JP6354320B2 - Temperature prediction method and temperature prediction device for parts - Google Patents
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本発明は、流体領域内に存在する部品の温度を予測する方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for predicting the temperature of a part present in a fluid region.
従来、工業製品の設計開発段階において、コンピュータシミュレーションを用いて完成品を構成する部品の温度を予測することが行われている。例えば特許文献1には、排気が流通する排気管と、この排気管の周囲に空間を隔てて配設された遮熱板とを備えた排気系モデルを用いて、排気管の温度分布を解析する方法が開示されている。この方法では、排気系モデルに所定の計算格子を設定し、所定の境界条件を与えて定常解析を行うことで、ある時点における排気管の温度分布を算出している。このように図面段階で部品の温度分布を推定することにより、部品の温度を考慮した設計を行うことが可能となり、製品寸法やレイアウト,材料特性などの最適化が容易となる。 Conventionally, in the design and development stage of industrial products, the temperature of parts constituting a finished product is predicted using computer simulation. For example, in Patent Document 1, the temperature distribution of an exhaust pipe is analyzed using an exhaust system model that includes an exhaust pipe through which exhaust flows and a heat shield disposed around the exhaust pipe with a space therebetween. A method is disclosed. In this method, a predetermined calculation grid is set in the exhaust system model, a predetermined boundary condition is given, and steady analysis is performed, thereby calculating the temperature distribution of the exhaust pipe at a certain point in time. As described above, by estimating the temperature distribution of a part at the drawing stage, it is possible to perform design in consideration of the temperature of the part, and optimization of product dimensions, layout, material characteristics, and the like is facilitated.
しかしながら、上記の特許文献1の技術では定常解析の手法に基づく計算を行っているため、定常走行時の安定温度しか予測できず、非定常現象を生じる部品の温度予測には適用できない。ここで、排気系からの輻射入熱と走行風への対流放熱との釣り合いで部品温度が安定した定常走行状態からキーオフ(エンジン停止)したような場合について検討する。排気系からの輻射入熱量は、キーオフの前後で大きく変化することがなく、緩慢に低下する。これに対し、対流放熱量は、走行風がなくなることで急激に減少する。したがって、部品温度は一時的に上昇したのち低下するものと予想される。このような温度変化は非定常現象であるため、予測するためには非定常解析が必要となる。 However, since the technique of the above-mentioned Patent Document 1 performs calculations based on the steady analysis method, only the stable temperature during steady running can be predicted, and it cannot be applied to the temperature prediction of parts that cause unsteady phenomena. Here, the case where the key-off (engine stop) is performed from the steady running state in which the component temperature is stable due to the balance between the radiant heat input from the exhaust system and the convection heat radiation to the running wind will be considered. The amount of heat input from the exhaust system does not change greatly before and after key-off, and slowly decreases. On the other hand, the convective heat radiation amount decreases sharply when the traveling wind disappears. Therefore, the component temperature is expected to decrease after being temporarily increased. Since such a temperature change is a non-stationary phenomenon, a non-stationary analysis is required to predict it.
非定常解析の方法として、固体流体の強連成解析にて対流と熱伝導と輻射とを全て解き、部品の温度変化を算出するという方法が考えられる。しかし、部品温度の予測精度を高めることはできても、膨大な計算リソースと計算時間が必要となるため、製品開発には適用しにくいという課題がある。これに対して、対流と熱伝導と輻射とを分離して計算する弱連成手法を用いた非定常解析にて部品温度を予測することも考えられる。しかし、対流による伝熱量の計算には壁面の正確な温度分布や伝熱方向が考慮されないため、計算時間を短縮することはできても、部品温度の予測精度を高めることが難しい。なお、このような課題は車両の排気系部品に限って生じるものではなく、例えば空気などの流体領域内に存在する部品の温度を予測する場合にも同様の課題が生じうる。 As a method of unsteady analysis, there is a method in which all convection, heat conduction, and radiation are solved in a strong coupled analysis of a solid fluid, and a temperature change of the component is calculated. However, even if the prediction accuracy of the component temperature can be improved, a huge amount of calculation resources and calculation time are required, which makes it difficult to apply to product development. On the other hand, it is also conceivable to predict the component temperature by unsteady analysis using a weakly coupled method in which convection, heat conduction, and radiation are calculated separately. However, the calculation of the amount of heat transfer by convection does not take into account the exact temperature distribution and heat transfer direction of the wall surface, so it is difficult to increase the prediction accuracy of the component temperature even though the calculation time can be shortened. Such a problem is not limited to the exhaust system parts of the vehicle, and a similar problem may occur when predicting the temperature of a part existing in a fluid region such as air.
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、計算時間を短縮しながら高精度に部品の温度を予測できるようにした方法及び装置を提供することである。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。 One of the objects of the present case was created in view of the above-described problems, and is to provide a method and an apparatus that can predict the temperature of a component with high accuracy while reducing the calculation time. The present invention is not limited to this purpose, and is a function and effect derived from each configuration shown in the embodiments for carrying out the invention described later, and other effects of the present invention are to obtain a function and effect that cannot be obtained by conventional techniques. Can be positioned.
(1)ここで開示する部品の温度予測方法は、流体領域内に存在する部品について、前記部品の前記流体との接触部分を複数のセルに分割してモデル化した固体モデルと、前記流体の前記部品との接触部分を複数のセルに分割してモデル化した流体モデルとを設定し、熱流体解析ソフトウェアを用いることで前記部品の温度を予測する方法である。
前記温度予測方法は、前記流体モデルの各セルについて、定常解析により該各セルの流体温度と該各セルに隣接する前記固体モデルの各セルの壁面温度とを算出する定常解析工程と、前記定常解析工程で算出した複数の時点における前記流体温度及び前記壁面温度に基づいて、前記流体温度が前記壁面温度の関数で表現されるマップを作成するマップ作成工程と、前記固体モデルの各セルについて、前記マップ作成工程で作成したマップを用いて非定常解析により伝熱量を算出し、前記伝熱量に基づいて温度を算出する温度算出工程と、を備え、前記マップ作成工程では、前記流体温度を前記壁面温度の一次関数として近似するとともに、前記流体温度の外挿値を制限する制限関数を設けた前記マップを作成する。
(1) The method for predicting the temperature of a component disclosed herein includes: a solid model obtained by modeling a part existing in a fluid region by dividing a contact portion of the part with the fluid into a plurality of cells; In this method, a fluid model obtained by dividing a contact portion with the component into a plurality of cells is set, and the temperature of the component is predicted by using thermal fluid analysis software.
The temperature prediction method includes, for each cell of the fluid model, a steady analysis step of calculating a fluid temperature of each cell and a wall surface temperature of each cell of the solid model adjacent to each cell by steady analysis; Based on the fluid temperature and the wall surface temperature at a plurality of time points calculated in the analysis step, a map creating step for creating a map in which the fluid temperature is expressed as a function of the wall surface temperature, and for each cell of the solid model, Calculating a heat transfer amount by unsteady analysis using the map created in the map creation step, and calculating a temperature based on the heat transfer amount, and in the map creation step, the fluid temperature The map is prepared that is approximated as a linear function of the wall surface temperature and provided with a limiting function that limits the extrapolated value of the fluid temperature.
(2)前記マップ作成工程では、前記固体モデルの各セルについて、伝熱方向が変化す
る毎に前記関数を算出する時間領域を分けることが好ましい。
(3)前記制限関数は、前記一次関数の傾きと同符号であることが好ましい。
(2) In the map creation step, it is preferable to divide a time region in which the function is calculated for each cell of the solid model every time the heat transfer direction changes .
( 3 ) It is preferable that the limiting function has the same sign as the slope of the linear function.
(4)前記温度予測方法は、前記流体モデルの各セルについて、所定の境界条件を用いて定常解析により該各セルの流体温度と該各セルに隣接する前記固体モデルの各セルの壁面温度とを複数算出して、前記流体温度と前記壁面温度の関係を示す初期マップを作成する初期マップ作成工程と、前記固体モデルの各セルについて、前記初期マップ作成工程で作成した初期マップを用いて非定常解析により伝熱量を算出し、前記伝熱量に基づいて境界温度を算出する境界温度算出工程と、を備えることが好ましい。この場合、前記定常解析工程では、前記境界温度算出工程で算出した前記境界温度を用いて前記定常解析を行うことが好ましい。 ( 4 ) In the temperature prediction method, for each cell of the fluid model, the fluid temperature of each cell and the wall surface temperature of each cell of the solid model adjacent to each cell by a steady analysis using a predetermined boundary condition And calculating an initial map showing the relationship between the fluid temperature and the wall surface temperature, and using the initial map created in the initial map creation step for each cell of the solid model. It is preferable to include a boundary temperature calculation step of calculating a heat transfer amount by steady analysis and calculating a boundary temperature based on the heat transfer amount. In this case, in the steady analysis step, it is preferable to perform the steady analysis using the boundary temperature calculated in the boundary temperature calculation step.
(5)ここで開示する部品の温度予測装置は、熱流体解析ソフトウェアを用いて流体領域内に存在する部品の温度を予測する装置である。
前記温度予測装置は、前記部品の前記流体との接触部分を複数のセルに分割してモデル化した固体モデルと、前記流体の前記部品との接触部分を複数のセルに分割してモデル化した流体モデルとを設定するモデル設定部と、前記流体モデルの各セルについて、定常解析により該各セルの流体温度と該各セルに隣接する前記固体モデルの各セルの壁面温度とを算出し、算出した複数の時点における前記流体温度及び前記壁面温度に基づいて、前記流体温度が前記壁面温度の関数で表現されるマップを作成するマップ作成部と、前記固体モデルの各セルについて、前記マップ作成部で作成したマップを用いて非定常解析により伝熱量を算出し、前記伝熱量に基づいて温度を算出する温度算出部と、を備え、前記マップ作成部は、前記流体温度を前記壁面温度の一次関数として近似するとともに、前記流体温度の外挿値を制限する制限関数を設けた前記マップを作成する。
( 5 ) The component temperature prediction device disclosed herein is a device that predicts the temperature of a component existing in the fluid region using thermal fluid analysis software.
The temperature prediction device is modeled by dividing a contact portion of the part with the fluid into a plurality of cells and modeling the solid part and a contact portion of the fluid with the part into a plurality of cells. A model setting unit for setting a fluid model, and for each cell of the fluid model, the fluid temperature of each cell and the wall surface temperature of each cell of the solid model adjacent to each cell are calculated by steady-state analysis. A map creation unit that creates a map in which the fluid temperature is expressed as a function of the wall surface temperature based on the fluid temperature and the wall surface temperature at a plurality of times, and the map creation unit for each cell of the solid model in calculating the heat transfer amount by transient analysis using the map created, and a temperature calculation section for calculating the temperature based on the total heat, the map creating unit before the fluid temperature With it approximated as a linear function of the wall temperature, to create the map in which a restricted function that limits the extrapolated value of the fluid temperature.
(6)前記マップ作成部は、前記固体モデルの各セルについて、伝熱方向が変化する毎に前記関数を算出する時間領域を分けることが好ましい。 ( 6 ) It is preferable that the map creation unit divides a time region in which the function is calculated for each cell of the solid model every time the heat transfer direction changes.
開示の部品の温度予測方法によれば、流体領域内に存在する部品を流体モデルと固体モデルとに分けて、流体モデルについては定常解析を行うので、計算時間を大幅に短縮することができる。また、流体モデルを定常解析することで得られた複数の時点における流体温度と壁面温度とから、流体温度が壁面温度の関数で表現されるマップを作成することで、固体モデルの各セルに隣接する流体モデルの各セルの温度である流体温度を導出することができる。これにより、非定常解析において対流による伝熱量を計算することができる。 According to the disclosed temperature prediction method for components, the components existing in the fluid region are divided into the fluid model and the solid model, and the steady analysis is performed on the fluid model, so that the calculation time can be greatly shortened. In addition, by creating a map in which the fluid temperature is expressed as a function of wall surface temperature from the fluid temperature and wall surface temperature at multiple time points obtained by steady analysis of the fluid model, adjacent to each cell of the solid model The fluid temperature, which is the temperature of each cell in the fluid model, can be derived. Thereby, the amount of heat transfer by convection can be calculated in the unsteady analysis.
また、熱伝導及び輻射による各伝熱量は流体温度に関わらず算出可能であるため、これらの伝熱量に基づいて固体モデルの各セルの温度を算出することができる。すなわち、三つの伝熱形態による伝熱量をそれぞれ精度良く計算することができるため、部品の温度を高い精度で予測することができ、これにより部品の温度変化や温度分布をも高精度に予測可能である。さらに、マップを作成する工程において、流体温度を壁面温度の一次関数として近似するとともに、流体温度の外挿値を制限する制限関数を設けるため、過大又は過小な流体温度が導出されることを防ぐことができる。これにより解析の発散を防ぐことができるため、解析の安定性を確保することができる。 Further, since each heat transfer amount by heat conduction and radiation can be calculated regardless of the fluid temperature, the temperature of each cell of the solid model can be calculated based on these heat transfer amounts. In other words, the amount of heat transferred by each of the three heat transfer modes can be calculated with high accuracy, so that the temperature of the component can be predicted with high accuracy, and the temperature change and temperature distribution of the component can also be predicted with high accuracy. It is. Furthermore, in the process of creating the map, the fluid temperature is approximated as a linear function of the wall surface temperature, and a limiting function for limiting the extrapolated value of the fluid temperature is provided, so that excessive or too low fluid temperature is prevented from being derived. be able to. As a result, the divergence of the analysis can be prevented, and the stability of the analysis can be ensured.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the embodiment described below is merely an example, and there is no intention to exclude various modifications and technical applications that are not explicitly described in the following embodiment. Each configuration of the following embodiments can be implemented with various modifications without departing from the spirit thereof, and can be selected as necessary or can be appropriately combined.
[1.解析モデル]
本実施形態に係る部品の温度予測方法,温度予測装置は、熱流体解析ソフトウェアを用いて流体領域内に存在する部品の温度を予測する方法,装置である。本実施形態では、部品の一例として、車両の排気管やマフラーを車体へ支持するハンガーゴムを挙げ、定常走行後にキーオフ(エンジン停止)した場合のハンガーゴムの温度変化及び温度分布を予測する。
[1. Analysis model]
The part temperature prediction method and temperature prediction apparatus according to the present embodiment are a method and apparatus for predicting the temperature of a part existing in a fluid region using thermal fluid analysis software. In this embodiment, a hanger rubber that supports an exhaust pipe or a muffler of a vehicle on the vehicle body is taken as an example of a part, and the temperature change and temperature distribution of the hanger rubber when key-off (engine stop) is performed after steady running.
図1(a)に示すように、解析対象となるハンガーゴム1は、車体フロアの下側に配置されるゴム製の部品であり、車体側のブラケット(図示略)が接続される孔部1aと、二点鎖線で示す排気管5側のブラケット4(以下、ハンガーブラケット4という)が接続される孔部(図示略)とを有する。ハンガーゴム1は、排気管5の真上に配置されるため、対流による熱伝達に加えて、ハンガーブラケット4からの熱伝導及び排気管5からの輻射の影響を強く受ける部品である。
As shown in FIG. 1 (a), the hanger rubber 1 to be analyzed is a rubber part disposed below the vehicle body floor, and a
そのため、ハンガーゴム1の温度を精度良く予測するには、非定常解析にて三つの伝熱形態による熱量(伝熱量)をそれぞれ算出することが必要となる。しかし、熱伝導と輻射と対流とを一つの系として同時計算する強連成手法を用いて部品の温度を算出する場合には、膨大な計算リソースと計算時間とが必要となってしまう。そこで本実施形態では、強連成手法は用いず、ハンガーゴム1を模した三次元の解析モデルを固体部分(すなわちハンガーゴム1自体のモデル)と周辺の流体部分(すなわち周りの空気のモデル)とに分けて、固体部分については非定常解析を行い、流体部分については状態変化を計算しない定常解析を行うことで、計算時間の大幅な短縮を図る。 Therefore, in order to predict the temperature of the hanger rubber 1 with high accuracy, it is necessary to calculate the heat amounts (heat transfer amounts) of the three heat transfer modes by unsteady analysis. However, when calculating the temperature of a component using a strongly coupled method that calculates heat conduction, radiation, and convection simultaneously as one system, enormous calculation resources and calculation time are required. Therefore, in this embodiment, a strong coupling method is not used, and a three-dimensional analysis model simulating the hanger rubber 1 is divided into a solid portion (that is, a model of the hanger rubber 1 itself) and a surrounding fluid portion (that is, a model of surrounding air). The calculation time is greatly shortened by performing unsteady analysis for the solid portion and steady analysis that does not calculate the state change for the fluid portion.
解析モデルの一例を図1(b)及び(c)に示す。これらの図は、図1(a)中にて一点鎖線で囲んだ領域Rの部分に対応するモデルの内部断面を示すものであり、図1(b)は流体モデル2,図1(c)は固体モデル3である。流体モデル2は、ハンガーゴム1の周辺の空気の領域を複数のセル20(計算格子)に分割して設定されたものである。流体モデル2の複数のセル20のうち、ハンガーゴム1との接触部分(すなわち固体モデル3との境界部)に位置するセル20を、特に流体側境界セル21という。
An example of the analysis model is shown in FIGS. These drawings show the internal cross section of the model corresponding to the region R surrounded by the alternate long and short dash line in FIG. 1A, and FIG. 1B shows the
固体モデル3は、ハンガーゴム1を複数のセル30(計算格子)に分割して設定されたものである。固体モデル3の複数のセル30のうち、空気との接触部分(すなわち流体モデル2との境界部)に位置するセル30を、特に固体側境界セル31という。以下、流体側境界セル21と固体側境界セル31とを特に区別しない場合は、単に境界セル21,31という。なお、図1(b)及び(c)では、一部の境界セル21,31について符号を付す。
The solid model 3 is set by dividing the hanger rubber 1 into a plurality of cells 30 (calculation grids). Among the plurality of
複数のセル20,30のそれぞれには、例えばセル20,30の大きさや形状を規定するためのパラメータ,温度を表すパラメータ,質量や比熱や熱伝導率などのパラメータなど、様々な数値データが設定されている。なお、複数のセル20,30のそれぞれの大きさや分割数や分割位置などは特に限定されない。例えば、図1(b),(c)に示すように、境界セル21,31については、これら以外のセル20,30よりも小さく設定して、流体モデル2と固体モデル3との境界部における解析精度を高めてもよい。また、境界部から離れるほどセルの大きさが大きくなるように設定してもよいし、全てのセルを略同一の大きさに設定してもよい。
Various numerical data such as parameters for defining the size and shape of the
[2.装置構成]
本実施形態の部品の温度予測装置は、例えば熱流体解析用のコンピュータプログラム17を実行可能な汎用のコンピュータによって実現される。図2は、コンピュータ10を用いて部品の温度予測装置を構成する場合の概略構成図である。また、図3は、このコンピュータ10を用いて行われる解析プロセスを示す図である。
[2. Device configuration]
The component temperature prediction apparatus of the present embodiment is realized by, for example, a general-purpose computer that can execute a
図2に示すように、コンピュータ10(温度予測装置)は、CPU11(Central Processing Unit),メモリ12〔Read Only Memory(ROM),Random Access Memory(RAM)等〕,外部記憶装置13〔Hard Disk Drive(HDD),Solid State Drive(SSD),光学ドライブ等〕,入力装置14(キーボード,マウス等)及び出力装置15(ディスプレイ,プリンター装置等)を備える。これらは、コンピュータ10の内部に設けられたバス16(制御バス,データバス等)を介して互いに通信可能に接続される。数値流体解析用のコンピュータプログラム17は、外部記憶装置13にインストールされる。
As shown in FIG. 2, a computer 10 (temperature prediction device) includes a CPU 11 (Central Processing Unit), a memory 12 [Read Only Memory (ROM), Random Access Memory (RAM), etc.], an external storage device 13 [Hard Disk Drive (HDD), Solid State Drive (SSD), optical drive, etc.], input device 14 (keyboard, mouse, etc.) and output device 15 (display, printer device, etc.). These are connected to be communicable with each other via a bus 16 (control bus, data bus, etc.) provided in the
CPU11は、外部記憶装置13にインストールされたプログラムをメモリ12上に読み込んで実行し、計算結果を出力装置15に出力する。解析モデルとなるハンガーゴム1の形状は、例えば汎用の三次元CAD(Computer Aided Design)ソフトウェアで作成されたデータをコンピュータプログラム17に流用することによって、あるいは入力装置14からの入力によって設定される。また、解析の初期条件や境界条件,具体的なパラメータ設定値等は、入力装置14からの入力に基づいて、あるいは予め与えられた値として設定される。
The CPU 11 reads the program installed in the
数値流体解析のコンピュータプログラム17の機能を図2中に模式的に示す。このコンピュータプログラム17には、モデル設定部17a,初期条件設定部17b,初期マップ作成部17c,境界温度算出部17d,マップ作成部17e及び温度算出部17fが設けられる。なお、これらの各要素は、電子回路(ハードウェア)によって実現してもよく、あるいはこれらの機能のうちの一部をハードウェアとして設け、他部をソフトウェアとしたものであってもよい。
The function of the
モデル設定部17aは、上述した解析モデルを設定するものである。図1(b)及び(c)に示すように、モデル設定部17aは、ハンガーゴム1の周辺の空気の領域を複数のセル20に分割してモデル化した流体モデル2と、ハンガーゴム1を複数のセル30に分割してモデル化した固体モデル3とを設定する。なお、複数のセル20,30のうち、流体モデル2と固体モデル3との境界部に位置するセルをそれぞれ流体側境界セル21,固体側境界セル31として設定する。
The
初期条件設定部17bは、解析に用いる初期条件及び境界条件を設定するものである。本実施形態では定常走行後にキーオフした状況を想定しているため、初期条件設定部17bは、まず、定常走行時におけるハンガーゴム1の温度(安定温度)を算出する。この算出には、背景技術で説明した特許文献1に記載の方法をはじめとする公知の手法を用いることができる。例えば、車体の全部品をモデル化したフルモデルを作成し、熱伝導と輻射と対流の伝熱量を同時に解析し、フルモデルに含まれる各セルについての平衡温度をそのセルの安定温度として算出してもよい。初期条件設定部17bは、安定温度を用いて、固体モデル3の全てのセル30に対して、それぞれ固体内部温度Tsを設定する。
The initial condition setting unit 17b sets initial conditions and boundary conditions used for analysis. In this embodiment, since it is assumed that the key is turned off after steady running, the initial condition setting unit 17b first calculates the temperature (stable temperature) of the hanger rubber 1 during steady running. For this calculation, a known method including the method described in Patent Document 1 described in the background art can be used. For example, create a full model that models all parts of the car body, analyze heat transfer of heat conduction, radiation, and convection at the same time, and calculate the equilibrium temperature for each cell included in the full model as the stable temperature of that cell. May be. The initial condition setting unit 17b sets the solid internal temperature Ts for all the
さらに、初期条件設定部17bは、後述の補間計算のために、全ての固体表面温度T1(固体側境界セル31の安定温度)に一定の値を加算した値を第二固体表面温度T2としてそれぞれ設定すると共に、全ての固体表面温度T1から一定の値を減算した値を第三固体表面温度T3としてそれぞれ設定する。なお、固体表面温度T1は、全ての固体側境界セル31に対して与えられる境界条件である。また、第二固体表面温度T2,第三固体表面温度T3は任意に設定される値である。三つの固体表面温度T1,T2,T3は、定常解析で用いられる境界条件である。なお、固体内部温度Tsは、後述の境界温度算出部17dによる非定常解析で用いられる。
Further, the initial condition setting unit 17b adds a value obtained by adding a constant value to all the solid surface temperatures T 1 (stable temperature of the solid side boundary cell 31) for the interpolation calculation described later, and the second solid surface temperature T 2. And a value obtained by subtracting a certain value from all the solid surface temperatures T 1 is set as the third solid surface temperature T 3 . The solid surface temperature T 1 is a boundary condition given to all the solid
初期マップ作成部17cは、流体モデル2での定常解析結果を固体モデル3での非定常解析に利用するためのマップMp(以下、初期マップMpという)を作成するものであり、全ての流体側境界セル21について、各々の流体側境界セル21に対し一つの初期マップMpを作成する。初期マップ作成部17cは、まず、流体モデル2の流体側境界セル21のそれぞれについて、初期条件設定部17bで設定された境界条件(すなわち三つの固体表面温度T1,T2,T3)のそれぞれを用いて定常解析を行う。ここでは、図3に示すように、それぞれの流体側境界セル21について、固体表面温度T1を入力値とした定常解析1−1と、第二固体表面温度T2を入力値とした定常解析1−2と、第三固体表面温度T3を入力値とした定常解析1−3とを実施する。
The initial
ここでいう定常解析とは、例えば一つの境界条件である固体表面温度T1が与えられたときに、その境界条件を持った流体モデル2の各セルの温度がどのような定常温度に収束するのか、あるいは、その定常温度の分布がどのような分布になるのかを数値解析することである。固体表面温度T1,T2,T3のそれぞれは、流体モデル2と固体モデル3との境界部における温度分布を与える。したがって、流体モデル2の最外殻に位置する流体側境界セル21とこれに隣接する固体モデル3側との間の伝熱量は、固体表面温度T1,T2,T3のそれぞれと流体側境界セル21の温度とに基づいて算出することができる。
The steady analysis here is, for example, when the solid surface temperature T 1 which is one boundary condition is given, the temperature of each cell of the
上記の三つの定常解析によって、各流体側境界セル21について、熱伝達率hと、各流体側境界セル21の温度Tf(以下、流体温度Tfという)と、各流体側境界セル21に隣接する各固体側境界セル31の温度Tw(以下、壁面温度Twという)とが三つずつ算出される。すなわち、図3に示すように、定常解析1−1では熱伝達率h1と流体温度Tf1と壁面温度Tw1とが算出され、定常解析1−2では熱伝達率h2と流体温度Tf2と壁面温度Tw2とが算出され、定常解析1−3では熱伝達率h3と流体温度Tf3と壁面温度Tw3とが算出される。
According to the above three steady-state analyses, for each fluid-
初期マップ作成部17cは、横軸に壁面温度Tw,縦軸に流体温度Tfをとったグラフに、定常解析で得た三組の壁面温度Tw及び流体温度Tf〔すなわち、座標(Tw1,Tf1),(Tw2,Tf2),(Tw3,Tf3)〕をプロットし、最小二乗法や主成分分析の手法等を用いて近似直線(回帰直線,補間関数)を算出して初期マップMpを作成する。ここで算出される近似直線は、流体温度Tfが壁面温度Twの関数として表現されたものである。これにより、各流体側境界セル21について、壁面温度Twの変化量に対する流体温度Tfの変化量の比(流体温度Tfの変化量/壁面温度Twの変化量,すなわち近似直線の傾き)を把握することができる。
The initial
境界温度算出部17dは、固体モデル3の固体側境界セル31のそれぞれについて非定常解析を行い、各固体側境界セル31の壁面温度Twを境界温度として算出するものである。ここで算出される境界温度は、次のマップ作成部17eで用いられる。境界温度算出部17dは、各固体側境界セル31について、熱伝導による伝熱量qt,輻射による伝熱量qr及び対流による伝熱量qcを非定常解析にて算出し、これら伝熱量qt,qr,qcを合計した全伝熱量qに基づいて壁面温度Twを算出する。
The boundary
ここでいう非定常解析とは、例えば一つの初期条件である固体モデル3の固体内部温度Tsが与えられたときに、その初期条件を持った固体モデル3の各セルの温度が、時間経過とともにどのように変化するのか、あるいは温度の分布がどのような分布になるのかを数値解析することである。 The non-stationary analysis here refers to, for example, when the solid internal temperature Ts of the solid model 3 which is one initial condition is given, the temperature of each cell of the solid model 3 having the initial condition changes with time. It is a numerical analysis of how the temperature changes or the distribution of temperature.
固体モデル3の各セルの温度は、初期条件設定部17bで設定される固体内部温度Tsとして与えられる。この固体内部温度Tsには、固体モデル3が包囲される環境温度に関する情報が含まれておらず、すなわち流体モデル2と固体モデル3との境界部における境界条件が定まらない。一方、初期マップ作成部17cで作成される初期マップMpには、壁面温度Twの関数として与えられる流体温度Tfが表現されている。つまり、この関数の壁面温度Twに固体表面温度T1を代入すれば、固体表面温度T1に対応する流体温度Tfが算出される。したがって、固体モデル3の最外殻に位置する固体側境界セル31とこれに隣接する流体モデル2側との間の伝熱量が算出可能となる。
The temperature of each cell of the solid model 3 is given as the solid internal temperature Ts set by the initial condition setting unit 17b. The solid internal temperature Ts does not include information on the ambient temperature at which the solid model 3 is surrounded, that is, the boundary condition at the boundary between the
このとき、境界温度算出部17dは、計算中における幾つかの時点において、算出した壁面温度Twをその時点での境界温度TN(Nは出力の回数を表す)としてメモリ12に出力する。例えば、非定常解析を開始してから数十秒毎に、壁面温度Tw,境界温度TNを出力する。境界温度算出部17dが定常走行後にキーオフした時点を開始時点として、壁面温度Twの非定常計算を所定の時間刻みで所定時間(例えば900[秒])行うときに、非定常計算の途中で七回出力するとした場合は、各出力時点での壁面温度Twがそれぞれ境界温度T1,T2,…T7として出力されることとなる。なお、出力回数Nは、計算精度と計算負荷とのバランスを考慮して適宜設定されるものであり、詳細は後述する。また、T1〜TNは後述の定常解析に用いられるパラメータであることから、ここでは前述の固体表面温度T1〜T3と同じ符号で表現する。
At this time, the boundary
ここで、熱伝導による伝熱量qtと輻射による伝熱量qrは、固体モデル3側での演算だけで算出可能であるが、対流による伝熱量qcは固体モデル3と隣接する流体モデル2の温度情報がなければ演算できない。そこで、境界温度算出部17dは、初期マップ作成部17cで作成された初期マップMpに、初期条件設定部17bで設定された固体内部温度Tsを壁面温度Twとして適用して、固体側境界セル31に隣接する流体側境界セル21の温度Tfを取得する。そして、以下の式(1)に、壁面温度Twとしての固体内部温度Ts(例えば固体側境界セル31の温度)と、初期マップMpから取得した流体温度Tfとを代入して対流伝熱量qcを算出する。
Here, the heat transfer amount qt due to heat conduction and the heat transfer amount qr due to radiation can be calculated only by calculation on the solid model 3 side, but the heat transfer amount qc due to convection is temperature information of the
なおここでは、式(1)中の熱伝達率hは、初期マップ作成部17cで算出された複数の熱伝達率h1,h2,h3の平均値や、各熱伝達率h1,h2,h3に所定の重み付け処理を施した加重平均値を用いることができる。全伝熱量qが算出された結果、固体モデル3の各セルの温度がどのように変化するのかが把握され、その演算周期での固体内部温度Tsが推定される。次の演算周期では、その固体内部温度Ts(固体側境界セル31の温度)に基づいて、対流による伝熱量qcが算出され、これが全伝熱量qに反映されることになる。
Here, the heat transfer coefficient h in the equation (1) is the average value of the plurality of heat transfer coefficients h 1 , h 2 , h 3 calculated by the initial
マップ作成部17eは、上記の初期マップ作成部17cと同様、流体モデル2での定常解析結果を固体モデル3での非定常解析に利用するためのマップMを作成するものであり、全ての流体側境界セル21について、各々の流体側境界セル21に対し一つのマップMを作成する。ただし、マップ作成部17eは、定常解析の条件として、境界温度算出部17dで出力された各時点での境界温度T1,T2,…TNを用いる。すなわち、マップ作成部17eは、流体モデル2の流体側境界セル21のそれぞれについて、境界温度算出部17dで出力された各時点での境界温度T1,T2,…TNをそれぞれ用いて定常解析を行う。すなわち、境界温度T1,T2,…TNが与えられた場合における、流体モデル2の各セル(各流体側境界セル21を含む)のそれぞれの定常温度が算出される。
Similar to the initial
ここでは、図3に示すように、それぞれの流体側境界セル21について、一回目の出力時点における境界温度T1を入力値とした定常解析2−1,二回目の出力時点における境界温度T2を入力値とした定常解析2−2,・・・N回目の出力時点における境界温度TNを入力値とした定常解析2−Nを実施する。これらN回の定常解析によって、各流体側境界セル21について、熱伝達率hと、各流体側境界セル21の流体温度Tfと、各流体側境界セル21に隣接する各固体側境界セル31の壁面温度TwとがN個ずつ算出される。
Here, as shown in FIG. 3, for each fluid-
マップ作成部17eは、図5(a)に示すように、横軸に壁面温度Tw,縦軸に流体温度Tfをとったグラフに、定常解析で得たN組の壁面温度Tw及び流体温度Tf〔すなわち、座標(Tw1,Tf1),(Tw2,Tf2),…(TwN,TfN)〕をプロットし、最小二乗法や主成分分析の手法等を用いて近似直線f(回帰直線,補間関数)を算出してマップMを作成する。なお、図5(a)はマップ作成部17eにより作成されたマップMの一例であり、横軸の壁面温度Twと縦軸の流体温度Tfとを同じ温度範囲(例えば300〜400[K]など)に設定したマップである。
As shown in FIG. 5A, the
これにより、各流体側境界セル21について、壁面温度Twの変化量に対する流体温度Tfの変化量の比(流体温度Tfの変化量/壁面温度Twの変化量,すなわち近似直線fの傾き)を把握することができる。ここで算出される近似直線fは、流体温度Tfが壁面温度Twの関数として表現されたものであり、以下の式(2)のように一次関数で表される。なお、式(2)中のa,bは所定の定数である。
Thus, the ratio of the change amount of the fluid temperature Tf to the change amount of the wall surface temperature Tw (the change amount of the fluid temperature Tf / the change amount of the wall surface temperature Tw, that is, the inclination of the approximate line f) is grasped for each fluid
ここで、マップ作成部17eは、近似直線fを算出するときに、固体側境界セル31の伝熱方向が変化する毎に近似直線fを算出する時間領域(すなわち補間を行う区間,補間区間)を分ける。ここでいう伝熱方向とは、熱の伝わる(移動する)方向を意味し、固体側境界セル31の伝熱方向には、熱を吸収する方向(吸熱)と熱を放出する方向(放熱)との二つの形態がある。固体側境界セル31の伝熱方向の変化は、隣接する流体側境界セル21と固体側境界セル31の温度の大小関係が逆転することで生じる。これは、隣り合う流体側境界セル21と固体側境界セル31の各温度が、前者の方が高ければ固体側境界セル31は吸熱し、後者の方が高ければ固体側境界セル31は放熱するためである。
Here, when calculating the approximate straight line f, the
これについて図4(a)〜(c)を用いて説明する。図4(a)は、図1に示すハンガーゴム1の点Pに対応する固体側境界セル31(以下、これを特に固体側境界セル31pという)の壁面温度Twの変化と、この固体側境界セル31pに隣接する流体側境界セル21(以下、これを特に流体側境界セル21pという)の流体温度Tfの変化とを例示したグラフである。グラフ中の黒丸と白抜きの四角は、境界温度算出部17dによる非定常解析で出力された境界温度T1,T2,…TNを用いて、マップ作成部17eが定常解析により算出した壁面温度Tw及び流体温度Tfをそれぞれ示す。すなわち、図4(a)中のプロット時点は、境界温度算出部17dによる非定常解析の出力時点と略一致する。
This will be described with reference to FIGS. FIG. 4A shows the change in the wall surface temperature Tw of the solid side boundary cell 31 (hereinafter referred to as the solid side boundary cell 31p) corresponding to the point P of the hanger rubber 1 shown in FIG. It is the graph which illustrated change of fluid temperature Tf of fluid side boundary cell 21 (henceforth this is especially called fluid side boundary cell 21p) adjacent to cell 31p. Black circles and white squares in the graph are wall surfaces calculated by the
図4(b)は、図4(a)の各時点における壁面温度Twに対する流体温度Tfの関係を示したグラフであり、図4(c)は、図4(b)のグラフに対して時間領域を分けて近似直線を算出したものである。なお、これらの図では、横軸の壁面温度Twと縦軸の流体温度Tfとを同じ温度範囲(例えば300〜400[K]など)に設定している。 FIG. 4B is a graph showing the relationship of the fluid temperature Tf with respect to the wall surface temperature Tw at each time point in FIG. 4A, and FIG. 4C shows the time relative to the graph of FIG. The approximate straight line is calculated by dividing the area. In these drawings, the wall temperature Tw on the horizontal axis and the fluid temperature Tf on the vertical axis are set to the same temperature range (for example, 300 to 400 [K], etc.).
図4(a)に示すように、定常走行後にキーオフした時点を時刻t0とすると、非定常解析の最初の出力時点である時刻t0から壁面温度Tw及び流体温度Tfは一旦上昇する。これは、キーオフ直後には排気管5からの輻射やハンガーブラケット4からの熱伝導による伝熱量qt(吸熱量)はほとんど変化しないものの、走行風がなくなることで対流による伝熱量qc(放熱量)が小さくなるためである。その後、三回目の出力時点である時刻t1を過ぎるまでは、壁面温度Twは流体温度Tfよりも低いため、固体側境界セル31pは吸熱状態となっている。
As shown in FIG. 4 (a), when the time of the key-off after steady running a time t 0, the wall temperature from time t 0 is the first output time point Tw and the fluid temperature Tf of transient analyzes can temporarily rise. This is because the heat transfer amount qt (heat absorption amount) due to radiation from the
しかし、四回目の出力時点である時刻t2では、壁面温度Twと流体温度Tfとの大小関係が逆転して壁面温度Twが流体温度Tfよりも高くなり、伝熱方向が吸熱から放熱へと変化している。その直後の五回目の出力時点である時刻t3では、再び壁面温度Twが流体温度Tfよりも低くなり、伝熱方向が放熱から吸熱へと変化している。さらに、六回目の出力時点である時刻t4では、再度壁面温度Twが流体温度Tfよりも高くなって、伝熱方向が吸熱から放熱へと変化し、その後は放熱状態が継続している。 However, at time t 2 which is the output point of the fourth-time, higher than the wall temperature Tw is the fluid temperature Tf by reversed magnitude relation between wall temperature Tw and the fluid temperature Tf, the heat transfer direction to heat radiation from the heat absorption It has changed. At time t 3 the is the output point five time immediately after, becomes lower than the re-wall temperature Tw is the fluid temperature Tf, the heat transfer direction is changed to heat absorption from the heat radiation. Further, at time t 4 is the output point six round again wall temperature Tw is higher than the fluid temperature Tf, the heat transfer direction is changed to heat radiation from the heat absorption, then the heat dissipation state continues.
したがって、図4(b)に示すように、壁面温度Twと流体温度Tfとの経時的な関係は一直線とはならず、ジグザグに変化する。すなわち、壁面温度Tw及び流体温度Tfは、時刻t0から時刻t1にかけては同じように上昇するものの、時刻t2,t3,t4においてはその大小関係が入れ替わり、時刻t4から時刻t5にかけては再び同じように低下する。このように複雑な伝熱形態を持つ固体側境界セル31については、マップ作成部17eは、固体側境界セル31の伝熱方向が変化する毎に近似直線fを算出する時間領域を分け、分割後の各領域に対応するマップMを個別に作成する。
Therefore, as shown in FIG. 4B, the temporal relationship between the wall surface temperature Tw and the fluid temperature Tf is not a straight line but changes in a zigzag manner. That is, the wall surface temperature Tw and the fluid temperature Tf rise in the same way from time t 0 to time t 1 , but the magnitude relationship is switched at times t 2 , t 3 , and t 4 , and from time t 4 to time t It decreases again in the same way until 5 . For the solid-
具体的には、マップ作成部17eは、今回の出力時点での壁面温度Twと流体温度Tfとの大小関係が前回の出力時点での大小関係とは逆の場合に、前回の出力時点において時間領域を区切る。例えば、図4(a)に示す例では、時刻t2での壁面温度Twと流体温度Tfとの大小関係が時刻t1での大小関係とは反対であるため、マップ作成部17eは時刻t1において時間領域を区切り、時刻t0から時刻t1までの時間間隔を、例えば時間領域Aとする。同様に、時刻t3での二つの温度Tw,Tfの大小関係が時刻t2での大小関係とは反対であるため、マップ作成部17eは時刻t2において時間領域を区切り、時刻t1から時刻t2までの時間間隔を時間領域Bとする。このように、マップ作成部17eは、伝熱方向が変化する毎に時間領域を領域A〜Eに区切り、図4(c)に示すように、時間領域A〜E毎に近似直線fA〜fEを算出する。なお、ここでは一つのマップMに近似直線fA〜fEを重ねて示しているが、これらは個別のマップMに設定される。
Specifically, the
境界温度算出部17dによる非定常解析結果の出力回数Nは、マップ作成部17eによる定常解析の回数となるため、マップMを作成するときのプロット点と一致する。そのため、出力回数Nを少なく(すなわち出力する時間間隔を大きく)設定すると、近似直線fを算出する時間領域(補間区間)が大きくなるため、伝熱形態が複雑な部品の場合は実際の伝熱方向を捉えることが難しく、温度予測の誤差が大きくなりうる。
Since the number N of output of the unsteady analysis results by the boundary
これに対して、出力回数Nを多く設定した場合は、出力の時間間隔が小さくなるため誤差を小さくすることができる。ただし、出力回数Nが多ければ、マップ作成部17eによる定常解析の回数も増大する。そのため、出力回数Nは、上述したように計算精度と計算負荷とのバランスを考慮して適宜設定される。なお、マップ作成部17eによるN回の定常解析は独立して計算可能なため、十分な計算リソースがあれば並列処理が可能であり、計算処理にかかる時間は出力回数Nが多くてもそれほど変わりはないと考えられる。そのため、例えば十分な計算リソースがある場合には、出力回数Nを多めに設定し、計算精度をさらに高めるといったことも可能である。
On the other hand, when the number N of outputs is set to be large, the error can be reduced because the output time interval is reduced. However, if the output number N is large, the number of times of steady analysis by the
さらに、マップ作成部17eは、近似直線fに加えて、壁面温度Twに対する流体温度Tfの外挿値を制限する制限関数gを算出し、マップMに制限関数gを設ける。制限関数gは、壁面温度Twに対して流体温度Tfが過大又は過小にならないように、壁面温度Twに対する流体温度Tfを所定範囲内に制限するための関数であり、図5(b)に示すように、壁面温度Twの高温側に設定されるもの(高温側の制限関数gH)と、壁面温度Twの低温側に設定されるもの(低温側の制限関数gL)とがある。なお、図5(b)はマップ作成部17eにより作成されたマップMの一例であり、横軸の壁面温度Twと縦軸の流体温度Tfとを同じ温度範囲(例えば300〜400[K]など)に設定したマップである。
Furthermore, in addition to the approximate straight line f, the
高温側の制限関数gHは、複数のプロット点のうち壁面温度Twが最も高温な点Hの壁面温度をTwH,流体温度をTfHとすると、以下の式(3−1)のように一次関数で表される。また、低温側の制限関数gLは、複数のプロット点のうち壁面温度Twが最も低温な点Lの壁面温度をTwL,流体温度をTfLとすると、以下の式(3−2)のように一次関数で表される。以下の二つの式は、式(2)の近似直線fの定数aが正の値(a>0)の場合のものである。なお、以下の式中のcは正の定数であり、cを大きく設定すれば外挿の計算精度が高くなるという利点がある一方、計算が不安定になりやすいという面があるため、計算精度と計算の安定性とを考慮して適宜設定される。 The limiting function g H on the high temperature side is expressed by the following equation (3-1), where Tw H is the wall temperature of the point H where the wall surface temperature Tw is the highest among a plurality of plot points, and Tf H is the fluid temperature. Expressed by a linear function. Further, the low-temperature side limiting function g L is expressed by the following equation (3-2), where Tw L is the wall surface temperature of the point L where the wall surface temperature Tw is the lowest among the plurality of plot points, and Tf L is the fluid temperature. It is expressed as a linear function. The following two equations are for the case where the constant a of the approximate line f in Equation (2) is a positive value (a> 0). In addition, c in the following formula is a positive constant, and if c is set large, there is an advantage that the calculation accuracy of extrapolation becomes high, but there is a side that the calculation is likely to be unstable. And the stability of calculation are set as appropriate.
なお、式(2)の近似直線fの定数aが負の値(a<0)の場合の制限関数g′は、例えば以下の式(3−3),(3−4)のように一次関数で表すことができる。式(3−3)は、壁面温度Twの高温側に設定されるもの(高温側の制限関数gH′)であり、式(3−4)は、壁面温度Twの低温側に設定されるもの(低温側の制限関数gL′)である。 Note that the limiting function g ′ when the constant a of the approximate straight line f in Expression (2) is a negative value (a <0) is, for example, linear as shown in Expressions (3-3) and (3-4) below. It can be expressed as a function. Expression (3-3) is set on the high temperature side of the wall surface temperature Tw (high temperature side limiting function g H ′), and Expression (3-4) is set on the low temperature side of the wall surface temperature Tw. (Restriction function g L ′ on the low temperature side).
つまり、制限関数g,g′は、近似直線fの傾きaと同符号である一次関数として算出される。これにより、図5(b)に示すように、壁面温度Twの微少変動に対して流体温度Tfが大きく変動するような近似直線fが算出された場合であっても、上記の式(3−1)〜(3−4)によって流体温度Tfの外挿値が制限されるため、解析の安定性が確保される。 That is, the limiting functions g and g ′ are calculated as linear functions having the same sign as the inclination a of the approximate line f. As a result, as shown in FIG. 5B, even when the approximate straight line f in which the fluid temperature Tf varies greatly with respect to the slight variation in the wall surface temperature Tw is calculated, the above equation (3- Since the extrapolated value of the fluid temperature Tf is limited by 1) to (3-4), the stability of the analysis is ensured.
温度算出部17fは、固体モデル3の固体側境界セル31のそれぞれについて非定常解析を行い、各固体側境界セル31の壁面温度Twを算出することで温度変化を求めるものである。温度算出部17fは、境界温度算出部17dと同様、各固体側境界セル31について、熱伝導による伝熱量qt,輻射による伝熱量qr及び対流による伝熱量qcを非定常解析にて算出し、これら伝熱量qt,qr,qcを合計した全伝熱量qに基づいて壁面温度Twを算出する。これにより、ハンガーゴム1の温度変化が予測される。
The
上述したように、対流による伝熱量qcは固体モデル3と隣接する流体モデル2の温度情報がなければ演算できないため、温度算出部17fは、マップ作成部17eで作成されたマップMに、初期条件設定部17bで設定された固体内部温度Tsを壁面温度Twとして適用して、固体側境界セル31に隣接する流体側境界セル21の温度Tfを取得する。このとき、温度算出部17fは、実時間を参照し、マップMの対応する時間領域における近似直線fと制限関数g,g′とを適宜用いて、流体温度Tfを求める。ここでいう実時間とは、定常走行後にキーオフした時点を非定常解析の開始時点とした場合の開始時点からの経過時間を意味する。
As described above, since the heat transfer amount qc due to convection cannot be calculated without the temperature information of the
例えば、図1に示すハンガーゴム1の点Pに対応する固体側境界セル31pについて、非定常解析にて温度変化を算出する場合、温度算出部17fは、図4(c)に示すマップMを用いて固体内部温度Ts(例えば固体側境界セル31の温度)を壁面温度Twとした場合の流体温度Tfを取得する。このとき、温度算出部17fは、非定常解析を開始してから時刻t1までの間は、時間領域Aで算出された近似直線fAと、この近似直線fAに対して算出された二つの制限関数g(図示略)とを適宜用いて、流体温度Tfを取得する。つまり、温度算出部17fは、境界温度算出部17dにおける非定常解析の時間経過に合わせて非定常解析を行う。
For example, when calculating the temperature change for the solid side boundary cell 31p corresponding to the point P of the hanger rubber 1 shown in FIG. 1 by the unsteady analysis, the
ここで、温度算出部17fによる近似直線fと制限関数gとの選択方法について説明する。まず、図5(b)に示すように、複数のプロット点のうち壁面温度Twが最も高温な点Hと最も低温な点Lとの間に壁面温度Tw(固体内部温度Ts)がある場合(TwL≦Tw≦TwH)は、温度算出部17fは、近似直線fを用いて流体温度Tfを取得する。一方、壁面温度Twがこの範囲内にない場合は、近似直線fの傾きaの符号と、近似直線f及び制限関数gの大小関係とから決定する。
Here, a method of selecting the approximate line f and the limit function g by the
具体的には、近似直線fの傾きaが正の値の場合、すなわち、図5(b)に示すようなマップMの場合は、壁面温度Twが点Hよりも高い範囲(TwH<Tw)では、近似直線fを用いて取得した流体温度Tfと、式(3−1)に示す制限関数gHを用いて取得した流体温度Tfとのうち、低い方の流体温度Tfを選択する。また、壁面温度Twが点Lよりも低い範囲(Tw<TwL)では、近似直線fを用いて取得した流体温度Tfと、式(3−2)に示す制限関数gLを用いて取得した流体温度Tfとのうち、高い方の流体温度Tfを選択する。 Specifically, when the slope a of the approximate straight line f is a positive value, that is, in the case of the map M as shown in FIG. 5B, the range in which the wall surface temperature Tw is higher than the point H (Tw H <Tw ), The lower fluid temperature Tf is selected from the fluid temperature Tf acquired using the approximate straight line f and the fluid temperature Tf acquired using the limiting function g H shown in Expression (3-1). In the range where the wall surface temperature Tw is lower than the point L (Tw <Tw L ), the wall temperature Tw is acquired using the fluid temperature Tf acquired using the approximate straight line f and the limiting function g L shown in Expression (3-2). Of the fluid temperatures Tf, the higher fluid temperature Tf is selected.
一方、近似直線fの傾きaが負の値の場合は、壁面温度Twが点Hよりも高い範囲(TwH<Tw)では、近似直線fを用いて取得した流体温度Tfと、式(3−3)に示す制限関数gH′を用いて取得した流体温度Tfとのうち高い方の流体温度Tfを選択する。また、壁面温度Twが点Lよりも低い範囲(Tw<TwL)では、近似直線fを用いて取得した流体温度Tfと、式(3−4)に示す制限関数gL′を用いて取得した流体温度Tfとのうち低い方の流体温度Tfを選択する。 On the other hand, when the slope a of the approximate straight line f is a negative value, the fluid temperature Tf obtained using the approximate straight line f in the range where the wall surface temperature Tw is higher than the point H (Tw H <Tw) and the equation (3) 3) Select a higher fluid temperature Tf from the fluid temperatures Tf acquired using the limiting function g H ′ shown in FIG. In the range where the wall surface temperature Tw is lower than the point L (Tw <Tw L ), the fluid temperature Tf obtained using the approximate straight line f and the restriction function g L ′ shown in the equation (3-4) are used. The lower one of the fluid temperatures Tf is selected.
そして、温度算出部17fは、上記の式(1)に、壁面温度Twとしての固体内部温度Tsと、マップMから取得した流体温度Tfとを代入して対流伝熱量qcを算出する。なおここでも、式(1)中の熱伝達率hは、マップ作成部17eで算出された複数の熱伝達率h1,h2,…hNの平均値を用いる。
Then, the
[3.フローチャート]
上記のコンピュータ10がコンピュータプログラム17を実行する際の手順(温度予測方法)を図3の解析プロセスを用いて説明する。
[3. flowchart]
A procedure (temperature prediction method) when the
ステップS10では、解析モデルとなるハンガーゴム1のデータが用意され、あるいは外部記憶装置13や入力装置14等から入力され、モデル設定部17aにより流体モデル2と固体モデル3とが設定される。また、初期条件設定部17bにより固体内部温度Tsが設定されるとともに、三つの固体表面温度T1,T2,T3が設定される。
In step S10, data of the hanger rubber 1 serving as an analysis model is prepared or input from the
ステップS20では、初期マップ作成部17cにより、ステップS10で設定された三つの固体表面温度T1,T2,T3を用いた定常解析1−1,1−2,1−3が行われ、各流体側境界セル21について、熱伝達率hと流体温度Tfと壁面温度Twとが三つずつ算出される。続くステップS30では、初期マップ作成部17cにより、横軸に壁面温度Tw,縦軸に流体温度Tfをとり、定常解析で得られた三組の壁面温度Tw及び流体温度Tfがプロットされ、最小二乗法等を用いて近似直線が算出されて、流体側境界セル21毎に初期マップMpが作成される(初期マップ作成工程)。
In step S20, the initial
ステップS40では、境界温度算出部17dにより、固体モデル3の固体側境界セル31のそれぞれについて非定常解析1が行われ、各固体側境界セル31の壁面温度Twが境界温度として算出される(境界温度算出工程)。そして、非定常解析1の開始後、算出された境界温度が所定の時間刻みで出力される。なお、この算出過程において、対流伝熱量qcを算出するときにステップS10で設定された固体内部温度TsとステップS30で作成された初期マップMpとが用いられる。
In step S40, the boundary
ステップS50では、マップ作成部17eにより、ステップS40で出力された境界温度を用いた定常解析2−1,2−2,…2−Nが行われ、各流体側境界セル21について、熱伝達率hと流体温度Tfと壁面温度TwとがN個ずつ算出される(定常解析工程)。
続くステップS60では、マップ作成部17eにより、横軸に壁面温度Tw,縦軸に流体温度Tfをとり、定常解析で得られたN組の壁面温度Tw及び流体温度Tfがプロットされる。そして、伝熱方向が変化する毎に時間領域が分けられ、各時間領域内で最小二乗法などで近似直線fが算出されるとともに制限関数gが設けられて、流体側境界セル21毎にマップMが作成される(マップ作成工程)。
In step S50, the
In subsequent step S60, the
ステップS70では、温度算出部17fにより、固体モデル3の固体側境界セル31のそれぞれについて非定常解析2が行われ、各固体側境界セル31の壁面温度Twが算出されて温度変化が求められる(温度算出工程)。この算出過程ではステップS60で作成されたマップMが用いられるが、このとき、非定常解析2の実時間に対応する時間領域の近似直線fと制限関数gとが適宜用いられて流体温度Tfが取得される。なお、非定常解析2にて全ての固体側境界セル31の壁面温度Twが算出されるため、ハンガーゴム1の温度変化に加え、温度分布も求められる。
In step S70, the
[4.解析結果,効果]
図6は、図1に示すハンガーゴム1の点Pの温度が、定常走行後のキーオフ時からどのように変化するのかを予測した結果である。実線のグラフは、上述のコンピュータ10を用いて本温度予測方法(本手法)によって予測した温度変化を示し、破線のグラフは、従来手法である強連成によって予測した温度変化を示す。これら二つのグラフを比較してわかるように、本手法によって予測した温度変化は、強連成によって予測した温度変化と略一致しており、本手法は強連成と同等の高い計算精度を有する温度予測が可能である。
[4. Analysis results and effects]
FIG. 6 is a result of predicting how the temperature at the point P of the hanger rubber 1 shown in FIG. 1 changes from the time of key-off after steady running. A solid line graph indicates a temperature change predicted by the present temperature prediction method (this method) using the
なお、図6中の二点鎖線のグラフは、上記の境界温度算出部17dによって非定常解析で算出された境界温度の変化を示したものである。すなわち、二点鎖線のグラフは本温度予測方法の一回目の非定常解析での予測結果であり、これを用いて流体モデル2の定常解析を行った後、さらに固体モデル3の非定常解析を行って予測した温度変化が実線で示すグラフである。これらのグラフから、本手法による温度予測は、固体モデル3について非定常解析を二段階で行うことで、強連成による温度予測と同等の高精度な温度予測を行うことができる。
Note that the two-dot chain line graph in FIG. 6 shows changes in the boundary temperature calculated by the boundary
したがって、上述の温度予測方法及び温度予測装置によれば、流体領域内に存在する部品(本実施形態ではハンガーゴム1)を流体モデル2と固体モデル3とに分けて、流体モデル2については定常解析を行うので、計算時間を大幅に短縮することができる。また、流体モデル2を定常解析することで得られた複数の時点における流体温度Tfと壁面温度Twとから、流体温度Tfが壁面温度Twの関数で表現されるマップMを作成することで、固体モデル3の各セル31に隣接する流体モデル2の各セル21の温度である流体温度Tfを導出することができる。これにより、非定常解析において対流による伝熱量qcを計算することができる。
Therefore, according to the above-described temperature prediction method and temperature prediction apparatus, the part (the hanger rubber 1 in this embodiment) existing in the fluid region is divided into the
また、熱伝導及び輻射による各伝熱量qt,qrは流体温度Tfに関わらず算出可能であるため、これらの伝熱量に基づいて固体モデル3の各セル31の温度Twを算出することができる。すなわち、三つの伝熱形態による伝熱量をそれぞれ精度良く計算することができるため、部品1の温度を高い精度で予測することができ、これにより部品1の温度変化や温度分布をも高精度に予測可能である。
Further, since the heat transfer amounts qt and qr due to heat conduction and radiation can be calculated regardless of the fluid temperature Tf, the temperature Tw of each
また、上述の温度予測方法及び温度予測装置によれば、マップ作成部17eによるマップ作成工程(ステップS60)において、固体モデル3の各セル31について、伝熱方向が変化する毎に関数(近似直線f)を算出する時間領域を分ける。すなわち、流体温度Tfと壁面温度Twとの関係を、伝熱方向を考慮した関数で表現してマップ化するため、固体モデル3の非定常解析での計算精度を高めることができる。これにより、伝熱方向が変化するような複雑な伝熱形態を持つ部品についても、強連成手法と同程度の高い精度で、部品の温度変化を推定することができる。
Further, according to the temperature prediction method and the temperature prediction apparatus described above, a function (approximate straight line) is generated each time the heat transfer direction changes for each
また、上述の温度予測方法では、マップMを作成する工程において、流体温度Tfを壁面温度Twの一次関数として近似するとともに、流体温度Tfの外挿値を制限する制限関数gを設けるため、過大又は過小な流体温度Tfが導出されることを防ぐことができる。これにより解析の発散を防ぐことができるため、解析の安定性を確保することができる。
さらに上述の温度予測方法では、制限関数gは、近似直線fの傾きaと同符号である一次関数として算出されるため、解析の安定性を確保しながら解析精度を高めることができる。
Further, in the above-described temperature prediction method, in the step of creating the map M, the fluid temperature Tf is approximated as a linear function of the wall surface temperature Tw, and the limiting function g for limiting the extrapolated value of the fluid temperature Tf is provided. Alternatively, it is possible to prevent the excessive fluid temperature Tf from being derived. As a result, the divergence of the analysis can be prevented, and the stability of the analysis can be ensured.
Furthermore, in the above-described temperature prediction method, the limiting function g is calculated as a linear function having the same sign as the slope a of the approximate line f, so that the analysis accuracy can be improved while ensuring the stability of the analysis.
上述の温度予測方法では、まず、流体モデル2の各セル21について所定の境界条件を用いて定常解析が行われ、流体温度Tfと壁面温度Twとの関係を示す初期マップMpが作成される。続いて、固体モデル3の各セル31について、この初期マップMpを用いて非定常解析が行われて境界温度が算出される。そして、マップMを作成する際に行われる流体モデル2の定常解析では、この境界温度が用いられる。このため、図6に示すように、最終的に予測される部品の温度変化(実線)は、演算途中である境界温度の変化(二点鎖線)よりも強連成によって予測される部品の温度変化(破線)に近づけることができる。すなわち、非定常解析を二段階に亘って行うことで、部品の温度予測精度をより高めることができる。
In the temperature prediction method described above, first, steady analysis is performed on each
[5.その他]
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上記実施形態では、マップM,初期マップMpを作成する各工程において、流体温度Tfが壁面温度Twの一次関数として表現される場合を例示したが、定常解析で得た複数の壁面温度Tw及び流体温度Tfをプロットし、最小二乗法などを用いて算出する補間関数は一次関数に限られず、二次関数や指数関数などの他の関数であってもよい。
[5. Others]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
In the above-described embodiment, the case where the fluid temperature Tf is expressed as a linear function of the wall surface temperature Tw in each step of creating the map M and the initial map Mp is exemplified. However, a plurality of wall surface temperatures Tw and fluid obtained by steady analysis are exemplified. The interpolation function for plotting the temperature Tf and calculating using the least square method or the like is not limited to a linear function, and may be another function such as a quadratic function or an exponential function.
また、上記実施形態においてモデル設定部17aにより作成された流体モデル2,固体モデル3は一例であって上記したものに限られない。例えば、固体モデル3が、ハンガーゴム1の空気との接触部分を複数のセルに分割してモデル化したものであってもよく、流体モデル2が、空気とハンガーゴム1との接触部分における空気領域を複数のセルに分割してモデル化したものであってもよい。すなわち、流体モデル2,固体モデル3は、少なくとも上記の流体側境界セル21,固体側境界セル31を有していればよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、初期条件設定部17bが定常解析で用いる境界条件として三つの固体表面温度T1,T2,T3を設定しているが、四つ以上の固体表面温度が設定されてもよい。
また、上記実施形態では、分割後の各領域に対応するマップMを個別に作成する場合例示したが、一つのマップMに複数の補間関数と複数の制限関数とが設定されていてもよい。
また、マップMを作成する場合に、伝熱方向が変化する毎に補間関数を算出する領域を分けているが、伝熱方向の変化に関わらず、例えば所定の出力回数毎に時間領域を分けて補間関数を算出するような構成であってもよい。
In the above embodiment, three solid surface temperatures T 1 , T 2 , and T 3 are set as boundary conditions used by the initial condition setting unit 17b in the steady analysis, but even if four or more solid surface temperatures are set. Good.
Moreover, although the case where the map M corresponding to each area | region after a division | segmentation was produced individually was illustrated in the said embodiment, the several interpolation function and the some restriction | limiting function may be set to one map M. FIG.
In addition, when creating the map M, the area for calculating the interpolation function is divided every time the heat transfer direction changes. However, regardless of the change in the heat transfer direction, for example, the time area is divided every predetermined number of outputs. The interpolation function may be calculated.
また、制限関数gは必須ではなく、例えば、流体温度Tfの上限値と下限値とを設定することで流体温度Tfの範囲を制限するようなマップであってもよい。また、上記実施形態では、対流による伝熱量qcを計算するときに、初期マップ作成部17c又はマップ作成部17eで算出された複数の熱伝達率の平均値を用いているが、熱伝達率hは平均値でなくてもよく、例えば実時間を参照して実時間に近いタイミングで算出された熱伝達率hを用いて対流伝熱量qcを算出してもよい。
Further, the limiting function g is not essential, and may be a map that limits the range of the fluid temperature Tf by setting an upper limit value and a lower limit value of the fluid temperature Tf, for example. Moreover, in the said embodiment, when calculating the heat transfer amount qc by a convection, although the average value of the several heat transfer coefficient calculated in the initial
なお、上記実施形態では、解析対象として車両の排気系に設けられるハンガーゴム1を例示して説明したが、温度予測対象はこれに限られず、排気管5やハンガーブラケット4などの他の排気系部品であってもよいし、車両部品でなくてもよい。また、解析の想定状況も、上記した定常走行後のキーオフ直後に限られず、解析を行う状況に応じた初期条件及び境界条件を与えることで様々なシチュエーションにおける部品の温度を予測することができる。さらに本手法によれば、伝熱形態の複雑な部品であっても、計算時間を短縮しながら高精度に温度変化や温度分布を予測することができる。
In the above embodiment, the hanger rubber 1 provided in the exhaust system of the vehicle is illustrated as an analysis target. However, the temperature prediction target is not limited to this, and other exhaust systems such as the
1 ハンガーゴム(部品)
2 流体モデル
3 固体モデル
10 コンピュータ(温度予測装置)
17 コンピュータプログラム
17a モデル設定部
17b 初期条件設定部
17c 初期マップ作成部
17d 境界温度算出部
17e マップ作成部
17f 温度算出部
20 流体モデルのセル
21 流体側境界セル
30 固体モデルのセル
31 固体側境界セル
Tw 壁面温度
Tf 流体温度
M マップ
Mp 初期マップ
1 Hanger rubber (parts)
2 Fluid model 3
17
Tw Wall temperature
Tf Fluid temperature M map Mp initial map
Claims (6)
前記流体モデルの各セルについて、定常解析により該各セルの流体温度と該各セルに隣接する前記固体モデルの各セルの壁面温度とを算出する定常解析工程と、
前記定常解析工程で算出した複数の時点における前記流体温度及び前記壁面温度に基づいて、前記流体温度が前記壁面温度の関数で表現されるマップを作成するマップ作成工程と、
前記固体モデルの各セルについて、前記マップ作成工程で作成したマップを用いて非定常解析により伝熱量を算出し、前記伝熱量に基づいて温度を算出する温度算出工程と、を備え、
前記マップ作成工程では、前記流体温度を前記壁面温度の一次関数として近似するとともに、前記流体温度の外挿値を制限する制限関数を設けた前記マップを作成する
ことを特徴とする、部品の温度予測方法。 For a part existing in a fluid region, a solid model obtained by modeling the part of the part in contact with the fluid divided into a plurality of cells, and a part of the fluid in contact with the part divided into a plurality of cells. A method for predicting the temperature of the part by setting a modeled fluid model and using thermal fluid analysis software,
For each cell of the fluid model, a steady analysis step of calculating a fluid temperature of each cell and a wall surface temperature of each cell of the solid model adjacent to each cell by steady analysis;
A map creating step for creating a map in which the fluid temperature is expressed as a function of the wall surface temperature based on the fluid temperature and the wall surface temperature at a plurality of time points calculated in the steady analysis step;
For each cell of the solid model, the amount of heat transfer is calculated by unsteady analysis using the map created in the map creation step, and a temperature calculation step of calculating the temperature based on the amount of heat transfer is provided .
In the map creating step, the fluid temperature is approximated as a linear function of the wall surface temperature, and the map having a limiting function for limiting an extrapolated value of the fluid temperature is created. , Part temperature prediction method.
ことを特徴とする、請求項1記載の部品の温度予測方法。 2. The component temperature prediction method according to claim 1, wherein in the map creation step, a time region in which the function is calculated is divided for each cell of the solid model every time a heat transfer direction changes .
ことを特徴とする、請求項1又は2記載の部品の温度予測方法。 The restriction function is characterized in that the the slope the same sign of a linear function, the temperature predicting method component according to claim 1 or 2, wherein.
前記固体モデルの各セルについて、前記初期マップ作成工程で作成した初期マップを用いて非定常解析により伝熱量を算出し、前記伝熱量に基づいて境界温度を算出する境界温度算出工程と、を備え、
前記定常解析工程では、前記境界温度算出工程で算出した前記境界温度を用いて前記定常解析を行う
ことを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の部品の温度予測方法。 For each cell of the fluid model, a plurality of fluid temperatures of the cells and wall surfaces of the cells of the solid model adjacent to the cells are calculated by steady analysis using predetermined boundary conditions, and the fluid temperature And an initial map creation step for creating an initial map showing the relationship between the wall temperature and the wall temperature,
For each cell of the solid model, a heat transfer amount is calculated by unsteady analysis using the initial map created in the initial map creation step, and a boundary temperature calculation step of calculating a boundary temperature based on the heat transfer amount is provided. ,
Wherein in the normal analysis process, characterized in that said performing the steady-state analysis using the boundary temperature calculated by the boundary temperature calculation step, the temperature predicting method component according to any one of claims 1-3.
前記部品の前記流体との接触部分を複数のセルに分割してモデル化した固体モデルと、前記流体の前記部品との接触部分を複数のセルに分割してモデル化した流体モデルとを設定するモデル設定部と、
前記流体モデルの各セルについて、定常解析により該各セルの流体温度と該各セルに隣接する前記固体モデルの各セルの壁面温度とを算出し、算出した複数の時点における前記流体温度及び前記壁面温度に基づいて、前記流体温度が前記壁面温度の関数で表現されるマップを作成するマップ作成部と、
前記固体モデルの各セルについて、前記マップ作成部で作成したマップを用いて非定常解析により伝熱量を算出し、前記伝熱量に基づいて温度を算出する温度算出部と、を備え、
前記マップ作成部は、前記流体温度を前記壁面温度の一次関数として近似するとともに、前記流体温度の外挿値を制限する制限関数を設けた前記マップを作成する
ことを特徴とする、部品の温度予測装置。 An apparatus for predicting the temperature of a part existing in a fluid region using thermal fluid analysis software,
A solid model in which a part of the part that contacts the fluid is divided into a plurality of cells and modeled, and a fluid model that is modeled by dividing the part of the fluid in contact with the part into a plurality of cells is set. A model setting section;
For each cell of the fluid model, the fluid temperature of each cell and the wall surface temperature of each cell of the solid model adjacent to each cell are calculated by steady analysis, and the fluid temperature and the wall surface at the calculated time points A map creating unit that creates a map based on temperature, in which the fluid temperature is expressed as a function of the wall surface temperature;
For each cell of the solid model, a heat transfer amount is calculated by unsteady analysis using a map created by the map creation unit, and a temperature calculation unit that calculates a temperature based on the heat transfer amount, and
The map creating unit creates the map provided with a limiting function for limiting the extrapolated value of the fluid temperature while approximating the fluid temperature as a linear function of the wall surface temperature. , Temperature prediction device for parts.
ことを特徴とする、請求項5記載の部品の温度予測装置。 The said map preparation part divides | segments the time area | region which calculates the said function, whenever the heat transfer direction changes about each cell of the said solid model, The temperature prediction apparatus of the components of Claim 5 characterized by the above-mentioned.
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