CATIAでできるCAEって何？はじめての構造解析をやさしく解説

1. はじめに

製品設計の現場では、3D CADによるモデリングに加えて、そのモデルが実際の使用条件でどう動作するかを事前に検証する「解析（シミュレーション）」の重要性が高まっています。中でも、CATIA（キャティア）はフランスのDassault Systèmes（ダッソー・システムズ）が提供する高機能3D CADで、設計から解析までを一貫して行えるのが大きな特長です。

このような解析機能を支えるのが「CAE（Computer Aided Engineering）」という考え方です。CAEとは、製品の構造強度や熱の伝わり方、振動、流体の動きなどを仮想空間上で解析する技術で、実際に試作する前に性能や安全性を確認できる手法として多くの企業で導入が進んでいます。

一見すると難しそうに思えるCAEですが、CATIAのように設計データをそのまま解析に活用できるツールを使えば、初心者でもスムーズに始めることができます。設計変更後の再解析も簡単に行えるため、手戻りのリスクが減り、開発サイクルを短縮できるのも大きな魅力です。

本記事では、CAEの基本的な概念からCATIAを使った構造解析の流れまでを、初心者にもわかりやすく解説します。操作手順や活用のメリット、ほかの解析ソフトとの違いも交えながら、CATIA CAEの魅力を丁寧にご紹介します。

1.1. CAEの重要性とは？

CAEの最大の利点は、「現実の試作を行う前に、製品や部品の性能を仮想空間で評価できる」点です。たとえば構造解析では、有限要素法（FEM）と呼ばれる手法を使って、部品がどこにどれだけの力を受けるか、どこに応力が集中するかをシミュレーションできます。

「この材料を使ったらどうなるか？」「ここに補強を入れたら強度は上がるか？」といった設計上の疑問に対して、試作を繰り返すのではなく、短時間で仮想的に検証できるのがCAEの強みです。

また、構造解析だけでなく、振動解析・熱解析・流体解析など幅広い物理現象を扱えるため、CAEを導入することで製品の信頼性向上、開発スピードの加速、コスト削減といった効果が期待できます。

1.2. この記事の目的

この記事は、CATIAでできるCAE解析の基本を初心者にもわかりやすく解説することを目的としています。

「試作回数を減らしたい」「設計ミスを減らしたい」「製品の品質を高めたい」——そんな悩みを持つ設計者に向けて、CATIAのCAE機能がどのように役立つのか、具体的な手順や活用例を交えて紹介していきます。

今回は主に構造解析に焦点を当てて解説しますが、CATIAでは非線形解析や振動解析、複合材解析などより高度な解析も可能です。まずは基本を押さえて、将来的にステップアップできる土台を築いていきましょう。

2. CAEの基礎知識

引用：https://www.3ds.com/ja/products/catia/performance-driven-generative-design/innovate-confidence-through-modsim

「CAE（Computer Aided Engineering）」という言葉を耳にしたことがあっても、その内容や具体的な活用方法をイメージしづらい方も多いかもしれません。CAEとは、製品設計を工学的な視点からコンピュータで支援する技術の総称です。設計作業とは別物のように捉えられがちですが、実際にはCADで作成した3Dモデルをもとに、さまざまな解析を行うため、CADとの密接な連携が欠かせません。

CAEの基本的な流れとしては、まずCADデータをもとにメッシュと呼ばれる細かな要素分割を行い、そこに材料の特性や外部からの力（荷重）、固定する部分（拘束条件）などを設定します。そして、コンピュータ上でシミュレーションを実行し、構造物にどの程度の応力や変形が発生するかを数値として可視化します。

こうした一連の工程をスムーズに進めるには、設計と解析が統合されたソフトウェア環境が非常に重要です。たとえばCATIA CAEのようなツールであれば、3Dモデルの設計から解析までを同一プラットフォームで完結できるため、初心者にとっても操作がわかりやすく、学習のハードルも下がります。

2.1. CAEとは何か？

CAEとは、「設計をコンピュータを使って工学的に検証・評価するための技術」のことです。解析の種類は多岐にわたり、大きく分けると構造解析・熱解析・流体解析・振動解析などが挙げられます。
たとえば構造解析では、外力が加わったときに部品がどのように変形・応力・ひずみを受けるのかをシミュレーションし、強度や剛性が十分かを確認します。これには「有限要素法（FEM）」と呼ばれる解析手法が使われるのが一般的で、3Dモデルをメッシュという細かな要素に分割し、それぞれの要素で物理現象を計算することで、全体の挙動を予測します。

一方、流体解析では空気や液体の流れを対象に、圧力分布や流速、温度変化などを可視化し、設計を最適化することができます。さらに、振動解析では機械や構造物がどのような振動特性を持つかを分析し、共振による不具合を未然に防ぐのに役立ちます。熱応力解析では、温度変化によって生じる応力や変形を確認できます。

このように、CAEには非常に広い解析領域が含まれており、それぞれの解析が設計の各フェーズで活用されることで、信頼性の高い製品開発が実現できるのです。

2.2. CAEの種類とその活用

CAEの中でも、構造解析だけを見ても「線形解析」「非線形解析」「振動解析」「固有値解析」「座屈解析」「動的応答解析」「複合材解析」など、用途に応じた多彩な手法が存在します。たとえば建築分野では、耐震設計を行う際に振動解析を用いて、地震時にどのような挙動を示すかを事前にシミュレーションすることで、安全性を確保します。

流体解析が活用される場面としては、自動車の空力シミュレーションやエンジン周辺の冷却性能の最適化などが代表的です。これに熱解析を組み合わせれば、熱による部品の膨張や歪みを事前に検証し、製品の耐久性を高める設計が可能になります。

また、構造と流体、または熱など複数の物理現象を同時に解析する「マルチフィジックス解析」も、近年では需要が高まっています。これは、より現実に近い複雑な使用条件を仮想空間で再現できる手法であり、最先端の製品開発において欠かせない技術となっています。

CATIA CAEの強みは、Dassault Systèmes製の3D CADと高度に連携しながら、こうした多様な解析領域を統合的に扱える点にあります。設計と解析を分離せずに同じ環境で行えるため、データの整合性を保ちながら迅速に検証が進められ、試作削減や開発スピードの向上につながるのです。

CAEの導入を検討している方は、まずCATIA CAEで対応可能な解析の種類やモジュール構成を把握し、自社の開発課題に適したものから活用を始めてみるとよいでしょう。

3. CATIAでできるCAE

引用：https://www.3ds.com/ja/products/catia/catia-v5

CATIAには多くのCAE機能が組み込まれており、これらは総称して「CATIA CAE」と呼ばれることがあります。特に構造解析の分野では、設計から解析までを同じソフトウェア内で完結できるのが大きな魅力です。
3Dモデルを作成した後、すぐにメッシュの生成や荷重条件の設定、解析の実行へと進めるため、作業の流れがスムーズです。また、Dassault Systèmesが提供する各種アドオンモジュールを活用すれば、構造解析に限らず、流体解析やマルチフィジックス解析などより高度なシミュレーションにも対応できます。

一般的な解析ソフトでは、CADで作成したデータを一度エクスポートし、別のCAEソフトに読み込んでから条件設定を行う必要があります。この場合、データの変換や調整に手間がかかり、ミスの発生リスクも高くなりがちです。しかしCATIA CAEであれば、設計モデルをそのまま解析に使えるため、精度を維持しつつ効率的に試行錯誤を重ねられるのです。

また、設計変更が発生した場合も、モデルと解析のリンクが保たれているため、修正後すぐに再解析が可能です。こうした統合型の環境は、設計者が直感的に問題点を把握しやすくなるだけでなく、手戻りや無駄な再作業を最小限に抑えるうえでも大きなメリットとなります。

3.1. CATIAのCAE機能概要

CATIA CAEでは、構造解析を中心に、固有値解析・座屈解析・非線形解析・複合材解析など、さまざまな解析モジュールが提供されています。これらは基本的な構造解析から、複雑な現象の再現を目的とした高度なシミュレーションまで幅広く対応しており、開発現場の多様なニーズに応える設計がなされています。

たとえば複合材を用いる場合、材料の方向特性や層構成（レイヤー）を詳細に設定する必要がありますが、CATIAではこれらの情報を設計段階で定義した内容をそのまま解析に反映できるため、作業が非常に効率的です。複雑な材料構成を扱う現場でも、形状・材料・解析の整合性を取りながら進められるのは大きな利点です。

CATIAに搭載されている解析機能は中〜大規模のモデルにも対応可能ですが、非常に大規模な有限要素解析や高精度な非線形解析には、SIMULIA（Abaqus）などの専用ソルバーとの連携が推奨されます。複雑な構造物を扱う際には、CATIAとSIMULIAを組み合わせることで、より高い精度と計算効率を実現できます。ただし、解析が高度になるほど、使用するハードウェアや設定の最適化が求められるため、環境構築と運用のバランスを意識することが大切です。

CATIAでは、公式のチュートリアルや各種トレーニングプログラムが用意されており、CAEの基礎知識を身につけながら段階的に操作を習得できる環境が整っています。CAEは一定の専門性を要する分野ではありますが、まずは基本的な構造解析から始めることで、徐々に非線形解析やマルチフィジックスへと無理なくスキルを広げていくことが可能です。

3.2. 構造解析の重要性と利点

構造解析の目的は、部品や構造物に外力がかかったときに、どこに応力が集中するのか、どの程度の変形が生じるのかを事前に把握することです。これにより、強度不足による破損のリスクを未然に防ぐことができるだけでなく、過剰な材料使用によるコストの無駄を抑えることも可能になります。

CATIAのCAE機能を活用すると、設計段階で複数の形状案を検討しながら、それぞれのモデルに対して迅速に構造解析を実施できます。特に、解析結果を3Dモデル上で視覚的に確認できるため、「応力が集中している箇所」や「たわみが大きい部分」が直感的に把握しやすくなっています。これは、設計者が問題点を早期に発見し、すぐに対策を講じられる環境を整えるうえで非常に効果的です。

また、こうした構造解析を繰り返し行うことで、設計の精度が向上し、不具合の発生率が大きく下がることが期待されます。結果として、試作や実験の回数を減らすことができ、製品の開発スピードやコスト面でも大きな改善が見込まれます。

CATIA CAEの構造解析機能をうまく活用すれば、製品の信頼性を高めながら、効率的な開発サイクルを実現することが可能です。初心者の方でも、まずはシンプルな部品から取り組むことで、実務に直結するスキルを着実に身につけられるでしょう。

4. はじめての構造解析

CAEに初めて取り組む方が構造解析を行う際には、基本的な概念と作業手順をきちんと理解することが大切です。解析が高度になるにつれ、設定すべきパラメータや操作の複雑さも増しますが、基本の流れはどの解析でも共通しています。
まずはシンプルな部品を使って、初歩的な構造解析から始めてみましょう。慣れてきたら徐々に応用へと進み、より実践的な検討を行えるようにステップアップしていくのが理想的です。

この章では、CATIA CAEを使った構造解析の基本プロセスを一つひとつ解説し、初心者の方が押さえておくべきキーワードや注意点についても整理してご紹介します。正しい手順を理解しておけば、実際の製品開発でも自信を持って解析作業に取り組めるようになるはずです。

4.1. 構造解析の基本概念

構造解析とは、物体に外力が加わったときにどのような応力や変形が発生するのかを調べるためのシミュレーションです。設計上の重要な目的としては、「部品が壊れないかどうか」「安全率はどれくらいか」といった点を事前に確認することにあります。初心者の方は、構造解析を「部品や構造物がどこまで力に耐えられるかを検証する作業」と理解しておくとわかりやすいでしょう。

このときに使われるのが、有限要素法（FEM）と呼ばれる解析手法です。FEMは、複雑な形状を細かな要素に分割し、それぞれの要素における変形や応力を数値的に求める方法です。これにより、現実に近い精度で全体の力の流れを再現することができます。

ただし、FEMではメッシュの細かさと計算時間とのバランスが重要になります。メッシュを細かくすれば精度は向上しますが、同時に解析にかかる時間も長くなります。目的に応じて適切な設定を行うことが、効率よく解析を進めるためのポイントです。

また、最初に取り組むべきは「線形解析」と呼ばれるもので、材料が弾性範囲内にある状態を対象とした比較的シンプルな解析です。一方、「非線形解析」は、材料の塑性変形や接触による複雑な挙動を扱うため、より高度な知識と経験が必要になります。まずは線形解析から確実に理解を深めていくことが、CAEスキルを高める第一歩になります。

4.2. 構造解析の手順

CATIA CAEで構造解析を行うには、大まかに次のようなステップを踏みます。ここでは線形構造解析を例に、初心者の方が押さえておくべき基本的な流れをご紹介します。

（1）解析モデルの準備
CATIA上で新たに3Dモデルを作成するか、既存の設計モデルを読み込んで使用します。このとき、形状に不要なジオメトリが含まれていたり、表面が不連続になっていたりすると、メッシュ生成に問題が生じることがあります。まずはモデルの形状を適切に整理しておくことが大切です。

（2）材料特性の定義
解析を行うには、対象となる部品の材料に関する情報を設定する必要があります。たとえばヤング率（弾性係数）やポアソン比などの物性値が代表的です。CATIAには標準的な材料データベースが用意されており、そこから選択したり、必要に応じて独自に数値を入力してカスタマイズすることも可能です。

（3）荷重条件・拘束条件の設定
「どこにどれくらいの力が加わるのか」「どの部分を固定するのか」といった境界条件を定義します。たとえば「この面に100Nの力を加える」「この穴の周囲を固定する」といった具体的な条件をモデル上で設定します。この工程は解析結果に大きく影響するため、現実的な条件を想定して入力することが重要です。

（4）メッシュの生成
モデルを有限要素に分割して、解析に必要なメッシュを作成します。細かく分割するほど解析の精度は高まりますが、計算にかかる時間やメモリ使用量も増えます。部品の形状や目的に応じて、適切なメッシュの粗さ（サイズ）を設定する判断力が求められます。

（5）解析の実行
設定が完了したら、ソルバーを使って数値解析を実行します。計算にかかる時間は、モデルの複雑さやメッシュの密度、使用するコンピュータの性能などによって変わります。中程度の部品であれば、数分〜数十分程度で解析が完了するケースが一般的です。

（6）結果の評価と考察
解析後は、応力やひずみ、変位などの分布を3Dモデル上で視覚的に確認できます。どの部位に応力が集中しているのか、変形が許容範囲を超えていないかなどをチェックし、設計案の改善点を洗い出すことが目的です。必要に応じて条件を変更し、再解析を繰り返すことで、より最適な設計へと導けます。

4.3. 具体的な構造解析の例

CAE初心者が構造解析に慣れるには、シンプルな形状を使った基礎的なシミュレーションから始めるのが効果的です。代表的な練習題材としては、「片持ち梁」や「単純な板構造」などがあります。たとえば、梁の先端に荷重をかけて、そのときの変形や応力分布を調べるといった例題が、CATIAのチュートリアルでもよく取り上げられています。

このような解析では、形状が単純であるためメッシュ生成や拘束条件の設定が比較的わかりやすく、結果の解釈もしやすいのが特長です。実際に解析を行って変形図や応力分布を確認することで、「荷重が集中する部分では応力が高くなる」「たわみが発生する部位が見える」といった基本的な理解が得られます。

こうした基礎的な解析を繰り返すことで、CATIA CAEの操作方法だけでなく、構造設計そのものに対する理解も深まっていきます。さらに応用として、振動解析（固有値の抽出）や熱応力解析などを組み合わせていけば、より現実に近い使用条件を再現することも可能になります。

とはいえ、最初から複雑なシミュレーションに挑戦するのではなく、まずは線形解析でしっかりと土台を築くことが、CATIA CAEの理解を深めるうえで最も効果的です。基本を押さえておくことで、次の段階へとスムーズに進んでいくことができるでしょう。

5. CATIAの構造解析の活用例

ここでは、業種別の代表的な活用例をご紹介します。

製造業では設計の品質とスピードの両立が求められる中で、解析を設計と同じ環境で実行できるCATIA CAEは大きな効果を発揮しています。試作の回数を削減できることに加え、設計の初期段階から性能を見据えた検証を行うことで、完成度の高い製品を効率的に生み出すことが可能になります。

また、部門間でのデータ連携もスムーズになるため、設計・解析・製造の各フェーズを通じて情報の一貫性を保ちやすくなります。これは製品の信頼性向上や市場投入までの期間短縮といった、ビジネス面での優位性にも直結します。

5.1. 産業別の活用例

● 自動車産業

自動車分野では、ボディ設計やシャーシ、サスペンションなどの複雑な部品・構造物の解析が日常的に行われています。CATIAの特長である3D CADと解析の連携性の高さは、自動車開発においても大きな武器になります。たとえば、車両の剛性を確保しつつ軽量化を図るために構造解析を行ったり、振動特性を解析して乗り心地や騒音レベルを最適化したりします。

また、開発初期に複数の設計案を同時に評価することで、設計ミスの発見と修正を迅速に行える体制が構築され、試作費用の削減にもつながります。

● 航空宇宙産業

航空機の翼や胴体フレームといった主要構造部には、高い剛性と軽量性の両立が求められます。CATIA CAEでは、これらの構造に対して複合材解析や座屈解析、動的応答解析などを活用することで、製造前に設計の安全性や信頼性をシミュレーションによって評価できます。

たとえば、炭素繊維などの複雑なレイアップ構成もCATIA上で正確に定義でき、その情報をもとに直接解析を行えるため、材料特性と設計形状が連動した高度なシミュレーションが可能となります。これにより、設計の段階で問題箇所を洗い出し、開発期間を大幅に短縮する効果が得られています。

● 産業機械・設備設計

工場の生産設備や大型の産業機械でも、CATIA CAEは構造強度や耐久性の確認ができます。特に、大型フレームや回転部品など、長期運用に耐える構造物では、初期段階から構造解析を行うことで信頼性の高い設計を行うことができます。

さらに、生産ラインの改良時には、設備にかかる荷重の条件を変更して解析することで、構造の最適化と省スペース化の両立ができます。これにより、製造現場でのトラブル回避やコスト削減といった効果も期待できます。

6. まとめ

ここまで、CATIAのCAE機能、とくに構造解析を中心に、基本的な考え方から操作手順、活用例までを紹介してきました。

CATIA CAEを活用することで、3D CADで作成したモデルをもとに、設計段階から構造の強度や変形の傾向を詳細にシミュレーションできるようになります。応力や変位といった情報を視覚的に把握できるため、製品の安全性や品質を設計の初期段階で確保することが可能です。

さらに、設計と解析が同一環境で完結するCATIAの特長により、設計変更後もすぐに再解析が行えるなど、作業の効率化と柔軟な検討が実現します。これにより、試作回数の削減や手戻りの防止が図れ、結果として開発コストの削減や市場投入までの時間短縮にもつながります。

CAEの活用は一見難しそうに感じるかもしれませんが、基本的な手順を押さえて一歩ずつ学んでいけば、誰でも着実にスキルを身につけることができます。まずは線形構造解析などの比較的やさしいテーマから始めて、少しずつ解析の幅を広げていきましょう。

CATIAのCAE機能は、これからの製品開発において欠かせないツールとなるでしょう。まずは基本的な流れを理解し、公式のチュートリアルやトレーニングを活用しながら、一歩ずつ実践に取り入れてみてください。

＜参考文献＞

3D CAD ソフトウェア: Shape the World We Live In | CATIA – ダッソー・システムズ

https://www.3ds.com/ja/products/catia

クラウドでの SIMULIA で製品のテストと検証を迅速に行う – Dassault Systèmes

https://discover.3ds.com/ja/test-and-validate-your-product-faster-simulia