H28年 機械・機械設計 U−1−1問題 模範解答と解説

問題文

 機械や設備の故障率は時間とともに変わる。時間と故障率の関係を故障曲線と呼ぶ。故障率の定義を述べ、故障曲線の特徴を述べよ。

 


模範解答

(1)故障率の定義

 生産した製品の故障する確率として、以下の式で定義される。故障率=(故障した個数)÷(生産した個数)

(2)故障曲線の特徴

 故障率の時間経過を図に示すと、生産後の初期、中期、後期においてそれぞれ下降、水平、上昇するため、そのトレンド形状からバスタブカーブと呼ばれている。

@初期生産後は、故障率が高い。これは、製造ばらつきに起因する故障が発生することを示す。はんだ付けやねじ止めの不備等が検出され、次第に出尽くして減少する。高い信頼性が要求される部品では、初期故障除去として熱サイクル試験や振動試験を実施し、不良品が流出しないようにする。

A中期故障率が安定した状態である。一般の製品はこの状態で使用される。

B後期故障率が高くなる。これは、使用中の熱や振動のストレスにより、部品の一部が消耗することにより劣化が進行し、故障が増加するものである。時間と共に増加してやがて機能的に終末を迎える。

 


解説

 この問題は、故障率の定義とその特徴を問いかけるもので、バスタブカーブが思いつけは解答は難しくありません。用語の定義や原理を簡潔に表現すればOKです。

 技術士の問題では、どの様に答えるか、何を答えるかかは受験者の自由裁量に任されています。当研究所の指導ではどの様な場合でも、その問題の背景を考慮してベストに応えるように指導しております。このため1、2行の短い問題文であっても、出題者の意図を正しく捉えて的確な回答が可能です

H28年 機械・機械設計 U−1−4問題 模範解答と解説

問題文

 コンカレント・エンジニアリング・デザイン(同時進行設計)について説明し、その期待効果について述べよ。

 


模範解答

(1)コンカレントエンジニアリング

 デザインの概要製品開発において、製品への要求仕様を達成するための機能性能設計部門と製造に関する生産設計部門が集まり、3Dモデルや模型を使用しながら、製造上の課題や解決策を協議し、同時に設計を進めていく手法である。

(2)期待される効果

 開発初期段階で品質の作りこみを行うことができ、品質、コスト、納期のバランスの取れた製品が設計できる。効果として以下の3点を示す。

@開発期間の短縮 製品設計と同時に生産設計を行うため、従来のように設計完成後に生産設計を行う場合と比べて、早い段階で製造上の問題点が検出でき、設計の手戻りを防ぐことができる。

A生産性の向上 生産部門では製造上の課題が把握できるため、製造用の設備や治工具を導入することができるため、効率的な製造に向けて準備ができる。

B不具合防止 設計部門と生産部門にて、過去の不具合を参照して相互に設計の確認ができ、不具合の再発を防止できる。を同時に実施する。 


解説

 (1)はコンカレントエンジニアリングデザインの同時進行性について問われていますので、同時に設計を進めることの必要性やその方法論について説明します。

 (2)は期待される効果ですから、@開発期間の短縮、A生産性の向上、B不具合防止といった機能を表す言葉で3つを表現します。このように答案作成は出題者の意図に対して一つ一つ丁寧に答えていくことが肝要です。試験では出題者の意図に沿った答えが前提条件であり、逆にそうした意図を無視して解答すると、内容的に正しくとも、答えが解答でなくなってしまい極端な場合はC評価を受けることも稀ではありません。

H28年 機械・機械設計 U−2−1問題 模範解答と解説

問題文

近年「モデルベース開発手法」が注目されている。これは、設計段階において、システムの各部品を物理モデルで表し、さらにそれらを結合し計算機シミュレーションによって性能設計を進め、上流段階での品質を確保しようとするものである。あなたが責任者として、ある製品をモデルベースで開発を進めることになったとし、下記の内容について、記述せよ。

(1)開発する製品例を1つ挙げ、その技術的課題と、そこで用いる物理モデルを2つ挙げよ。

(2)(1)の2つの物理モデル計算によって確認されるであろう製品の性能や品質を述べよ。

(3)(1)の物理モデル計算によっても評価できない製品の性能や品質とその対策について述べよ。

 


模範解答

(1)開発する製品

 航空機に搭載する電子機器とする。形状は、信号処理や通信用の機能を有するプリント基板を、金属シャシに固定して構成される筐体である。プリント基板上にはIC等の電気部品が搭載されている。

(1-1)技術的課題

@航空機離着陸時の高い振動レベルに耐える強度を有すること。

A電子部品の発熱が放熱面で排熱され、部品の温度を使用基準温度以下に保てること。真空中であるため、伝導や輻射の熱伝達により排熱する。

(1-2)物理モデル

@剛性、強度設計用の構造解析モデル 各部の寸法形状とヤング率、ポアソン比、物質の密度等を入力する。ねじ止め部の拘束条件は、実機を参照して並進や回転の自由度を決める。

A熱設計用の熱解析モデル 各部の温度を算出するため、熱伝導率、熱容量、発熱部の位置、発熱量を入力する。ねじ締結面等の接触部での熱抵抗は、実験で検証した値を使用する。

(2)確認される製品の性能や品質

@構造解析モデル

 剛性設計として各部の固有振動数を算出して、他の機器と共振しないことを確認する。強度設計として、航空機離着陸時を想定し、シャシや電気部品のリード等に発生する応力を算出し、破損しないことを確認する。

A熱解析モデル

 使用環境における電気部品の最高温度を算出する。部品の使用基準温度以下であるか判定し、使用寿命を算出する。また、各部の温度差によって生じる変形や応力を算出し、はんだ付け部の疲労寿命を算出する。

(3)評価できない製品の性能や品質と対策

 錆や腐食等の化学的な変化による性能低下や損傷については、評価できない。これについては、コーティングや塗装で保護するとともに、サンプルでの代替実験により使用可能な期間を評価する。

 


解説

 「モデルベース開発手法」に関する応用問題です。問題の前提条件として

  1. 計算機シミュレーションによる性能設計
  2. 上流段階での品質を確保する
  3. 責任者として開発を進める
  4. ある具体的な製品を前提にモデルベース開発設計を行う

といった条件が与えられます。

 1〜3の問いの解答を、上記前提条件に沿って行うため、最初に骨子を書いてストーリーをチェックします。自分で書いて自分で修正する、こうした修正活動によって合格率が高まります。当講座の指導ではこの様な練習を添削のたびごとに行っています。

H28年 機械・機械設計 V-1問題 模範解答と解説

問題文

失敗学」では、起こってしまった失敗に対し、物理的・人為的な直接原因と、背景・環境・組織を含む根本原因を究明する。それらの原因分析から教訓を得て、同じような失敗を繰り返さないように対策を講じる。また、得られた知識を社内の他部門や公共に対して公開することで水平展開をはかる。すなわち@原因究明、A失敗防止、B知識配布が「失敗学」の核となる。既存製品に不具合が発生し、あなたが原因究明と再発防止の責任者であるとして、次の設問に答えよ。

(1)強度不足など製品不具合の直接原因の例を1つ挙げ、それに至る根本原因として考えられるものを多面的に述べよ。

(2)(1)で述べた根本原因のうち、あなたが重要と考えるものを1つ挙げ、再発防止を図るための提案を示せ。

(3)(2)の提案だけでは、防止しきれないリスクあるいは限界について説明せよ。

 


模範解答 (簡易答案形式)

 

(1)製品不具合の直接原因とそれに至る根本原因

 製品不具合の直接原因:自動車搭載電子機器の筐体が走行時の振動にて破損。振動入力により金属シャシ部に発生した応力が、素材の強度を上回ったことによる。「シャシの強度不足」が直接原因。

根本原因@:構造設計時のCAE構造解析において、筐体結合部のモデルが現実の部品の脆弱部を表現できないか、または発生する応力を過小に評価する。

根本原因A:材料強度データの取得法に誤りがあり、実力より高い強度を有すると計測し、その強度で設計した。

根本原因B:コスト削減、軽量化のため、板厚を極限まで薄くした結果、製品のばらつきの範囲が大きくなり、部材によっては厚さが不十分となり強度が不足

(2)重要な根本原因と再発防止の提案

 重要な根本原因:CAE構造解析のモデル化不備による発生応力の見積もり誤り

再発防止:@実機での試験データを元に、筐体結合部を含めた解析モデルを検証しどこが脆弱部となるか把握して、そうした問題箇所を正確にモデルをベースとして解析を行い、設計に反映する。

A材料力学、振動工学の公式に基づく理論計算により、CAE解析結果が非現実的でないか妥当性の確認を行う。

B一体成形を採用し結合部をなくす設計とし、解析と合致しやすい構造を採用する。

(3)防止しきれないリスク

@FEM解析において、要素分割サイズや要素の種類の設定によりに応力が過少に算出され、実際の製品では素材強度を上回る応力が発生し、破損につながる。

Aねじ止め、接着等の組立状態のばらつきにより、振動共振時の応答倍率が大きくなり、過大な応答が発生し、製品の破損につながる。

B設計者の勘違い、計算ミスにより応力計算値が実際より低く算出され、破損。

 

 


解説

 この問題は、失敗学を題材としてその適用方法を活用法と限界を探る関する問題です。問1では強度不足を取り上げ具体例を1つ挙げて根本原因を多面的に分析することを求めています。技術士V問題での一般的傾向ですが、まず最初に分析を行い対象とするケースを特定する問題形式となっています。具体的な事例を特定すると、それ以降は一般的見識では答えることが出来なくなり、個別の応用力が試されるということです。

 問2では、問1で述べた根本原因のうち重要と考えるものを1つ選んで再発防止柵を考えるというものです。ここで正解するためには都市で根本原因を正しく分析しておく必要があります。上記模範解答の(2)@は(1)で述べた根本原因に対応しています。Bの接合部をなくすという対策も弱点を意識したものであり根本原因につながるものであると考えられます。

 一方、Aは材料力学、振動工学の公式に基づいて検討するとありますが、これは予測式の基本的なエックに過ぎず、(1)で問題視していることの解決には直接的には対応していません。本来はこうした事までチェックして解答内容が一貫性があるようにまとめなければなりません。

 問3では、防止しきれないリスクあるいは限界について問われており、これは(2)で提案した内容についての反省や評価を求めていると捉えていいと思います。すなわち技術士の提案は問題点を解決するだけではなく、それによって発生する新たな影響や問題についてもリスクマネージメントをしなければならないという責任を負うことを意味しています。なぜこのような問いが行われるのかそれはかつてトンネル天井が崩落事故に見られたような建設時点で思いもよらないリスクが存在することを目の当たりにしたからです技術士はこうした一般的な市民や管理者では予見不可能なリスクまで予測しなければならないと言う責務を表しています。

 そして、このような問題として問われる理由は普段そのようなリスクを意識して対処している、すなわち技術士としての使命感を持ってリスクマネジメントに当たっているか、ということが問われているわけです。文部科学省としては具体的にそのような場面を設定して、念入りに技術士にふさわしい使命感を試していることになります。このようにコンピテンシーの試験では、答えを直接的に求めるとは限らず、出題者の意図を読みとれなければ回答が不適切になってしまう危険性もあり注意を要します。当研究所ではこうした出題者の意図を的確に捉えるように毎回音声ガイドによる解説を行っております。