Fusion - 日本語フォーラムのトピックRe: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

熱応力解析時の各パラメーター設定について

Anonymous — Thu, 04 Nov 2021 09:54:36 GMT

お世話になります。

アルミのフライパンをガスコンロで加熱したときの底面の変形をシミュレーションしようとしています。

下記のチュートリアルを参照しながら行ったのですが、モデルがZ方向に移動するような結果となってしまい

加熱したときに見られる、底面が内側に反りあがるような変形が得られません。

また、変位量も実際とはかけ離れた値になってしまいます（実際には2～3mm）。

（実際の変形は、IHクッキングヒーターに対応するために

フライパン底面に貼り付けられた鉄と本体のアルミとの膨張率の差による部分も多いのですが

今の力量では扱いきれなそうだったので単純なアルミのみでシミュレーションしています。今後チャレンジ予定です。）

https://knowledge.autodesk.com/ja/search-result/caas/CloudHelp/cloudhelp/JPN/Fusion-Simulate/files/tutorials/5-thermal-stress/GUID-0A572941-E385-4416-96FD-B2E4F9AEED2A-html.html

熱に関しての初歩的な知識もなく、ネットで色々と単位や語句を調べながら利用している状況です。

不勉強で大変恐縮なのですがお力添えいただきたく投稿させていただきました。

熱荷重や拘束する面などの設定についてご教示いただけると大変助かります。

お忙しい中恐れ入りますが何卒よろしくお願い致します。

フライパン材質：アルミニウム

●メッシュ：1mm

●拘束：断面（XZ平面とYZ平面）

●熱荷重[熱源]：33900　W/ｍ＾2（下記①÷②×③で計算しました）

①底面積：0.031851平方ｍ

②ガスコンロ出力：27000W

③ガスコンロの熱効率：40％

フライパンの底面を選択しました。

●熱荷重[熱伝達]：4.67W/（ｍ＾2K）

ネットで検索して出てきた空気の熱伝達率を入力しました。

断面以外の全ての面を選択しました。

放熱される面と放熱される量という認識でよいのでしょうか？

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

TerukiObara — Fri, 05 Nov 2021 00:57:11 GMT

参考にしているサイトの「アクティビティ 3: 拘束を適用する」を行っていますでしょうか。

https://knowledge.autodesk.com/ja/search-result/caas/CloudHelp/cloudhelp/JPN/Fusion-Simulate/files/tutorials/5-thermal-stress/GUID-7BE25911-62F5-43DA-ADEB-8E594ABC58D0-html.html

XY平面の固定がされていないために変位が大きいのかと思います。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

adachitech7 — Fri, 05 Nov 2021 05:15:05 GMT

@Anonymous さん、こんにちは。

データの添付ありがとうございます。

私の方でもトライしてみました。

底面を小さく分割してそこに固定拘束を付けるようにしています。

熱源は300Wにしてみました。温度上昇を見て妥当なラインとして適当に設定したものです。（要検証）

底面以外は静止した空気と自然対流することを前提に4.67W/m^2Kの熱伝達率を設定しています。（空気温度20℃）

メッシュサイズはとりあえずモデルベースの3%にしました。

アダプティブメッシュリファインメントをオンにしています。

これで変形の最大値が1.6mm弱になると思います。

温度は最大479.7℃になりました。

これでそこそこまともな結果になっているんじゃないかと思います。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

Anonymous — Fri, 05 Nov 2021 06:45:39 GMT

TerukiObara様

お世話になっております。

早速のご連絡ありがとうございました。

単純化の際にXY平面方向で分割していなかったので

XY平面で拘束しておりませんでした。

ご指摘にあったXY平面を拘束して、再度シミュレーションをしました。

底面の外周に幅3mm高さ0.3mm立ち上がりをつくり、そのXY平面（接地する面）を拘束しました。

シミュレーションした結果、モデルは接地したままになったのですが全体的に大きくなったような結果になり

やはりまだ底面の反りあがりのような結果は得られませんでした。

もう少し拘束する面を変えながら試してみようと思います。

また、温度が1000度以上になってしまうようなのですが

熱伝達で入力する値や選択する面に誤りがあるのでしょうか？

お忙しい中誠に恐れ入りますが引き続きご教示いただけると大変助かります。

何卒よろしくお願い致します。

※初回の投稿で下記の様に記載しましたが正しくは①がガスコンロ出力で②が底面積でした。

また、ガスコンロ出力は正しくは2700Wでした。

大変失礼しました。

なので2700W×40％÷0.031851平方ｍで熱荷重33900　W/ｍ＾2でした。

●熱荷重[熱源]：33900　W/ｍ＾2（下記①÷②×③で計算しました）

①底面積：0.031851平方ｍ

②ガスコンロ出力：27000W

③ガスコンロの熱効率：40％

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

TerukiObara — Fri, 05 Nov 2021 09:11:32 GMT

すみません、私も専門分野ではないので、自信はないのですが、

設定を、どのようにされているのでしょうか？計算や単位など間違えている箇所ないでしょうか？？

添付されているSTEPデータですと分からないため、Fusion360の生データを添付していただくか、

より詳しく設定している画面を貼り付けていただくか。お願いいたします。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

TerukiObara — Fri, 05 Nov 2021 09:02:57 GMT

@adachitech7 様がデータを添付されて解説されていますが、こちらは、どうでしょうか？

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

TerukiObara — Fri, 05 Nov 2021 09:18:13 GMT

少し調べてみました。Fusion360ではなく、他社製品での解析例ですが、条件の設定は参考になるかと思います。

https://youtu.be/lk5CcVwUptI

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

mizuV4V5F — Fri, 05 Nov 2021 09:29:38 GMT

@Anonymous さま

熱応力解析は初心者ですが，構造解析の観点から一つ確認させてください．

1/4モデルの境界条件ですが，詳細に記すとどのようになっていますでしょうか？

底面の反りあがりに関しては境界条件が問題なように思います．

私が境界条件を付けるなら「yz断面でxのみ拘束」，「zx断面でyのみ拘束」，「断面交差部の頂点でzのみ拘束」の3つです．

この解析モデル自体の反りが少ないのかもしれませんが...

もし，yz, zx断面でzを拘束するとその断面はz方向に変形できないので反りあがりが抑制されます．

私の勘違いでしたら申し訳ございません．

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

Anonymous — Fri, 05 Nov 2021 10:55:47 GMT

adachitech7様

お世話になります。

お忙しい中早速のご回答ありがとうございます。

シミュレーションまでしていただいたとのことで大変恐縮です。

データ添付いただきありがとうございました。

私も最初から生データを添付すれば良かったのですが、そこまで考えがいたらず申し訳ありませんでした。

先日Fusion360を使用し始めたもので、エクスポートでローカルに保存するという方法もようやく分かったような

初心者につき、至らぬところが多々あるかと思いますが何卒よろしくお願い致します。

adachitech7様のご指摘の底面中心の拘束について試してみました。

そこ面中心に凸を設け、そのXY平面を拘束してみました。

また、熱源もご教示いただいた300Wと9420W/m^2（出力300W/底面積0.031851平方ｍ）の2種類で解析してみました。

確かに、確認したい温度になるように熱源の値を設定した方が、

不確実な値でとんでもない温度になった状態をシミュレーションするより理にかなっていると納得しました。

解析結果の底面の変形も現実に近い値・変形でした。

ご教示いただいた方法でもう少しいろいろと試してみたいと思います。

ちなみにadachitech7様のデータを拝見して、熱源の単位が「W/m^2」ではなく「W」になっていたのですが

こちらはどのような条件によって使い分けるのでしょうか？

また、「拘束」の概念自体を理解できておらず大変恐縮のなのですが

底面中心を拘束するというのは実際にフライパンを過熱する際において、

どのような力のかかり方？を仮定するものなのでしょうか？

アプリケーションの使用する際のコツとして、座標の原点を定めるというような感覚に近いのでしょうか？

お忙しい中恐れ入りますが、ご教示の程何卒よろしくお願い致します。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

Anonymous — Fri, 05 Nov 2021 11:27:03 GMT

TerukiObara様

お世話になっております。

お忙しい中、繰り返しご連絡ありがとうございます。

最初から生データを添付すれば良かったのですが、そこまで考えがいたらず申し訳ありませんでした。

先日Fusion360を使用し始めたもので、エクスポートでローカルに保存するという方法もようやく分かったような

初心者につき、至らぬところが多々あるかと思いますが何卒よろしくお願い致します。

底面の外周に幅3mm高さ0.3mm立ち上がりをつくり、そのXY平面（接地する面）を拘束した際の

データを添付させていただきます。

お手すきの際にご確認いただけると幸いです。

何卒よろしくお願い致します。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

Anonymous — Fri, 05 Nov 2021 11:30:26 GMT

TerukiObara様

お世話になっております。

adachitech7 様からご教示いただいた方法も試させていただいて

実際のフライパンの変形に大分近い結果が得られるようになってきました。

この休みにいろいろと条件を変えて試させていただこうと思います。

今後ともよろしくお願い申し上げます。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

Anonymous — Fri, 05 Nov 2021 11:35:33 GMT

TerukiObara様

お世話になっております。

お忙しい中、調べていただいたとのことで大変恐縮です。

何分不慣れなもので、ネット上で検索するにもどのようなキーワードが適切かもわからず

手間取っていたところです。

Fusion360でしか調べておらず、他アプリケーションでの設定にすることを思いつきませんでした。

大変助かります。

ありがとうございます。

動画の内容を拝見しながら試してみようと思います。

今後ともよろしくお願い致します。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

Anonymous — Fri, 05 Nov 2021 11:40:58 GMT

mizuV4V5F様

お世話になります。

お忙しい中ご連絡いただきありがとうございます。

私のような初心者にご親切にご指摘いただきありがたい限りです。

ご指摘のXY平面の拘束ですが、拘束の概念自体を理解できておらず大変お恥ずかしいのですが

底面接地面を拘束してみた次第です。

「断面交差部の頂点でzのみ拘束する」というのは実際にフライパンを過熱する際において、

どのような力のかかり方？を仮定するものなのでしょうか？

アプリケーションの使用する際のコツとして、座標の原点を定めるというような感覚に近いのでしょうか？

mizuV4V5F様からご教示いただいた下記の条件で試してみたいと思います。

「yz断面でxのみ拘束」

「zx断面でyのみ拘束」

「断面交差部の頂点でzのみ拘束」

今後ともよろしくお願い申し上げます。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

adachitech7 — Fri, 05 Nov 2021 13:36:21 GMT

@Anonymous さん、

熱応力解析や線形静解析では解析空間に置かれた対象のボディは宇宙空間の中に浮いているのと同じような振る舞いをします。力が加わっても変形の基準点が空間の中で定まっていないとそのまま動くだけになってしまします。なので座標空間の中にボディのどこかを固定してやる必要があります。

今回のフライパン底面の円形面は空間中に打ったアンカーに相当する働きをします。

熱源の単位については「単位面積」という項目のチェックを入れたり外したりすることで変更可能になっています。

動画をご覧ください。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

mizuV4V5F — Fri, 05 Nov 2021 15:24:26 GMT

@Anonymous さま

モデルの添付ありがとうございます．

現在，ソフトの使用できる環境におりませんので後日確認してみます．

実際のフライパンではどうかといわれると簡潔に説明できないためお答えできませんが，

3つ目の「断面交差部の頂点でzのみ拘束」はモデルを安定させるための条件です．

簡単に言うとz方向へ飛んでいくのを防ぐためです．

前2つの条件でモデルは対称断面によってx, y方向の移動は拘束されていますが，z方向は拘束されていません．

有限要素解析は近似計算ですので，外力も拘束もなくz方向に釣り合っている状態が簡単にとれません．

このため，解析を実行するとz方向に動きます．

これを防ぐために，「断面交差部の頂点でzのみ拘束」します．

正確には，zを拘束する点はモデル上のどこか1つの頂点でいいのですが，

その点がz方向変位の基準になりますから断面交差部の頂点がわかりやすいのではないかと思いました．

説明が抜けていましたが断面交差部の頂点は上下のどちらか1点だけです．

細かいことですが，2点とも拘束すると断面交差部のエッジでz方向のひずみが発生しません．

ご覧になっているかもしれませんが，対称と拘束のヘルプをリンクしておきます．

ヘルプ | 対称によるモデリング | Autodesk

ヘルプ | Fusion 360 シミュレーションでの拘束の動作 | Autodesk

余談ですが，

z方向を拘束しない場合でもソルバー（開発者）の頑張りによって解析結果が出力されることがあります．

初めの投稿にあった「z方向に移動する」がこのことだと思います．

解析結果が返ってきた場合には，z方向の変位量が予期せぬだけで，

熱や応力・ひずみは『正しく』計算されているのではないかと思います．

※ソルバーの種類によりますし，『正しく』は設定された解析条件の近似解として正しいという意味です．

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

mizuV4V5F — Mon, 08 Nov 2021 01:35:36 GMT

@Anonymous さま

前の説明で変位，変位と繰り返してしまい，よい解説ではありませんでした．

モデルを安定させるために必要なのは6自由度を拘束することです．
x, y, zの各軸方向の変位と各軸に対する回転です．

1/4モデルのような対称性を拘束で表現するためには，対称断面の直角方向の変位を拘束します．
このとき，その平面の面外への回転も拘束されます．
「yz平面でxのみ拘束」ではx方向の変位とy, z軸に対する回転，

「zx平面でyのみ拘束」ではy方向の変位とz, x軸に対する回転が拘束されます．
安定のために残りのz方向の変位をどこかで拘束する必要があるわけです．
前の2つは対称条件として拘束の仕方が決まっていますが，3つ目の拘束は任意の箇所です．

ただし，面やエッジを指定すると過剰な拘束となる場合があります．
今回のフライパンには中心から放射線状に凸がありますから，
底面に設けた接地面のz方向変位がすべて同じかといわれるとどうでしょう...

（着目箇所でない場合や変位量が微小なため拘束することもあります．）

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

Anonymous — Mon, 08 Nov 2021 05:26:29 GMT

adachitech7様

お世話になっております。

お忙しい中再三ご教示いただきありがとうございます。

「アンカー」という表現大変分かりやすかったです。

単位についてですが、質問の仕方が悪く失礼しました。

底面積が0.031851平方ｍのとき、下記①と②は同じ条件と考えて良いのか分からず質問させていただいた次第です。

～なときは①が適切など条件によって使い分けた方が良いのでしょうか？

①300W

②9420W/m^2（300W÷底面積）※単位面積にチェックあり

Z軸方向に拘束する位置は、底面中心部分の反り具合をフライパンの形状の違いごとに比較したかったので

変位の量がわかりやすいように底面接地部分の外周のエッジを選択することにしました。

熱伝達率はTerukiObara様から教えていただいた動画に記載されていた20W/（ｍ＾2K）で熱源の面（底面）と拘束面（断面）以外を選択してみました。

データを添付させていただきますので、お手すきの際にご覧いただけるようでしたら

お気づきの点ご指摘いただけると大変助かります。

お忙しい中あつかましいお願いで大変恐縮ではありますが何卒よろしくお願い致します。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

Anonymous — Mon, 08 Nov 2021 06:42:14 GMT

@TerukiObara様

お世話になっております。

教えていただいた動画拝見させていただきました。

大変参考になりました。

TerukiObara様からご紹介いただいた動画を参考にして

下記のような設定で再度シミュレーションしてみました。

●熱伝達を設定する面についてですが、熱源として選択していた底面にも熱伝達を割り当てていたので

動画に習って、底面は割り当てから外しました。

●熱伝達の値は4.67W/（ｍ＾2K）から動画と同じ20W/（ｍ＾2K）に変更しました。

●Z軸方向に拘束する位置は、底面中心部分の反り具合をフライパンの形状の違いごとに比較したかったので

底面中心部分の変位の量がわかりやすいように底面接地部分の外周のエッジを選択することにしました。

データを添付させていただきますので、お手すきの際にご覧いただけるようでしたら

お気づきの点ご指摘いただけると大変助かります。

お忙しい中あつかましいお願いで大変恐縮ではありますが何卒よろしくお願い致します。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

adachitech7 — Mon, 08 Nov 2021 08:02:38 GMT

@Anonymous さん、

中央部にXY方向拘束を付け、外周にはZ方向の拘束を付けました。

検証のため底面はフラットにしています。

底面に熱源300Wの場合です。

底面の発熱を単位面積あたりに換算して設定しなおしました（7891.981 W/m^2）

変位が微妙に違っていますが、ほぼ同じと言っていいかと思います。

つまりどちらを使ってもOKということじゃないでしょうか。

Re: 熱応力解析時の各パラメーター設定について

Anonymous — Mon, 08 Nov 2021 09:02:22 GMT

mizuV4V5F様

お世話になっております。

対象と拘束のヘルプのURLありがとうございました。

mizuV4V5F様の補足いただいた内容で大分理解しやすくなりました。

拘束する位置についてですが、底面中心が接地面に対して何mm反った・膨らんだかを形状ごとに比較したいため

接地面外周のエッジを選択しました。

しかし、mizuV4V5F様のおっしゃるように放射状のリブがある場所とない場所で実際には変位の値が異なりそうで

エッジ全体ではなく、中心の一点を拘束するのが妥当なような気がします。

重ね重ね初歩的な質問で恐縮なのですが、

底面中心と任意の点（今回の場合は底面接地部分）のZ方向の変位の値を計測することはできるのでしょうか？

・中心を拘束した場合であれば、接地部分が過熱後に何mmZ軸方向に変位したか。

・外周を拘束した場合であれば、中心部分が過熱後に何mmZ軸方向に変位したか。

底面だけの形状（側面の無い形状。円盤形状。）の３Dデータを作成してシミュレーションするしかないでしょうか？

データを添付させていただきますので、お手すきの際にご覧いただけるようでしたら

お気づきの点ご指摘いただけると大変助かります。

お忙しい中あつかましいお願いで大変恐縮ではありますが何卒よろしくお願い致します。