解析シミュレーションソフト Femtet のご紹介ムラタソフトウェア株式会社 All Rights Reserved, Copyright c Murata Software Co., Ltd. 1

(1)

解析シミュレーションソフト

Femtet®のご紹介

(2)

解析機能のご紹介

メッシャ（Ｐｙｔｈａｇｏｒａｓ）

パラメトリック解析機能

解析規模について

１．電磁波（Ｈｅｒｔｚ）

２．磁界（Ｇａｕｓｓ）

３．電界（Ｃｏｕｌｏｍｂ）

４．応力（Ｇａｌｉｌｅｏ）

５．熱（Ｗａｔｔ）

６．圧電（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）

７．音波（Ｍａｃｈ）

高度な機能（マクロ、JMP連携）

(3)

【メッシャ】主な機能のご説明

オートメッシュ：

メッシュ分割は完全に自動化され、ボタン１つで三角形

または四面体メッシュを生成することができます。

部分的なメッシュサイズ設定：

任意に一部のメッシュを細かくすることもできます。

モデル定義を簡単にする機能として、自動ブーリアン、

自動接合、自動干渉除去機能を搭載しています。

例) アダプティブメッシュ（Ｈ法）

例) 自動接合

例) 自動ブーリアン

例) 部分的にメッシュサイズを変更

(4)

パラメトリック

解析実行

r

d

例）圧力ケースの穴形状を

条件振りしたい

（内径、高さ）

・・・

ｒ = 5、d = 9の時

変位量 5.1×10

-11

_[m]

ｒ = 7、d = 5の時

変位量 3.7×10

-10

_[m]

設定ダイアログでスイープ条件設定

抽出したい結果を設定しておき、csvファイルに出力が可能

パラメトリック解析（寸法）

(5)

(6)

1/7 【電磁波】

主な解析機能

以下のような解析を行うことができます

•２次元導波路解析

•３次元調和解析（Sパラ解析、指向性、放射効率、SAR）

•共振解析

•分布表示（電界、磁界、ポインティングベクトル等）

与えることができる条件には次のようなものがあります

•材料の周波数依存

•電気壁、磁気壁

•インピーダンス壁

•開放境界

•周期境界

•ＬＣＲ集中定数

(7)

電磁界Simulation結果

通過帯域内は±0.5dB以下

_実測

_Simulation

(8)

【電磁波】ノイズ解析

ノイズ特性・・・ノイズ源とRF回路のアイソレーション特性

インダクタを

横置き

インダクタを

縦置き

インダクタを置く向きによって

ノイズが大きく変化する

(9)

【電磁波】ノイズ解析

ノイズ特性・・・ノイズ源とRF回路のアイソレーション特性

ノイズ特性

インダクタを縦置きするほうが、3～16 dBノイズ特性がよい。

→対策として提案

インダクタを横置き

インダクタを縦置き

(10)

【電磁波】ノイズ解析

縦置きにしてノイズ混入量を抑制

ノイズ源

巻線インダクタ

改善前

改善後

アニメ

(11)

測定値

位置

-35 -30 -25 -20 -15 -10-5 00 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -35 -30 -25 -20 -15 -10-5 00 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

計算値

-35 -30 -25 -20 -15 -10-5 00 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

垂直

水平

【電磁波】チップ誘電体アンテナ

無限遠での指向性が計算可能、指向性の3次元表示も可能

(12)

2/7 【磁界】主な解析機能

以下のような解析を行うことができます

与えることができる条件には次のようなものがあります

•静解析（自己インダクタンス、相互インダクタンス）

•調和解析（インピーダンス、銅損、鉄損）

•（磁気力、トルク）

•分布表示（磁束密度分布、磁界分布）

•電気壁/磁気壁

•開放境界

•電流

•磁石

•非線形磁性体

•非線形磁石

(13)

(14)

(15)

磁界分布

インダクタンス計算結果（1MHz）

(16)

16 さまざまなタイプの磁石が扱えます。

極異方性

円中心方向

（ラジアル異方性）

回転方向

ボディ属性の[方向]タブ

【磁界】さまざまな磁石

(17)

【磁界】磁性体に働く力・トルク

吸引力 = 1.84[kN]

磁束密度

磁性体

磁石

モーターのトルク（瞬時値）の解析事例

(18)

磁場解析:鉄損の解析

磁場調和解析で鉄損（ジュール損失、ヒステリシス損失）の解析が可能

以下の損失定義方法に対応

・鉄損テーブル（磁束密度-損失密度）

・鉄損経験式（係数を指定）

磁場熱連成解析例題３「コイルの鉄損による発熱」

コア（鉄損に

より発熱）

コイル

(19)

3/7 【電界】

主な解析機能

•静解析（容量計算、抵抗計算）

•調和解析

•メッキ解析（メッキ厚、電流密度分布）

•誘電体に働く力

•分布表示（電界分布、電束密度分布、電流密度分布）

以下のような解析を行うことができます

与えることができる条件には次のようなものがあります

•電圧

•浮き電極

•開放境界

•メッキ境界（指数則、ターフェル則）

•電荷分布

(20)

【電界】コンデンサの容量計算

針電極

平面電極

空気

比誘電率1

(21)

【電界】電極の抵抗値

電極パターン

電流密度

(22)

― コイルの浮遊容量の求め方について－

22 解析方法

１．磁場解析例題８を用意

２．ソルバを電場解析（Coulomb）に変更

３．解析条件の設定を「調和解析」にし周波数1[kHz]を

設定。

４．電気壁の境界条件0[V],1[V]をポート位置に設定

５．計算実行

【電界】コイルの浮遊容量

(23)

23 導

体

1[V]

0[V]

誘電体

ポイントは導体内部にも電界が存在

している状態で容量を計算すること

コイル

内部の

電界

コイル

外側の

電界

【電界】コイルの浮遊容量

(24)

アノード

カソード

カソードの

めっき厚

電位分布

【電界】めっき解析機能

(25)

4/7 【応力】主な解析機能

•静解析（線形材料、大変形、接触）

•調和解析（周波数応答）

•座屈解析（線形）

•共振解析（共振周波数、共振モード）

•分布表示（応力分布、ひずみ分布、変位分布等）

以下のような解析を行うことができます

与えることができる条件には次のようなものがあります

•固定変位、強制変位

•集中荷重、分布荷重、圧力、遠心力

•熱荷重

•加速度

(26)

【応力】圧力容器の変形

デモ２枚の板の熱応力

MPa

変位と応力

1.3m

4 .0

m

肉厚10cm

材料SUS

10気圧

固定

(27)

温度を20℃⇒100℃

応力と変形

アルミナ

銅

モデリング

k

【応力】拘束されないモデルでの解析

(28)

【応力】生産設備の共振解析

40 cm

底面固定

ねじりモード

171Hz

曲げモード

128Hz

伸縮みモード

375Hz

(29)

コネクタの接触

アニメ

(30)

実測との誤差±

_15μm

SampleA

誤差

4.6→10.9um

誤差

-9.7→-8.8um

誤差

-0.2→8.9um

誤差

-10.2→-9.0um

SampleB

【応力】そり解析

(31)

5/7 【熱】主な解析機能

•定常解析

•過渡解析（非定常解析）

•分布表示（温度分布、熱流速分布）

以下のような解析を行うことができます

与えることができる条件には次のようなものがあります

•温度

•熱伝達

•強制対流（簡易流体解析とのリンク）

•自然対流

•輻射

•発熱量

•熱抵抗

(32)

強制対流

自然対流

輻射

熱伝導

【熱】さまざまな熱の移動

(33)

4 /

1

4 /

1 )

(

/

51 .

2 





_



C

L



h

面の向きによる係数

周囲の長さ

面積

:

4 C

L





上向：0.52

下向：0.26

横向：0.56

【熱】自然対流の理論式

(34)

フライパン

磁束

コイル

取っ手

誘導電流

_電流

【熱】 IHクッキングヒーター

(35)

誘導電流

温度分布

(36)

x

v

h



2 /

x

v

v：速度

ポテンシャル流れによる近似計算

x：流路長

【熱】強制対流の理論式

(37)

発熱体

ケース

基板

風

【熱】強制対流による熱解析

(38)

Femtet

最高温度 59.4℃

他社製ソフト

最高温度 57.2℃

計算時間 36秒

計算時間 4秒

【熱】強制対流による熱解析

(39)

ＴｃＭＡＸ

52.2℃

TbＭＡＸ

40.5℃

ＬchipＭＡＸ

47.4℃

LchipＭＡＸ

48.8℃

熱Simulation結果

消費電流[A]

0.6

2.0

3.0 実測[℃]

32.2 51.6 89.1

Simulation[℃]

32.8 52.2 88.7

誤差[℃]

-0.6 -0.6

0.4 誤差±1℃

【熱伝導】 RFモジュールの発熱

(40)

裏側

表側

電源系の基板での熱解析

トランスとチョークコイルは、多層基板にて構成

入出力ピン

トランス

コイル

【熱伝導】基板の熱解析

(41)

6/7 【圧電】主な解析機能

以下のような解析を行うことができます

•静解析（インピーダンス）

•調和解析（インピーダンス）

•共振解析（等価回路定数、Q値等）

•荷重状態での共振解析

•分布表示（応力分布、変位分布、電界分布など）

与えることができる条件には次のようなものがあります

•固定変位、強制変位

•集中荷重、圧力

•電圧、浮き電極

•加速度

(42)

【圧電】厚みすべり振動

P4材

(43)

【圧電】圧電モータ

金属

圧電体

sin(ωt)[V]

sin (ωt+π/3) [V]

sin (ωt+2π/3)[V]

sin (ωt+π)[V]

sin (ωt+4π/3)[V]

sin (ωt+5π/3)[V]

変形図

アニメ

(44)

7/7 【音波】主な解析機能

•調和解析

•放射インピーダンス解析

•指向性計算

•Rayleigh（圧電解析）との連成解析

•分布表示（音圧分布、粒子速度分布）

以下のような解析を行うことができます

与えることができる条件には次のようなものがあります

•外部駆動速度

•境界音圧

(45)

【音波】指向性の解析

モデル図

周波数-低

周波数-高

振動板

開放境界

周波数-中

(46)

MA40E8-2

+Horn

MA40E9-1

樹脂ｹｰｽ

ｾﾝｻ

(47)

弱

連成の問題点

・構造体が媒質から受ける力は考慮されない

・スピーカーの解析はできてもマイクの解析はできない

・媒質の抵抗による振動子のQ低下は解析できない

圧電・音波連成

基本パック

圧電・音波の

強

連成解析

2015.0

空気を無視して振動解析

振動を音源として音波解析

従来は圧電⇒音波の一方通行

(48)

圧電・音波連成

基本パック

圧電・音波の

強

連成解析

2015.0

ケース

キャビティ

圧電体

弱

連成

強

連成

音波がケースで遮断される

音波がケースを振動させ、外に漏れる

(49)

Curb

Ideal

detection

area

【音波】バックソナー用超音波センサ

解析モデル

（駆動周波数43kHz）

空気

圧電素子

金属ケース

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 角度音圧レベル[ dB] 水平(シミュレーション) 水平（実測）垂直（シミュレーション）垂直（実測）

水平

垂直

指向性計算結果

(50)

3次元分布（初期温度、発熱量など）

1次元の分布荷重

応力・圧電・熱解析

基本パック

分布をもった境界条件・ボディ属性

2015.0

2次元分布（温度、圧力など）

(51)

応力・圧電・熱解析

基本パック

対応している境界条件とボディ属性

2015.0

(52)

SCRYU/Tetraによる圧力分布

Femtetによる変形と変位量

5m/s

10m/s

応力・圧電・熱解析

基本パック

SCRYU/Tetraの圧力分布で変形の計算

2015.0

(53)

SCRYU/Tetraによる温度と流速

Femtetによる磁場の発熱分布

磁場解析

(54)

マクロを使った自動化例

－コイルの設計－

１寸法を入力

２．計算開始ボタンを押す

Femtet®起動

計算実行

３．計算結果をＥｘｃｅｌの

シートに貼り付け

デモ積層コンデンサの容量解析

(55)

統計解析

SAS社 JMP(2010.6～)

最適化

サイバネット社 Optimus(2011.10～)

フェライト材料

JFEフェライト(2010.10～)

Femtet

®

他システムとの連携

CADアドイン

SolidWorks/SpaceClaim

(56)

http://www.jmp.com/japan/index.shtml

統計解析ソフト JMP（SAS社）

(57)

モデルの作成

実験計画立案

シミュレーションの実行

解析

JMP-HOPE

注）JMP8で対応

Femtet

®

実験条件

結果

変数名

JMPとFemtet

®

とのリンク

(58)

Femtet

®

-JMP解析事例

― 静電容量のばらつき解析 ―

No 厚み幅静電容量 1 10 20 450 2 10 30 471 3 10 40 1091 4 20 20 1479 5 20 30 1200 6 20 40 1521 7 30 20 1110 8 30 30 530 9 30 40 551 主効果プロット静電容量 600 800 1000 1200 1400 1600 10 20 30 20 30 40 厚み幅交互作用プロット 400 800 1200 1600 静電容量 400 800 1200 1600 静電容量厚み 20 40 10 20 30 10 30 幅 20 30 40 厚み幅静電容量曲面プロット 400 600 800 1000 1200 1400 1600 予測式静電容量 102 9. 49 0 0 .2 50 .5 0 .7 5 1 満足度 0.990 384 10 20 30 25 厚みランダム正規平均標準偏差 25 2 20 30 40 33.20299 幅ランダム正規平均標準偏差 33.203 1 0 0 .2 5 ₀.5 0 .7 5 1 満足度予測式静電容量誤差なし応答繰り返し数: 5000 シミュレータ予測プロファイルプロファイル 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 平均標準偏差平均の標準誤差平均の上側95%信頼限界平均の下側95%信頼限界 N 25.013683 2.0047964 0.0283521 25.069265 24.9581 5000 モーメント厚み 29 30 31 32 33 34 35 36 37 平均標準偏差平均の標準誤差平均の上側95%信頼限界平均の下側95%信頼限界 N 33.192705 0.9907614 0.0140115 33.220174 33.165237 5000 モーメント幅 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 平均標準偏差平均の標準誤差平均の上側95%信頼限界平均の下側95%信頼限界 N 1003.0773 161.34895 2.2818187 1007.5507 998.60395 5000 モーメント予測式静電容量一変量の分布

①大きな水準範囲で因子を取り上げ、JMP-HOPEと

Femtet

®

の連携のシミュレーション実験を実施する。

②Femtet

®

のシミュレーション結果を実験計画法で解析して

、モデル化する。（JMP-HOPEの機能）

③そのモデルを用いて、因子の変動（ばらつき）をシミ

ュレーションし結果がどうなるのか分布を確認する。

5000個のデータをテー

ブルに保存させると、こ

のような分布として見れ

ます。

(59)

CADアドイン

59 SolidWorks に、Femtetアドインをインストールすると、

SolidWorksからFemtetへモデルの自動インポートができるようになりました

Femtetにモデルデータを

自動インポート

SolidWorks

Femtetアドイン

Femtet

(60)

【オプション】のご紹介

１、高速化オプション

２、応力拡張オプション

３、磁場拡張オプション

４、ＣＡＤトランスレータ

(61)

【高速化オプション】直接法

統合パック

基本パック

統合パック

基本パック

統合パック

基本パック

統合パック

基本パック

0:00:00 0:05:00 0:10:00 0:15:00 0:20:00 0:25:00 0:30:00 0 2 4 6 8 10 12 解析時間時：分：秒計算コア数 応力解析 - 時間 0:00:00 0:20:00 0:40:00 1:00:00 1:20:00 1:40:00 2:00:00 0 2 4 6 8 10 12 解析時間時：分：秒計算コア数

圧電解析 - 時間

0:00:00 0:10:00 0:20:00 0:30:00 0:40:00 0:50:00 1:00:00 1:10:00 1:20:00 0 2 4 6 8 10 12 解析時間時：分：秒計算コア数 電磁波解析 - 時間 0:00:00 0:05:00 0:10:00 0:15:00 0:20:00 0:25:00 0:30:00 0:35:00 0:40:00 0 2 4 6 8 10 12 解析時間時：分：秒計算コア数 音波解析 - 時間

(62)

反復法

シングルコア

マルチコア

電場解析①

（要素数９１万）

112

73 応力解析①

（要素数４７万）

2,190

1,278

応力解析②

（要素数１１０万）

7,086

4,024

音波解析①

（要素数１３０万）

1,084

558 音波解析②

（要素数３０９万）

3,818

1,423

求解時間（単位は秒）

CPU：

Xeon-E5-1620 Sundy-Bridge 3.6GHz

4コア

メモリ: 16GB

※ 直接法ではメモリ不足で計算できません

※

(63)

加重を印加

1.弾性変形

2.非弾性変形

(1) 弾塑性（金属）

(2) べき乗則クリープ（はんだ）

(3) 粘弾性（樹脂）

(4) 超弾性（ゴム）

加重を解放

弾塑性体カンチレバー

弾性体カンチレバー

【応力拡張オプション】材料の種類

オプション

機能

(64)

ひずみ-応力線図が

設定可能

・温度依存性にも対応

・塑性硬化則の選択にも対応

・クリープとの組み合わせにも対応

例題４０「弾塑性マルチリニア材料の変形解析」

【応力拡張オプション】弾塑性材料

(65)

●クリープ歪とは

●クリープ材料解析の内部処理

荷重増分

→つりあい方程式→変位増分

↓

クリープ歪分離、応力補正

増分が十分収束するまで反復計算

べき乗則によるクリープ歪（a0,a1,a2は定数）

クリープ歪は塑性歪と同じく非弾性歪であり応力には

寄与しません。クリープ材料では応力が非ゼロの場合、

時間の経過とともにクリープ歪が増大し、応力緩和の

要因となります。

クリープ材料

膨張係数5ppm

膨張係数10ppm

応力

時間

クリープ歪

温度を

25→85度へ上げて、そのまま放置

時間経過とともにクリープ歪が増大し反り減少

（カラーコンターは累積相当クリープ歪）

時間経過

さらに時間経過

e

C

_{= a}

₀

s

a

1 t

a

2 【応力拡張オプション】クリープ解析

(66)

66 応力解析のステップ解析で、疲労寿命を評価ます

NEW

①基準ステップ、最終ステップを設定し、

各要素の相当非弾性ひずみ振幅

Δε

_ne

を

求めます。

②マンソン・コフィン則係数を設定し、

相当非弾性ひずみ振幅

Δε

_ne

より

各要素の寿命Nfを求めます。





n ne f

C

N







マンソン・コフィン則

（ひずみから寿命を予測する経験則）

【応力拡張オプション】疲労寿命予測

(67)

67 はんだバンプの疲労寿命Nf分布

解析タイプ

フィールド値

はんだバンプの

相当非弾性ひずみ振幅

Δε

_ne

分布

NEW

【応力拡張オプション】疲労寿命予測

(68)

Tg以下（25℃）

：弾性体としての挙動を示す。（荷重を除くと元の形状に戻る）。

Tg以上（ 120℃）

：たわみ荷重をかけている間、粘性によるクリープ変形が発生する。

ポリスチレン（ガラス転移点Tg：48℃）を一定荷重でたわませたときの挙動

120℃解析終了時の変形

_{先端部の変位（たわみ量）の変化}

【応力拡張オプション】粘弾性

(69)

※三種類の材料試験（単軸引張試験、二軸均等引張試験、純粋せん断試験）データを元に、

各モデルの係数を算出する、カーブフィット機能が備わっています。

-6 -4 -2 0 2 4 6 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 公称応力 [M P a] 公称ひずみ 線形弾性体超弾性体(ネオフック)

以下の代表的な三種類の超弾性モデル

を

使用することができます。

モデルの種類

係数の数

特徴

ネオ・フック

1 ヤング率が分かれば簡

易的な計算が

できる

ムーニー・リブリン

1～9

ネオ・フックよりも大き

な変形を再現できる

オグデン

2～8

ムーニー・リブリンより

も大きな変形を再現で

きる

弾性体と超弾性体モデルの

違い

【応力拡張オプション】超弾性（ゴム）

(70)

接触面圧分布

例題59：O-リングの圧縮解析

応力 ZZ成

分

【応力拡張オプション】超弾性（ゴム）

(71)

材料DBにゴム材料の超弾性データが追加されました

提供元：有限会社ワイズロー

ド

 追加された材料DB

NR系ゴム（天然ゴム）/硬度3種

EPDM系ゴム（エチレンプロピレンゴム）/硬度3種

 超弾性モデル

ムーニー・リブリン（1次）C10,C01

※ヤング率のみ（ネオ・フックモデル）よりも

大きな変形に対応した解析が可能なモデルです。

_NEW

使用例：例題59：O-リングの面圧解析

【応力拡張オプション】超弾性（ゴム）

(72)

【応力拡張オプション】

動解析落下試験

コンクリー

ト

速度：５．４２２ｍ/ｓ

（１５０ｃｍ自由落下）

緩衝材

落下試験治具

基板

実験の撮影

アニメ

この例では床と平行にぶつかりますが、斜めにぶつかった

場合の摩擦係数の設定も可能です。

(73)

■Femtet

®

_{に、日立製作所製の磁場解析ソルバを組みこむことで、}

過渡解析ができるようになりました

■外部回路を含むモータ、発電機などの解析ができるようになりました

＜主な機能＞

・磁気飽和・渦電流を伴う

非線形過渡解析

・回転機解析、回転運動連成解析

・積層構造均質化法（電磁鋼板）

・外部回路との連成解析

・時間周期定常場高速解析

NEW

※回転機以外の磁場過渡解析（非線形材料を含む周波数の解析など）も可能です。

【磁場拡張オプション】

(74)

SPM

IPM

SPM（アウターロータ）

2次元同期モータ解析用モデルを３ステップで作成するツール

ＳＴＥＰ１：周波数、ロータ極数、ステータスロット数、材料（積層鋼板、磁石）をリストから選択

ＳＴＥＰ２：ステータ・ロータの寸法入力

ＳＴＥＰ３：コイル（Ｕ/V/W）の巻き方を決定

作成モデル例

【磁場拡張オプション】

(75)

【標準対応】

インポート



Parasolid®(x_t), DXF

TM

_(dxf)

エクスポート



Parasolid® (x_t), DXF

TM

_(dxf)

【CADトランスレータ】（オプション）

インポート



CATIA® V4(.model,.session 他)、CATIA® V5(.CATPart, .CATProduct 他)、CATIA® V6(.3DXML)



Creo

TM

_{, Pro/ENGINEER® (.asm, .neu, .prt, .xas, .xpr)}



JT (.jt)、SolidWorks® (.sldasm, .sldprt)、Solid Edge(.asm, .par, .pwd, .psm)



IGES(.igs, .iges)、STEP(.stp, .step)、STL (.stl)



PRC (.prc)、IFC (.ifc)、VDA-FS(.vda)、I-deas (.mf1, .arc, .unv, .pkg)、VRML (.wrl, .vrml)

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