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流体・構造解析とは？課題と対策・製品を解説
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【解析ソリューションサービス】航空・宇宙
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宇宙における流体・構造解析
宇宙における流体・構造解析とは？
宇宙の流体・構造解析は、航空機や宇宙船、ロケットなどの機体や搭載機器が、宇宙空間の極限環境下（真空、極低温・極高温、高放射線など）や、打ち上げ・飛行中の複雑な流体（空気、推進剤など）および構造的な力（振動、衝撃、熱応力など）に対してどのように振る舞うかを、計算科学的手法を用いて予測・評価する技術です。これにより、安全で信頼性の高い宇宙機の設計・開発・運用を実現します。
課題
極限環境下での材料特性変化の予測困難性
宇宙空間の真空、極低温・極高温、高放射線といった極限環境下では、材料の強度、耐久性、熱伝導率などが地上とは大きく変化します。これらの変化を正確に予測し、設計に反映させることが困難です。
複雑な流体挙動のシミュレーション精度
ロケットの推進 剤噴射、大気圏突入時の空力加熱、宇宙空間での推進剤の気化など、複雑で非定常な流体現象を高い精度でシミュレーションすることが求められますが、計算リソースやモデル化の難しさから課題があります。
構造物の軽量化と高強度化の両立
宇宙機は打ち上げコスト削減のため軽量化が必須ですが、同時に打ち上げ時の過酷な振動や衝撃、宇宙空間での運用に耐えうる高い構造強度も必要です。この相反する要求を両立させる設計は高度な解析技術を要します。
未知の現象や異常挙動への対応
宇宙開発においては、過去の経験則だけでは予測できない未知の現象や、想定外の異常挙動が発生する可能性があります。これらのリスクを事前に評価し、対策を講じるための解析手法が求められます。
対策
先進的な材料モデリングと実験データ連携
極限環境下での材料特性変化を詳細に記述する先進的な数理モデルを開発し、実際の実験データを活用してモデルの精度を向上させることで、材料挙動の予測精度を高めます。
高精度流体解析ソルバーの活用
乱流モデルや相変化モデルなどを高度化した流体解析ソルバーを用い、計算リソースを最適化しながら、複雑な流体現象を高精度にシミュレーションします。
最適化設計手法と構造解析の統合
構造解析の結果を基に、トポロジー最適化や形状最適化などの手法を用いて、軽量でありながら要求される強度を満たす構造を効率的に設計します。
多物理連成解析とリスク評価
流体、構造、熱、電磁場など複数の物理現象を連成させて解析し、想定されるリスクシナリオに基づいた詳細な評価を行うことで、未知の現象や異常挙動への対応力を高めます。
対策に役立つ製品例
統合解析システム
流体解析、構造解析、熱解析などの複数の解析機能を統合し、ワークフローを効率化することで、複雑な宇宙機の設計・開発プロセス全体を支援します。
材料特性データベース・解析ツール
極限環境下における様々な材料の特性データを蓄積し、それらを基にした解析を行うことで、材料選定や設計の精度を向上させます。
高精度流体シミュレーションソフトウェア
複雑な流体現象を高速かつ高精度に計算できるソルバーを備え、推進剤の挙動や空力特性などの詳細な解析を可能にします。
構造最適化設計支援システム
構造解析結果に基づき、軽量化と強度確保を両立させるための最適な構造形状を自動的に提案し、設計者の負担を軽減します。
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