SolidWorks によるシミュレーション技術の習得- SolidWorks FloXpress の使い方 細井 健司 1* 、川原1

藤樹 2*、高橋 一成 2*

機械建設系、 2 電気電子情報系

１．はじめにを把握する上で有効な手段である。その際、我々のグループ研修は、理工系実験装置図

計算モデルの作製には、3DCAD を用いるのプレゼンテーション制作のため、平成 20

ことで簡単な制作・モデルの変更が可能で年度から CG ソフトウェア Shade の習得からある。本章では CPAP 素子計算モデルを例始め、平成 22 年度からは SolidWorks の習得

にとって、モデルの制作方法について説明を目的とした研修

1), 2), 3)を行ってきた。さらする。に平成 23 年度からは、この研修と並行して最初に CPAP 素子の流路の作り方から説明

新たにメンバーを迎え、全学向け 3D 画像制する。SolidWorks の正面に CPAP 素子流路形作支援を目的とした「3D-Design プロジェク状を作製する。作図のポイントは、図 1(a)の4)ように正接を利用して滑らかに線同士をつSolidWorks は、機械向け 3 次元 CAD であなげることである。押し出しは、流路中心がるが、設計検証、製品データ管理、テクニカ

正面図上になるよう前後に 1mm ずつ押し出

ルコミュニケーション、電気設計なども増えすと、図 1(b)に示すように完成する。

ト 」を立ち上げた。

多岐にわたる利用が可能である。このSolidWorks は、これまで主に機械工学科で使用され、実験装置の設計や数値計算用流れのモデル制作にも利用されている。
3D-Design プロジェクトをリードし推し進めるためにも、SolidWorks の操作技術の向上が本グループにとって不可欠となる。
昨年度は、機械工学科 3 年生向けの機械工作実習「周動ステージ」を三次元モデルとして作製し、三次元モデルに動きを持たせることができるモーションスタディ機能を使っ(a)図面(b)完成てアニメーション技術の習得を行った。

図 1．CPAP 素子流路部分

本年度は、流体の流れをシミュレーション

次に、鼻に繋がる流路部分は、回転ボス／できる SolidWorks FloXpress 機能の習得を目ベースを使用して左右２カ所の流路を作製

5)」と「フルブリッする。図 2 に示すように作図を行って、回転ジ・FET インバータ」を題材とした流れの解させると完成する。その後流路と鼻部の接続析を行った。

部分は、流れがはくりを少なくするためにフ的として、「CPAP 素子ィレットを使用して丸くした。くびれの部分
２．CPAP 素子モデルの制作
流体力学の研究において、数値計算により流れのシミュレーションは、流れの状態は、患者と CPAP 素子を繋ぐシリコン製のプロングに相当する。

(a)設定画面(a)作図面(b)完成

図 2．鼻部へ通じる接続部
次に、ロフトとスィープを使って入り口部の流路を作製する。ロフトの使い方は、図 3(a)の設定画面にあるように、面<1>とスケッチ 4 を選択すると（図 3(c)）プレビューで確認できる。

(b)輪郭位置(c)プレビュー

図 4．流路曲がり部分(a) 設定画面

図 5．完成した計算モデル
できあがった CPAP 素子（図 5）に、計算する前に前加工を行う。最初にシェルを適用する。
流路形状を維持するために外側に 0.01mm ほどシェル化する。次に入口部と出口部を下図のよ(b)輪郭位置(c)プレビュー(d)完成

図 3．入り口部分

うに一度穴を開ける。穴の開け方は、スケッチ
モードにして開けたい面を選択してエンティ

曲がり流路部分は、スィープを使用する。

ティ変換を行ってから、フィーチャーモードで

図 4 に示すように輪郭とパスを描いた後で、0.02mm 切り取って図 6 のように入口部と出口設定画面でそれらを選択すると、プレビュー部に穴を開ける。その後蓋を作製し、それぞれで確認できる。

蓋をする。それらの蓋の部分が、SolidWorks
FloXpress で流入口と流出口とになる。

蓋の内側を選択する。以上の設定が終了すると、計算可能となる。
(a)入口部(b)出口部

図 6．流入部と出口部処理

計算実行、そして数分後に計算が終了する。
ボールを選択し、そのボールの数を設定し、得られた結果を図 10 に示す。速度プロット軌跡
でアニメーションをみることもできる。ボール

３．SolidWorks FloXpress
次に流れを評価する流体解析ツールの色は、右のカラーバー速度を表している。こSolidWorks FloXpress を適用する。計算する際のれによって基本的な定常流れを理解すること

条件は、ができる。

（定常流れ・強制対流のみ）
 有限体積法・・・・・矩形メッシュ（平行６面体）
 k ｰ ε 乱流モデルである。

図 10．カラーボール表示による
CPAP 素子内流れの速度

図 7．ようこそ画面
矢印に従って、流量表示→空気→入口条件
設定画面（圧力が低く、非圧縮性と考えられ４．フルブリッジ・FET インバータ回路の設計るので体積流量を選択）、流入口の面は取り我々をとりまく電源には時間的に電圧の変付けた蓋の内側を選択する。入口温度は変え化する交流電源と変化しない直流電源がある。

ないでそのままとする。入口体積流量は、1.0一般的に交流→直流に変換する装置をコンバ-2

3×10 m /s を入力する。

ータ（順変換装置）、直流→交流に変換する装置をインバータ（逆変換装置）と呼んでいる。
インバータは、主にパルス電源用途のハーフブリッジ・インバータ、電流方向制御などが可能なフルブリッジ・インバータ（図 11）などがある。
FET は電界効果トランジスタといわれるもの(a)設定画面(b)面<1>選択

図 8．流入口面の設定(a)設定画面(b)面<2>選択

図 9．流出口面の設定
次に流出口の面の設定は、大気圧状態に流出するので圧力はそのままとし、流出口面を

図 11（単相）フルブリッジ・FET
インバータ回路で、通常のトランジスタ（バイポーラ・トラン

流れジスタ）より動作速度が速く構造が単純で小型左→右化が可能である。主に小電力のスイッチングに使用されていたがパワーFET と呼ばれる大電流型の出現により今日インバータ回路の主流となっている。
FET は前述のとおり小型であるため装置スペースを小さくできる。しかし、同時に放熱が問(a)上面かみたら流れ題となる。設計において十分な大きさのヒートシンク（放熱器）が必要なことに加え、ヒートシンク周辺に十分な空気の流れが必要である。
そこで、今回は、FloXpress により FET を配置したフルブリッジ・FET インバータ回路のケース内にどのような空気の流れが起こるかをシ(b)側面からみた流れミュレーションし、実際の回路設計の参考にす

図 13．収納ケース内流れることを考えた。SolidWorks で回路に使用する実寸大の FET、回路基板、収納するケースを描画し(図 12)、FloXpress で空気の流れを計算した。

図 14．試作した回路
図 12．SolidWorks で描画したインバータ

参考文献

計算条件は、以下の通りである。

1) 「3DCAD の使い方」第 21 回

-33

流入口：体積流量：1.0×10 m /s

術発表会発表報告集

流出口：大気圧部

入口と出口は、φ40 の穴が開けてある。最初

総合研究機構技術(2011), 43-46.

2) 「SolidWorks による各種実験装置の設

φ20 の通気口を設けたが、基盤全体に流れが当計・製作」 第 22 回

たらずφ40 に拡大して得られた流れの状態を発表報告集

図 13 に示す。そこで実際に試作した回路では

16-19

さらに冷却効果を上げるために片方の列の FET

技術部技技術部技術発表会

総合研究機構技術部(2012),

3) 「SolidWorks によるアニメーション技を逆向きにして、基板中心部分の空気の通り道術の習得-回転する周動ステージの制作-」にヒートシンクを配置するようにした。

研究機総合技術支援センター第 23 回
技術発表会発表報告集(2013), 31-34

５．おわりに4) http:// www.tsd.saitama-u.ac.jp/3dpro/

今回は、SolidWorks FloXpress を使って流れの

5) 細井、平原、中村「プロング付縦型バイシミュレーションを行った。今後はさらにスキパスネーザル CPAP 素子」 日本機械学会

ルあげる予定である。

2013 年次大会(2013)