有限差分法熱解析プログラム

Femap Thermal のご紹介

Femap Thermalの概要

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• 有限差分法解析ソルバ― TMG(Thermal Model Generator)をFemapと高度に連携させた製品で、熱伝導と一部の輻射が取り扱える Basic版と様々な熱問題が取り扱える Advanced版の 2種類が提供されます。 Femapとシームレスな連

携

Model Managerによる解析条件の一元管理

共役勾配法を用いた高速計算処理

多様な結果分析

流体解析モジュール Flowとの連携（熱流体解析）

解析機能（ Thermal vs Nastran）

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製品 オプション

解析 固体熱伝導 接触熱伝達

定常 過渡 　 異方性依存性

　 接触抵抗

温度依存

時間依存温度 時間

Nastran - ○ ○ ○ ○ ○ 　 △ 　 　 　

Thermal

Thermal ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Adv 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　Flow 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

製品 オプション

輻射熱伝達環境 形態係数

自動計算散乱面 鏡面 透過屈折 日照 軌道

輻射　 異方性 　 異方性 　 異方性

Nastran - ○ ○ ○ 　 　 　 　 　 　 　

Thermal

Thermal ○ ○ ○ ○ 　 　 　 　 　 　

Adv 　 + 　 　 　 ○ ○ ○ ○ ○ ○Flow 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

解析機能（ Thermal vs Nastran）

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製品 オプション

対流

自然 強制 フローネットワーク

伝達係数自動計算

CFD連成

自然 強制 移動境界 フィルター

Nastran - ○ ○ ○ 　 　 　 　 　

ThermalThermal ○ ○ 　 　 　 　 　 　Adv 　 　 ○ ○ 　 　 　 　Flow 　 　 　 　 ○ ○ ○ ○

固体熱伝導解析

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• ソリッド要素、プレート要素、質量要素（移流なしフローパス）、線要素（移流を考慮したフローネットワーク）について計算します。

• 温度拘束、熱流束、その他熱負荷等の境界条件は、エレメント単位で定義（グループを使用）します（時間の関数として定義可能）。

• 熱伝導率、比熱、密度の材料特性は温度依存性を考慮することができ、相転移効果や材料の直交異方性、流体特性も設定できます。

氷の融解

固体熱伝導解析

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• Advanced版では、抵抗体発熱解析機能が使用でき、以下のような条件による解析が行えるようになります。➢ 通電によるジュール発熱を考慮した熱解析→　電気回路の発熱を通電で制御可能

➢ 電気抵抗率の温度依存性設定

熱制御素子モデル

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• コントローラー➢ サーモスタット（温度測定点の状態に合わせて発熱を ON/OFF）➢ 温度の PID制御（ Advanced版）

• 熱移動素子➢ ペルチェ素子（ゼーベック係数、温度依存性を考慮）➢ ヒートパイプ➢ MLI（Multi Layer Insulation）

• ハニカムサンドイッチなどの多層板のモデル化

サーモスタットによるヒータの温度制御

接触熱伝達解析

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• 形状の異なるメッシュ間に面積比例のコンダクタンスを作成して熱的に結合することができます。また、面積の重なりを考慮して、コンダクタンスを自動的に分配します。

• 主な用途➢ 発熱機器とヒートシンクの熱解析➢ 電子基盤とガイド間の熱伝導解析

熱伝達解析

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• Advanced版では、断面形状と流体特性を定義したフローネットワークを用いて流体の温度変化を考慮した熱伝達解析を行うことができます。

• 特長➢ 流体計算を行わないので高速に計算されます。➢ フローパス形状の徐変、フローネットワークの圧力損失、摩擦損失を考慮できます。

➢ 層流と乱流の自動判定とヌッセルト数、プラントル数の自動計算ができます。

➢ 自然対流と強制対流の両方を考慮した解析が行えます。

➢ Femap Flowと組み合わせて使用できます。

• 主な用途➢ 電子機器の空冷解析➢ 配管系の流れ解析

パワートランジスタの熱伝達解析（自然対流を考慮）

熱輻射伝導解析

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• プレート要素、ビーム要素、軸対称要素に対してサーフェス間の熱輻射交換を考慮した計算ができます。

• 特長➢ 形態係数を高速に計算できます。（ 4000面の計算を数分で処理）また、最大 100 万サーフェスまで計算を考慮します。（大規模モデルへの対応）

➢ 熱赤外放射率、透過、屈折を設定でき、完全散乱面の熱特性のみでなく不完全散乱面の熱特性も考慮できます。

➢ 輻射熱計算に Oppenheim（ラジオシティ）法と Gebhardt法を採用

➢ 形態係数計算に Nusselt 半球法とHemicube法を採用

➢ レイトレース法とモンテカルロ法による鏡面反射、透過、屈折を考慮できます。 発熱棒の熱輻射解析

熱輻射伝導解析 / レイトレース &透過屈折計算

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• Advanced版の熱輻射伝導解析では、光線追跡計算によるモデルの鏡面性と透過性を考慮した計算を行うことができます。また、多重反射の考慮や、双方向レイトレーシング計算を行います。レンズ、水槽、ガラス等の半透明体の透過、吸収、屈折の計算も行うことができます。

双曲ミラーの解析

熱輻射解析 / 日照解析

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• Advanced版の熱輻射解析では、太陽ベクトルを設定し、大気減衰、透明度、空の散乱反射、地面の反射を考慮した日照解析を行うことができます。温度、熱流束の他、日照強度（熱流束）、太陽ビューファクタ等が結果として出力されます。

市街地のヒートアイランド

市街地の日照解析（ 2011/02/01）

熱輻射解析 / 起動熱解析

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• Advanced版の熱輻射解析では、人工衛星などの宇宙機の起動熱環境を定義することができ、太陽からの光エネルギー、惑星からの赤外放出および、太陽光線が地表面や大気で乱反射して起動へ届く太陽光反射を考慮した起動熱解析を行うことができます。温度、熱流束の他、軌道熱流束、太陽光反射、惑星 - 太陽ビューファクタ、関節の動き、軌道情報等が結果として出力されます。

三軸衛星の太陽ビューファクタ

• Nastran、 Thermalとも、輻射形態係数の計算は可能ですが、取り扱える方法が以下のように異なります。

• Nastran➢ Nusselt 半球法（原理的）

・　カプノスの方法（ストークス式の応用）・　上限： 1 キャビティあたり約 10,000面まで

• Thermal➢ Nusselt 半球法➢ Hemicube法

・　 Nusselt 半球法より数十倍の速度・規模の処理が可能　　精度は実用上、十分・　グラフィックスカード（ OpenGL）の応用により、　　さらに数倍の高速化

熱輻射解析 / 形態係数計算

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• 要素数 2,287面➢ 小さな家とストーブ、新型赤外ヒータの解析

• NX Nastran➢ 輻射計算時間：　 37分 34 秒➢ 総計算時間： 38分 35 秒

• Thermal➢ 輻射計算時間： 35 秒輻射リンク：　 1,322,492

➢ 総計算時間： 58 秒• 時間倍率

➢ 輻射計算 64 倍➢ 温度結果は同じ➢ 実用上、 NX Nastranでは約 1 万面が実用限界

・　計算時間は要素数の 4 乗に比例・　 Thermalは 40 万面の実績あり（受託）

熱輻射解析 / ベンチマーク

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熱輻射解析 / ベンチマーク

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• モデル概要（ヒータと壁）

ストーブ

新型ヒータ

床は 15℃に固定

熱輻射解析 / ベンチマーク

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• モデル概要（ヒータと壁）

温度（床 15℃に固定）

輻射強度（W/m2）

熱輻射解析 / ベンチマーク

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• 応用（ Thermalで室外の対流を設定した結果）

モデル縮退機能

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• Advanced版では、複雑なモデルを条件に応じて縮退し、単純なモデルに置き換えて計算時間を短縮することができます。

• 用途➢ 影響によるモデルの簡略化

・　重要でないモデル部分の簡略化・　熱リンクの合成

➢ 縮退モデルの解析結果をフルモデルへ自動マッピング

➢ 縮退モデルを SINDAコードなどにアウトプット・　従来と逆のアプローチで熱 - 構造モデルを高度にリンク

制限事項

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• Femap Thermalで取り扱えるモデル規模は以下の制限があります。➢ 最大節点数： 10,000,000➢ 最大要素数：

・　計算に要素重心法を使用する場合、 10,000,000・　計算に要素外心法を使用する場合、 5,000,000

➢ ビューファクタ： VUFFファイルのサイズが 2GB以下（およそ35,000,000）

➢ 最大プロパティ数： 99,999➢ 最大グループ数： 100,000

適用範囲 / 電気・電子産業

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• 電子機器の熱解析　 （ Basic以上）

• 素子熱解析（ Basic以

上）• 電源熱解析

（ Basic以上）

• 太陽光発電装置の効率解析（ Advanced）

• 温度制御機器の性能解析（ Basic以上）

• 試験コリレーション（ Advanced）

• 感熱 / 焼付け機器の熱解析（ Advanced）

• シリコンウェハの熱処理（ Advanced）

適用範囲 / 輸送・重工

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• 発動機の熱解析　（ Basic以上）

• 発電設備の熱解析（ Advanced）

• 熱反射炉 / 真空炉の熱解析（ Advanced）

• 太陽炉の効率解析（ Advanced）

• 熱交換機の効率解析（ Advanced）

• 工場建屋の空調解析（ Advanced）

• 船舶・自動車の熱解析（ Advanced）

適用範囲 / 建築

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• 日照解析　

（ Advanced）• ヒートスポット /ヒートアイランド解析

（ Advanced）• 建築物の熱解析

（ Advanced）• 熱配管の効率

（ Advanced）• 輻射暖房装置の解析

（ Basic以上）• 壁からの熱流入の解析

（ Basic以上）• 室内照度の一次検討

（ Advanced）

適用範囲 / 航空宇宙

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• 人工衛星（人口天体）の熱解析　（ Advanced）

• GSE等地上設備の熱解析（ Advanced）

• 縮退熱モデルの作成（ Advanced）

• 試験解析とコリレーション（ Advanced）

• 起動環境の解析（ Advanced）

• 観測機器の視野解析（ Advanced）

• 一次コンタミネーション解析（ Advanced）

導入支援

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• CAE への理解を深めて頂くために、お客様目線での「技術サポート」、「セミナー」、「コンサルティング」を全力でいたします。

ソフトウェアの初期導入支援

ソフトウェアの便利な使い方の提案

解析実行のための効率のよい設定の紹介

ありがとうございました

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