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板の熱応力／熱ひずみの伝熱構造連成解析#

材料に温度変化が生じると、膨張または収縮する事により変形や応力が生じます。
温度変化によって生じるひずみや応力は、熱ひずみ、熱応力と呼ばれます。
熱ひずみは材料特性である線膨張係数と温度変化によって、１次元では以下の式で求められます。

事例では板の拘束条件の違いによる熱ひずみと熱応力の出現の違いを示すとともに、Advance/FrontSTRによる熱構造連成解析の実行方法をご紹介します。

事例１：変形フリーの板の熱ひずみ#

解析モデル#

変形フリーの拘束を与えた板に、温度上昇の熱荷重を負荷します。

材料特性#

材料特性 値
ヤング率 [Pa]
ポアソン比
線膨張係数 [1/K]

Avance/FrontSTRの設定ファイル入力（*.cnt）#

温度荷重条件の入力は以下の様に記述します。

  • 初期温度：20.0℃
  • 温度荷重：320.0℃
1
2
3
4
!INITIAL_CONDITION, TYPE=TEMPERATURE
 ALL, 20.0
!TEMPERATURE, GRPID=2
 ALL, 320.0

解析結果#

板は一様に膨張し正の熱ひずみが発生します。応力は発生しません。

  • 熱ひずみ成分値：
  • 熱応力値　： [Pa]

事例２：完全拘束された板の熱応力#

解析モデル#

変形しないように完全拘束した板に、温度上昇の熱荷重を負荷します。
材料物性および温度荷重は事例1と同じです。

解析結果#

板は拘束されているため変形しませんが、温度上昇によって膨張する力が働いているため一様に圧縮の熱応力が生じます。

  • 変位・熱ひずみ成分値：
  • 熱応力成分値　： [Pa]

事例３：熱変形曲げ解析#

解析モデル#

板厚方向に温度分布が生じている板の曲げを解析します。 板は端部でピン拘束の条件とします。

温度分布#

板厚方向に温度差が生じている板の温度分布を、伝熱解析により作成します。

  • 板の上面温度：120℃
  • 板の下面温度：320℃

伝熱構造連成解析#

Advance/FrontSTRでは、伝熱と構造の弱連成解析が実施可能です。
定常解析／静解析、非定常解析／時刻歴応答解析に対応しています。
伝熱解析の結果ファイルを読み込んで、構造解析を実施します。

Avance/FrontSTRの構造解析での設定ファイル入力（*.cnt）#

温度荷重条件の入力は以下の様に記述します。

  • 初期温度：20.0℃

  • 温度荷重：伝熱解析の結果ファイル（./heat/heat.res）を読み込みます

  • 設定ファイル(*.cnt) の記述

1
2
3
4
5
!INITIAL_CONDITION, TYPE=TEMPERATURE
 ALL, 20.0
!STEP
!IMPORT, FILE=heat/heat.res
 TEMPERATURE

熱変形解析結果#

全体の初期温度20.0℃から、伝熱解析で求めた温度分布の状態まで変化した際の変形図を示します。板の上面より下面の方が高温となり熱ひずみが大きいため、板には曲げが生じています。

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