JP2023065318A - 冷却シミュレーション方法、冷却シミュレーションプログラム、冷却シミュレーション装置及びワークの冷却方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図1(a)は本実施形態に係る冷却シミュレーション装置を示すブロック図であり、図1(b)は演算部を示すブロック図である。
図2(a)及び(b)は、本実施形態に係る冷却シミュレーション装置の動作を示す図であり、(a)は加熱工程のシミュレーションを示し、(b)は冷却工程のシミュレーションを示す。
第1に、ワーク、加熱コイル、及び、それらの周りの空間を各節点で複数の要素に区分けした磁場解析用FEMモデルとして、座標で示す節点情報と、各要素を構成する節点情報の組み合わせ( 以下、単に「要素情報」という)とがある。
第2に、ワーク及び加熱コイルの各素材に関する材料物性情報として、金属組織毎の電気伝導率及び比透磁率があり、いずれも温度依存性を有する。
第3に、解析条件に関する情報として、高周波誘導加熱電源の周波数と、加熱コイル電流又は加熱コイル電圧がある。
第4に、磁場解析用FEMモデルにおける各節点での温度情報がある。なお、この温度情報の初期値には室温が入力され、制御部21より逐次書き直される。
発熱量算出部23に入力される情報としては、ワークに設定されている座標で規定する節点情報と要素情報とであり、節点情報及び要素情報の何れも、磁場解析用FEMモデル及び熱処理解析用FEMモデル毎に定義する。発熱量算出部23は、磁場解析用FEMモデルにおける節点情報及び要素情報と、熱処理解析用FEMモデルにおける節点情報及び要素情報と、をマッピング処理する。発熱量算出部23は、熱処理解析用FEMモデルにおける各要素の発熱量を求め、直接又は制御部21を介して、熱処理解析部24に対して出力する。
第1に、ワークの形状及び寸法に関する熱処理解析用FEMモデルとして、座標で示す節点情報と、各要素を構成する節点の組み合わせ(要素情報)とがある。
第2に、ワークを構成する鋼の物性情報として、等温変態線図(TTT:Time-Temperature-Transformation diagram)、連続冷却変態曲線(CCT:Continuous-Cooling-Transformation diagram)、オーステナイト変態温度情報(TTA:Time-Temperature-Austenization diagram)、マルテンサイト変態温度などの相変態特性情報と、熱伝導率、比熱、密度、潜熱に関する熱伝導特性情報と、ヤング率、ポアソン比、線膨張係数、降伏点、加工硬化係数、変態膨張率、変態塑性係数などの応力・ひずみ物性情報と、がある。
第3に、ワークの冷却工程を想定するための情報として、ワークの冷却面に熱的境界条件として熱伝達率hの値を定義する。熱伝達率hについては後述する。
第4に、熱処理解析用FEMモデルで定められる各節点での発熱量に関する情報がある。これは、発熱量算出部23から入力される。
第5に、解析条件としての情報として、加熱時間、冷却時間、連成回数などがある。
図3は、冷却剤として水を用いた場合の例である。Tvh関係は、図3に示すものには限定されない。図3に示すようなTvh関係は実験によって取得してもよく、シミュレーションによって取得してもよく、モデル計算によって取得してもよい。各ワーク表面温度Ts及び各流速vにおける熱伝達率hは、冷却剤の沸騰現象を考慮して決定されている。
ワークの焼入処理においては、加熱工程と冷却工程が連続して実施される。上述の如く、加熱工程においては、例えば高周波誘導加熱によってワークがオーステナイト変態点以上の温度に加熱され、冷却工程においては、例えば冷却剤が噴射されることによってワークが急冷される。
図4は、本実施形態における加熱シミュレーション方法を示すフローチャートである。
先ず、本実施形態において想定する冷却方法について説明する。
図5は、本実施形態において想定する冷却装置を示す平面図である。
図6は、本実施形態において想定する冷却装置を示す端面図である。
本実施形態においては、上述の冷却剤200がワーク100に接触してワーク100を冷却する工程をシミュレートし、ワーク100の各部の温度変化を計算する。
図7は、本実施形態に係る冷却シミュレーション方法を示すフローチャートである。
なお、図7は主として熱流体解析部27と熱処理解析部24の連携動作について示し、他の動作は省略している。
本実施形態においては、予め、ワーク表面温度Tsと冷却剤の流速vと熱伝達率hとの関係(Tvh関係)を取得し、これを利用して冷却シミュレーションを行うことにより、沸騰現象をモデル化して計算する必要がない。すなわち、予めTvh関係を取得しておくことにより、ワーク表面温度Ts及び流速vが与えられると、ワーク表面の熱伝達率hを直ちに取得することができる。これにより、短い計算時間で精度が高いシミュレーションを行うことができる。
図8は、本実施形態に係る冷却シミュレーション方法を示すフローチャートである。
図8に示すように、本実施形態においては、ステップS12に示すように、熱流体シミュレーションにより、ワーク表面における冷却剤の流速vに加えて、ワーク表面における冷却剤の温度Tq及び冷却剤の圧力Pも計算する。そして、ステップS13に示すように、ワーク表面温度Ts、冷却剤の流速v、冷却剤の温度Tq、及び、冷却剤の圧力Pに基づいて、熱伝達率hを取得する。記憶部30には、ワーク表面温度Tsと冷却剤の流速vと冷却剤の温度Tqと冷却剤の圧力Pと熱伝達率hとの関係を記憶しておく。
h=f(Ts,v,Tq,P)
本実施形態における上記以外のステップは、第1の実施形態と同様である。
次に、上述した冷却シミュレーション方法、冷却シミュレーションプログラム又は冷却シミュレーション装置を用いたワークの冷却方法について説明する。
図9は、本実施形態に係るワークの冷却方法を示すフローチャートである。
次に、第1の実施形態の効果を示す試験例について説明する。
図10(a)は本試験例において想定及び作製した冷却装置を示す斜視透過図であり、図10(b)はワーク表面温度Tsの初期値を示す図である。
図11(a)は本試験例において計算された冷却剤の外観を示す図であり、図11(b)は流速分布を示す図である。
加熱されたワークの表面に冷却剤を接触させた場合の前記ワークの内部の温度変化を予測する冷却シミュレーション方法であって、
熱流体シミュレーションによる前記冷却剤の流れ解析により前記ワークの表面における前記冷却剤の流速を計算し、前記ワークの表面の温度及び前記計算された流速に基づいて前記ワークの内部の温度変化を計算する冷却シミュレーション方法。
前記ワークの表面の温度及び前記流速に基づいて前記ワークの表面における熱伝達率を推定し、前記熱伝達率を用いて前記ワークの内部の温度変化を計算する付記1に記載の冷却シミュレーション方法。
前記熱伝達率の値は、前記冷却剤の沸騰現象を考慮して決定されたものである付記2に記載の冷却シミュレーション方法。
前記熱流体シミュレーションにより、前記ワークの表面における前記冷却剤の温度及び前記冷却剤の圧力も計算し、前記ワークの表面の温度、前記冷却剤の流速、前記冷却剤の温度及び前記冷却剤の圧力に基づいて前記ワークの内部の温度変化を計算する付記1に記載の冷却シミュレーション方法。
前記ワークの表面の温度、前記冷却剤の流速、前記冷却剤の温度及び前記冷却剤の圧力に基づいて、前記ワークの表面における熱伝達率を推定し、前記熱伝達率を用いて前記ワークの内部の温度変化を計算する付記4に記載の冷却シミュレーション方法。
前記ワークの内部の温度変化を計算するときに、前記ワークの組織、応力及びひずみも計算する付記1~5のいずれか1つに記載の冷却シミュレーション方法。
前記ワークの変形を前記熱流体シミュレーションにフィードバックする付記6に記載の冷却シミュレーション方法。
前記ワークの内部の温度変化を前記熱流体シミュレーションにフィードバックする付記1~7のいずれか1つに記載の冷却シミュレーション方法。
前記ワークの表面の温度の初期値及び前記ワークの内部の温度の初期値を、前記ワークを高周波誘導加熱した場合のシミュレーションにより求める付記1~8のいずれか1つに記載の冷却シミュレーション方法。
加熱されたワークの表面に冷却剤を接触させた場合の前記ワークの内部の温度変化を予測する冷却シミュレーションプログラムであって、
コンピューターに、熱流体シミュレーションによる前記冷却剤の流れ解析により前記ワークの表面における前記冷却剤の流速を計算させ、前記ワークの表面の温度及び前記計算された流速に基づいて前記ワークの内部の温度変化を計算させる冷却シミュレーションプログラム。
加熱されたワークの表面に冷却剤を接触させた場合の前記ワークの内部の温度変化を予測する冷却シミュレーション装置であって、
熱流体シミュレーションによる前記冷却剤の流れ解析により前記ワークの表面における前記冷却剤の流速を計算し、前記ワークの表面の温度及び前記計算された流速に基づいて前記ワークの内部の温度変化を計算する演算部を備えた冷却シミュレーション装置。
前記ワークの表面の温度、前記冷却剤の流速及び前記表面における熱伝達率の関係を記憶した記憶部をさらに備え、
前記演算部は、前記ワークの表面の温度及び前記計算された流速に基づいて前記記憶部から前記熱伝達率を取得し、読み出した前記熱伝達率を用いて前記ワークの内部の温度変化を計算する付記11に記載の冷却シミュレーション装置。
付記1~9のいずれか1つに記載の冷却シミュレーション方法により冷却条件を決定する工程と、
前記決定された冷却条件によりワークを冷却する工程と、
を備えたワークの冷却方法。
前記冷却条件は、冷却ジャケットの形状を含み、
前記ワークを冷却する工程において、前記冷却条件を決定する工程において決定された前記形状の冷却ジャケットを用いる付記13に記載のワークの冷却方法。
10:入出力部
20:演算部
21:制御部
22:磁場解析部
23:発熱量算出部
24:熱処理解析部
25:物性値更新部
26:回路解析部
27:熱流体解析部
30:記憶部
100:ワーク
100a:上部
100b:中央部
100c:下部
101、103:冷却装置
110:筐体
120:給液管
130:冷却ジャケット
131:穴
135:整流板
136:穴
140:スペース
200:冷却剤
Claims (14)
- 加熱されたワークの表面に冷却剤を接触させた場合の前記ワークの内部の温度変化を予測する冷却シミュレーション方法であって、
熱流体シミュレーションによる前記冷却剤の流れ解析により前記ワークの表面における前記冷却剤の流速を計算し、前記ワークの表面の温度及び前記計算された流速に基づいて前記ワークの内部の温度変化を計算する冷却シミュレーション方法。 - 前記ワークの表面の温度及び前記流速に基づいて前記ワークの表面における熱伝達率を推定し、前記熱伝達率を用いて前記ワークの内部の温度変化を計算する請求項1に記載の冷却シミュレーション方法。
- 前記熱伝達率の値は、前記冷却剤の沸騰現象を考慮して決定されたものである請求項2に記載の冷却シミュレーション方法。
- 前記熱流体シミュレーションにより、前記ワークの表面における前記冷却剤の温度及び前記冷却剤の圧力も計算し、前記ワークの表面の温度、前記冷却剤の流速、前記冷却剤の温度及び前記冷却剤の圧力に基づいて前記ワークの内部の温度変化を計算する請求項1に記載の冷却シミュレーション方法。
- 前記ワークの表面の温度、前記冷却剤の流速、前記冷却剤の温度及び前記冷却剤の圧力に基づいて、前記ワークの表面における熱伝達率を推定し、前記熱伝達率を用いて前記ワークの内部の温度変化を計算する請求項4に記載の冷却シミュレーション方法。
- 前記ワークの内部の温度変化を計算するときに、前記ワークの組織、応力及びひずみも計算する請求項1に記載の冷却シミュレーション方法。
- 前記ワークの変形を前記熱流体シミュレーションにフィードバックする請求項6に記載の冷却シミュレーション方法。
- 前記ワークの内部の温度変化を前記熱流体シミュレーションにフィードバックする請求項1~7のいずれか1つに記載の冷却シミュレーション方法。
- 前記ワークの表面の温度の初期値及び前記ワークの内部の温度の初期値を、前記ワークを高周波誘導加熱した場合のシミュレーションにより求める請求項1に記載の冷却シミュレーション方法。
- 加熱されたワークの表面に冷却剤を接触させた場合の前記ワークの内部の温度変化を予測する冷却シミュレーションプログラムであって、
コンピューターに、熱流体シミュレーションによる前記冷却剤の流れ解析により前記ワークの表面における前記冷却剤の流速を計算させ、前記ワークの表面の温度及び前記計算された流速に基づいて前記ワークの内部の温度変化を計算させる冷却シミュレーションプログラム。 - 加熱されたワークの表面に冷却剤を接触させた場合の前記ワークの内部の温度変化を予測する冷却シミュレーション装置であって、
熱流体シミュレーションによる前記冷却剤の流れ解析により前記ワークの表面における前記冷却剤の流速を計算し、前記ワークの表面の温度及び前記計算された流速に基づいて前記ワークの内部の温度変化を計算する演算部を備えた冷却シミュレーション装置。 - 前記ワークの表面の温度、前記冷却剤の流速及び前記表面における熱伝達率の関係を記憶した記憶部をさらに備え、
前記演算部は、前記ワークの表面の温度及び前記計算された流速に基づいて前記記憶部から前記熱伝達率を取得し、読み出した前記熱伝達率を用いて前記ワークの内部の温度変化を計算する請求項11に記載の冷却シミュレーション装置。 - 請求項1に記載の冷却シミュレーション方法により冷却条件を決定する工程と、
前記決定された冷却条件によりワークを冷却する工程と、
を備えたワークの冷却方法。 - 前記冷却条件は、冷却ジャケットの形状を含み、
前記ワークを冷却する工程において、前記冷却条件を決定する工程において決定された前記形状の冷却ジャケットを用いる請求項13に記載のワークの冷却方法。
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