Inventor×Nastranでゴム部品を解析する方法とは？初心者にもわかる基礎知識

2025.08.26

1. はじめに

ゴム部品は、自動車や産業機械、家電製品、さらには日常のシーリング材など、さまざまな場面で使われている重要な素材です。大きく変形する柔軟性を持ち、金属のような直線的な挙動とは異なる複雑な動きをするため、設計時には専用の解析が求められます。

こうしたゴム部品の挙動を事前に予測・検証するのに役立つのが、「CAE（Computer Aided Engineering）」ツールです。中でも「Inventor Nastran」は、3D CADソフトであるInventorと連携し、設計と解析を一体化できる便利な解析ソフトウェアです。Inventor上でモデリングしたデータをそのまま使って解析を行えるため、初心者でもスムーズに非線形解析に挑戦できます。

この記事では、「CAEははじめて」という設計初心者の方でも、Inventor Nastranを使ってゴム部品の解析に取り組めるように、基本的な流れと考え方をやさしく解説していきます。具体的には、静的応力解析や大きな変形を伴う非線形材料モデルの設定方法を紹介しながら、よくあるトラブル（たとえば「解析が収束しない」「変形結果が不自然になる」など）への対処法についても取り上げます。

ゴムは金属とは異なる独特の特性を持つため、最初は難しく感じるかもしれません。しかし、材料定数の確認や拘束条件の見直し、メッシュの工夫など、ポイントを押さえた手順を踏めば、初心者でも十分に解析を成功させることができます。解析の精度が上がれば、試作回数の削減や製品の信頼性向上につながり、開発コストの削減にも貢献できるでしょう。

本記事では、まずInventor Nastranの基本を押さえたうえで、ゴム材料の特性や非線形モデルの考え方、具体的な解析ステップ、そしてつまずきやすいポイントの対処法までを、順を追って解説していきます。CAE初心者の方でも安心して読み進められる内容となっていますので、ぜひ参考にしてみてください。

2. Inventor Nastranとは？

引用：https://help.autodesk.com/view/NINCAD/2025/JPN/

「Inventor Nastran」は、Autodesk社が提供するCAE（Computer Aided Engineering）ツールの一つで、3D設計ソフト「Inventor」と連携して、設計データをもとに各種シミュレーションを実行できる解析ソフトウェアです。特に、航空宇宙分野の開発から生まれた高性能な「Nastranソルバー」を内蔵しており、実績ある高精度な解析結果が得られる点が大きな特長です。

このソフトウェアは、有限要素法（FEA）をベースとした構造解析機能を備えており、「静的応力解析」や「接触解析」、「大変形解析」を含む非線形解析まで対応可能です。なかでもゴムのように大きく変形する材料を扱う場合には、一般的な線形解析では対応できない複雑な挙動を再現する必要があり、「Inventor Nastran」が持つ非線形材料モデルや接触処理機能が役立ちます。

さらに、Inventorで作成した3Dモデルをそのまま解析に利用できるため、設計から解析への移行がスムーズであり、作業効率が高いのも大きな魅力です。ここでは、まず「Inventor」と「Inventor Nastran」の違いを確認したうえで、「Nastranソルバー」がゴム解析にどのように適しているのかを詳しく見ていきましょう。

2.1. InventorとInventor Nastranの違い

Inventorは、主に3Dモデルの作成やアセンブリの構築、図面化などを行う統合型CADソフトウェアで、製品設計の上流工程を担うツールです。一方のInventor Nastranは、その設計環境に高度な解析機能を追加する拡張モジュールとして位置付けられています。これにより、設計と解析を同一環境内で完結できるのが特徴です。

特に「非線形解析」や「接触解析」、「疲労解析」など、通常のInventorでは対応が難しい高度なシミュレーションも、Inventor Nastranを使うことで実行可能になります。これは、内蔵されたNastranソルバーがもつ強力な計算能力と、実務に耐えうる豊富な解析オプションによって実現されています。

また、ゴムのような「超弾性材料」を解析する際には、専用の材料モデルを用いて複雑な挙動を再現する必要があります。Inventor Nastranでは、これらの材料特性を柔軟に設定できるインターフェースが用意されているため、CAE初心者であっても、設定手順さえ把握すれば高度な非線形解析に挑戦することができます。設計と解析の垣根を取り払う、実務向けの解析環境といえるでしょう。

2.2. Nastranソルバーの特徴とゴム解析に適した機能

Nastranソルバーは、もともとNASAの構造解析プロジェクトを起源とする歴史あるソルバーであり、現在では多くの工業分野で使われている信頼性の高い解析エンジンです。Inventor NastranはこのNastranソルバーをベースにしており、構造解析において高い精度と安定性を発揮します。

ゴム部品のように大きく変形する構造体を解析する場合には、「Mooney-Rivlinモデル」や「Ogdenモデル」などの非線形材料モデルを用いた超弾性解析が不可欠です。Nastranソルバーは、これらのモデルをサポートしており、変形挙動の再現性に優れたシミュレーションが可能です。また、「接触解析」にも対応しており、ゴムと金属など異なる材料の接触面で発生する応力や変位を的確に評価できます。

さらに、Inventorで作成した部品やアセンブリのデータを解析にそのまま活用できるため、設計変更に対しても迅速に対応できます。モデルを修正すればすぐに再解析ができるため、試作回数の削減や設計フローの効率化にもつながります。設計と解析の連携を強化するこの仕組みは、ゴム材料のように挙動が複雑な部品の検証において大きな力を発揮します。

3. ゴム材料の解析が難しい理由

ゴムは、金属材料とはまったく異なる特性を持つ「超弾性材料」の代表例であり、その解析には特有の難しさがあります。ゴム部品は変形量が非常に大きくなるため、線形解析では正確に挙動を再現できず、「非線形解析」が必要になります。また、接触状態の変化や荷重条件の微妙な違いによっても結果が大きく変化するため、解析設定には注意が必要です。

設定を誤ると、シミュレーションが「収束しない」、または「実際と異なる変形結果が出てしまう」といったトラブルが発生しやすく、特に初心者にとってはハードルの高い解析といえるでしょう。しかし、その難しさの背景を正しく理解しておけば、必要な注意点を踏まえて安定した解析を行うことが可能になります。

ここではまず、ゴム材料の持つ物理的な特性と、それが解析にどのような影響を与えるのかを整理し、次に代表的な「非線形材料モデル」について概要を確認していきましょう。

3.1. ゴムの物理的特性と解析への影響

ゴムは「超弾性（Hyperelastic）」と呼ばれる特性を持ち、非常に大きなひずみにも耐え、荷重を除くとほぼ元の形に戻るという優れた復元性があります。このような挙動は金属とはまったく異なり、ゴムならではの力学的性質です。加えて、使用環境の温度や変形速度によってもその挙動が大きく変化するため、単純な材料モデルでは対応しきれません。

通常の金属材料では、応力とひずみの関係が直線的な「線形モデル」で近似できますが、ゴムではこの関係が非線形となり、変形の大きさに応じて応力の変化が複雑に現れます。こうした特性を無視して線形解析を行ってしまうと、まったく現実とは異なる解析結果になってしまうため、正確な再現には非線形材料モデルの導入が不可欠です。

さらに、ゴム製品は他部品との接触面で滑ったり、局所的に変形したりすることが多いため、「接触解析」の重要性も増します。接触面の摩擦や変形の影響を適切に考慮できていないと、密封性や応力集中の状態を正しく評価できず、誤った設計判断につながる可能性もあります。ゴム解析を正しく行うためには、これらの物理的特性を理解し、解析条件に正しく反映させることが非常に重要です。

3.2. 非線形材料モデルの概要

ゴム材料のように、大きな変形と非線形な応力-ひずみ挙動を持つ素材を正確に解析するには、専用の「非線形材料モデル（Hyperelastic Model）」が必要です。代表的なものとしては、「Mooney-Rivlinモデル」や「Ogdenモデル」があり、これらはCAEソフトで超弾性材料を定義する際によく使用されます。

たとえば、Mooney-Rivlinモデルは、C10やC01といった定数を用いて、応力-ひずみの非線形関係を数式的に表現する方法で、変形挙動を比較的シンプルに再現することができます。さらに精度を高めたい場合は、3パラメータや5パラメータへと拡張して、より実際の挙動に近づけることも可能です。Ogdenモデルは、応力とひずみの関係を多項式関数で定義するアプローチで、より大きな変形に対しても柔軟に対応できるという特長があります。

どのモデルを選ぶべきかは、対象とする製品の使用条件や、どのような応力状態（引張・圧縮・せん断など）を再現したいかによって異なります。材料定数は実験データから取得されるのが一般的であり、解析結果の信頼性を高めるためには、事前にテストピースを用いた引張試験などを行い、モデルに最適なパラメータを設定することが推奨されます。

4. Inventor Nastranでゴム解析を行うステップ

ここからは、「Inventor×Nastran」を使って実際にゴム部品の解析を行う際の具体的なステップを、順を追って解説していきます。特にゴムのような変形の大きい材料を扱う場合、解析結果の信頼性を確保するためには、各ステップでの注意点をしっかり押さえることが重要です。

解析作業は、大きく分けて「モデルと材料の準備」「メッシュと境界条件の設定」「解析の実行と結果確認」という3つのフェーズに分かれます。これらを一つひとつ丁寧に進めることで、ゴム特有の大きな変形や複雑な接触挙動を正確に再現し、実用に足る結果を得ることができます。

この章では、初心者の方がつまずきやすいポイントにも触れながら、作業の流れを具体的に解説していきます。

4.1. モデルの準備と材料プロパティの設定

まず最初に行うのは、Inventorによる3Dモデルの作成です。対象とするゴム部品の形状を、できるだけ実際の使用状態に近い形で再現します。たとえば、Oリングやゴムパッドのような単純形状であっても、取り付け部との接触面や拘束条件を正しく設定しないと、解析結果に大きな誤差が生じてしまいます。可能であれば、金属部品とのアセンブリ構造まで再現しておくのが理想的です。

続いて材料の設定を行います。Inventor Nastranにはあらかじめ用意された材料ライブラリがありますが、ゴム材料のような超弾性モデルは通常、手動でパラメータを入力する必要があります。たとえば、「Mooney-Rivlinモデル」や「Ogdenモデル」を使用する場合には、それぞれの定数（C10、C01など）を実験データや文献などから取得し、ソフトウェア上に入力していきます。

このとき特に重要なのが、「材料定数の信頼性を確認すること」です。ゴム材料は、温度や試験方法によって特性が大きく変わるため、過去のデータをそのまま流用してしまうと、現実とは異なる挙動を示す可能性があります。もし自社に標準データがない場合は、小規模な材料試験を実施して、実測に基づいた正確な定数を取得するのが望ましいでしょう。

4.2. メッシュと境界条件の設定

モデルと材料の準備が完了したら、次に行うのは「メッシュの生成」と「境界条件の設定」です。ゴムのように大きく変形する材料は、変形勾配が急激に変化することが多いため、メッシュの精度が解析結果に大きく影響します。とくに曲率の大きい部分や接触面では、細かいメッシュを設定することで、局所的な応力集中や変形の再現性が向上します。全体に対して均一な要素サイズを適用するのではなく、必要な部位を重点的に細分化する工夫が求められます。

また、「拘束条件の設定」も非常に重要な工程です。ゴム部品の挙動は、取り付け部や相手部品との接触関係に強く影響されるため、正確な接触定義を行わなければ、現実とはかけ離れた解析結果になってしまいます。Inventor Nastranでは、接触面に対して摩擦係数を指定したり、変位制御と荷重制御を切り替えたりすることができるため、使用環境に近い条件を意識して設定しましょう。

さらに、初心者が見落としがちなのが「過剰拘束（オーバーコンストレイント）」の問題です。意図せず部品の自由度を奪ってしまい、解析結果が不自然になることがあります。これを防ぐには、設定後に全体の拘束状態を可視化し、意図した通りに力の流れが確保されているかを確認することが大切です。

4.3. 解析の実行と結果の確認

すべての条件設定が整ったら、いよいよ解析の実行に進みます。ゴム解析では、「非線形静的解析」のモードを選択し、荷重や変位を一度に与えるのではなく、複数のステップに分けて徐々に適用するのが一般的です。この方法は、解析が途中で「収束しない」といったトラブルを回避する上で非常に効果的です。荷重が急激に作用すると、ソルバーが解を導けず、計算が中断されてしまうリスクがあるためです。

解析が完了したら、次は「結果の評価」です。主に確認するべき点は、全体の変形量、応力の分布、ひずみの集中箇所などです。とくにゴム特有の大きな変形では、接触部がめり込んでいたり、予期せぬ方向に変形していたりする場合があるため、視覚的なチェックが非常に重要です。必要であれば、変形後の状態でアニメーション表示を行い、変形過程を段階的に確認しましょう。

もし解析結果が期待とは大きく異なる場合には、まず「材料定数」や「メッシュ設定」、「拘束条件」などの見直しを行うのが基本的な対処法です。また、実験結果と照らし合わせて、モデルの妥当性を検証することも有効です。場合によっては、材料モデルそのものを変更する必要があるかもしれません。こうした確認作業を通じて、解析の精度と信頼性を高めていきましょう。

このように、ゴム解析は慎重なステップを踏んで進める必要がありますが、一つひとつの工程を丁寧に行えば、初心者でも十分に実用レベルの解析が可能です。次のセクションでは、特につまずきやすい「よくあるトラブル」とその対処法について、さらに詳しく紹介していきます。

5. よくあるトラブルと対処法

ゴム部品の解析では、ほかの材料に比べて特有のトラブルが起きやすく、特に初心者のうちは原因の特定や修正に時間がかかることも少なくありません。ゴムは大きく変形するうえ、非線形性や接触条件の影響を強く受けるため、設定がほんの少しずれるだけでも解析が失敗したり、現実と異なる挙動が再現されたりすることがあります。

ここでは、ゴム解析で特に頻繁に発生する3つのトラブル――「解析が収束しない」「変形が不自然」「結果が現実と合わない」――に絞り、それぞれの原因と実用的な対処法を紹介します。これらのトラブルは、どれも基本的な設定や手順を丁寧に確認すれば回避できるケースが多いため、落ち着いて一つずつ対応していくことが大切です。

まず最もよくあるのが、「解析が収束しない」というトラブルです。これは、解析中に解が求められず、計算が途中で止まってしまう状態を指します。非線形解析においては、ゴムの大変形や複雑な接触の影響でソルバーが解を導けなくなることがあり、このようなエラーが発生しやすくなります。対処法としては、まず荷重や変位を段階的に与える設定（ステップ制御）を行うことが効果的です。さらに、メッシュを細かくすることで、局所的な変形の挙動をより正確に再現し、解析の安定性を高めることができます。また、初期状態での応力や拘束条件が適切かどうかも確認することが重要です。

次に、「変形が不自然」というトラブルも多く見られます。これは、期待する動きと異なる方向に部品が変形していたり、形状が不安定になっていたりするケースで、境界条件や拘束の設定ミスによって発生することがよくあります。たとえば、ゴム部品が自由に動けるはずの方向が過剰に固定されていると、現実とは異なる変形が発生します。反対に、本来固定すべき部分が動いてしまうと、全体の力の流れが崩れて不安定になります。こうした問題を回避するには、「拘束条件の見直し」や「メッシュの改善」によって、構造全体の挙動を適切に制御する必要があります。

また、「材料特性が正しく再現されていない」という問題も見逃せません。これは、指定した材料モデルが部品の使用条件に適していないか、あるいは入力した定数値が実際の材料特性とずれている場合に発生します。ゴムは超弾性材料であり、応力-ひずみ関係を正確に表現するには、「Mooney-Rivlinモデル」や「Ogdenモデル」といった非線形材料モデルを正しく使い分ける必要があります。たとえば、引張に強いモデルで圧縮挙動を再現しようとすると、まったく異なる結果が出る可能性があります。そのため、「材料定数の再確認」を行い、必要であれば別の材料モデルや解析条件への変更も検討しましょう。

さらに精度を求めるケースでは、「Inventor Nastran」だけでなく、「Abaqus」や「ANSYS」などの高機能な解析ソフトウェアと比較検証を行うのも有効なアプローチです。特に動的解析や材料の時間依存性を考慮したい場合には、より専門性の高いツールの導入が検討されることもあります。

このように、ゴム材料の解析では、ちょっとした設定の違いが解析結果に大きな影響を与えることがあります。想定どおりの結果が得られないときには、焦らずに一つずつ原因を洗い出し、材料・メッシュ・拘束・解析手法の順に検討していくのが、最も確実で効率的な解決方法です。

6. まとめ

ゴム部品は、その大きな変形や柔軟な特性から「超弾性材料」として分類され、金属とは異なる解析アプローチが求められます。こうしたゴム特有の挙動を正しく再現するには、線形解析では対応できず、「非線形解析」や「大変形解析」といった高度な技術を活用する必要があります。

そのような中で、Inventor Nastranは、Inventorで作成した3Dモデルをそのまま解析に活用できるため、設計と解析の連携をスムーズに実現できるツールです。非線形材料モデルや接触解析機能が標準で搭載されており、ゴム解析に必要な要素がひととおり備わっている点は大きな強みといえるでしょう。

本記事では、Inventor Nastranを使ってゴム部品の解析を行う際に必要な準備や設定手順、解析実行までの流れを解説しながら、解析がうまくいかない場合のトラブルシューティングについても詳しく紹介してきました。材料プロパティの適切な入力や、メッシュの分割、境界条件の設定など、どれも精度の高い解析を行う上で欠かせない重要な要素です。

ゴムの解析は一見難しく感じられるかもしれませんが、基本的な手順を一つずつ丁寧に実践していけば、初心者でも十分に対応可能です。特に、荷重を段階的に与える工夫や、材料定数の見直しなど、実務で役立つ知識やノウハウを身につけておくことで、トラブルを回避しながら確実に結果を得ることができるようになります。

そして、もしさらに高精度な解析が必要な場面に直面した場合には、AbaqusやANSYSといった専用の解析ソフトウェアも視野に入れて検討することで、より高度な検証や応用が可能になります。

まずは本記事で紹介した内容を参考に、Inventor Nastranによるゴム解析に一歩踏み出してみてください。正しい知識と適切なアプローチをもって取り組めば、設計の信頼性向上や試作コストの削減といった、実務上の大きな成果にもつながるはずです。