応力解析ソフトウェアとは
応力解析ソフトウェアとは、物体にかかる応力をシミュレーションするソフトウェアです。
応力とは、物体の内部にかかる単位面積あたりの力（内力の単位面積当たりの力）です。物体を変形させようとすると物体には応力がかかり変形・破断しますが、その過程で物体の内部にかかる応力は目視で検証することが不可能です。
そこでコンピュータを用いて物体の応力を解析し、物体が応力に耐えうるか検証するために応力解析ソフトウェアが使用されます。
応力解析ソフトウェアの使用用途
応力解析ソフトウェアは、主に構造物の強度を評価・検証するために用いられます。例えば、機械の設計段階では構造物に加わる力を求め、耐性を評価します。必要に応じて機械の構造や材質を見直し、より高強度に設計し直します。
応力解析ソフトウェアがなかった時代には設計した機械を実際に製作し、実験で応力解析を行なっていました。しかし、毎回実験を行って時間や費用が膨む課題があったため、応力解析ソフトウェアで実験の手間や費用を削減しました。
応力解析ソフトウェアの原理
応力解析ソフトウェアの基本的な原理は、有限要素法 (英: Finite Element Method, FEM) から成ります。有限要素法とは「微分方程式を近似的に解くための数学的手法」のことを指します。
コンピュータ上で物体を解析をする場合、コンピュータは数式の処理しかできないため、物体の性質を数式で表す (モデル化する) 必要があります。物体の構造や性質を近似的にモデル化する手法を有限要素法と言います。有限要素法では、複雑な構造・性質を持つ物体を有限の要素に細かく分割します。
例えば東京タワーでは、複雑な構造を赤い棒一本一本を分割することで近似が容易になります。有限要素のひとつであれば比較的簡単な数式で表すことが可能です。分割された各微小領域を数式で表し、それらをつなぎ合わせることで物体全体の性質を近似します。つまり、複雑な構造物を一度有限な細かい要素に分割し、それぞれの要素で応力や変位を求めた後、全体を繋ぎ合わせるということです。
このように元々ひとつの複雑な物体を、複数の有限要素が一体となったものと捉え、各有限要素の構造・性質をモデル化し、それを合算することで物体の変位や応力を解析する手法が有限要素法 (解析は有限要素解析) です。
応力解析ソフトウェアのその他情報
力の種類は大きく外力と内力に分けられます。また、単位面積あたりの内力を応力と言います。
1. 外力と内力と応力
外力
外力とは物体の外部に働く力のことです。例えば、棒のような部材を外から接している面で引っ張る力が外力です。外力は物体外部から加えられる力なので、手で引っ張る、機械で圧縮する行為で発生します。
内力
内力は物体の内部に働く力のことです。外力が加わっている部材を仮想的に切断すると、外力と釣り合うように内力が発生します。外力は手で引っ張るなどの行為で目に見える概念ですが、内力は物体の変形や破断などを評価する上で重要な概念です。
応力
応力は、物体の内部にかかる単位面積あたりの力です。そのため単位は力の単位[N]ではなく圧力と同じ[Pa]になります。外力が加わっている物体は、外力と釣り合うように内力が発生するため、外力が大きいほど内力も大きくなります。
物体の変形や破断を考える場合は内力に注目しますが、内力のみでは部材の寸法などを考慮することができないため、内力を面積で割った単位面積当たりの力である応力が必要になります。応力を利用すれば、物体の大きさに関わりなく物体にかかる負荷を検証可能です。
2. 応力の種類
応力の種類は引っ張り応力とせん断応力の2種類に大きく分けられます。
引っ張り応力とは、物体が引っ張られて生じる応力で、物体の仮想的な切断面に一様に分布します。せん断応力は、物体をせん断する際に作用する応力です。例えば、ハサミで段ボールを切る際はせん断によって段ボールを切るため、ハサミと段ボールにはせん断応力が発生します。
引っ張り応力とせん断応力を組み合わせると、複雑な問題に対処可能です。例えばにんじんの両端を両手で持って折り曲げる動作をすると、中心に引っ張り応力とせん断応力がかかり、中心付近で折れます。
橋などの構造物で同じことが発生すると大事故を引き起こすため、このような事態を避けるために応力解析ソフトウェアを使って物体にどのような応力がかかるのか検証する必要があります。