設計技術者のための有限要素法の基礎と構造解析への応用

はじめに

設計技術者として製品開発や改良に携わる方にとって、有限要素法（FEM: Finite Element Method）は避けては通れない重要な技術です。

近年はデジタルエンジニアリング化の波が急速に押し寄せており、かつて「図面を引いて実際に作ってみる」という昭和のトライ＆エラー主導のものづくりから、開発初期フェーズでどれだけバーチャル検証を重ねられるかが、競争力や収益性を左右する時代に変化しました。

しかし、製造業の現場では未だ「FEM？なんだか難しそう」「専門ソフトに任せずアナログ手法で修正したほうが早くて安心」という声も根強く聞かれます。

本記事では、有限要素法の基礎理論から、その業務的な活用方法、さらに設計現場への具体的な応用事例までをカバーします。

現場目線での「リアルな苦労やメリット」「アナログ文化から抜け出せない理由」も交えて解説します。

FEM未経験者だけでなく、中堅設計者やサプライヤー、バイヤーにも役立つ内容になっています。

有限要素法（FEM）とは何か

有限要素法の基礎

有限要素法（FEM）は、材料や構造物などが受ける力や変形、温度分布などを、数値的に解析するための計算手法です。

本来、構造全体にかかる力や変形は、複雑な微分方程式で表されるため解析が難しくなります。

そこでFEMでは、解析対象となる全体（たとえば部品やフレーム）を、細かい“要素”という単位で分割します。

各要素ごとに単純な挙動（剛体ならバネ・ばねモデル、板金なら板要素など）を定義し、全体のつながりを数学的に組み上げていくことで、構造全体の挙動を数値的に解いていくのが特徴です。

FEMの基本原理

FEMの大まかなステップは以下の通りです。

1. モデル化（幾何形状の作成、要素分割〈メッシュ化〉）
2. 物性値の入力（ヤング率、ポアソン比など）
3. 境界条件や荷重条件の設定
4. 数値解析
5. 結果の評価・可視化（変形量、応力分布、安全率など）

解析ソフトが進化した現在では、CADモデルからワンクリックでメッシュ生成・解析できるものも増え、昔ほど専門知識を要しなくなってきました。

とはいえ、設計現場が“想定外のトラブル”を防ぐためには、「どこまで解析で信用できるのか」、「どこが見落としやすいポイントなのか」を理解しておくことが重要です。

有限要素法がなぜ重要なのか？ 製造現場からみるその役割

製品開発とFEM—現場の苦労から見た価値

かつての製品開発は、設計図面を引いたあと、試作実機をつくり、「割れる・たわむ・壊れる」「歩留まりが悪い」といった実問題を現場で何度も“実体験”することで信頼性を高めてきました。

試作や実験には膨大な費用・時間がかかりましたが、「現場の勘」による改善ノウハウの蓄積、属人性の高い技術伝承が、ものづくり力の核心でもあったのです。

しかしグローバル競争や人材不足が深刻化するなかで、「とりあえず作って壊してみる」だけでは、コストも時間も競合に太刀打ちできません。

そこでFEMの活用が不可欠となっています。

FEMを積極的に使うことで、設計初期から「形状や厚みをこの数値にすると、この場所が壊れるリスクが高い」など、再現性高く“想定外”を予測できるようになります。

また、サプライヤー側からの新規提案にも「この材料なら、応力分布がこのように変化する」という説得力ある根拠を示せるため、説得材料やリスク対策の説明がスムーズになります。

FEMのリアルなメリットと限界

有限要素法は設計最適化や品質向上に多大なメリットを生みます。

– 試作回数やコストの削減
– 機能・安全性評価の高度化
– 強度・剛性設計の信頼性向上
– 部品軽量化や材料の適正化

一方、現場からは次のような“限界”もよく聞かれます。

– 入力パラメータの妥当性（材料定数、荷重パターンの設定など）
– ヒューマンエラー（境界条件のミス、メッシュ作成の粗さ）
– ソフトが自動生成する結果への過信
– 設計ルールとの折衷（現場で再現できるか、コストバランス）

FEMが万能ではない、だからこそ「シミュレーション結果＋現場ノウハウの融合」が必要不可欠です。

設計現場におけるFEM活用の現状と課題

なぜアナログ文化が残るのか

製造現場や中堅設計者のなかにはFEMへの抵抗が根強く残っています。

– 「数値ばかりで手応えがない」
– 「解析環境が現場になく手軽に使えない」
– 「どんな設計案件でもFEM適用という流れに納得できない」
– 「昔ながらの“勘”と“経験”こそ信頼できる」

こうした声の背後には、自らFEMの入力パラメータを肌感覚としてイメージできない（材料のばらつき、条件設定の難しさ）、実現場のトライ＆エラーでしか掴めない“クセ”があるからです。

また、ラショナルな設計思想と現場実装（加工精度、溶接の良否、調達素材のロット間差）が必ずしも一致しないため、「本当に使い物になるのか？」という根強い疑念が残ります。

それでも避けられないデジタル化の流れ

しかし現代のものづくり現場では

– 設計リードタイムの短縮
– 軽量化や複雑形状化（樹脂・複合材料、3Dプリンティングなど）
– 海外生産・グローバル拠点への技術伝承

を背景に、FEMによるバーチャル検証が必須となっています。

設計者やサプライヤーだけでなく、バイヤー（調達担当者）もFEM解析結果を評価材料として活用する事例が増えています。

材料選定やコスト査定の根拠、品質保証体制の説明文書にFEMレポートが求められることも多くなりました。

FEMの活用事例—現場設計から量産・調達プロセスまで

応力・変形解析の具体例

たとえば板金フレームの設計の場合、従来は設計者が「安全率2で十分」「板厚を1.5mmから2.0mmに上げれば壊れにくい」というマージン重視の設計が多くを占めていました。

FEMを用いることで、荷重方向や取付け部、溶接箇所など“応力集中”が想定されるポイントを詳細に可視化できます。

その結果、強度が不要な部分は薄肉化、要所だけ厚肉にする最適化が可能です。

一品ごとに最適な設計ができるため、材料コストの低減・軽量化が実現できるのです。

食品機器や精密機械のFEM活用

食品プラントや自動化装置などでは、運転中の振動や落下衝撃により、微細な亀裂や変形が蓄積する事例が頻発します。

FEMによる“疲労解析”を用いれば、長期使用中の亀裂進展や変形リスクを設計段階で想定できます。

調達やバイヤーの立場でも「何サイクルまで安全か」、「どこを点検頻度高くすべきか」といった運用計画にFEMシミュレーションを役立てることが可能です。

調達・バイヤー視点でのFEM活用

バイヤー視点では、下記のような判断材料としてFEM解析が重宝されています。

– 提案部品の強度根拠、軽量化提案の妥当性
– サプライヤーからの設計変更要望への定量評価
– 品質保証上の新材料・新工法のリスク可視化

たとえばサプライヤーが「従来品よりコストダウン可能な薄肉化案」を持ち込んだ際、FEM解析により「十分な強度が確保されている」エビデンスがあれば、バイヤーも自信を持って社内承認を進められるのです。

こうして調達購買・設計・品質が同じ言語（数値モデル）で議論できることは、グローバルものづくり現場でますます重要になっています。

現場で即役立つFEM解析の勘所

現場設計者が押さえるべきポイント

– 境界条件（荷重・固定条件）は現場作業や運転形態を忠実に反映する
– 材料物性値はロットバラつきや加工歪みも考慮する
– 解析で得た“リスク箇所”は実際の加工・組立現場とすり合わせる
– ソフトの“黒魔術”を盲信せず、定期的な再現試験も併用

実際の現場では、「エラー箇所が出たのに何となくリトライでOKを出して進めてしまった」など、ヒューマンファクターも多く関与します。

解析担当者と現場作業者、営業・バイヤーが実機での経験値やトラブル事例をオープンに議論し、FEM結果を最大限活用することが、設計品質の鍵となります。

まとめ—アナログ現場からの脱却と融合へ

有限要素法（FEM）は、設計現場のデジタル化・高効率化の起爆剤です。

その一方で、長年培われた“アナログ現場”の経験・ノウハウを無視しては真の成果は得られません。

設計者は、FEMによるバーチャル検証と現場の実体験を両輪で回し、設計—調達—品質の各ポジションがシミュレーション成果を共通言語として活用する体制づくりが必須となります。

若手エンジニア・バイヤー志望者から、サプライヤーとしてバイヤーの意図を汲み取りたい方まで、ぜひFEMを効果的に活用し、一歩先のものづくりを実現してください。