(57)【要約】 【課題】  未知量が含まれる場合でも要素分割による誤差を考慮した熱解析を行うことができる解析方法、解析装置、および解析プログラムを提供する。【解決手段】  直交格子法による要素分割部１４は、入力された解析対象物を、直交格子法に基づいて有限個の要素に分割して、近似モデルを作成する。補正熱伝達係数の計算及び設定部１５は、前記近似モデルの表面に熱伝達係数を設定する。解析条件入力部１３によって、前記近似モデルまたはその周辺の初期温度、熱源条件を設定すると、解析領域の温度変化計算部１６が、前記近似モデル、前記熱伝達係数、前記初期温度および前記熱源条件に基づいて、前記近似モデルの所定時間経過したときの温度変化を算出する。補正熱伝達係数の計算及び設定部１５は、前記解析対象物の要素分割前の表面積と、これに対応する前記近似モデルの表面積との比に基づいて、熱伝達係数を補正する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
解析対象物を、直交格子法に基づいて有限個の要素に分割し、近似モデルを作成する要素分割工程と、
前記近似モデルの表面に熱伝達係数を設定する熱伝達係数設定工程と、
前記近似モデルまたはその周辺の初期温度、熱源条件を設定する解析条件設定工程と、
前記近似モデル、前記熱伝達係数、前記初期温度および前記熱源条件に基づいて、前記近似モデルの所定時間経過したときの温度変化を算出する温度変化算出工程とを備え、
前記熱伝達係数設定工程では、前記解析対象物の要素分割前の表面積と、これに対応する前記近似モデルの表面積との比に基づいて、熱伝達係数を補正することを特徴とする解析方法。
【請求項２】
前記熱伝達工程では、解析対象物表面の熱伝達係数をｈ０、熱伝達係数を設定する設定面の表面積をＳ０、近似モデルの前記設定面に対応する面の表面積をＳＣとしたとき、近似モデルに設定する熱伝達係数ｈＣを、ｈＣ＝ｈ０×Ｓ０／ＳＣの式によって算出することを特徴とする請求項１記載の解析方法。
【請求項３】
解析対象物を、直交格子法に基づいて有限個の要素に分割し、近似モデルを作成する要素分割手段と、
前記近似モデルの表面に熱伝達係数を設定する熱伝達係数設定手段と、
前記近似モデルまたはその周辺の初期温度、熱源条件を設定する解析条件設定手段と、
前記近似モデル、前記熱伝達係数、前記初期温度および前記熱源条件に基づいて、前記近似モデルの所定時間経過したときの温度変化を算出する温度変化算出手段とを備え、
前記熱伝達係数設定手段は、前記解析対象物の要素分割前の表面積と、これに対応する前記近似モデルの表面積との比に基づいて、熱伝達係数を補正することを特徴とする解析装置。
【請求項４】
コンピュータを請求項３に記載の解析装置として機能させるための解析プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンピュータを利用して熱解析を行うための解析方法、解析装置および解析プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の熱設計を行うに当たって、ＣＡＤ（Computer Aided Design）データなどに基づくモデルを種々の解析方法を利用して熱源からの熱量の流れや、モデルの指定箇所の温度変化などを解析する。
【０００３】
熱解析に利用される解析方法の１つに直交格子法による解析方法がある。解析条件として、解析対象物の曲面に熱伝達係数ｈ０を設定する場合、直交格子法において、モデルの曲面部分は、複数の平面からなる階段状の面で近似される。
【０００４】
図３は、３次元ＣＡＤデータにおける曲面部分の断面図を示す図である。このような断面を有する曲面部分を直交格子法で近似した場合、図４の断面図に示すような、階段状の断面となる。
【０００５】
このような近似により、近似前と近似後では、熱伝達係数を設定する部分の面積が変化するため、界面を移動する熱量も変化する。熱伝達係数を設定する実際の曲面の表面積（近似前の表面積）をＳ０、熱伝達係数を設定する曲面を直交格子法で近似した階段状の面の表面積をＳＣとする。曲面の界面を通過させたい所望の熱量をＱ０、直交格子法による近似後の曲面の界面を移動する熱量をＱＣ、曲面の表面温度と周囲温度との温度差をΔＴとすると、近似前と近似後では、熱量の誤差（ＱＣ−Ｑ０）＝ｈ０×ΔＴ×（ＳＣ−Ｓ０）が生じることになる。
【０００６】
直交格子法による構造解析において、解析条件として解析対象物に圧力を負荷させた場合の直交格子法による近似誤差を補正する技術が特許文献１に開示されている。
【０００７】
荷重は、圧力場の面積分値として与えられるが、圧力を負荷する実際の面の表面積（近似前の表面積）と、直交格子法によって近似された階段形状の面の表面積とが異なるため、面積分値は実際の値と異なる。特許文献１記載の技術では、正確な荷重を与えるために、荷重が圧力場の面積分値であるという関係に着目し、面積の誤差を吸収するために、面積の誤差に応じて付加する圧力を補正している。
【０００８】
解析対象物に負荷する圧力をＦｐ、解析対象物において圧力を負荷する実際の面積をＣｓ、直交格子法で近似した階段状の面の表面積をＶｓとすると、解析対象物の直交格子モデルにおいて負荷する圧力は、Ｖｐ＝Ｆｐ×Ｃｓ／Ｖｓで表される。
【０００９】
これにより、直交格子モデルにおいて設定する圧力は、圧力を負荷する面の実際の表面積と、圧力を負荷する面を直交格子法で近似した階段形状の面の表面積との比によって正確な荷重が設定されるよう圧力を補正していた。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２８８２３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述のように、構造解析の場合には、解析対象物に圧力を負荷させることになるが、荷重という物理量は初期条件として与えられる圧力と面積との積で表わされるため、荷重を表わす式を構成する全ての変数（圧力と面積）は既知量である。
【００１２】
これに対して熱解析の場合には、界面を移動する熱量は、熱伝達係数と温度差（表面温度と周囲温度との差）と表面積との積で表わされるが、温度差は有限要素法等による計算過程において逐次求められる変数であり未知量である。したがって、熱量という物理量を表わす式に未知量が含まれることになる。
【００１３】
上記のように特許文献１記載の発明は、全ての変数が既知の場合の補正に過ぎず、変数に未知量が含まれるような場合には全く対応できない。
【００１４】
本発明の目的は、未知量が含まれる場合でも要素分割による誤差を考慮した熱解析を行うことができる解析方法、解析装置、および解析プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、解析対象物を、直交格子法に基づいて有限個の要素に分割し、近似モデルを作成する要素分割工程と、
前記近似モデルの表面に熱伝達係数を設定する熱伝達係数設定工程と、
前記近似モデルまたはその周辺の初期温度、熱源条件を設定する解析条件設定工程と、
前記近似モデル、前記熱伝達係数、前記初期温度および前記熱源条件に基づいて、前記近似モデルの所定時間経過したときの温度変化を算出する温度変化算出工程とを備え、
前記熱伝達係数設定工程では、前記解析対象物の要素分割前の表面積と、これに対応する前記近似モデルの表面積との比に基づいて、熱伝達係数を補正することを特徴とする解析方法である。
【００１６】
また本発明は、前記熱伝達工程では、解析対象物表面の熱伝達係数をｈ０、熱伝達係数を設定する設定面の表面積をＳ０、近似モデルの前記設定面に対応する面の表面積をＳＣとしたとき、近似モデルに設定する熱伝達係数ｈＣを、ｈＣ＝ｈ０×Ｓ０／ＳＣの式によって算出することを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、解析対象物を、直交格子法に基づいて有限個の要素に分割し、近似モデルを作成する要素分割手段と、
前記近似モデルの表面に熱伝達係数を設定する熱伝達係数設定手段と、
前記近似モデルまたはその周辺の初期温度、熱源条件を設定する解析条件設定手段と、
前記近似モデル、前記熱伝達係数、前記初期温度および前記熱源条件に基づいて、前記近似モデルの所定時間経過したときの温度変化を算出する温度変化算出手段とを備え、
前記熱伝達係数設定手段は、前記解析対象物の要素分割前の表面積と、これに対応する前記近似モデルの表面積との比に基づいて、熱伝達係数を補正することを特徴とする解析装置である。
【００１８】
また本発明は、コンピュータを上記の解析装置として機能させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、要素分割工程において、解析対象物を、直交格子法に基づいて有限個の要素に分割して、近似モデルを作成し、熱伝達係数設定工程で、前記近似モデルの表面に熱伝達係数を設定する。
【００２０】
解析条件設定工程で、前記近似モデルまたはその周辺の初期温度、熱源条件を設定すると、温度変化算出工程で、前記近似モデル、前記熱伝達係数、前記初期温度および前記熱源条件に基づいて、前記近似モデルの所定時間経過したときの温度変化を算出する。
【００２１】
前記熱伝達係数設定工程では、前記解析対象物の要素分割前の表面積と、これに対応する前記近似モデルの表面積との比に基づいて、熱伝達係数を補正する。
【００２２】
このように、既知量である熱伝達係数を近似前後の表面積比に応じて補正することで、未知量が含まれる熱解析であっても、要素分割による誤差を補正し、解析精度を教条させることができる。
【００２３】
また本発明によれば、前記熱伝達係数設定工程では、解析対象物表面の熱伝達係数をｈ０、熱伝達係数を設定する設定面の表面積をＳ０、近似モデルの前記設定面に対応する面の表面積をＳＣとしたとき、近似モデルに設定する熱伝達係数ｈＣを、ｈＣ＝ｈ０×Ｓ０／ＳＣの式によって算出する。
【００２４】
熱伝達係数と表面積との積を、近似前後で同じ値とすることで、容易に高精度な補正を行うことができる。
【００２５】
また本発明によれば、要素分割手段は、解析対象物を、直交格子法に基づいて有限個の要素に分割して、近似モデルを作成し、熱伝達係数設定手段が、前記近似モデルの表面に熱伝達係数を設定する。
【００２６】
解析条件設定手段が、前記近似モデルまたはその周辺の初期温度、熱源条件を設定すると、温度変化算出手段が、前記近似モデル、前記熱伝達係数、前記初期温度および前記熱源条件に基づいて、前記近似モデルの所定時間経過したときの温度変化を算出する。
【００２７】
前記熱伝達係数設定手段は、前記解析対象物の要素分割前の表面積と、これに対応する前記近似モデルの表面積との比に基づいて、熱伝達係数を補正する。
【００２８】
このように、既知量である熱伝達係数を近似前後の表面積比に応じて補正することで、未知量が含まれる熱解析であっても、要素分割による誤差を補正し、解析精度を教条させることができる。
【００２９】
また本発明によれば、コンピュータを上記の解析装置として機能させるためのプログラムとして提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明の実施の一形態である解析装置１の機能の構成を示すブロック図である。
【００３１】
解析装置１は、制御部１０と、形状情報入力部１１と、材料情報入力部１２と、解析条件入力部１３と、直交格子法による要素分割部１４と、補正熱伝達係数の計算及び設定部１５と、解析領域の温度変化計算部１６と、出力部１７と、ＣＡＤ情報データベース２１と、材料情報データベース２２と、出力結果データベース２３とを含む。
【００３２】
制御部１０は、熱解析装置１の各部位の動作を制御し、これらの間のデータ受け渡しおよびデータ処理を行う。
【００３３】
形状情報入力部１１は、解析対象物（以下では「モデル」という。）の外形形状、配置、寸法など３次元ＣＡＤデータに準拠した立体モデルのパラメータである形状情報を入力する。材料情報入力部１２は、モデルの各構成材料の熱伝導率、比熱、密度、輻射率などの材料情報を入力する。解析条件入力部１３は、初期温度、発熱設定および環境温度などの初期条件、断熱条件、放熱条件などの境界条件を入力して設定する解析条件設定手段である。
【００３４】
直交格子法による要素分割部１４は、直交格子法に基づいてモデルを有限個の要素に分割する要素分割手段である。補正熱伝達係数の計算及び設定部１５は、形状情報入力部１１で入力されたモデルの熱伝達係数を補正して設定する熱伝達係数設定手段である。
【００３５】
解析条件入力部１３で入力された熱伝達係数（以下では「補正前係数」という）と、要素分割前のモデルにおける解析対象面の表面積（以下では「近似前表面積」という。）と、要素分割後のモデルにおける解析対象面の表面積（以下では「近似後表面積」という。）と、を用いて補正された熱伝達係数（以下では「補正後係数」という。）を算出し、要素分割後の階段状の面に設定する。
【００３６】
解析領域の温度変化計算部１６は、要素分割後の各要素に対して、有限要素法、有限差分法、有限体積法等によって所定時間経過したときの温度変化を計算する温度変化算出手段である。
【００３７】
ここで所定時間は、非定常解析を行う場合に設定される。非定常解析は、温度変化を経時的に解析し、所望の時間後の温度分布を知りたい場合や、所望の時間までの温度変化を見たい場合に行う解析である。したがって、所定時間は、ユーザーが所望する解析結果などに応じて適宜設定すればよい。なお、非定常解析の時間刻みΔｔの制約の目安にクーラン数があり、Δｔが小さくなれば長い時間間隔の解析は計算コストが大幅に増大する。
【００３８】
出力部１７は、補正熱伝達係数の計算及び設定部１５で計算された補正後係数と、解析領域の温度変化計算部１６で計算された各要素の温度変化を出力する。
【００３９】
温度変化の出力は、この分野で用いられる既存の技術で対応可能である。たとえば、３次元ＣＡＤデータをモデルとした場合、３次元近似モデルを汎用解析ソフトのポスト（解析結果の処理用のアプリケーション）で絶対温度（初期条件として与えた周囲温度＋温度変化）のコンター図としてグラフィカルに表示する。ポストの機能によって出力形態は変わるが、要素を指定すればその要素の温度を数値で表示することも可能である。
【００４０】
ＣＡＤ情報データベース２１は、形状情報入力部１１によって入力されたモデルのＣＡＤデータを蓄積する。材料情報データベース２２は、材料情報入力部１２によって入力されるモデルの熱伝導率、比熱、密度、輻射率などの熱に関する物性データを、モデルと関連付けて蓄積する。出力結果データベース２３は、解析領域の温度変化計算部１６で計算されたモデルの温度変化のデータを、モデルと関連付けて蓄積する。
【００４１】
熱解析装置１は、ハードウエアとしては、入力装置、制御装置、記憶装置、および出力装置などを含むコンピュータによって実現される。
【００４２】
入力装置は、たとえばキーボード、マウスなどの入力機器によって構成され、制御装置は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）およびＣＰＵに接続されるＩ／Ｏ（
Input/Output）インターフェイスによって構成される。
【００４３】
記憶装置は、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）
、ハードディスクドライブ、フレキシブルディスクドライブ、あるいはＣＤ−ＲＯＭ（
Compact Disk Read Only Memory）ドライブによって構成され、出力装置は、たとえばＣＲＴ（Cathode Ray Tube）もしくはＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示装置、またはプリンタなどの印刷装置によって構成される。
【００４４】
ハードウエア構成は、これらに限られるものではなく、たとえば入力機器として、ＣＡＤ装置に含まれる情報データベース、あるいはデータ通信機能を用いた外部記憶装置を用いてもよいし、制御装置として、複数のＣＰＵによる並列計算装置を用いてもよく、操作性および計算速度の優れた構成としてもよい。
【００４５】
図２は、熱解析処理を示すフローチャートである。本フローチャートは、図１に示した解析装置１による処理工程を示している。上記各部によって実行される熱解析の処理動作を、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００４６】
まず、ステップＳ１では、形状情報入力部１１から入力されるモデルの形状情報を取得する。
【００４７】
たとえば、発熱源の搭載された電子基板を内包する電子機器の場合、筐体の形状、寸法、電子基板の形状、寸法、抵抗や集積回路（ＩＣチップ）などの発熱源の形状、寸法、ドリル穴などの形状、寸法およびこれら各部品の筐体内における配置位置などモデル形状に関する情報、および各部品を構成する構成材料を取得する。
【００４８】
これらの情報は、電子基板がＣＡＤ装置によって設計されていて、ＣＡＤ情報データベース２１に蓄積されている場合には、ＣＡＤ情報データベース２１から取得することができる。ＣＡＤ情報データベース２１に蓄積されていない場合は、たとえば、解析装置１にＣＡＤ装置、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）装置との接続インターフェイス（有線通信、無線通信）を備えておき、ＣＡＤ装置に接続して情報を取得してもよい。また、熱流体解析を行うためのＣＡＥ装置のプリプロセッサに接続し、そのプリプロセッサから直接取得してもよい。あるいは入力装置で直接入力させて取得してもよい。
【００４９】
ステップＳ２では、材料情報入力部１２から入力されるモデルの材料情報を取得する。
たとえば、各部品を構成する構成材料の熱伝導率、比熱、密度、輻射率などの材料情報を取得する。これらの情報は、材料情報データベース２２から取得してもよいし、新たに入力装置から直接入力させて取得してもよい。
【００５０】
ステップＳ３では、解析条件入力部１３から入力される解析条件を取得する。
たとえば、発熱源の発熱量、周囲温度などの初期条件、部品間の断熱条件、接触熱抵抗値、解析領域面の断熱条件および放熱条件などの境界条件、筺体表面や部品表面の熱伝達係数を取得して設定する。
【００５１】
図３は、モデルの一部分である曲面部分の断面図を示している。モデルの曲面部分に熱伝達係数ｈ０を設定するには、近似前表面積Ｓ０を、形状情報から取得して設定する。熱伝達係数を設定する曲面部分が複数ある場合は、同様にそれぞれの曲面部分に設定する熱伝達係数および近似前表面積を取得する必要がある。
【００５２】
ステップＳ４では、直交格子法により、モデルの要素分割を行う。ステップＳ１で入力されたモデルは全て直交格子に近似され、全ての曲面部分は、複数の平面が集合した階段状の部分で近似される。ステップＳ３で熱伝達係数を設定した曲面部分に対応する近似後表面積Ｓｃを算出する。近似後表面積Ｓｃは、要素分割によって近似された複数の平面を抽出し、その足し合わせによって算出することができる。
【００５３】
図４は、直交格子法で近似した曲面部分の断面図を示す図である。熱伝達係数を設定する曲面が複数個ある場合は、それぞれに対して近似後表面積を算出する。
【００５４】
ステップＳ５では、補正後係数を算出し、要素分割された各セルに対して熱伝達係数の設定を行う。
【００５５】
熱量＝熱伝達係数×（表面温度−周囲温度）×表面積、という関係式において既知量である熱伝達係数と表面積に着目する。セルの表面温度は未知量であり、次のステップＳ６において逐次算出される変数である。周囲温度は、解析条件に含まれる既知量であるが、固定値であるので補正する必要はない。
【００５６】
具体的な補正の方法は、既知量である熱伝達係数と表面積との積が、近似前と近似後で同じ値となるように補正する。すなわち、近似後係数ｈＣを、ｈＣ＝ｈ０×Ｓ０／ＳＣの式にしたがって算出する処理を行う。熱伝達係数を設定する曲面が複数個ある場合は、それぞれに対して算出の処理を行う。求めた熱伝達係数ｈＣは、要素分割前に設定されていた曲面部分に対応する各々のセルに対して設定する。
【００５７】
ステップＳ６では、各セルの温度変化を、有限要素法、有限差分法、有限体積法等によって算出する。これによって、セル１つにつき１つの温度変化が算出される。
【００５８】
ステップＳ７では、ステップＳ６で算出された温度変化を計算結果として出力し、解析処理を終了する。ステップＳ６で算出された温度変化は、出力する際に出力結果データベース２３にも蓄積される。
【００５９】
以上で説明した解析装置１は、コンピュータに上記熱解析処理を機能させるための解析処理プログラムとして実現してもよい。この解析処理プログラムは、コンピュータで読取り可能な記録媒体に格納されている。この記録媒体として、マイクロコンピュータで処理が行われるために必要なメモリ、たとえばＲＯＭ（リードオンリメモリ）のようなものそのものが記録媒体であってもよいし、また外部記憶装置としてプログラム読取装置が設けられ、そこに解析処理プログラムが記録された記録媒体を挿入することで読取り可能な記録媒体であってもよい。
【００６０】
いずれの場合においても、格納されている解析処理プログラムは、マイクロプロセッサがアクセスして実行させる構成であってもよいし、あるいは解析処理プログラムを読み出し、読み出されたプログラムを、マイクロコンピュータのプログラム記憶エリアにダウンロードし、そのプログラムを実行する構成であってもよい。ダウンロード用のプログラムは予め装置本体に格納していればよい。
【００６１】
また、記録媒体は、装置本体と分離可能に構成される記録媒体であり、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスクやハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ（Compact-Disc Read Only Memory）／ＭＯ（Magneto-Optical）ディスク／ＭＤ（Mini Disc）／ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の光ディスクのディスク系、ＩＣ（Integrated Circuit）カード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）、フラッシュＲＯＭ等による半導体メモリを含めた固定的にプログラムを担持する媒体であってもよい。なお、通信ネットワークから解析処理プログラムをダウンロードする場合には、そのダウンロード用プログラムは予め装置本体に格納しておくか、あるいは別の記録媒体からインストールされるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の一形態である解析装置１の機能の構成を示すブロック図である。
【図２】熱解析処理を示すフローチャートである。
【図３】３次元ＣＡＤデータにおける曲面部分の断面図を示す図である。
【図４】直交格子法で近似した曲面部分の断面図を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  熱解析装置
１０  制御部
１１  形状情報入力部
１２  材料情報入力部
１３  解析条件入力部
１４  直交格子法による要素分割部
１５  補正熱伝達係数の計算及び設定部
１６  解析領域の温度変化計算部
１７  出力部
２１  ＣＡＤ情報データベース
２２  材料情報データベース
２３  出力結果データベース
【図１】
2008217269.tif 000003
【図２】
2008217269.tif 000004
【図３】
2008217269.tif 000005
【図４】
2008217269.tif 000006