MSC Nastran 振動・構造解析ソフトウェア

1. 構造解析とは

ビル、自動車、椅子、ブラケット、ロケットやドローンなど、筋交いといった様々な構造物を作る際には、様々な設計要件を満たす必要があります。これらの要件を満たすためには、設計者が長年にわたり積み重ねてきた経験や勘、もしくは具体的な試作を通じて、"その構造物が耐えられるか"を調べます。それらの熟練者の経験や勘が、物理工学の原理に基づき、誰もが理解でき、証拠として記録できる形で活用されるのが構造解析です。

例えばには、コンピューター上で、ある個所を止めて、別のところに荷重もしくは変位を与えます。すると画面の中の構造物は変形し、実物では見られない応力を確認できます。これにより、設計中 (もしくは設計前) の形状が適切か過剰設計ではないのか、さらなる軽量化が可能かどうかを検討できます。

2. MSC Nastranの特徴

MSC Nastranは、線形 / 非線形領域における静解析・動解析・熱解析に使用され、高度な構造解析問題解決のための信頼性の高いアプリケーションとして広く採用されています。その活用範囲は多岐にわたり、航空宇宙、自動車、造船、機械、電機電子、建築、土木などの幅広い業界の研究機関や企業で基礎から先端の研究に至るまで使われています。

MSC Nastranは、長年の実製品への適用で培われた技術の蓄積により、多様な産業で標準プログラムとして採用され、世界的なデファクトスタンダードとして高い評価を受けています。自動構造最適化と受賞歴のある組込型疲労解析を搭載し、ハイパフォーマンスコンピューティングによりこれらすべてを実現します。

• 1964年 NASA のプロジェクトとして開発開始

• 1970年 NASTRAN（NASA Structural Analysis system）完成

• 1971年 MSC Nastran として販売開始：初の商用有限要素プログラム

• 以後、解析機能、要素技術、パフォーマンスを向上させつつ、バージョンアップを繰り返しています。

そして、エンジニアは構造システムに必要な強度、剛性、および寿命を確保し、構造機能や安全性を損なう可能性のある故障（過剰な応力、共振、座屈、問題のある変形）を回避するために MSC Nastranを使用しています。MSC Nastranは、構造設計における経済性と乗客の快適性を向上させるためにも使用されています。

また、メーカーはMSC Nastran の複合領域にわたる独自のアプローチを活用して、製品開発プロセスの様々な解析において構造解析を行っています。

• 設計プロセスの早い段階で試作品を仮想的に製作することで、従来の物理的な試作品製作に伴うコストを削減できます。
• 製品のサービス中に発生する可能性のある構造上の問題を確認し、ダウンタイムとコストを削減します。
• 既存の設計の性能を最適化したり、独自の製品差別化要因を開発したりすることで、業界で競合他社に対する優位性を得ることができます。

MSC Nastranは、高度な数値解析手法に基づいています。最も有名な解析手法は、有限要素法です。非線形の問題は、陰解法非線形解法によって計算できます。最適化解析のために、MSCADSや IPOPTなど、多数の最適化アルゴリズムが用意されています。MSC Nastranの疲労解析機能は、現在マーケットで最も高速でロバストな疲労解析ソリューションである CAEfatigueを使用しています。

3. 構造解析における一般的な悩み

構造解析シミュレーションを実施する上で、一般的に上がってくる悩みが、知識と経験が豊富な解析専任者しか扱えないことや、解析の精度に対する懸念などが挙げられます。これらの一般的な課題をHexagonは解決することが可能です。

解析結果が正しいか分からない

構造解析のシミュレーションを実施する際に、解析結果が正確なのかを不安視する方も多いです。そういった課題は、最高精度のシミュレーションをお客様に提供をしているMSC Nastranで解決することができます。高速かつ正確なシミュレーション結果を生成することで世界中に知られる、この先進的なソルバーは、継続的に改良された並列処理機能、スマートなアルゴリズム、便利なツールにより、お客様のコンピューティングリソースを効率的に活用します。

一部の解析専任者しか扱えない

構造解析シミュレーションを扱えるのが一部の解析専任者だけというのは、よくある課題です。そういったユーザーのために、MSC Apexを提供しています。誰でも使いやすく、操作が簡単な点が、MSC Apexの大きな特徴です。形状を画面上で直感的に修正でき、解析実行後でも形状修正が可能で結果が追従します。設計変更を繰り返す場合はその便益はより大きくなり、解析実行、解析結果確認、形状修正、結果確認の手順がスムーズになります。

4. MSC Nastranの強み

一般的なCADに搭載された構造解析やフリーのソフトウェアと違い、MSC Nastranは世界中の数々の認証機関を通過しております。信頼性はもちろんのこと、解析スピードも速く、設計の助けとなります。コンピューターが黎明期だったNASAのロケット開発時から、大規模な振動問題を高速に解決することに重点を置いており、これまでのMSC Nastranの開発歴史は世界の自動車産業や航空宇宙産業の技術開発の歴史そのもので、各業界のコンソーシアムから得られたアイデアがMSC Nastranに取り込まれてきました。

MSC Nastranは伝統的なFEAソフトウェアであり、高度な構造解析や精密な解析を行うための強力なツールです。また、豊富な複合領域解析機能を備えており、従来は複数の異なる解析モデルが必要だった強度解析、振動解析、非線形解析、衝撃解析、破壊解析、熱解析、疲労解析および熱・構造連成解析などのさまざまな領域の解析を、単一の共通モデルを使用して実行できます。

複合領域の構造解析

一般的な構造解析ソリューションは、1 つまたは複数の解析分野に特化しています。包括的なエンジニアリング解析能力を習得するには、複数のソフトウェアソリューションを取得し、新しいツールごとにトレーニングを受ける必要があります。MSC Nastranは、複数の解析機能を備えており、ユーザーは、1 つの構造解析ソリューションで幅広いエンジニアリング問題に対応できます。

• たった1つのプラットフォームを使用して、線形または非線形問題に対する静解析、動解析(NVHと音響)、熱解析、座屈解析の実行が可能
• 組込型疲労解析にて、他の疲労寿命予測よりも計算時間を短縮
• Digimatの平均場均質法によるユーザー定義サービスと進展型損傷解析により、高度な複合材と繊維強化プラスチックの挙動を評価

構造アセンブリモデリング

1 つの構造部材が単独で解析されることは滅多にありません。構造システムは多くのコンポーネントで構成されており、全体として解析する必要があります。MSC Nastranは、システムレベルの構造解析のために複数のコンポーネントを結合する多くの方法を備えています。

• 接着接触によるメッシュ処理の高速化により、従来機能では時間のかかる異なるメッシュ領域の結合を可能にします
• 特殊なコネクタ要素による溶接やファスナーで構成されたアセンブリの組み立て時間を短縮します
• 「モジュール」を使用して構造の複数のコンポーネントを結合および管理し、追加の接続要素を使用したり、ID番号付けスキームを心配したりすることなく、完全なアセンブリを構築することができます
• スーパーエレメントを利用して大型アセンブリの再解析を加速し、機密情報を隠しながら他のメーカーとスーパーエレメントを共有する機能があります
• 接触解析を行い、複数コンポーネント設計における接触応力と接触部位を決定します
• 自動接触生成機能を使用してコンタクトボディを自動的に作成し、コンタクトボディ間の接触関係を定義することで、生産性を向上させます

ハイパフォーマンスコンピューティング

近年、解析モデル規模が増大して、計算時間が増大しています。従来の FEMアプリケーションでは、このようなモデルは、計算に数時間または数日かかる場合があります。MSC Nastranは、大きな問題を迅速に解決できる高性能計算機能を備えています。

• 並列化技術によるマルチコアおよびマルチノードクラスターのメリットを活用：共有メモリ型並列計算および分散メモリ型並列計算
• 自動ソルバー選択機能を使用して、シミュレーション時間を短縮し、大型モデルのパフォーマンスを向上させます。MSC Nastranは、解析仕様（解析タイプ、要素タイプ、利用可能なメモリなど）に基づいて、最適なソルバーと最も効率的な並列化メソッドを自動的に選択します
• NVIDIA GPUカードを活用して、多くのソリッド要素などで構成される大規模なモデルの解析を加速
• 高度にチューニングされた Lanczos ソルバーまたはAutomated Component Modal Synthesis (自動部分モード合成法)を使用して、モード解析を迅速に実行

MSC Nastranを活用した振動解析

車両のアセンブリの事前に望ましくない振動や騒音の発生源を理解することは有益です。MSCは、このニーズに対応するため、周波数応答関数（FRF）ベースの方法論を提供しています。

FRFは、与えられた周波数での単位荷重による、構成要素の周波数応答を表します。次に、構成要素のFRFは、これらの構成要素のアセンブリのFRFを得るために組み合わせることができます。このアプローチの利点は、伝達経路解析（TPA）に役立ちます。TPAを通じ、ユーザーは発生源からターゲットへのエネルギーの流れを辿ることができます。これにより、クリティカルパスと騒音源の識別が可能になります。例えば、左上の画像では騒音源はエンジンであり、下の画像では騒音源はタイヤ荷重によるものです。これにより、車両NVHを理解し向上するためには、フルシステム解析を実行する必要があり、MSC Nastranはスケーラブルなアプリケーション固有のソルバーによってこれを可能にします。

5. 解析専任者以外でも使えるMSC Apexとは

通常、高度な解析を実施するためには、解析専任者の専門的知識が必要になります。幅広い分野で。複雑かつ精密な構造解析を可能にするMSC Nastranとは別に、設計者や解析初心者でも簡単に操作でき、かつ高精度かつ高速な解析が可能なツールとして、MSC Apexがあります。MSC ApexはMSC Nastranと比べ、より直感的なユーザーインターフェースを提供する次世代のCAEソリューションです。モデリングから解析までのワークフローをシームレスに統合し、直感的なモデリング、メッシュ生成、解析のプロセスが含まれており、初心者にも取り組みやすく、使いやすさと効率性を重視しています。アセンブリ、パーツ単品でも、CAD形状がある場合は、CADデータをMSC Apexに読み込むことができます。この読み込んだCADデータの形状を基に、構造解析(応力評価や振動評価など)を行い、最大応力値や変形が設計条件を満たしているかを確認することが可能です。そして、もし設計範囲に収まらない応力や変形が発生している場合は、その場で形状を修正し、応力や変位の低下を検討できます。

6. MSC Nastranの解析事例

自動車や航空機などの大型輸送機をはじめ、重要プロダクトには強度評価や耐久性評価には高いソルバー解析精度が求められます。MSC Nastranは1971年の商用化以来、世界中の様々な工業製品の開発設計で活用され、機能拡張を続けてまいりました。MSC Nastranで得られた剛性・振動情報の互換性はOEM-サプライヤーを超えて連携し、共通のバーチャルモデルとしてご活用いただくことが可能です。さらに振動解析等から得られる情報を音響解析、疲労解析につなげていくことができます。

7. Hexagonの安心のサポートケア

豊富な使用実績を持つサポートメンバーが、お客様からのご質問（メール、電話、Web経由）に対応し、課題解決のお手伝いをいたします。これまでにいただいた様々なご質問や例題はQ&A形式でデータベース化してWebで公開しているため、お客様のご都合に合わせてこれらの情報を利用いただけます。また、お客様からの個々の課題については、ソフトウェアの使用方法だけではなく、モデル化・合わせ込み・自動化・ソフトウェア運用といった、これまでのノウハウを活かしたものづくりへの活用方法に関する相談も受け付けております。

「MSCアプリケーション エンジニアは、少なくとも月に 1 回は来社して当社の状況をチェックし、問題発生時には、サポートを提供してくれます。事実、この航空機は、MSCサポートチームによる電話サポート、現地訪問、コンサルティングサービスなしではモデル化が不可能でした」

AeroVironment、Dana Taylor

8. トークン制システム「MSCOne」について

Hexagonはお客様の様々なニーズに応えられるよう、トークン制システムを展開しています。例えば、開発設計の様々なフェーズで複数の種類の解析を行いたいが、全てのソフトウェアを購入することが難しい場合や、年に数回しか構造解析を実施する予定がなく、買い切りまでは踏み切れないといったお客様には、トークンライセンス制システムの「MSCOne」をご提案しております。MSCOneのトークンご購入いただくと、ご契約トークン数の範囲で様々なソフトウェアを柔軟にご利用いただけます。例えば、MSC Nastran（構造解析ソフトウェア）から、音響解析（Actran）や流体解析（scFlow）を実施されたい場合、3種類のソフトウェアを個別で購入するのではなく、ご契約トークン数から用途に合った解析を実施することができます。MSC Apexも、MSCOneのラインナップに含まれています。

9. MSC Nastranの機能一覧

• 線形静解析
  • 微小変形
  • 線形接触
  • 慣性リリーフ
• 線形動解析
  • 実固有値解析
  • 周波数応答解析
  • 過渡応答解析
  • 複素固有値解析
  • ランダム応答解析
  • 応答スペクトル解析
• 構造-音響連成解析
  • 内部音響解析
  • 外部音響解析（放射音）
  • 吸音材モデリング機能
• 座屈解析
  • 線形座屈
  • 非線形座屈
• 伝熱解析
  • 熱伝導
  • 熱伝達
  • 輻射
  • 定常、非定常
• 陰解法非線形解析
  • 高度な静的・動的非線形解析
  • 大変形
  • 材料非線形
  • 接触
  • 定常・非定常熱解析
  • 伝熱-構造連成解析
• 疲労寿命解析
  • 時間領域
  • 周波数領域
  • スポット
• ローターダイナミクス
  • 回転体のジャイロ効果
  • 危険速度
• 空力弾性解析
  • フラッター
  • ダイバージェンス
• 最適化解析
  • 寸法最適化
  • 形状最適化
  • 位相最適化
  • マルチモデル最適化
• スーパーエレメント
• 高速計算機能（HPC）
  • 直接法・反復法ソルバー
  • 並列計算（SMP, DMP ）
  • ACMS（自動部分モード合成法）
  • GPGPU
• カスタマイズ機能
  • DMAP
  • ユーザーサブルーチン
• 他のソフトウェアとの連携
  • Adams（機構解析）
  • Actran（音響解析）
  • Digimat（複合材モデリング）
  • 流体解析（CFD）ソフトウェア
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