(57)【要約】【課題】水没時におけるワークの熱応力分布解析を短時間で適正に実施する。【解決手段】中空部分を有し、中空部分への冷却液の流入を許容する形態のワークを冷却液に浸漬させて冷却する際にワークに生じる熱応力分布を解析する方法は、ワークの解析を行うためのワークモデルを作成するステップと、ワークモデルの周囲および中空部分の解析を行うための雰囲気モデルを作成するステップと、ワークの浸漬動作に合わせて雰囲気モデルの熱流体解析を行い、その温度分布を求めるステップと、温度分布を求めた雰囲気モデルと、ワークモデルとの間で熱伝導解析を行うステップと、熱伝導解析で得たワークモデルの温度分布データに基づき、その熱応力分布を算出するステップとを備える。雰囲気モデルの温度分布を求めるに際しては、中空部分にワークの周囲と同等の液面高さにまで冷却液が瞬時に流入するものと仮定した上で、中空部分を含めた雰囲気モデルの熱流体解析をワークの浸漬方向の流れに限定して行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部分を有し、該中空部分への冷却液の流入を許容する形態のワークを冷却液に浸漬させて冷却する際に前記ワークに生じる熱応力分布を解析する方法であって、
前記ワークの解析を行うためのワークモデルを作成するステップと、
前記ワークモデルの周囲および前記中空部分の解析を行うための雰囲気モデルを作成するステップと、
前記ワークの浸漬動作に合わせて前記雰囲気モデルの熱流体解析を行い、その温度分布を求めるステップと、
前記温度分布を求めた雰囲気モデルと前記ワークモデルとの間で熱伝導解析を行うステップと、
前記熱伝導解析で得た前記ワークモデルの温度分布データに基づき、その熱応力分布を算出するステップとを備え、
前記中空部分に前記ワークの周囲と同等の液面高さにまで前記冷却液が瞬時に流入するものと仮定した上で、前記中空部分を含めた前記雰囲気モデルの熱流体解析を前記ワークの浸漬方向の流れに限定して行うことを特徴とするワークの熱応力分布解析方法。
【請求項２】
前記温度分布を求めるに際し、前記雰囲気モデルを、前記冷却液の液面に沿って層分けし、かつ、前記ワークの浸漬段階に応じて、所定の前記層に冷却液温度を付与するようにした請求項１に記載のワークの熱応力分布解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークの熱応力分布解析方法に関し、特に水没時のワークに生じる熱応力分布の解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばワークの熱処理において、所定温度に加熱したワークを冷水に浸漬させる等して冷却する際、その水没姿勢によっては、ワークに割れ等の欠損が生じることがある。この場合、上記欠損の発生原因を解明するために、例えばワークの水没時における熱応力分布を解析により求める必要が生じる。
【０００３】
ここで、熱応力の解析方法として、例えば下記特許文献１に示す解析方法が知られている。この解析方法は、熱流体解析を行って流体機械まわりの流体の温度分布を求めた上で、固定部分（流体機械）の熱伝導解析、次いで熱応力解析を行うものである。
【０００４】
よって、下記特許文献１に開示の解析技術を、上記水没時の熱応力解析に適用することで、ワーク水没時の熱応力分布を求めることができるようにも思われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−８２３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記解析技術をワークの冷却処理時に適用する場合、以下の問題が生じる。すなわち、ワークの水没動作を、上記解析技術の熱流体解析で再現する際には、ワークまわりの水流れをシミュレートする必要が生じる。また、当該ワークに係る産業分野によっては、熱処理を要するワークに、例えば他部品の取付け空間や動作空間など、中空部分を有するものが少なくない。よって、この種のワークに対して上記水没時の熱応力解析を実行するためには、ワークの水没動作に伴う水の三次元的な流れ（この場合、中空部分への水の三次元的な流れ込み）を熱流体解析でシミュレートする必要が生じる。これにより、計算に多大な時間を要する。また、解析モデルのメッシュ品質によっては、計算が途中で拡散し、あるいは不当に収束して適正な解析結果を得ることができないおそれもある。
【０００７】
以上の事情に鑑み、本明細書では、水没時におけるワークの熱応力分布解析を短時間で適正に実施することを、本発明により解決すべき技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記課題の解決を図るためになされたものである。すなわち、本発明に係る熱応力分布の解析方法は、中空部分を有し、中空部分への冷却液の流入を許容する形態のワークを冷却液に浸漬させて冷却する際にワークに生じる熱応力分布を解析する方法であって、ワークの解析を行うためのワークモデルを作成するステップと、ワークモデルの周囲および中空部分の解析を行うための雰囲気モデルを作成するステップと、ワークの浸漬動作に合わせて雰囲気モデルの熱流体解析を行い、その温度分布を求めるステップと、温度分布を求めた雰囲気モデルと、ワークモデルとの間で熱伝導解析を行うステップと、熱伝導解析で得たワークモデルの温度分布データに基づき、その熱応力分布を算出するステップとを備え、中空部分にワークの周囲と同等の液面高さにまで冷却液が瞬時に流入するものと仮定した上で、中空部分を含めた雰囲気モデルの熱流体解析をワークの浸漬方向の流れに限定して行う点をもって特徴付けられる。
【０００９】
上記のように、本発明は、ワークの浸漬時、ワークの中空部分にワークの周囲と同等の液面高さにまで冷却液が瞬時に流入するものと仮定することで、雰囲気モデルの温度分布に係る熱流体解析をワークの浸漬方向（１次元）の流れに限定して実施可能とした点を特徴とする。これによれば、ワーク形状に鑑み、本来であれば考慮すべきワーク中空部分への冷却液の流れ込みに対応する雰囲気モデルの三次元的な熱流体解析を簡略化することができる。従って、雰囲気モデルの複雑な温度分布の変化をシミュレートせずに済み、この分の計算時間を短縮することができる。また、浸漬方向以外の方向（水平方向）への冷却液の流れを解析する必要がないため、上記熱流体解析の回数を減らしてもワークの浸漬動作を的確にシミュレートすることができる。従って、解析全体に要する時間を大幅に短縮することができる。また、上記のように、現実の事象とは異なる仮定に基づき熱流体解析を行うことで、ワークの中空部分に係る雰囲気モデルの温度分布の変化は実際とは若干異なるものの、このことが、最終的な解析精度に与える影響は無視できる程度と考えられる。むしろ、雰囲気モデルの熱流体解析をワークの浸漬方向（一方向）の流れに限定して行うことで得た温度分布であれば、ワークの水没姿勢による熱応力の影響が顕著に現れる。そのため、欠損の原因となる応力集中の位置を特定し易い。
【００１０】
また、雰囲気モデルの温度分布を求めるに際し、例えば雰囲気モデルを、冷却液の液面に沿って層分けし、かつ、ワークの浸漬段階に応じて、所定の層に冷却液温度を付与するようにしてもよい。
【００１１】
このように、雰囲気モデルを液面に平行な複数の層に分け、当該層を単位として雰囲気モデルに温度分布データ（冷却液温度）を付与することとしたのは、以下の理由による。すなわち、水没時にワークに生じる熱応力が問題となるのは、ワークが例えば熱処理中の物品（加熱状態にある物品）であって、かつ、これを冷却する冷却液との温度差が非常に大きい場合であるが、このような場合には、ワークからの熱伝達による冷却液の温度分布の変化は、ワークの温度変化に比べて非常に小さく、無視できる。そのため、ワークまわりの冷却液の三次元流れだけでなく、冷却液自体の温度分布の変化も無視して考えることができ、上記のように層単位で冷却水温度を付与して熱伝導解析を実行しても解析結果にはさほど影響しない。もちろん、この場合、各層に含まれる複数の微小分割要素には同一の冷却水温度が付与される。
【００１２】
以上より、雰囲気モデル内の浸漬方向以外への流れのみならず温度変化についても一切排除して温度分布データを作成することで、雰囲気モデルの熱流体解析を大幅に簡略化することができる。コンピュータによる複雑な流体解析の計算を行う必要もない。よって、必要な解析精度を確保しつつも、より一層の計算時間の短縮を図ることができる。
【００１３】
また、上記解析方法は、例えば、一の浸漬方向に対して上記の熱応力分布解析方法を実施するステップと、他の浸漬方向に対して上記の熱応力分布解析方法を実施するステップと、双方の解析ステップで得た熱応力分布の解析結果を比較することで、浸漬時にワークに生じる応力集中を低減させる浸漬姿勢を特定するステップとを備えたワークの浸漬姿勢決定方法として提供することも可能である。
【００１４】
上記の通り、本発明に係る解析方法によれば、ワークの水没姿勢（浸漬姿勢）による熱応力の影響が顕著に現れるので、ワークを例えば縦姿勢で浸漬させた時と横姿勢で浸漬させた時の応力分布を比較することで、応力集中の程度の違いを容易に把握することができる。そのため、何れの姿勢で冷却液に浸漬させたほうがワークの欠損を回避する上で有効であるかを実施前の段階で知ることも可能となる。もちろん、この方法を拡張して、より多くの浸漬姿勢の中から、ワークの種類に見合った適切な浸漬姿勢を特定することも可能である。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、水没時におけるワークの熱応力分布解析を短時間で適正に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るワークの熱応力分布解析方法のフローチャートである。
【図２】本発明の他の実施形態に係るワークの熱応力分布解析方法のフローチャートである。
【図３】他の実施形態に係る熱応力分布解析方法に用いる雰囲気モデルの温度分布データの取得の仕方を概念的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係るワークの熱応力分布解析方法の一実施形態を図面に基づき説明する。この実施形態では、ワークとして、所定の加熱処理を施したシリンダヘッドを用いると共に、このワークを冷却水に水没させることで冷却する際にワークに生じる熱応力分布を解析する場合を例にとって説明する。
【００１８】
図１は、この実施形態におけるワークの熱応力分布解析方法のフローチャートを示している。このチャートに示すように、本解析方法は、中空部分を有し、この中空部分への冷却水の流入を許容する形態のワークの解析を行うためのワークモデルを作成するステップＳ１と、ワークモデルの周囲および中空部分の解析を行うための雰囲気モデルを作成するステップＳ２と、ワークの水没動作に合わせて雰囲気モデルの熱流体解析を行い、その温度分布を求めるステップＳ３と、温度分布を求めた雰囲気モデルと、ワークモデルとの間で熱伝導解析を行うステップＳ４と、熱伝導解析で得たワークモデルの温度分布データに基づき、その熱応力分布を算出するステップＳ５とを備える。以下、各ステップの詳細を説明する。
【００１９】
まず、熱応力分布の解析対象となるワークの解析モデルを作成する（ステップＳ１）。通常、この種の解析モデルは、多数の微小分割要素の集合体として、例えば汎用の解析ソフトに組み込まれたメッシュ作成プログラムなどに則って作成することができる。もちろん、解析モデルについては特に制限されることなく既存のものが使用でき、その作成方法や、上記解析モデルを構成する微小分割要素の形状等についても何らの制限を受けることなく既存のものを採用することができる。
【００２０】
続いて、ワークの周囲、およびワークの中空部分の解析を行うための雰囲気モデルを作成する（ステップＳ２）。この種の解析モデルについても、上記ワークの解析モデル（以下、単にワークモデルという。）と同様、既存のものが使用できる。当該解析モデルの作成方法、微小分割要素についても既存のものが採用できる点は同じである。
【００２１】
このようにして、解析に供するワークモデルおよび雰囲気モデルを作成した上で、ワークの水没動作に合わせて一定時間ごとに（ワークの浸漬段階に応じて）雰囲気モデルの熱流体解析を行い、その温度分布を一定時間おきに求める（ステップＳ３）。詳細には、雰囲気モデルに初期温度分布を与えると共に、この初期温度分布に基づき、ワークが冷却水に浸漬を開始してから完全に水没するまでの間を一定時間ごとに複数の段階に分けて、雰囲気モデルの熱流体解析を一定時間おきに実施する。言い換えると、まず、ワークが全く冷却水に浸漬していない状態を初期状態とし、雰囲気モデルの初期温度分布として、ワークよりも下方の所定領域に冷却水温度を付与すると共に、ワークの周囲および中空部分にワークの温度に等しい温度を付与する。そして、ワークが冷却水に対して浸漬を開始する動作を、固定されたワークまわりでの冷却水の流れに置き換えて解析（熱流体解析）を行い、その際の雰囲気モデルの温度分布の変化を求める。
【００２２】
ここで、本発明では、上記熱流体解析を、（１）ワークモデルの周囲と中空部分とで冷却水の液面高さが等しいと仮定して行うと共に、（２）中空部分を含めた雰囲気モデルの熱流体解析をワークの浸漬方向の流れに限定して行うこととする。
【００２３】
（１）の仮定によれば、ワークの浸漬時、ワークモデルの中空部分にワークモデルの周囲と同等の液面高さにまで冷却水が瞬時に流れ込むものとして、浸漬方向（一方向）の流れに対して雰囲気モデルの熱流体解析が行われる。これにより、雰囲気モデルを構成する微小分割要素間で温度変化が生じ、新たな温度分布データが求められる。
【００２４】
このようにして雰囲気モデルの新たな温度分布データを求めた上で、当該雰囲気モデルとワークモデルとの間の熱伝導解析を行う（ステップＳ４）。これにより、雰囲気モデルが上記温度分布にある場合のワークモデルの温度分布の変化（言い換えると、変化後のワークモデルの温度分布データ）を求めることができる。なお、上記熱伝導解析についても、他の解析作業や解析モデルの作成と同様、既存の解析ソフトを使用することができる。
【００２５】
以上のように、ステップＳ３とＳ４により、雰囲気モデルの温度分布データと、これに対応するワークモデルの温度分布データをそれぞれ求める作業を、ワークが冷却水に浸漬を開始する段階から、ワークが完全に冷却水に浸漬（水没）した段階までの各段階について繰り返し実行し、各段階におけるワークモデルの温度分布データを取得する。この際、ｎ回目のステップＳ３とＳ４は、ｎ−１回目（直前の段階）のステップＳ３とＳ４により求めた雰囲気モデルの温度分布データとワークモデルの温度分布データに基づいてそれぞれ行われる。
【００２６】
そして、上記ステップにより求めたワークモデルの温度分布に基づき、ワークモデルの熱応力解析を行い、その応力分布データを求める（ステップＳ５）。必要に応じて応力分布データを歪み分布データに変換して表示ないし評価してもよい。この熱応力解析は、上記ステップＳ４で求めた全ての段階におけるワークモデルの温度分布データに対して実行してもよく、そのうちの代表的な温度分布データに対して実行してもよい。
【００２７】
以上のようにして完全に水没した状態のワークモデルの応力分布解析を実施することにより、ワークの中空部分への冷却水の流れ込みに対応する雰囲気モデルの三次元的な熱流体解析を一次元解析に簡略化することができる。従って、雰囲気モデルの複雑な温度分布の変化をシミュレートせずに済む。また、水平方向への冷却水の流れを解析する必要もないため、熱流体解析の実行回数を減らして計算に要する時間を短縮しつつも、ワークの浸漬動作を的確にシミュレートして適当な熱応力分布の解析結果を得ることができる。
【００２８】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記例示の方法に限定されるわけではなく、本発明の範囲内において任意の形態を採り得ることはもちろんである。
【００２９】
例えば、上記実施形態では、熱応力解析を、ワークの浸漬方向への流れに限定して実施したが、当該熱応力解析による雰囲気モデルの温度分布データをより簡易な手法で計算して求めることも可能である。
【００３０】
図３はその一例に係る熱応力分布解析方法を概念的に説明するための解析モデルを示している。同図に示すように、この実施形態では、ワークモデル１の周囲およびワークモデル１の中空部分３にそれぞれ形成した雰囲気モデル２を、さらにワークの浸漬方向に層分けしている。言い換えると、中空部分３を含めた雰囲気モデル２を、冷却水の水面に平行な複数の層に分けるようにしている。そして、ワークの浸漬段階に応じて、所定の層に対して一律の温度（冷却水温度）を付与する。例えば図３であれば、層分けされた雰囲気モデル２の第３層２ｃのところまでワークが浸漬した段階において、雰囲気モデル２の第１層２ａ、第２層２ｂ、および第３層２ｃの全てに一律に冷却水温度を付与する。これにより、本来であれば、第４層２ｄまでワークが浸漬しないことにはその中空部分３に冷却水が流れ込まないところ、仮想的にワークの周囲の冷却水と同じ液面高さまで中空部分３にも冷却水が流れ込んだものとして熱伝導解析（ステップＳ４）、および熱応力解析（ステップＳ５）を実施する。
【００３１】
このように、本実施形態では、ワーク浸漬時における冷却水（雰囲気モデル）の温度変化が、ワークのそれに比べて無視できる程度に小さい点に鑑み、雰囲気モデル内の浸漬方向以外への流れのみならず温度変化についても排除して温度分布データを求めるようにした。このように関連因子を少数に絞ることで、コンピュータによる解析計算を実質的に省略して、ワークモデル１の周囲の一定時間ごとの温度分布データを簡単に作成できる。従って、この方法によれば、所要の解析精度を確保しつつも、解析に要する時間をさらに短縮することができる。
【００３２】
また、以上の説明より、本発明に係る解析方法は、浸漬方向（水没姿勢）の違いが熱応力分布に大きく現れる特徴を有することから、例えば、どのような姿勢でワークを水没させれば応力集中を最も低減できるか、言い換えるとどのような水没姿勢であれば最も割れ等の破損が生じ難いのか、といったことを事前に予測する際にも使用できる。あるいは、既にワークに対して所定の熱処理を実施して、その冷却処理の際にワークに割れ等の欠損が生じた場合、この欠損の原因が水没姿勢にあるか否かを解明する際にも使用できる。
【００３３】
具体的には、上記の熱応力分布解析方法を、一の浸漬方向（例えばワークを図３のように縦姿勢で水没させる場合）に対して実施するステップと、他の浸漬方向（例えばワークを横姿勢で水没させる場合）に対して実施するステップとしてそれぞれ利用し、その結果得られた双方の熱応力分布データを比較することで、割れの生じ難い（応力集中が小さい）水没姿勢の特定や、ワークの破損原因の解明を図ることが可能となる。もちろん、３以上の水没姿勢に対して上記解析方法を実施して、それら複数の解析結果（応力分布データ）を比較することで、より的確な予測を行うことも可能である。
【００３４】
また、上記以外の事項についても、本発明の技術的意義を没却しない限りにおいて他の具体的形態を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【００３５】
１    ワークモデル
２    雰囲気モデル
２ａ，２ｂ…  雰囲気モデルの分割層
３    中空部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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