CAD/CAE技術の医学への応用| 崇城大学准教授劉陽先生

崇城大学工学部機械工学科准教授劉陽先生

CAD/CAE技術の
医学への応用

崇城大学
工学部機械工学科

准教授劉陽先生

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30分のミニ講義を聴講しよう！機械・製品設計を支えるCAE技術

「CAE技術」は、実際に物を作る前にコンピュータ上でシミュレーションして調べる技術です。この技術により、試作経費の低減、開発のスピードアップと構造の最適設計が可能となりました。CAEの基本概念と機械・製品設計への応用について紹介します。

先生からのメッセージ

あなたは、街路樹や道ばたの草花、小さな虫などの「カタチ」をじっくりと眺めたことはありますか？　「この昆虫は、なぜこんなカタチをしているんだろう」など、疑問を感じたことはありますか？
植物も、昆虫などの動物も、自然界のものは奇跡のように計算されつくしたカタチをしています。大学で、力学や構造設計について研究するのなら、中学・高校のうちに、数学や物理の基礎をしっかり学んでおく必要があります。しかし、勉強ばかりではなく、さまざまなモノの「カタチ」に興味を持ち、疑問を感じる気持ちも大切にしてください。

先生がめざすSDGs

夢ナビ講義も読んでみよう求められる「強さ」を、最も軽い「カタチ」で実現する設計手法

変形しやすいボディの方が、実は安全？衝突したとき、ボディのフロント構造とリア構造（クラッシャブルゾーン）があまり変形しない車と、大きく変形する車とでは、どちらが安全でしょう？　変形しにくいボディは乗員をガッチリと守ってくれそうですが、衝突エネルギーの多くが室内にまで到達してしまいます。一方、クラッシャブルゾーンが変形しやすいボディは、変形することでエネルギーを吸収するので、乗員に加わる力は少なくすみます。ただし、乗員の安全を確保するキャビン構造（サバイバルゾーン）が変形しにくく、強くなるよう設計が必要です。構造物ごとに異なる「必要な剛性、強さ」を、最も軽い構造で作る手法を「構造最適設計」と呼びます。解析プログラムで最適な構造をシミュレート建築物の構造にも、同様の設計手法が導入されています。地震の揺れのエネルギーを、ダンパーやゴムなどで吸収することにより、建物の歪みや崩壊を防いでいます。以前は、太く大きな柱で剛性を高める設計も行われていましたが、エネルギーを吸収する設計を採用することで、構造体の軽量化が図れます。
この設計方法は、乗り物でも建物でも力学的に応用できるので、最適構造をシミュレートできるコンピュータプログラム作りも、構造最適設計の研究分野の一つです。工業分野だけでなく医療分野への応用もスタート構造最適設計の技術は、医療分野でも生かされようとしています。そのひとつが、私たちの耳の奥にある「耳小骨」の再建です。耳小骨は、鼓膜がキャッチした音を内耳に伝える役割を担っていますが、中耳炎などの疾患で、骨のつながりが損傷することがあります。通常、コルメラという素材を使って、鼓膜と内耳とを直接つなぐ手術を行いますが、何度も手術をして聞こえの善し悪しを実験するわけにはいきません。そこで、音（振動）を効率的に伝えられるコルメラの形状や取り付け位置をコンピュータでシミュレーションし、最適な再建手術を行おうという取り組みです。今後、さらに多くの分野への応用が期待されています。