FreeCADメモ-チュートリアル 熱応力の計算

熱応力の計算-ステップ2

2018/4/18 更新
バージョン0.17

条件設定

  1. 解析ケースとメッシュの作成

    ワークベンチをFEMワークベンチWorkbench_FEMへ切り替え、新しい解析を作成fem-analysisします。

  2. 材料の設定

    解析対象の材料を設定します。材料設定fem-materialを選択して形状の材質を設定します。「Material」として「CalculiX-Steel」を選択し、OK をクリックしてダイアログを閉じます。

    材料設定ダイアログ 材料設定ダイアログ

    材料としては他にもアルミニウム合金、鋼鉄、コンクリート、ガラス、PLA、木材などが用意されていますが、熱関係の物性が未定義のものもあるので注意が必要です。また MatWeb database... ボタンからウェブ上のデータベースへアクセスして任意の材質を調べて設定することも可能です。

  3. 固定条件の設定

    固定条件設定fem-constraint-fixedを選択します。2ヶ所のねじ留め位置の面を3Dビューで選択してダイアログで Add をクリックすると条件が設定されます。条件を設定した面には赤いピンのマークが表示されます。設定が終わったら OK をクリックしてダイアログを閉じます。

    固定条件設定ダイアログ 固定条件設定ダイアログ
    3Dビューの表示 3Dビューの表示
  4. 温度固定条件の設定

    温度固定条件fem-constraint-temperatureを選択します。Y座標下側の先端面を3Dビューで選択してダイアログで Add をクリックすると条件が設定されます。条件を設定した面には温度固定条件用のマークが表示されます。

    ダイアログ下部にあるラジオボタンで「Temperature」を選び、温度(絶対温度)として「473.15 K」(摂氏200 ℃)を設定します。

    設定が終わったら OK をクリックしてダイアログを閉じます。

    温度固定条件ダイアログ 温度固定条件ダイアログ
    3Dビューの表示 3Dビューの表示
  5. 熱伝達条件の設定

    熱伝達条件fem-constraint-temperatureを選択します。Y座標上側の先端面を3Dビューで選択してダイアログで Add をクリックすると条件が設定されます。条件を設定した面には熱伝達条件用のマークが表示されます。

    ダイアログ下部で「Film coefficient(境膜係数)」に「43.0 W/(m2・K)」を、「Ambient Temperature(雰囲気温度)」に「300.0 K」(摂氏26.85 ℃)を設定します。

    設定が終わったら OK をクリックしてダイアログを閉じます。なお条件が設定されていない面では熱の流入出が考慮されないことに注意が必要です。

    熱伝達条件設定ダイアログ 熱伝達条件設定ダイアログ
    3Dビューの表示 3Dビューの表示
  6. 初期温度条件の設定

    初期温度条件fem-constraint-temperatureを選択し、初期温度として「300.0 K」(摂氏26.85 ℃)を設定します。

    設定が終わったら OK をクリックしてダイアログを閉じます。

    初期温度条件ダイアログ 初期温度条件ダイアログ
  7. メッシュの作成

    解析対象となる形状(Body)をモデル・ツリー上で選択し、Netgenによるメッシュ作成「Netgenによるメッシュ作成」アイコンを実行します。

    タスク・タブで「Second order(2次精度)」にチェックが入っていることを確認します。これによって計算精度の高い(ただし計算量は多い)2次要素を使用できます。

    4面体1次要素 4面体1次要素
    4面体2次要素 4面体2次要素

    また形状の厚み方向(5 mm)に3層程度のメッシュ解像度でメッシュを作成したいので、「Max. Size」に 「1.6」(≒5/3) と設定します。

    メッシュの粗さが「Moderate(中程度)」となっていることを確認して Apply をクリックします。3Dビューに表示されたメッシュに問題なければ OK をクリックしてダイアログを閉じます。

    Netgenによるメッシュ作成ダイアログ Netgenによるメッシュ作成ダイアログ
    解析用メッシュ 解析用メッシュ

    パラメーターは以下の通りです。

    パラメーター
    Max. Size要素の最大サイズ
    Second order2次要素を生成するかどうか
    Finenessメッシュの粗さ。「非常に粗い」、「粗い」、「中程度」、「細かい」、「非常に細かい」、「ユーザー定義」の6種類。
    Growth Rate隣接メッシュの変化率
    Nbr Segs per Edgeエッジあたりの分割数
    Nbr Segs per Radius半径あたりの分割数
    Optimize最適化をおこなうかどうか
  8. 設定後のモデル・ツリー

    設定した材料、条件はモデル・ツリーの「Analysis」の下に追加されます。設定条件を変更する場合はモデル・ツリー上のアイテムをダブルクリックで開いて変更を行います。設定条件を削除する場合は選択した状態で Delete キーを押して削除します。

    条件設定後のモデル・ツリー 条件設定後のモデル・ツリー

計算実行

モデル・ツリー上の「fem-solverCalculiXccxTools」をダブルクリックすると解析実行ダイアログが表示されます。

適当な作業用ディレクトリを指定し、解析の種類として「Thermo mechanical」を選択します。

「Write .inp file」をクリックして入力用ファイルを書き出した後、「Run Calculix」をクリックすると計算が開始します。計算が正常終了するとダイアログ下部のテキストエリアに「Calculix done!」、「Loading result sets...」と表示されるので Close をクリックして解析実行ダイアログを閉じます。

解析実行ダイアログ 解析実行ダイアログ

計算が終わるとモデル・ツリーには解析結果として「CalculiX_thermomech_results」が追加されます。

計算後のモデル・ツリー 計算後のモデル・ツリー

次に解析結果の確認を行います。

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