構造解析・FEMとは？基礎知識やできること、選び方までをわかりやすく解説！

構造解析は、荷重・圧力・振動・温度差を受けた構造物の挙動を求める解析です。装置の架台や筐体、車両、橋梁、電子機器まで、力がかかるものづくり全般で使われています。ここでは、定義、FEMの考え方、解析の種類を押さえます。

設計の妥当性を試作前に確かめる技術

構造解析では、構造物がどれだけ変形し、内部にどんな応力が生じ、どう振動するかを求めます。求めた結果は、材料が耐えられる強さや許容できる変形と比べて使うのが基本です。

比べることで、壊れずに使えるか、共振しないか、どこを補強すべきかを判断できます。得られる結果は、変形図や応力の分布図、振動の形（モード）や振動数などです。どの現象をどこまで精密に解くかは目的で変わり、解析の種類やソフトの違いにつながります。

FEMで形状を要素に分けて解く

計算を支えているのが、FEM（有限要素法、Finite Element Method）です。複雑な形状をそのまま解く代わりに、小さく単純な形の集まりに分割して計算します。

分割した一つひとつの小領域を要素、要素が作る格子をメッシュと呼びます。要素ごとの計算を組み合わせ、全体の変形や応力を近似的に求める仕組みです。手計算では解けない入り組んだ形状でも、要素に分ければ解けるようになります。メッシュの分け方しだいで、精度と計算時間は大きく変わります。

静解析と動解析

静解析は、時間で変化しない静的な荷重に対する変形と応力を求める解析です。もっとも基本的で使用頻度が高く、多くの設計検証はここから始まります。ブラケットのたわみや、圧力をかけた容器の応力の確認が代表例です。

動解析は、時間で変化する力や、衝撃・振動といった動的な現象を扱います。走行中の車両の振動、落下時の衝撃、回転機械の振動が対象になります。静解析より計算が重く、設定も複雑です。時間とともに変わる挙動を捉えられるため、振動や衝撃が品質に直結する製品では欠かせません。

固有値解析と座屈解析

固有値解析は、構造物が共振しやすい固有振動数と、そのときの振動の形を求める解析です。外からの振動が固有振動数に近づくと、共振で大きく揺れ、破損や騒音の原因になります。事前に把握しておけば、形状や剛性を調整して共振を避けられます。

座屈解析は、細長い柱や薄い板が圧縮で急に大きく変形する座屈を調べる解析です。座屈は応力が許容範囲でも突然起きるため、強度とは別に確認が要ります。これらの解析は、多くの場合1つのソフトの中で組み合わせて使えます。

線形解析と非線形解析

線形解析は、荷重と変形が比例すると仮定して解く方法です。変形が小さく、材料が弾性の範囲にとどまり、接触状態が変わらない場合に成り立ちます。計算が速く扱いやすいため、多くの設計検証は線形解析から始まります。

非線形解析は、この前提が崩れる現象を扱う解析です。対象は、大変形（幾何学的非線形）と塑性やゴムの挙動（材料非線形）です。部品同士の接触（接触非線形）も含まれます。計算が重く、収束しないリスクもある点に注意が必要です。

編集部メモ：どの解析が要るかは、製品にかかる現象で決まります。静的な荷重しかかからない架台なら、静解析で足ります。モーターを載せる構造なら、固有値解析で共振を確かめてください。熱応力・疲労・衝撃の解析も、目的に応じて組み合わせます。

構造解析のメリットは、実物を作る前に何度でも検証できることから生まれます。開発のスピード、コスト、製品の安全性のそれぞれに効果が表れます。

• 試作前に強度や剛性の見当がつく
• 試作回数を減らし、開発期間とコストを圧縮できる
• 軽量化を検討しやすい
• 共振や座屈を事前に把握できる

試作前に強度や剛性の見当がつく

手計算では解けない入り組んだ形状でも、強度や剛性を見積もれます。設計図の段階で、この形状と材料で想定する使い方に耐えられるかを数値で確かめられます。強度不足や過剰設計を、早い段階で見つけられるのが利点です。

分布図で応力の大きい箇所が見えるため、どこを補強し、どこを削れるかの判断がしやすくなります。形状や材料を変えながら、何度でも条件を試せます。試作品を待たずに設計を詰められるので、検討の回数も増やせるでしょう。

試作回数を減らし、開発期間とコストを圧縮できる

実物を作って試験するだけでは、試作のたびに費用と時間がかかります。強度不足が試作後に見つかれば、設計からやり直しです。構造解析で事前に検証すれば、試作の回数そのものを減らせます。

設計変更を繰り返しながら最適な形状を探す開発では、手戻りの削減という形で効果が表れます。試作や実機試験が高価な製品ほど、効果は大きくなるでしょう。試作を待つ時間が減るぶん、開発期間も短くなります。試作にかかる材料費や加工費も、回数に応じて減らせます。

軽量化を検討しやすい

強度や剛性を確保したまま、無駄な肉厚や重量を削る検討に使えます。肉厚を減らした案と元の案を、同じ荷重条件で比べることもできます。どこまで削れるかを数値で確かめながら進められる点が利点です。

軽量化は、材料費の低減だけでなく輸送コストの削減にもつながります。設計の品質とコストの両方に効くため、軽量化の要求が強い分野ほど価値が大きくなります。分布図を見れば、応力が小さく削れそうな箇所の見当もつけやすいでしょう。

共振や座屈を事前に把握できる

共振や座屈は、実機では条件を再現しにくい現象です。固有値解析や座屈解析を使えば、試作前に起きる条件を把握できます。静的な強度の確認だけでは、こうした現象は見えてきません。

共振しやすい振動数が分かれば、形状や剛性を調整して避けられます。破損や騒音の原因を、製品が世に出る前に取り除けます。座屈は応力が許容範囲でも起きるため、強度計算だけでは見落としがちです。安全性が厳しく問われる装置や構造物では、とくに大きな利点になるでしょう。

構造解析は、導入すれば自動的に正しい答えが出るわけではありません。いずれも手順と体制で補えるため、対処法とあわせて押さえておきましょう。

• 設定しだいで結果が実態とずれる
• 解析を扱える人材と体制が要る
• 非線形解析や動解析は計算が重い

設定しだいで結果が実態とずれる

メッシュの切り方、境界条件の与え方、材料データの精度で結果は変わります。計算が正常に終わっても、値が実態とかけ離れることがあるため注意が必要です。特異点を最大応力と取り違える、共振を見落とすといった誤りも、結果の信頼を損ないます。

対処法：メッシュを段階的に細かくして、結果が収束するかを確かめます。結果は実機試験や単純な手計算と突き合わせ、妥当性を検証してください。解析の前提を理解した担当者が、この確認を手順として必ず踏むことが大切です。

解析を扱える人材と体制が要る

結果を正しく読むには、解析の前提や手法を理解し、結果を批判的に読み解ける担当者が欠かせません。こうした人材の育成には、時間と教育費がかかります。ソフトの費用に加え、計算機の性能や検証の手間も見込む必要があるでしょう。

対処法：最初は静解析と線形解析から始め、精度を社内で確かめながら適用範囲を広げます。体制が整う前は、外部の解析サービスで一部の検討を試しましょう。効果を確かめてから内製化を検討しても遅くありません。

非線形解析や動解析は計算が重い

非線形解析や動解析は、線形の静解析より計算が重く、設定も難しくなります。非線形では、計算が収束しないリスクもある点に注意が必要です。一方で、非線形の現象を線形で解くと、結果は実態と大きくずれてしまいます。

対処法：まず線形解析で全体の傾向をつかみます。そのうえで、応力が高く塑性域に入りそうな箇所だけを非線形で詳しく解く、段階的な進め方が有効です。最初から複雑な動解析に挑むより、誤った判断を避けやすくなります。

構造解析ソフトは、形状を要素に分け、条件を与えて計算し、結果を表示する流れで使います。その流れを支える機能は、大きく次の4つです。

• メッシュ生成：形状を要素に分割し、計算用のモデルを作る
• 境界条件の設定：拘束する位置と、かける荷重を与える
• 解析の実行（ソルバー）：静解析・動解析・固有値解析・座屈解析・非線形解析を計算する
• 結果の可視化：変形図・応力分布・振動モードを色分けして表示する

それぞれの中身を見ていきましょう。

メッシュ生成

形状を要素に分割し、計算用のモデルを作る機能です。要素を細かくするほど精度は上がる一方、計算量と時間も増えます。

応力が急に変わる穴や角の周辺は細かく、変化が緩やかな部分は粗く分けるのが基本です。粗すぎると応力を低く見積もり、細かすぎると計算が終わりません。必要な箇所に要素を集中させ、精度と計算時間の釣り合いを取ります。メッシュを段階的に細かくし、結果が安定する（収束する）ところを確かめる手順も欠かせません。

境界条件の設定

どこで固定するか（拘束）、どこにどれだけの力をかけるか（荷重）を与える機能です。解析の前提そのものにあたり、現実の使われ方をどれだけ正しく反映できるかが問われます。

実際の取り付け方や荷重のかかり方と違えば、計算が正しくても結果は実態とずれます。弾性的に支えられる箇所を完全に固定すると、近くの応力を過大に見積もりがちです。鋭い角や点での固定は、特異点の原因にもなります。境界条件が現実に即しているかは、実機試験の結果と突き合わせて確かめるのが確実です。

解析の実行（ソルバー）

設定したモデルを、目的に応じた解析の種類で計算する機能です。静解析・動解析・固有値解析・座屈解析を、1つのソフトの中で切り替えて使えるのが一般的です。静解析なら変形と応力、固有値解析なら固有振動数と振動の形が出力されます。

熱応力・疲労・衝撃の解析に対応する製品もあります。非線形解析にどこまで対応するかは製品によって差があり、比べるときの観点になるでしょう。扱えるモデルの規模や、CADや他の解析との連携の範囲も、製品ごとに異なります。

結果の可視化

計算結果を、変形図や応力の分布図、振動の形（モード）として表示する機能です。色分けされた分布図で、変形や応力が大きい箇所を一目で確認できます。

固有値解析では、共振しやすい振動数と、そのときの揺れ方を確かめられます。補強すべき箇所と削れる箇所の見当をつける材料にもなるでしょう。ただし、表示された最大値が特異点による計算上の偽の値でないかは、別途見極めが要ります。特異点では、メッシュを細かくするほど応力が際限なく大きくなるのが特徴です。

構造解析が使われるのは、力や振動が品質や安全性に直結する設計です。担当者と解きたい現象によって、使う解析の種類が変わります。代表的な3つの場面を見ていきましょう。

装置・架台の強度と剛性の確認

機械設計の担当者が、装置の架台やブラケット、筐体の強度を確かめる場面です。静的な荷重がかかる構造なら、静解析で変形と応力を求めます。装置を取り付けたブラケットがどれだけたわむかが、典型的な確認項目になります。

圧力をかける容器では、応力が許容範囲に収まるかが確認の焦点です。薄板や細長い支柱を含む構造なら、座屈解析もあわせて行います。稼働中に発熱する装置では、熱応力解析で温度の影響も確かめましょう。静的な荷重だけなら、動解析や非線形まで備えた製品は要りません。

回転機械や車両の振動対策

振動や騒音が品質に直結する製品の担当者が、共振を避ける設計を行う場面です。回転機械やモーターを載せる構造では、固有値解析で共振しやすい振動数を把握します。

走行中の車両にかかる振動や、落下時の衝撃は動解析の対象です。繰り返し荷重を受ける部品なら、疲労解析で寿命を見積もります。固有値解析と動解析を組み合わせ、揺れ方と時間変化の両方を確かめる使い方もあります。振動や衝撃が品質を左右する製品ほど、欠かせない用途といえるでしょう。

樹脂・ゴム部品や締結部の検討

研究開発や材料評価の担当者が、線形の前提が崩れる現象を扱う場面です。プレス成形、樹脂やゴム部品、ボルト締結や圧入が代表例になります。いずれも、線形解析の前提である比例関係が成り立ちません。

大きな変形や塑性、接触が関わるため、非線形解析が必要です。線形解析で解くと、実態と大きくずれてしまいます。設定や結果の読み解きに専門知識が要る点も、この用途の特徴です。まず線形で傾向をつかみ、塑性域に入りそうな箇所だけ非線形で詳しく解く進め方もあります。

構造解析ソフトの多くは、年額制やトークン制、モジュール構成で価格が決まります。正式な価格は、個別見積もりで確かめる必要があります。静解析から非線形まで幅広く扱う高機能な製品ほど、価格と習熟コストは高くなる傾向です。設計者向けの製品は、比較的導入しやすい価格帯にあります。導入時は、担当者の教育や計算機の性能、検証の手間も含めて計画しましょう。

料金体系の詳細は、構造解析ソフトの費用の解説記事で確認できます。製品ごとの条件は、ITトレンドの構造解析ソフトカテゴリで比較できます。

構造解析とよく並べて語られるのが、応力解析です。どちらもFEMで計算しますが、扱う現象の範囲が違います。

部品に生じる応力が許容範囲に収まるかを確かめるだけなら、応力解析で足ります。共振や座屈、衝撃のように、強度とは別に確かめる現象があるなら構造解析の範囲になるでしょう。

製品選びでは、自社の設計で動解析や非線形がどこまで要るかを先に決めてください。製品ごとの対応範囲は、構造解析ソフトの比較記事で整理しています。選定の手順は、構造解析ソフトの選び方の記事を参考にしてください。

構造解析の向き不向きは、業種よりも設計の条件で決まります。形状の複雑さ、強度や振動の要求の厳しさ、試作の難しさ、繰り返し検討の多さが分かれ目です。自社がどちらに当てはまるかを確かめてください。

構造解析の導入が向いている企業

複雑な形状や大きな構造物を扱い、強度・剛性・振動が品質に直結する企業です。手計算では見積もりにくい設計ほど、解析で検証する価値が高まります。

試作や実機試験に費用と時間がかかる製品を持つ企業も適しています。安全性が厳しく問われる装置や構造物を扱う企業も同様です。共振・座屈・衝撃を扱う企業や、軽量化の要求が強い分野も候補になるでしょう。設計変更を繰り返して最適な形状を探す開発なら、手戻りの削減という形で効果が出ます。

構造解析の導入が向いていない企業

扱う部品が単純な形状で、経験則や規格、手計算で強度を見積もれている企業です。構造解析を入れても、効果が出にくい場合があります。試作が安価で短期間にできるなら、実機で確かめるほうが速い場面もあるでしょう。

解析を扱える人材や教育に投資できる体制がない企業も、いきなりの内製化には向きません。まず外部の解析サービスで一部を試し、効果を確かめてから判断しましょう。構造解析を目的にするのではなく、解きたい強度や振動の課題が先にあるかが分かれ目です。

構造解析とは、力や振動で生じる変形・応力・振動を計算し、設計の妥当性を試作前に確かめる技術です。計算の中心はFEMで、試作回数の削減や軽量化、共振・座屈の事前把握に効果があります。

最初に決めるのは、自社の設計で解きたい現象です。静解析で足りるのか、固有値解析や座屈解析まで要るのかで、必要なソフトの範囲が変わります。非線形がどこまで絡むかも、製品選びの起点になります。

結果はメッシュと境界条件で大きく変わるため、実機試験や手計算で検証できる体制も欠かせません。まず静解析と線形解析から始め、適用範囲を広げてください。製品は構造解析ソフトカテゴリで比較できます。