破壊力学と有限要素法を活用して構造解析を行うための実践ノウハウ

はじめに

製造業の技術進化のなかで、構造解析は品質保証やコスト削減において欠かせないプロセスとなっています。
特に、破壊力学と有限要素法（FEM：Finite Element Method）を組み合わせて応用することで、「壊れにくい製品」「安全な設計」「材料コストの最適化」など多くの課題解決が可能になります。
本記事では、現場目線から見た破壊力学と有限要素法の実践的な活用法、そして昭和から続くアナログ思考の壁を越えるためのヒントを、業界動向とあわせて徹底解説します。

破壊力学とは何か

破壊力学の基本概念

破壊力学とは、材料や構造物に発生するき裂やひび割れが、どのように進展し構造破壊に至るかを力学的観点から明らかにする学問です。
破壊の発生は突発的であり、従来の機械設計に不可欠な「安全率」では十分にカバーできないリスクが潜んでいます。
特に、目視できない微小な欠陥でも、繰り返しの荷重や長期間の使用により致命的な破断に至るケースも少なくありません。

製造現場でなぜ重要なのか

実際の生産現場では、「絶対に壊れてはいけない」製品が多くあります。
例えば自動車や飛行機、産業機械など、人命や多大な損失につながる故障は許されません。
しかし一方で、生産コストを度外視して過剰設計することも現実的ではありません。
そこで登場するのが「き裂の発生～成長～破壊」までを予測し、合理的な安全設計とコスト最適化を両立できる破壊力学の知見です。

有限要素法（FEM）とは

有限要素法の基礎

有限要素法（FEM）は、複雑な形状や異種材料からなる構造物で、複雑な応力や変形分布を解析できる計算手法です。
一つの構造体を細かい「要素（エレメント）」に分割し、個々の挙動を数値計算して全体挙動を導き出します。
現代の構造解析ソフトウェアの多くがFEMをベースとし、自動車・家電・金型・工場設備など幅広い分野でスタンダードに使われています。

なぜFEMが現場で必要なのか

図面や設計書だけでは把握しきれない構造の弱点や、目視では追いきれない応力集中箇所が製造現場には必ず存在します。
FEMによって、設計初期段階から「どこが壊れやすいか」「どれだけ軽量化できるか」などを可視化し、現物試作や実験に頼るリスクやコストを事前に抑えられます。
これは、設計変更や材料選定が頻繁にある現場では圧倒的なアドバンテージです。

破壊力学 × 有限要素法のシナジー効果

き裂挙動の数値シミュレーション

き裂の進展や破壊シナリオは複雑な物理現象です。
FEMを使えば、目に見えないき裂の発生点や成長方向、最悪シナリオの破壊発生までをシミュレートできます。
特に「応力拡大係数（K値）」「J積分」など破壊力学特有のパラメータも、FEMの計算機能を利用して効率よく解析可能です。
これによる「脆弱ポイントの早期検知」「寿命予測の高精度化」は、不良品やリコール防止に直結します。

設計現場・製造現場へのインパクト

FEMで得られた結果を設計現場や生産現場で具体的なアクションに落とし込むことが重要です。
例えば、
– き裂リスクの高い部分の形状見直し
– 材料選定や熱処理条件の最適化
– スポット溶接や接着のような接合部の強度検証
など現場の工程設計に直結する改善を即座に展開できます。
これは、設計段階で分析したシナリオを生産技術や品質保証部門まで一気通貫に活かすという現場DX（デジタルトランスフォーメーション）の好例といえます。

昭和型アナログ思考からの脱却

なぜいまだアナログが根強いのか

製造業には「とりあえず実物でやってみる」「勘と経験が全て」という文化が根強く残っています。
現場のベテラン技術者ほど「解析や理論よりも、長年の感覚が一番」という価値観を持ち続けてきました。
ある意味、これが日本のものづくりの強さともいえますが、一方で市場環境の変化や海外勢との競争に対応しきれず、過去の負の遺産になっている側面も否定できません。

アナログ主義を打破するには

– FEMなどの解析結果を定量的かつ視覚的に提示し、「今まで見えなかったリスクや改善点」を現場と共有する
– 解析と現物評価（実験・破壊試験）を組み合わせて、数字を現場感覚へ落とし込む
– 若手技術者とベテラン現場職人が、FEMの解析で得た「見える化データ」を実際の製造条件や品質トラブル対応に活かす座談会を開催する
こうした泥臭い取り組みが、「解析＝現場の相棒」という文化を醸成し、アナログ主義からの脱却を加速させます。

実践でFEMと破壊力学を導入するプロセス

ステップ1：社内勉強会・技術導入

まずは設計・生産管理・品質部門といった多部署合同で、FEMや破壊力学の社内勉強会や外部セミナーへの参加を推奨します。
現場目線での「どこにトラブルが多いか」「どんな失敗を繰り返しているか」を整理し、解析導入のターゲットをクリアにしましょう。
ここで大切なのは、現場メンバーの参加意識を高めることです。

ステップ2：実際の問題案件で試行

新規開発品やトラブル多発部品を対象に、FEM×破壊力学による解析を実際に適用してみます。
「机上の空論」にならないよう、過去の破損事故やクレーム案件、あるいは軽量化要望など、現場が求めるリアルな案件で検証しましょう。
解析結果が実際の不良率や生産性改善につながった事例を数多く積み上げていくことが、社内浸透のカギとなります。

ステップ3：標準ルール化と教育・啓蒙

うまくいったノウハウは、標準作業書や設計ガイドライン、盛り込みチェックリストとして社内に展開します。
また、若手や異動者への教育プログラムにも「数字に基づく構造解析・予測」「失敗事例と是正フロー」を組み込み、現場に根付きやすいオペレーションへと進化させていきましょう。

今後の業界動向とサプライヤー・バイヤーの視点

業界の潮流：サスティナビリティとデジタル化

カーボンニュートラルやCO2削減要求の高まり、グローバル化による設計・生産拠点の多拠点化など、製造業を取り巻く環境は近年劇的に変化しています。
「壊れない設計」「無駄な材料の削減」「軽量化トレードオフ」にFEM×破壊力学のノウハウはますます求められています。
加えて、IoT・ビッグデータ活用などデジタル技術の融合も避けては通れません。

バイヤー・サプライヤーの攻めと守り

部品メーカー（サプライヤー）としては、FEMと破壊力学を駆使した「壊れにくさの根拠提示」「設計活用の提案」をバイヤー（調達担当）へ積極的にアピールすることが必須となります。
バイヤー側も、コストダウンだけでなくサスティナブルなリスク低減手法・解析ノウハウを取引条件の一つとしてシビアに評価するケースが増えています。
構造解析の導入・活用レベルが、今後のサプライヤー選定やエビデンスとして新たな競争軸になる流れは避けられません。

まとめ

破壊力学と有限要素法は、設計や製造現場の“見えない弱点”をあぶり出す最強のツールです。
昭和型のアナログ思考を打破し、現場に根付く実践的ノウハウとして、「安全・品質・コスト・スピード」への付加価値を最大化できます。
バイヤーやサプライヤーという立場を問わず、「数字で語れる現場力」を身につけることで、新たなビジネス機会やモノづくりの価値創出へとつなげていきましょう。

今後も、製造業の現場課題に寄り添った生きたノウハウを発信し続けていきます。
質問や知りたいテーマがありましたら、ぜひご意見をお寄せください。