JPH10187769A - Device and method for evaluating high-temperature durability - Google Patents

Device and method for evaluating high-temperature durability

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JPH10187769A
JPH10187769A JP8348849A JP34884996A JPH10187769A JP H10187769 A JPH10187769 A JP H10187769A JP 8348849 A JP8348849 A JP 8348849A JP 34884996 A JP34884996 A JP 34884996A JP H10187769 A JPH10187769 A JP H10187769A
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JP
Japan
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temperature
heat exchanger
model
data
stress
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Application number
JP8348849A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideaki Onomura
英明 小野村
Koichiro Ito
康一郎 伊藤
Hideo Wada
秀雄 和田
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Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make a system for evaluating high-temp. durability contractible at a low cost, to make it easy to construct the system, to make a miss hardly occur, and to shorten the processing time. SOLUTION: A model generating means 21 generates a simulation model for a heat exchanger, a temperature data setting means 22 sets temperature data in the actual heating state of the heat exchanger corresponding to the model, and a heat conduction analyzing means 23 finds a temperature distribution in the heating state of the heat exchanger; and a heat stress analyzing means 24 finds a stress distribution in the heating state of the model from the found temperature distribution and stress-strain characteristics of a material piece constituting the heat exchanger, and a durability evaluating means 27 evaluates the high-temperature durability of the heat exchanger according to the found stress distribution and life characteristic data. The respective means are actualized by one work station 10.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器等のよう
に加熱状態と休止状態とが繰り返される機器の高温耐久
性を評価するための高温耐久性評価装置および方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-temperature durability evaluation apparatus and method for evaluating the high-temperature durability of a device such as a heat exchanger that is repeatedly heated and stopped.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、加熱状態と休止状態とが繰り返さ
れる機器、例えば熱交換器については、以下のような手
順に従って開発が行われていた。すなわち、まず、設計
段階においては、以前からの経験則に基づいて各種数値
を決定する。その際に、安全性を見込んでいわゆるオー
バースペックな設計とするのが一般的である。ここで、
設計が経験則に基づいて行われるのは、特に疲労破壊に
対する寿命については理論的な解析が非常に困難であ
り、計算による定量的な判断を下すことが不可能だった
からである。設計終了後、設計された熱交換器が使用さ
れる環境を予測して、それに見合った耐久試験を行う。
例えば、一般的な家庭用給湯器で用いられる熱交換器で
あれば、最高出力温度で1分間隔にて運転、停止を10
万回繰り返す(所要期間は約5か月)。また、業務用機
器に用いられる熱交換器であれば、運転、停止繰り返し
回数は30万回である。そして、耐久試験の結果、問題
が無ければ、開発を終了する。
2. Description of the Related Art Hitherto, a device in which a heating state and a resting state are repeated, for example, a heat exchanger has been developed according to the following procedure. That is, first, in the design stage, various numerical values are determined based on a rule of thumb from before. At that time, it is general to adopt a so-called over-spec design in consideration of safety. here,
The design is made based on empirical rules because it is extremely difficult to theoretically analyze the life, especially for fatigue failure, and it is impossible to make a quantitative judgment by calculation. After the design is completed, the environment in which the designed heat exchanger is used is predicted, and a durability test corresponding to the environment is performed.
For example, in the case of a heat exchanger used in a general household water heater, the operation and the stop of the heat exchanger at the maximum output temperature at one-minute intervals are set to 10 minutes.
Repeat 10,000 times (required period is about 5 months). In the case of a heat exchanger used for business equipment, the number of times of operation and stop is 300,000. If there is no problem as a result of the durability test, the development is terminated.

【0003】しかし、従来の開発手順においては、特に
寿命に関しては経験則に基づく試行錯誤による判断しか
できないため、論理的あるいは合理的に定量的な判断に
基づいて熱交換器を開発することが不可能であるという
問題点があった。また、経験則に基づく設計を行ってい
る限りにおいては、過去の経験を生かすことができない
ような斬新な設計を行うことが不可能である。その結
果、過去のものと変わりないような熱交換器しか設計さ
れないこととなる。
[0003] However, in the conventional development procedure, in particular, the life can be determined only by trial and error based on empirical rules. Therefore, it is difficult to develop a heat exchanger based on a logical or rationally quantitative determination. There was a problem that it was possible. Further, as long as the design based on the empirical rule is performed, it is impossible to perform a novel design that cannot make use of the past experience. As a result, only heat exchangers that are no different from those of the past are designed.

【0004】また、従来の開発手順においては、耐久試
験の評価が非常に重要であるが、耐久試験には莫大な金
銭的コスト、時間(家庭用給湯器で用いられる熱交換器
であれば、約5か月)が費やされるという問題点があ
る。
[0004] In the conventional development procedure, the evaluation of the durability test is very important, but the durability test requires enormous monetary cost and time (if a heat exchanger used in a domestic water heater, (About 5 months).

【0005】更に、従来の開発手順においては、寿命に
ついての定量的に評価することができなかったため、耐
久試験の信頼性についても完全なものではない。そのた
め設計に際しては、強度的な余裕を大幅に持たせたオー
バースペックな設計にせざるを得なかった。
[0005] Further, in the conventional development procedure, the reliability of the endurance test is not perfect because the life cannot be quantitatively evaluated. For this reason, the design had to be over-designed with a large margin of strength.

【0006】これらの問題点に対処するために、本出願
人は、先に提出した特願平7−72601号や特願平8
−161580号において、高温耐久性を評価すべき機
器についてのシミュレーションモデルを作成し、機器の
加熱状態における温度分布と機器を構成する材料片の応
力−歪み特性とに基づいて、熱応力解析によって、シミ
ュレーションモデルの加熱状態における応力分布を求
め、この応力分布と機器の寿命特性とに基づいて機器の
高温耐久性を評価するシステムを提案している。システ
ムによれば、機器の高温耐久性を定量的に評価すること
が可能となる。
[0006] In order to address these problems, the present applicant has filed Japanese Patent Application Nos. 7-72601 and 8 filed earlier.
In 161580, a simulation model was created for the equipment to be evaluated for high-temperature durability, and based on the temperature distribution in the heated state of the equipment and the stress-strain characteristics of the material pieces constituting the equipment, a thermal stress analysis was performed. We have proposed a system that evaluates the stress distribution in the heating state of the simulation model and evaluates the high-temperature durability of the equipment based on the stress distribution and the life characteristics of the equipment. According to the system, it is possible to quantitatively evaluate the high-temperature durability of the device.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記各特許
出願において提案したシステムでは、LAN(ローカル
・エリア・ネットワーク)で接続された2台のワークス
テーションを使用していた。この2台のワークステーシ
ョンのうちの1台は、主に、シミュレーションモデルの
作成や高温耐久性評価といったプレポスト処理を担当
し、他の1台は、主に、熱応力解析等の解析処理を担当
するようになっていた。
The systems proposed in the above-mentioned patent applications use two workstations connected by a LAN (local area network). One of these two workstations is mainly responsible for pre-post processing such as simulation model creation and high-temperature durability evaluation, and the other one is primarily responsible for analysis processing such as thermal stress analysis. Was supposed to.

【0008】しかしながら、このようなシステムでは、
2台のワークステーションを使用するため、システムが
非常に高価になってしまうという問題点があった。ま
た、2台のワークステーションをLANで接続するた
め、システムの構築が煩雑になり、接続ミス等の本質的
ではないミスが発生しやすいという問題点があった。更
に、LANによってデータを転送する処理が煩雑であ
り、且つ時間がかかり、結果的にシステム全体の処理時
間が長くなるという問題点があった。
However, in such a system,
Since two workstations are used, the system becomes very expensive. In addition, since the two workstations are connected via the LAN, the construction of the system becomes complicated, and there is a problem that unimportant mistakes such as connection mistakes are likely to occur. Further, there is a problem that the process of transferring data via the LAN is complicated and time-consuming, and as a result, the processing time of the entire system becomes long.

【0009】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、安価にシステムを構築できると共
に、システムの構築が簡易になりミスが発生しにくくな
り、更に、処理時間を短縮することができるようにした
高温耐久性評価装置および方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has as its object to make it possible to construct a system at low cost, to simplify the construction of the system, to reduce the possibility of errors, and to shorten the processing time. It is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for evaluating high-temperature durability.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の高温耐久
性評価装置は、高温耐久性を評価すべき機器についての
シミュレーションモデルを作成するモデル作成手段と、
機器の加熱状態における温度分布と機器を構成する材料
片の応力−歪み特性とに基づいて、モデル作成手段によ
って作成されたシミュレーションモデルの加熱状態にお
ける応力分布を求める熱応力解析手段と、この熱応力解
析手段によって求められた応力分布と機器の寿命特性と
に基づいて機器の高温耐久性を評価する評価手段とを備
え、これらモデル作成手段、熱応力解析手段および評価
手段が、1台のコンピュータによって実現されているも
のである。
According to the present invention, there is provided a high-temperature durability evaluation apparatus, comprising: a model generating means for generating a simulation model for a device whose high-temperature durability is to be evaluated;
Thermal stress analysis means for obtaining a stress distribution in a heating state of a simulation model created by a model creation means based on a temperature distribution in a heating state of the equipment and a stress-strain characteristic of a piece of material constituting the equipment; Evaluation means for evaluating the high-temperature durability of the equipment based on the stress distribution obtained by the analysis means and the life characteristics of the equipment, wherein these model creation means, thermal stress analysis means and evaluation means are operated by one computer It has been realized.

【0011】この高温耐久性評価装置では、モデル作成
手段によって、高温耐久性を評価すべき機器についての
シミュレーションモデルが作成され、熱応力解析手段に
よって、機器の加熱状態における温度分布と機器を構成
する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、モデル作成
手段によって作成されたシミュレーションモデルの加熱
状態における応力分布が求められ、評価手段によって、
熱応力解析手段によって求められた応力分布と機器の寿
命特性とに基づいて機器の高温耐久性が評価される。モ
デル作成手段、熱応力解析手段および評価手段は1台の
コンピュータによって実現される。
In this high-temperature durability evaluation apparatus, a simulation model for a device whose high-temperature durability is to be evaluated is created by the model creation means, and the temperature distribution and the equipment in the heating state of the equipment are constituted by the thermal stress analysis means. Based on the stress-strain characteristics of the material piece, a stress distribution in a heated state of the simulation model created by the model creation means is obtained, and the evaluation means
The high-temperature durability of the device is evaluated based on the stress distribution obtained by the thermal stress analysis means and the life characteristics of the device. The model creation means, thermal stress analysis means and evaluation means are realized by one computer.

【0012】請求項2記載の高温耐久性評価方法は、高
温耐久性を評価すべき機器についてのシミュレーション
モデルを作成するモデル作成手順と、機器の加熱状態に
おける温度分布と機器を構成する材料片の応力−歪み特
性とに基づいて、モデル作成手順によって作成されたシ
ミュレーションモデルの加熱状態における応力分布を求
める熱応力解析手順と、この熱応力解析手順によって求
められた応力分布と機器の寿命特性とに基づいて機器の
高温耐久性を評価する評価手順とを含み、これらモデル
作成手順、熱応力解析手順および評価手順を、1台のコ
ンピュータによって実行するものである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for evaluating a high-temperature durability, comprising: a model preparing procedure for preparing a simulation model for a device whose high-temperature durability is to be evaluated; a temperature distribution in a heating state of the device; Based on the stress-strain characteristics, a thermal stress analysis procedure for obtaining a stress distribution in a heating state of the simulation model created by the model creation procedure, and a stress distribution obtained by the thermal stress analysis procedure and a life characteristic of the device. And an evaluation procedure for evaluating the high-temperature durability of the device based on the computer. The model creation procedure, the thermal stress analysis procedure, and the evaluation procedure are executed by one computer.

【0013】この高温耐久性評価方法では、モデル作成
手順によって、高温耐久性を評価すべき機器についての
シミュレーションモデルが作成され、熱応力解析手順に
よって、機器の加熱状態における温度分布と機器を構成
する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、モデル作成
手順によって作成されたシミュレーションモデルの加熱
状態における応力分布が求められ、評価手順によって、
熱応力解析手順によって求められた応力分布と機器の寿
命特性とに基づいて機器の高温耐久性が評価される。モ
デル作成手順、熱応力解析手順および評価手順は、1台
のコンピュータによって実行される。
In this high-temperature durability evaluation method, a simulation model for a device whose high-temperature durability is to be evaluated is created by a model creation procedure, and a temperature distribution and a device in a heated state of the device are configured by a thermal stress analysis procedure. Based on the stress-strain characteristic of the material piece, a stress distribution in a heating state of the simulation model created by the model creation procedure is obtained, and by the evaluation procedure,
The high-temperature durability of the device is evaluated based on the stress distribution obtained by the thermal stress analysis procedure and the life characteristics of the device. The model creation procedure, the thermal stress analysis procedure, and the evaluation procedure are executed by one computer.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0015】図1は本発明の一実施の形態に係る高温耐
久性評価装置の概略の構成を示す説明図である。なお、
以下では、高温耐久性を評価すべき機器として、給湯器
用の熱交換器を例にとって説明する。本実施の形態に係
る高温耐久性評価装置は、本発明におけるモデル作成手
段、熱応力解析手段および評価手段を実現する本発明に
おけるコンピュータに相当するワークステーション10
を備えている。このワークステーション10には、有限
要素法モデル作成プログラムが格納されたファイル1
1,熱伝導解析と熱応力解析を行う有限要素法プログラ
ムが格納されたファイル12,熱交換器の種類分の主要
面ファイルf1,f2,f3,…が格納されたファイル
13,モデル対応の主要面ファイルが格納されるファイ
ル14,要素データファイルが可能されるファイル1
5,温度分布ファイルが格納されるファイル16および
応力分布ファイルが格納されるファイル17を記憶する
ための記憶手段が接続または内蔵されている。また、ワ
ークステーション10には、加熱状態における熱交換器
の温度データ等が入力されるようになっている。なお、
有限要素法モデル作成プログラムが格納されたファイル
11,有限要素法プログラムが格納されたファイル12
および主要面ファイルが格納されたファイル13を記憶
するための記憶手段は、IC(集積回路)メモリでも良
いし、ハードディスク,磁気テープ,光ディスク等、コ
ンピュータが読取可能な種々の記憶媒体でも良い。同様
に、ファイル14〜17を記憶するための記憶手段も、
書き込みおよび読み出しが可能なものであれば、ICメ
モリ,ハードディスク,磁気テープ,光ディスク等のい
ずれでも良い。
FIG. 1 is an explanatory view showing a schematic configuration of a high-temperature durability evaluation apparatus according to one embodiment of the present invention. In addition,
Hereinafter, a heat exchanger for a water heater will be described as an example of a device to be evaluated for high-temperature durability. The high-temperature durability evaluation apparatus according to the present embodiment includes a workstation 10 corresponding to a computer according to the present invention that implements a model creating unit, a thermal stress analyzing unit, and an evaluating unit according to the present invention.
It has. The workstation 10 has a file 1 in which a finite element method model creation program is stored.
1, a file 12 storing a finite element method program for performing heat conduction analysis and thermal stress analysis, a file 13 storing main surface files f1, f2, f3,... File 14 in which surface files are stored, file 1 in which element data files are enabled
5, storage means for storing a file 16 storing a temperature distribution file and a file 17 storing a stress distribution file is connected or built in. Further, temperature data of the heat exchanger in the heating state and the like are input to the workstation 10. In addition,
File 11 storing the finite element method model creation program, file 12 storing the finite element method program
The storage means for storing the file 13 storing the main surface file may be an IC (integrated circuit) memory, or various computer-readable storage media such as a hard disk, a magnetic tape, and an optical disk. Similarly, storage means for storing the files 14 to 17
Any type of IC memory, hard disk, magnetic tape, optical disk, or the like may be used as long as it can write and read.

【0016】図2は、本実施の形態に係る高温耐久性評
価装置の構成を示す機能ブロック図である。本実施の形
態に係る高温耐久性評価装置は、前述のワークステーシ
ョン10の他に、温度データ等をワークステーションに
入力するための端末30を備えている。この端末30は
例えばパーソナルコンピュータによって構成されてい
る。
FIG. 2 is a functional block diagram showing the configuration of the high-temperature durability evaluation apparatus according to the present embodiment. The high-temperature durability evaluation apparatus according to the present embodiment includes a terminal 30 for inputting temperature data and the like to the workstation in addition to the workstation 10 described above. This terminal 30 is constituted by, for example, a personal computer.

【0017】ワークステーション10は、高温耐久性を
評価すべき機器である熱交換器についてのシミュレーシ
ョンモデルを作成するモデル作成手段21と、このモデ
ル作成手段21によって作成されたシミュレーションモ
デルに対応させて熱交換器の実際の加熱状態における温
度データを設定する温度データ設定手段22と、この温
度データ設定手段22によって設定された温度データと
熱伝導特性とに基づいて、熱交換器の加熱状態における
温度分布を求める熱伝導解析手段23と、この熱伝導解
析手段23によって求められた温度分布と熱交換器を構
成する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、モデル作
成手段21によって作成されたシミュレーションモデル
の加熱状態における応力分布を求める熱応力解析手段2
4と、この熱応力解析手段24によって求められた応力
分布の妥当性を検証する解析結果検証手段25と、熱交
換器の寿命特性データを保持する寿命特性データ保持手
段26と、熱応力解析手段24によって求められた応力
分布と寿命特性データ保持手段26によって保持された
寿命特性データとに基づいて熱交換器の高温耐久性を評
価する耐久性評価手段27とを備えている。
The workstation 10 has a model creating means 21 for creating a simulation model for a heat exchanger, which is a device whose high-temperature durability is to be evaluated, and a heat model corresponding to the simulation model created by the model creating means 21. Temperature data setting means 22 for setting temperature data in an actual heating state of the exchanger, and a temperature distribution in a heating state of the heat exchanger based on the temperature data and heat conduction characteristics set by the temperature data setting means 22. And a simulation model created by the model creating means 21 based on the temperature distribution obtained by the heat conduction analyzing means 23 and the stress-strain characteristics of the material pieces constituting the heat exchanger. Thermal stress analysis means 2 for obtaining stress distribution in heated state
4, an analysis result verification unit 25 for verifying the validity of the stress distribution obtained by the thermal stress analysis unit 24, a life characteristic data holding unit 26 for storing life characteristic data of the heat exchanger, and a thermal stress analysis unit. A durability evaluation means 27 for evaluating the high-temperature durability of the heat exchanger based on the stress distribution obtained by 24 and the life characteristic data held by the life characteristic data holding means 26 is provided.

【0018】ワークステーション10は、図示しない
が、CPU(中央処理装置),ROM(リード・オンリ
・メモリ),RAM(ランダム・アクセス・メモリ)お
よび入出力部を含み、RAMをワーキングエリアとし
て、内部あるいは外部の記憶手段に格納されたプログラ
ムを実行することによって、上記各手段を実現するよう
になっている。特に、モデル作成手段21は、図1に示
したファイル11に格納された有限要素法モデル作成プ
ログラムを実行することによって実現され、熱伝導解析
手段23および熱応力解析手段24は、図1に示したフ
ァイル12に格納された有限要素法プログラムを実行す
ることによって実現される。有限要素法プログラムとし
ては、種々の市販されている熱伝導解析用あるいは熱応
力解析用のシミュレーションプログラム(H.K.S.
社販売のABAQUS等)を使用することが可能であ
る。
The workstation 10 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and an input / output unit (not shown). Alternatively, the above-described units are realized by executing a program stored in an external storage unit. In particular, the model creating means 21 is realized by executing a finite element method model creating program stored in the file 11 shown in FIG. 1, and the heat conduction analyzing means 23 and the thermal stress analyzing means 24 are shown in FIG. This is realized by executing the finite element method program stored in the file 12. Examples of the finite element method program include various commercially available simulation programs for heat conduction analysis or thermal stress analysis (HKS S.D.).
ABAQUS sold by the company) can be used.

【0019】端末30は、サーモビューワ34や他の温
度検出手段35によって検出された熱交換器の各部の温
度データを、ワークステーション10に入力するのに適
した形式となるように処理して、ワークステーション1
0の温度データ設定手段22に対して与える温度データ
処理手段31と、引張試験機36によって熱交換器の各
部分を構成する材料片の引張試験を行って得られたデー
タを入力し、熱交換器の各部分について応力−歪み特性
(応力−歪み線図)を作成して、そのデータをワークス
テーション10の熱応力解析手段24に対して与える引
張試験結果処理手段32と、歪み試験機37によって加
熱状態における熱交換器の歪みを測定して得られたデー
タを入力し、そのデータをワークステーション10の解
析結果検証手段25に対して与える歪み試験結果処理手
段33とを備えている。
The terminal 30 processes the temperature data of each part of the heat exchanger detected by the thermo-viewer 34 and other temperature detecting means 35 into a format suitable for input to the workstation 10, Workstation 1
The temperature data processing means 31 given to the temperature data setting means 22 of 0 and the tensile tester 36 input data obtained by conducting a tensile test on a piece of material constituting each part of the heat exchanger, and input heat exchange. A stress-strain characteristic (stress-strain diagram) is created for each part of the vessel, and the data is given to the thermal stress analysis means 24 of the workstation 10 by a tensile test result processing means 32 and a strain tester 37. A distortion test result processing means 33 is provided for inputting data obtained by measuring the distortion of the heat exchanger in a heated state and for providing the data to the analysis result verification means 25 of the workstation 10.

【0020】次に、本実施の形態に係る高温耐久性評価
装置の動作および本実施の形態に係る高温耐久性評価方
法について説明する。
Next, the operation of the high-temperature durability evaluation apparatus according to the present embodiment and the high-temperature durability evaluation method according to the present embodiment will be described.

【0021】図3は、本実施の形態に係る高温耐久性評
価装置の全体の動作を示す流れ図である。この動作で
は、まず、モデル作成手段21によって、高温耐久性を
評価すべき機器である熱交換器についてのシミュレーシ
ョンモデルを作成する(ステップS101)。次に、温
度データ設定手段22によって、シミュレーションモデ
ルに対応させて、温度データ処理手段31より送られた
熱交換器の実際の加熱状態における温度データを設定す
る(ステップS102)。次に、設定された温度データ
と熱伝導特性とに基づいて、熱伝導解析手段23によっ
て、熱交換器の加熱状態における温度分布を求める熱伝
導解析を行う(ステップS103)。次に、熱伝導解析
によって求められた温度分布と熱交換器を構成する材料
片の応力−歪み特性とに基づいて、熱応力解析手段24
によって、シミュレーションモデルの加熱状態における
応力分布を求める熱応力解析を行う(ステップS10
4)。次に、解析結果検証手段25によって、熱応力解
析によって求められた応力分布の妥当性を検証する解析
結果検証を行う(ステップS105)。次に、熱応力解
析によって求められた応力分布と寿命特性データ保持手
段26によって保持された寿命特性データとに基づい
て、耐久性評価手段27によって、熱交換器の高温耐久
性を評価して(ステップS106)、動作を終了する。
FIG. 3 is a flowchart showing the entire operation of the high-temperature durability evaluation apparatus according to the present embodiment. In this operation, first, the model creating means 21 creates a simulation model for a heat exchanger which is a device whose high-temperature durability is to be evaluated (step S101). Next, the temperature data in the actual heating state of the heat exchanger sent from the temperature data processing unit 31 is set by the temperature data setting unit 22 in accordance with the simulation model (step S102). Next, based on the set temperature data and the heat conduction characteristics, the heat conduction analysis unit 23 performs a heat conduction analysis for obtaining a temperature distribution in a heating state of the heat exchanger (step S103). Next, based on the temperature distribution obtained by the heat conduction analysis and the stress-strain characteristics of the material pieces constituting the heat exchanger, the thermal stress analysis means 24
A thermal stress analysis for obtaining a stress distribution in the heating state of the simulation model is performed (step S10).
4). Next, analysis result verification is performed by the analysis result verification means 25 to verify the validity of the stress distribution obtained by the thermal stress analysis (step S105). Next, the durability evaluation means 27 evaluates the high-temperature durability of the heat exchanger based on the stress distribution obtained by the thermal stress analysis and the life characteristic data held by the life characteristic data holding means 26 ( Step S106), the operation ends.

【0022】次に、図4の流れ図を参照して、図3にお
けるシミュレーションモデルの作成(ステップS10
1)について説明する。熱交換器を何万もの要素に分解
する手法として具体的には、熱交換器の部品をメッシュ
状に分解してそれぞれのメッシュを要素とすることが最
も一般的である。しかしながら、前述の有限要素法プロ
グラムのABAQUS等において、熱交換器を何万もの
メッシュ状の要素に分解してそれぞれの要素データとし
て入力するためには、一般的には手作業で一つ一つの要
素に対するコマンドを与えることになり実用的ではな
い。
Next, referring to the flowchart of FIG. 4, the simulation model of FIG. 3 is created (step S10).
1) will be described. As a method of disassembling the heat exchanger into tens of thousands of elements, specifically, it is most common to disassemble the parts of the heat exchanger into meshes and use each mesh as an element. However, in order to disassemble the heat exchanger into tens of thousands of mesh-like elements and input them as respective element data in the above-mentioned finite element method program ABAQUS or the like, it is generally necessary to manually operate each one of the elements. It gives a command to the element and is not practical.

【0023】そこで、本実施の形態におけるモデル作成
では、熱交換器モデルを複数の主要面に展開した主要面
ファイルを、予めモデルの種類(水管巻き数)分だけ準
備しておき(ステップS111)、解析の対象となる熱
交換器モデルの種類データと熱交換器の大きさを特定す
る寸法データとを与える(ステップS112)ことで、
解析の対象となる熱交換器の主要面ファイルを簡単に作
成することができるようにしている。具体的には、モデ
ルの種類に対応した主要面ファイルから、約250の主
要面の4節点の3次元座標のファイルを作成する(ステ
ップS113)。そして、その主要面ファイルの各主要
面に対して、メッシュ(要素)に分解(展開)するため
の必要なデータ(分割数または要素サイズ)を与える
(ステップS114)ことで、メッシュに分解された要
素のデータファイルを作成する(S115)。具体的に
は、4節点座標と板厚を属性とする要素(メッシュ)デ
ータファイルまたは20個の積分点の座標を属性とする
要素(メッシュ)データファイルを作成する。このよう
にして、本実施の形態では、有限要素法に必要な熱交換
器モデルを要素に展開したデータファイルを比較的簡単
に且つ短時間で生成することができるようになってい
る。
Therefore, in the model creation in the present embodiment, the principal surface files in which the heat exchanger model is developed on a plurality of principal surfaces are prepared in advance for the types of the models (the number of turns of the water tubes) (step S111). By giving the type data of the heat exchanger model to be analyzed and the dimension data specifying the size of the heat exchanger (step S112),
The main surface file of the heat exchanger to be analyzed can be easily created. Specifically, a file of three-dimensional coordinates of four nodes of about 250 main surfaces is created from the main surface file corresponding to the model type (step S113). Then, data (the number of divisions or element size) necessary for decomposing (developing) into a mesh (element) is given to each main surface of the main surface file (step S114), whereby the main surface is decomposed into a mesh. An element data file is created (S115). Specifically, an element (mesh) data file having four node coordinates and a plate thickness as attributes or an element (mesh) data file having coordinates of 20 integration points as attributes is created. As described above, in the present embodiment, a data file in which a heat exchanger model required for the finite element method is developed into elements can be generated relatively easily and in a short time.

【0024】次に、図5ないし図10を参照して、上述
のモデルの作成について詳しく説明する。図5は、給湯
器等に使用される一般的な熱交換器40の斜視図であ
る。熱交換器40は、フィン部41、内胴部42、スカ
ート部43および水管部45を備えている。フィン部4
1と内胴部42は、斜面部44によって接続されてい
る。このような熱交換器40は、上記の主要な構成はい
ずれのモデルでも同様であり、異なるのは、それぞれの
寸法と水管の巻き数である。従って、本実施の形態で
は、この熱交換器40に対して、予め主要面に展開した
ファイルを水管の巻き数の種類分だけ用意することで、
寸法と水管の巻き数を入力データとして与えれば対象と
なる熱交換器モデルの主要面ファイルを作成することが
できるようにしている。なお、全種類の主要面ファイル
は、図1に示したファイル13に格納される。
Next, the creation of the above-described model will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 5 is a perspective view of a general heat exchanger 40 used for a water heater or the like. The heat exchanger 40 includes a fin portion 41, an inner trunk portion 42, a skirt portion 43, and a water pipe portion 45. Fin 4
1 and the inner body 42 are connected by a slope 44. Regarding such a heat exchanger 40, the above-described main configuration is the same in all models, and the difference is in the respective dimensions and the number of turns of the water tube. Therefore, in the present embodiment, for the heat exchanger 40, the files developed in advance on the main surface are prepared for the number of turns of the water pipe, thereby providing
If the dimensions and the number of turns of the water pipe are given as input data, the principal plane file of the target heat exchanger model can be created. Note that all types of principal plane files are stored in the file 13 shown in FIG.

【0025】図5は、一例として水管の巻き数が2の場
合の熱交換器について示したが、この場合における熱交
換器モデルでは、例えば、図中に示した主要面M1〜M
27に分解されて、その展開図があらかじめ用意されて
いる。図6は、その展開図の一部を示したものであり、
図5における正面から見た部分の主要面だけを示してい
る。この図では、フィン部41は、上面M1と外側面M
2に展開され、内胴部42はその側面が水管部45で分
割された3つの面M10,M14,M18からなり、ス
カート部43は面M22となり、斜面部44は面M6と
なっている。
FIG. 5 shows, as an example, a heat exchanger in the case where the number of windings of the water pipe is two. In the heat exchanger model in this case, for example, the main surfaces M1 to M shown in FIG.
27, and a developed view thereof is prepared in advance. FIG. 6 shows a part of the development view.
Only the main surface of the portion viewed from the front in FIG. 5 is shown. In this figure, the fin portion 41 has an upper surface M1 and an outer surface M1.
2, the inner body 42 has three surfaces M10, M14, and M18 whose side surfaces are divided by a water pipe portion 45, the skirt portion 43 has a surface M22, and the slope portion 44 has a surface M6.

【0026】例えば、水管の巻き数が3になると、内胴
部42において水管部45によって分割される面は4つ
になる。従って、その場合は、別の種類の主要面ファイ
ルを使用することになる。なお、具体的な熱交換器で
は、上面M1に該当する部分は、複数の放熱フィンとこ
のフィンを貫く水管とに更に展開される。
For example, when the number of turns of the water pipe becomes three, the number of surfaces divided by the water pipe part 45 in the inner body part 42 becomes four. Thus, in that case, another type of principal plane file would be used. In a specific heat exchanger, a portion corresponding to the upper surface M1 is further developed into a plurality of radiating fins and a water pipe penetrating the fins.

【0027】ところで、熱交換器における展開された主
要面の組み合わせの種類は、主に巻き数の種類分しか必
要ないが、熱交換器の寸法によってその分解された主要
面の大きさが異なってくる。そこで、図4におけるステ
ップS112では、対象とする熱交換器モデルの高さ、
内胴部42の長さL,幅W,高さH,板厚、フィン部4
1の長さL,幅W,高さH,板厚、スカート部43の長
さL,幅W,高さH,板厚、水管位置、図示しないが水
管のフィン部41への入管位置、フィンの枚数と板厚、
フィンと水管の接続部等の、予め準備している主要面の
展開図の大きさを確定するために必要なデータを与え
る。更に、モデルの種類データとして水管の巻き数も与
える。
By the way, the types of combinations of the developed main surfaces in the heat exchanger are mainly required only for the number of windings, but the size of the decomposed main surfaces differs depending on the dimensions of the heat exchanger. come. Therefore, in step S112 in FIG. 4, the height of the target heat exchanger model
Length L, width W, height H, plate thickness, fin 4 of inner body 42
1 length L, width W, height H, plate thickness, length L, width W, height H, plate thickness of skirt portion 43, water tube position, position of water tube (not shown) entering water tube fin portion 41, Number and thickness of fins,
The data necessary to determine the size of the developed view of the main surface prepared in advance, such as the connection portion between the fin and the water pipe, is given. Further, the number of turns of the water pipe is given as model type data.

【0028】その結果、種類データに従ってモデルの種
類に対応する主要面ファイルが選択され、与えられた寸
法に従って主要面の4節点の三次元座標データと板厚の
データを属性データとする主要面ファイルが生成され
る。なお、作成されたモデル対応の主要面ファイルは、
図1におけるファイル14に格納される。
As a result, a principal plane file corresponding to the type of the model is selected according to the kind data, and a principal plane file having three-dimensional coordinate data and thickness data of four nodes of the principal plane as attribute data according to given dimensions. Is generated. In addition, the main surface file for the created model is
It is stored in the file 14 in FIG.

【0029】図7は、その主要面ファイルのデータ構造
を示す説明図である。主要面M1〜M28等は、それぞ
れが属する部分に分類され、各主要面M1〜M28等は
その属性デ−タとして4節点の三次元座標データと板厚
のデータとを有する。この主要面の数は、例えば250
程度であり、これは熱交換器のモデルの詳細さに応じて
決定される数である。更に、必要な場合には、内胴部、
フィン外部、スカート部のコーナの半径や、水管のコー
ナの半径、水管の内胴体への接合部の幅等も主要面を確
定するための入力データとして与えることもできる。主
要面をどの程度の詳細さにするかにより与える入力デー
タが異なることになる。この段階で、対象の熱交換器モ
デルの三次元形状が確定する。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the data structure of the principal plane file. The main surfaces M1 to M28 and the like are classified into portions to which they belong, and each of the main surfaces M1 to M28 and the like has three-dimensional coordinate data of four nodes and data of plate thickness as attribute data thereof. The number of this main surface is, for example, 250
Degree, which is a number that depends on the details of the model of the heat exchanger. Furthermore, if necessary, the inner trunk,
The outer radius of the fin, the radius of the corner of the skirt portion, the radius of the corner of the water tube, the width of the joint portion of the water tube to the inner body, and the like can also be given as input data for determining the main surface. The input data to be given differs depending on how detailed the main surface is. At this stage, the three-dimensional shape of the target heat exchanger model is determined.

【0030】以上のようにして対象となる熱交換器モデ
ルの主要面が特定されると、今度はその各主要面がメッ
シュ状に分割される。このメッシュが有限要素法での要
素として取り扱われることになる。主要面をメッシュ状
に分割する際、本実施の形態では、各主要面に対して、
オペレータから分割数または要素サイズ(メッシュサイ
ズ)がそれぞれ与えられる。
When the main surfaces of the target heat exchanger model are specified as described above, each of the main surfaces is divided into meshes. This mesh will be treated as an element in the finite element method. When the main surface is divided into meshes, in the present embodiment, for each main surface,
The number of divisions or the element size (mesh size) is given by the operator.

【0031】図8は、一例として、主要面Mkを複数の
メッシュに分割する場合の主要面とメッシュ(要素)と
の関係を示す説明図である。主要面Mkは、その4節点
(k1、k2、k3、k4)の座標と板厚dとにより確
定している。主要面Mkが単純な長方形の場合は、単純
にその分割数を与えるだけで、簡単な演算により、図8
の上部に示したような要素E1,E2,…,En,…に
分解される。そして、各要素は、図8の下部に示したよ
うに例えば4つの節点ES1,ES2,ES3,ES4
の座標と板厚dで特定される。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing, as an example, the relationship between a main surface and a mesh (element) when the main surface Mk is divided into a plurality of meshes. The main surface Mk is determined by the coordinates of the four nodes (k1, k2, k3, k4) and the plate thickness d. In the case where the main surface Mk is a simple rectangle, the number of divisions is simply given, and a simple operation is performed, as shown in FIG.
Are decomposed into elements E1, E2,..., En,. Each element is composed of, for example, four nodes ES1, ES2, ES3, ES4 as shown in the lower part of FIG.
And the plate thickness d.

【0032】主要面Mkをメッシュ(要素)に分解する
際には、要素のサイズを与えることにより、演算によ
り、分割された要素の4つの節点の座標と板厚dとが求
められる。各主要面の大きさがそれぞれ異なる場合など
は、分割される要素のサイズを与えることで、全体の要
素の大きさを同程度に揃えることができ、有限要素法の
プログラムにとってより好ましい場合がある。
When the main surface Mk is decomposed into meshes (elements), the coordinates of the four nodes of the divided elements and the plate thickness d are obtained by calculation by giving the sizes of the elements. When the size of each main surface is different, giving the size of the element to be divided can make the size of the whole element the same, which may be more preferable for the finite element method program .

【0033】市販されている有限要素法のプログラムで
は、4つの節点の座標と板厚が与えられると、それらの
情報を各要素内部の積分点に変換することが行われる。
すなわち、図8の下部に示したように、要素の属性デー
タとして、要素内部の×印で示したような積分点50の
座標に変換する。あるいは、4節点の座標と板厚に加え
て、20個の積分点50の座標を属性データとして持つ
ようにしても良い。このような積分点50を属性データ
とすることで、後で要素内の20個の点に対する温度デ
ータの貼り付けを容易に行うことができる。
In a commercially available finite element method program, given the coordinates and plate thickness of four nodes, the information is converted into integration points inside each element.
That is, as shown in the lower part of FIG. 8, the attribute data of the element is converted into the coordinates of the integration point 50 as shown by the mark x inside the element. Alternatively, in addition to the coordinates of the four nodes and the plate thickness, the coordinates of 20 integration points 50 may be provided as attribute data. By using such integration points 50 as attribute data, it is possible to easily paste the temperature data to 20 points in the element later.

【0034】また、分割された要素について、図8の下
部に示したように、4節点の座標と板厚ではなく、内部
の×印で示したような積分点50の座標をその属性デー
タとして、有限要素法プログラムに与えても良い。
As shown in the lower part of FIG. 8, not the coordinates of the four nodes and the thickness of the divided element, but the coordinates of the integration point 50 as shown by an internal X mark as its attribute data, as shown in the lower part of FIG. , A finite element method program.

【0035】図9は、各要素E1,…,En,…の属性
データとして4節点と板厚を有する場合の要素データフ
ァイルの一例を示す説明図である。各要素は、主要面の
場合と同じように各部分毎に分類されている。このよう
にして要素データファイルが作成されると、熱交換器モ
デルはメッシュ状に分解された要素からなるモデルとな
る。なお、作成された要素データファイルは、図1に示
したファイル15に格納される。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of an element data file in the case where attribute data of each element E1,..., En,. Each element is categorized into its parts as in the case of the main surface. When the element data file is created in this way, the heat exchanger model becomes a model composed of elements decomposed into a mesh. Note that the created element data file is stored in the file 15 shown in FIG.

【0036】図10は、図9に示した要素データファイ
ルに従って、コンピュータの画像処理により合成された
熱交換器モデルを示す斜視図である。この図には、解析
の対象となる熱交換器モデルの外部について要素に分解
した様子を示しているが、要素データファイルには、内
部のフィンとそのフィンを貫通している水管についても
分解された要素が含まれる。
FIG. 10 is a perspective view showing a heat exchanger model synthesized by image processing of a computer according to the element data file shown in FIG. In this figure, the outside of the heat exchanger model to be analyzed is disassembled into elements.In the element data file, the inside fin and the water pipe penetrating the fin are also disassembled. Elements are included.

【0037】一般に、ABAQUS等の有限要素法のプ
ログラムでは、解析モデルを分解された要素として与え
るとき、そのプログラムに適したコマンドに従って与え
ることが要求される場合がある。その場合は、図9の要
素データファイルの属性データに従って、そのコマンド
が所定のマクロプログラムにより生成され、有限要素法
プログラムに適した形で要素のデータが与えられる。
In general, in a finite element method program such as ABAQUS, when an analysis model is given as a decomposed element, it may be required to give it in accordance with a command suitable for the program. In that case, the command is generated by a predetermined macro program in accordance with the attribute data of the element data file of FIG. 9, and element data is given in a form suitable for the finite element method program.

【0038】以上のようにして熱交換器モデルが作成さ
れたら、そのモデルについて、加熱時における要素毎の
温度の変化を求める。そのためには、実際に作成した熱
交換器の実機を加熱状態にし、その温度分布を求めて、
図2における温度データ設定手段22によって、要素デ
ータファイルの各要素に追加の属性データとして与え
る。各要素の温度を測定する方法としては、比較的簡単
に温度分布のデータを得るために、サーモビューワ34
を利用することが好ましい。サーモビューワ34は、加
熱したモデルの表面から放射される輻射熱(または放射
熱)を検知し、その分布を表すために、分割された各部
分の輻射熱データを生成し、この輻射熱データに基づい
て、生成表示画面上にその温度分布を色分けして表示す
るものである。従って、その輻射熱データを、図9に示
した要素データファイルに追加の属性データとして与え
ることができる。
After the heat exchanger model is created as described above, a change in the temperature of each element during heating is determined for the model. For that purpose, the actual machine of the heat exchanger actually created is put into a heated state, its temperature distribution is determined,
The temperature data setting means 22 in FIG. 2 gives each element of the element data file as additional attribute data. As a method of measuring the temperature of each element, in order to obtain temperature distribution data relatively easily, a thermo viewer 34 is used.
It is preferable to use The thermo-viewer 34 detects radiant heat (or radiant heat) radiated from the surface of the heated model, generates radiant heat data of each of the divided portions in order to represent the distribution, and based on the radiant heat data, The temperature distribution is displayed on the generated display screen in different colors. Therefore, the radiant heat data can be given as additional attribute data to the element data file shown in FIG.

【0039】なお、フィン内部のようにサーモビューワ
34によって温度を測定することが困難な部分の温度に
ついては、例えば、加熱状態における熱交換器の主要な
点についてのみ、熱電対、温度ゲージ、データロガー等
の他の温度検出手段35を利用して測定し、測定された
各点の温度を与えることで、図2における熱伝導解析手
段23により、熱伝導特性と有限要素法のプログラムに
よる熱伝導解析によって、全ての要素の温度データを演
算により求めることができる。
As for the temperature of the portion where the temperature is difficult to be measured by the thermo-viewer 34 such as inside the fin, for example, only the main points of the heat exchanger in the heated state are indicated by a thermocouple, a temperature gauge, and a data. The temperature is measured by using other temperature detecting means 35 such as a logger, and the measured temperature is given to each point, so that the heat conduction analyzing means 23 in FIG. By the analysis, the temperature data of all the elements can be obtained by calculation.

【0040】図11は、サーモビューワ34の表示出力
の一例を示す説明図である。図8において、より濃い部
分は高い温度を意味し、薄い部分は低い温度を意味す
る。熱交換器モデルは内部のバーナで加熱され、その上
部のフィン部において高い温度が検出され、その下部の
内胴部やスカート部では比較的低い温度が検出されてい
る。また、水管部では内部に水が循環することから非常
に低い温度が検出されている。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of the display output of the thermo viewer 34. In FIG. 8, a darker portion indicates a higher temperature, and a lighter portion indicates a lower temperature. The heat exchanger model is heated by an internal burner, and a high temperature is detected at the upper fin portion, and a relatively low temperature is detected at the lower inner trunk portion and the skirt portion. Further, in the water pipe portion, a very low temperature is detected because water circulates inside.

【0041】このようなサーモビューワ34によって検
出された温度分布のデータを、要素データファイルに追
加の属性データとして与える場合、外部表面に位置する
フィン外部、内胴部、スカート部、水管部に対しては、
そのままサーモビューワ34によって検出された温度分
布のデータを補完法等により主要面毎に貼り付けること
ができる。例えば、図5および図6に示した主要面M2
(フィン外部側面)に対して、サーモビューワ34によ
って検出された同じ面の輻射熱データを、その4節点に
対応させるようにして各要素の温度データとすることが
できる。サーモビューワ34によって検出された主要面
M2の輻射熱データが図9における要素データの数より
少ないときには、補完法によりその足りない要素の温度
データを求めることができる。逆に、サーモビューワ3
4によって検出された主要面M2の輻射熱データが図9
における要素データの数より多いときには、輻射熱デー
タを間引くことで対応する位置の要素の温度データとす
ることができる。
When the data of the temperature distribution detected by the thermo-viewer 34 is given as additional attribute data to the element data file, the data is applied to the outside of the fin, the inner body, the skirt, and the water pipe located on the outer surface. The
The data of the temperature distribution detected by the thermoviewer 34 can be directly pasted for each main surface by a complement method or the like. For example, the main surface M2 shown in FIGS.
With respect to the (fin outer side surface), the radiant heat data of the same surface detected by the thermo viewer 34 can be used as the temperature data of each element so as to correspond to the four nodes. When the radiant heat data of the main surface M2 detected by the thermoviewer 34 is smaller than the number of element data in FIG. 9, the temperature data of the missing element can be obtained by the complementation method. Conversely, Thermo Viewer 3
9 shows the radiant heat data of the main surface M2 detected by FIG.
When the number of the element data is larger than the number of the element data, the temperature data of the element at the corresponding position can be obtained by thinning out the radiant heat data.

【0042】フィン内部のようにサーモビューワ34に
よって温度を測定することが困難な部分の温度について
は、前述のように、測定された各点の温度と熱伝導特性
と有限要素法のプログラムによる熱伝導解析によって求
めた温度データを、追加の属性データとして与える。
As described above, the temperature of each portion where the temperature is difficult to be measured by the thermoviewer 34, such as the inside of the fin, is measured at each point, the heat conduction characteristic, and the heat by the finite element method program. The temperature data obtained by the conduction analysis is given as additional attribute data.

【0043】次に、図2における熱応力解析手段24に
よって、有限要素法による熱応力解析を行う。これにつ
いて、図12を参照して説明する。図12(a)は、上
述のように温度データが要素の属性データとして、20
個の積分点毎に与えられた場合における要素Enのデー
タ構造を示している。このように、サーモビューワ34
等によって測定された外部の温度データや主要な点の温
度データと、熱伝導特性に基づいて演算された内部の温
度データとにより、各要素に温度データが与えられたこ
とで、熱交換器モデルの温度分布がデータとして求めら
れたことになる。この温度分布のデータからなる温度分
布ファイルは、図1におけるファイル16に格納され
る。
Next, a thermal stress analysis by the finite element method is performed by the thermal stress analysis means 24 in FIG. This will be described with reference to FIG. FIG. 12A shows that, as described above, the temperature data is 20
9 shows a data structure of an element En when given for each of the integration points. Thus, the thermo-viewer 34
The temperature data of each element is given by the external temperature data and the temperature data of the main points measured by the above method, and the internal temperature data calculated based on the heat conduction characteristics. Is obtained as data. The temperature distribution file including the data of the temperature distribution is stored in the file 16 in FIG.

【0044】その後は、図12(b)に示したように、
各部品の持つ温度に対する歪み特性F=f(m,T)
(部品mと温度Tの関数)を、材料の持つ特性と板厚等
から測定して得て、その歪み特性Fにより各要素の歪み
量ε(=温度上昇による膨張後のサイズ/元のサイズ)
を求める。
Thereafter, as shown in FIG.
Strain characteristic F = f (m, T) with respect to temperature of each part
(Function of the part m and the temperature T) is obtained by measuring the properties of the material and the thickness of the material, etc., and the strain amount F of each element (= size after expansion due to temperature rise / original size) is obtained by the strain property F. )
Ask for.

【0045】次に、図12(c)に示したように、引張
試験機36によって熱交換器の各部品の材料片毎に測定
して得た、温度を変数とする応力−歪み特性(応力−歪
み曲線)に従って、各要素に与えられる応力σ(kg/
mm2 )を求める。これらの演算は、いずれもABAQ
US等の有限要素法を利用したプログラムにより容易に
求めることができる。
Next, as shown in FIG. 12 (c), the stress-strain characteristic (temperature) as a variable obtained by measuring each material piece of each part of the heat exchanger by the tensile tester 36 was obtained. −strain applied to each element according to the strain curve)
mm 2 ). All of these operations are ABAQ
It can be easily obtained by a program using the finite element method such as the US.

【0046】次に、図2における解析結果検証手段25
によって、熱応力解析によって求められた応力分布の妥
当性を検証する解析結果検証を行う。具体的には、歪み
試験機37により、加熱された熱交換器について歪み試
験を行い、その試験結果を歪み試験結果処理手段33に
よって処理して、ワークステーション10の解析結果検
証手段25に送る。解析結果検証手段25は、熱応力解
析の際に求まった歪みと実測された歪みとを比較して、
両者に顕著な差異が無ければ、熱応力解析によって求め
られた応力分布が妥当であると判断する。
Next, the analysis result verification means 25 shown in FIG.
, An analysis result verification for verifying the validity of the stress distribution obtained by the thermal stress analysis is performed. Specifically, a strain test is performed on the heated heat exchanger by the strain tester 37, the test result is processed by the strain test result processing unit 33, and the result is sent to the analysis result verification unit 25 of the workstation 10. The analysis result verification means 25 compares the strain obtained during the thermal stress analysis with the actually measured strain,
If there is no significant difference between them, it is determined that the stress distribution obtained by the thermal stress analysis is appropriate.

【0047】なお、この解析結果検証は、行った方が望
ましいが、省略しても良い。解析結果検証を省略する場
合には、図2における解析結果検証手段25,歪み試験
結果処理手段33,歪み試験機37および図3における
解析結果検証(ステップS105)が省かれる。
It is desirable that this analysis result verification be performed, but it may be omitted. When the analysis result verification is omitted, the analysis result verification unit 25, the distortion test result processing unit 33, and the distortion tester 37 in FIG. 2 and the analysis result verification in FIG. 3 (step S105) are omitted.

【0048】次に、休止状態(非加熱状態)についても
各要素に与えられる応力を求め、加熱状態における応力
と休止状態における応力との差(振幅)を求め、材料毎
に、熱交換器の運転,休止を繰り返したときに応力振幅
が最大となる要素の応力振幅(最大応力振幅)を抽出す
ることにより、解析の対象となった熱交換器の寿命を知
ることができる。
Next, also in the rest state (non-heated state), the stress applied to each element is determined, and the difference (amplitude) between the stress in the heated state and the stress in the pause state is determined. By extracting the stress amplitude (maximum stress amplitude) of the element having the maximum stress amplitude when the operation and suspension are repeated, the life of the heat exchanger subjected to the analysis can be known.

【0049】図13は、線形の特性を持つ材料の応力−
歪み曲線の一例を示したものである。線形の特性を持つ
材料の場合、加熱する以前の初期状態における応力と
加熱後の休止状態における応力は等しい。従って、応
力振幅は、加熱状態における応力と初期状態におけ
る応力との差と等しい。
FIG. 13 shows the stress of a material having linear characteristics.
7 shows an example of a distortion curve. In the case of a material having linear characteristics, the stress in the initial state before heating is equal to the stress in the rest state after heating. Therefore, the stress amplitude is equal to the difference between the stress in the heated state and the stress in the initial state.

【0050】これに対し、図14に非線形の特性を持つ
材料の応力−歪み曲線の一例を示したように、非線形の
特性を持つ材料の場合には、初期状態における応力と
加熱後の休止状態における応力は等しくならない。ま
た、図15に示したように、耐久試験等に際しては、温
度が初期状態における温度まで下がる以前に次の加熱
が開始されるサイクルとなって、線形材料であっても初
期状態における応力と加熱後の休止状態における応
力とは一致しない材料もある。図14に示した非線形の
特性を持つ材料の場合や、図15に示したような材料の
場合には、高温損傷に対する耐久性の判定基準である応
力振幅としては、加熱状態における応力と休止状態
における応力との差を採用するべきである。そのため、
最大応力振幅を決定するに先立って、休止状態における
応力分布を求めている。
On the other hand, as shown in an example of the stress-strain curve of the material having the non-linear characteristic in FIG. 14, in the case of the material having the non-linear characteristic, the stress in the initial state and the resting state after heating are obtained. Are not equal. Further, as shown in FIG. 15, in a durability test or the like, a cycle in which the next heating is started before the temperature falls to the temperature in the initial state is performed. Some materials do not match the stress in the later rest state. In the case of the material having the non-linear characteristic shown in FIG. 14 or the material shown in FIG. 15, the stress amplitude as the criterion for determining the durability against the high-temperature damage includes the stress in the heating state and the resting state. Should be adopted. for that reason,
Prior to determining the maximum stress amplitude, the stress distribution in the rest state is determined.

【0051】このようにして、応力振幅は求まったなら
ば、図2における耐久性評価手段27によって、高温損
傷に対する耐久性が評価される。この場合、熱交換器の
部品を構成する材料が予め分かっており、その材料にお
ける応力振幅と寿命との関係を示す寿命特性(疲労曲
線)も各種データが揃っている。従って、例えば図16
に示したように、縦軸に応力振幅、横軸に運転・休止の
繰り返し回数をとった寿命特性データを、予め図1にお
ける寿命特性データ保持手段26に記憶しておき、評価
の対象となる熱交換器における応力振幅から、図15に
示した寿命特性データを用いて、その応力振幅に対応す
る限界繰り返し回数を求めることができる。なお、図1
6において、符号Nf−1〜4は素材の種類を表してい
る。そして、例えば、限界繰り返し回数が10万回を越
えていれば、家庭用製品も用いられる熱交換器としての
高温損傷耐久性は十分にあると評価することができる。
Once the stress amplitude is determined in this way, the durability against high-temperature damage is evaluated by the durability evaluation means 27 in FIG. In this case, the material constituting the components of the heat exchanger is known in advance, and various data are available for the life characteristics (fatigue curve) indicating the relationship between the stress amplitude and the life of the material. Therefore, for example, FIG.
As shown in FIG. 1, life characteristic data with the stress amplitude on the vertical axis and the number of repetitions of operation / stop on the horizontal axis are stored in advance in the life characteristic data holding means 26 in FIG. From the stress amplitude in the heat exchanger, the limit number of repetitions corresponding to the stress amplitude can be obtained using the life characteristic data shown in FIG. FIG.
In FIG. 6, reference characters Nf-1 to Nf-4 denote the types of materials. Then, for example, if the limit number of repetitions exceeds 100,000 times, it can be evaluated that the high-temperature damage durability as a heat exchanger in which household products are used is sufficient.

【0052】ここで、図16について説明を加える。仮
に応力振幅が8.36kg/mm2であれば、図16に
おいて符号Nf−3で示される高温耐久性を有する素材
製の部品であれは、約32万回の運転・休止の繰り返し
に耐えることもできるので、家庭用としてはもちろん、
業務用製品に用いられる熱交換器としても高温耐久性は
十分にあると評価される。また、図16において符号N
f−1で示される高温耐久性を有する素材製の部品であ
れば約65万回の運転・休止の繰り返しに耐えることが
できるので、業務用としての高温耐久性は十分であると
評価される。
Here, FIG. 16 will be explained. If the stress amplitude is 8.36 kg / mm 2 , even a component made of a material having high-temperature durability indicated by reference symbol Nf-3 in FIG. 16 can withstand about 320,000 repetitions of operation and suspension. Because it can also be used for home use,
It is evaluated that the high-temperature durability is sufficient even for heat exchangers used for commercial products. Also, in FIG.
Since a component made of a material having high-temperature durability indicated by f-1 can withstand about 650,000 repetitions of operation and suspension, the high-temperature durability for business use is evaluated to be sufficient. .

【0053】これに対して、図16において符号Nf−
4で示す高温耐久性を有する素材製の部品の場合は、限
界繰り返し回数が10万回を越えているため家庭用とし
ては十分な高温耐久性を有すると判定されるが、30万
回には達していないので、その高温耐久性が業務用製品
に用いられる熱交換器としては不十分であると評価され
る。
On the other hand, in FIG.
In the case of a component made of a material having high-temperature durability indicated by No. 4, it is determined that the component has sufficient high-temperature durability for home use since the limit number of repetitions exceeds 100,000 times. Since it has not been reached, its high-temperature durability is evaluated to be insufficient as a heat exchanger used for commercial products.

【0054】このように、本実施の形態における高温耐
久性の判定は、図15のような寿命特性データから得ら
れた限界繰り返し回数が所定の回数(例えば家庭用熱交
換器ならば10万回、業務用熱交換器ならば30万回)
を越えているか否かという定量的な判定であるため、非
常に正確である。従って、本実施の形態によれば、適切
な構造の熱交換器が設計されたかどうか、また改善すべ
き箇所はどこか等の情報を実際に何万回かの加熱と休止
の繰り返し実験を行うことなく、シミュレーションによ
って得ることができる。
As described above, the determination of the high-temperature durability in the present embodiment is based on the assumption that the limit number of repetitions obtained from the life characteristic data as shown in FIG. 15 is a predetermined number (for example, 100,000 times for a home heat exchanger). 300,000 times for commercial heat exchangers)
Is very accurate because it is a quantitative determination of whether or not it exceeds. Therefore, according to the present embodiment, information on whether a heat exchanger having an appropriate structure is designed, and information on a place to be improved, etc. is actually subjected to tens of thousands of repeated heating and rest experiments. Can be obtained by simulation without the need.

【0055】また、本実施の形態に係る高温耐久性評価
装置および方法によれば、モデル作成手段21,温度デ
ータ設定手段22,熱伝導解析手段23,熱応力解析手
段24,解析結果検証手段25および耐久性評価手段2
7を、1台のコンピュータ(ワークステーション10)
によって実現し、図3に示したモデル作成(ステップS
101)から耐久性評価(ステップS106)までの一
例の処理を1台のコンピュータ(ワークステーション1
0)によってスタンドアロンで実行するようにしたの
で、安価に高温耐久性評価のためのシステムを構築でき
ると共に、システムの構築が簡易になり、接続ミス等の
ミスが発生しにくくなり、更に、複数台のワークステー
ション間におけるデータ転送がなくなるので、処理時間
を短縮することができる。
Further, according to the apparatus and method for evaluating high-temperature durability according to the present embodiment, model creating means 21, temperature data setting means 22, heat conduction analyzing means 23, thermal stress analyzing means 24, analysis result verifying means 25 And durability evaluation means 2
7, one computer (workstation 10)
The model creation shown in FIG. 3 (step S
101) to the durability evaluation (step S106) by one computer (workstation 1).
0), the system can be executed stand-alone, so that a system for evaluating high-temperature durability can be constructed inexpensively, the system can be constructed easily, mistakes such as connection mistakes are less likely to occur, and a plurality of systems can be constructed. Since the data transfer between the workstations does not occur, the processing time can be reduced.

【0056】また、本実施の形態に係る高温耐久性評価
装置および方法によれば、高温耐久性を評価すべき機器
についてのシミュレーションモデルを、比較的簡単な操
作により、数万個の要素に分解して、適正な入力データ
を作成することができる。従って、有限要素法を利用し
たコンピュータプログラムによる熱応力解析を行う場
合、その入力データの準備工程を比較的簡単な工程で短
時間で完了することができ、現実的な熱応力解析のシミ
ュレーションを可能にすることができる。更に、有限要
素法により解析モデルの要素毎の応力振幅とその寿命特
性を、コンピュータシミュレーションにより求めること
ができ、設計段階での高温耐久性評価を比較的容易に且
つ短時間で行うことができる。
Further, according to the apparatus and method for evaluating high-temperature durability according to the present embodiment, a simulation model of a device whose high-temperature durability is to be evaluated is decomposed into tens of thousands of elements by a relatively simple operation. Thus, appropriate input data can be created. Therefore, when performing a thermal stress analysis by a computer program using the finite element method, the input data preparation process can be completed in a relatively simple process in a short time, and a realistic simulation of the thermal stress analysis is possible. Can be Furthermore, the stress amplitude and the life characteristics of each element of the analysis model can be obtained by computer simulation by the finite element method, and the high-temperature durability evaluation at the design stage can be performed relatively easily and in a short time.

【0057】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、例えば、上記の実施の形態では、高温耐久性を評価
すべき機器として給湯器用の熱交換器を例にとって説明
したが、本発明はこれに限定されずに、ガスエアコンの
熱交換器,ガスや石油を使用するファンヒータの燃焼
室,FF(Forced Flue)暖房機の熱交換
器,水水熱交換器,ボイラ,セラミックヒータ,オイル
ヒータの熱交換器,電気ポット,炊飯器の釜等、熱応力
が加わる機器全般に適用することができる。給湯器用の
熱交換器以外の機器の高温耐久性を評価する場合にも、
実施の形態と同様に、対象とする機器のシミュレーショ
ンモデルを作成すると共に、他の処理やデータについて
も、対象とする機器に適したものに変更すれば良い。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, in the above-described embodiment, a heat exchanger for a water heater has been described as an example of a device to be evaluated for high-temperature durability. The present invention is not limited to this, but includes heat exchangers for gas air conditioners, combustion chambers for fan heaters using gas or oil, heat exchangers for FF (Forced Flue) heaters, water / water heat exchangers, boilers, ceramic heaters, The present invention can be applied to all devices to which thermal stress is applied, such as a heat exchanger of an oil heater, an electric pot, and a rice cooker. Even when evaluating the high-temperature durability of equipment other than heat exchangers for water heaters,
Similar to the embodiment, a simulation model of the target device is created, and other processes and data may be changed to those suitable for the target device.

【0058】図17には、給湯器用の熱交換器以外の機
器の一例として、ファンヒータの燃焼室についてのモデ
ル作成例を示す。このファンヒータの燃焼室の場合も、
図17に示したように、ファンヒータの燃焼室のモデル
を、各平面に対応する主要面M1,M2,…に分解す
る。その後の処理は、給湯器用の熱交換器と同様であ
る。
FIG. 17 shows an example of creating a model for a combustion chamber of a fan heater as an example of equipment other than a heat exchanger for a water heater. In the case of the combustion chamber of this fan heater,
As shown in FIG. 17, the model of the combustion chamber of the fan heater is decomposed into main surfaces M1, M2,... Corresponding to the respective planes. Subsequent processing is the same as that of the heat exchanger for a water heater.

【0059】また、本発明におけるコンピュータとして
は、ワークステーション10に限らず、パーソナルコン
ピュータ等でも良い。
The computer in the present invention is not limited to the workstation 10, but may be a personal computer or the like.

【0060】また、本発明におけるシミュレーションモ
デルは、有限要素法モデルであることが好ましいが、有
限要素法モデルに限定されるものではなく、コンピュー
タを用いて有効に実行されるシミュレーションで利用可
能なモデルであれば良い。同様に、本発明における熱応
力解析は、有限要素法を利用したものに限らない。ま
た、熱伝導解析を行わなくとも、実測によって全ての要
素の温度データが得られる場合には、図2における熱伝
導解析手段23および図3における熱伝導解析(ステッ
プS103)を省いても良い。
The simulation model in the present invention is preferably a finite element method model, but is not limited to the finite element method model, and is a model that can be used in a simulation effectively executed using a computer. Is fine. Similarly, the thermal stress analysis in the present invention is not limited to the one using the finite element method. If the temperature data of all the elements can be obtained by actual measurement without performing the heat conduction analysis, the heat conduction analysis means 23 in FIG. 2 and the heat conduction analysis (step S103) in FIG. 3 may be omitted.

【0061】[0061]

【発明の効果】以上説明したように本発明の高温耐久性
評価装置によれば、モデル作成手段、熱応力解析手段お
よび評価手段を1台のコンピュータによって実現したの
で、また、本発明の高温耐久性評価方法によれば、モデ
ル作成手順、熱応力解析手順および評価手順を1台のコ
ンピュータによって実行するようにしたので、安価にシ
ステムを構築できると共に、システムの構築が簡易にな
りミスが発生しにくくなり、更に、処理時間を短縮する
ことができるという効果を奏する。
As described above, according to the high temperature durability evaluation apparatus of the present invention, the model creation means, the thermal stress analysis means and the evaluation means are realized by a single computer. According to the performance evaluation method, the model creation procedure, the thermal stress analysis procedure, and the evaluation procedure are executed by one computer, so that the system can be constructed at low cost, and the construction of the system is simplified, and errors occur. This is advantageous in that the processing time can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施の形態に係る高温耐久性評価装
置の概略の構成を示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a high-temperature durability evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示した高温耐久性評価装置の構成を示す
機能ブロック図である。
FIG. 2 is a functional block diagram showing a configuration of the high-temperature durability evaluation device shown in FIG.

【図3】図1に示した高温耐久性評価装置の全体の動作
を示す流れ図である。
FIG. 3 is a flowchart showing the entire operation of the high-temperature durability evaluation apparatus shown in FIG. 1;

【図4】図3におけるシミュレーションモデルの作成に
ついて説明するための流れ図である。
FIG. 4 is a flowchart for explaining creation of a simulation model in FIG. 3;

【図5】給湯器等に使用される一般的な熱交換器の斜視
図である。
FIG. 5 is a perspective view of a general heat exchanger used for a water heater or the like.

【図6】図5に示した熱交換器のモデルの主要面の展開
図である。
6 is a development view of a main surface of the model of the heat exchanger shown in FIG.

【図7】本発明の一実施の形態における主要面ファイル
のデータ構造を示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a data structure of a main surface file according to the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施の形態における主要面とメッシ
ュ(要素)との関係を示す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a relationship between a main surface and a mesh (element) in one embodiment of the present invention.

【図9】本発明の一実施の形態における要素データファ
イルの一例を示す説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an example of an element data file according to an embodiment of the present invention.

【図10】図9に示した要素データファイルに従ってコ
ンピュータの画像処理により合成された熱交換器モデル
を示す斜視図である。
FIG. 10 is a perspective view showing a heat exchanger model synthesized by image processing of a computer according to the element data file shown in FIG. 9;

【図11】本発明の一実施の形態におけるサーモビュー
ワの表示出力の一例を示す説明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of a display output of a thermo viewer according to an embodiment of the present invention.

【図12】本発明の一実施の形態における熱応力解析に
ついて説明するための説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram for describing thermal stress analysis according to one embodiment of the present invention.

【図13】線形の特性を持つ材料の応力−歪み曲線の一
例を示す特性図である。
FIG. 13 is a characteristic diagram showing an example of a stress-strain curve of a material having linear characteristics.

【図14】非線形の特性を持つ材料の応力−歪み曲線の
一例を示す特性図である。
FIG. 14 is a characteristic diagram showing an example of a stress-strain curve of a material having nonlinear characteristics.

【図15】耐久試験等における加熱,休止サイクルを示
す説明図である。
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a heating and rest cycle in a durability test and the like.

【図16】本発明の一実施の形態における寿命特性デー
タの一例を示す特性図である。
FIG. 16 is a characteristic diagram illustrating an example of life characteristic data according to an embodiment of the present invention.

【図17】ファンヒータの燃焼室についてのモデル作成
例を示す斜視図である。
FIG. 17 is a perspective view showing an example of creating a model for a combustion chamber of a fan heater.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 ワークステーション 11〜17 ファイル 21 モデル作成手段 22 温度データ設定手段 23 熱伝導解析手段 24 熱応力解析手段 25 解析結果検証手段 26 寿命特性データ保持手段 27 耐久性評価手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Workstation 11-17 File 21 Model creation means 22 Temperature data setting means 23 Heat conduction analysis means 24 Thermal stress analysis means 25 Analysis result verification means 26 Life characteristic data holding means 27 Durability evaluation means

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高温耐久性を評価すべき機器についての
シミュレーションモデルを作成するモデル作成手段と、 前記機器の加熱状態における温度分布と前記機器を構成
する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、前記モデル
作成手段によって作成されたシミュレーションモデルの
加熱状態における応力分布を求める熱応力解析手段と、 この熱応力解析手段によって求められた応力分布と前記
機器の寿命特性とに基づいて前記機器の高温耐久性を評
価する評価手段とを備え、これらモデル作成手段、熱応
力解析手段および評価手段が、1台のコンピュータによ
って実現されていることを特徴とする高温耐久性評価装
置。
1. A model creating means for creating a simulation model for a device for which high-temperature durability is to be evaluated, and a temperature distribution in a heating state of the device and a stress-strain characteristic of a piece of material constituting the device. Thermal stress analysis means for obtaining a stress distribution in a heating state of the simulation model created by the model creation means; and a high temperature of the equipment based on the stress distribution obtained by the thermal stress analysis means and the life characteristics of the equipment. A high-temperature durability evaluation apparatus comprising: evaluation means for evaluating durability; wherein the model creation means, thermal stress analysis means, and evaluation means are realized by one computer.
【請求項2】 高温耐久性を評価すべき機器についての
シミュレーションモデルを作成するモデル作成手順と、 前記機器の加熱状態における温度分布と前記機器を構成
する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、前記モデル
作成手順によって作成されたシミュレーションモデルの
加熱状態における応力分布を求める熱応力解析手順と、 この熱応力解析手順によって求められた応力分布と前記
機器の寿命特性とに基づいて前記機器の高温耐久性を評
価する評価手順とを含み、これらモデル作成手順、熱応
力解析手順および評価手順を、1台のコンピュータによ
って実行することを特徴とする高温耐久性評価方法。
2. A model creation procedure for creating a simulation model for a device to be evaluated for high-temperature durability, based on a temperature distribution in a heating state of the device and a stress-strain characteristic of a material piece constituting the device. A thermal stress analysis procedure for obtaining a stress distribution in the heating state of the simulation model created by the model creation procedure; and a high temperature of the equipment based on the stress distribution obtained by the thermal stress analysis procedure and the life characteristics of the equipment. A high-temperature durability evaluation method, comprising: an evaluation procedure for evaluating the durability; and a model creation procedure, a thermal stress analysis procedure, and an evaluation procedure performed by a single computer.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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