2025.05.29 2026.05.03

無料の3次元CADソフトFreeCADのFEMワークベンチを使って、1つのソフトでモデル作成からFEM計算までを実施しよう！

zairiki

自宅で無料で使える有限要素法(FEM)

自宅パソコンで無料で有限要素法を使ってみたい人向け
有限要素法を使いこなして生活や仕事に活かそう！

今回は、無料の3次元CADソフト FreeCAD に搭載された FEMワークベンチ を使って、形状モデルの作成から要素分割・計算条件設定・FEM計算・結果表示まで、すべての作業をFreeCADだけで完結させる方法を紹介します。

この記事はYoutube動画で紹介した内容の概要です。詳細は動画をご覧ください。

Contents

1. 今回の例題
2. FreeCADで3D形状モデルを作成する
3. FEMワークベンチで材料物性値を設定する
4. 固定端と荷重を設定する
5. Gmeshで要素分割する
6. Calculixで計算して結果を確認する
まとめ

1. 今回の例題

今回は、片持ち梁を例題として使います。長さ 100 mm・高さ 10 mm・幅 10 mm の梁の一端を固定し、他端に 10 N の荷重を加えたときの変形を計算します。材料は縦弾性係数 200 GPa・ポアソン比 0.3 の弾性体です。材料力学モデルで求めた最大たわみは FL³/(3EI) = 0.02 mm で、FEM計算の結果と比較します。

今回の例題：長さ100mm・高さ10mm・幅10mmの片持ち梁。縦弾性係数200GPa・ポアソン比0.3・荷重10N。最大たわみの理論値はFL³/(3EI)=0.02mm。 — 今回の例題。片持ち梁の一端を固定し、他端に 10 N の荷重を加えた場合の変形を計算する。理論値による最大たわみは 0.02 mm。

2. FreeCADで3D形状モデルを作成する

まず「パラメトリックパーツ」ワークベンチで梁の3D形状を作成します。「ボディーを作成」→「スケッチを作成」でXY平面を選択 →四角形ツールで 100 mm × 10 mm の断面を描いて「閉じる」→押し出しマークを選択して 10 mm を入力。これで 100×10×10 mm の梁形状が完成します。作成後は「ファイル → 名前を付けて保存」でデータを保存しておきます。

FreeCAD 1.0.0のPart Designワークベンチで、XYスケッチの押し出しにより完成した100×10×10mmの梁の3D形状。 — FreeCADで作成した梁の3D形状。断面スケッチ（100×10 mm）を 10 mm 押し出して、100×10×10 mm の梁モデルが完成した。

3. FEMワークベンチで材料物性値を設定する

メニューのワークベンチ切り替え欄で「FEM」を選択すると、FEM用のメニューが現れます。材料設定アイコンをクリックし、あらかじめ用意されているプリセット材料の中から「CalculiXSteel.FCMat」を選択します。デフォルトのヤング率は 210 GPa ですが、今回の例題は 200 GPa なので、「このタスクパネルを使用」にチェックを入れて 200 GPa に変更し、「OK」を選択します。

FreeCAD FEMワークベンチの材料設定メニュー。CalculiXSteel.FCMatを選択し、ヤング率（縦弾性係数）を200.00GPaに変更している。ポアソン比は0.30のまま。 — FEMワークベンチでの材料物性値設定。「CalculiXSteel.FCMat」をベースに、ヤング率を 200 GPa に変更して OK を選択する。

4. 固定端と荷重を設定する

固定箇所は、固定拘束アイコンをクリック → 「追加」を選択 → 固定する端面をクリックして「OK」で設定します。荷重は、面荷重アイコンをクリック → 「追加」を選択 → 荷重をかける端面を選択 → 荷重の大きさを入力 → Z方向を向く辺を選択して「方向」をクリックしてZ方向に設定 → 「OK」で完了です。設定後は梁の左端（固定端）と右端（荷重点）に赤い印が表示されます。

FreeCAD FEMワークベンチで固定端（左端・赤い四角いマーク）と荷重（右端・赤い上向き矢印）が設定された梁の3D表示。 — 固定端と荷重の設定完了。梁の左端に固定拘束（赤い四角マーク）、右端に荷重（赤い矢印）が表示されている。

5. Gmeshで要素分割する

梁（Body）を選択すると、メニューバーに要素分割用のアイコンが表示されます。今回は Gmesh を選択し、最大要素サイズを 2.00 mm に設定して「適用」をクリックします。要素分割が完了したら「OK」を選択します。要素分割が終わると、画面に細かいメッシュが表示されます。

FreeCAD FEMワークベンチのGmeshによる要素分割完了画面。最大要素サイズ2.00mmで分割された梁が表示され、左端の固定拘束と右端の荷重矢印も確認できる。 — Gmeshによる要素分割完了。最大要素サイズ 2 mm で分割された梁のメッシュが表示される。固定端（左）と荷重（右）の設定も反映されている。

6. Calculixで計算して結果を確認する

計算実行アイコンをクリック →「Analysis」のツリーから「SolverCcxTools」をダブルクリック → 「.Inpファイルの書き出し」→「Calculixを実行」を選択します。「Calculix done without error!」のメッセージが表示されれば計算完了です。結果確認は「CCX_Results」をダブルクリック → 「変位Z」を選択すると、最大値 20.00 μm（= 0.02 mm） が表示されます。理論値の 0.02 mm とほぼ一致していることが確認できます。

FreeCAD FEMワークベンチの結果表示画面。「変位Z」を選択し、最小値-5.46nm・最大値20.00μm（=0.02mm）が表示されている。梁のカラーコンター図も表示されている。 — 計算結果の変位Z分布。最大値は 20.00 μm（= 0.02 mm）で、材料力学による理論値 0.02 mm とほぼ一致している。

まとめ

FreeCADのFEMワークベンチを使うと、形状モデル作成・要素分割・計算条件設定・結果表示をFreeCADだけで行える。FEMソルバのCalculixはFreeCADから直接呼び出す。
FreeCADで形状データを作成した後、メニューのワークベンチ切り替え欄で「FEM」を選択すると、FEM用のメニューが表れて材料設定や要素分割ができる。その後、Calculixを呼び出すことでFEM計算できる。
計算結果の最大変位 20.00 μm（= 0.02 mm）は、材料力学の理論値 0.02 mm とほぼ一致。FEM計算の妥当性を確認できた。

このチャンネルでは、材料力学を学んだり生活に役立てるための様々なコンテンツを用意しています。Youtubeではさらに詳しく解説していますので、ぜひあわせてご覧ください。

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