JP2010186475A - 有限要素解析法における熱流体−構造体相互作用シミュレーション - Google Patents

Abstract

【課題】バルクフロー流体エレメント（ＢＦＦＥ）を用いる熱流体−構造体相互作用のシミュレーションを示す。
【解決手段】それぞれのＢＦＦＥは以下の特性を有するように構成される。１）周囲構造体あるいはパイプ壁のいずれかを表わすソリッドエレメントからなる少なくとも１つの周囲レイヤ。２）流体の外側の境界を表わすシェルエレメントすなわちバルクノードセグメントからなるレイヤ。３）流体特性（例えば密度、比熱）、および体積（つまり、流体体積はバルクノードとそれを取り囲むバルクノードセグメントのすべてとの間の閉じた体積として計算される）定義するためのＢＦＦＥの中心にあるバルクノード。４）他のＢＦＦＥへの流体フロー経路を定義するための流体フロービームエレメントすなわちバルクノードエレメント。５）熱流体−構造体相互作用を行なうための、ソリッドエレメントとシェルエレメントとの間のコンタクトインターフェース。
【選択図】図３

Description

本発明は、構造体（例えば金属スタンピングツール）に対するコンピュータ支援工学解析に関し、特に、構造体の設計のために用いられる有限要素解析法におけるバルクフロー流体（ｂｕｌｋ ｆｌｏｗ ｆｌｕｉｄ）の時間進行の熱流体−構造体相互作用シミュレーションを行うコンピュータ支援工学解析に関する。

有限要素解析法（ＦＥＡ）は、三次元非線形構造設計および解析など複雑なシステムに関連するエンジニアリング問題をモデル化し解決するために産業において広く用いられる、コンピュータによって実現される方法である。ＦＥＡのその名前は、検討される対象の幾何学的配置を指定する方法に由来する。現代のデジタルコンピュータの出現により、ＦＥＡは、ＦＥＡソフトウェアとして実行されている。基本的に、ＦＥＡソフトウェアには、幾何学的な説明のモデルと、そのモデル内の各点における関連する材料特性とが、提供される。このモデルにおいて、解析されるシステムの幾何学的配置は、要素と呼ばれる種々のサイズのソリッド（中実体）、シェル（殻体）およびビーム（梁体）によって表わされる。要素の頂点をノードという。モデルは、材料特性に関連する材料名が割り当てられた有限数のエレメントから構成される。モデルは、このように、解析される対象がそのすぐまわりの環境と共に占めている物理的空間を表わす。そして、ＦＥＡソフトウェアは、それぞれの材料タイプの特性（例えばストレス−歪み構造方程式、ヤング率、ポアソン比、熱導電性）が作表されている表を参照する。さらに、対象の境界での条件（つまり負荷、物理的制約、熱流束など）が指定される。こうして、対象とその環境のモデルとが生成される。

ＦＥＡは、自動車メーカにおいて、空力性能、構造的一体性、パーツ製造など車両の製造の設計・最適化全般でますます一般的になってきている。同様に、航空機メーカは、第１プロトタイプが開発されるはるか前から、ＦＥＡによって、飛行機性能を予測している。一般的なＦＥＡのタスクのうちの１つは、金属成形（例えばシートメタルスタンピングあるいは金属パーツ成形）をシミュレートすることである。

金属成形は、薄いシートメタルパーツあるいはワークピース（例えばフェンダー、チャンネル（導管）、ハブキャップ、スチフナ（補強材）など）の製造のプロセスのことをいう。それは、図１に示す少なくとも１つの上部ツールすなわちパンチ１１２と１つの下部ツールすなわちダイ１１４とを有する油圧プレス１００を用いて、１枚の金属を引っ張り（ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ）、絞り（ｄｒａｗｉｎｇ）、曲げる（ｂｅｎｄｉｎｇ）ことを含んでいる。パンチ１１２が矢印１１０で示す下方向にダイ１１４へとプレスされると、スタンプされた金属パーツ１１３が生成される。金属成形は、また、ボルト、ネジあるいはリベットなどの金属留め具を製造するプロセスのことをいう。金属の形状を所望形状へと変形するよう圧力が印加される前に、金属成形プロセスの多くは、金属（例えばシート、バー、チューブ、ワイヤなど）を軟化する熱を必要とする。

熱間金属成形プロセスの際に、毎回パンチ１１２がダイ１１４へとプレスされるとき、熱が加熱されたメタルピース１１３からダイへと伝わる。ある種の金属パーツを生成する際に、１回以上のプレスの後に、ダイ１１４を特定の温度範囲に冷却する必要がある。自然冷却の代わりに、冷却システムを用いることにより、冷却効率を向上し、金属成形プレスの生産性を向上することができる。一般的には、より速く冷却するには、冷却液を一般的にはダイ１１４の内部に埋め込まれた１本以上の冷却液流路１１５に流すことによって達成することができる。ある種の構造あるいは配置の冷却液流路１１５は、冷却効率を向上させ、その結果、生産性をさらに向上させることになる。しかしながら、ダイ１１４の製造には非常に費用がかかる。物理的な試行錯誤アプローチによって冷却流路の最善な構造を実験的に決定するにはコストがかかりすぎる。

したがって、構造体の設計のために用いられる有限要素解析法におけるバルクフロー流体の熱流体−構造体相互作用、例えば冷却液と金属成形プレスのダイとの間の熱的相互作用をコンピュータによるシミュレートの実現方法が望まれよう。

本発明は、構造体の設計のために用いられる有限要素解析法におけるバルクフロー流体の熱流体−構造体相互作用、例えば熱間金属成形プロセスでのダイの冷却をシミュレートするシステム、方法およびソフトウェア製品を開示する。本発明の一の面では、冷却に用いられるバルクフロー流体は、１つ以上の流体フロー経路内に配置される。一例として、経路は金属成形ダイ内に埋め込まれた流路である。他の例では、経路は冷却液が入るパイプで密閉されている。流体フロー経路のそれぞれは入口と出口を有する。それぞれは、入口と出口との間に三次元空間における任意の形状および配向を有する。流体経路の断面は、円、楕円あるいは多角形（例えば三角形、四角形、五角形等）などの単純な閉じた二次元幾何学的形状からなる。連続した一連の、ひとまとまりの均一な体積の流体あるいは流体のスラグがそれぞれの流体フロー経路に沿って定義され、それぞれのスラグは経路に入っているバルク流体の一部を表わしている。それぞれの流体スラグは、以下に説明するバルクフロー流体エレメント（ｂｕｌｋ ｆｌｏｗ ｆｌｕｉｄ ｅｌｅｍｅｎｔ（ＢＦＦＥ））によってモデル化、すなわち表現することができる。

他の面では、それぞれのＢＦＦＥは以下の特性を有するように構成される。１）周囲構造体あるいはパイプ壁のいずれかを表わすソリッドエレメントからなる少なくとも１つの周囲レイヤ。２）流体の外側の境界を表わすシェルエレメントすなわちバルクノードセグメント（Ｂｕｌｋ Ｎｏｄｅ Ｓｅｇｍｅｎｔｓ）からなるレイヤ。３）流体特性（例えば密度、比熱）、および体積（つまり、流体体積はバルクノードとそれを取り囲むバルクノードセグメントのすべてとの間の閉じた体積として計算される）を定義するためのＢＦＦＥの中心にあるバルクノード。４）他のＢＦＦＥへの流体フロー経路を定義するための流体フロービームエレメントすなわちバルクノードエレメント（Ｂｕｌｋ Ｎｏｄｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ）。５）熱流体−構造体相互作用を行なうための、ソリッドエレメントとシェルエレメントとの間のコンタクトインターフェース。

さらに他の面では、バルクノードは、既知の方法で、例えば三次元空間におけるデカルト座標系における座標（ｘ、ｙ、ｚ）によって定義することができる。この場合、ｘ、ｙおよびｚは実数であり、座標（ｘ、ｙ、ｚ）は空間における点を一義的に定義する。それぞれのバルクノードセグメントは、バルクノードを取り囲むパイプ壁あるいは流体流路表面を表わす四角形あるいは三角形の表面領域のいずれかである。ＢＦＦＥの内では、バルクノードとバルクノードセグメントのそれぞれとの間の熱交換すなわち熱的な相互作用が、対流（ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）と放射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を介して行われる。バルクノードエレメントは、１つのＢＦＦＥを他のＢＦＦＥと、それぞれのバルクノードを接続することによって関連づける。これにより、フローの方向におけるそれぞれのバルクノード間の、伝導（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ）および移流（ａｄｖｅｃｔｉｏｎ）の熱的な相互作用すなわち熱交換を計算できる。

さらに他の面では、１つ以上のＢＦＦＥが入る構造体の熱的な相互作用のシミュレーションがスタートできる前に、初期境界条件（例えばある位置での温度）が定義される。シミュレーションは、有限要素解析法ソフトウェアモジュールを用いて、時間進行あるいは時間領域ソリューション（ｔｉｍｅ−ｍａｒｃｈｉｎｇ ｏｒ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を用いて行なうことができる。時間進行ソリューションにおいては、複数のソリューションサイクルが初期時間（例えばｔ＝０）からスタートして行なわれる。それぞれの次のソリューションサイクルにおいては、シミュレーション時間が時間インクリメント（Δｔ）ずつ進められる。それぞれのソリューションサイクルにおいては、熱的な相互作用すなわち熱交換が、それぞれのＢＦＦＥにおいて、そして２つの接続しているＢＦＦＥ間で、演算される。接続しているＢＦＦＥは、流体フロービームエレメント（つまりバルクノードエレメント）によって関連づけられる。

本発明の他の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照した以下の実施形態の詳細な説明を考察することで明らかになるであろう。

本発明のこれらおよび他の特徴、面および利点は、以下の説明、添付したクレームおよび以下の添付図面との関連から一層よく理解されるであろう。

図１は、金属成形プレスおよび素材金属ピースの斜視図である。 図２Ａは、本発明の一の実施形態で用いることができる、第１の例示的な流体フロー経路を示す図である。 図２Ｂは、本発明の他の実施形態で用いることができる、複数の第２の例示的な流体フロー経路を示す図である。 図３は、本発明の一の実施形態にかかる例示的なバルクフロー流体エレメントを示す斜視図である。 図４Ａは、本発明の実施形態にかかる、パイプの内部の、あるいはフロー経路に沿った流体を表わす複数の例示的な流体スラグを示す図である。 図４Ｂは、軸方向に、図４Ａの例示的なバルク流体フロー経路を示す、断面図である。 図５Ａは、本発明の実施形態にかかる、構造体の有限要素解析法におけるバルクフロー流体エレメントを用いて熱流体構造体相互作用をシミュレートする、例示的なプロセスを示すフローチャートを示している。 図５Ｂは、本発明の実施形態にかかる、構造体の有限要素解析法におけるバルクフロー流体エレメントを用いて熱流体構造体相互作用をシミュレートする、例示的なプロセスを示すフローチャートを示している。 図６は、本発明の実施形態が構築された演算デバイスの主要なコンポーネントを示す機能図である。

本発明の説明に役立てるために、ここで開示される全体にわたってのいくつかの用語を定義する必要があると思われる。以下の定義は、実施形態にかかる本発明を理解し記述することに役立たせるものであることを述べておくべきであろう。定義は、実施形態に関していくつかの制限を含むように見えるかもしれないが、ここで使われる用語の実際の意味は、この実施形態を十分に越えた当業者には公知の適用範囲を有する。

ＦＥＡは、有限要素解析法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）の意である。

暗黙ＦＥＡあるいは解法はＫｕ＝Ｆをいう。ここで、「Ｋ」は有効剛性マトリクス（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｍａｔｒｉｘ）であり、「ｕ」は未知の変位配列（ｕｎｋｎｏｗｎ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｒｒａｙ）であり、「Ｆ」は有効負荷配列（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｌｏａｄｓ ａｒｒａｙ）である。「Ｆ」は右側負荷配列（ｒｉｇｈｔ ｈａｎｄ ｓｉｄｅ ｌｏａｄｓ ａｒｒａｙ）であり、「Ｋ」は左側剛性マトリクス（ｌｅｆｔ ｈａｎｄ ｓｉｄｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｍａｔｒｉｘ）である。解法は、剛性度、質量および減衰の関数である有効剛性マトリクスの因数分解を用いて、全体的なレベルで行なわれる。１つの例示的な解法方法は、ニューマーク時間積分法（Ｎｅｗｍａｒｋ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ）である。上記に対する熱的に類似するもの（アナログ（ａｎａｌｏｇ））では、Ｋは有効伝導係数マトリクスであり、ｕは未知の温度配列であり、Ｆは有効熱的負荷配列である。１つの例示的な解法方法は、クランク−ニコルソン時間積分法（Ｃｒａｎｋ−Ｎｉｃｏｌｓｏｎ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ）である。

明示的ＦＥＡはＭａ＝Ｆをいう。ここで、「Ｍ」は対角的質量配列（ｄｉａｇｏｎａｌ ｍａｓｓ ａｒｒａｙ）であり、「ａ」は未知のノードの加速配列（ｕｎｋｎｏｗｎ ｎｏｄａｌ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｒｒａｙ）であり、「Ｆ」は有効負荷配列である。解法は、マトリックスの因数分解を用いずにエレメントレベルで実行することができる。１つの例示的な解法方法は、中心差分法（ｃｅｎｔｒａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ）と呼ばれるものである。

時間進行シミュレーション（ｔｉｍｅ−ｍａｒｃｈｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）あるいは時間領域（タイムドメイン）解析（ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ）は、時間領域における工学解析シミュレーション、例えば時間領域において有限要素解析法を用いた冷却液と金属成形プレスのダイとの間の熱流体構造体相互作用のシミュレーションをいう。

ビームエレメントは、２つの端部ノードによって定義された一次元の有限要素をいう。ビームが歪み力を受けた場合、ビームには、軸方向応力と、断面にわたって変化する３つの剪断応力とが伝わる。ビームの軸方向の歪みは、ビームの軸方向における伸張の量として定義される。例えば、ビームが軸方向引っ張り力によって元の長さＬから延びた長さ（Ｌ＋δ）へ伸張される場合、軸方向の歪みεは、単位長当たり合計の伸長δとして定義される（つまりε＝δ／Ｌ）。上記に対する熱的に類似するものでは、ビームが軸方向の温度勾配および材料質量フローレートを担う。

シェルエレメントは、エリア、例えば三角形のエレメント、四角形のエレメントなどによって定義された二次元のエレメントをいう。

ソリッドエレメントは、三次元の体積的な有限要素、例えば４つのノードの四面体のエレメント、８つのノードの六面体のエレメントなどをいう。

本発明の実施形態を、図２Ａ乃至図６を参照してここに説明する。しかしながら、これらの図を参照してここで与える詳細な説明は例示の目的であって発明がこれらの限定的な実施形態を越えて広がっていることは、当業者には容易に理解されよう。

まず図２Ａを参照して、第１の例示的なフロー経路２２０を示す。フロー経路２２０は、入口２２２と出口２２４とを備える。流体は、フロー経路の入口２２２へと入り、出口２２４から出ていく。一例として、フロー経路２２０は、冷却すべき構造体（例えば図１のダイ１１４）に埋め込まれた冷却液流路を表わすことができる。他の例では、フロー経路２２０は、熱交換器（例えばラジエータ、冷蔵庫等）における冷却コイルを表わすこともできる。図２Ｂは、第２の例示的なフロー経路２４０ａ〜ｎを示す。フロー経路２４０ａ〜ｎのそれぞれは、対応する入口２４２ａ〜ｎと出口２４４ａ〜ｎとを有している。他の実施形態では、入口ヘッダマニホルドがすべてのフロー入口２４２ａ〜ｎを接続し、出口ヘッダマニホルドがすべてのフロー出口２４４ａ〜ｎを接続する。第２フロー経路２４０ａ〜ｎは、比較的大きな構造体を冷却するようが構成することができる。図示を簡単化するために、第１フロー経路２２０および複数の第２フロー経路２４０の両方を、二次元面上で配置したオブジェクトとして示している。実際には、フロー経路はどれも三次元空間内でねじれたり向きを変えたりした流路とすることができる。目標は、熱交換を効率的かつ効果的に提供するのに最も適している配向（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）に流体流路を配置することである。本発明の一の面では、任意形状の三次元流体経路は、多数の連続した線分（ｌｉｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔｓ）の定義から生成される。一の態様においては、ユーザは、線分を、有限要素解析法ソフトウェアモジュールのプリプロセッサ（ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）のグラフィックユーザーインターフェースを用いて、対話式に定義することができる。

フロー経路に沿った流体の熱的相互作用をシミュレートするために、本発明の実施形態では、特別目的有限要素−バルクフロー流体エレメント（ＢＦＦＥ）３００が図３に示すように生成される。それぞれのＢＦＦＥ３００は以下の特性を備える。１）周囲構造体あるいはパイプ壁のいずれかを表わすソリッドエレメント３０２からなる少なくとも１つの周囲レイヤ（層）。２）流体の外側の境界を表わすシェルエレメントすなわちバルクノードセグメント（Ｂｕｌｋ Ｎｏｄｅ Ｓｅｇｍｅｎｔｓ）３０４からなるレイヤ。３）流体特性（例えば密度、比熱）、および体積（つまり、流体体積はバルクノードとそれを取り囲むバルクノードセグメントのすべてとの間の閉じた体積として計算される）を定義するためのＢＦＦＥの中心にある中心ノードすなわちバルクノード３０６。４）他のＢＦＦＥへの流体フロー経路を定義するための流体フロービームエレメントまたはバルクノードエレメント（Ｂｕｌｋ Ｎｏｄｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ）３０８。５）熱流体−構造体相互作用を行なうための、ソリッドエレメントとシェルエレメントとの間のコンタクトインターフェース３１０。

体積と流体の特性とがそれぞれのバルクノード３０６と関連づけられて、ＢＦＦＥ３００は流体の均一な体積あるいは質量を表わすよう構成される（例えば一様温度において図４Ａにおいて以下に定義した流体スラグ（ｆｌｕｉｄ ｓｌｕｇ））。バルクノード３０６は、既知の方法で、例えば三次元空間におけるデカルト座標系における座標（ｘ、ｙ、ｚ）によって定義することができる。この場合、ｘ、ｙおよびｚは実数であり、座標（ｘ、ｙ、ｚ）は空間における点を一義的に定義する。それぞれのバルクノードセグメント３０４は、バルクノード３０６を取り囲むパイプ壁あるいは流体流路表面を表わす四角形あるいは三角形の表面領域のいずれかである。ＢＦＦＥ３００の内では、バルクノード３０６とバルクノードセグメント３０４のそれぞれとの間の熱交換すなわち熱的な相互作用が、対流と放射を介して行われる。バルクノードエレメント３０８は、１つのＢＦＦＥ３００を他のＢＦＦＥと、それぞれのバルクノード３０６を接続することによって関連づける。これにより、フローの方向におけるそれぞれのバルクノード３０６間の、伝導および移流の熱的な相互作用すなわち熱交換を計算できる。

フロー経路に沿った流体の一例は図４Ａに示す。図４Ａは、本発明の実施形態にかかる、パイプ４０２の内部のバルクフロー流体を表わす一連の流体スラグ４１２ａ〜ｎを示す図である。パイプ４０２は、流体フロー経路（例えば第１経路２２０、第２経路２４０ａ〜ｎ）を表わす。複数の流体スラグ４１２ａ〜ｎのそれぞれは、それぞれのＢＦＦＥ３００でモデル化することができる。それぞれのスラグ４１２の長さは、ユーザあるいは自動手段（例えばコンピュータに搭載されたソフトウェアモジュール）によって構成される。構造体を設計するために、熱流体−構造体相互作用をシミュレートする目標を達成するため、フロー経路に沿って流体をどのように分割すればよいかは、当業者にはわかるであろう。例えば、フロー経路のある部分では、熱交換レートが高いために、より多くのＢＦＦＥを必要とする場合がある。

流体スラグ４１２ａ〜ｎは図４Ａにおいて同じ大きさであるように見えるかもしれないが、流体スラグ４１２ａ〜ｎは互いに異なった大きさであってもよい。パイプ４０２の軸方向の図を図４Ｂに示す。パイプ４０２の円形断面は単なる例である。他の閉じたどのような形状も（例えば楕円、三角形、四角形あるいは不規則な多角形）、本発明において用いることができる。

それぞれのスラグ４１２ａ〜ｎ（バルクノードセグメント３０４によって表わされる）と、パイプ壁あるいは周囲構造体（ソリッドエレメント３０２によって表わされる）と、の間の熱的な相互作用は、ＢＦＦＥ３００のコンタクトインターフェース３１０を介して行なわれる。流体ビームエレメント３０８によって関連づけられた２つの流体スラグ間の熱交換は、伝導と移流とを介して行われる。これらのコンポーネント間の連続的な熱的相互作用をシミュレートするために、時間進行あるいは時間領域解析が有限要素解析法ソフトウェアモジュールを用いて行なわれる。時間進行解析は、多くのソリューションサイクルからなる。それぞれのソリューションサイクルにおいては、それぞれのＢＦＦＥの、および２つの関連するＢＦＦＥ間の熱的相互作用が計算される。その結果、熱的相互作用の時間経過が、熱交換システム（例えば金属成形プレスにおけるダイの１セットの冷却通路）の設計のために計算され評価される。

次に図５Ａおよび図５Ｂを参照して、本発明の実施形態にかかる、構造体の有限要素解析法におけるバルクフロー流体エレメントを用いて熱流体−構造体相互作用をシミュレートする。例示的なプロセス５００で示すように、フローチャートをまとめて示す。プロセス５００は、ソフトウェアにおいて実行することもでき、望ましくは先の図面と合わせて理解することができる。

プロセス５００は、ステップ５０２においてバルクフロー流体・経路定義例えば金属成形プレスのダイにおける冷却通路の配置あるいはラジエータにおける配管の配向を受け取ることによってスタートする。バルク流体・経路定義は、１つ以上のバルクフロー流体経路を含むことができる。それぞれの経路は、特定の種類の流体を円滑に流せるように構成される。

受け取った情報は、既知の方法で有限要素解析法ソフトウェアモジュール（以下に図６を参照して詳細な説明において説明するコンピュータのメモリにロードされる）へ直接あるいは間接に提供される。例示的なよく知られている方法は、グラフィックユーザーインターフェースを有するプリプロセッシング（ｐｒｅ−ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）ソフトウェアモジュールを利用するものである。他のよく知られている方法は、有限要素解析法（ＦＥＡ）ソフトウェアモジュールの予め定義された入力フォーマットに応じて、受け取った定義を手入力するものである。

次に、ステップ５０４において、複数の流体スラグが、受け取られたフロー経路のそれぞれに沿って定義される。それぞれのスラグは、フロー経路に沿った流体の一部を表わす。それぞれの流体スラグの中心に、ノード（つまりバルクノード３０６）がまた定義される。そして、流体フロービームエレメント（つまりバルクノードエレメント３０８）がステップ５０６において定義される。流体フロービームエレメントは、２つの接続している流体スラグを関連づけるよう、かつ流体フローの方向を示すよう、構成される。それぞれの流体スラグは、長さと断面積によって決定できる体積を有する。ステップ５０８において、それぞれの流体スラグの流体体積、密度、比熱および熱伝導率が、対応するバルクノードに割り当てられる。流体特性を、流体・フロー経路定義とともに受け取ることができ、また別々のオペレーションにおいて受け取ることもできる。

ステップ５１０において、それぞれの流体スラグに対するソリッドエレメント３０２からなる少なくとも１つのレイヤが、構造体あるいはパイプを取り囲むものとして生成される。例示的なソリッドエレメントは、六面体（８ノードソリッド）、四面体（４ノードソリッド）あるいは他のタイプの三次元エレメントから形成することができる。それぞれの流体スラグの長さに応じて、ソリッドエレメントからなるレイヤは、流体スラグの軸方向に１より多くのエレメント（例えば、図３には２つのエレメントが示されている）を含むことができる。ステップ５１２において、シェルエレメント（つまりバルクノードセグメント３０４）からなるレイヤが、それぞれの流体スラグの外側の境界として生成される。ソリッドエレメントと同様に、シェルエレメントは、三角形エレメント、四角形エレメントあるいは他のタイプの二次元平面エレメントから形成することができる。そして、ステップ５１４において、コンタクトインターフェース３１０が、それぞれのシェルエレメント３０４と、それぞれのソリッドエレメント３０２の対応する内面と、の間に生成される。コンタクトインターフェース３１０は、流体（シェルエレメントによって表わされる）と構造体（ソリッドエレメントによって表わされる）との間の熱交換すなわち熱的な相互作用を行なうよう構成される。

ステップ５１４の後、流体スラグのそれぞれを、図３のバルクフロー流体エレメント（ＢＦＦＥ）３００と称することができる。次に、ステップ５２０において、初期境界条件（例えば構造体の温度、流体の入口あるいは出口における温度、フロー経路を通る流体速度等）が定義され、これにより、熱流体−構造体相互作用シミュレーションを時間領域、例えば多くのソリューションサイクルを用いた時間進行解析において、行なうことができる。

そして、熱流体−構造体相互作用シミュレーションが、ステップ５２２において、現在のソリューションサイクルで行なわれる。熱的相互作用は、放射および対流を通じた構造体とそれぞれのＢＦＦＥに対する流体との熱交換と、フロー方向における伝導および移流を通じた２つの関連するＢＦＦＥ間の熱交換と、を含んでいる。ソリューションが現在のソリューションサイクルにおいて終了した後、シミュレーション時間はステップ５２４において時間インクリメント（Δｔ）ずつインクリメントされる。言いかえれば、現在のソリューションサイクルが時間的に進められる。次に、判断５２６において、シミュレーションが終了されたか否かが既知の方法によって決定される。例えば、現在のソリューションサイクルにおけるシミュレーション時間が所定のトータルシミュレーション時間と比較され、現在のソリューションサイクル時間がトータルシミュレーション時間に達したとき、その場合シミュレーションは終了（ＥＮＤ）に達している。

判断５２６において「ｎｏ」の場合、プロセス５００はステップ５２２に戻り、判断５２６が「ｙｅｓ」となりプロセス５００が終了するまで、他の熱流体−構造体相互作用シミュレーションを繰り返す。

プロセス５００は、構造体の１つの構成に対する時間進行の熱流体−構造体相互作用シミュレーションを行なうよう構成される。例えば、金属成形プレスにおけるダイの、特定のセットの冷却通路がシミュレートされ解析される。あらゆる新しい改良あるいは調整を、冷却液流路の構造あるいは配置（つまり流体・フロー経路定義）にその後行うことができる。そして、所定の基準（例えば、冷却がある時間内に達成できる）に基づいて所望の構成が到達するまで、他のシミュレーションを構成の調整のために行なうことができる。

一の側面において、本発明は、ここで説明した機能性を実行可能な１つ以上のコンピュータシステムに対してなされたものである。コンピュータシステム６００の一例を図６に示す。コンピュータシステム６００は、プロセッサ６０４などの１つ以上のプロセッサを有する。プロセッサ６０４はコンピュータシステム内部通信バス６０２に接続されている。種々のソフトウェアの実施形態を、この例示的なコンピュータシステムで説明する。この説明を読むと、いかにして、他のコンピュータシステムおよび／またはコンピューターアーキテクチャーを用いて、本発明を実行するかが、関連する技術分野に習熟しているものには明らかになるであろう。

コンピュータシステム６００は、また、メインメモリ６０８、好ましくはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有しており、また二次メモリ６１０を有していてもよい。二次メモリ６１０は、例えば、１つ以上のハードディスクドライブ６１２、および／またはフレキシブルディスクドライブ、磁気テープドライブ、光ディスクドライブなどに代表される１つ以上のリムーバブルストレージドライブ６１４を有することができる。リムーバブルストレージドライブ６１４は、よく知られている方法でリムーバブルストレージユニット６１８から情報を読み取り、および／またはリムーバブルストレージユニット６１８に情報を書き込む。リムーバブルストレージユニット６１８は、リムーバブルストレージドライブ６１４によって読み取り・書き込みされるフレキシブルディスク、磁気テープ、光ディスクなどを表わす。以下にわかるように、リムーバブルストレージユニット６１８は、コンピューターソフトウェアおよび／またはデータを内部に記憶しているコンピュータで記録可能な記憶媒体を有している。

別の実施形態において、二次メモリ６１０は、コンピュータプログラムあるいは他の命令をコンピュータシステム６００にロードすることを可能にする他の同様な手段を有することもできる。そのような手段は、例えば、リムーバブルストレージユニット６２２およびインターフェース６２０を有することができる。そのようなものの例は、プログラムカートリッジおよびカートリッジインターフェース（ビデオゲーム機に見られるようなものなど）、リムーバブルメモリチップ（消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）フラッシュメモリ、あるいはＰＲＯＭなど）およびそれらに対応するソケットと、ソフトウェアおよびデータをリムーバブルストレージユニット６２２からコンピュータシステム６００に転送させることを可能にする他のリムーバブルストレージユニット６２２およびインターフェース６２０と、が含まれうる。一般に、コンピュータシステム６００は、プロセススケジューリング、メモリ管理、ネットワーク管理およびＩ／Ｏサービスなどのタスクを行なうオペレーティングシステム（ＯＳ）ソフトウェアによって制御され連係される。

通信インターフェース６２４も、また、バス６０２に接続することができる。通信インターフェース６２４は、ソフトウェアおよびデータがコンピュータシステム６００と外部装置との間で転送することを可能にする。通信インターフェース６２４の例には、モデム、ネットワークインターフェイス（イーサネット（登録商標）・カードなど）、コミュニケーションポート、ＰＣＭＣＩＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）、スロットおよびカードなど、が含まれうる。

コンピュータ６００は、特定の通信手続（つまりプロトコル）を実行してデータを送受信する。一般的なプロトコルの１つは、インターネットにおいて一般的に用いられているＴＣＰ／ＩＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）である。一般的に、通信インターフェース６２４は、データファイルをデータネットワーク上で伝達される小さいパケットへ分割し、あるいは受信したパケットを元のデータファイルへと組み立てる（再構築する）、いわゆるパケットのアセンブル・リアセンブル管理を行う。さらに、通信インターフェース６２４は、正しい宛先に届くようそれぞれのパケットのアドレス部分に対処し、あるいはコンピュータ６００が宛先となっているパケットを他に向かわせることなく確実に受信する。この書類において、「コンピュータプログラム媒体」および「コンピュータで記録可能な媒体」という用語は、リムーバブルストレージドライブ６１４および／またはハードディスクドライブ６１２に組み込まれたハードディスクなどの媒体を通常意味して用いられる。これらのコンピュータプログラム製品は、ソフトウェアをコンピュータシステム６００に提供する手段である。本発明は、このようなコンピュータプログラム製品に対してなされたものである。

コンピュータシステム６００は、また、コンピュータシステム６００をモニタ、キーボード、マウス、プリンタ、スキャナ、プロッターなどとアクセスさせる入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース６３０を有していてもよい。

コンピュータプログラム（コンピュータ制御ロジックともいう）は、メインメモリ６０８および／または二次メモリ６１０にアプリケーションモジュール６０６として記憶される。コンピュータプログラムを、また、通信インターフェース６２４を介して受け取ることもできる。このようなコンピュータプログラムが実行された時、コンピュータプログラムによって、コンピュータシステム６００がここに説明した本発明の特徴を実現することが可能になる。詳細には、コンピュータプログラムが実行された時、コンピュータプログラムによって、プロセッサ６０４がここに説明した本発明の特徴を実現することが可能になる。したがって、このようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステム６００のコントローラを表わしている。

ソフトウェアを用いて発明が実行されるある実施形態において、当該ソフトウェアは、コンピュータプログラム製品に記憶され、あるいは、リムーバブルストレージドライブ６１４、ハードドライブ６１２あるいは通信インターフェース６２４を用いて、コンピュータシステム６００へとロードされる。アプリケーションモジュール６０６は、プロセッサ６０４によって実行された時、アプリケーションモジュール６０６によって、プロセッサ６０４がここに説明した本発明の機能を実現する。

所望のタスクを実現するために、Ｉ／Ｏインターフェース６３０を介したユーザ入力によって、あるいは、よることなしに、１つ以上のプロセッサ６０４によって実行することができる１つ以上のアプリケーションモジュール６０６を、メインメモリ６０８に、ロードすることもできる。動作においては、少なくとも１つのプロセッサ６０４がアプリケーションモジュール６０６のうちの１つが実行されると、結果が演算され二次メモリ６１０（つまりハードディスクドライブ６１２）に記憶される。有限要素解析法（例えばそれぞれの流体スラグの温度）の状況は、テキストあるいはグラフィック表現でＩ／Ｏインターフェース６３０を介してユーザに報告される。

本発明を具体的な実施形態を参照して説明したが、これらの実施形態は単に例示的なものであって、本発明を限定するものではない。具体的に開示した例示的な実施形態に対する種々の変形あるいは変更が当業者よって提案されよう。例えば、ＢＦＦＥを円形断面によって示し説明したが、他のタイプの閉じた二次元の幾何学的図形、例えば、三角形、正方形あるいは四角形を用いることもできる。さらに、ソリッドエレメントからなる１つのレイヤだけを図３に示したが、ソリッドエレメントからなる１つより多くのレイヤを周囲構造体を表わすために定義することもできる。つまり、本発明の範囲は、ここに開示した具体的な例示的実施形態に限定されるのではなく、当業者が容易に思いつくあらゆる変形は、本願の精神および認識範囲内および添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれる。

１００ 油圧プレス
１１２ パンチ
１１３ メタルピース
１１４ ダイ
１１５ 冷却液流路
２２０ 第１経路
２２２ 入口
２２４ 出口
２４０ａ〜ｎ 第２経路
２４２ａ〜ｎ 入口
２４４ａ〜ｎ 出口
３００ バルクフロー流体エレメント
３０２ ソリッドエレメント
３０４ バルクノードセグメント（シェルエレメント）
３０６ バルクノード
３０８ バルクノードエレメント
３１０ コンタクトインターフェース
４０２ パイプ
４１２ａ〜ｎ 流体スラグ
６００ コンピュータシステム
６０２ バス
６０４ プロセッサ
６０６ アプリケーションモジュール
６０８ メインメモリ
６１０ 二次メモリ
６１２ ハードディスクドライブ
６１４ リムーバブルストレージドライブ
６１８ リムーバブルストレージユニット
６２０ インターフェース
６２２ リムーバブルストレージユニット
６２４ 通信インターフェース
６３０ Ｉ／Ｏインターフェース

Claims (15)

1. 有限要素解析法において時間進行の熱流体−構造体相互作用シミュレーションを用いて構造体を設計する方法であって、
   有限要素解析法アプリケーションモジュールがインストールされたコンピュータにおいて、構造体に１つ以上のフロー経路を有しているバルクフロー流体・経路の定義を受け取るステップと、
   コンピュータにおいてフロー経路のそれぞれに沿った複数の流体スラグを定義するステップであって、該複数の流体スラグは少なくとも第１バルクフロー流体エレメント（ＢＦＦＥ）と第２ＢＦＦＥとによって表わされており、第１および第２ＢＦＦＥのそれぞれは複数の流体スラグの対応する１つに関連する１セットの熱的な相互作用特性を備えており、第１ＢＦＦＥおよび第２ＢＦＦＥは前記フロー経路のそれぞれのフロー方向において互いに接続されているステップと、
   複数のソリューションサイクルにおいて構造体の時間進行の熱流体−構造体相互作用シミュレーションを行なうことによって得られた有限要素解析法の結果に基づいて、構造体の望ましい構成を生成するステップであって、有限要素解析法の結果は、複数のソリューションサイクルのそれぞれにおける、前記第１および第２ＢＦＦＥのそれぞれにおける第１熱的相互作用からの効果と、第１ＢＦＦＥと第２ＢＦＦＥとの間の第２熱的相互作用からの効果と、から構成されているステップと、
   を備える方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記フロー経路のそれぞれは、フロー入口およびフロー出口を有する連続的な任意の三次元流路を備えており、フローの方向はフロー入口からフロー出口である方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記流体スラグのそれぞれは、一様な温度の均一な体積の流体から構成され、該均一な体積は前記流体スラグのそれぞれの長さおよび断面積によって決定される方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、１セットの熱的な相互作用特性は、前記流体スラグのそれぞれの中心に位置するとともに前記流体スラグのそれぞれの均一な体積、流体密度および比熱を定義するよう構成されたセンターノードを備えている方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、１セットの熱的な相互作用特性は、前記流体スラグのそれぞれの外側の境界を表わすよう構成されたシェルエレメントレイヤを備えている方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、１セットの熱的な相互作用特性は、前記流体スラグのそれぞれを取り囲む構造体を表わすよう構成された少なくとも１つのソリッドエレメントレイヤを備えている方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、１セットの熱的な相互作用特性は、シェルエレメントとソリッドエレメントの内面との間に位置するコンタクトインターフェースレイヤを備えている方法。
8. 請求項３に記載の方法であって、１セットの熱的な相互作用特性は、前記流体スラグのそれぞれの軸方向の中心線に位置するとともに、前記第１ＢＦＦＥおよび前記第２ＢＦＦＥを接続するよう構成された流体フロービームエレメントを備えている方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、前記第１熱的相互作用は、熱放射および対流を介して行なわれる方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、前記第２熱的相互作用は、熱伝導および移流を介して行なわれる方法。
11. 有限要素解析法において時間進行の熱流体−構造体相互作用シミュレーションを用いて構造体を設計するシステムであって、
    有限要素解析法アプリケーションモジュールに対するコンピュータが読取り可能なコードを記憶するメインメモリと、
    メインメモリに連結される少なくとも１つのプロセッサと、を備えており、前記少なくとも１つのプロセッサがメインメモリにおけるコンピュータ可読コードを実行し有限要素解析法アプリケーションモジュールに、方法に基づいてオペレーションを行わせるシステムであり、その方法が、
    構造体に１つ以上のフロー経路を有しているバルクフロー流体・経路の定義を受け取るステップと、
    フロー経路のそれぞれに沿った複数の流体スラグを定義するステップであって、該複数の流体スラグは少なくとも第１バルクフロー流体エレメント（ＢＦＦＥ）と第２ＢＦＦＥとによって表わされており、第１および第２ＢＦＦＥのそれぞれは複数の流体スラグの対応する１つに関連する１セットの熱的な相互作用特性を備えており、第１ＢＦＦＥおよび第２ＢＦＦＥは前記フロー経路のそれぞれのフロー方向において互いに接続されているステップと、
    有限要素解析法において複数のソリューションサイクルにおいて構造体の時間進行の熱流体−構造体相互作用シミュレーションを行うステップであって、時間進行の熱流体−構造体相互作用シミュレーションの結果は、複数のソリューションサイクルのそれぞれにおける、前記第１および第２ＢＦＦＥのそれぞれにおける第１熱的相互作用からの効果と、第１ＢＦＦＥと第２ＢＦＦＥとの間の第２熱的相互作用からの効果と、から構成され、これにより、構造体の望ましい構成を結果に基づいて設計できるステップと、
    を備えるシステム。
12. 請求項１１に記載のシステムであって、前記流体スラグのそれぞれは、一様な温度の均一な体積の流体から構成され、該均一な体積は前記流体スラグのそれぞれの長さおよび断面積によって決定されるシステム。
13. 請求項１２に記載のシステムであって、１セットの熱的な相互作用特性は、前記流体スラグのそれぞれの外側の境界を表わすよう構成されたシェルエレメントレイヤを備えているシステム。
14. 請求項１３に記載のシステムであって、１セットの熱的な相互作用特性は、前記流体スラグのそれぞれを取り囲む構造体を表わすよう構成された少なくとも１つのソリッドエレメントレイヤを備えているシステム。
15. 方法に基づいて有限要素解析法において時間進行の熱流体−構造体相互作用シミュレーションを行うようコンピュータシステムを制御する命令を有するコンピュータで記録可能な記憶媒体であって、その方法が、
    コンピュータにおいて構造体に１つ以上のフロー経路を有しているバルクフロー流体・経路の定義を受け取るステップと、
    コンピュータにおいてフロー経路のそれぞれに沿った複数の流体スラグを定義するステップであって、該複数の流体スラグは少なくとも第１バルクフロー流体エレメント（ＢＦＦＥ）と第２ＢＦＦＥとによって表わされており、第１および第２ＢＦＦＥのそれぞれは複数の流体スラグの対応する１つに関連する１セットの熱的な相互作用特性を備えており、第１ＢＦＦＥおよび第２ＢＦＦＥは前記フロー経路のそれぞれのフロー方向において互いに接続されているステップと、
    有限要素解析法において複数のソリューションサイクルにおいて構造体の時間進行の熱流体−構造体相互作用シミュレーションを行うステップであって、時間進行の熱流体−構造体相互作用シミュレーションの結果は、複数のソリューションサイクルのそれぞれにおける、前記第１および第２ＢＦＦＥのそれぞれにおける第１熱的相互作用からの効果と、第１ＢＦＦＥと第２ＢＦＦＥとの間の第２熱的相互作用からの効果と、から構成され、これにより、構造体の望ましい構成を結果に基づいて設計できるステップと、
    を備えるコンピュータで記録可能な記憶媒体。