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用語辞典

CAE・工学用語辞典

有限要素法・CFD・熱解析・制御工学など、工学シミュレーションで使われる専門用語をアルファベット順に解説します。各用語から関連するシミュレーターへリンクしています。

B
BEM(境界要素法)
Boundary Element Method
構造物の境界のみを離散化する数値解析手法。内部の節点が不要なため、無限領域問題(電磁気・弾性波)に有効。FEMより未知数が少ない。
C
CFD
Computational Fluid Dynamics
数値流体力学。ナビエ-ストークス方程式などを数値的に解いて流体の流れを解析する技術。有限体積法や有限差分法が広く使われる。
CAE
Computer-Aided Engineering
計算機を使った工学解析の総称。FEM(構造解析)・CFD(流体解析)・熱解析・電磁界解析などを包含する。
F
FEM(有限要素法)
Finite Element Method
連続体を有限個の要素に分割して数値解析する手法。構造・熱・電磁気など幅広い工学問題に適用される最も標準的な計算力学手法。
FFT(高速フーリエ変換)
Fast Fourier Transform
時間領域信号を周波数領域に変換する高速アルゴリズム。振動・音響・信号処理で広く使われる。DFTをO(N log N)で計算。
L
LMTD(対数平均温度差)
Log Mean Temperature Difference
熱交換器の熱移動量計算に使われる温度差。Q = UA·LMTD で熱交換量を求める。
P
Paris則
Paris Law
疲労き裂進展速度を応力拡大係数範囲で表す経験則 da/dN = C(ΔK)^m。残余寿命予測に使われる。
PID制御
PID Control
比例(P)・積分(I)・微分(D)の3つの項を組み合わせたフィードバック制御。制御工学で最も広く使われる制御則。
S
S-N曲線
S-N Curve
繰り返し応力振幅と破断繰り返し数の関係を示す疲労特性曲線。縦軸=応力振幅S、横軸=破断繰り返し数Nで表す。
V
V&V
Verification & Validation
検証(Verification:正しくコードを実装しているか)と妥当性確認(Validation:正しい問題を解いているか)。シミュレーション品質保証の2本柱。
von Mises応力
von Mises Stress
多軸応力状態での降伏を判定するための等価応力。σvm = √[(σ1−σ2)² + (σ2−σ3)² + (σ3−σ1)²] / √2。FEM後処理で最もよく使われる評価量。
き裂進展
Crack Propagation
疲労荷重による亀裂の成長。Paris則 da/dN = C(ΔK)^m でき裂進展速度を表す。
アスペクト比
Aspect Ratio
FEM要素の縦横比。1に近いほど精度が高い。長細い要素(アスペクト比 > 5)は精度低下の原因になる。
インピーダンス
Impedance
電気回路における交流電圧と電流の比。抵抗・インダクタンス・キャパシタンスの組み合わせで決まる複素数。
オイラー座屈
Euler Buckling
細長い柱が圧縮荷重によって突然横向きに変形する現象。臨界荷重 Pcr = π²EI/(KL)²で与えられる。
グッドマン線図
Goodman Diagram
平均応力が疲労強度に与える影響を評価する設計図。縦軸=応力振幅、横軸=平均応力でプロットし、設計点が安全線内に収まるか判定。
グリーン関数
Green's Function
微分方程式の点源応答。FEM・BEMの理論的基盤となる。
ダルシー摩擦係数
Darcy Friction Factor
管内流体の摩擦損失を表す無次元係数。レイノルズ数と管壁粗さから決まり、ムーディー線図で読み取る。
ナビエ-ストークス方程式
Navier-Stokes Equations
粘性流体の運動を記述する偏微分方程式。CFDの基礎方程式であり、一般的には数値的にしか解けない。
ヌッセルト数
Nusselt Number
対流熱伝達と熱伝導の比を表す無次元数 Nu = hL/k。強制対流や自然対流の熱伝達係数推定に使われる相関式の基礎。
ヘルツ接触
Hertz Contact
2つの弾性体が接触する際の接触応力。球-球、球-平面、円筒-円筒などの形状によって接触圧力分布が変わる。
ボード線図
Bode Plot
制御系の周波数応答を表すグラフ。対数スケールでゲインと位相を周波数の関数として表示し、安定性解析に使われる。
ポアソン比
Poisson's Ratio
横ひずみと縦ひずみの比ν。ほとんどの等方性材料で 0〜0.5 の値をとる(鋼: 0.3、ゴム: ≈0.5)。
モーダル解析
Modal Analysis
構造物の固有振動数・振動モード・減衰比を求める解析手法。FRF(周波数応答関数)の実験計測と組み合わせることも多い。
モールの応力円
Mohr's Circle
任意の応力状態から主応力と最大せん断応力を求める図式解法。断面方位を回転させたときの応力変化を円で表現する。
ヤング率
Young's Modulus
材料の引張硬さを表す弾性係数 E = σ/ε。鋼: 206 GPa、アルミ: 70 GPa。材料の変形しにくさを表す最も基本的な物性値。
レイノルズ数
Reynolds Number
流体の慣性力と粘性力の比 Re = ρVL/μ。Re < 2300 で層流、Re > 4000 で乱流が一般的目安。
ワープ関数
Warping Function
ねじり問題で断面形状の歪みを表す関数。サン・ベナンのねじり理論に登場する。
位相最適化
Topology Optimization
FEMを用いて材料の最適な配置(どこに材料を残すか)を自動的に決定する設計手法。SIMP法が代表的。
剛性行列
Stiffness Matrix
FEMで変位と力を関係づける行列 [K]。[K]{u}={F} の形で変位を求める際の係数行列。
動解析
Dynamic Analysis
荷重が時間変化する場合の応力・変形の解析。固有振動数・周波数応答・過渡応答などを扱う。固有値解析とも関連する。
収束
Convergence
数値解析でメッシュを細かくするほど解が真の値に近づく性質。「収束確認」はシミュレーション品質保証の基本。
固有値問題
Eigenvalue Problem
固有振動数や座屈荷重を求める数学的問題。[K]{φ} = λ[M]{φ} の形をしており、λが固有値(固有振動数の2乗など)、{φ}が固有ベクトル(振動モード)。
安全率
Safety Factor
許容応力を求める際に基準強度を割る係数。静荷重では2〜3、衝撃荷重では4〜8が目安。設計の不確かさに対するマージン。
座屈
Buckling
圧縮荷重が臨界値を超えたとき、構造物が突然横方向に変形する不安定現象。細長い柱・薄板・シェルで問題になる。
弾塑性解析
Elastoplastic Analysis
降伏後の塑性変形を考慮した解析。フックの法則が成り立たない領域の応力-ひずみ関係を取り扱う。
応力集中
Stress Concentration
穴・切り欠き・段付き部などの形状不連続部で局所的に応力が高くなる現象。応力集中係数 Kt で評価。
打ち切り誤差
Truncation Error
数値微分・数値積分における高次項の省略によって生じる誤差。メッシュを細かくするほど小さくなる。
材料力学
Mechanics of Materials
外力を受ける固体の変形・応力・ひずみを扱う力学分野。梁・柱・シャフトの強度計算の基礎。
梁理論
Beam Theory
梁の撓みと応力を解析する古典的理論。オイラー・ベルヌーイ梁(細長い梁)とティモシェンコ梁(せん断変形考慮)がある。
熱伝達率
Heat Transfer Coefficient
流体と固体表面間の熱伝達の容易さを表す係数 h [W/m²K]。ヌッセルト数相関式から推定される。
破壊靱性
Fracture Toughness
亀裂を持つ材料の破壊への抵抗性を表す材料特性。応力拡大係数 K が破壊靱性 KIC に達すると破壊が起きる。
線形弾性
Linear Elasticity
応力とひずみが比例関係にある材料の挙動(フックの法則)。降伏点以下で成立し、FEM解析の最も基本的な仮定。
非線形解析
Nonlinear Analysis
幾何学的非線形(大変形)・材料非線形(塑性)・接触非線形など、線形仮定が成り立たない問題の解析。反復法で解く。
理論・主要公式

$$\sigma = E\varepsilon$$

フックの法則(弾性域):応力 $\sigma$(Pa)はひずみ $\varepsilon$(無次元)とヤング率 $E$(Pa)の積。

$$Re = \frac{\rho v L}{\mu}$$

レイノルズ数(流体力学):慣性力 vs 粘性力の比。配管では $Re \gt 4000$ で乱流。

$$Nu = \frac{h L}{k}$$

ヌッセルト数(熱伝達):対流熱伝達率 $h$(W/m²K)と熱伝導率 $k$(W/mK)の比。

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使い方ガイド

  1. アルファベット順の用語一覧から目的の工学用語を検索してクリック
  2. 各用語の定義、数式、物理的意味を確認し、FEM・CFD・熱解析などの応用分野を理解
  3. 関連シミュレーターツールへのリンクから、実際の解析例(ヤング率E=210GPa、ポアソン比ν=0.3など)を入力して挙動を確認

具体的な計算例

アルミニウム製フランジ(長さ100mm、幅50mm、厚さ5mm)に軸荷重5kNを加える場合、E=70GPaを用いた応力計算σ=F/A=5000N/(50×5)=20MPaが得られます。本辞典では「応力」項目から有限要素法シミュレーターへ遷移し、実際の応力分布図と変形量δ=0.29mmを確認できます。

実務での注意点

  1. 要素サイズと収束性:固体解析で最小特徴寸法の1/10以下のメッシュを設定しないと、応力集中部で精度低下(例:切欠き底部の局所応力が15%過小評価)
  2. 境界条件の設定:完全固定と弾性支持では結果が異なるため、実際の治具剛性(k値)を明記した上で用語の「拘束」定義を参照
  3. 材料非線形性:降伏応力を超える荷重(鋼材450MPa以上)では線形解析が無効なため「塑性変形」項目で非線形FEM解析への移行を確認