OS-HM-T: 5000 線形熱伝導/構造連成解析

本チュートリアルでは、スチールパイプの熱伝導/構造連成解析を実行します。

開始する前に、このチュートリアルで使用するファイルを作業ディレクトリにコピーします。
パイプは一端が地面で固定され、もう一端に熱流束が加えられます。最初に、線形定常熱伝導解析の解を定義します。この解は、TEMPにより構造解析によって参照され、熱/構造連成解析が実行されます。問題はHyperMeshで定義され、OptiStructで解かれます。熱伝導と構造の結果のポスト処理はHyperViewで行います。
図 1. モデルのレビュー


以下の演習が含まれます：
  • 熱 / 構造連成材料とプロパティの作成
  • 熱荷重(QBDY1)と境界条件(CHBDYE)の適用
  • OptiStructへのジョブのサブミット
  • HyperViewでの結果のポスト処理

Launch HyperWorks

  1. Launch Altair HyperWorks.
  2. In the New Session window, select HyperMesh from the list of tools.
  3. For Profile, select OptiStruct.
  4. Click Create Session.
    図 2. Create New Session


    This loads the user profile, including the appropriate template, menus, and functionalities of HyperMesh relevant for generating models for OptiStruct.

Import the Model

  1. On the menu bar, select File > Import > Solver Deck.
  2. In the Import File window, navigate to and select pipe.fem you saved to your working directory.
  3. Click Open.
  4. In the Solver Import Options dialog, ensure the Reader is set to OptiStruct.
    図 3. Solver Import Options


  5. Accept the default settings and click Import.

モデルのセットアップ

熱 / 構造連成材料プロパティの作成

コンポーネントコレクターの作成前に材料およびプロパティコレクターを作成します。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Materialを選択します。
    デフォルトのMAT1材料がCreate Material ウィンドウに表示されます。
  2. Nameにsteelと入力します。
  3. MAT4の横のチェックボックスを選択します。
    材料情報エリアのMAT1の下にMAT4カードイメージが表示されます。MAT1カードは等方性構造材料を定義します。MAT4カードは一定値の熱材料に用いられます。MAT4にはMAT1と同じ材料IDを用います。
  4. Create Materialウィンドウで、以下のスチールの材料の値を入力します：
    1. [E] Young’s modulus = 2.1 x 1011 Pa
    2. [NU] Poisson’s ratio = 0.3
    3. [RHO] Material density = 7.9 x 103 Kg/m3
    4. [A] Thermal expansion coefficient = 1 x 10-5 / °C
    5. [K] Thermal conductivity = 73W / (m * °C)
  5. Closeをクリックします。
    熱 / 構造材料、steelが新たに作成されます。
    図 4. Create Materialウィンドウ


  6. Model Browserで右クリックしてCreate > Propertyを選択します。
    デフォルトのPSHELLプロパティがCreate Material ウィンドウに表示されます。
  7. NameにSolidsと入力します。
  8. Card Imageに、ドロップダウンメニューからPSOLIDを選択します。
  9. Materialに、Unspecifiedをクリックします。
  10. をクリックします。
  11. Advanced Selectionウィンドウで、steelを選択し、OKをクリックします。
  12. Closeをクリックします。
    ソリッドのスチールパイプのプロパティが3D PSOLIDとして生成されました、材料情報はこのプロパティに関連付けられています。
    図 5. 材料SteelをプロパティSolidに割り当て


材料とプロパティの既存の構造への関連付け

材料とプロパティが定義されたら、それらを構造と関連付ける必要があります。

  1. Model Browserで、Componentsをダブルクリックし、Componentブラウザを開きます。
    図 6. Modelブラウザ
    図 7. Componentsブラウザ
  2. pipeコンポーネントをクリックします。
    コンポーネントテンプレートがEntity Editorに表示されます。
  3. Propertyに、Unspecifiedをクリックします。
  4. をクリックします。
  5. Advanced Selectionウィンドウで、solidを選択し、OKをクリックします。
    図 8. プロパティSolidをコンポーネントPipeに割り当て


荷重と境界条件の付与

構造の拘束spc_structは、パイプを地面に拘束するRBE2要素に付与されています。2つの空の荷重コレクターspc_heatとheat_fluxが事前に生成されています。このセクションでは、温度境界条件と熱流束をモデルに与え、それぞれspc_heatとheat_fluxに保存します。

熱拘束条件の作成

  1. Model Browserで、Load CollectorsセクションのCollectorsをダブルクリックして、Load Collectors/Collectors ブラウザを開きます。
  2. spc_heatを右クリックし、context menuからMake Currentを選択します。
    図 9. spc_heatコレクターを現在のコレクターに設定


  3. Analyzeリボンから、 Constraintsツールを選択します。
    図 10. 拘束の追加


  4. Entityにを選択します。
  5. Advanced Selectionウィンドウで、ドロップダウンメニューからBy Setを選択します。
    図 11. アドバンスト選択メニュー


  6. 予め定義されているエンティティセットheatを選択し、OKをクリックします。
    図 12. Thermal SPCの節点選択


  7. DOF1、DOF2、DOF3、DOF4、DOF5、DOF6のチェックボックスを非選択にします。
  8. Createをクリックし、次にCloseをクリックします。

パイプの自由端における熱流束荷重の作成

熱流束がパイプの自由端のサーフェス上に付与されます。

  1. Model Browserで、Load CollectorsセクションのCollectorsをダブルクリックして、Load Collectors/Collectors ブラウザを開きます。
  2. heat_fluxを右クリックし、context menuからMake Currentを選択します。
  3. Analyzeリボンから、 Heat Fluxツールを選択します。
    図 13. 熱流束荷重の選択


  4. Create LoadウィンドウのELSETIDで、ハンバーガーメニューを選択します。
    図 14. 熱流束荷重用サーフェスの選択


  5. ポップアップメニューでCreateをクリックします。
    ここで、熱流束が加えられるSURF SETを作成できます。
  6. Nameにheat_surfと入力します。
  7. Elementsに、0 Elementsをクリックします。
  8. 図 15に示すとおり、パイプの自由端のフェイスにカーソルを合わせてこれを選択します。
    モデリングウィンドウでフェイスが自動的にハイライト表示されるため、熱流束が加えられるフェイスを容易に選択できます。
    図 15. 熱流束荷重を加えるフェイスの選択


  9. をクリックして選択を完了します。
    図 16. 熱流束荷重用に選択されたフェイス


  10. QBDY1オプションの場合、Q0が1.0に設定されていることを確認してください。
    図 17. QBDY1の荷重値


  11. Closeをクリックします。
    サーフェス要素への均一な熱流束が定義されます。

熱伝導荷重ステップの生成

OptiStruct定常熱伝導荷重コレクタステップが荷重コレクターspc_heatの温度条件と荷重コレクターheat_fluxの熱流束条件を参照して生成されます。熱伝導解析の勾配、流束、温度出力も、荷重ステップで要求されます。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Load Stepを選択します。
    エンティティエディターにデフォルトの荷重ステップが表示されます。
  2. Nameにheat_transferと入力します。
  3. Analysis typeに、ドロップダウンメニューからHeat transfer (steady state)を選択します。
  4. SPCにUnspecifiedをクリックします。
  5. をクリックします。
  6. Advanced Selectionウィンドウで、spc_heatを選択し、OKをクリックします。
  7. 同様に、LOAD用にUnspecified > をクリックし、荷重コレクターheat_fluxを選択します。
  8. Analysis typeがHEATに設定されていることを確認します。
  9. OUTPUTのチェックボックスを選択します。
  10. OUTPUTのサブリストで、FLUXとTHERMALのチェックボックスを選択します。
  11. FLUXとTHERMALの両方で、FORMATを H3Dに、OPTIONをALLに設定します。


    図 18. 出力要求のアクティブ化

構造の荷重ステップの作成

温度 / 構造連成解析の実行には、熱伝導SUBCASEが必要で、構造SUBCASEでTEMP カードを通して参照されます。これはHyperMeshで直接はサポートされていないため、線形構造解析のサブケースを作成し、SUBCASE_UNSUPPORTEDを使って温度を追加するか、もしくはモデルを出力した後で.femファイルを編集する必要があります。
  1. Model Browser内で右クリックし、Create > Load Stepを選択します。
    デフォルトの荷重ステップがEntity Editorに表示されます。
  2. Nameにstructure_tempと入力します。
  3. Entity EditorでAnalysis typeの横のValue欄のドロップダウンメニューをクリックし、Linear Staticを選択します。
  4. SPCで、Unspecified > をクリックします。
  5. Advanced Selectionダイアログで、spc_structを選択し、OKをクリックします。
  6. TEMP_LOADとSUBCASE OPTIONS横のチェックボックスを選択します。
  7. SIDにSUBCASEIDを選択します。
  8. をクリックしてheat transferサブケースを選択します。
  9. Applyをクリックします。
    構造物サブケースのTEMP入力の入力荷重として、熱伝導サブケースIDを選択します。
    図 19. 構造サブケースの荷重として熱伝導サブケースを選択


  10. Closeをクリックします。

Run OptiStruct

  1. On the Analyze ribbon, under the Analyze tool group, select Run OptiStruct Solver.
    図 20. Initiate the OptiStruct Analysis Run


  2. In the File Explorer, save the model as pipe_complete to your working directory.
    The .fem filename extension is the recommended extension for OptiStruct input decks.
  3. Click Save.
  4. In the Solver Export Options window, for Export, select All and accept all other default settings.
  5. Click Export.
    図 21. Export Completed OptiStruct Input File


  6. In the Altair Compute Console, for Options, add the following run options:
    図 22. Altair Compute Console


  7. Click Run.
  8. Once the job completes successfully, the ACC Solver View window opens and an ANALYSIS COMPLETE message is printed in the Message log.
  9. Click Close.
    If the job is successful, you should see new results files in the directory in which pipe_complete.fem was run. The pipe_complete.out file is a good place to look for error messages that could help debug the input deck if any errors are present.

View the Results

Gradient temperatures and flux contour results for the steady-state heat conduction analysis and the stress and displacement results for the structural analysis are computed from OptiStruct. HyperView is used to post-process the results.

熱伝導解析の結果の表示

  1. Altair HyperWorksを起動します。
  2. New Sessionウィンドウで、ツールのリストからHyperViewを選択します。
  3. プロファイルは、Generalを選択します。
  4. Create Sessionをクリックします。
    これにより、結果ファイルの後処理に関連する適切なテンプレート、メニュー、HyperViewの機能を含むユーザープロファイルが読み込まれます。
  5. ResultsリボンのFilesツールグループから、 Openをクリックします。
    図 23. HyperViewで結果ファイルを開く


  6. Load modelフィールドとLoad resultsフィールドの両方で、File Explorerから pipe_complete.h3dを選択します。
    図 24. HyperViewでH3Dファイルを読み込む


  7. Applyをクリックします。
  8. Resultsリボンで、Contourをクリックします。
    図 25.
  9. Results Browserタブで、現在の荷重ケースとして Subcase 1 (heat transfer)を選択します。
    図 26. HyperViewの結果タブ


  10. Result typeの下の1つ目のプルダウンメニューで、Element Fluxes (V)を選択します。
  11. Applyをクリックします。
    節点温度を示すコンタープロットが表示されます。
    図 27. 熱伝導解析の結果


熱 / 構造連成解析結果の表示

  1. Results Browserタブで、現在の荷重ケースとして Subcase 2 (structure temp)を選択します。
  2. Result typeの下の1つ目のプルダウンメニューで、Displacement (v)を選択します。
  3. Result typeの下の2つ目のプルダウンメニューで、Magを選択します。
  4. Applyをクリックします。
    変位のコンターがプロットされます。
  5. Result typeの下の1つ目のプルダウンメニューで、Element Stresses [2D & 3D] (t)を選択します。
  6. Result typeの下の2つ目のプルダウンメニューを選び、vonMisesを選択します。
  7. Applyをクリックします。
    フォンミーゼス応力を示すコンタープロットが表示されます。モデル内の各要素に、適用されている荷重および境界条件から得られた要素のフォンミーゼス応力値を示すレジェンドカラーが割り当てられます。
    図 28. 構造解析の結果