CAESAR II

1. はじめに：CAESAR IIとは何か？

1.1. CAESAR IIの紹介

CAESAR IIとは、「配管システムの安全性と信頼性を確保するための、高度な応力解析専門ツール」です。

プラントや工場で使われる配管は、単に流体を運ぶだけではありません。運転中は高温・高圧の流体によって熱で伸び縮みしたり、地震の際には複雑に揺れたりします。こうした目に見えない内部の「力（応力）」が配管にどのような影響を与えるかをコンピューター上でシミュレーションし、設計が安全であるかを事前に検証します。この「応力」という概念は、例えばペーパークリップを何度も折り曲げる動作に似ています。数回曲げただけでは何ともありませんが、金属の内部では目に見えない応力が蓄積し、やがては破損に至ります。CAESAR IIは、配管やそれに接続されるポンプやタンクといった高価な機器が、このような見えない力によって破損しないことを確認するために、配管設計エンジニアにとって不可欠なソフトウェアです。

1.2. なぜ配管の応力解析が重要なのか？

応力解析の究極の目的は、「プラントの安全な運転を保証し、ASME B31.3などの国際的な配管規格を遵守するため」です。

もし応力解析を怠り、設計に問題があった場合、次のような深刻なリスクが発生する可能性があります。

配管の破損：過大な力がかかることで配管に亀裂が入ったり、破断したりします。内部の流体が危険物であれば、火災や爆発、環境汚染といった大事故につながります。
接続機器の故障：配管の伸び縮みが吸収できず、ポンプやタービンといった接続機器に想定外の力がかかり、故障や破損を引き起こします。

これらのリスクを未然に防ぎ、人命や環境、そしてプラントという巨大な資産を守るために、応力解析は極めて重要な工程なのです。

1.3. CAESAR IIを使った一般的なワークフロー

配管応力解析の作業は、どのエンジニアも必ず通る、以下の3つのコアプロセスで進められます。

モデル作成：まず、解析したい配管システムの正確なデジタルツインを構築します。配管の形状、寸法、材質、内部の流体の温度・圧力といった条件をソフトウェアに入力します。
解析実行：次に、運転中に配管にかかる様々な力（自重、熱、圧力、地震など）を想定した「荷重ケース」を設定し、計算を実行します。これにより、配管の各部分にどのくらいの応力が発生し、どのように変形するかが計算されます。
結果評価：最後に、計算結果をレポートや3Dグラフィックで確認します。発生する応力が規格の許容値内に収まっているか、変形量が問題ない範囲かなどを評価し、設計が安全で妥当であるかを判断します。

この文書では、この流れに沿ってCAESAR IIの主要な機能を紐解いていきます。

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2. デジタルモデルの構築：配管システムの入力

2.1. 解析モデルの基本

CAESAR IIでのモデル作成は、まずデカルト座標系（Cartesian coordinate system）Y軸が鉛直方向を示す全体座標系が採用されていますが、プロジェクトの基準によってはZ軸を鉛直に変更することも可能です。

この座標系に基づき、解析対象の配管システムを、まるでExcelのような**スプレッドシート形式（リスト入力）**で作成していきます。配管の始点（From節点）と終点（To節点）を定義し、その間のX, Y, Z方向の寸法（DX, DY, DZ）や、配管の外径、肉厚、材質といった特性を一行ずつ入力することで、3Dモデルを構築します。

この一見地道な作業を効率化するため、CAESAR IIには多くの便利な機能が備わっています。

リスト入力での置換（Find/Replace）：特定の数値を一括で変更したい場合に非常に役立ちます。例えば、多数設置したサポートの摩擦係数を0.3から0.4へ一括で更新する、といった作業が数秒で完了します。
ブロック操作：モデルの一部をまとめて移動したり、追加や削除で不揃いになった節点番号をきれいに振り直したり（リナンバー）することができます。これは、作成途中で要素を追加・削除して番号が不揃いになり可読性が低くなった場合に、節点番号を振り直してモデルの明瞭さを回復させるのに特に便利です。

2.2. 3D CADモデルとの連携

現代の設計プロセスでは、CAESAR IIを単独で使うだけでなく、CADWorxやIntergraph Smart 3Dといった3D CADソフトウェアと連携するのが一般的です。

この連携の最大のメリットは、「3Dモデルから配管データを直接インポートすることで、モデル作成の手間を大幅に削減し、入力ミスを防げる点」にあります。CADで詳細に設計された配管形状やサポート位置の情報を、ボタン一つでCAESAR IIの解析モデルに変換できるため、設計プロセス全体が劇的にスピードアップします。

次に、静的解析の基本となる様々な「力」について見ていきましょう。

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3. 静的解析：定常的な力の影響を読み解く

3.1. 静的解析とは？

静的解析とは、運転中、常に配管にかかり続ける、時間的に変化しない力の影響を調べる解析です。

プラントが安定して稼働している状態を想定し、そのときに配管が安全かどうかを評価します。

3.2. 主な静的荷重の種類

配管設計で必ず考慮しなければならない、最も重要な3つの静적荷重は以下の通りです。

自重 (Weight): 配管そのものや、内部を満たす流体の重さです。非常に単純な力ですが、配管が垂れ下がらないように支える**サポート（支持装置）**の適切な配置や強度を決定するために不可欠な要素です。
圧力 (Pressure): 配管の内部を流れる流体が、管を内側から風船のように押し広げようとする力です。この力に耐えられるよう、配管の肉厚が十分に確保されている必要があります。
熱膨張 (Thermal Expansion): 静的解析において最も重要な要素の一つです。配管は、高温の流体が流れれば金属が膨張して「伸び」、運転を停止して冷えれば「縮み」ます。この動きをうまく吸収できない設計になっていると、配管自体や、それが接続されている高価な機器に巨大な力がかかり、破損の直接的な原因となります。CAESAR IIは、この熱膨張による動きを吸収するための「ループ」と呼ばれる配管の"遊び"部分の形状を最適化するなど、設計者を強力に支援します。

3.3. その他の荷重と「荷重ケース」

CAESAR IIは、上記の基本的な荷重に加え、風（Wind）、積雪（Snow）、地震（Earthquake）、**地盤沈下（Settlement）**といった、プラントが設置される環境特有の要因も静的荷重として考慮することができます。風荷重はASCE #7などの規格に準拠した計算モジュールで、積雪荷重は分布荷重として入力することで、詳細な評価が可能です。地震については、静的震度法を用いて慣性力を静的な力としてモデルに与えることができます。

「荷重ケース」とは、実際のプラントの状態をシミュレートするために、これらの様々な基本荷重（W:自重、T1:温度、P1:圧力など）を組み合わせたものです。CAESAR IIでは、これらの組み合わせにOPE（運転状態）、SUS（持続荷重）、**EXP（熱膨張）**といった応力タイプを定義し、規格に基づいた評価を行います。例えば、L1: W+T1+P1 (OPE)は通常の運転状態を、L2: W+P1 (SUS)は自重と圧力による持続的な力を評価するケースを意味します。これにより、最も厳しい条件でも配管が安全であることを確認できます。

では、次に、地震の揺れや急なバルブ操作など、瞬間的に発生する力に対する解析を見ていきましょう。

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4. 動的解析：衝撃と振動に備える

4.1. 動的解析とは？

静的解析が「じわっとかかり続ける力」を対象とするのに対し、動的解析は「ドカンと瞬間的にかかる力」を扱います。両者の違いは以下の通りです。

解析の種類

対象とする力

具体的な例

静的解析

時間と共に変化しない、一定の力

自重、熱膨張、一定の内圧

動的解析

短時間で急激に変化する、衝撃的な力

地震、水撃（ウォーターハンマー）、安全弁の噴出

4.2. 動的解析で扱う主な事象

エンジニアが動的解析を用いて評価する代表的な事象には、以下のようなものがあります。

地震応答解析：地震の揺れが配管システム全体にどのような影響を与え、どの部分に大きな力がかかるかをシミュレーションします。プラントの耐震安全性を確保するために不可欠です。
水撃（ウォーターハンマー）：液体が流れる配管でバルブを急に閉めると、運動していた液体が急停止し、非常に高い圧力波が発生します。この衝撃力が配管を破壊しないかを評価します。
脈動：ポンプや圧縮機などの往復動（reciprocating）固有振動数が一致すると**共振（resonance）**という現象が起き、破壊的な振動を引き起こす可能性があります。これを未然に防ぐために解析を行います。
安全弁作動時の反力：異常昇圧時に流体を噴出させる安全弁が作動すると、ロケットのような反力が生じます。特に、大気開放（open discharge）ではなく、閉じた系（closed discharge system）に流体を放出する場合、力の作用が複雑になるため、より詳細な時刻歴応答解析が必要になることがあります。この反力が配管にダメージを与えないかを解析します。

このようにして得られた解析結果を、どのように確認し、設計に活かすのかを次のセクションで説明します。

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5. 結果の評価：データから導く安全な設計

5.1. 解析結果の目的

解析結果を評価する最終目的は「計算された応力が、ASMEなどの配管規格で定められた許容値以下であること」を確認することです。もし応力が許容値を超えていれば、その原因を特定し、サポートを追加したり配管ルートを変更したりといった設計修正を行います。

5.2. 主要なアウトプットの種類

CAESAR IIは多種多様なレポートを出力しますが、特に重要なのは以下の3つです。これらは設計者にとって、設計の成否を判断するための「答え」そのものです。

応力レポート (Stresses Report): 配管の各部分にかかる応力を数値で示し、それが許容値を超えているか否か（PASS/FAIL）を明確に教えてくれます。このレポートは、応力を曲げ応力（Bending Stress）、ねじり応力（Torsion Stress）、軸方向応力（Axial Stress）色分け表示することも可能で、危険箇所を直感的に把握できます。
変位レポート (Displacements Report): 熱膨張や地震などによって、配管がどの方向にどれだけ動くかをミリメートル単位で示します。このレポートは、各節点の並進（DX, DY, DZ）と回転（RX, RY, RZ）の6自由度全てのデータを提供します。これにより、配管が運転中に伸びて隣の配管や建物の梁などに衝突しないかという詳細なクリアランスチェックや、機器ノズルにかかる荷重の評価が可能になります。アニメーション機能を使えば、配管がどのように動くかを視覚的に確認することも可能です。
拘束荷重レポート (Restraint Report): 配管を支えるサポートや、がっちり固定するアンカーといった「拘束点」に、どれだけの力がかかるかを示します。この結果をもとに、サポート自体の強度設計や、サポートを固定する建屋や基礎の設計が適切かどうかを判断します。

5.3. レポートの活用

これらの解析結果は、Microsoft WordやExcel、PDF形式で簡単に出力することができます。これにより、計算結果を整理し、顧客や審査機関に提出するための公式な設計レポートを効率的に作成することが可能です。

最後に、CAESAR IIが持つ、設計者を助けるさらに進んだ機能のいくつかをご紹介します。

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6. まとめ：設計者を支援するインテリジェントなツール

CAESAR IIは、単なる計算ツールではなく、配管システムの安全性と経済性を両立させるための、エンジニアの強力なパートナーです。

本書で紹介した主要な機能—配管モデルの構築から静的・動的解析の実行、そしてCAD連携による効率化と詳細な結果評価—は、すべて配管設計の品質を向上させるために連携して機能します。

さらにCAESAR IIは、より高度で専門的な課題を解決するためのインテリジェントなツールを備えています。例えば、ループ形状最適化ウィザードは、応力や荷重の目標値を満たす熱膨張ループの設計を自動化し、最も経済的な解決策を見つける手助けをします。疲労評価機能は、ASME B31.3 Chapter IXなどで要求される、繰り返しの運転サイクル下での配管の寿命を評価します。そしてフランジチェック機能は、ASME Section VIIIなどの規格に基づき、様々な荷重下でフランジ接続部が漏洩しないかその健全性を検証します。これらのツールが、複雑な設計課題を解決するための多様なソリューションを提供し、現代のプラント設計を支えているのです。

v.14

https://docs.hexagonali.com/r/en-US/CAESAR-II-Quick-Reference/Version-14/857380

CAESAR II 2018 delivers a number of significant new and extended capabilities in the following typically noted:

Improved the clarity and functionality of the Delete option in the Static Analysis - Load Case Editor. When you delete load cases in the Static Analysis - Load Case Editor, the Load Case Delete Confirmation window displays the load cases (and their dependents) that are deleted or revised. Remaining load cases are renumbered.
Redesigned the user interface for the API 610 equipment module to improve functionality and usability. (Quick input and viewing of API 610 pumps, Load Case Sets tab lets you quickly define load cases and load case sets with suction and discharge nozzles, Analysis of multiple load cases and multiple pumps, Ability to update loads when the results of an imported and linked pipe stress analysis change, Comprehensive easy-to-read output results on the Output tab.)
Updated the CAESAR II installation wizard to include steps to install the B31J Essentials product from Paulin Research Group (PRG). B31J Essentials provides a set of calculations for revised SIFs and flexibility factors, as defined in the revision to ASME B31J, Stress Intensification Factors (i-Factors), Flexibility Factors (k-Factors) and their Determination for Metallic Piping Components. The B31J Essentials product is included with the latest version of CAESAR II and provides users with the ability to use PRG's FEATools application to perform the empirical B31J calculations.
Expanded the Restraints auxiliary panel with two additional restraint definitions to support SIX degrees of freedom in classic piping input.
Enhanced the 3D mode so that multiple hangers display separately with leaders at the location of the hanger when you use Options > Hangers. Previously, the software only displayed one hanger symbol on a model when you had multiple hangers at the same location.
Redesigned the user interface for the API 610 equipment module to improve functionality and usability. (Quick input and viewing of API 610 pumps, Load Case Sets tab lets you quickly define load cases and load case sets with suction and discharge nozzles, Analysis of multiple load cases and multiple pumps, Ability to update loads when the results of an imported and linked pipe stress analysis change, Comprehensive easy-to-read output results on the Output tab.)
Added new Tag and GUID columns to the Restraints list input. These fields reflect the new capability of the software to read and import support ID and display-only support GUID data from PCF files. It helps piping designer to identify the revision in managing the latest design.
Added the Element Name field to the Piping Input window and to the Elements list input. Element names also display in force reports, stress output reports, and stress isometric drawings.
The software allows you to customize the mapping options for attributes in the PCF file. You can map the attribute definitions from the NAME or TAG attributes to the Tag field in restraint mapping. You can also display tag and GUID data in annotations in stress isometric drawings.
Added support for KHK Level II seismic analysis using bend plasticity subjected to extremely high inertia and displacement at large earthquake. This is the Japanese local rule, not specified in ASME B31 nor EN code.
AND MORE.

https://docs.hexagonppm.com/search/all?filters=PPMProduct~%22CAESAR+II%22&content-lang=en-US

http://www.whatispiping.com/features-of-caesar-ii-2018-version-10-00

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“Must Use” Piping Input Features

CAESAR II comes built in with many user-friendly and solution-provided features that help you to generate an accurate model for your piping needs. The Classic Piping Input is comprised of multiple input panels, which allow the creation or review of piping components. In addition, recent versions of CAESAR II include many new time-saving functions in the displayed toolbars, including:

http://icas.intergraph.com/caesar-ii-vol-3-issue-7

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