。 
→ 例えば、同じ0.5mmの肉厚部品でも、ソリッド要素で4層メッシュにするのと、シェル要素で1枚にするのとでは解析負荷が大きく異なります。 

メッシュサイズと応力集中 

応力集中が予測される部位（リブ根元、フィレット、ゲート周辺など）では、メッシュを細かく（ローカルリファインメント）する必要があります。粗すぎるメッシュでは、応力ピークを正確に表現できず、誤った評価や安全率の見落としにつながります。
一方、全体を細かくしすぎると計算時間が過剰に増え、収束エラーやメモリ不足の原因にもなります。実務では以下のような工夫が用いられます。 

・重要領域のみ細かく分割（局所細分化） 
・曲面や穴部は解像度を高め、平面は粗く 
・接合部、ネジ穴、端部などに注意 

実際のプラスチック部品での工夫 

プラスチック部品のメッシュ生成は、例として、次のような特性に基づいたメッシュ調整が必要な場合があります 

・肉厚の1/2～1/3の要素サイズ：たとえば2.0mm肉厚なら、0.6mm以下のサイズが目安
・面取り・フィレット・リブ接合部：応力集中を忠実に表すため、細かなメッシュ＋形状の再現性が必要
・アンダーカット部やスライド構造：不連続面が増えるため、ジオメトリの修正（簡略化や結合・ブーリアン処理）が必要になることも 

さらに、射出成形特有の収縮・反りなどの変形挙動を精度良く再現したい場合は、流動解析で得た成形応力を初期値としてインポートできる構造解析ソフトの利用が望ましいです。 

このように、メッシュは単なる「前処理作業」ではなく、解析結果の信頼性を左右する核心的な技術要素です。当社では、メッシュ設定を含む前処理全体についても最適化を進め、お客様にアドバイス・支援を行っております。金属代替や高精度設計をご検討の際は、ぜひご相談ください。 

これらを考慮せずにCAEを使うと、「カタログ値ベースで期待した通りにいかない」結果となりがちです。当社では流動解析＋構造解析の連携による、より高精度な評価にも対応しています。 

実務で「使える」構造解析のポイントとは？ 

構造解析は、単に計算結果を出すだけでなく、「その結果をどう使って判断し、設計や材料にどう反映させるか」が最も重要です。ここでは、実際の現場で解析を“使いこなす”ための視点をご紹介します。 

判断指標は応力だけではない 

「最大応力が降伏応力を超えた＝NG」という単純な判断では、実使用環境を見誤ることがあります。例えば、次のような判断は、CAE結果評価のノウハウ蓄積が必要となります。 

・降伏応力は超えているが、変形は許容範囲 
・高応力だが局所的で、疲労寿命には問題なし 
・変形が大きいが、スナップ構造としてはOK 

→ 実際には「変形量（mm）」「たわみ量」「安全率」「応力分布範囲」「再現性（量産ばらつき）」など、複数の指標を総合的に判断する必要があります。 

設計初期段階での活用が鍵 

構造解析はトラブル発生後の「後追い解析」に使われがちですが、真の効果を発揮するのは「設計初期」です。 

・リブ設計を事前に検証 → 成形試作回数を削減 
・材料候補A/B/Cで応力分布を比較 → 客観的な材料選定が可能に 
・強度／重量バランスの設計最適化 → 軽量化と信頼性の両立 

設計初期にCAEを取り入れることで、開発リードタイムの短縮やコスト削減にも直結します。 

組織での連携と共有も重要 

構造解析の知見は、設計者個人のスキルに留めず、組織内で共有・蓄積する体制づくりが望まれます。 

・樹脂部品の典型的な破損パターンと対応策の事例化 
・材料別のCAEモデルテンプレート化 
・成形条件と構造解析の連携評価のガイドライン化 

当社でも、こうしたノウハウをお客様の設計部門に展開し、設計・CAE・成形現場との連携によって、より効率的かつ再現性の高い開発体制づくりを支援しております。 

このように、構造解析を“机上の結果”で終わらせず、設計・材料・工程すべてをつなぐ共通言語として活用することが、現代の樹脂部品開発において極めて重要です。 

まとめ 

構造解析（CAE）は、プラスチック部品設計における信頼性評価・軽量化・最適化の要です。ただし、金属とは違い、非線形性・異方性・温度依存性・時間依存性といった複雑な材料挙動を考慮する必要があります。
正しい前提と実務理解を持ったうえでCAEを活用すれば、金属代替や軽量化などの構造課題に対して、失敗しない・再試作の少ない開発プロセスが実現できます。
次回は、構造解析の具体的な設定・実行手順について、PrePoMaxを使った実践ガイドを紹介いたします。ぜひ引き続きご覧ください。 

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