自転車のフレームや補強の形、板厚、素材の決定にAnsysを活用。設計検討が効率化され、試作過程の削減を実現

主な生産品目は自転車で、年間約120万台を生産しています。事業部は自転車以外に工機事業部があります。工機事業部も3年前に合併したグループ会社のブリヂストン工機の事業を引き継いでおり、生産設備関連の幅広い事業に取組んでいます。例えばタイヤの生産設備などですね。

グループ内の方が多いですが、社外にも納品しています。その場合特注が多いですね。例えば航空機のファーストクラスに使うワゴンや、パネル用の穴あけ装置などを製造した経緯もあります。

私が商品設計1部で、量産主体の製品設計を受けおっています。土肥の方は商品設計2部で、研究開発が主ですね。

研究開発というのは、簡単に言うと今までなかったものに新規で取組む設計で、例えば折り畳みの構造を新しくして超軽量の自転車を作るとか、電動自転車を開発するなどという分野になります。

商品設計1部は既存の商品群をリニューアルする部門です。製品では、ANCHOR （アンカー）というブランドなどを扱っています。その中で全く新規の設計もありますが、設計サイクルが短いものですから、いかに効率的に作業を進めるかが大事になり、Ansys や3次元CAD が活躍しているのです。

商品設計2部では私も含めて4〜5人ですね。

商品設計1部では私以外に2人使えるのですが、メインは私です。

時期にもよりますが、時間的に余裕があれば大体誰かが解析を使っているという状況です。

98年の1月にAnsys/Structural を1タスク導入しました。それを1部と2部で共有しています。自転車の素材の一つにカーボンがあるのですが、そのような積層材の解析をしたかったのが導入経緯としてあったようです。

既にいくつかのCAE は使っていました。CAD も2次元用、3次元用として持っていたのですが、データの汎用性や価格面を考慮して3年程前にSolidWorks とAnsys を一緒に導入しました。解析についての知識はありましたからAnsys への移行も楽でしたね。

使いやすいと思いますが、英語メニューに慣れていたものですから、日本語になって少し戸惑っています。使い慣れたものがいい場合もありますからね。

でも日本語メニューは受けがいいですよ。初めて使う人に説明するときにはいいですね。

私の方は操作を覚えるのにはほとんど問題はありませんでした。マニュアルを見ながら操作していけば、一日で解析はできるようになりました。とりあえず静的な構造解析であれば入力の内容はさほど多くないですからね。

私は、導入を担当した者が側にいましたから、彼に聞きながら覚えました。使い始めれば数日で自分で扱えるようになりましたね。

今はCADCEUS をプリとして、そちらで設計をしています。またシェルやソリッドなどの要素作成もできますので、そこまでやってAnsys に渡してその後境界条件を定義します。ビーム要素が必要であればAnsys の方で追加します。

データの受け渡しには問題はありません。ただ、CADCEUS 側の問題としてビーム要素がないとか、Ansys の方では局所座標に対する境界条件定義が面倒だという問題もありますよね。そういうソフトウェア各々の問題はあります。

実際の事例を紹介しながら話した方がいいですね。このTRANSIT （トランジット）の応力解析にAnsys を使っていますが、試作過程がずいぶん減っているはずです。

はい。9月に量産ということでした。

今はこの折り畳み式自転車がかなり注目されています。例えばヨーロッパを中心に環境問題が話題になっていて車の利用方法を考えなおす流れもでてきていますので、そういう一環から折り畳み式への注目度が上がってきているのです。国内メーカーの中で特に折り畳み式をこれだけ多くラインナップしているのは当社だけだと思います。実際持つとわかりますけど9.4Kg という重量になると、結構軽いと感じるはずです。

一般的な自転車ですと14Kg から16Kg 程です。折り畳み式ですと、泥よけや籠などがオプションになるのですが、基本的に車に入れて運べるものというコンセプトですね。駐車場に止めてから自転車で行動をおこすという使い方を念頭においているのです。フレームの素材としては、アルミニウムが一般的で、なおかつ溶接構造です。ただし折り畳み式にする場合、フレームを中央から分割して、ヒンジ構造を作らせて折り畳むので、シートサドルの部分からヘッドのステアリングを結ぶ構造が一本になってしまいます。そうするとメインフレーム一本で支えなければいけないので、かなり強度的に不安を抱えるものが多くなってくるわけです。

そうですね。あの形の決定がコンピュータ上でできましたから。これはモデリングもAnsys で行ってシェルで計算したものです。本来モデリングはCAD を使うのですが、これはボリュームの分割が多くAnsys で全部作業した方が楽でした。モデリングによってはCAD で書けないものもたまにありますし、解析を前提にするとAnsys の方が便利な場合もあります。座標を意識しながらの設計は慣れるまでに時間がかかりましたが、フレームなら半日あればできますね。このモデルだと、車輪を除いてパイプの部分全体です。

補強材の形や板厚の検討です。デザイン側では最初から補強がありましたが、当然補強がない方が軽量になりますよね。ですから補強のない状態から検討を始めました。ただ解析した結果必要な強度が出ないので、やはり補強を入れることになったのです。

このサイズだとシートに70Kgf 程度です。それをある高さから落とす作業でして、走行中に歩道の5cm 程度の段差は常にあるという前提です。

でも実際の試験はもっとすごいですよ。走行中の状態で、連続耐久、衝撃の疲労試験を行うわけです。でも実際に何十年か経験してきた中で出来上がった社内試験の内容ですから、そういう試験がやはり重要ですね。

JIS の内容ではフレーム強度規格には振動と衝突時の変形具合を見る試験があります。前フォークをアセンブリして衝突時の吸収具合を見るのです。ただ基本的に衝撃を含めた疲労強度を追求した試験は手配されていません。ですからJIS の範疇だけの試験で市場に出すと危険なものになる可能性があるわけです。やはり十分な強度を持った製品を出すには、自社の規格にのっとった運営をする必要が出てくるのです。

そうですね。単位荷重をかけてその応力分布を評価するようになります。

力が最も集中している点を割り出して、その値を下げていくような単純な作業になりますけど。

全体モデルで考えるとハンドルとシートとペダルと3つに分散させるのが本当なのでしょうが、フレーム単体で解析する場合が多く、その場合シートのみに荷重をかけます。これは日本の自転車の乗り方がサドルに全ての荷重をかける状態であるという実状を考慮しているからです。またスポーツ車になると若干分布が変わってきまして、マウンテンバイクですとクランク軸の部分とシートの部分に分散させて荷重をかけています。ですから条件はより厳しくなってきます。つまりある程度実状にあわせて試験方法を調整しています。

そういうことです。自転車は実は作るのに手間がかかりません。通常のスチールのフレームで試作品を作って実験をする方が早いのです。逆にマウンテンバイクなど、アルミの構造体になってくると試作品を作る時間の方が長くなってしまうので解析が効果的です。最近はOEM が多いのですが、そうすると素材の調達自体がたいへんなときもありますので。その場合は、もらっているパイプの断面情報を使って解析しますね。私の事例では、競技用のANCHOR シリーズの新モデルでXALP があります。値段的にも十数万から何十万というものです。今競技用ではアルミが主なのですが、商品としてはスチールもありますしカーボンでも作っています。カーボンになると取り付けるパーツも高級になりますので、値段が高くなりますね。ただ競技用ですから、年間の出荷台数というのは限られてきます。

開発自体は97年からで出荷は98年です。ここまで競技を前提として開発した経緯がないのでブランドとしては新しいとも言えますが、商品群としては既存のブランドを切り替えたものになります。

はい。オフロードですと、ダウンヒルとクロスカントリーがあります。オンロードですと、競輪を含めたトラック競技、それからロード競技ですね。いわゆるツールドフランスを代表とするロードレースです。それからトライアスロンも含まれます。

CAD でモデリングとメッシングまで行ってAnsys に渡してからビーム要素を追加して解析しています。この解析の場合は、他の機構解析ソフトウェアも使い反力値とその方向をとって、それをAnsys で荷重として定義しています。バネの特性なども適正な範疇で取りなおしています。もともと軸にかかるべき反力値は経験値として持っていますから、それにあわせて必要なバネ係数を入れるわけですね。ここでは、補強の必要性について検討しました。結果として応力集中部が出てきてしまいましたので補強を入れることになりました。このようなフレームの解析を行う場合、まず前後のサスペンションの体積や重量を低減するためにレイアウトを決めます。そこでレイアウトによってどういう反力がでるかを計算し、反力の高いものに対しては解析するという手順です。それが効果的ですね。

肉抜きの分量を見ています。今回は素材がアルミなのですが、それで最大荷重がかかったときに応力値が10Kgf 以下であれば問題ないという判断です。それなら疲労強度に関しても満足するという。後部もやはり10Kgf というようなレベルで見てOK ということです。

はい。XALP と比べるとXCP の方は節がひとつ少ないので、その矛盾を撓りで対処しています。ここはカーボンですが、解析の段階でカーボンという素材を入れずにアルミの等方性で見ています。この構造自体は私が考えたものですが、要望としてはリアサスペンションが付いて競技に使えるものが欲しいと言われていました。その際どうしても軽量化を第一に考えないと、プロの方々には使ってもらえませんので、出来るだけカーボンで作りましょうということになりました。でもカーボンにしても重くなるので、撓りの構造を採用してリンクの節を一つなくすという結論に至りました。リーフスプリングという縦にすると非常に頑丈で横にすると撓る性質に着目したのです。単なる上下動だけなら板でもいいのですが、自転車の場合はねじれも出てきますから、それを吸収してくれる構造を考えてみました。さらに中央部分を抜いて撓みや応力分布がどうなるかを検討するために解析を利用しました。そうやって応力を散らす形状を次第に作り上げていったわけです。

もちろんこれは最初にアルミで作って実際に動くものかを試さないといけなかったですし、カーボンにしても本来なら積層を情報として入れなければいけないのですが、この狭い範囲内で積層が安定するかは明らかではないわけです。とりあえず等方性材料で解析し応力高い部分を探して、そこに積層材方向を変更して強度を満足する様に製造部門へ連絡しました。

今は生産地が海外ということもあって全部電子メールを活用してデータを送付しています。試作に関しても量産に関しても3次元CAD を中心に全部各部に配信するという方式にしています。

DesignSpace のような3次元CAD 専用のCAE なども検討はしています。今後の方向性としては、設計者がそのままFEM を使える環境という方向に流れていくとは思うのですが。ただ現状まだ解析に対して他に懸案事項があります。

試験との整合性です。試験は衝撃値を加えるものですので、今のところ我々の技術では解析とうまく整合性がとれていないですね。現状の衝撃値を考慮した解析ニーズを考えると当面はAnsys をアップグレードさせていくことの方が必要かもしれません。でも今のところ非線形の実績が社内であまりありませんので、その辺りを教えていただけると助かりますね。

材料非線形の場合と構造非線形、摩擦なども入ってきますね。衝撃値はどういう扱いになるのですか。

応力分布は単位時間にして取れるのですか。

これは前半部のフレームがカーボンの片持ちのシャフトドライブです。

これは実用性よりもデザイン性を追求したモデルです。実際片持ちではなく両方で持たせた方が軽くなるのですが、先進性を持たせているわけです。お蔭様でこのモデルに関してはグッドデザインの大賞をいただきました。反響もかなりのものだったと思います。

SolidWorks でモデリングすると全部ソリッドになりますよね。そうすると薄肉のパイプですから、要素を切ったときにアスペクト比が悪い。ですからビームで補完した方が楽ですし、もしくはシェルやソリッドとの混在がいいですね。パイプの部分はシェルで。ただ、パイプも均一の板厚ではないので、そこも考慮できるようなメッシュになるといいですね。自転車のパイプというのは、軽量化のために外径変えないで板厚だけを変化させるものなのです。ですから25%程度の厚みの変化は出てくるのです。また軽量化だけではなく強度的にもパイプの中央部の肉抜きが効果的です。この中央が撓んでエネルギーを吸収する構造になるものですから。

どれが標準になるかはまだ決まっていません。問題は、当社における部品表などの資産とCAD の図面での情報とをいかに繋げるかということです。繋げた後も整合性をどうやって取るかが一つと、3次元データと2次元データをどう扱うかも問題です。社内では2次元で書いた図面つまり紙を管理しています。それをデータとして管理すべきなのか、それとも紙はそこにあって然るべきなのか、その辺りの統一が必要でしょうね。

機能と費用と使う人間といろいろ考えると、ある程度のソフトウェアが複数存在してもいいと思います。どんな会社でも一つのシステムに統合するのは、要求として挙がっていても簡単には実現しないはずですよね。FEM だってそうだと思います。ですからソフトウェア間のデータの互換性がなければ困りますけどね。

使っていかないと間違いなく仕事として成り立たなくなっていくと思います。解析に抵抗がある人間も中にはいると思いますが、そこは何とかしないといけないでしょうね。

最近接触の問題を始めたのですが、どうしても収束しない場合があります。分割方法を変えたり解析領域を変えたりもしているのですが。与えた条件からして無理があるのかもしれませんが、機械的な構造としては成立していますので、そこが解けないとなると対処方法がわからなくなります。

Ansys の操作環境で階層が多いので使いたいコマンドに辿り着くのがたいへんな時があります。できれば最近のCAD のような操作環境が理想ですね。

そればぜひ欲しい部分です。CAE などは販売元が頼りですから。上手く使えるためのノウハウ的なものを教えていただけるのが一番先なのではないかと思います。以前他社さんでFEM の基本に関する講習を受けた経験があって、それが非常に良かったのを覚えています。ソフトの使い方だけではなくて、拘束条件の付け方やある解析事例をもとに一連の操作を考え方から丁寧に教育してくれるのがありました。あくまで初歩なのですが、どんなFEM でも抵抗なく取組んでいけそうな内容だったのです。これからはそのような内容の教育が大事だと思います。解析の基本さえ抑えておけばどんなFEM でも使えますし、間違った使い方もしないはずですよね。

内容的にはまさにこれですね。応力解析の目的から入って力学の基礎が分かればいいので我々が欲しいのはこの感覚のセミナーです。解析の種類によってこういう場合はこの要素を使えばいいとか、その分割方法とか、そこがわかるとずいぶん違いますよね。

やはり解析などのシステムは不可欠になりますから、もっと台数を増やしてみんなが使える環境にしていきたいですね。社内でCAD やCAE の必要性を納得させて、導入できる環境を作って、値段的に折り合いがつけばもっと多く取り入れていきたいと思います。まずはそれが夢というところでしょうか。