Fusion - 日本語フォーラムのトピックRe: 熱解析に関して困っております

熱解析に関して困っております

imai-tCQW9N — Wed, 06 Apr 2022 07:16:23 GMT

実際の測定温度と3Dで解析した温度が異なり困っております。

１部材「10㎜×16㎜　ｔ＝1.50㎜」　熱を発する素子があり

荷重の設定は

　タイプ　　熱源

　熱源の値　5.00W

2.1の部材と重なるようにシートがあり「11.40㎜×16.50㎜　ｔ＝0.5㎜」

荷重の設定は

　熱伝導率　　14.0W/ｍ・ｋ

　タイプ　　　熱伝達

　環境温度　　25℃

　熱伝達率　　2801.1W/ｍ2ｋ　　　←　0.005m「厚み」　/　14.0「熱伝導率」　＝　0.0000357

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　/　0.0000357　＝　2801.1W/ｍ2ｋ　と計算しました。

3.1と2の上にアルミブロックをのせ　「16.50㎜×11.40㎜　ｔ＝30㎜

荷重の設定は

　熱伝導率　　201W/ｍ・ｋ

　タイプ　　　熱伝達

　環境温度　　25℃

　熱伝達率　　2801.1W/ｍ2ｋ　　　上記と同じ計算方法

1.2.3の設定し解析したら先端部分25℃になり、実際で検束したデータとすり合わせたら100℃ぐらい違いが出ました

熱伝達率の計算が間違っているのか設定自体がおかしいのか困っております。

宜しくお願い致します。

Re: 熱解析に関して困っております

adachitech7 — Wed, 06 Apr 2022 08:45:47 GMT

@imai-tCQW9N さん、こんにちは。

1番の部品に内部熱5Wを設定しました。

2番と3番の部品の空気に触れる面に対し熱伝達10W/m^2Kを設定しました（自然対流想定）。周囲温度は25℃です。

部品同士の接触面に熱伝達率を設定しました。

これで3番の部品の先端が286.6℃となっています。実験値そのものではないと思うのですがオーダーはこれで合っているのではないでしょうか。

あとは自然対流相当の熱伝達率を少しずつ上げて合わせ込めばどうでしょうか。

Re: 熱解析に関して困っております

adachitech7 — Wed, 06 Apr 2022 14:12:18 GMT

@imai-tCQW9N さん、

空気との熱伝達率を25W/m^2Kにすると概ね実験での温度と合致するようになりました。

ただ気になるのが部品1と部品2間、部品2と部品3間の熱伝達率の決め方です。これは熱伝導率と厚みから計算するものではなく、素材と部品間の接触面積から決まってくるもののはずなので、実際には熱抵抗を実測して実験的に数値を決めていかないといけないと思います。

何かの参考になれば幸いです。

Re: 熱解析に関して困っております

imai-tCQW9N — Wed, 06 Apr 2022 23:51:36 GMT

ご連絡ありがとうございます。

25W/m^2Kの値はどうしてこのような値が出るのですか？

計算式とかあるのですか？

Re: 熱解析に関して困っております

adachitech7 — Thu, 07 Apr 2022 00:04:28 GMT

@imai-tCQW9N さん、

私が調べた範囲では自然対流想定の熱伝達率が5～20W/m^2Kでした。この近辺で部品3の温度が125℃近辺になるように合わせ込んだものです。これが妥当であるかは他のパラメータの妥当性も同時に検証する必要がありますね。

Re: 熱解析に関して困っております

imai-tCQW9N — Thu, 07 Apr 2022 01:28:20 GMT

お返事ありがとうございます。

温度が125℃近辺になるように5～20W/m^2Kに値を変更させてますが

実際に図る前に　3DCADで温度を知りたい際はどのような部品1～3の値を入れればよろしいですか？

Re: 熱解析に関して困っております

adachitech7 — Thu, 07 Apr 2022 04:36:28 GMT

@imai-tCQW9N さん、

3D-CAD/CAEシステムを使って温度の予測を行おうと思えば簡易なモデルを利用したパラメータの合わせ込みが必要です。パラメータの合わせ込みには事前に行う実験結果が必要になります。正しい値を入れれば正しい値が精度よく予測できるというものではないのでこの点ご理解いただきたいと思います。これはFusion360で行う熱解析に限らずCAE解析一般に当てはまることだと思います。予備解析を行い現実世界との相関が確認できる解析モデル（パラメータ決め込み）を作ることが最初のステップでこの作業抜きには次の本解析には移れないはずです。

Re: 熱解析に関して困っております

gymnyan-man — Sun, 10 Apr 2022 09:32:51 GMT

@adachitech7 さんの

＞ただ気になるのが部品1と部品2間、部品2と部品3間の熱伝達率の決め方です。これは熱伝導率と厚みから計算するものではなく、素材と部品間の接触面積から決まってくるもののはずなので、実際には熱抵抗を実測して実験的に数値を決めていかないといけないと思います。

のところについて、

接触設定で熱伝達率と書かれている箇所↓

ここは英語版にするとThermal conduction、熱コンダクタンスとなり熱伝達率とは異なるものになります。

ちなみに熱伝達率はconvection valueと表記されます

単位が同じで自動翻訳にかけるとどちらも熱伝達率っぽいものが出てきますが、解析の書籍では熱コンダクタンスの部分はモデリングしていないサーマルグリスなどの熱コンダクタンス（熱抵抗の逆数/厚み）を定義する　と記載されていました。

@imai-tCQW9N さんの最初に出している

＞2.1の部材と重なるようにシートがあり「11.40㎜×16.50㎜　ｔ＝0.5㎜」

荷重の設定は

　熱伝導率　　14.0W/ｍ・ｋ

　タイプ　　　熱伝達

　環境温度　　25℃

　熱伝達率　　2801.1W/ｍ2ｋ　　　←　0.005m「厚み」　/　14.0「熱伝導率」　＝　0.0000357

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　/　0.0000357　＝　2801.1W/ｍ2ｋ　と計算しました。

の2801.1W/m^2ｋ　が熱コンダクタンスに相当するので

今回のように間に挟むものの熱伝導率は分かっているが熱伝達率が分からない場合

厚み0.5mmのシートはモデリングせずに熱源とアルミブロックのみモデリングし、

その間の接触の熱コンダクタンスに2801.1W/ｍ^2kを入れる

ですっきりするのではないでしょうか。

試しに自然対流10でやったみたところ　@adachitech7 さんの値とほぼ同じになったので熱伝達率もおおむね合っているのだと思います。

Re: 熱解析に関して困っております

adachitech7 — Sun, 10 Apr 2022 17:21:00 GMT

@gymnyan-man さん、

不勉強なところもあったので再度整理してみました。

（英語の表現はたくさんあってどれが正しいのか良く分からないです）

熱抵抗（Thermal resistance）　単位：m^2K/W　記号：Rth

熱伝導率（Thermal conductivity）　単位：W/mK　記号：λ

熱伝達率（Convection heat transfer coefficient）　単位：W/m^2K　記号：h

熱貫流率（Thermal transmittance）　単位：W/m^2K　記号：U

各項目の関係は次のようになります。（流体＋個体＋流体のような場合）

1/U = 1/h1 + L/λ + 1/h2

L：固体長さ（厚み）

単位系から見ると

　流体から固体間の熱抵抗（1/h1）

　固体内部の熱抵抗（L/λ）

　固体から流体間の熱抵抗（1/h2）

をそれぞれ足し合わせトータルの熱抵抗を算出しその逆数をとったものが熱貫流率ということになるのかなと思います。

今回の部品2のように薄い部品やグリスを塗って熱伝達性を向上させようとする構造の場合、上記の熱貫流率という概念を導入し、流体と固体間の熱伝達率ではなく固体間の熱伝達率を用いれば薄い部品のモデリングを省くことは可能だと思います。

今回の場合、L=0.0005m、λ=14W/mKなので

1/U = 1/h1 + 0.0005/14 + 1/h2 = 1/h1 + 0.000035714 + 1/h2

ここで固体間の熱抵抗を0にすれば U = 28,000 W/m^2Kとなります。

（元々の計算は板厚5mmで計算しているようで間違ってますね。）

ただ固体表面には凹凸があり空気層がありますので熱抵抗0ということはありえないと思います。この部分は加工の状態や部品を押し付ける圧力によっても実際の接触面積が変わってきますので材料の特性だけでは数値化することは難しいと思います。なので実際に熱抵抗を実測する必要があると考えました。

こちらのConvectionというタイプは固体と流体（空気、水、油など）との熱の伝わりやすさを示すもので日本語の用語としては「熱伝達率（W/m^2K）」でいいのだと思います。

一方の接触部のThermal Conductanceという項目は日本語で「熱貫流率（W/m^2K）」なのかなと思います。

2部品間の接触を解く場合は固体間の熱伝達率と結果的に同じになるという理解でいます。

Re: 熱解析に関して困っております

adachitech7 — Sun, 10 Apr 2022 20:08:43 GMT

@gymnyan-man さん、

@imai-tCQW9N さん、

接触部の熱貫流率を変化させて部品3の最上部温度がどうなるかグラフにプロットしてみました。（空気との熱伝達率10W/m^2Kとして）

このモデルにおいては熱伝達率無限大（熱抵抗0）の場合、最大255.9℃まで昇温します。このグラフからすると300W/m^2Kぐらいですでに収束傾向を示しているのが分かると思います。

実験値である125℃近辺を見てみるとおおよそ7W/m^2Kぐらいでその温度に達するのが見てとれます。

これらのことからすると当初設定していた熱伝達率2801.1W/m^2Kというのはほぼ無限大と言っていい大きな値ですし、計算し直した28,000W/m^2Kはさらに大きな値ですから温度上昇としてはほぼMAXまでいくのだと思います。

今回の解析モデルでは接触部の熱貫流率（熱伝達率）と部品と空気の熱伝達率の2つが未知のパラメータで、どちらか一方の値を知るもしくは仮定しないと正しい温度になるように合わせ込みができないと思います。

こう考えましたがまだおかしなところがあるようならご指摘ください。また勉強してみます。