JP2015014961A

JP2015014961A - 熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法

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Publication number: JP2015014961A
Application number: JP2013142015A
Authority: JP
Inventors: 直弥倉田; Naoya Kurata
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-05
Also published as: JP6201463B2

Abstract

【課題】熱サイクルを受ける構造物の疲労破壊の抑制効果を向上させる。【解決手段】コンピュータにて、熱サイクルが作用する構造物の初期設計形状の解析モデルについて、熱サイクルが作用するときの時間経過に伴う温度変化を求める伝熱解析を行い、その温度変化が生じるときの熱歪みと弾性歪みと塑性歪みを求める構造解析を行う。各熱サイクルにて、熱歪みと弾性歪みと塑性歪みの和としての全歪みが時間の経過に伴って変化するときの最大値と最小値との差を求め、その差を評価関数として最適化計算を実施する。最適化計算の結果、形状変更された解析モデルについて、収束判定用の条件に達しない場合は、解析モデルを順次更新して、伝熱解析、構造解析、最適化計算の処理を繰り返し、収束判定条件に達すると、その時点での解析モデルの形状を、熱サイクルを受ける構造物の最適形状に設定させる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱サイクルが作用する構造物の設計を行う際に、設計形状を最適化するために用いる熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法に関するものである。

構造物の設計を行う際に、コンピュータにより、該構造物の設計形状の最適化を図るための解析を行うことがある。

これは、コンピュータにより、形状最適化の対象となる構造物の初期設計形状をモデル化した構造解析用の解析モデルを作成し、該解析モデルについて、構造解析プログラムによる数値構造解析を行うステップと、最適化解析プログラムにより、予め設定される所望の評価関数が小さくなるように形状の最適化を図る形状最適化解析を行うステップとを含む処理を行う。次に、前記形状最適化解析による形状変形を受けた設計解析モデルについて、形状最適化の収束判定のステップを行い、収束していないと判断される場合は、前記各ステップの処理を順に繰り返して行うようにする。一方、前記収束判定のステップで、形状最適化が収束したと判断される場合は、それを最適形状の設計解析モデルとさせるようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、自動車の一般的な使用状態は、停止状態から発進して加速し、所望の速度で走行し、赤信号の個所等で減速して停止するというように、停止状態から、加速、通常走行、減速し、停止するという操作が繰り返して行われる。

そのため、自動車のエンジンのエキゾーストマニホールドは、前記のような自動車の使用時のエンジン回転数の変化に応じて、停止時（アイドリング時）の或る温度から、加速時に温度上昇し、通常走行中は温度が上昇した状態に保持され、その後、減速して停止している間に、前記アイドリング時の温度まで温度低下するというような熱サイクルを繰り返して受けるようになる。

前記エキゾーストマニホールドは、前記熱サイクルの１周期のうち、前記自動車の定常走行中に対応する高温時には膨張し、前記自動車の停止時に対応する低温時には収縮する。このため、前記エキゾーストマニホールドがエンジンや排気管に連結されて拘束を受ける状態では、前記熱サイクルを受けると、該エキゾーストマニホールドには、熱応力により弾性歪みや熱歪みが生じ、更には、塑性歪みが生じるようになる。

なお、前記各歪みのうち、塑性歪みは、熱サイクルの繰り返しにより構造物に次第に蓄積するものである。すなわち、塑性歪みの最大値は、熱サイクルの各周期ごとに徐々に増加する。

そのために、従来、前記エキゾーストマニホールドのような熱サイクルが繰り返して作用する構造物を設計する際に、前記コンピュータを用いた構造物の設計形状の最適化を図る解析を行う場合は、一般的に、最適化解析プログラムによる形状最適化解析を行うステップで、熱サイクルの一周期ごとの最大塑性歪みの増加量が最小となるようにすることを目的として、形状最適化解析を行うようにしている。

なお、熱サイクルの一周期ごとの最大塑性歪みの増加量は、熱サイクルの各周期の最終時点での最大塑性歪みの値から、順序が一つ前の周期の最終時点での最大塑性歪みの値を引くことで容易に算出することができる。そのため、該最大塑性歪みの増加量に着目した前記従来の形状最適化解析では、前記最大塑性歪みの値は、時間の経過に伴う連続的な変化を演算して求める必要は特になく、熱サイクルの各周期の最終時点ごとについて演算を行うことで足りるため、このことによっても、前記熱サイクルの一周期ごとの最大塑性歪みの増加量の算出が容易なものとなっている。

特開平１１−２０３３３０号公報

ところが、前記のような熱サイクルが作用する構造物では、熱サイクルによる温度の上昇と低下により生じる熱応力の繰り返しによってひび割れなどの疲労破壊が生じる虞がある。

熱サイクルに伴って構造体に生じる歪みとしては、前記したように、塑性歪みのほかに弾性歪みと熱歪みも存在しているが、該熱サイクルが作用する構造物に対する従来の形状最適化解析手法では、弾性歪み及び熱歪みが考慮されていない。

そのために、前記従来の形状最適化解析手法では、たとえ熱サイクルの一周期ごとの最大塑性歪みの増加分を最小にすることができる最適形状が得られるとしても、その形状により、必ずしも、熱サイクルの各周期の高温時における弾性歪みと熱歪みと塑性歪みの総和（以下、全歪みと云う）と、低温時における全歪みとの差、すなわち、熱サイクルの各周期における全歪みの振幅が低減されているとは判断しきれないというのが実状である。

そこで、本発明は、熱サイクルが作用する構造物について、熱応力による疲労破壊に対する抑制効果をより確実なものとすることができる熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法を提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、請求項１に対応して、コンピュータを用いた熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法であって、前記構造物の初期設計形状を要素分割して節点と要素とからなる解析モデルを形成し、次に、前記解析モデルについて、予め設定した熱サイクルが作用するときの時間の経過に伴う温度変化を求める伝熱解析を行い、次いで、前記時間の経過に伴う温度変化が生じるときの前記構造解析モデルにおける熱歪みと弾性歪みと塑性歪みを求める構造解析を行い、その後、各熱サイクルにて、前記構造解析モデルにおける熱歪みと弾性歪みと塑性歪みの和による全歪みが時間の経過に伴って変化するときの該全歪みの最大値と最小値との差を求め、前記求めた各熱サイクルにおける全歪みの最大値と最小値との差を評価関数として最適化計算を実施し、従前の解析モデルより前記最適化計算の結果として形状変更された解析モデルについて、予め設定した収束判定用の条件まで収束したか否かを判断し、前記判断にて、最適化計算の結果として形状変更された解析モデルが前記収束判定条件に達していないとされる場合は、前記最適化計算の結果として形状変更された解析モデルについて、前記伝熱解析と構造解析と最適化計算と、前記収束判定条件に基づく判断を繰り返し行うようにし、一方、前記判断にて、最適化計算の結果として形状変更された構造が前記収束判定条件に達しているとされる場合は、その時点での解析モデルの形状を、前記熱サイクルを受ける構造物の最適形状と設定するようにする熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法とする。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）請求項１に示した構成を有する熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法によれば、熱サイクルが作用する構造物の熱サイクルの周期ごとに生じる弾性歪みと熱歪みと塑性歪みの和の変化量を抑制することが可能な構造物の最適形状を求めることができる。（２）このため、熱サイクルが作用する構造物について、熱応力による疲労破壊に対する抑制効果をより確実なものとすることができる。

本発明の熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法の実施の一形態の処理手順を示すフロー図である。構造物に作用する熱サイクルと、構造物に生じる全歪みの概要を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明の熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法の実施の一形態を示すものである。

本発明の熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法（以下、単に、本発明の形状最適化方法と記す）は、コンピュータにより実施させるものであり、図１に示すように、先ず、たとえば、エキゾーストマニホールドのような熱サイクルが作用する構造物における構造の最適化を望む評価領域について、初期設計形状の要素分割を行って、節点と要素とからなる解析モデルを形成する（ステップＳ１）。

次に、前記解析モデルについて、前記構造物に実際に作用することになる熱サイクルの温度変化が繰り返し作用する条件に関する伝熱解析を行う（ステップＳ２）。これにより、前記解析モデルでは、各節点ごとに、時間の経過と共に生じる温度変化が求められる。たとえば、熱サイクルが作用する構造物が自動車のエンジンのエキゾーストマニホールドであって、前記熱サイクルが自動車の停止状態から、加速、通常走行、減速して停止までの操作である場合は、或る節点での温度Ｔの変化は、図２の下段のグラフのようになる。

次いで、ステップＳ３へ進み、前記解析モデルについて、構造解析を行う。この構造解析では、前記解析モデルの各節点について、前記ステップＳ２の伝熱解析で求められた時間の経過に伴って生じる温度変化の情報を基に、該各節点において時間の経過と共に生じる弾性歪みと、熱歪みと、塑性歪みをそれぞれ求める。

その後は、ステップＳ４に進む。該ステップＳ４では、前記解析モデルの各節点について、前記ステップＳ３で求められた弾性歪みと熱歪みと塑性歪みの和として算出される全歪みＥを求めて、該全歪みＥについて、図２の上段のグラフに示す如き時系列変化を求める。

前記のようにして各節点について全歪みＥの時系列変化が求められると、該各節点について、熱サイクルの各周期内における全歪みＥの最大値（通常は各節点が温度上昇し最高温度となる状態の時に達する）と、全歪みＥの最小値（通常は各節点が前記最高温度に達した後の温度低下する際に発生する）との差ΔＥを計算する（ステップＳ５）。算出される該ΔＥは、以下、全歪みの振幅と称す。

なお、前記熱サイクルの一周期内で全歪みＥが最大値となる時点は、該節点の温度Ｔの時系列変化には直接対応していない。そのために、前記ステップＳ５で或る節点について前記全歪みの振幅ΔＥを求める際には、前記ステップＳ４にて、熱サイクルのすべての周期について全歪みＥの時系列変化を求め、その結果を基に、ステップＳ５で熱サイクルのすべての周期について、全歪みの振幅ΔＥを求めるようにすればよい。

又、形状最適化の対象となる構造物が、たとえば、熱サイクルの或る周期（たとえば、３周期目）以降は全歪みＥの時系列変化のパターンがほぼ一定になるという特性を有している場合には、該或る周期（たとえば、３周期目）以降の各周期については、全歪みＥの最大値の算出を前記或る周期（たとえば、３周期目）と同一のタイミングで行うようにしてもよい。この場合には、前記或る周期（たとえば、３周期目）以降の全歪みＥの最大値の算出に要する演算を軽減させることができるようになる。

続いて、ステップＳ６では、前記ステップＳ５で解析モデルの各節点について求められた全歪みの振幅ΔＥを評価関数として、最適化計算を行って、前記解析モデルについて、該全歪みの振幅ΔＥをより小さくさせることができるようにするための解析モデルの形状変更を求める。

具体的には、前記構造物の評価領域の解析モデルにおける全節点のうち、たとえば、全歪みの振幅ΔＥが最大となる節点における全歪みＥの最小値を参照値として、該評価領域中の各節点の節点値を、前記参照値に近づけるようにする。これにより、全歪みの振幅ΔＥが大きい節点では、増肉されて体積が増加させられることで、全歪みＥが減少させられる。一方、全歪みの振幅ΔＥが小さい節点では、減肉されて体積が減少させられるようになる。これにより、前記構造物の評価領域中のすべての節点では、前記全歪みの振幅ΔＥの値が、最適化が進むにつれて、前記参照値に近づくようになる。なお、どの程度参照値に近づくかは、予め任意に定めた変形許可領域、解析モデルに応じて大きく変化する。

前記ステップＳ６にて最適化計算により解析モデルの形状が変更された後は、ステップＳ７へ進んで、前記ステップＳ６で求められた形状変更後の解析モデルについて、最適化が達成されているか否かの判定を行う。具体的には、予め設定してある或る収束判定用の条件について、該収束判定条件が満たされているか否かの判断を行う。

前記ステップＳ７にて前記収束判定用の条件が満たされておらず、最適化の達成がなされていないと判断される場合は、ステップＳ８へ進み、解析モデルを、従前のものから、前記ステップＳ６にて最適化計算により求められた形状変更後の解析モデルに更新し、その後、前記ステップＳ２へ戻る処理を行う。これにより、前記ステップＳ７において最適化の達成がいまだ行われていないと判断される間は、前記ステップＳ８で解析モデルを順次更新しながら、前記ステップＳ２〜ステップＳ７までの処理を繰り返し実施するようにする。

前記ステップＳ８で解析モデルを更新してから前記ステップＳ２〜ステップＳ７までの処理を繰り返し実施する際には、解析モデルの更新に伴って、全歪みの振幅ΔＥが最大となる節点が変化することが考えられる。したがって、前記解析モデルが更新されるごとに、前記ステップＳ６では、最適化計算を行うための参照値を導出する全歪みの振幅ΔＥが最大となる節点を更新することが望ましい。なお、処理の簡易化を図る場合には、ステップＳ６の処理を最初に実施したときに全歪みの振幅ΔＥが最大となる節点とされた一つの節点を、その後のステップＳ６を実施する際にも、全歪みの振幅ΔＥが最大となる節点と見なして最適化計算を行うようにしてもよい。

一方、前記ステップＳ７にて、前記の或る収束判定用の条件が満たされて、最適化の達成が行われたと判断される場合は、ステップＳ９へ進み、その時点での解析モデルの形状を、前記熱サイクルを受ける構造物の最適形状に設定して、処理を終了するようにする。

したがって、前記本発明の形状最適化方法の実施に用いるコンピュータは、前記ステップＳ１からステップＳ９の処理を実施する機能を実装してあればよい。

なお、前記ステップＳ２における伝熱解析と、ステップＳ３における構造解析は、たとえば、ＡＢＡＱＵＳ、ＡＮＳＹＳ（登録商標）、ＮＸＮＡＳＴＲＡＮ等の汎用の伝熱解析が実施可能な構造解析ソフトウェアを利用して行うようにすればよい。又、前記した伝熱解析と構造解析が実施可能であれば、例示した以外の任意の構造解析ソフトウェアを用いるようにしてもよいことは勿論である。

前記ステップＳ６における最適化計算は、ＴＯＳＣＡ、ＯＰＴＩＳＨＡＰＥ（登録商標）−ＴＳ等の汎用の構造最適化ソフトウェアを利用して行うようにすればよい。又、前記した構造最適化の処理が実施可能であれば、例示した以外の任意の構造最適化ソフトウェアを用いるようにしてもよいことは勿論である。

このように、本発明の熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法によれば、熱サイクルが作用する構造物の熱サイクルの周期ごとに生じる全歪みの振幅ΔＥの変化量を抑制することができる構造物の最適形状を求めることができる。このため、熱サイクルが作用する構造物について、熱応力による疲労破壊に対する抑制効果をより確実なものとすることができる。

なお、本発明は、前記実施の形態にのみ限定されるものではなく、熱サイクルが作用する構造物であれば、自動車のエンジンのエキゾーストマニホールド以外のいかなる構造物の形状最適化に適用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

Ｅ全歪み
ΔＥ全歪みの振幅
Ｔ温度

Claims

コンピュータを用いた熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法であって、
前記構造物の初期設計形状を要素分割して節点と要素とからなる解析モデルを形成し、
次に、前記解析モデルについて、予め設定した熱サイクルが作用するときの時間の経過に伴う温度変化を求める伝熱解析を行い、
次いで、前記時間の経過に伴う温度変化が生じるときの前記構造解析モデルにおける熱歪みと弾性歪みと塑性歪みを求める構造解析を行い、
その後、各熱サイクルにて、前記構造解析モデルにおける熱歪みと弾性歪みと塑性歪みの和による全歪みが時間の経過に伴って変化するときの該全歪みの最大値と最小値との差を求め、
前記求めた各熱サイクルにおける全歪みの最大値と最小値との差を評価関数として最適化計算を実施し、
従前の解析モデルより前記最適化計算の結果として形状変更された解析モデルについて、予め設定した収束判定用の条件まで収束したか否かを判断し、
前記判断にて、最適化計算の結果として形状変更された解析モデルが前記収束判定条件に達していないとされる場合は、前記最適化計算の結果として形状変更された解析モデルについて、前記伝熱解析と構造解析と最適化計算と、前記収束判定条件に基づく判断を繰り返し行うようにし、
一方、前記判断にて、最適化計算の結果として形状変更された構造が前記収束判定条件に達しているとされる場合は、その時点での解析モデルの形状を、前記熱サイクルを受ける構造物の最適形状と設定するようにする
ことを特徴とする熱サイクルが作用する構造物の形状最適化方法。