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学習支援計画書(シラバス) 検索システム
専門教育課程 機械工学科
授業科目区分 科目名 単位数 科目コード 開講時期 履修方法
専門教育課程
専門科目
専門
3D解析・設計
Computer Aided Engineering and Design
4 E025-01 2021年度
6期(後学期)
修学規程第4条を参照
担当教員名
*印は、実務経験のある教員を示しています。
授業科目の学習教育目標
キーワード 学習教育目標
1.CAD/CAM/CAE 2.有限要素法 3.ソリッドモデリング 4.応力解析 5.地域連携 CAE技術は,コンピューターによるCAD,有限要素法などを利用してシミュレーション を行いながら設計の最適化,高度化を図る技術である.三次元CADを使用しながら,具体 的な設計への応用について学び,有限要素解析システムを用いながら有限要素解析の概要を 理解し,機械設計に応用するための具体的手法を理解する.授業では,CADを用いたモデ リング演習,有限要素法による機械構造物の応力解析や変形解析を通して設計解析演習を行 う.また実際の企業で問題となっているCAEの課題について理解し,知識を深める.
授業の概要および学習上の助言
設計・生産技術は日本の経済力を支える重要な基盤技術であり,高精度な部品を効率よく加工し製品に組み上げるハードウエ ア製造技術と,複雑で多岐にわたる設計・生産活動を効率よく支援するソフトウエア技術の二つに大別できる.本科目は設計 から製造に至る様々な技術者の活動を効果的に支援するCAD/CAM/CAEシステムを取り上げ,その機能と応用について 学ぶ.授業はシステムの機能や構造に関する講義とコンピュータを用いた演習で構成される. また,実際の設計現場でCAEがどのように活用されているか理解し,ものづくりに果たす役割についてまとめる.
教科書および参考書・リザーブドブック
教科書:指定なし 参考書:指定なし リザーブドブック:指定なし
履修に必要な予備知識や技能
「機械系製図」,「機械要素設計」,「機械設計演習」,「材料力学」は,本科目を理解するための基礎科目である.これら の科目は履修済みであることが望ましい.演習中,過去に学習した知識が不確実なままであることが分かった場合は,しっか りと復習を行うこと.
学生が達成すべき行動目標
No. 学科教育目標
(記号表記)
E,H,J,L CAD/CAM/CAEシステムの機能を把握し,どの様に利用すれば実際の設計・生産業務に活かせるかを判断できる.
E,G,J,L CADモデリング機能を駆使して,設計者の意図を表現した部品モデルが作成できる.
E,J,L 構造解析に用いる材料定数を適切に指定できる.
E,G,J,L 各部品の使用環境を考察しながら,適切な荷重条件や拘束条件を指定できる.
E,G,J,L 解析結果を適切な方法で表現し,設計の無理や無駄を分析できる.
D,E,G,J,L,N,O 与えられた課題についてCAEによる創造的で最適化された設計を行うことができる.
達成度評価
評価方法
試験 クイズ
小テスト
レポート 成果発表
(口頭・実技)
作品 ポートフォリオ その他 合計
総合評価割合 10 30 30 10 0 0 20 100
指標と評価割合 総合評価割合 10 30 30 10 0 0 20 100
総合力指標 知識を取り込む力 10 20 0 0 0 0 0 30
思考・推論・創造する力 0 10 10 0 0 0 0 20
コラボレーションと
リーダーシップ
0 0 5 5 0 0 0 10
発表・表現・伝達する力 0 0 15 5 0 0 0 20
学習に取組む姿勢・意欲 0 0 0 0 0 0 20 20
※総合力指標で示す数値内訳、授業運営上のおおよその目安を示したものです。
評価の要点
評価方法 行動目標 評価の実施方法と注意点
試験 三次元CADを用いる新しい設計手法に対する理解度を評価する.
クイズ
小テスト
クラスワーク演習課題で評価する.この学習活動は,その週に学んだ学習主題の理解促進を図り,応用能 力を確実に定着させることが目的である.講義内容に関する解析モデルの作成や解析の結果が評価対象で ある.これらの学習活動は,その週に学んだ学習主題の理解促進と応用能力の定着が目的である.
レポート 総合演習として,プロジェクト型の課題(設計プロジェクト)で,これまでに学んできたCAE技術を応 用し,具体的な機械部品の最適設計を行う.結果はプロジェクトレポートとして提出が求められ,①重要 な機能の正確な理解と②設計作業への応用能力を評価する.
成果発表
(口頭・実技)
設計プロジェクトの成果を口頭発表する. 成果および効率的なプロジェクト遂行の過程も評価対象とする. 実際の企業におけるCAEと設計の関連を理解し,ものづくりに果たす役割についてまとめる.
作品
ポートフォリオ
その他 講義,プロジェクトでのアクティビティおよび各種提出物の提出状況により評価する.
具体的な達成の目安
理想的な達成レベルの目安 標準的な達成レベルの目安
①CAD/CAM/CAEシステムの機能を正確に把握し,設計 ・生産業務に活かすことができる. ②CADモデリング機能を駆使し,設計者の意図を明確に表現 した部品モデルが作成できる. ③構造体として適切な材料選定を行い,構造解析に用いる材料 定数を適切に指定できる. ④各部品の使用環境を考察しながら,物理的に正確な表現で荷 重条件や拘束条件を指定できる. ⑤解析結果を適切な方法で表現し,設計の無理や無駄を詳細に 分析できる. ⑥CAEシステムの各種機能を利用し,創造的で最適化された 設計を行うことができる. ①CAD/CAM/CAEシステムの関連が理解できる. ②CADモデリング機能で,設計者の意図を表現した部品モデ ルが作成できる. ③構造解析に用いる材料定数を指定できる. ④各部品の使用環境を考察しながら,荷重条件や拘束条件を指 定できる. ⑤解析結果を表現し,設計の無理や無駄を分析できる. ⑥CAEシステムの各種機能を利用し,ユニットモデルを構築 して設計できる.
CLIP学習プロセスについて
一般に、授業あるいは課外での学習では:「知識などを取り込む」→「知識などをいろいろな角度から、場合によってはチーム活動として、考え、推論し、創造する」→「修得した内容を表現、発表、伝達する」→「総合的に評価を受ける、GoodWork!」:のようなプロセス(一部あるいは全体)を繰り返し行いながら、応用力のある知識やスキルを身につけていくことが重要です。このような学習プロセスを大事に行動してください。
※学習課題の時間欄には、指定された学習課題に要する標準的な時間を記載してあります。日々の自学自習時間全体としては、各授業に応じた時間(例えば2単位科目の場合、予習2時間・復習2時間/週)を取るよう努めてください。詳しくは教員の指導に従って下さい。
授業明細
回数 学習内容 授業の運営方法 学習課題 予習・復習 時間:分
1〜2回 【CAD/CAM/CAEシステムの機能】 1)配布する学習支援計画書を基に科目の学習教育目   標,概要や行動目標を理解する.特にこの科目が機  械工学科の学習教育目標のどの部分を担っている   か,具体的な達成レベルの目安を理解する. 2)本科目の講義方針および演習の実施方法と評価法を  理解する. 3)設計・生産支援ソフトウェアの体系と機能を理解す  る. 4)三次元CADの機能構成を理解する. 講義と演習 講義: -CAD演習室における座席  指定 -本科目と機械工学科の学習  教育目標との関連を理解す  る. -CAD/CAMシステム   の機能と設計生産業務への  応用 演習: -CADシステムの立ち上げ  と終了 -基本的な二次元図形の生成 自己点検 予習: -機械工学科製図科目の復習 復習: -機械工学科の学習教育目標と本  科目との関連を理解する. -CADソフトウェアの起動法 50 50
3〜4回 【パーツモデリング(1)】 CADデザイン手法を理解する. 講義と演習 講義: -二次元図形から,三次元図 形の生成 -モデリングの過程 -モデリングの考え方 演習: -指定された三次元図形を作 成する. 自己点検 予習: -CADソフトウェアの起動方法 復習: -CADの操作に関する部分 (モデリングの手順,ファイルの 保存,ファイル形式) 50 100
5〜6回 【パーツモデリング(2)】 寸法値と設計変更を理解する. 講義と演習 講義: -寸法の変更 (生成された三次元モデルの 寸法値の変更) 演習: -モデリングと,指定された 条件での寸法の変更と設計へ の影響 自己点検 予習: -CAD操作 復習: -寸法の変更が全体形状に与える 影響を確認しておく. 100 80
7〜8回 【中間振り返り(パーツモデリング(3))】 これまで学んだモデリング過程の確認として,自身の 課題の発表を通して,CADの基本操作を再度確認す る. 【地域連携】 実際の設計現場でCAEがどのように活用されている か調査する. *企業技術者による特別講演に代えることがある.ま た,日程は調整する場合がある. 演習(中間振り返り) -モデリング 自己点検 *特別講演に代える場合があ る. 予習: -CAD操作 復習: -モデリング過程をレポートして まとめる. 100 100
9〜10回 【ユニットモデルの構築】 三次元CADの特徴的な機能であるアセンブリ機能に ついて理解する. -アセンブリモデルの構造 -拘束自由度 -アセンブリの干渉チェック -アセンブリ部品の修正と連携処理機能を利用したパ ートモデルへの修正反映 講義と演習 講義: -基本的なアセンブリ手法の  紹介 -アセンブリモデルの構成方  法 -アセンブリモデルの論理構  造 -アセンブリの位置と姿勢の  拘束と拘束自由度 演習: -複数のモデルを用いて,よ り複雑な機械ユニットを構成 する. なお,総合演習に向けた課題 の提示も行う. 自己点検 予習: -モデリング手法の確認 復習: -複雑な機械ユニットの構成法 -総合演習課題の事前調査 90 100
11〜12回 【総合演習(設計プロジェクト(1))】 設計プロジェクトの内容とスケジュールを理解する. -設計課題の仕様決定(エンジン,シリンダ,ピスト ン-クランク,コンロッド) 演習 -配付資料による課題の提示 -プロジェクト遂行 自己点検 予習: -課題の事前調査 復習: -プロジェクト進捗 90 200
13〜14回 【総合演習(設計プロジェクト(2))】 -中間振り返り達成度確認試験 -設計プロジェクト遂行 中間振り返り達成度確認試験 : -モデル作成に関するCAD の理解度確認のため実技試験 (エンジンアセンブリ)を行 う. 自己点検 予習: -設計プロジェクト発表のプレゼ ンテーション資料の作成 復習: -これまで学習したCADソフト ウェアの機能 200 90
15〜16回 【有限要素法の基礎】 1)有限要素法における解析対象のモデル化手法を理解 する. 2)解析モデルの境界条件(拘束や荷重)の表現法を理 解する. 3)節点に働く力や変位の自由度を理解する. 4)各種の要素が表現できる応力や変形を理解する. 講義と演習 講義: -有限要素法の基礎 -有限要素解析ソフトの起動 から終了 -要素分割 -解析実行から保存 演習: -基本的な形状(梁など)を 対象に,解析ソフトの起動か ら保存までを行う. 自己点検 予習: -材料力学(応力とひずみ) -有限要素法の概念 復習: -有限要素法解析ソフトウェアの 起動から終了までの手順 90 90
17〜18回 【解析計算の実行と解析結果の表現】 〜片持ちばりを例に〜 1)有限要素法の計算の実行とポストプロセッサの呼び 出しを理解する. 2)解析結果の様々な表現法を理解する. -モデルの変形図 -応力分布の表現 -主応力の大きさと方向ベクトル表示 -節点位置における応力や変位量の評価 -応力や変位量のグラフ表示 講義と演習 講義: -解析の実行から,結果表示 のための手順 -解析結果の表示 -必要とされる結果(変形状 態,応力・ひずみ分布,など )の評価 演習: -解析実行から,結果を表示 し,要求された評価指標(例 えば応力)を表示する. 自己点検 予習: -CADソフトウェアの操作確認 (有限要素法ソフトウェアとの連 携) 復習: -CADと有限要素法の連携 -応力,ひずみの種類 -解析結果の評価の仕方 90 200
19〜20回 【要素分割のと誤差】 1)有限要素分割の良否の判断法を理解する. 2)細分化の方法を理解する 講義と演習 -要素分割の違いが解析結果 に与える影響 -計算結果の誤差評価の方法 演習: -要素分割を変更し,解析結 果に及ぼす影響を確認する. -応力集中係数を評価する. 自己点検 予習: -材料力学(応力集中係数) 復習: -要素分割の変更に伴うモデル変 化 90 100
21〜22回 【より効果的な有限要素モデリングと強度評価】 1)対称境界,カップリング境界を理解する. 講義と演習 -特殊な境界条件の与え方 演習: -対称境界を利用する ーカップリング境界を利用す る. 自己点検 予習: -要素タイプ,境界条件の設定 復習: ー解析結果の評価法 90 100
23〜24回 【ソリッド要素を用いた三次元解析と強度評価】 1)ソリッド要素の特性と利用可能な解析対象を理解す る. 2)ソリッド要素に作用する荷重の表現を理解する. 3)破壊形式と部品強度の評価法を理解する. (延性破壊強度,脆性破壊強度,疲労破壊強度) 【ソリッド要素を用いた三次元解析演習】 講義と演習 -ソリッド要素の概要 -三次元分布の効果的な表現 方法 -ポストプロセスにおける結 果の評価 -破壊の考え方 -機械(要素)の設計に対す る荷重条件 -設計応力(安全性) 演習: -要素タイプの読み出しと設 定 -梁の二次元モデルと三次元 モデルの比較 -壁フックの形状最適化 自己点検 (これ以降いずれかの回が人 間と自然により休講になる場 合は,この回の課題を宿題と し,適宜日程をずらして学習 する) 予習: -材料力学,機械材料,機械要素 設計など,材料の強度評価に関す る部分 復習: -CADと有限要素法の連携 -破壊の概念 120 100
25〜26回 【総合演習(設計プロジェクト(3))】 -設計プロジェクトの遂行 -設計課題の仕様・形状変更(エンジンアセンブリの コンロッド) 演習 -プロジェクト遂行 自己点検 予習: -エンジンアセンブリ -課題の設計方針 復習: -プロジェクト進捗 100 100
27〜28回 【総合演習(設計プロジェクト(4))】 設計プロジェクトの遂行 -設計課題の仕様・形状変更(エンジンアセンブリの コンロッド) 総合演習(成果発表) -プロジェクト遂行 自己点検 予習: -プロジェクト進捗 復習: -最適形状設計の完成 -設計報告書(プロジェクトレポ ート)の作成 100 200
29〜30回 【総合演習(設計プロジェクト発表)】 -設計プロジェクト成果発表 【自己点検授業】 -達成度(行動目標に到達したか)の確認 演習 -与えられた課題に対するモ デリングから有限要素法によ る解析の実行を行った結果を 口頭発表 -総括 自己点検 予習: -プレゼンテーション資料の作成 法 -発表練習 復習: -これまでの学習内容 200 90