CAE（構造・熱・流体・連成の入口まで）の実務チートシート
以下は「特定ソフトに依存しない」CAE（構造・熱・流体・連成の入口まで）の実務チートシートです。目的＝“再現性のある解析を最短で回す”に寄せて、工程順に「確認観点」「典型ミス」「最低限の設定」をまとめます。
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## 0. 解析の設計（最初の3分で決める）
### 0-1. ゴール定義
- **欲しい量**：応力？変位？温度？流量？疲労寿命？固有値？接触圧？
- **合否基準**：許容応力、変位上限、温度上限、固有振動数、圧力損失、など
- **比較対象**：実験/既存計算/手計算（最低1つは用意）
### 0-2. 解析タイプ選定（代表）
- 構造：線形静解析 / 非線形（材料・幾何・接触） / 座屈 / 固有値 / 周波数応答 / 過渡
- 熱：定常 / 過渡（熱容量あり）
- 流体：定常RANS / 非定常URANS/LES（コスト急増）
- 連成：熱-構造、FSI（必要性を疑う：まず片方向で十分なことが多い）
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## 1. モデル準備（CAD→解析モデル）
### 1-1. 単純化の原則（精度と工数の支配項）
- **効く形状だけ残す**：応力集中の原因（R、切欠き）、剛性に効く厚み・リブ、流れを曲げる形状
- **消す候補**：微小面取り/小穴/刻印/ねじ山（必要時のみ等価化）
- **対称性の活用**：1/2, 1/4 モデル（境界条件が対称を満たすか確認）
### 1-2. 単位系ルール（事故の9割）
- 「長さ-力-時間-温度」の一貫系を決めて固定
例：**mm–N–s–℃** or **m–N–s–K**
- 材料物性（E, ρ, k, Cp, α）も同じ系で統一
- 既存テンプレがあるならそれ以外は使わない（属人的事故防止）
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## 2. 材料・モデル化（“何を無視したか”を言語化）
### 2-1. 構造（基本）
- **線形弾性**：E, ν, ρ（動解析や重力が絡むならρ必須）
- **塑性**：降伏応力＋応力–ひずみ曲線（真応力/公称の扱い注意）
- **大変形**：幾何非線形ON（回転・座屈・膜効果）
- **減衰**：モード減衰比、レイリー減衰（α, β）など（根拠がないなら感度で管理）
### 2-2. 熱
- k（熱伝導率）, Cp（比熱）, ρ（密度）
- 接触熱抵抗/対流係数h/放射率ε（境界条件が支配）
### 2-3. 流体（RANSの最低限）
- 密度、粘度、乱流モデル（k-ε / k-ω SSTが定番）
- 壁関数（y+管理）がメッシュ要件を決める
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## 3. 境界条件（BC）チートシート：まず自由度カウント
### 3-1. 構造BCの基本
- **剛体モード除去**：3Dなら最低6DOF拘束が必要（過拘束はNG）
- **荷重**：集中荷重より**圧力/分布荷重**が安定
- **ボルト/締結**：最初は等価（結合要素・ばね）→必要なら詳細化
### 3-2. 接触（非線形の主犯）
- まずは **Bonded / Tie** で成立性確認 → 次に摩擦・分離へ
- パラメータの優先順位（影響が大きい順になりがち）
1) 接触定義（面-面 / 節点-面、対称/非対称）
2) 摩擦係数、接触剛性/ペナルティ
3) 初期干渉・ギャップ
4) 安定化（減衰、ラグランジュ増分 etc）
### 3-3. 熱BC
- **対流**：h と周囲温度T∞（hの根拠が命）
- **放射**：ε と周囲温度（T^4なので高温ほど支配）
- **発熱**：体積発熱/面発熱（W, W/m³, W/m²の取り違い注意）
### 3-4. 流体BC（よくあるセット）
- Inlet：速度 or 質量流量、乱流強度/長さスケール
- Outlet：圧力（基準圧）
- 壁：No-slip、壁面粗さ（必要なら）
- 物理チェック：連続の式（流入＝流出）、圧力損失のオーダー
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## 4. メッシュ（“精度”の8割）
### 4-1. サイズ決めの原則
- **勾配が強い場所**を細かく：接触端、R、切欠き、拘束近傍、境界層
- **要素品質**：アスペクト比、歪み、スキュー（悪いと収束・精度が崩れる）
- **2次要素（2nd order）**は曲面・曲げに強いが接触で難しくなる場合あり
### 4-2. 境界層（CFDの最重要）
- 目標 **y+** を決める
- 壁関数：y+ ≈ 30–300
- 低Re/壁面解像：y+ ≈ 1
- 層数・成長率（例：10–20層、成長率1.2程度）
### 4-3. メッシュ収束（最低限の作法）
- **3段階**（粗・中・細）で目的量（最大応力/変位/ΔP）を比較
- 収束判定：変化率が例えば **< 5%**（目的に合わせる）
- 最大応力は特異点で発散しやすい → 平均化/距離オフセット評価を使う
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## 5. ソルバ設定（収束の型）
### 5-1. 構造（線形）
- まず線形で通す → 目的が非線形なら段階的に追加
- 直接法/反復法の選択（大規模なら反復＋前処理）
### 5-2. 構造（非線形）
- **ロードステップ**：急に入れない（ランプ）
- **収束規準**：力・変位・エネルギー（どれが支配か見て調整）
- 収束が悪いときの打ち手（優先順）
1) BC/接触/干渉の定義ミスを疑う
2) ロード増分を小さく
3) 接触剛性/安定化の調整
4) メッシュ改善（接触面・R）
5) モデル簡略化（Tieで原因切り分け）
### 5-3. CFD（定常）
- 残差だけ見ない：**質量収支・力・ΔP**がフラットか
- 緩和係数、離散化スキーム（1st→2nd）を段階的に
- 物理的に妥当な初期条件を入れる（特に多相/燃焼は必須）
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## 6. ポスト処理（“見たいもの”を“誤解なく”見る）
### 6-1. 構造
- von Misesだけで終わらせない
- 主応力（脆性）
- せん断（接着/はんだ）
- 反力（荷重が合ってるか）
- 拘束点近傍の応力は信用しない（特異点/過拘束）
### 6-2. 熱
- 熱流束・熱抵抗の見積もり（どこがボトルネックか）
- エネルギーバランス（入熱＝放熱＋蓄熱）
### 6-3. CFD
- 収支：入口質量流量と出口の差
- 圧力損失の定義位置（平均圧か全圧か）
- 乱流量・剥離位置の妥当性（格子依存が強い）
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## 7. 妥当性確認（Verification / Validation）
### 7-1. Verification（計算の正しさ）
- メッシュ収束
- 時間刻み収束（過渡）
- 手計算（梁・板・熱抵抗・管摩擦）でオーダーチェック
### 7-2. Validation（現実との一致）
- 試験条件のBC化（固定の剛性、接触、対流hなどがズレると簡単に外れる）
- “合わせ込み”は最後：まずズレの要因分解（感度表）
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## 8. よくある事故リスト（即チェック用）
- 単位ミス（E, ρ, 圧力, 発熱）
- 拘束の過不足（剛体モード/過拘束）
- 接触の向き・面の取り違い
- 荷重が期待と逆符号 / 面積が違う
- 材料の温度依存を無視して外す
- 最大応力一点を合否に使う（特異点）
- CFDで残差だけ収束、物理量は未収束
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## 9. 解析テンプレ（最短で回す手順）
1) 線形・Tie・粗メッシュで一回通す（モデル成立確認）
2) 反力/収支/変形のオーダーチェック
3) 目的部位だけ局所メッシュ＋BC精緻化
4) 非線形（接触/塑性/大変形）を一つずつ追加
5) メッシュ収束 or 感度で誤差帯を提示
6) レポート：仮定・入力・結果・妥当性・限界
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