2013年1月12日 図２追加、関連へのリンク追加・変更
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関谷へのメッセージ
（北九州職業訓練短期大学校紀要 第5号 pp.43-50 1993年3月）
北九州職業訓練短期大学校 情報処理科 関谷 順太
目次 要約 １．はじめに ２．有限要素法ソフトＡＮＳＹＳの概要 2.1 歴史とユーザー数 2.2 ANSYS のプロダクト 2.3 ANSYS の機能 2.4 ユーザインタフェースとサポート 2.5 セミナーとドュメント(資料) 3. ANSYSの導入 3.1 導入目的 3.2 導入作業と出力の追加 3.3 資料準備 3.4 講習会の実施 4. ANSYSのＰＲ活動と使用・サポート状況 4.1 ＰＲ活動 4.2 当短大での使用・サポート状況 4.3 外部の人の利用とサポート状況 5. ANSYSの評価 5.1 良い点 5.2 問題点 ６．使用事例 6.1 プレ・ポストの使用 6.2 歯の構造解析 6.３ 軸対称磁場の解析 7. 終わりに 参考文献 2001.3.12補足
エンジニアリング・ワークステーション（ＥＷＳ）のアプリケーション・ソフトとしてＣＡＥ分野の有限要素法パッケージソフトＡＮＳＹＳを1991年8 月導入し，卒業研究や，企業への事業内援助などに利用している。
ＡＮＳＹＳの概要，導入の目的とその作業経過，ＰＲ活動と使用・サポート状況，使用事例について報告する。
ＡＮＳＹＳは，世界的にも多くのユーザーを持ち，いろいろなコンピュータで使え，対話型のグラフィックスやメニューによるマウス入力などのユーザインタフェースがあり，構造・熱電磁場・それらの連成問題等の解析機能を持つソフトである。
情報システム系での利用は，ソフト自体を対象にするが，他の系や外部での利用は，道具としての使用を目的とした。企業へのPRの1 つとして, 「技能の日」に「有限要素法教室」を開催している。
事例として, 卒業研究での「プレ・ポストの利用」, 九大歯学部の「人工歯根の解析」, 静磁場解析を紹介する。R.5 へのバージョンアップにより, もっと使いやすくなる予定である。
1991年8 月に情報システム系での汎用コンピュータ等のリプレースを行い，同時にＥＷＳとしてＳｕｎ４を導入した。ＥＷＳではＵＮＩＸの教育や，プログラミング教育，アプリケーション・ソフトの開発と利用を行う目的である。
工学の利用分野ではコンピュータ・グラフィックス（ＣＧ），画像処理，人工知能などと共にＣＡＥ（Computer Aided Engineering−コンピュータ支援工学) での使用を検討した。ＣＡＥのソフトとして，ユーザー数が多いＡＮＳＹＳを導入した。 ＡＮＳＹＳの概要，導入目的と導入作業，ＰＲ活動と使用・サポート実績，ソフトの評価，使用事例等について報告する。
ＡＮＳＹＳは，米国ペンシルバニア州ヒューストンに本社を持つスワンソン・アナリシス・システムズ社が1970年から開発・販売を行い, 30年以上の歴史があり，有限要素法(FEM) 解析分野でトップレベルにランクされるソフトである。日本では，1985年からサイバネットシステム株（以下ではサイバネットと呼ぶ）がこれの販売，技術サポート，受託解析，コンサルティング，ソフト開発を行っている。 自動車，航空宇宙，原子力，電機，建築土木などの産業で構造，熱，電磁場等の解析で幅広く利用されている。ユーザー数は，全世界で商用向けに3000以上，大学等の教育機関に3000以上の契約実績があるという。
ＥＷＳ以上のコンピュータで稼働するANSYS の全機能がパッケージされたFULL-ANSYSプログラムのほかに, 機能を分けたEWS 版, パソコン版( 全機能もものとサブセット−機能の限定があるもの−) がある。これらのソフトの間では, モデルデータの互換性をとっている。使い方も同様である。
解析機能として, 構造・振動・熱解析のほか電場・磁場・音場・圧電などの解析( とそれらの間での連成) に適用できる。機能の概要は次のとおりである。１次元から３次元の要素ライブラリがある。
・形状定義(PRE) ・・節点等の自動生成 ( ソリッドモデリング) ・結果処理(POST)・・各種の図化出力 ・静的応力解析・・・線形, 非線形, ズーミング ・固有値解析・・・・固有振動数とモード形状 ・動的応力解析・・・時刻暦, 周波数応答解析 ・熱伝導解析・・・・定常・非定常, 応力解析へのつなぎ ・磁場解析・・・・・静的・動的磁場解析
グラフィック機能と設計最適化機能を有し, モデルの作成から結果の評価までを, 一つのプログラムで行える。
オンラインHELP機能, メニュー機能が使えるので，マニュアルをめくって見るよりも便利であるし，たまにしか，使用しない場合に役に立つ。
使用上の問い合わせについては，サイバネットシステムが，電話・ＦＡＸで行っている。
紹介，入門, 中級，問題別のセミナーが定期的に行われている。
資料としてはマニュアルのほか, セミナーのテキスト, 会議の論文集( アメリカでは第６回まで, 日本では５回），索引, ニュース誌がある。
マニュアルの種類は使用者(2巻),理論, 検証問題の3 種がバインダ方式であり, そのほか, グラフィックス, システムのガイドなどが用意してある。マニュアルは英文であるが, パソコン（PC) 用に日本語版がある。数種のセミナーのテキストは, 日本語版がある。
検証問題は, 要素と機能を典型的な解析解等と比較している。問題, モデリング, データ, 結果があるので, 初めての使用者は例題としても使える。その他にベンチマーク問題が10件あり, 要素の種類と分割数による精度を比較している。
教育研究用として, 次の使用を目的とした。( 同時に使用できる端末数には制限がなく, ソフトの使用料が一般の商用と較べて割引されている。しかし, 解析できるモデルの最大に500ウェーブフロントまでの制約がある。)
1)情報システム系−アプリケーションソフトの事例としての使用
EWS のウィンドウ上で動く対話型のFEM ソフトのサンプルの1 つである。
2)他の系−解析のツール( 道具) としての使用
構造解析，磁界解析等の道具として教育・研究にう。
3)企業の教育の支援, 共同研究などでの使用
在職労働者の技術教育の高度化に対応して, CAE システムの教育や, 企業との共同研究での道具として使用する。
Rev.4.4Aのカートリッジ・テープから, インストレーション手順書により, EWS の導入を担当したメーカ系ソフトハウスのサポートSEに依頼した。( 今後のバージョンアップは, 著者で出来るであろう。) その後, プロッタでの出力, ポストスクリプトでの図形出力, カラーイメージプリンタでのコピー出力の環境準備とテストを行った。
1)サイバネット発行のシステムガイド等を参考にして, 当短大でのユーザー向けの「ANSYS 使用手引書」を作成した。これには, 使用環境準備, 立ち上げと終了, ファイル, 資料, メニューとコマンド, 実習問題の紹介などがある。
2)出力の追加などに伴い, 図形出力, パソコンとのファイル転送, カートリッジテープでのバックアップなどについて, 資料の追加がある。
サイバネットでの入門セミナーへの参加が難しいために, 当校でのシステムによる講習会を91年10月1,2 日の２日間で行った。講師は，サイバネットのＳＥにお願いした。約10名の受講者があった。ここでは,ANSYSのメニューによる操作法, 解析の流れ, グラフィックスのコマンドなどを,3つの実習問題（最後の問題は熱伝導解析を行ったのちに熱応力を求める）などで学習した。
導入して約１年半になろうとしている。これまでのＰＲ活動と使用実績について述べる。
1)『技能の日』の「有限要素法教室」の開催
11月の第２日曜日が『技能の日』であり, ダイレクト・メールを対象と考えられる福岡県内や下関市などの企業に60件ほど発送し, ANSYSの紹介と使用について案内をした。教室への参加は2 年とも数企業からあった。今年は，その参加者の中から, １件事業内援助を予定している。
2)『能開セミナー』の「有限要素法」コースでの紹介
企業の設計者等を対象にして,3日間のパソコンでのＦＥＭプログラミングと解析を92年の3月(11 名) と7 月(9名) にコースを行った。そこでANSYS の紹介をしたり,1日操作実習を行った(7月)。この参加者の中から，後日希望により１件事業内援助を行った。
平成3 年度卒業研究の1 つのテーマとして「電気伝導度構造のANSYS によるプリ・ポスト・プロセシング」2)を行った。ほぼ, 見通しが立ったので, 継続して4 年度も実施中である。この概要は事例1 で述べる。
授業では, 「シミュレーション・実習」( 情報処理科2 年生で平成2 〜4 年度4 単位) で, ＦＥＭを数回学習している。3 年度まではパソコンのみでプログラミングと要素分割, 解析の実習をしたが,4年度は1 回程度,ANSYSを使ってみる予定である。
機械系, 電子系などに対してＰＲ不足があると思うがまだ実績がない。
居住系では，構造解析の道具としての計画がある。構内ＬＡＮを介してＸ端末からの使用である。この接続方法のテストは終わっている。
1991年11月から1 年以上約50回続いている。先方ではパソコン版のANSYS-PC/LINEAR を約2 年間使用している。それには，摩擦係数が非ゼロの機能が無いため，当校でのFull版の使用を行っている。この概要は事例2 で紹介する。
モデルデータは, 先方がパソコンのエディタで作成したものをフロッピーで持参し,Sunへはftp により転送して使う。解析結果のプロットファイルや数値データファイルはフロッピーに転送して持ち帰る。当校で処理すれば, 計算時間が早い, モデルの規模の制限が少ない, 摩擦の扱いができるなどから, 続いてきた。
サポート事項としてはFEM のモデル化( 軸対称か平面歪みか, 負荷の方法など),結果の解釈, FULL- ANSYS の使用法−パソコンとのデータのやりとり, プロッタ出力, カートリッジ・テープでのデータバックアップなど−のについてである。
なお，先方は３Ｄモデリングやポストの改善のためConcept Station を導入予定である。( 線形解析は, 大規模な問題までANSYS が組み込まれているソフトである。)
4.1 の２）で述べたケースである。企業の製品の強度チェックを行いたいとのことで,ANSYSによる解析を指導した。半日と1 日と半々で合計8 回ほどの使用により, ３次元板構造物の静解析と応力集中部にサブモデリングを使った2 次元解析を行った。ANSYS の操作法, 板要素, 板と2 次元平面歪みとの関係, サブモデリングの手法, 複数のモデルを扱うためのunixでのファイル管理, 結果の数表と図の出力等について説明した。ここでは, ソリッドモデリングを使用しなかった。( 不慣れのため, 自動メッシュをうまく変更ができなかったことも原因である。)
4.1 の1)で述べたケースである。先方では, 数年前には, 外部に委託して計算したことがあるとのことだが, 社内での本格的な解析はやっていない。パソコンでの解析は, 少し行っている人もいる。今回,ANSYSに触ってみて, やれそうだというので, 計画中である。
セラミックスの非定常熱解析と熱応力解析(2次元) や, 3 次元のソリッド要素での変形解析である。非定常熱解析では, 繰り返しを行うので, その制御の仕方等を検証問題( 例題) やセミナーのテキストを使って学習する。また, 熱の輻射要素を必要としている。
始めは, 形状の複雑なものではないので, ソリッドモデリングの必要性は少ない。しかし, 要素分割の変更による精度の変化をチェックするためには, ソリッドモデリングの方が便利であるので, これも, 使う予定である。
R.4.4Aでの使用にもとづいて, 著者の主観的な意見を交えて述べる。
1)対話型グラフィックス, メニューシステム
著者は,ANSYS Rev.3から, 汎用コンピュータのバッチ処理で使用してきた。Rev 4.2 では, 回線(9600bps) で一部使用したが, レスポンスが遅く, 実用的では無かった。今回、Sun4/ 470GXPでの高速のグラフィックス処理に驚いている。メニューは, たまに使う者にとってはありがたい。
2)PCからEWS 等のサポート
松下先生によると,PC9801RL での速さと較べると, 数倍から数十倍の違いがあるという。しかし, 機種が異なっても同じデータが使え, 操作も同じであるというのは便利である。( ハードウェアやＯＳに依存する部分は異なるが仕方がない。)
3)各種の周辺機器のサポート
幾つかのプロッター, ポストスクリプト対応のプリンタ出力などでの選択ができる。
4)ファイルによる他のシステムとの接続
ＣＡＤ／ＣＡＭシステム等との接続はまだ使用していないが，やがて，使うことになろう。4.2 の1)では, プレ・ポストとの接続による対話グラフィックス利用を行うものである。
Ｒ.5では幾らかは解決しているかもしれないが, 現状を述べる。
1) 形状の入力と自動分割
3次元の板構造物での部品の定義, 歯根の3 次元モデルの作成等, 相当にせわしい。
2)解析の誤差評価が分かりにくい。
誤差測度があるが, 要素分割の粗さによるもの
荷重の負荷の粗さによるもの
(ギャップ要素で摩擦がある時)
とが, 混在しており分かりにくい。
3)ファイル仕様がマニュアルとは違う。
ポスト用ファイル(file12)を使って, データのやりとりをしようとしているが, うまくいかない部分がある。
4.2の１）で述べた卒研での使用について概要を説明する。電気伝導度構造の解析プログラムは下泉先生の作成である。しかし２次元でのモデル図の表示や結果の図表示の機能が整備されていない。そこで,ANSYSのグラフィックス機能を使うことにした。図1.1 に処理の流れを示す。ANSYS のPREP7でモデルデータ−材料番号, 節点座標など−を対話しながら, 作成・変更していく。ANSYS のPOST1 では, 結果のコンター表示を1/4 分周毎に計算して行う。
図1.2 にパターンモデルを示す。これは, 実際の寸法ではなく, 分かりやすいように中央部を拡大した要素分割図である。実寸の図も扱えるようにする必要がある。( 結果表示など) 図1.3 は解析結果のコンター( 等値線表示) の例である。
現在, まだファイル変換プログラムのデバッグ中である。残っている課題として,2つのモードに対応すること,POST1での処理のパラメータ化，要素の実寸での表示などがある。更に, 解析プログラムでのデータ変更による繰返しでの,PREP7の利用が考えられる。
(2001.3.12の注：その後、この開発は中断した。)
人工歯根の形状で角度を変えて，応力分布を求め，最適な角度を推定している。図２では，軸対称のモデルとその結果の例である。このほか，２次元の平面歪みでのモデルや３次元ソリッドでのモデルでの解析も行ってある。
誤差の評価について，5.2 の2)に述べたが, まさつが有る場合の負荷方法について, 準静的に数回に分けて徐々に負荷を増加した場合と, 一度に負荷した場合では, 最大の応力が発生する点とその値が違っていた。後者の方が患者の観察結果に近いという。
摩擦係数については, 数種のケースで比較したが, ある値以上では, 結果に差が無くなるという。 将来は，機械メーカでのＣＡＤ／ＣＡＭと同様に，あごと歯の計測から，人工歯の設計と解析，加工までの一貫した処理を指向している。
専用の磁場解析プログラムとの比較のため，同じ問題について，ANSYS での解析を行ってみた。
ANSYS には, ２次元の無限遠境界を表す要素があるが，軸対称では使えない。
ソリッド・モデリング（キーポイント，線，エリアと順番に定義していく方法）によって，場の境界を定義し，自動分割を行った。入力データが少なく，形状の変更や要素分布の変更が容易となるが，要素の形状は不規則になっている。( 要素の大きさや分割数の指定による。) ほぼ, 同じ磁束分布が得られていることが分かる。
節点数1134点, 要素数1161個である。 解析時間( 反復回数) は, 励磁電流 10Aのとき 20 秒( 2回) 50Aのとき 70 秒( 7回) であった。(Sun 4/ 470GXP) 図３に，点・線の定義，要素分割図と磁束分布図を示す。
有限要素法パッケージソフトウェアANSYS の概要, その導入とサポート，利用事例について報告した。 このソフトは初心者等が使いやすいようにマウスでのメニュー選択によっても入力できる。また, 検証問題をはじめ, 各種の資料が揃っているので, 学習と利用が分かりやすくなっている。
1993年には, ソリッドモデリングの機能アップや, グラフィックスの改良などのバージョンアップしたRev.55) が配布される予定である。これによって,3次元のモデル作成が改善されるとのことである。3 次元解析モデル作成等をさらに容易にする道具として, 「Pro/ENGINEER」−3 次元ソリッドモデラーをベースとした次世代CAD/CAM システム−などが販売されている。（これは未導入であるが）。これらによって, 「コンカレント・エンジニアリング」が実現できるという。
有限要素法解析の道具としてANSYS は，簡単な問題から, 非線形の問題まで, 便利であるので，大いに利用されることをおすすめする。なお，より使いやすくするためにサポートでのデータを収集していきたいので，利用時の「ワークステーション利用日報」の記入でのご協力をお願いする。
最後に, ＥＷＳのシステム管理を担当していただいている情報処理科の庫本先生, 卒研で協力していただいている下泉先生に感謝します。
[付記] この原稿は，サイバネットシステム株編集・発行のANSYS1992 CONFERENCE IN JAPAN 事例発表会資料( 平成4 年11月9,10日) の「北九州職業訓練短期大学校におけるANSYS の使用」に, 加筆, 修正を加えたものである。
1) 北九州職業訓練短期大学校 情報処理科：ＡＮＳＹＳ使用手引書，1991年10月
2) 荻原浩二・坂井亮子：電気伝導度構造のANSYS によるプリ・ポストプロセシング, 第4回卒業研究発表会講演予稿集, 情報処理科4期生,pp.19-20,1992年3 月
3) 松下恭之：チタニウム・インプラントの応力解析−第２報カウンターシンクの影響，補綴学会誌，投稿中
4) 庫本篤：磁気ミュレーションプログラムの開発，北九州職業訓練短期大学校紀要第４号,pp.18-19,(1992)
5) サイバネットシステム株：サイバネットニュースNo.62, pp.4, 1992 年9 月
小生は、安川情報システム株式会社（在職時-1989）でANSYSを使用したが、この短大に転職してから「有限要素法のプログラムと解析」のセミナーなどで、basic言語での解析プログラム自作の紹介などを行っていた。そして、この報告のようにANSYSの導入と普及を進めた。その後1995年頃から、構造解析やANSYSへの興味を失い、この関連に殆ど従事していない。(情報リテラシーやプログラミングなど、情報基礎の分野に興味が移ったため。）なお、このCAE分野のセミナーなどは、現在、機械系等の職員が担当している。
有限要素法(関連）をキーワードに検索した結果 約1,090,000件（2013.1.13）のYahoo!登録サイトに一致しました。
なお、当学校名は、九州職業能力開発大学校(九州ポリテクカレッジ KPC)に変わっている。(2013.1.13追加）
2013年1月12日 図２追加、関連へのリンク追加・変更
2001年3月12日 HTMLへの編集とUpload