設計者ＣＡＥ的現狀
專門給設計者使用的ＣＡＥ其實已經提倡了很長一段時間了。但是設計者使用ＣＡＥ的狀況並不如預期的多。其原因到底為何？
所謂的設計者ＣＡＥ，就是在設計初期階段藉著使用ＣＡＥ來決定設計方向的，並不需要做到太複雜的模擬。因此這些設計者自己需要做的模擬分析內容，是線性靜態模擬或是計算自然頻率這種很簡單的模擬就夠了。
讓我們也來看看產品開發流程與解決課題時模擬分析的難易度會是甚麼樣子吧？（圖３）
圖３ 產品開發流程與模擬的難易度
隨著開發流程的進展，必要的模擬分析的難易度會跟著上升。要能對應這些難易度的，就是模擬分析的工具。如果將模擬分析工具分成三類，從基本設計到詳細設計的初期開發階段，是入門級ＣＡＥ就能活躍發揮之處。就模擬功能而言，只要具備線性靜態模擬、自然頻率（模態分析）計算、溫度分佈模擬的功能就夠了。在大多的狀況下，使用３Ｄ ＣＡＤ內建的分析模擬模組就夠用了。
到了開發流程再進展的詳細設計階段，就需要更接近現實的分析模擬，也讓模擬的難易度提升上去。到這裡可以使用中階的模擬分析工具。以模擬功能而言，是必須能夠加入接觸模擬計算等等組合件分析模擬的功能。要使用這些功能，計算功能的知識就不可或缺了。
到了製造階段，模擬分析的難易度會突然大幅上升。好比說為了檢討製造性的模擬分析，主要都會是非線性的模擬問題，為了做出能夠正確執行的模擬模型，就需要高度的數值分析的素養。而且，也需要相當高的硬體規格資源。
如果目光轉向製造業現場，會發現產品中全新設計的部分會變少，沿用過往設計的結構才是主流。沿用設計可以縮短設計時間，確認產品品質時，也能繼續使用已經獲得市場性能保證的產品設計資料。換句話說，在沿用設計資料時，就可以認為產品已經有「相當高的完成度」了，所以這也讓應該要分析模擬的事項自動提升了難易度。單單只靠線性靜態模擬或是模態模擬，已經是不足以驗證這個階段的產品問題了。
因此重新變更設計者ＣＡＥ定義的時期必定即將到來。
實際上很多設計者，都是在跑比筆者想像中難易度高很多的模擬分析吧？不過也很意外地，很多人其實並沒有這些基本修養或是構造模擬分析的基本修養。
不論是全新設計也好，或是沿用設計也罷，模擬分析這項技術都是不可或缺的吧。希望大家能在執行幾乎難到無法理解其內容的模擬分析時，也能學到本連載中介紹的結構模擬分析思考方式，那就太好了。
［迷你專欄］
突然在這裡介紹可能有點突然，但大家是否曾經看過中田敦彥的YouTube大學這個頻道嗎？
這個頻道從５Ｇ或ＡＩ等最新科技情報，到日本世界或各國的歷史．政治．經濟為止，他都用很簡明的形式解釋出來。在這個頻道中，好比介紹的是日本史，則一開始就會以「極限日本史！」為目標來講解上課。我在想如果他打算做個「極限結構模擬分析」的影片課程的話，肯定會非常容易理解吧。
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（２）設計者面對先期開發這個怪物時的「三個武器」
不知道大家有沒有聽過伊索寓言中的「三位砌磚人」故事？這個故事是說根據如何理解行動的意義，會導致做事與工作的幹勁差異。這個故事的教訓（或說是「說教」）是傳達：「明明大家都是做同樣的事情或工作，態度消極的人和態度積極的人，在成果與未來性上會產生很巨大的差異」的道理。
＊譯註：沒聽過這個故事的話，底下是這個故事的概要。
在中世紀的某個歐洲小鎮，在建築工地有三名工人在工作。
三個工人同時被問到「你在做什麼呢？」
此時，工人分別如此回答：
第一個工人說：「我在堆磚頭。」
第二個工人說：「我在賺錢啊。」
第三個工人開朗地抬起頭來說：
「我在建造本鎮將流傳後世的大教堂啊！」
在以設計者為對象的ＣＡＥ講習會上，筆者經常故意丟出「為什麼要做模擬分析？」這個問題來問台下。然後，大多的場合會聽到「工作流程中規定要做ＣＡＥ模擬」或是「設計審核報告中有附加上模擬資料的義務」之類感覺是被迫要做的回答。
這就是設計者不明白ＣＡＥ是一種「被迫」的工作，甚至可以說沒有確實明白「ＣＡＥ的意義」所造成的結果。也可以說是推動ＣＡＥ相關單位的說明不足。
說來說去，還是得要確實理解「為什麼結構模擬分析是必要的？」這個問題的意義，才能真正站上「結構分析模擬」的起跑線上。這個意義也能拿來作為向公司爭取ＣＡＥ軟體預算的背景邏輯。
這次這篇也不說甚麼太技術理論的東西。反而是會提到和結構模擬分析沒甚麼關係的政府或股票模範公司的事情，可能會讓人覺得有點無聊。不過理解ＣＡＥ在工程上的地位，對於結構模擬工具預算申請或是去說服經營高層購買來說，是非常必要的一件事，就請大家耐著性子看下去吧。
先期開發的意義與方法
所謂的「先期開發（Front-Loading）」就是「提前（做事、預防）」的意思。聽起來是有點古風的名詞，我猜大家多少都應該聽過才對。（圖１）
圖１ 先期開發的前與後
上圖的橫軸表示的開發程序的時間軸。縱軸則是成本（資源）。成本包含了原材料以外，時間的換算費用也在其中。
為了說明先期開發的效果，在圖１中加上了兩條曲線。第一條曲線是表達「設計變更的容易程度」之概念。當設計製造程序越往下走，設計變更就會越來越困難。第二條曲線是表示「設計變更的花費成本」的概念。當設計製造程序越往下走，需要花費的設計變更成本就會越高。
隨著時間變化，產品問世之後就會出現必須要進行設計變更的場合。也就是所謂的「召回（Recall）」。召回產品的種類，從家電產品甚至到汽車都有。光是從電視播放拜託使用者回收產品進行修理、更換等等的廣告就可看出，其成本一定多到難以計量。
在圖１之中還畫了一條「設計作業量」的曲線。在企劃與基本設計階段，設計作業量還不算太多，越往詳細設計或試作評價階段走，設計作業量就會越來越多，而到達了頂峰。在頂峰最大量的附近，請思考看看如果發生了設計變更的需求，會發生甚麼事情？應該會發覺設計變更會變得困難到某種程度、而且要花的成本也不是小數目。
要設計變更很容易、設計變更成本很低，不用說也知道一定是在設計的初期階段才可能。如果能將設計作業量的頂峰往前移動，就能讓設計變更變得容易、需要的成本也能降低。
而先期開發，就是在最容易影響成本的時期，努力提高設計品質的階段。
以上到這裡為止，是在說明先期開發的道理。問題是「如何」實現先期開發呢？
在虛擬世界中進行試作、評價與驗證
先期開發，是把詳細設計階段中必須要進行的試作、性能評價實驗或動作驗證拉去設計的初期階段來作。這是因為在設計的初期階段進行設計變更是比較有利的（容易執行設計變更／成本也會比較低）。
問題就在於，「誰來做先期開發？」。如同圖１所示，設計者的負擔會有戲劇性般大量增加。就有點像是將設計者赤裸地丟入荒野之中。為了打破這種無情無理的狀況，必須要給予設計者和「先期開發」這樣的怪物戰鬥時應有的武器。
這個武器正是「模擬（Simulation）」。
圖２ 模擬與虛擬想像的效用
１．３Ｄ ＣＡＤ用來形狀的虛擬試作
３Ｄ ＣＡＤ在現在已經是設計的必須工具了。使用ＣＡＤ在虛擬世界中創造形狀，就可以稱為是「形狀的虛擬試作」。而且在ＣＡＤ中表現出形狀後，就能確認重量、重心位置與是否干涉等等重要訊息。
２．ＣＡＥ用來性能的虛擬評價
以３Ｄ模型為基礎，就能進行模擬分析。這個就是「性能的虛擬評價」。根據模擬分析的結果，也能確認變形、應力與振動頻率等重要資訊。
３．機構模擬分析用來動作的虛擬驗證
只要做好ＣＡＤ中的組合件模型，就能夠執行機構的模擬分析。這就是「動作的虛擬驗證」。根據機構的模擬分析結果，可以知道可動元件的速度或是連接街頭的反作用力。然後還可以根據這樣的資訊來推測出疲勞限度。
將３Ｄ ＣＡＤ也納入模擬的範疇中，也許會讓大家覺得不太自然，但如果將「模擬」擴大解釋為「虛擬執行ＯＯ」的話，應該就沒有問題。
在很多製造業的公司中，願意投資很多成本在３Ｄ ＣＡＤ與模擬分析軟體上，就是要給予身為勇者的設計工程師去面對名為先期開發的怪獸之武器。
這些武器組合起來更能發揮效果，成為組合絕招。
如果有了３Ｄ ＣＡＤ和ＣＡＥ，就能針對元件單體進行分析檢討。而有了３Ｄ ＣＡＤ和機構模擬分析軟體，就能進行組裝的性能分析檢討。而有了ＣＡＥ和機構模擬分析軟體，就可以檢討動作的性能。
藉著上述這些模擬行為，就讓原本必須要作出實體才能驗證的很多事情，在設計的初期階段就完成分析檢討。當然設計者還是需要擁有在設計檢討分析中不可或缺的素養。這些素養的質與量正是設計者的技術功力所在。為了進行模擬是需要很多不同的工具沒錯，但這些都是用來輔助設計者的設計能力而已。並不會促進設計能力向上進步，請不要誤解喔。
突然想到了筆者在結構模擬分析上的導師Ｔ先生。Ｔ先生還有一位曾在某大家電公司擔任ＣＡＥ專家的學生。而筆者就把這位學生稱為「ＣＡＥ仙人」。筆者不知道聽過多少次這位ＣＡＥ仙人的演講，他就有一段關於「設計」與「模擬分析」的本質說明非常精闢，這裡一起介紹出來：
「所謂的設計，指的是從形狀、強度、材料、公差等等各式各樣的資料中，有意識地決定出最佳的資料；至於模擬分析，就是提供這個有意識決定的理論、體系上之支持輔助手段。模擬分析應該作為設計上羅盤指針的功用來使用，並不是彌補設計者的設計能力欠缺之處」。
這話說得很嚴厲，但的確清楚地表達出在設計過程中模擬分析應有的功能。
甚麼是數位轉化（ＤＸ）？
筆者經常會去很多不同業界的製造業公司。最近換來的名片中常常看到一個令人注目的單位。就是「ＤＸ推進ＯＯ」（ＯＯ可能是部、課．．．）。
所謂的「ＤＸ」，是「Digital transformation（數位轉化）」的縮寫。ＤＸ是十五年前以上就開始提倡的概念。這個概念就是「企業要活用科技，讓事業的業績或對象範圍發生根本性的變化」這種有點抽象的精神。
既然是這麼久以前的概念，為什麼到現在才成為單位名稱而令人注目呢？其理由來自於日本政府的動作。
日本的經濟產業省，在２０１８年５月由有識者成立了一個「邁向數位轉化之研究會」。同一年也很快發表了ＤＸ相關的報告與指導書。而這些活動也以日本國家規模的程度持續擴大進行著。
這些ＤＸ活動是以２０２５年為努力的期限。因為２０２５年剛好是「昭和１００年」，為了避免很多在昭和時代做出來的很多基礎建設出現歸零重置（Reset）的問題，所以要加緊促進資訊產業進行基礎建設的更新。在２０２０年時有很多日本傳統手機出現了時鐘不會正確計時的問題，到了２０２５年說不定會出現企業等級的大規模相似症狀。
如果讀者們有去看過日本經濟產業省關於ＤＸ的資料的話，會有甚麼感想？筆者自己的印象是，這個活動是把ＤＸ擴及很大範圍、更加抽象的行為。而經濟產業省是很正式地規劃ＤＸ的計畫，甚至還和東京證券交易所共同挑選了認真推薦ＤＸ的企業成為「攻擊型ＩＴ經營模範公司」，並且公佈這些企業的名單。當然也舉辦了選定基準的說明會。由於這個政策會關係自己公司的股價，所以也讓企業經營高層關心起來，而在公司內設置了「ＤＸ推進組織」，目的就是給政府看到表現出認真推動ＤＸ政策的態度。
這個ＤＸ範圍很廣而且抽象，就筆者的調查範圍來看，目前還沒有甚麼決定性的ＤＸ具體案例，所以各企業、各單位也只能靠暗中摸索來推進這項活動。如果只是單純泛指資訊化（ＩＴ化）的話，製造業各企業已經進行了不少的投資，但顯然還需要再多花些心思才行。因為在這個ＤＸ政策中，ＩｏＴ、ＡＩ以及雲端都是關鍵字，而放在很重要的地位上。
由於ＤＸ的範圍很廣泛，３Ｄ ＣＡＤ或是ＣＡＥ可能僅僅算是其中的一小部分；但是對於製造業而言，這可以算是維持「生命線」的重要工具，一定會成為ＤＸ的領域之一。所以各企業應該掌握這個機會，徹底理解ＤＸ的意義，做好下一波新革命浪潮的準備。
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