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技術 熱解析方法およびそのプログラム

出願人 本田技研工業株式会社
発明者 高橋易資
出願日 2005年3月31日 (14年11ヶ月経過) 出願番号 2005-101032
公開日 2006年10月19日 (13年5ヶ月経過) 公開番号 2006-284214
状態 特許登録済
技術分野 熱的手段による材料の調査、分析 CAD
主要キーワード 外壁面近傍 圧力方程式 乱流成分 メッシュ切り 熱解析結果 運動量保存式 連成計 熱解析プログラム
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2006年10月19日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

物体の周囲を流れる流体の影響を考慮した物体内部の熱解析を、十分な精度を確保しながら短時間で行える熱解析方法およびそのプログラムを提供する。

解決手段

物体を有限個の要素に分割する対象領域分割を行い、この対象領域分割結果に対して、物体の熱伝導計算壁境界条件を適用して前記物体内部の熱解析を行う熱解析方法において、物体の周囲を流動する冷却流体挙動を計算して、その流速および乱流成分を求める第1手順と、前記物体の外壁と冷却流体との熱伝達境界における熱伝達率を、前記冷却流体の流速および乱流成分に基づいて計算する第2手順と、前記算出された熱伝達率を利用して、前記物体内部の熱解析を行う第3手順とを含む。

概要

背景

物体内部の熱解析を行う技術として、特許文献1には、エンジンブロック内壁面シリンダブロックシリンダヘッドの表面)と筒内ガスとの境界条件として、熱伝達が生じる熱伝達境界面および各境界面における入熱および出熱に対応した熱伝達率を設定し、さらに仮想の熱伝達境界面の温度および前記熱伝達率を用いて熱解析を実施し、解析結果と目標値との偏差基準範囲内に収まるまで熱解析を繰り返す技術が開示されている。
特開2003−42984号公報

概要

物体の周囲を流れる流体の影響を考慮した物体内部の熱解析を、十分な精度を確保しながら短時間で行える熱解析方法およびそのプログラムを提供する。物体を有限個の要素に分割する対象領域分割を行い、この対象領域分割結果に対して、物体の熱伝導計算壁境界条件を適用して前記物体内部の熱解析を行う熱解析方法において、物体の周囲を流動する冷却流体挙動を計算して、その流速および乱流成分を求める第1手順と、前記物体の外壁と冷却流体との熱伝達境界における熱伝達率を、前記冷却流体の流速および乱流成分に基づいて計算する第2手順と、前記算出された熱伝達率を利用して、前記物体内部の熱解析を行う第3手順とを含む。

目的

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、物体の周囲を流れる流体の影響を考慮した物体内部の熱解析を、十分な精度を確保しながら短時間で行える熱解析方法およびそのプログラムを提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
0件

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請求項1

物体有限個の要素に分割する対象領域分割を行い、この対象領域分割結果に対して、物体の熱伝導計算壁境界条件を適用して前記物体内部の熱解析を行う熱解析方法において、物体の周囲を流動する冷却流体挙動を計算して、その流速および乱流成分を求める第1手順と、前記物体の外壁と冷却流体との熱伝達境界における熱伝達率を、前記冷却流体の流速および乱流成分に基づいて計算する第2手順と、前記算出された熱伝達率を利用して、前記物体内部の熱解析を行う第3手順とを含むことを特徴とする熱解析方法。

請求項2

前記物体が、その内部に燃焼室が形成されたエンジンブロックであり、エンジンブロック内外壁の熱境界条件更新する第4手順と、燃焼ガス流動および燃焼計算を行う第5手順と、前記計算結果に基づいて、前記エンジンブロック内壁境界条件を更新する第6手順と、前記境界条件が収束するまで、前記第4手順から第6手順までを繰り返させる第7手順とを含むことを特徴とする請求項1に記載の熱解析方法。

請求項3

前記冷却流体の挙動計算が、運動量保存式の計算、圧力方程式の計算および乱流モデルの計算を含み、エネルギ保存式の計算を含まないことを特徴とする請求項2に記載の熱解析方法。

請求項4

前記第1手順において、前記冷却流体の挙動計算が任意の複数点の車両速度に関して実行され、前記第2手順において、物体の外壁と冷却流体との熱伝達境界における熱伝達率が前記複数点の車両速度ごとに計算され、さらに、車両速度ごとに計算された熱伝達率に基づいて、前記複数点以外の車両速度における熱伝達率を補間することを特徴とする請求項1または2に記載の熱解析方法。

請求項5

請求項1ないし4のいずれかに記載の熱解析方法をコンピュータに実行させるための熱解析プログラム

技術分野

0001

本発明は、熱解析方法およびそのプログラム係り、特に、物体の周囲で流動する流体の影響を考慮した物体内部の熱解析に好適な熱解析方法およびそのプログラムに関する。

背景技術

0002

物体内部の熱解析を行う技術として、特許文献1には、エンジンブロック内壁面シリンダブロックシリンダヘッドの表面)と筒内ガスとの境界条件として、熱伝達が生じる熱伝達境界面および各境界面における入熱および出熱に対応した熱伝達率を設定し、さらに仮想の熱伝達境界面の温度および前記熱伝達率を用いて熱解析を実施し、解析結果と目標値との偏差基準範囲内に収まるまで熱解析を繰り返す技術が開示されている。
特開2003−42984号公報

発明が解決しようとする課題

0003

物体内部の定常状態における熱解析を行う場合は、物体内部のみの熱解析を行えば良い。図5は、エンジンの定常状態における燃焼変化のみを解析する手順を示した図であり、ステップS51では、各種初期条件と共に熱伝達境界面の温度等の条件が実測値または仮定値として入力される。ステップS52では、入力された初期条件からエンジンブロック内壁熱境界条件が設定される。ステップS53では、設定された熱境界条件を用いて、筒内ガス流動解析および燃焼解析が実行され、ステップS54において、熱解析結果が出力される。

0004

しかしながら、物体の外部で流動する流体が存在する場合には、この流体の流動が物体に与える熱的影響を考慮して物体内部の熱解析を行う必要がある。この場合でも、物体外部の流動解析と物体内部の熱解析との連成計算を行えば、理論的には物体外部の流体の流動を考慮した物体内部の熱解析が可能である。

0005

図6は、筒内ガス、エンジンブロックおよび冷却流体の3つの熱連成計算を行って燃焼解析を行う手順を示したフローチャートであり、エンジンブロックの内壁面と筒内ガスとの境界条件を設定し、さらにエンジンブロックの外壁面と冷却流体との境界条件を設定し、さらに各熱伝達境界部において、熱解析結果と目標値との偏差が基準範囲内に収まるまで熱解析を繰り返さなければならない。したがって、計算量が膨大になって収束計算に長時間を要してしまうという技術課題があった。

0006

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、物体の周囲を流れる流体の影響を考慮した物体内部の熱解析を、十分な精度を確保しながら短時間で行える熱解析方法およびそのプログラムを提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

上記した目的を達成するために、本発明は、物体を有限個の要素に分割する対象領域分割を行い、この対象領域分割結果に対して、物体の熱伝導計算壁境界条件を適用して前記物体内部の熱解析を行う熱解析方法において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
(1)物体の周囲を流動する冷却流体の挙動を計算して、その流速および乱流成分を求める第1手順と、前記物体の外壁と冷却流体との熱伝達境界における熱伝達率を、前記冷却流体の流速および乱流成分に基づいて計算する第2手順と、前記算出された熱伝達率を利用して、前記物体内部の熱解析を行う第3手順とを含むことを特徴とする。
(2)前記物体が、その内部に燃焼室が形成されたエンジンブロックであり、エンジンブロック内外壁の熱境界条件を更新する第4手順と、燃焼ガス流動および燃焼計算を行う第5手順と、前記計算結果に基づいて、前記エンジンブロック内壁の境界条件を更新する第6手順と、前記境界条件が収束するまで、前記第4手順から第6手順までを繰り返させる第7手順とを含むことを特徴とする。
(3)前記冷却流体の挙動計算が、運動量保存式の計算、圧力方程式の計算および乱流モデルの計算を含み、エネルギ保存式の計算を含まないことを特徴とする。
(4)前記第1手順において、前記冷却流体の挙動計算が任意の複数点の車両速度に関して実行され、前記第2手順において、物体の外壁と冷却流体との熱伝達境界における熱伝達率が前記複数点の車両速度ごとに計算され、さらに、車両速度ごとに計算された熱伝達率に基づいて、前記複数点以外の車両速度における熱伝達率を補間することを特徴とする。
(5)請求項1ないし4のいずれかに記載の熱解析方法をコンピュータに実行させる熱解析プログラムであることを特徴とする。

発明の効果

0008

本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)請求項1,5の発明によれば、物体の周囲に流れる流体が物件内部に与える影響を固定的な熱伝達率として、物体内部の熱解析に用いる事が可能であるため、物体内部の熱解析時に流体の解析を同時に行ない、収束計算を行う事が不要となる。したがって、収束計算が省略される事により、物体内部の熱解析を短時間で行えるようになる。
(2)請求項2の発明によれば、エンジンブロックのように内部に燃焼室を有し、物体内部に燃焼解析を要するような熱解析であっても、物体外部の流体の流動計算連成させる必要がないので、エンジンブロック周囲に流れる流体の冷却を考慮した燃焼室内の熱解析が短時間で行えるようになる。
(3)請求項3の発明によれば、冷却流体の挙動計算においてエネルギ方程式の計算が不要になるので、冷却流体の挙動計算が簡単になる。
(4)請求項4の発明によれば、数点の車両速度における熱伝達計算を行うのみで、物体周囲の流動計算を完了する事ができる。

発明を実施するための最良の形態

0009

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明に係る熱解析装置の主要部の構成を示したブロック図であり、熱伝達率の初期値特定点の温度等を入力するキーボードマウスジョグダイヤル等を含む入力装置1と、各種の関数計算を実行して熱解析を行う解析部2と、熱解析結果を出力する表示部3と、解析対象となる物体の形状データとして、その3次元モデルまたは有限要素分割モデルが記憶されているファイルシステム4を主要な構成としている。

0010

図7は、前記熱解析装置の機能ブロック図であり、解析対象となる物体の形状データを出力する形状データ出力部31と、前記形状データに基づいて熱伝達率計算を行う熱伝達率計算部32と、前記形状データ出力部31から形状データを読み込み、さらに熱伝達率計算部32から熱伝達率を読み込んで熱伝導解析を行う熱伝導解析部33と、前記熱伝導解析の結果として得られる温度分布を表示する温度分布出力部34とを含んでいる。前記熱伝達率計算部32は、流体の挙動計算を行う機能32aと、この解析結果に基づいて熱伝達率を計算する機能32bとを含んでいる。

0011

図8は、本実施形態において解析対象とされるエンジン10の主要部の構成を示したブロック図であり、エンジンブロック11と、その内部で上下動するピストン12と、前記ピストン12の上下動を回転運動に変換するクランク機構13とを含み、その燃焼室14の容積はピストン12の位置に応じて変化する。エンジンブロック11の周囲では流体が流動している。

0012

図1において、前記解析部2は、エンジンの3次元モデルを作成し、FEM解析のために3次元モデルの領域分割(メッシュ切り)を行って有限要素を作成する形状算出部20と、エンジンブロックの外壁面近傍における冷却流体の流速と乱流成分とに基づいて、前記エンジンブロック外壁面での熱伝達率分布αn(α1,α2…)を算出する熱伝達率算出部21と、前記有限要素に分割されたエンジンブロックの内壁面の複数位置における熱流束分布qn(q1,q2…)を用いて当該エンジンブロックの温度分布を求める温度分布算出部22と、求められた温度分布からエンジンブロック内壁の熱流束分布を求める熱流束算出部23と、求められたエンジンブロック内壁の熱流束と仮定したエンジンブロック内壁の熱流束との偏差を求め、この偏差が所定範囲内か否かを判別する偏差算出・判別部24と、前記偏差が所定範囲外と判別されたとき前記熱流束分布qnを更新する熱流束更新部25とを機能的に備えている。

0013

次いで、本発明に係る熱解析方法を、図2,3,4のフローチャートを参照して説明する。プログラムが開始されると、はじめに入力装置1から入力された3次元モデル、あるいはファイルシステム4から読み込まれた3次元モデルが、前記形状算出部20により、FEM解析のためのメッシュまたは有限要素に分割される。なお、ファイルシステム4から読み込まれた形状データが既に有限要素に分割されている場合には、当該分割処理は省略される。

0014

有限要素分割が終了すると、図2のステップS1において、エンジンブロックの有限要素分割された形状データが入力されると共に、初期条件として車両速度、大気圧力および流体の粘性係数が入力される。さらに、後述するステップS4で参照される外気温とエンジンブロック外壁面の温度分布および内壁面の熱流束分布に初期値が設定される。ステップS2では、前記メッシュまたは有限要素分割モデルに対して、運動量保存式、圧力方程式および乱流モデル式基礎方程式を利用して、エンジンブロック外壁面近傍での流体の挙動解析が行われ、各部の流速および乱流成分が求められる。この解析は、前記熱伝達率計算部32の流体挙動解析機能32aにより行われ、その解析結果が熱伝達率計算機能32bへ出力される。

0015

図3は、前記流体の挙動解析手順を示したフローチャートであり、ステップS101では、流速分布圧力分布および粘性係数の仮定値をパラメータとして、x,y,zの各軸の運動量保存式が計算され、前記仮定された流速分布が更新される。ステップS102では、質量方程式から導かれた圧力方程式を前記更新後の流速分布に適用し、前記仮定された圧力分布が修正される。ステップS103では、更新後の流速分布を用いて、乱流モデル式により乱流を考慮した粘性係数が計算される。本実施形態では、外壁境界条件を考慮して低レイノルズ数型k-ε乱流モデルと壁関数とを組み合わせたモデルを用いて、壁面近傍での冷却流体の流速および乱流成分が求められる。

0016

なお、従来技術では前記ステップS103の乱流モデル式の計算に続いてエネルギ保存式が計算され、熱伝達境界面に流出入する熱量が求められるが、本実施形態では、エンジンブロックの外壁に関しては熱伝達率分布αnが特定の車速に対して固定的に求められるので当該手順が省略されている。したがって、本実施形態では冷却流体の挙動計算が簡単になる。ステップS104では収束判定が行われ、流体の流速分布、圧力分布および粘性係数の全ての計算結果が所定の収束条件満足するまで上記した各処理が繰り返される。

0017

図2戻り、ステップS3では、前記ステップS2で求められた流体の流速分布およびその乱流成分に基づいて、エンジンブロック外壁の熱伝達率分布αnが、その熱境界条件として求められる。本実施形態では、次式(1)に示したように、強制対流場での熱伝達率を求めるカルマン(T.von Karman)のアナロジーに基づいて熱伝達率α1が計算される。この熱伝達率は、前記熱伝達率計算部32の熱伝達率計算機能32bにより行われる。

0018

0019

ここで、「ρ」は冷却流体の密度、「Us」は壁面近傍での冷却流体の流速、「τw」はせん断応力、「Pr」はプラントル数であり、前記せん断応力「τw」は前記エンジンブロック壁面近傍での乱流成分から求められる。

0020

続くステップS4以降では、前記熱伝導解析部33によって熱伝導解析が行われる。ステップS4では、前記ステップS3で求められた熱伝達率分布αnから次式(2)を用いて外壁の熱流束分布qoが求められる。さらに、ここで求められた外壁の熱流束分布qoと内壁の熱流束分布とを用いて、前記エンジンブロックの内外壁および内部の温度が、エネルギー保存式の計算を、その計算結果が収束するまで繰り返すことにより求められる。

0021

(数2)
qo=α(T−Tx) ・・・(2)

0022

ここで、「T」は外壁温度、「Tx」は外気温である。ステップS5では、前記ステップS4で求められた熱伝導計算結果に基づいて、前記熱流束更新部25により、エンジンブロックの内外壁境界条件である外壁温度と内壁の熱流束分布とが更新される。ステップS6では、前記ステップS4で求められた内壁温度を用いて燃焼ガス流動および燃焼計算が行われる。

0023

図4は、前記燃焼ガス流動および燃焼計算の手順を示したフローチャートであり、ステップS201では運動量保存式が計算される。ステップS202では、質量方程式から導かれた圧力方程式が計算される。ステップS203では、乱流モデル式の計算が行われる。ステップS204では、噴霧粒子輸送モデル式が計算される。ステップS205では、化学反応および発熱量が計算される。ステップS206では、エネルギー保存式が計算される。ステップS207では、気体状態方程式ガス輸送(拡散方程式)の計算が行われる。ステップS208では収束判定が行われ、各計算結果が収束するまでステップS201へ戻って上記した各処理が繰り返される。

0024

図2へ戻り、ステップS7では、エンジンブロック内壁の境界条件が更新される。すなわち、前記エネルギー保存式の計算(ステップS206)で求められたエンジンブロック内壁面の熱流束分布の値が、次のエンジンブロック内の熱伝導計算(ステップS4)の境界条件として用いられるようにする。ステップS8では収束判定が行われ、前記ステップS6で求められた内壁の熱流束分布およびステップS5で更新された外壁温度と前記ステップS4での計算の際に用いられた内壁の熱流束分布と外壁温度との差が比較される。両者の偏差が基準値を超えており、未だに収束していないと判定されれば、ステップS4へ戻って上記した各処理が繰り返される。ステップS8において、両者の偏差が基準値を下回っており、既に収束していると判定されればステップS9へ進む。ステップS9では解析結果が出力される。

0025

ステップS10では、クランク角度が所定の角度だけ更新される。すなわち、本実施形態では、エンジンブロック内でクランク軸の回転に伴い上下動するピストンの位置によって燃焼室形状が連続的に変化するため、ステップS10では、クランク角度が所定の角度だけ更新され、その後、ステップS4へ戻って上記した各処理が繰り返される。

0026

なお、前記ステップS1において、数点の車両速度を初期条件として設定し、ステップS2における冷却流体の挙動計算を前記数点の車両速度に関して実行し、ステップS3において、前記数点の車両速度に対応する熱伝達率を算出すると共に、これに基づいて数点以外の車両速度での熱伝達率を補間により求め、車両速度ごとに求められた熱伝達率を用いてステップS4以降の計算を行い、エンジンブロック内の燃焼解析を行なうようにすれば、熱伝達率計算を車両速度の連続的変化に対応して、それぞれ計算する必要がないため、冷却流体の挙動計算回数を削減できるようになる。

図面の簡単な説明

0027

本発明に係る熱解析装置のブロック図である。
本発明に係る熱解析方法の手順を示したフローチャートである。
冷却流体の挙動計算手順を示したフローチャートである。
筒内ガス流動および燃焼計算手順を示したフローチャートである。
従来の熱解析手順の一例を示したフローチャートである。
従来の熱解析手順の他の一例を示したフローチャートである。
熱解析装置の機能ブロック図である。
解析対象とされるエンジンの主要部の構成を示したブロック図である。

符号の説明

0028

1…入力装置,2…解析部,3…表示部,20…形状算出部,21…熱伝達率算出部,22…温度分布算出部,23…特定点温度算出部,24…偏差算出・判別部,25…熱伝達率更新部

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