株式会社エスアイテック

市場課題｜溶接の熱変形は、手直しと計算時間の両面で負担が大きい

溶接の熱変形で手直しが必要

造船や自動車、建設機械の製造では、溶接の熱で生じる変形を、部材を曲げ戻して直す手直しが必要になります。溶接では、加熱部が膨張しようとして周囲に拘束されて塑性変形を受け、冷えるときの縮みが膨張量を上回るため、変形が残ります。溶接箇所が増えるほど変形は複雑になり、手直しの負担も膨らみかねません。

大規模な溶接解析は計算が長時間

溶接変形を計算で予測する熱弾塑性解析（溶接中の温度変化による膨張・収縮と、塑性変形を考慮する解析）は、要素数と溶接のパス数（溶接を重ねる回数）が増えるほど、計算時間が長くなります。大型構造物では、要素とパスの数が膨大です。計算に長い時間がかかれば、設計を見直すたびに解析を回せず、簡略化したモデルでの検討にとどまりかねません。

他にも、溶接の順序によって変わる変形の見積もり、複数の現象を同時に扱う難しさ、といった課題があるといわれています。

FrontJournalの解説

• 熱弾塑性解析溶接中の温度変化を求め、その温度による膨張・収縮と、力を除いても戻らない塑性変形を考慮して、変形と残留応力を計算する解析を指す。溶接では加熱と冷却で塑性変形が残るため、変形の予測に用いられる。

エスアイテックの強み｜「非線形FEM解析」を研究

溶接変形や座屈を造る前に予測

溶接変形は、試作品を溶接して実測し手直しで合わせ込む方法や、既存の解析ソフトで予測する方法で扱われますが、大規模な構造では計算に時間がかかります。

同社の「理想化陽解法FEM」は、溶接の熱で生じる変形と残留応力を、実物を造る前に予測する非線形FEM解析ソフトです。溶接のほか、構造座屈や振動、き裂進展（き裂が広がる現象）の解析にも対応します。接合では摩擦攪拌接合（FSW＝回転する工具で金属を攪拌し、溶かさずに接合する方法）も扱え、200パス以上の多パス溶接や100点以上のスポット溶接（点で接合する溶接）も解析の対象とされています。溶接の条件を画面上で比べて検討できるため、試作と手直しの回数を減らせるのが利点です。

収束計算を省き解析時間を短縮

一般的な陰解法（各時刻で連立方程式を繰り返し解いて答えを絞り込む方式）は、要素数が増えるほど計算時間とメモリの使用量が大きくなります。

同社が用いる理想化陽解法FEMは、動的陽解法（今の状態から次の状態を直接計算する方式）にもとづき、繰り返しの収束計算を必要としません。陰解法と同程度の精度を保ちながら、解析時間を短縮できるとされています。計算を要素ごとに分けられるため、GPU（画像処理用の演算装置）による並列化（同時計算）にも向いた方式です。100万要素・50パス規模の熱弾塑性解析も、1日程度で行えるとされています。解析の待ち時間を短縮できれば、設計の見直しの際に解析を取り入れやすくなります。

FrontJournalの解説

• 収束計算解の近似値を少しずつ更新し、変化が十分小さくなるまで同じ計算を繰り返す手順を指す。反復の回数が増えるほど計算時間が延びるため、大規模な問題では計算の負担が大きくなる。

非線形FEM解析の未来｜溶接ロボットから幅広い製造業へ

実大構造物で精度を確認

創業者らの研究では、理想化陽解法FEMを大規模な構造物向けに拡張した手法が、溶接28パスの建設機械の基盤構造という実大（実物と同じ大きさ）の構造物へ適用されています。この解析では、実測値と比べて精度が確認されています。溶接の順序による変形への影響も、調査の対象です。溶接の順序の調査が進めば、設計者は溶接の順序を実物で試す前に、解析結果で見比べて検討できるようになると期待されます。

溶接ロボットや3Dプリンターへ

理想化陽解法FEMは、応用先として、溶接ロボットや線状加熱ロボット、3Dプリンターが想定されています。線状加熱（鋼板を線状に加熱して曲げる造船の加工法）のロボットは、加熱の条件を解析で確かめてから動作へ反映できる可能性があります。3Dプリンターのうち金属積層造形（金属粉末を溶かして積み重ねる造形法）では、積層中の熱で生じる変形と残留応力の予測が、応用の対象です。変形が造る前に分かれば、試作の回数を減らせると見込まれます。

幅広い産業への展開を目指す

造船や自動車、建設機械に加え、航空宇宙やエネルギーの産業へ非線形FEM解析の利用を広げることを、同社は目指しています。自動車や航空宇宙では、軽量化材料を使う構造の大規模な解析の需要が増えているといわれています。ソフトの提供に加えて、導入の相談や解析業務の受託も、同社の事業の柱です。解析が設計の見直しの段階で使える道具として広がれば、軽量化の検討を進めやすくなると期待されます。

会社概要｜大阪公立大学の研究から生まれた解析ソフトの開発企業

大阪公立大学の研究から設立

株式会社エスアイテックは、2024年3月に設立された、大阪公立大学発の研究成果ベンチャー（大学の研究成果をもとに設立された企業）です。創業したのは、大阪公立大学の柴原正和氏と生島一樹氏で、代表者は柴原氏です。両氏は、大阪公立大学の前身の一つである大阪府立大学のころから、理想化陽解法FEMの研究を重ねてきました。同社は、研究室で磨いた解析技術を、製造業の現場で使えるソフトとサービスの形にすることを事業の軸に置いています。

大学発ベンチャーとして認定

2024年5月に、大阪公立大学が同社を大学発ベンチャーとして認定しました。認定後は、大阪公立大学の大学発ベンチャー企業の一覧に登録されています。経済産業省の「大学発ベンチャーデータベース」にも、研究成果ベンチャーとして掲載されています。2025年には、同社と柴原研究室・生島研究室の取り組みが、公明新聞の第6面に取り上げられました。

解析ソフトと解析業務を提供

事業の中心は、非線形FEM解析ソフトの開発、導入に関するコンサルティング、解析ソフトを用いた解析業務などです。主力の「理想化陽解法FEM」は、溶接やFSWなどの接合時の解析に加え、振動問題や構造座屈、き裂進展などの解析ができるソフトです。ソフトの導入を検討する企業は、コンサルティングで自社の課題に合う使い方を相談でき、解析の担当者がいない場合は解析業務を任せる選択肢もあります。

編集後記｜FrontJournal編集部より

溶接で生じる変形を造る前に予測できることは、ものづくりの現場にとって大きな意味を持ちます。溶接は広く使われる接合の方法ですが、熱で部材が変形するため、造ったあとに手直しが必要になる場面があります。予測できれば、その手間を減らせる点が大きな利点です。

注目したいのは、エスアイテックが用いる理想化陽解法が、繰り返しの収束計算を必要としない陽解法にもとづく点です。この方式は、繰り返しの収束計算が要らないため、計算に時間がかかっていた大規模な溶接解析の待ち時間を、縮められる可能性があります。陰解法と同程度の精度を保ち、GPUで並列化しやすい点も特徴です。

解析が製造の現場で当たり前に使える道具になっていくことを期待しています。

FrontJournal編集部

本記事は、FrontJournalが公開情報をもとに独自に分析した第三者コンテンツであり、対象企業・研究機関の公式見解ではありません。