構造解析ソフトの最適な選び方を徹底解説！おすすめの製品も紹介

選び方に入る前に、構造解析ソフトが何を担うのかを押さえます。ここが曖昧なままだと、使わない機能に費用を払うことになりかねません。まず3点を確認しましょう。

構造解析ソフトが担う業務

構造解析ソフトは、部品や構造物に力が加わったときの応力と変形を計算します。実物を壊す試験の前に、設計データの上で強度や剛性を確かめられる道具です。

対象は機械部品から装置のフレーム、筐体、基板の実装部まで幅広く広がります。試作の回数を減らし、強度不足による市場での不具合を予防する狙いで使われます。解析は試験の代わりではなく、試験の前に候補を絞る手段だと考えてください。設計変更の影響を短期間で確認できる点が、実務での価値になります。

解ける解析の範囲

解析の種類は、大きく線形静解析・非線形解析・動解析・疲労解析に分かれます。線形静解析は、変形が小さく材料が弾性の範囲にとどまる前提で強度を確かめます。

非線形解析が扱うのは、大変形や接触、塑性、ゴムや複合材の挙動です。動解析では固有値や周波数応答、過渡応答、衝撃を求めます。衝突や落下のように短い時間の現象は、陽解法と呼ばれる手法で解くのが一般的でしょう。疲労解析は繰り返し荷重による寿命の予測に使われます。どこまで解くかで、必要なソルバーの系統が変わってきます。

選定でつまずきやすい理由

構造解析ソフトは価格が非公開の製品が多く、カタログだけでは差が読み取れません。機能一覧はどれも広く見えるため、並べても判断材料になりにくいのが実情です。

差が出るのは、自社の形状でメッシュが安定するか、実験値と照合して妥当な精度が出るかという運用面です。さらにソルバー課金や並列ライセンスで実質の費用が動きます。見積もりを取るまで総額が読めない点も、比較を難しくする一因でしょう。だからこそ、軸を先に決めてから製品を見る順序が要ります。

編集部コメント：製品を先に見ると、機能の多さで判断してしまいがちです。自社が何を解きたいのか、誰が解くのかを先に言葉にしてみてください。それだけで必要な条件がかなり絞り込まれます。

構造解析ソフトは、誰が使う前提で作られているかで3つに分かれます。この分類を押さえておくと、候補を絞り込みやすくなります。まず全体像をつかみましょう。

• 設計者向けCAE
• ハイエンド汎用FEM
• 国産オールインワン型

設計者向けCAE

設計者自身が手元で回すことを前提にした製品群です。CADに近い操作体系と自動メッシュを備え、形状の作成から結果の確認まで一人で進められます。

線形静解析や基本的な固有値解析、簡単な熱の検討が主な守備範囲です。解析の専任者を置かずに、設計部門で強度確認を内製したい企業に向きます。専門の教育を受けていない担当者でも、短い研修で立ち上げられるでしょう。一方で、大規模な非線形動解析ではハイエンドのソルバーに精度と速度で劣ります。

ハイエンド汎用FEM

解析の専任者が使うことを前提にした高機能なソルバー群です。非線形や接触、大変形、衝撃、多物理の連成まで幅広く解けます。

材料モデルの種類が多く、大規模並列での計算実績も長く積み上がってきました。並列のコア数を増やすほど計算時間を短縮でき、大規模なモデルにも耐えます。航空宇宙や自動車のように、解析結果に責任を持つ部門で標準的に使われています。ただし前処理の学習負荷が高く、設計者が片手間で回す体制には向きません。

国産オールインワン型

国内のベンダーが開発し、複数の物理現象を一つのライセンスで扱える製品群です。構造に加えて熱や電磁、音響まで同じ環境で検討できます。電子部品のように複数の物理現象が絡む製品では、切り替えの手間が減るでしょう。

日本語のドキュメントと国内窓口の直接サポートを受けられる点も利点になります。公開価格を提示する製品があり、初期の試算と稟議を進めやすい構成です。ただし大規模な非線形動解析や本格的な流体連成は、対象外になる場合があります。

同じ構造解析ソフトでも、何を解きたいかで優先する軸が変わります。製造業でよくある3つの目的を取り上げました。自社に近いものから読んでください。

設計段階で強度と剛性を確認したい

線形静解析を中心に、設計の途中で強度と剛性を確かめたい場合です。優先すべきは解析機能の広さではなく、形状から結果までの回転速度になります。設計判断に使えるまでの時間を日単位に縮められるかが、重要な比較点です。

候補としては、CADライクな操作画面と安定した自動メッシュを備えた設計者向けCAEが適しています。設計変更のたびに再取り込みが滑らかに回るかを、試用版で確かめてください。高機能な汎用FEMを選ぶと、使わないソルバーの保守費が残ります。

非線形や衝撃を高精度に解きたい

樹脂やゴム、複合材の大変形、接触、落下や圧入までを扱いたい場合です。この領域では、材料モデルの豊富さと収束の安定性が結果を左右します。

陰解法と陽解法を同じ前処理環境で運用できるハイエンド汎用FEMが軸になります。解析の妥当性を実験値と照合できる体制も、あわせて用意しておきたい条件です。材料の試験データをどこまで用意できるかも、精度を決める前提になります。設計者向けCAEでは、扱える材料挙動の範囲が足りなくなります。

大規模アセンブリの振動を解きたい

固有値や周波数応答、過渡応答を多荷重ケースで回したい場合です。数十万から数百万自由度のモデルを、現実的な時間で解き切る性能が要ります。モデルを部分構造に分けて解く手法に対応しているかも、確認の対象でしょう。

大規模並列の実績が長い汎用ソルバーと、並列計算の環境をセットで検討します。夜間にまとめて流すのか、日中に少数ケースを回すのかで最適な構成が変わります。必要なライセンス本数とコア数は、運用の形から逆算するとよいでしょう。

専任の解析者か設計者かによって、構造解析ソフトで優先したい条件は変わります。構造解析に関わる3つの部門で整理しました。複数部門で共有するなら、条件の厳しいほうに合わせます。

設計部門

図面を描きながら強度を確認する部門で、扱う頻度が最も高くなります。ここで効くのは操作の分かりやすさと、CADからの形状取り込みの滑らかさです。

解析の専門教育を受けていない担当者も多く、習得性の比重が上がります。日常的に使うため、起動や表示の軽さといった細部も作業時間に響きます。教育プログラムに自社モデルを使った実習が含まれるかを確認してください。難易度の高いテーマは専任者へ回す前提で、守備範囲を決めておくと定着します。

解析専任部門

非線形や連成、大規模モデルの解析に責任を持つ部門です。求められるのは材料モデルの幅とソルバーの並列性能、そして結果の妥当性を示せる裏付けになります。

公開されている検証データやベンチマーク事例の有無も、判断の材料に加えてください。前処理の自由度が高い製品ほど、複雑な接触条件を作り込めます。学習の負荷は高くなりますが、専任の体制であれば投資を回収しやすくなります。外部の受託解析と社内の役割分担も、あらかじめ決めておくとよいでしょう。

情報システム部門

計算機環境とライセンスの管理を担う立場から見る条件です。並列コア数に応じたHPCライセンスの数え方と、クラウド利用時の課金方式を確認します。解析用の計算機は設計用のPCと要件が違うため、調達の基準を分けて考えます。

ライセンスサーバーの運用方式や、拠点間で融通できるかも押さえておきたい点です。クラウドHPCなら初期の計算機投資を抑えられますが、実行時間に応じた費用が積み上がります。更新時期と保守の窓口も、契約前に整理しておいてください。

企業規模そのものより、規模から来る制約が判断を分けます。専任担当の有無、計算機環境、稟議の通し方の3点です。自社の体制に近いところを見てください。

中小企業

解析の専任者を置けない前提で選びます。設計者が本来の業務と兼務するため、まず立ち上げの負担を小さくできるかを見極めましょう。

公開価格があり、無償のトライアルで自社モデルを試せる製品を優先してください。国内ベンダーの直接サポートを受けられるかも、定着を左右する条件です。難しいテーマは外部の受託解析に回す前提で、社内の守備範囲を絞ると無理がありません。まずは1ライセンスから始め、成果を確かめてから本数を増やす進め方が現実的でしょう。

中堅企業

設計部門の内製と、専任者による難易度の高い解析が並び立つ段階です。どちらか一方に寄せると、使わない機能か足りない機能のどちらかが残ります。

設計者向けCAEとハイエンド汎用FEMを併用する構成が、現実的な落としどころです。併用するなら、解析モデルや結果の受け渡し方も先に決めておいてください。ライセンスを部門間で融通できる形態にすると、必要な本数を抑えられます。3〜5年先に広げたい解析テーマを棚卸ししてから、系統を決めてください。

大企業

拠点や事業部をまたいだ標準化と、計算機環境の整備が判断を左右します。解析データと手順を共有できないと、同じ検討が各拠点で重複します。解析の手順と条件を標準書にまとめ、拠点間で同じ結果を出せるようにするとよいでしょう。

多物理の連成まで同一環境で扱えるプラットフォームを軸に据える選び方が有力です。HPCクラスタやクラウドを含めた実行環境と、並列ライセンスの設計も同時に詰めます。稟議では単価より、数年分の総額と移行の工数が問われます。

目的・部門・規模で方向が見えたら、具体的な条件に落とし込みます。ここからは順番が大切です。上から順に確認すると、手戻りが減ります。

• 解く解析種別を棚卸しする
• モデル規模と計算環境を見積もる
• CAD連携とメッシュの工数を試す
• 教育とサポートの範囲を確認する
• 3年分の総額を積み上げる

解く解析種別を棚卸しする

最初に決めるのは、どの解析を誰が解くかです。線形静解析だけで足りるのか、非線形や動解析、疲労まで必要になるのかを切り分けます。現在は外注している解析テーマを並べると、必要な範囲が見えやすくなります。

あわせて3〜5年先に広げたいテーマも仮置きしておきましょう。ここを曖昧にしたまま価格や操作性で決めると、後からソルバーごと買い直す事態になりかねません。逆に当面使わない機能まで揃えると、保守費だけが残ります。

モデル規模と計算環境を見積もる

次に、扱うモデルの自由度と1日に回すケース数を見積もります。この2つが決まらないと、必要な並列コア数もライセンス本数も出せません。過去に外注した解析の規模と所要時間が、見積もりの目安として使えるでしょう。

大規模なモデルを夜間にまとめて流すなら、同時に流せる本数が処理量に影響します。設計者が日中に少数ケースを回すなら、1ケースの応答速度を優先します。HPCライセンスやクラウドの従量課金も、この段階で洗い出しておきましょう。

CAD連携とメッシュの工数を試す

使用中のCADデータを、どの経路で取り込むかを確かめます。ネイティブ形式を直接読めるのか、STEPなどの中間形式を経由するのかで工数が変わります。部品数の多いアセンブリを扱う場合は、取り込みの所要時間も測っておきましょう。

形状変更のたびに解析モデルを作り直す運用になると、回転速度が落ちます。自社の典型形状で自動メッシュが安定するかも、試用版で必ず確認してください。設計と解析で部門やCADが分かれる場合は、受け渡しの手順まで決めておきます。

教育とサポートの範囲を確認する

高機能な製品でも、担当者が使いこなせなければ投資は回収できません。教育プログラムの中身が座学だけか、自社モデルを使った実習まで含むのかを聞いてください。

問い合わせの窓口が国内にあるか、回答までの目安時間はどれくらいかも確認します。代理店を経由する場合は、一次回答を誰が出すのかまで聞いておくと安心でしょう。扱える担当者が一人に偏ると、異動と同時に運用が止まります。手順書の整備を導入計画に組み込んでおくと、属人化を防げます。

3年分の総額を積み上げる

最後に、3年程度の総保有コストで候補を並べます。基本ライセンス費だけで比べると、運用開始後に想定外の費用が積み上がります。更新時に価格が変わる条件があるかどうかも、契約前に確かめておいてください。

解析種別ごとのソルバー課金、並列コア数に応じたHPCライセンス、保守費、教育費を分解してください。計算機やクラウドの費用も同じ表に載せて比べます。必要な解析種別とコア数を先に確定してから見積もりを依頼すると、差が読めます。

製品データとして数値化できる4項目を、製造業適合性スコアで横並びにしました。工程管理・品質管理・現場操作性・中小適合の4つを5段階で評価しています。並びは中小適合の高い順です。上から下へ向かうほど、想定する企業規模と導入の重さが上がります。

製品ごとの詳しい比較は構造解析ソフトの比較記事で扱っています。

導入でつまずく組織には共通したパターンがあります。事前に知っておけば、稟議の段階で対策を示せるはずです。よくある4つを回避策とあわせて挙げます。

解析種別を見誤る

線形しか解けない構成を選ぶと、導入後に非線形や衝撃の解析が必要になった際に対応できません。ソルバーを買い直すことになり、費用も立ち上げの時間も二重にかかります。

回避策：導入前に3〜5年先の解析テーマを棚卸ししてください。必要になりそうな解析種別まで含めて系統を選べば、買い直しを避けられます。当面は必要最小限から始め、段階的に広げる進め方も有効です。後から専用のモジュールを追加できる製品もあるため、拡張の可否も聞いておきましょう。

ライセンス費を過小に見積もる

基本ライセンス費だけで試算すると、運用開始後に費用が膨らむおそれがあります。解析種別ごとのソルバー課金や、並列コア数に応じたHPCライセンスを見落とすと起こります。

回避策：必要な解析種別と並列コア数を先に確定しましょう。そのうえでHPCやクラウドの費用まで含めた3年分の総額で見積もりを取ります。最小構成の価格だけで比べないことが肝心です。同じ製品でも契約の形態で年額が変わるため、条件をそろえて比べてください。

担当者一人に依存する

よくあるのが、扱える担当者が一人に偏り、その人の異動で運用が止まるケースです。高機能な製品ほど学習の負荷が高く、この状態に陥りやすくなります。

回避策：習得性とサポート体制を選定の軸に必ず含めてください。教育と手順書の整備を導入計画のスコープに入れておくと、引き継ぎが楽になります。解析条件の設定根拠を記録に残す運用も効きます。使い方を教え合う勉強会を社内で開くと、扱える人数が増えていくでしょう。解析を任せきりにせず、結果を読む側の担当も育てておきたいところです。

精度の検証を省く

トライアルでの妥当性確認を省いて、本導入してしまう例も見られます。後になって解析結果が社内で信用されず、判断に使われなくなります。

回避策：トライアルの段階で既知の実験データや理論解と突き合わせましょう。許容誤差に収まることを確認してから本契約に進めば、手戻りを減らせます。自社の典型テーマを3〜5パターン用意すると判断しやすくなります。検証に使った条件と誤差は記録に残し、社内で参照できる形にしておきましょう。

構造解析ソフトの選定は、何を解くかと誰が解くかの2点から始まります。この2点を整理すると、必要な系統を絞り込みやすくなるためです。種類は設計者向けCAE・ハイエンド汎用FEM・国産オールインワン型の3つに分かれます。

方向が定まったら、5つの条件を順に確認しましょう。解析種別の棚卸し、モデル規模と計算環境、CAD連携とメッシュ、教育とサポート、3年分の総額です。よくある失敗は、種別の見誤り・費用の過小見積もり・属人化・検証不足の4つです。

用語や仕組みは構造解析の解説記事で補えます。製品ごとの比較は構造解析ソフトの比較記事、費用は構造解析ソフトの費用の解説記事で扱っています。