CFRP（炭素繊維強化プラスチック）設計の完全ガイド：CAE解析と積層最適化による軽量化の実現

「鉄やアルミよりも軽く、そして強い」――夢の材料として航空宇宙から自動車、スポーツ用品まで幅広く普及が進むCFRP（炭素繊維強化プラスチック）。

しかし、いざ自社の製品を金属からCFRPに置き換えようとした設計者は、必ずと言っていいほど「厚くて、高くて、ちっとも軽くならない」という巨大な壁にぶつかります。金属部品の設計ノウハウをそのままCFRPに適用しようとすると、複合材の真のポテンシャルは引き出せず、ただの「ブラック・アルミ（黒い高価なだけの金属代替品）」が完成してしまうのです。

本ページでは、金属設計とCFRP設計の決定的な違い（異方性の壁）を紐解きながら、設計者の勘と手作業による試行錯誤を終わらせるための「シミュレーション（CAE）主導の積層最適化プロセス」を徹底解説します。

F1などモータースポーツの最前線で培われたGRM Consultingの最適化技術（OptiAssist）を用いて、いかにして「机上の空論ではない、確実に製造できて極限まで軽いCFRP部品」を設計するのか。その実践的なアプローチの全貌をご覧ください。

【なぜCFRPの設計は難しいのか？（金属材料との違いと「異方性」の壁）】

「鉄やアルミの部品を、そのままCFRP（炭素繊維強化プラスチック）に置き換えれば軽く・強くなる」――もしそう考えているなら、設計は確実に行き詰まります。CFRPの設計が難しい最大の理由は、「金属材料の常識が一切通用しない」ことにあります。

ここでは、CAEエンジニアや設計者が直面する「CFRP特有の壁」をAC（オートクレーブ）工法での製品設計を題材に解説します。

1. 「異方性」と絶望的な設計変数の多さ

金属がどの方向から引っ張られても同じ強さを持つ「等方性材料」であるのに対し、CFRPは繊維の方向にしか強度を発揮しない「異方性材料」です。面内方向（X・Y）の強度はコントロールできても、面外方向（Z方向・厚み方向）には樹脂の強度しかなく、層間剥離（デラミネーション）を起こしやすいという弱点があります。もちろん、面内方向でも繊維の向きにより強度/剛性は変化します。

さらに設計者を悩ませるのが、「設計変数の爆発」です。金属部品なら「板厚」と「材質」を決めるだけで済みますが、CFRPの場合は以下の要素をすべて決定しなければなりません。

• プライ（層）の数と積層順序
• 各層の繊維配向角（0°、45°、90°など）
• 材料の選択（UD材、クロス材など）
• サンドイッチ構造にする場合のコア材（ハニカムや発泡材）の厚みと材質

これらを人間の直感や手計算（Excel等）で組み合わせようとすると、途方もない試行錯誤が必要になります。

2. 「降伏点」が存在しない脆性破壊の恐怖

金属材料の設計では、応力が「降伏点」を超えても、材料が伸びて粘る（塑性変形する）ため、即座に破断することはありません。しかし、CFRPにはこの降伏点がありません。

応力-ひずみ線図は弾性域のまま直線的に上昇し、限界に達した瞬間に前触れもなく「バキッ」と一気に破壊（脆性破壊）します。そのため、金属部品と同じ「安全率」の考え方で設計すると、思わぬ入力で致命的な破損を招く危険性があります。

3. 溶接不可・穴あけ厳禁？「接合」の難しさ

CFRPは溶接ができません。そのため、他部品との接合には「ボルト・リベット締結」か「構造用接着」を用いることになりますが、ここにも大きな罠が潜んでいます。

ボルトやリベットを通すために「穴をあける」という行為は、荷重を支える炭素繊維を物理的に分断してしまうことを意味します。穴の周囲には極端な応力集中が発生し、そこからマイクロクラックが進展して疲労破壊の起点となります。

では接着なら万全かというと、そうではありません。金属インサートなどを接着する場合、「線膨張係数の違い」が問題になります。CFRPは熱膨張がほぼゼロ（あるいはマイナス）であるのに対し、金属は温度変化で伸縮するため接着部は残留応力の影響を受ける場合があり、金属インサートの接着がポロリと剥がれ落ちてしまうトラブルが頻発します。また、接着は剥離方向に弱いということも忘れてはならない注意事項です。

高い軸力が求められるボルト締結部には、適切なインサート（コア）の使用など、様々な工夫が必要になります。

4. 「軽い」が故のジレンマ（NVへの悪影響）

最後に、忘れられがちなのがNV（騒音・振動）への影響です。質量則により、部品が軽く・硬くなるほど、高周波の振動や音を透過しやすくなります。「金属部品をCFRPに変えて軽量化に成功したが、車内（あるいは装置周辺）がとてつもなくうるさくなった」というのは、軽量化設計における典型的な失敗例です。

例えば、車両のモノコックを丸ごとCFRPに置き換えた場合、適切な配置/質量の防振材が必要になります。

【CFRP設計を成功に導く3つのポイント（繊維配向、積層順序、製造要件）】

金属とは異なる「異方性」を持つCFRPを使いこなし、極限の軽量化と高剛性を両立させるためには、以下の3つのポイントを最適化する必要があります。

1. 荷重経路に合わせた「繊維配向」の最適化

CFRP設計の基本にして最大のコツは、「荷重がかかる方向（主応力方向）に沿って炭素繊維を配置する」ことです。

すべての方向に均等に繊維を並べる（擬似等方性積層）のは、安全ではありますがCFRPのポテンシャルを半分も引き出せていません。無駄な方向の繊維を削り、応力が集中する方向に0°（長手方向）や±45°（せん断・ねじり方向）のプライを集中させることで、初めて「金属より圧倒的に軽く、強い」構造が生まれます。どこに・どの角度の繊維が必要かを見極める「主応力線の把握」が設計の第一歩です。

2. 反りや剥離を防ぐ「積層順序」のコントロール

必要な繊維の角度と枚数が決まっても、それを「どの順番で重ねるか」によって性能は変化します。

• 反り（熱変形）の防止：硬化時の熱収縮による反りを防ぐため、基本的には厚み方向の中心面に対して対称になるよう積層する「対称積層」がセオリーです。
• 曲げ・ねじり剛性の最大化：曲げ応力は部材の表面（外側）で最大になるため、外層に0°層を配置して曲げ剛性を稼ぎ、内側に±45°層を配置してねじり剛性を確保するといった戦略が必要です。
• 層間剥離（デラミネーション）の防止：繊維方向の角度差が大きすぎる（例：0°の隣にいきなり90°を置く）と、層間にせん断応力が発生して剥離の起点になります。角度変化を段階的にする（0° → 45° → 90°）などの工夫が求められます。

3. CAE上の理想を現実に落とし込む「製造要件」

どんなにCAE（シミュレーション）で完璧な積層構成を計算できても、「実際に工場で作れない（型に貼り込めない）」のでは意味がありません。

• ドレープ性（賦形性）：複雑な3次元曲面に対して、シワや破れなくプリプレグ（シート）を貼り込めるか。
• 型の制約と抜き勾配：アンダーカットがないか、脱型できるか。
• 製造コストとタクトタイム：プライ数を減らせないか、レイアップ工程を簡略化できないか。

真のCFRP設計とは、力学的な理想を追求しつつ、こうした「製造の現実（マニュファクチャリング制約）」を同時にクリアすることです。

実践事例：これらを極限まで最適化した「Slit Chair」

では、これら「配向」「積層順序」「製造要件」という複雑に絡み合う要素を、実際にどうやって同時に最適化するのか？

その答えが、最適化アルゴリズム（CAE）の活用です。人間の勘や手作業では不可能な膨大な組み合わせを、ソフトウェアが自動計算で導き出します。

弊社の解析事例であるCFRP製「Slit Chair」のプロジェクトでは、OptiAssistを活用したトポロジー最適化と積層最適化により、初期重量から「約50%の大幅な軽量化」と「変位量（たわみ）の最小化」を見事に両立させています。この驚異的なアプローチの全貌は、ぜひ以下のリンクからご覧ください。

CFRP最適化の真髄「Slit Chair」の解析事例を見る（別タブで開きます）

【GRMが提案する「シミュレーション（CAE）主導」のCFRP設計プロセス】

CFRPのポテンシャルを最大限に引き出すためには、設計プロセスの「根底からの見直し」が必要です。これまでの金属部品と同じアプローチでは、決して最適な複合材製品は生まれません。

従来の手作業（勘と経験）による設計の限界

これまで多くの設計現場では、CFRPの複雑な変数を前にして、以下のような「手作業・経験則ベース」の設計が行われてきました。

• 過剰な「擬似等方性」への依存：繊維方向を考えるのが難しいため、とりあえず全方向に均等に繊維を配置（0°/45°/-45°/90°）して安全を担保する。
• Excelによる簡易計算：単純な平板の積層理論計算はできても、複雑な3次元曲面を持つ実際の製品形状には適用できない。
• 物理プロトタイプによる「現物合わせ」の試行錯誤：とりあえず試作品を作り、壊れたら層を増やして補強するモグラ叩き状態。

この結果生まれるのが、業界で揶揄される「ブラック・アルミ」です。安全を見越して層を厚くしすぎた結果、「アルミと同じくらいの重さで、価格だけが異様に高い黒い部品」が完成してしまいます。これではCFRPを採用した意味が全くありません。

CAE主導設計（Simulation-Driven Design）の圧倒的優位性

この「手作業による限界と妥協」を打ち破るのが、GRM Consultingが提唱する「シミュレーション（CAE）主導」の設計プロセスです。

しかし、これは「ボタン一つで製造可能なデータが自動生成される」といった夢物語ではありません。真のCAE主導設計とは、解析エンジニアと製造現場が密接に連携し、「机上の空論」を「確実に造れる究極の製品」へと昇華させる実践的なプロセスです。

GRMでは、以下のような一気通貫のワークフローで最適化を実現しています。

1. コンセプト最適化と現場のすり合わせ ：
   まずはCAEで初期の積層最適化を実行して「理想の配向とプライ形状」のアタリをつけます。その結果をもとに製造現場と協議し、現実的な「型割り」や「プリフォーム形状」を仮決めします。
2. ドレープ（賦形）解析による実現性の検証：
   仮決めしたプライが、複雑な3次元曲面の型にシワや折れなく貼り込めるかをドレーピングシミュレーションで検証します。カット（ダーツ）が必要な位置を正確に割り出し、再度現場と擦り合わせを行います。
3. 製造要件を組み込んだ「最終・積層最適化」：
   現場の裏付けが取れた「現実的なプライ形状」を用いて、再度最適化を実行します。ここでは、応力集中を防ぐためのプライ端部の段差処理（スタッガー／厚み徐変）といった細かな製造要件も考慮し、最終確認解析を行います。
4. 製造ラインへ直結するデータ出力（プライブック生成）：
   最適化が完了したラミネート構成から、現場作業用の「プライブック（積層指示書）」を作成します。3DビューアやSTLデータでプライの正確な貼り付け位置を確認できるだけでなく、カッティングプロッターでそのまま裁断できるDXFデータ（フラットパターン）まで出力可能です。

CAEを単なる「検証ツール（答え合わせ）」として使うのではなく、「現場と対話しながら形を創り出し、そのままカッターの刃と職人の手に直結させるツール」として活用する。これにより、従来のモグラ叩きのような試行錯誤をなくし、開発期間の大幅な短縮と極限の軽量化を同時に達成するのです。

【 ツール紹介：OptiAssistによる積層最適化とは？】

CFRPの積層最適化は、設定すべき設計変数が天文学的な数にのぼります。一般的な解析ツールの標準機能で行うと、テキスト（Deckファイル）の直接編集などが必要になり、設定作業だけでエンジニアが疲弊してしまいます。

そこでGRMが開発したのが、積層最適化に特化したソフトウェア「OptiAssist（オプティアシスト）」シリーズです。これは「積層最適化のプロエンジニア自身が、自分たちの業務を効率化するために作ったソフト」であり、複雑な最適化設定を直感的かつ超高速に行えるのが最大の特徴です。

現在、お客様の設計・解析環境に合わせて、以下の3つのシリーズを展開しています。

1. OptiAssist for Genesis（オールインワンのフラッグシップモデル）

長年にわたり、ほぼすべてのF1チームや、国内外自動車メーカー、国内外レース車両メーカーの複合材設計を支え続けてきた、OptiAssistの主戦力とも言えるパッケージです。

• 特徴: 世界最高峰の最適化ソルバー「GENESIS」の専用プラグインとして動作します。
• 圧倒的な機能性: 非常に高速で高品質な最適化結果が得られるだけでなく、「ドレーピング（賦形）シミュレーション機能」と、製造現場に直結する「プライブック（積層指示書）作成機能」を標準搭載。これ一つで、解析から製造データ出力までを一気通貫で行える最強の環境を提供します。

2. OptiAssist for Simcenter 3D（統合環境向けモデル）

Siemens社の「Simcenter 3D」をメインプラットフォームとして活用されている企業向けのプラグインソフトです。

• 特徴: 最適化ソルバーにはNastran（SOL200等）を使用し、Simcenter 3DのUIに完全に統合されています。
• シームレスな連携: 使い慣れたSimcenter 3Dの画面上で、OptiAssist特有の「超簡単な最適化設定」を利用できるのが最大のメリットです。（※ドレーピング等はSimcenter 3D側の標準機能に依存するシンプルな構成となっています）

3. OptiAssist for Abaqus（Abaqus環境モデル）

そして現在、最前線のF1チームの多くが採用しているのが、Abaqus向けの最新パッケージです。

• 極限の最適化特化: ドレーピングやプライブック作成機能はあえてCAD側（CATIA等）に任せ、機能を「最適化計算」のみに極限まで絞り込むことで、モータースポーツ最前線の要求に応えるシビアな解析を実現しています。
• 特徴: Abaqusの強力な非線形解析と連携するためのスタンドアローンプリポストであり、最大の特徴は「最適化ソルバーそのものがGRMのオリジナル開発」である点です。

【CFRP設計・解析の事例紹介】