JP2000331040A - 数値解析による解析方法 - Google Patents

数値解析による解析方法

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JP2000331040A
JP2000331040A JP13493899A JP13493899A JP2000331040A JP 2000331040 A JP2000331040 A JP 2000331040A JP 13493899 A JP13493899 A JP 13493899A JP 13493899 A JP13493899 A JP 13493899A JP 2000331040 A JP2000331040 A JP 2000331040A
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JP13493899A
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Takahiro Sonoda
敬広 園田
Hideaki Yamamoto
秀陽 山本
Takahiro Asai
貴弘 浅井
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/30Computing systems specially adapted for manufacturing

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  • Complex Calculations (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 有限要素法などによる数値解析の方法、特に
加熱炉の最適設計をするような場合において、入力デー
タの作成を容易にする方法の提供を目的とする。 【解決手段】 数値解析による解析方法であって、 解析モデルを構成する各要素および境界条件のデータ
を、入力装置より入力して、それぞれ部品ファイルとし
て予め作成・保存しておくステップ、 必要な部品ファイルを選択して、解析モデルを作成す
るステップ、 前記解析モデルの解析を実行するステップ、 前記解析の結果を出力および/または保存するステッ
プ、 以上のステップを含むことを特徴とする数値解析による
解析方法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、有限要素法などの
数値解析による解析方法に関する。特に加熱源に対し
て、相対的に移動する被加熱体の温度分布の解析方法に
関し、さらに解析モデル作成に際してのデータ作成を容
易にする数値解析による解析方法に関する。
【0002】
【従来の技術】まず、有限要素法などの数値解析におけ
る一般的な手順は、以下のようである。 (1)入力データ、方程式の作成 (2)解析プログラムの実行 (3)計算結果の出力
【0003】以下に詳しく説明する。上記(1)の工程
では、プリプロセッサやテキストエディタによって、以
下のデータを作成する(図13参照)。 ・メッシュデータ:被対象物の形状を細かいブロックに
分割し、多数の独立点(節点)の結合として表現したも
の。 ・位置データ:各ブロックや各節点に番号をつけて、位
置情報(座標値)を設定する。 ・境界条件:各ブロック、各節点、要素表面などの物理
量の中で、既知なものを設定する。 さらに各ブロックについて方程式を作成し、シミュレー
ションモデルを作成する。次に、上記(2)の工程で
は、ソルバーを呼ばれるソフトウェアで、上記モデル、
具体的には各ブロック、各節点の物理量を変数とする連
立方程式を解く。さらに、上記(3)の工程では、ポス
トプロセッサと呼ばれるソフトウェアで計算結果を可視
化するなどして出力する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した方法の入力デ
ータの作成は、例えば図14に示すように、非常に多数
のデータを入力する必要がある。このため、入力データ
の作成には、手間と時間がかかっていた。
【0005】さらに上述した方法で、加熱炉内を移動す
る被加熱体の温度分布を、シミュレーションにより解析
する場合には、加えて以下のような問題があった。被加
熱体の加熱炉内の移動に伴い、境界条件が変化してしま
う。さらに被加熱体が加熱により変形をおこす場合は、
さらに被加熱体の形状も変化するので、それも考慮する
必要があった。したがって、解析しようとする時刻毎
に、メッシュデータ、位置データおよび境界条件を作成
する必要があり、非常に手間と時間がかかっていた。複
雑なモデルの場合は、なおさらである。
【0006】また、計算結果をもとにして、加熱炉の最
適設計をするような場合や、各種操業条件等をシミュレ
ーションする場合は、先のシミュレーションモデルを変
更しなければならない。具体的には、加熱炉にヒータな
どの設備を追加または削除する場合、加熱条件を変更す
るような場合である。
【0007】この場合、上記(1)の入力データは、基
本的に最初からデータの入力し直すこととなる。なぜな
ら、各節点数、各ブロック数や境界条件数が変化してし
まい、先の入力データの番号がずれてしまうからであ
る。したがって、入力データの作成に、非常に手間と時
間がかかってしまうことになる。
【0008】さらに詳細なシミュレーションを行う場合
には、例えば節点数が10000個以上では、手作業に
よる入力データの作成は事実上不可能に近い。また一般
に、解析方法のプログラム作成者とユーザは異なること
が多い。特にユーザレベルは、プログラム作成の知識が
十分といえない場合が多く、データ作成における操作性
の向上が望まれていた。
【0009】以上を鑑みて本発明は、有限要素法などに
よる数値解析のによる解析方法において、入力データの
作成を容易にする方法の提供を目的とする。特に、上記
解析方法のユーザレベルでの操作性を向上させるため
の、データ作成方法を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明は、 解析モデルを構成する各要素および境界条件のデータ
を、入力装置より入力して、それぞれ部品ファイルとし
て予め作成・保存しておくステップ、 必要な部品ファイルを選択して、解析モデルを作成す
るステップ、 前記解析モデルの解析を実行するステップ、 前記解析の結果を出力および/または保存するステッ
プ、 以上のようなステップを含むことを特徴とする数値解析
による解析方法である。
【0011】さらに請求項2の発明は、請求項1に記載
の解析方法において、さらに前記各部品ファイルのデー
タを、加工するステップを含む数値解析による解析方法
である。
【0012】さらに請求項3の発明は、請求項2に記載
の解析方法において、さらに解析モデルの選択された前
記各部品ファイルのデータを、時間が経過する毎に変更
し保持するステップを含む数値解析による解析方法であ
る。
【0013】さらに請求項4の発明は、請求項3に記載
の解析方法において、所定の時間経過の回数の解析を実
行する数値解析による解析方法である。
【0014】さらに請求項5の発明は、前記解析モデル
が、加熱炉内を移動する被加熱体の温度分布の解析モデ
ルである請求項1〜4いずれかに記載の数値解析による
解析方法である。
【0015】またさらに、前記部品ファイルのうち、特
定の部品ファイルは、定めるべきパラメータを予め設定
しておいてもよい。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の具体的な適用例として
は、加熱炉内を移動する被加熱体の温度分布の解析方法
が挙げられる。この適用例では、時々刻々被加熱体が加
熱炉内を移動し、特に被加熱体が変形する場合は、入力
データの作成に手間と時間がかかってしまうので、本発
明の適用は特に有効である。
【0017】加熱炉内を移動する被加熱体の温度分布の
解析方法としては、以下の手順で行われる。 解析モデルを構成する加熱炉および被加熱体の各要素
および境界条件のデータを、入力装置より入力して、そ
れぞれ部品ファイルとして予め作成・保存しておくステ
ップ、 必要な部品ファイルを選択して、解析モデルを作成す
るステップ、 前記解析モデルの解析を実行するステップ、 前記解析の結果を出力および/または保存するステッ
プ、
【0018】さらに解析モデルの選択された前記各部品
ファイルのデータを、時間が経過する毎に変更し保持
し、所定の時間経過の回数の解析を実行する。
【0019】図1に上述の解析方法のフローチャート全
体図を示す。各ステップの作業が必要であれば「Ye
s」に進み、必要がなければ「No」に進む。
【0020】以下に各ステップを図2〜図7を用いて説
明する。 ・ステップA(図2):モデル・部品ファイルを準備し
たり、入力データ・解析結果・CG用ファイルをモデル
として保存したり、モデル部品ライブラリを削除したり
するステップである。
【0021】・ステップB(図3):部品を選択した
り、パラメータを設定したり、部品作成用プログラムの
実行をしたり、部品ファイルを出力したりするステップ
である。
【0022】・ステップC(図4):部品を変更するた
めにステップである。
【0023】・ステップD(図5):移動する部品を選
択し、空気・ガスの流れを設定し、モデルを組み立てる
ステップである。
【0024】・ステップE(図6):内部輻射に関し、
所定の時間刻みで形態係数計算や伝熱解析を行い、結果
を出力するステップである。
【0025】・ステップF(図7):その他ユーティリ
ティに関するステップである。
【0026】ここで、加熱炉(10)を構成する要素お
よび設備としては、以下のものが挙げられる。図8,9
を参照しながら説明する。加熱炉(10)は、断熱材
(12)よりなる炉壁(13,14,15)で構成さ
れ、それに加熱バーナ(18,20)、加熱ヒータ(図
示せず)、冷却装置(図示せず)、遮熱板(19)、型
(30)、搬送装置(11,16,17)等が付設され
ている。また、被加熱体としてはガラス板(G)が示さ
れている。このほか、セラミック、焼き物、金属等でも
よい。物性は、上述の要素および設備や被加熱体を構成
する材料の熱的な特性などである。
【0027】また境界条件は、加熱炉の操業条件、被加
熱体の入れ込み量および移動速度、環境条件(外気温な
ど)である。操業条件は、電気加熱の場合はヒータの配
置、投入電力等をいい、ガス加熱の場合はバーナの配
置、ガス供給量、空燃比等をいう。
【0028】また前記解析は、時間の経過にしたがい各
時刻における被加熱体について、実行している。この場
合、被加熱体の入れ込み量および移動速度等を考慮し
て、各時刻において選択された前記各部品ファイルのデ
ータを、時間が経過する毎に自動的に変更し保持してい
る。さらに所定の時間経過の回数の解析を実行してい
る。
【0029】またさらに、前記部品ファイルのうち、特
定のよく用いる典型的な部品ファイルについては、定め
るべきパラメータは事前にわかっていることが多いの
で、このパラメータ予め設定しておくようにしておくと
よい。このようにしておくと、部品ファイルの作成をさ
らに容易にすることができる。
【0030】(具体例)具体的な例として、連続加熱炉
でのバーナの設定の場合のデータ作成について説明す
る。連続加熱炉において、局所加熱のため輻射型バーナ
を使用する場合には、被加熱体の寸法・形状により、バ
ーナの位置を変えることになる。そこで以下に示す炉を
想定して、被加熱体・バーナなどの形状データが再利用
できるように、それぞれ部品ファイルとして予め作成・
保存しておいて、バーナ毎の境界条件を設定した。 ・炉の長さ:60m ・炉内の被加熱体:56個 ・炉内のバーナ:300個 ・節点数:47290,(輻射)セグメント数:42192
【0031】つぎに、作成した部品ファイルのうち必要
な部品ファイルを選択して、解析モデルを作成した。1
回目のデータ作成およびチェックは3時間程度で終了し
た。実際の作業はまず、ウインドウズ対応のソフトウェ
アでよく使われる入力画面と同様の入力画面にて、パラ
メータを設定すればよい。その後、自動的に作成される
部品形状を画面(図10参照)で確認するだけでよい。
したがって、作業者にとって大きな負担はなく、疲労等
によるミスも防ぐことができる。また、かかる時間の9
0%以上が、部品作成後の部品組立て計算の待ち時間で
あった。
【0032】図10は、ルーフバーナの配置の一例を示
した図である。もし、バーナの高さ・角度・間隔・個数
・開口径・出力などの変更が必要な場合には、それらは
既にパラメータとして設定されているので、数分間の作
業で、変更およびチェックが可能であった。例えば図1
1において、(a)のバーナ配列に対して、その間隔を
縮めた例を(b)に示し、またアームの角度を変更した
例を(c)に示す。
【0033】以上のようにして作成したデータを、解析
モデルの解析に供すればよい。解析例の一例として図1
2に、被加熱体の大きさの違いによるルーフバーナ18
の配置例を示す。図12(a)は、加熱炉の断面を示し
たものである。図12(b)は、加熱炉の幅に対して幅
の狭い被加熱体であるガラス板Gを、2列で加熱すると
きにおけるルーフバーナ18の最適な配置の一例であ
る。図12(c)は、加熱炉の幅に対して中程度の幅の
ガラス板Gを、1列で加熱するときにおけるルーフバー
ナ18の最適な配置の一例である。図12(d)は、加
熱炉の幅に対してほぼ最大の幅のガラス板Gを、1列で
加熱するときにおけるルーフバーナ18の最適な配置の
一例である。
【0034】一方、従来の方法では、熟練した作業者で
もデータ作成およびチェックに、半日〜数日程度の時間
が必要だった。操業のパラメータを変更する場合も、形
状の変更を伴う場合には同様の時間が必要になると思わ
れる。
【0035】例えば、有限要素モデルの表面の微小なセ
グメントが、炉内外に10000個ある場合、境界条件とし
て大体、熱伝達(対流)の設定に10000行、輻射の設定
に10000行程度のデータの設定入力が必要であり、また
輻射面間の形態係数は、10000×10000個となる。さらに
実際には、節点に対する初期条件や境界条件なども必要
となってくる。またバーナが100個あって、それぞれ100
0個の面と熱の授受があるとすると、100×1000=100000
行の設定が必要となる。
【0036】もしモデルが単純な形状であれば、変更が
あった場合に一括して範囲を指定し変更できる場合もあ
るが、複雑な形状のモデルでは、1セグメント毎に手作
業で変更していく必要がある。
【0037】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、有限要素
法などによる数値解析の方法において、入力データの作
成を容易にすることができ、シミュレーションモデルの
作成、修正および実行にかかる時間を大きく短縮するこ
とができる。また上記解析方法のユーザレベルにおけ
る、操作性を格段に向上させることができる。
【0038】特に、加熱炉内を移動する被加熱体の温度
分布の解析方法に適用することは、有効である。さら
に、時々刻々被加熱体が加熱炉内を移動し、特に被加熱
体が変形する場合は、入力データの作成に手間と時間が
かかってしまうので、本発明の適用はさらに有効であ
る。
【0039】本発明を用いた数値解析の方法を利用すれ
ば、例えば、加熱炉における設備設計や、操業条件の決
定および変更を容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】フローチャート全体を説明する図である。
【図2】フローチャートのステップAを説明する図であ
る。
【図3】フローチャートのステップBを説明する図であ
る。
【図4】フローチャートのステップCを説明する図であ
る。
【図5】フローチャートのステップDを説明する図であ
る。
【図6】フローチャートのステップEを説明する図であ
る。
【図7】フローチャートのステップFを説明する図であ
る。
【図8】加熱炉の側面を示す図である。
【図9】加熱炉の断面を示す図である。
【図10】作成されたルーフバーナの一配置例を示した
図である。
【図11】ルーフバーナの配列において、間隔や角度の
変更した例を示した図である。
【図12】被加熱体の大きさの違いによるルーフバーナ
のいくつかの配置例を示す図である。
【図13】入力データを作成する手順を説明する図であ
る。
【図14】入力データの例を示す図である。
【符号の説明】
10:加熱炉、11:搬送用ローラ、12:断熱材、1
3:床、14:側壁、15:天井、16:スプロケッ
ト、17:チェーン、18:ルーフバーナ、19:遮熱
板、20:サイドバーナ、30:型、G:ガラス板、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅井 貴弘 大阪府大阪市中央区道修町3丁目5番11号 日本板硝子株式会社内 Fターム(参考) 5B046 AA05 DA02 FA02 FA06 FA18 JA04 JA07 KA06 5B049 BB07 CC21 CC31 EE03 EE31 EE41 FF03 FF04 5B056 AA04 BB91 BB95

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 解析モデルを構成する各要素および境
    界条件のデータを、入力装置より入力して、それぞれ部
    品ファイルとして予め作成・保存しておくステップ、 必要な部品ファイルを選択して、解析モデルを作成す
    るステップ、 前記解析モデルの解析を実行するステップ、 前記解析の結果を出力および/または保存するステッ
    プ、 以上のステップを含むことを特徴とする数値解析による
    解析方法。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の解析方法において、さ
    らに前記各部品ファイルのデータを、加工するステップ
    を含む解析方法。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の解析方法において、前
    記加工するステップは、前記各部品ファイルのデータ
    を、時間が経過する毎に変更し保持するステップを含む
    数値解析による解析方法。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の解析方法において、所
    定の時間経過の回数の解析を実行する数値解析による解
    析方法。
  5. 【請求項5】 前記解析モデルが、加熱炉内を移動する
    被加熱体の温度分布の解析モデルである請求項1〜4い
    ずれかに記載の数値解析による解析方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT413456B (de) * 2003-09-17 2006-03-15 Voest Alpine Ind Anlagen Verfahren zum optimalen betrieb eines erwärmungsofens
JP2012256323A (ja) * 2011-06-07 2012-12-27 Boeing Co:The 解析データ用の直感的なコンテクストを作成するためのシステム及び方法

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