2024.11.20 2026.05.03

有限要素法(FEM)のフリーソフトCalculixの使い方

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！

有限要素法（FEM）のフリーソフト Calculix を使って、片持ち梁のたわみを実際に計算してみましょう。PREおよびPOSTには Calculix 用のフリーソフト PrePoMax を使います。この記事では、形状インポートからメッシュ作成・材料設定・境界条件・荷重設定・計算実行・結果確認まで、一通りの操作を順番に解説します。

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. 今回扱う例題
2. PrePoMaxの操作の流れ
3. ①形状インポートと②要素分割
4. ③材料物性値の設定
5. ④計算条件の設定（境界条件・荷重）
- 境界条件（固定端）
- 荷重
6. ⑤計算実行と⑥結果の確認
まとめ

1. 今回扱う例題

例題として、片方の端部を固定壁に固定し、もう片方の端部に集中荷重を与えた 片持ち梁 のたわみを計算します。

片持ち梁の例題：形状・材料・荷重・理論解の一覧表 — 片持ち梁の例題。長さ 100 mm・断面 10×10 mm、縦弾性係数 200 GPa・ポアソン比 0.3、先端荷重 10 N。梁モデルの理論解（最大たわみ）は 0.02 mm。

項目	数値	単位
長さ	100	mm
高さ・幅	10	mm
縦弾性係数	200	GPa
ポアソン比	0.3	－
先端荷重	10	N
理論解（最大たわみ）	0.02	mm

2. PrePoMaxの操作の流れ

PrePoMaxを使った有限要素法解析は、次の6つのステップで行います。

PrePoMaxの操作6ステップ：インポート→要素分割→材料設定→計算条件設定→計算実行→結果表示 — PrePoMaxの操作の流れ。①形状インポート → ②要素分割 → ③材料物性値の設定 → ④計算条件（境界条件など）の設定 → ⑤計算実行（Calculix）→ ⑥結果の表示。

① 形状データのインポート：別のCADソフト（Blender・FreeCADなど）で作成した形状ファイルを読み込む
② 要素分割（メッシュ）：形状を有限要素に分割して計算空間上に表現する
③ 材料物性値の設定：縦弾性係数・ポアソン比などを入力する
④ 計算条件の設定：固定端の境界条件と荷重を割り当てる
⑤ 計算実行：Calculixで有限要素計算を行う
⑥ 結果の表示：変形図やカラーコンターで結果を確認する

3. ①形状インポートと②要素分割

PrePoMaxを起動し、「File → New」 でプロジェクトを作成します。単位系は mm・ton・s・℃ を選択します。次に 「File → Import」 で、別のCADソフト（Blender や FreeCAD など）で作成した形状データを読み込みます。

形状を読み込んだら、「Mesh → Meshing Parameters」 で要素の最大サイズを指定します。今回は「Max element size」を 2 mm に設定してから、「Mesh → Create Mesh」 を実行します。

PrePoMaxで要素分割（メッシュ）が完了した片持ち梁の3Dモデル — 要素分割が完了した状態。梁全体が細かい要素に分割され、左側メニューが「Geometry」から「FE Model」タブに自動的に切り替わる。

要素分割が終わると、画面左のタブが自動的に「FE Model」に切り替わります。形状確認に戻りたい場合は「Geometry」タブをクリックしてください。

4. ③材料物性値の設定

左側のメニューで 「Materials」をダブルクリック し、タイプとして 「Elastic」 を選択します。弾性体の物性値の入力欄が表示されるので、縦弾性係数とポアソン比を入力して「OK」を押します。

PrePoMaxの材料物性値入力画面：ヤング率200000 MPa、ポアソン比0.3 — 材料物性値の入力画面。縦弾性係数（Young’s modulus）に 200000 MPa（= 200 GPa）、ポアソン比（Poisson’s ratio）に 0.3 を入力する。

単位系を「mm・ton・s」に設定しているため、応力の単位は MPa になります。200 GPa = 200000 MPa として入力してください。続いて 「Sections」をダブルクリック し、Type が「Solid Section」であることを確認してから梁をクリックで選択し「OK」を押します。

5. ④計算条件の設定（境界条件・荷重）

「Steps」をダブルクリック して「Static step」を選択すると、境界条件（BCs）と荷重（Loads）が設定できるようになります。

境界条件（固定端）

「BCs」をダブルクリック → 「Fixed」 を選択し、梁を3Dビューで回転させて固定したい端面をクリックすると赤く表示されます。「OK」を押して固定端の境界条件を確定します。

PrePoMaxで梁の端面に固定境界条件（Fixed）を設定している画面 — 境界条件の設定。梁の端面を選択して「Fixed」を割り当てると、面が赤色で強調表示される。

荷重

「Loads」をダブルクリック → 「Surface traction」 を選択します。今回は先端面にZ方向（たわみ方向）の荷重をかけるので、F3 に 10 N を入力し、梁を回転させて荷重を与える端面を選択して「OK」を押します。

6. ⑤計算実行と⑥結果の確認

すべての設定が終わったら、「Analysis → Run」 を選択します。今回は単純な形状なので計算はほぼ一瞬で完了します。計算が正常に終了するとメッセージが表示されます。結果を見るには 「Results」 をクリックします。変形図とカラーコンター（変位の分布）が表示されます。

Calculixの計算結果：片持ち梁の変位コンター図。最大たわみ0.02006mm。 — 計算結果の表示。カラーバーの最大値（最大たわみ）は 0.02006 mm。梁モデルの理論解 0.02 mm とほぼ一致し、Calculixが正しく計算できることを確認できた。

薄く表示される形状が変形前の初期形状で、カラーコンターで示されるのが変形後の形状です。変形が分かりやすいように表示スケールが拡大されています。

まとめ

FEMフリーソフト Calculix と、その PRE/POST ツール PrePoMax を使って、片持ち梁のたわみ計算を実施した。
操作の流れは、①形状インポート → ②要素分割 → ③材料物性値の設定 → ④計算条件の設定 → ⑤計算実行 → ⑥結果確認の6ステップ。
縦弾性係数 200 GPa・ポアソン比 0.3・先端荷重 10 N の条件で計算した結果、最大たわみ 0.02006 mm を得た。梁モデルの理論解 0.02 mm とほぼ一致することを確認した。
今後は、より複雑な形状や非線形問題への応用を紹介する予定。

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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