ものづくりに HPC を活用するためのツールとケーススタディー

VOL.

15

計算工学ナビ・ニュースレター2018年秋号

ポスト「京」重点課題⑧ サブ課題 E 新材料に対応した高度成形・溶接シミュレータの研究開発

並列構造解析ソフト「FrontISTR」をベースにより先進的な高度成形・溶接シミュレータを開発

東京大学大学院 新領域創成科学研究科

奥田洋司

東京大学 生産技術研究所

吉川暢宏

ポスト「京」重点課題⑧ サブ課題 F マルチスケール熱可塑 CFRP 成形シミュレータの研究開発

熱可塑 CFRP成形プロセスを精密に再現し合理的な強度評価に基づく最適設計の実現をめざす◆ 計算工学ナビ・レポート

ポスト「京」重点課題⑧サブ課題 E

新材料に対応した高度成形・溶接シミュレータの研究開発

並列構造解析ソフト「FrontISTR」をベースにより先進的な高度成形・溶接シミュレータを開発
自動車をはじめ、さまざまな工業製品の製造現場において、溶接工程は製造の根幹を支える重要な役割を果たしています。また、経費節減や環境負荷低減などの要請から、CAE（computer aidedengineering）を活用した“ものづくり基盤工程”の高度化が求められています。しかし、複数の部品組み立てにおける計算規模の大きさや溶接部の現象の複雑さなどのため、現在は溶接工程でCAEを十分に活用できていないのが実情です。東京大学の奥田洋司教授らは、こうした課題を解東京大学大学院新領域創成科学研究科決するため、ポスト「京」を用いて大規模かつ高精度な計算を行い、溶接シミュレーション技術の奥田洋司 教授高度化をめざしています。ても大きな期待を寄せているというのです。

ただ単に熱を加えたときの構造変化を計算私たちにとっては、ありがたい応援メッセーするだけではありません。今言われたようジでもありました。そうしたこともあって、に、溶接すると部品が変形したりして、製今回のポスト「京」重点課題⑧における製造図面通りに仕上がらないわけです。そこ

本日は、ポスト「京」重点課題⑧「近未来造技術分野の課題として、高度成形・溶接であらかじめシミュレーションを行い、例型ものづくりを先導する革新的設計・製造シミュレータの研究開発を提案させていた

えば部品が反るのであれば、最初に逆向きプロセスの開発」サブ課題 E において、奥だいたわけです。に力をかけておいて溶接することでもとに産業界からも期待される高度成形・溶接シミュレータの実現

田先生が取り組んでおられる高度成形・溶戻してやるとか、図面通りにつくるために接シミュレータとはどのようなものなのか、溶接では、局部的な加熱・冷却によるひず最適な溶接の順番を決める、そうしたこと

現在までの研究開発の進捗なども含めて、みや溶接金属の収縮などによって、予測がを可能にして、ものづくり基盤の高度化にお話をうかがわせていただきたいと考えて難しい変形や残留応力による割れなどが生貢献していきたいと考えています。溶接工います。

じることから、現在も熟練工によるトライ程のシミュレーションは、これまでも汎用アル & エラーに頼る部分が大きいといわれプログラムなどで行われていますが、熱反今回のプロジェクトで、私たちが主要なているそうですが、奥田先生らが開発するりをあらかじめ考慮した計算と溶接を同時ターゲットにしているのは溶接です。その高度成形・溶接シミュレータは、どのように計算するようなプログラムは、今のとこ概要をお話しする前に、鉄鋼メーカーの方にしてこうした課題を解決しようとしていろ見当たりません。研究レベルでは行われからいただいたメールを紹介させてくださるのですか。ているかもしれませんが、誰もが使えるもい。かつてさまざまな分野の方々にものづのはまだないと思います。もの同士が接触くり分野におけるシミュレーションの必要

私たちが目的としているのは、一言で言するときに反力が生じる現象の解析を接触性についてヒアリングを行った際に頂戴しえば「溶接工程における溶接順序探索及び解析といいますが、これは結構特殊な分野たのですが、このメールには「なぜ鉄鋼業逆ひずみ量推定の高精度化・高速化」です。

でして、その接触と熱弾塑性、つまり熱に界にとってシミュレーションが重要か」が非常にわかりやすく記されていて、私はずっと保存しているんです。書かれているのは、次のような内容です。鉄鋼材料の特長は、成形性や溶接性のよさであり、その1650

15001350

拘束

拘束1050900750

ため古くから使われている材料でありなが600ら、今日もものづくりを支え続けているわ

300450150けです。そして、その技術はどんどん高度化しています。一方で、高強度化や軽量化

0収縮などのニーズは高まっており、成形性や溶接性への要求もより厳しいものになっています。その要求に応えるためには、シミュレーションを活用した成形・溶接技術の深化が非常に重要であり、鉄鋼メーカーとし

21200

計算工学ナビ Vol.15収縮(b)FrontISTR による計算結果▲溶接で生じる種々の問題〜溶接変形〜▲最高到達温度の分布

溶接では、局所的な加熱・冷却による変形（左図）や残留応力などの問題が生じる。これを数値解析によって予測するために、熱伝導解析に基づいた熱弾塑性解析法が用いられる。右は「FrontISTR」
によって計算された溶接部の最高到達温度分布。
左図出典：高倉大典氏（株式会社 IHI）
第3回重点課題⑧シンポジウム（平成30年3月15日開催）
発表資料より転載

Temperature[℃ ]29.027.0

研究開発成果を適用する3つのターゲット

25.0

サブ課題 Eで取り組んでおられる高度成形・溶接シミュレータの、具体的なターゲットは決まっているのでしょうか。
当然ながら、シミュレータが本当に役に▲変位場と温度場の一体型連成手法による計算結果の一例

立つかどうかは、実際に企業で使われるかにかかっているわけです。とはいえ、普段よって構造の永久変形が生じるような問題、発・技術開発を推進する垂直方向展開ですからスパコンを使ってシミュレーションをその２つを同時に考慮できる、しかも、そが、一方には、スパコンを使わないまでも行っているのは、大手企業のなかでもごくれを高速かつ詳細なメッシュで計算できる構造計算を行ってものづくりに役立ててい一部でして、私たちはさまざまな産業分野ことが、今回の開発プロジェクトの大きなきたいと考えている人たちがたくさんいまからニーズを掘り起こし、ターゲットを探特徴になっています。

す。つまり、高いピークの麓に広大なすそしてきました。その結果、3件の対象につ野が広がっているわけです。そうした広いいて具体的に企業と話を進めています。1

すそ野を視野に入れた水平方向展開も重要

つ目は、ジブクライミングクレーンのマスで、常に垂直・水平の2つの展開を睨みなトです。溶接する部分がとても長く、全体がらプロジェクトを進めていきたいと考えとして大きく変形すると考えられ、本溶接ています。これはポスト「京」重点課題⑧において変形を抑えるとともに溶接隙間高度成形・溶接シミュレータのベースになっの課題責任者・加藤千幸先生のご指導でも量が最小になる適切な溶接順序を探し出ているのは、奥田先生たちが長年にわたっあります。プロジェクトとしてプログラムすことが課題です。2つ目は、自動車のラて研究開発を続けてこられたオープンソーを開発して終わりにするのではなく、そのダーフレームやパネルです。全体として数ス構造解析ソフト「FrontISTR（フロント成果をしっかりと産業界に浸透させていかメートルの大きな領域であり、その上評アイスター）」ですね。

なければならないと強くおっしゃってい価しなければいけない数 mm の溶接部を数ます。特に構造解析の分野では、欧米製μ m で解像しようとしており、結果的に「FrontISTR」の強みは非線形解析機能のソフトウェアに席巻されている状態で、解像に必要な要素数が非常に細かくなりまを有する実用性と高度な並列計算性能で「FrontISTR」と言っても、「並列計算で大す。3つ目はポンプ水車用の超高落差ランす。溶接シミュレーションは、温度の関数きな問題が解けるソフトですね」と認知しナ（水車発電機）で、やはり溶接が長くなや応力状態の関数などが複雑に関係したマていただけるものの、実際に利用しようとるので、最適な溶接順序やあらかじめスプ

ルチフィジックスシミュレーションであり、いうところまではなかなかいきません。新

リングバックを考慮して溶接するためのシ

そうした非線形性を考慮した膨大なイタたに導入するのもたいへんですし、乗り換ミュレーションのニーズがあります。このレーション（繰り返し計算）が必要になっえの作業も半端ではありませんからね。そほかにも、大規模望遠鏡の架台部分、シーてきます。「FrontISTR」は、並列計算での意味でも、垂直方向展開だけでなく、どルドトンネルの鋼製セグメントブロックな大きな問題を解くことを得意としており、のようにして水平方向展開していくかは、どの話がありましたが、現在のところ、こほかのプログラムでは、そこまで非線形性私たちにとっては重要な課題なのです。の3件を具体的なターゲットとして取り組溶接シミュレータのベースは構造解析ソフト「FrontISTR」を考慮するといくら時間をかけても解けなかった問題が「FrontISTR」ならクリアできる、それをうたい文句に、ポスト「京」の計算性能を活用するための研究開発を行っています。
もうひとつ付け加えておくと、いわゆる構造解析を行う目的はさまざまで、そのすそ野は非常に広いわけです。現在私たちがターゲットにしている溶接技術に関しては、それこそ「京」やポスト「京」を利用して大規模計算を行い、先端的な研究開2018年春より「FrontISTR Commons」始動
2012年に発足したユーザー会「FrontISTR研究会」は、今年の春より「一般社団法人

FrontISTR Commons」として新たなスタートを迎えた。超並列スパコンから PC クラスタまで対応可能なオープンソースの構造解析ソフト「FrontISTR」の利用促進、産業応用支援、機能向上などを推進する目的
で、これまで幅広いユーザーと一緒に研究＊ FrontISTR Commons会を運営してきたが、「数多くのニーズに応え、よりスムーズな運営を図るため、組織を見直すことにしました。『FrontISTR』という資産をみんなで共有し、継続的に維持管理して、成果を生み出していきたいという思いを込めて、新しい名称に “Commons”をつけることにしました」と奥田洋司教授
は話す。

URL：https://www.frontistr.org/

3

中央断面なプリ・ポストの機能を開発することにより、残留応力を溶接の初期条件として考慮できるようにしています。こうした超大規模・高精度連成解析ソルバーの開発は、順調に進んでおり、今後は、これらを統合して、先ほど紹介した3つのターゲットに適用していき、当初の目的を達成できるかどうか確認していく予定です。一応、今年度▲「FrontISTR」
によって計算された溶接部断面の垂直応力分布は全体構造をいくつかのコンポーネントにんでいます。さらに、開発アプリの普及大きな問題を解くための機能開発です。こ分けて計算を行い、来年度に全体を組み上フェーズには、例えば、金属3D プリンタれまでずっと並列計算機を相手にしてきた、げた構造計算をするつもりですが、最後にでのレーザー照射による粉末焼結過程におその延長上にあるのですが、ポスト「京」あまり大きな計算をしようとすると、リソーける永久変形予測や、電子プリント基板でになると、CPU の増加や通信量の削減なスの問題もあって間に合わなくなるといけのリフロー炉内における電子部品・はんだどを考慮しながら、引き続き並列性能の最ないので、多少早めに進めていこうと考え接合の永久変形予測、新しい溶接法である適化をしていく必要があります。さらに並ています。

摩擦攪拌溶接法の永久変形予測などへの展列領域分割法も重要です。並列計算をする

開も検討しています。なかでも金属3D プ

場合、有限要素法のメッシュをプロセッサさらなる研究開発を進めていく上で、今後リンタは、かなりホットなテーマで、現象で分担するために領域を分けるわけです。の課題は何ですか。

としては溶接によく似ているため、応用しこの領域分割というプログラム自体も並列ていけると考えています。これらが、先ほに動かさないと、時間的にもメモリ的にもひとつひとつの課題は、ほぼ解決していどお話しした垂直方向展開のピークとして足りなくなってしまうので、並列に領域分ますが、計算精度と計算効率をコントロー狙っているターゲットになります。水平方割をするツール開発が欠かせません。このルする解析パラメータの最適化をはじめ、向展開については、これまで長く続けてき2つを進めていくことで、溶接の並列計算まだ取り組むべき課題は残されています。

た「FrontISTR 研究会」といういわゆるユーの高機能化を実施していこうとしています。

本当に産業界で役立つものにするためには、ザー会組織を今年から一般社団法人にし2つ目は「熱伝導・弾塑性変形の大規模双例えば溶接する順番などをこのシミュレーて、さらに充実したものにしていこうと考方向連成解析の構築」。溶接という熱と熱タの解析結果をベースに新たに組み直したえています（P.3右下の囲み記事参照）。

によって生じる非線形現象については、記結果、製造過程が単純化したとか、作業効述するプログラムをすでに開発していまし率が向上したとか、コストが削減されたとたが、今までは熱の分布の計算と熱の分布か、そこまでの結果を出さないといけないが構造にひずみを生じさせる構造計算のプと考えています。全体的に反りのない構造

ログラムを交互に計算していました。それ物ができるようになり、その技術が製造ラを今回、相互作用をがっぷりとカップリン

インに反映されてこそ、ものづくり基盤のピークをめざす垂直方向展開の研究開発をグさせることで、より精度よく計算できる高度化に貢献できたといえるのだと思って進めておられるなか、その進捗状況についプログラム開発を行いました。これはすでいます。それが実現するのは、もう少し先てお話しいただけますか。に達成しています。3つ目は「プレス成形の話になるでしょう。ただ、分野によって時のスプリングバックの影響を考慮した溶は、比較的早く実用化する可能性もありま

ものづくり基盤高度化への貢献をめざして溶接による収縮を高精度に予測するため接解析の構築」。従来の解析では、プレスす。その可能性に期待してくださる産業界には、溶接部ではない母材の接触状態を含成形時のスプリングバックによる残留応力の方々は多く、私たちもみなさんの応援にめて、詳細に計算する必要があります。そを無視していましたが、私たちの解析では、応えることができるように頑張っていきたのため、数 m 規模の解析領域に存在するプレス成形・溶接の一連の工程を解析可能いですね。

数 mm の溶接部を数μ m で解像することが可能なソルバーを開発しなければなりません。メッシュの粗密を考慮したとしても、要素数は数千億から数兆要素になると考えています。これを達成するために、大きく3つのテーマに取り組んでいます。1つ目は「アセンブリ／接触問題の大規模解析が可能な並列反復法の構築」、つまり非常に4計算工学ナビ Vol.15

サブ課題 E とサブ課題 F の連携
重点課題⑧では、各サブ課題間の連携や可塑 CFRP 成形シミュレータにおける接セスの革新」カテゴリーのサブ課題 E とサ「FrontISTR」の大規模連成解析手法の成触大変形／温度連成解析手法の開発」がよりプログラムの移植・検証作業が始まっ情報共有にも力を入れている。
「製造プロ
ブ課題 F では、連携による「熱可塑樹脂接進められている。これは、サブ課題 F の熱触問題などへの対応のため、サブ課題 E の果の一部を利用するもので、すでに昨年度ている。

◆ 計算工学ナビ・レポート

ポスト「京」重点課題⑧

サブ課題 F

マルチスケール熱可塑 CFRP 成形シミュレータの研究開発

熱可塑 CFRP 成形プロセスを精密に再現し合理的な強度評価に基づく最適設計の実現をめざす
ジェットエンジンのファンブレードや自動車のボディなどに、軽量かつ成形性に優れた熱可塑性樹脂を用いた CFRP（炭素繊維強化プラスチック）の活用が有望視されていますが、加熱成形後の繊維配置を予測する手法などが未整備のため、現状では正確な強度評価さえ難しい状況です。東京大学の吉川暢宏教授らは、ポスト「京」の計算能力を利用し、炭素繊維と樹脂を区別したミクロスケールシミュレーションをマルチスケール展開し、熱可塑 CFRP 成形プロ

東京大学 生産技術研究所

セスを精密に再現することにより、成形後の繊維配置を正確に予測する合理的な強度評価に吉川暢宏 教授

基づく設計技術を実現させようとしています。

込むファンのブレード（羽根）を CFRP で洋服の裁断のようにカットして、それをど製造するため、製造プロセスまで踏み込んんどん重ねて加熱成形します。このとき、で、そこで何が起きているのか、どんな不繊維の方向が一方向だけだと弱い部分がで具合が生じているのかをシミュレーションきてしまうので、いろいろな方向に向けな前回の取材（本誌 Vol.13）で、ポスト「京」によって予測することをめざしていて、そがら重ねる必要があります。ところが、加重点課題⑧「近未来型ものづくりを先導すのためのソフトウェアを開発しています。

熱すると樹脂が膨張したり、液体に近い状高まる熱可塑 CFRP への期待る革新的設計・製造プロセスの開発」にお態になったときに流動したりします。それ

いて、吉川先生が取り組んでおられる熱可現在、CFRP でつくられたジェットエンジがプレスされると、最初はきれいに並んで塑 CFRP 形成シミュレータの研究開発につンのファンブレードは、製品化されていないた炭素繊維がうねったり、折れ曲がったいても、お話をうかがっていますが、今回いのですか。

りしてしまうこともあります。しかし、加は研究開発の進捗なども含めて、もう少し詳しく紹介させていただこうと考えていま工している間に内部の状況を観察すること
海外では、すでに熱硬化型で実用化されや、調整することはできませんから、結果ているものがあります。もとはジュラル

的に成形後に確認したら炭素繊維がうねっミンなどの金属でつくられていましたが、ていた、想定外の方向を向いていたという前回もお話ししましたが、CFRP には、CFRP によって軽量化をめざしているのでことも起こる可能性があります。メーカー

大きく分けて熱硬化型と熱可塑型の2種類す。強度の要求も高いのですが、ファンのとしては、どうしてそうなるのか、強度にがあります。液状の樹脂を加熱して固化さ

大型化はジェットエンジンの燃費向上に大影響を与える因子を製造時にどのようにコせるのが、基本的な熱硬化型の成形プロセきく貢献するため、CFRP を活用して強度ントロールしたら強度の向上につながるのスです。製造にやや時間がかかり、比較的を保ちながら軽量化し、ファンの大型化をか、そのメカニズムをシミュレータによっ大規模な製造設備が必要なため、コスト的図ろうとしています。そこで、私たちにごて明らかにしてほしいという要望があります。にも高いものになります。一方の熱可塑型

協力いただいているメーカー

は、温度を上げ、柔らかくして成形しま

としては、 成 形 の ス ピ ー ドす。金属のプレス加工に近いイメージでいアップやコスト面で熱硬化型ろいろな形が比較的容易にできますし、成よりメリットがある熱可塑型形も熱硬化型と比べると短時間ででき、コのファンブレードを採用したストも安いため、高強度かつ軽量な CFRPいと考えているわけです。

す。

ファンケースファンブレードの特性が生かせる航空機や自動車の部品などに利用できるのではないかと期待されて実用化のためには、製造プロいます。製造手法として有望視されている

セスで何が起きるのかを正しのは、薄さ0.1mm ほどの炭素繊維と樹脂

く予測する熱可塑 CFRP 形成のシート（プリプレグシート）を積層して、シミュレータが必要というわ加熱成形する方法です。私たちが進めていけですね。

SGV( 提供：Pratt ＆ Whitney 社 )るポスト「京」重点課題⑧のサブ課題 F では、現在、メーカーと協力して、航空機用熱可塑型のファンブレード

ジェットエンジンの先端部から空気を吸いは、薄いプリプレグシートを▲ジェットエンジンのファンブレード

出典：IHI 技報 , Vol.53, No.4 (2013)5◆ 計算工学ナビ・レポート

ベースとなるソフトウエア資産
熱硬化樹脂対応の FrontCOMP̲cure をベースに熱可塑樹脂対応の解析技術を導入

熱硬化型の実績を熱可塑 CFRP シミュレータに活かす

Updated Lagrange 法による FrontISTR 温度連成接触大変形解析手法を参照

ミクロスケール熱可塑 CFRP 成形解析プログラム
・熱可塑樹脂と炭素繊維の温度／圧力依存材料モデル化
・温度と接触大変形の連成解析

今回のプロジェクトでは、吉川先生らが・試験片成形の解析による Validation

すでに開発されている熱硬化 CFRP 成形シ試験片から実部品へのマルチスケール展開ミュレータ「FrontCOMP̲cure」をベー

マクロスケール熱可塑 CFRP 成形解析プログラム

スに、研究開発を進めておられるとうかがっ・プリプレグシート単位の直交異方性材料モデル化
・ミクロスケールモデルを用いたシミュレーションによるています。

マクロ材料定数決定
・欠陥発生予測，欠陥発生メカニズム解明

基本的な考え方はどちらも共通していて、熱硬化型のアルゴリズムの多くが熱可塑型

熱可塑 CFRP 部材成形後の誤差を含めた不整合および欠陥の発生状況を高精度に予測でも活用できます。ただ、熱硬化型は簡単にいえば温度を上げて液状の樹脂を固めるだけですから、温度の分布にしてもそれほど複雑ではありません。例えば、炉内の温▲マルチスケール熱可塑 CFRP 成型シミュレータの開発概要

度が120℃であれば、CFRP 全体の温度も120℃くらいになっていて、温度に関して結果をマルチスケール展開してマクロスケー樹脂の方です。これまでの研究開発で、ミあまり複雑なことを考えることなくシミュルの実部品のシミュレーションを行うとい

クロスケールの樹脂単体のモデル化も進展レーションできます。しかし、熱可塑型はうのが、基本的な研究開発の進め方ですね。

し、ソフトウェアとしてはほぼ完成してい温度を上げた状態でプレス成形するため、これは熱硬化型の場合と同様ですか。

ます。現在は、試験片成形の解析によるシ

プレス面に荷重が加わりますし、温度のムミュレーション結果のバリデーション（検ラも生じてしまいます。さらに、金属の型はい、同じです。基本的には樹脂の特性証）を進めている段階です。実際の CFRPと CFRP が接触するので、そこにも熱のやがいちばん重要で、まずは樹脂の特性をミの断面を見ると、多少の偏りもあるのです

り取りが発生し、温度条件は、時々刻々かクロレベルで直接モデルに反映させないが、大まかな挙動をとらえて平均化し、均なり複雑に変化することが考えられます。と、正確なシミュレーションはできないと一分布として考えていこうとしています。

こうした条件のなかで、変形の様子を同時考えています。そのため、ポスト「京」にその結果を実部品へマルチスケール展開しに解いていかなければなりません。温度とよる大規模計算が必要になります。炭素繊ていくわけです。しかし、そこには大きな構造の連成解析に、さらに接触という問題

維の方は比較的安定した材料で、温度に対課題があります。プリプレグシート単位でが加わります。こうした連成解析の複雑さしてもほとんど膨張せず、逆にわずかに収モデル化するにはマクロ材料定数を決めなは、今回のシミュレータを構築する上での縮するような感じで温度依存性もなく、強ければなりませんが、樹脂は粘弾性体、ついちばんの難しさです。

度的にも安定していますので、ミクロレベまり弾性と粘性の両方の性質を持っていて、ルでの炭素繊維のモデル化はほとんど問題

弾性体についてはミクロモデルからマクロなく進んでいます。やはり最も重要なのはモデルへ展開するいろいろな手法があるのまずはミクロスケールでモデル化し、そのですが、粘性体のモデル化については確立された手法もなく、非常に複雑で難しいのです。というのも、粘性はひずみ速度に大Plate 1きく依存していて、粘性体のモデル化にはδSpecimen

thermocouple

時間に対する変化、ひずみと応力の関係をうまく記述していく必要があり、そこがいちばんのキーポイントになっています。一thermo
couple応モデル化は進んでいて、今後はモデルが実際の現象を正確に表しているかどうか、実験を含めた検証を行っているところです。

Plate 2

これがうまくいけば、もう樹脂と炭素繊維をいちいち分ける必要がなくなり、熱可塑▲熱可塑プリプレグシート（薄さ約0.1mm）の断面の拡大画像

無数の点が炭素繊維。左は1層プリプレグシートの熱間プレス試験のイメージ。

6

計算工学ナビ Vol.15

CFRP という一つの材料として扱えると考えています。

Meso

Temperature (Celsius)
1.0

1320.8

この先、研究開発は実用化フェイズに向

104

0.6

かって進んでいくわけですが、まだまだご760.4

苦労が続きそうですね。

480.220

プログラム開発は、ミクロスケールから0.0100 s

Macro

Crystallinity160300 s

500 s

100 s

700 s

300 s

500 s

700 s

マクロスケールへの展開も順調に進んでお160

1.0132

り、今後は実際の部品を対象に、しっかり0.8104

計算できているかを検証しながら、実験を0.676

通して正確に現象を表しているかを確かめ0.4480.2ていく予定です。

200.0

さまざまな可能性を持つ有望な材料として期待されている熱可塑 CFRP ですが、産業界としては、まだ手が出し辛い状況にあり▲マルチスケール展開のための検証結果
シミュレーションによる温度分布および結晶化度分布は、メゾモデル（上）とマクロモデル（下）でほぼ一致していることが確認された。

ます。しかし、このシミュレータが実用化されることによって、熱可塑 CFRP への認識も大きく変わるのではないでしょうか。

シミュレータの実用化によってCFRP 材料をもっと身近なものにめていくことが必要です。例えば接触の問題ひとつとっても、決して単純なものではこれまで CFRP 材料は、経験がなくノウなくて、力も加わっているし、温度条件もハウを持たない人たちには手が出しにくい、どんどん変わり、変形も生じるし、さらにハードルの高い材料だったと思います。こ時間とともに状況がどんどん変化していく

温度が変われば材料定数も変わる、そうしのシミュレータを実用化することによって、という時間に対する樹脂の挙動が大きなポたなかで変化を正確に追っていくためには、CFRP をもっと身近なものとして認識してイントになっているのですね。ということ

まだいくつものハードルをクリアしていかもらい、多少なりとも一般化されれば嬉しは、このシミュレータが完成すれば、どのなければなりません。シミュレータを実用いですね。そのためにも、ポスト「京」のくらいのプレス時間が最適かということも化するためには、こうした問題をひとつひ計算性能を最大限活用して完成度の高いシシミュレーションで明らかになるということつ解決していかなければいけないと思っミュレータに仕上げていきたいと考えていとですね。ています。

ます。

そうした使い方も可能だと思います。どこまでプレス時間を短縮できるかということですね。実際には部品自体のなかにも、場所によってわずかな温度差が生じて、成形時にはその差が効いて変形につながることがあります。したがって、プレス時間を短くするほど変形などいろいろな不都合が起きやすくなると思いますが、どれだけ時間をかければ大丈夫か、その許容値を示すことはできるはずです。温度も含めた時刻
歴解析というのは非常に難しいのですが、温度と変形の様子をしっかり追っていくというのが、このシミュレーションにとって最も重要なところです。それが正しく予測できるようになれば、製造現場にとっては、プレス成形の時間を短縮できるというのはとても大きなことですから、貴重な情報になるでしょうね。ただし、そこまで行くには、さらに1段階も2段階も研究開発を進2018年春より「FrontCOMP ユーザー会」設置
CFRP 製品の設計の多くは、試作と破壊試験を繰り返す試行錯誤的な手法で行われてきた。

「これは、炭素繊維束と樹脂が形成するメゾ構造により生じる、局所的な応力集中を適確に評価する手法が確立されていなかったからです。私たちは、複合材料強度信頼性評価シミュレー

タ『FrontCOMPシリーズ』を開発し、大規模計算に基づくシミュレーションで適確に評価し、強度を正確に予測する方法論の確立を進めています」と吉川暢宏教授は言う。そして、研究開発成果を産業界との連携を図ることによって、より深化させていくことをめざし、吉川教授は2018年春に、「FrontCOMPユーザー会」を生産技術研究奨励会の特別研究会のひとつとして立ち上げた。特別研究会は、東京大学生産技術研究所を中心とする大学教員（または教員グループ）が主宰し、日本の工業生産技術の向上や工学研究の発展をめざして、産業界との共同研究や調査・情報交換などの研究連携を行うものだ。吉川教授は、「『FrontCOMPシリーズ』のソフトウェアでどんなことができるのかをご理解いただき、多くのみなさんに活用してもらうための入り口と考えています。また、研究開発を進めていくための新たな課題を見つけ出す機会になればと思っています」と話し、関係者らにユーザー会への参加を呼び掛けている。

2018年8月に開催されたユーザー会の様子。

＊ユーザー会連絡先：

7

今号の表紙ポスト「京」重点課題⑧ サブ課題 E

新材料に対応した高度成形・溶接シミュレータの研究開発
開発中の高度成形・溶接シミュレータの精度検証のため、溶接力学シミュレーション研究会のベンチマーク問題 (10万節点規模モデル ) を解析した。左上は、垂直方向変位の分布。右下は、６パス終了時のMises 応力分布。下段は6パス分の溶接金属断面。FrontISTR による計算の結果、信頼性の高いほかのモデルによる解析結果と良好に一致した。
東京大学大学院 新領域創成科学研究科

奥田洋司

編集後記

ポスト「京」重点課題⑧「近未来型ものづくりを先導する革新的設計・製造プロセスの開発」では、「設計プロセスの革新」、「製造プロセスの革新」という2つのカテゴリーに分類して、サブ課題が設定されています。
今号では、「製造プロセスの革新」を構成するサブ課題 E、F について、各サブ課題責任者に、研究開発の概要や進捗についてお話をうかがいました。高信頼・高精度加工プロセスの実現に欠かせない “ 革新的シミュレータ ” の研究開発の現状を、分かりやすく紹介します。

計算工学ナビ オフィシャルサイト
本誌の PDF 版やソフトウェアライブラリ、ニュースなどのコンテンツを提供している Web サイトは下記の URL からアクセスできます

http://www.cenav.org/

計算工学ナビ Vol.15
発行日： 2018年9月26日
発

行： 東京大学生産技術研究所
革新的シミュレーション研究センター〒153-8505 東京都目黒区駒場4-6-1
office@ciss.iis.u-tokyo.ac.jp