温度分布履歴推定方法
【課題】平板形鋼材を高周波誘導により線状加熱された際の温度分布履歴(熱サイクル)を高精度かつ効率よく推定する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】板形鋼試験片を点加熱した際に発生する温度分布履歴を測定する第一工程と、板形鋼を点加熱した際に発生する誘導電流分布を解析する第二工程と、誘導電流分布を初期温度における初期誘導電流分布及び初期誘導電流分布の温度依存修正係数の近似式で表し、温度分布履歴と誘導電流分布とに基づいて初期誘導電流分布及び温度依存修正係数を同定する第三工程と、初期誘導電流分布及び温度依存修正係数並びに板形鋼の電気抵抗率の温度依存性から内部発熱を解析する第四工程と、板形鋼に対して内部発熱を移動させながら与えて線状加熱時に発生する温度分布履歴を解析する第五工程と、を有する。
【解決手段】板形鋼試験片を点加熱した際に発生する温度分布履歴を測定する第一工程と、板形鋼を点加熱した際に発生する誘導電流分布を解析する第二工程と、誘導電流分布を初期温度における初期誘導電流分布及び初期誘導電流分布の温度依存修正係数の近似式で表し、温度分布履歴と誘導電流分布とに基づいて初期誘導電流分布及び温度依存修正係数を同定する第三工程と、初期誘導電流分布及び温度依存修正係数並びに板形鋼の電気抵抗率の温度依存性から内部発熱を解析する第四工程と、板形鋼に対して内部発熱を移動させながら与えて線状加熱時に発生する温度分布履歴を解析する第五工程と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、平板形鋼材を高周波誘導により線状加熱した際の温度分布履歴を推定する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、船体外板等の大型の三次元曲面の成形は、線状加熱により成形される場合が多い。線状加熱による成形は、熟練技能者が経験と勘により行っているが、近年は技能者の高齢化が進んできており、生産能力不足が深刻化してきている。
【0003】
そこで、三次元曲面成形の自動化を図るべく研究開発が進められ、緩曲面成形においては、既に線状加熱による成形の自動化に成功している。それは、加熱条件(コイル仕様、励起周波数、電流、電圧、コイル移動速度等)毎に直線加熱試験を行って固有歪を同定してデータベース化し、このデータベースを利用した解析に基づいて加熱線を配置するというものである。緩曲面成形においては、加熱線の間隔も広いので、各加熱部が干渉し合わず、上記方法によることができる(非特許文献1参照)。
【0004】
しかし、大曲率面の成形においては、加熱線間隔が狭くなったり、同じ箇所を複数回加熱したり、加熱線同士が交差することもあり、更に、非直線状加熱も多用されるために、上記のような加熱条件が同じでも、生成される固有歪が同じにならない。
したがって、各加熱線の加熱条件に応じた固有歪を上記データベースから求めて重ね合わせても、現実に生成される固有歪とは異なる。よって、上記直線加熱試験により同定された固有歪に基づいて加熱線を配置すると、加工精度が許容限度を超えて悪化してしまう。つまり、大曲率面成形(即ち、加熱線間隔が狭い、または重複し、加熱線同士が交差する、加熱線が非直線状である、等の条件下の成形)で生成される固有歪は、上記直線加熱試験による固有歪とは異なるものであって、未だ同定されていない。このため、大曲率面成形は自動化に至っていない。
【非特許文献1】石山ら,「有限要素法(FEM)を応用した自動線状加熱曲げ加工法」,石川島播磨技報 1999 Vol.39 No2 P.60-p.64
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
大曲率面成型の自動化を実現するには、線状加熱による加熱源から鋼板への入熱を精度良く評価した熱弾塑性解析が必要である。
ところで、線状加熱には、ガス加熱や高周波誘導加熱等あるが、自動化を目的とする場合、制御や管理の観点から、電磁誘導による加熱を行う高周波誘導加熱装置を用いることが望ましい。高周波コイルが静止している場合の誘導加熱の伝熱解析には、有限要素解析法を用いたソフトウェアによる電磁場熱伝導連成解析等の既存の手法がある。
しかし、高周波線状加熱の電磁場熱伝導連成解析を行おうとすると、0.1mm以下の厚さの発熱層を表現できる超細密メッシュをコイルの移動軌跡に沿って配置し,かつ空気層も無限遠方までメッシングする必要があるため解析モデルが複雑になり、解析に非現実的工数を要することとなる。このため、誘導加熱による線状加熱時の伝熱解析は実現されておらず、既存の電磁場熱伝導連成解析による大曲率面成形での固有歪の同定は、事実上不可能である。
【0006】
上記の既存の手法によらず、大曲率面成形で生成される固有歪を解析し、自動化への妨げをなくすためには、その前段として、まず1本の線状加熱による熱サイクル(温度分布履歴)の推定が必要である。熱サイクルの推定ができると、それを基にして固有歪の同定へと進むことができる。しかしながら現在、線状加熱による熱サイクルの推定は行われていない。
【0007】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、平板形鋼材を高周波誘導により線状加熱された際の温度分布履歴(熱サイクル)を高精度かつ効率よく推定する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る温度分布履歴推定方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明に係る温度分布履歴推定方法は、板形鋼試験片を高周波誘導により点加熱した際に発生する温度分布履歴を測定する第一工程と、板形鋼を高周波誘導により点加熱した際に発生する誘導電流分布を有限要素解析により求める第二工程と、前記誘導電流分布を初期温度における初期誘導電流分布及び前記初期誘導電流分布の温度依存修正係数の近似式で表し、第一工程で得られた温度分布履歴と第二工程で求めた誘導電流分布とに基づいて、前記初期誘導電流分布及び前記温度依存修正係数を同定する第三工程と、第三工程で求めた初期誘導電流分布及び温度依存修正係数並びに前記板形鋼の電気抵抗率の温度依存性から内部発熱を有限要素解析により求める第四工程と、前記板形鋼に対して第四工程で得られた内部発熱を移動させながら与えて線状加熱時に発生する温度分布履歴を有限要素解析により求める第五工程と、を有することを特徴とする。
【0009】
また、前記第五工程では、前記内部発熱が前記平板形鋼材の主面に対して直線状あるいは曲線状に移動しながら与えられることを特徴とする。
また、前記第五工程では、前記内部発熱が前記平板形鋼材に対して一定速度あるいは速度が変化しながら移動することによって与えられることを特徴とする。
また、前記第一工程では、前記平板形鋼材が高周波誘電コイルにより点加熱されることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば以下の効果を得ることができる。
本発明の温度分布履歴推定方法を用いることで、板形鋼を線状加熱した際に発生する温度分布履歴(熱サイクル)を精度よく解析(推定)することができる。
特に、第五工程、すなわち線状加熱の解析工程では、熱伝導解析により求めた内部発熱のみを用いているので、手間のかかる電磁場解析を行うことなく、短時間かつ高精度に温度分布履歴(熱サイクル)を解析(推定)することができる。つまり、予め内部発熱を求めておくことで、線状加熱の解析工程では、高周波誘導コイルの移動速度を変化させたり、高周波誘導コイルを非直線に移動させたりした場合であっても、電磁場解析を行うことなく、板形鋼を線状加熱した際の温度分布履歴(熱サイクル)を高精度かつ効率的に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明に係る温度分布履歴推定方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る温度分布履歴推定方法を説明する図であって、誘導加熱のための誘導電流発生のメカニズムを示す図である。
図2は、平板形鋼材を点加熱する際の温度測定点を示す図である。
図3は、平板形鋼材の電磁物性を示す図である。
図4は、平板形鋼材の熱物性を示す図である。
【0012】
本発明の実施形態に係る温度分布履歴(熱サイクル)推定方法は、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより線状加熱した際に平板形鋼材Aに発生する温度分布履歴を、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより点加熱した際の結果を利用して、推定するものである。
本実施形態に係る温度分布履歴推定方法では、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより点加熱した際に発生する温度分布履歴を測定する第一工程と、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより点加熱した際に発生する誘導電流分布I(r,z,T)を有限要素解析により求める第二工程と、誘導電流分布I(r,z,T)を位置と温度の近似式で表し、第一工程で得られた温度分布履歴と第二工程で求めた誘導電流分布I(r,z,T)とに基づいて近似式を同定する第三工程と、第三工程で求めた初期誘導電流分布及び温度依存修正係数w(T)並びに平板形鋼材Aの電気抵抗率の温度依存性R(T)から内部発熱を有限要素解析により求める第四工程と、平板形鋼材Aに対して第四工程で得られた内部発熱を移動させながら与えて線状加熱時に発生する温度分布履歴を有限要素解析により求める第五工程と、からなる。
【0013】
図1に示すように、平板形鋼材A及び高周波誘導コイルCからなる実験装置を用意する。実験装置としては、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより点加熱する実験装置10と、線状加熱する実験装置20の2種類を用意する。
【0014】
平板形鋼材Aを点加熱する実験装置10においては、高周波誘導コイルCを十分な大きさを有する平板形鋼材Aの中央に配置した。
また、図2に示すように、平板形鋼材Aには複数の熱電対を配置して、誘導加熱中の温度時刻暦を測定する。
そして、温度分布履歴推定方法の第一工程として、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより点加熱した際の温度分布履歴(熱サイクル)を測定する。
図5は、平板形鋼材!の各温度測定点における実測値と解析結果を示した図である。なお、図5の実線及び破線は共に解析結果(計算値)である。
【0015】
従来の温度分布履歴推定方法では、例えば、ANSYS(登録商標)などの汎用有限要素解析(FEM)コードを用いて、高周波誘導コイルCから発生する電磁場、平板形鋼材Aに発生する誘導電流や温度分布履歴を、電磁場熱伝導連成解析により求める。
汎用有限要素解析(FEM)コードに使用する平板形鋼材A及び高周波誘導コイルCの三次元モデルを作成する。三次元モデルは、X軸に対象となる軸対象モデルとしてよい。電磁場解析においては、無限遠方までの空気層もモデル化する必要がある。平板形鋼材Aと高周波誘導コイルCとの間には、実験装置と同様の空気層を配置する。
【0016】
更に、第二工程として、平板形鋼材Aの各温度測定点に発生する誘導電流分布の時刻歴を求める。
図6,図7は、平板形鋼材Aにおける誘導電流の解析結果であって、図6は0.2mmの深さ(面)における解析結果、図7は表層(0.01mmの深さ)における解析結果を示す。
【0017】
発熱層である表層から板厚方向(Z方向)に0.2mmの深さ(面)においては、誘導電流Iの時間変化は小さい(図6参照)。一方、発熱層である表層においては、温度が上昇するに従って、誘導電流が急激に減少することが分かる(図7参照)。
この結果から、誘導電流Iは、平板形鋼材Aの位置(r,z)と温度Tの関数として近似可能であることが明らかである。
【0018】
上述したように、誘導電流Iは、平板形鋼材Aの位置(r,z)と温度Tの関数として近似可能と考えられる。その関数式を以下の式(1)のように近似する。
I(r,z,T)=Io(r,z)w(T)・・・(1)
なお、Io(r,z)は、初期温度Toにおける誘導電流Iの分布(初期誘導電流分布)であり、w(T)は、初期誘導電流分布Io(r,z)の温度依存修正係数である。
【0019】
そこで、第三工程として、誘導電流Iを式(2)で近似した上で、第一工程で得られた温度分布履歴と第二工程で求めた誘導電流分布I(r,z,T)とに基づいて、式(2)の初期誘導電流分布Io(r,z)と温度依存修正係数w(T)を同定する。
これにより、図8,図9に示すように、初期誘導電流分布Io(r,z)と温度依存修正係数w(T)が同定される。
なお、図8は、初期誘導電流分布の同定結果を示す図である。図9は、温度依存修正係数の同定結果を示す図である。
【0020】
このように、誘導電流Iが式(2)で近似できると、誘導電流Iにより内部発熱Wは、以下の式(2)のように表される。
W=I(r,z,T)R(T)=Io(r,z)w(T)R(T)・・・(2)
なお、R(T)は、平板形鋼材Aの電気抵抗率の温度依存性である。
【0021】
そして、平板形鋼材Aに発生する内部発熱Wを位置(r,z)と温度Tのみにより求めることができるとなると、平板形鋼材Aに発生する温度分布履歴(熱サイクル)の計算を熱伝導解析のみにより求めることができる。
したがって、無限遠方までの空気層のモデル化が必要であって、膨大なモデル化工数と計算自由度が必要な電磁場解析を不要とすることが可能となる。
【0022】
第四工程として、第三工程で求めた初期誘導電流分布Io(r,z)と温度依存修正係数w(T)を式(2)に適用し、熱伝導解析により、平板形鋼材Aに発生する温度分布履歴(熱サイクル)を求める。
図10は、同定した初期誘導電流分布Io(r,z)と温度依存修正係数w(T)を式(2)に適用して求めた内部発熱を示す図である。
なお、図中の実線及び破線は共に計算値である。また、図10には、別途行った確認試験により得られた温度分布履歴の実測結果も示している。
【0023】
解析により推定した結果は、第一工程で得た実測結果と良好に一致していることが分かる。この比較結果から、誘導電流分布Iが式(1)により良好に近似されており、また、初期誘導電流分布Io(r,z)と温度依存修正係数w(T)が高い精度で同定されていることがと認められる。
【0024】
そして、最後に、第五工程として、平板形鋼材Aを線状加熱した際に発生する温度分布履歴(熱サイクル)を熱伝導解析により求める。
図6,図7の解析結果によれば、発熱領域から離れた低温領域では、加熱開始直後の誘導電流の過渡変化は、1秒以内に概ね収束している。線状加熱試験において、この過渡期間中における高周波誘導コイルCの移動量は、16mm程度以下であり、高周波誘導コイルCよりも大幅に小さい。
そこで、式(1)により求められた誘導電流Iに対応する内部発熱Wを式(2)により求め、平板形鋼材Aに対してその内部発熱Wを任意の速度で移動させながら与える熱伝導解析を繰り返し行う。これにより、平板形鋼材Aを線状加熱した際に発生する温度分布履歴(熱サイクル)を求めることができる。
【0025】
図11,図12は、平板形鋼材Aを線状加熱した際に発生する温度分布履歴(熱サイクル)を示す図である。図11は、高周波誘導コイルCの移動速度が1000(mm/min)の場合、図12は、高周波誘導コイルCの移動速度が300(mm/min)の場合を示す。
なお、図中の実線及び破線は共に計算値である。また、図11,図12には、別途行った確認試験により得られた温度分布履歴の実測結果も示している。
【0026】
図11,図12に示すように、本実施形態に係る温度分布履歴推定方法の結果と温度分布履歴の実測結果とは、良好に一致していることが分かる。
【0027】
以上説明したように、本実施形態に係る温度分布履歴推定方法を用いることで、平板形鋼材Aを線状加熱した際に発生する温度分布履歴(熱サイクル)を精度よく解析(推定)することができる。
【0028】
特に、第五工程、すなわち線状加熱の解析工程では、熱伝導解析により求めた内部発熱Wのみを用いているので、手間のかかる電磁場解析を行うことなく、短時間かつ高精度に温度分布履歴(熱サイクル)を解析(推定)することができる。
つまり、第一工程から第四工程を経て求められる内部発熱Wを用いることで、線状加熱の解析工程(第五工程)では、高周波誘導コイルCの移動速度を変化させたり、高周波誘導コイルCを非直線に移動させたりした場合であっても、電磁場解析を行うことなく、平板形鋼材Aを線状加熱した際の温度分布履歴(熱サイクル)を高精度かつ効率的に求めることができる。
【0029】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】誘導加熱のための誘導電流発生のメカニズムを示す図である。
【図2】平板形鋼材を点加熱する際の温度測定点を示す図である。
【図3】平板形鋼材の電磁物性を示す図である。
【図4】平板形鋼材の熱物性を示す図である。
【図5】平板形鋼材の各温度測定点における実測値と解析結果を示した図である。
【図6】平板形鋼材(0.2mmの深さ)における誘導電流の解析結果を示す図である。
【図7】平板形鋼材(0.01mmの深さ)における誘導電流の解析結果を示す図である。
【図8】初期誘導電流分布の同定結果を示す図である。
【図9】温度依存修正係数の同定結果を示す図である。
【図10】式(2)を適用して求めた内部発熱を示す図である。
【図11】平板形鋼材を線状加熱した際に発生する温度分布履歴を示す図である(高周波誘導コイルの移動速度1000(mm/min))。
【図12】平板形鋼材を線状加熱した際に発生する温度分布履歴を示す図である(高周波誘導コイルの移動速度300(mm/min))。
【符号の説明】
【0031】
A…平板形鋼材(板形鋼)
C…高周波誘導コイル
10,20…実験装置
【技術分野】
【0001】
本発明は、平板形鋼材を高周波誘導により線状加熱した際の温度分布履歴を推定する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、船体外板等の大型の三次元曲面の成形は、線状加熱により成形される場合が多い。線状加熱による成形は、熟練技能者が経験と勘により行っているが、近年は技能者の高齢化が進んできており、生産能力不足が深刻化してきている。
【0003】
そこで、三次元曲面成形の自動化を図るべく研究開発が進められ、緩曲面成形においては、既に線状加熱による成形の自動化に成功している。それは、加熱条件(コイル仕様、励起周波数、電流、電圧、コイル移動速度等)毎に直線加熱試験を行って固有歪を同定してデータベース化し、このデータベースを利用した解析に基づいて加熱線を配置するというものである。緩曲面成形においては、加熱線の間隔も広いので、各加熱部が干渉し合わず、上記方法によることができる(非特許文献1参照)。
【0004】
しかし、大曲率面の成形においては、加熱線間隔が狭くなったり、同じ箇所を複数回加熱したり、加熱線同士が交差することもあり、更に、非直線状加熱も多用されるために、上記のような加熱条件が同じでも、生成される固有歪が同じにならない。
したがって、各加熱線の加熱条件に応じた固有歪を上記データベースから求めて重ね合わせても、現実に生成される固有歪とは異なる。よって、上記直線加熱試験により同定された固有歪に基づいて加熱線を配置すると、加工精度が許容限度を超えて悪化してしまう。つまり、大曲率面成形(即ち、加熱線間隔が狭い、または重複し、加熱線同士が交差する、加熱線が非直線状である、等の条件下の成形)で生成される固有歪は、上記直線加熱試験による固有歪とは異なるものであって、未だ同定されていない。このため、大曲率面成形は自動化に至っていない。
【非特許文献1】石山ら,「有限要素法(FEM)を応用した自動線状加熱曲げ加工法」,石川島播磨技報 1999 Vol.39 No2 P.60-p.64
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
大曲率面成型の自動化を実現するには、線状加熱による加熱源から鋼板への入熱を精度良く評価した熱弾塑性解析が必要である。
ところで、線状加熱には、ガス加熱や高周波誘導加熱等あるが、自動化を目的とする場合、制御や管理の観点から、電磁誘導による加熱を行う高周波誘導加熱装置を用いることが望ましい。高周波コイルが静止している場合の誘導加熱の伝熱解析には、有限要素解析法を用いたソフトウェアによる電磁場熱伝導連成解析等の既存の手法がある。
しかし、高周波線状加熱の電磁場熱伝導連成解析を行おうとすると、0.1mm以下の厚さの発熱層を表現できる超細密メッシュをコイルの移動軌跡に沿って配置し,かつ空気層も無限遠方までメッシングする必要があるため解析モデルが複雑になり、解析に非現実的工数を要することとなる。このため、誘導加熱による線状加熱時の伝熱解析は実現されておらず、既存の電磁場熱伝導連成解析による大曲率面成形での固有歪の同定は、事実上不可能である。
【0006】
上記の既存の手法によらず、大曲率面成形で生成される固有歪を解析し、自動化への妨げをなくすためには、その前段として、まず1本の線状加熱による熱サイクル(温度分布履歴)の推定が必要である。熱サイクルの推定ができると、それを基にして固有歪の同定へと進むことができる。しかしながら現在、線状加熱による熱サイクルの推定は行われていない。
【0007】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、平板形鋼材を高周波誘導により線状加熱された際の温度分布履歴(熱サイクル)を高精度かつ効率よく推定する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る温度分布履歴推定方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明に係る温度分布履歴推定方法は、板形鋼試験片を高周波誘導により点加熱した際に発生する温度分布履歴を測定する第一工程と、板形鋼を高周波誘導により点加熱した際に発生する誘導電流分布を有限要素解析により求める第二工程と、前記誘導電流分布を初期温度における初期誘導電流分布及び前記初期誘導電流分布の温度依存修正係数の近似式で表し、第一工程で得られた温度分布履歴と第二工程で求めた誘導電流分布とに基づいて、前記初期誘導電流分布及び前記温度依存修正係数を同定する第三工程と、第三工程で求めた初期誘導電流分布及び温度依存修正係数並びに前記板形鋼の電気抵抗率の温度依存性から内部発熱を有限要素解析により求める第四工程と、前記板形鋼に対して第四工程で得られた内部発熱を移動させながら与えて線状加熱時に発生する温度分布履歴を有限要素解析により求める第五工程と、を有することを特徴とする。
【0009】
また、前記第五工程では、前記内部発熱が前記平板形鋼材の主面に対して直線状あるいは曲線状に移動しながら与えられることを特徴とする。
また、前記第五工程では、前記内部発熱が前記平板形鋼材に対して一定速度あるいは速度が変化しながら移動することによって与えられることを特徴とする。
また、前記第一工程では、前記平板形鋼材が高周波誘電コイルにより点加熱されることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば以下の効果を得ることができる。
本発明の温度分布履歴推定方法を用いることで、板形鋼を線状加熱した際に発生する温度分布履歴(熱サイクル)を精度よく解析(推定)することができる。
特に、第五工程、すなわち線状加熱の解析工程では、熱伝導解析により求めた内部発熱のみを用いているので、手間のかかる電磁場解析を行うことなく、短時間かつ高精度に温度分布履歴(熱サイクル)を解析(推定)することができる。つまり、予め内部発熱を求めておくことで、線状加熱の解析工程では、高周波誘導コイルの移動速度を変化させたり、高周波誘導コイルを非直線に移動させたりした場合であっても、電磁場解析を行うことなく、板形鋼を線状加熱した際の温度分布履歴(熱サイクル)を高精度かつ効率的に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明に係る温度分布履歴推定方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る温度分布履歴推定方法を説明する図であって、誘導加熱のための誘導電流発生のメカニズムを示す図である。
図2は、平板形鋼材を点加熱する際の温度測定点を示す図である。
図3は、平板形鋼材の電磁物性を示す図である。
図4は、平板形鋼材の熱物性を示す図である。
【0012】
本発明の実施形態に係る温度分布履歴(熱サイクル)推定方法は、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより線状加熱した際に平板形鋼材Aに発生する温度分布履歴を、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより点加熱した際の結果を利用して、推定するものである。
本実施形態に係る温度分布履歴推定方法では、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより点加熱した際に発生する温度分布履歴を測定する第一工程と、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより点加熱した際に発生する誘導電流分布I(r,z,T)を有限要素解析により求める第二工程と、誘導電流分布I(r,z,T)を位置と温度の近似式で表し、第一工程で得られた温度分布履歴と第二工程で求めた誘導電流分布I(r,z,T)とに基づいて近似式を同定する第三工程と、第三工程で求めた初期誘導電流分布及び温度依存修正係数w(T)並びに平板形鋼材Aの電気抵抗率の温度依存性R(T)から内部発熱を有限要素解析により求める第四工程と、平板形鋼材Aに対して第四工程で得られた内部発熱を移動させながら与えて線状加熱時に発生する温度分布履歴を有限要素解析により求める第五工程と、からなる。
【0013】
図1に示すように、平板形鋼材A及び高周波誘導コイルCからなる実験装置を用意する。実験装置としては、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより点加熱する実験装置10と、線状加熱する実験装置20の2種類を用意する。
【0014】
平板形鋼材Aを点加熱する実験装置10においては、高周波誘導コイルCを十分な大きさを有する平板形鋼材Aの中央に配置した。
また、図2に示すように、平板形鋼材Aには複数の熱電対を配置して、誘導加熱中の温度時刻暦を測定する。
そして、温度分布履歴推定方法の第一工程として、平板形鋼材Aを高周波誘導コイルCにより点加熱した際の温度分布履歴(熱サイクル)を測定する。
図5は、平板形鋼材!の各温度測定点における実測値と解析結果を示した図である。なお、図5の実線及び破線は共に解析結果(計算値)である。
【0015】
従来の温度分布履歴推定方法では、例えば、ANSYS(登録商標)などの汎用有限要素解析(FEM)コードを用いて、高周波誘導コイルCから発生する電磁場、平板形鋼材Aに発生する誘導電流や温度分布履歴を、電磁場熱伝導連成解析により求める。
汎用有限要素解析(FEM)コードに使用する平板形鋼材A及び高周波誘導コイルCの三次元モデルを作成する。三次元モデルは、X軸に対象となる軸対象モデルとしてよい。電磁場解析においては、無限遠方までの空気層もモデル化する必要がある。平板形鋼材Aと高周波誘導コイルCとの間には、実験装置と同様の空気層を配置する。
【0016】
更に、第二工程として、平板形鋼材Aの各温度測定点に発生する誘導電流分布の時刻歴を求める。
図6,図7は、平板形鋼材Aにおける誘導電流の解析結果であって、図6は0.2mmの深さ(面)における解析結果、図7は表層(0.01mmの深さ)における解析結果を示す。
【0017】
発熱層である表層から板厚方向(Z方向)に0.2mmの深さ(面)においては、誘導電流Iの時間変化は小さい(図6参照)。一方、発熱層である表層においては、温度が上昇するに従って、誘導電流が急激に減少することが分かる(図7参照)。
この結果から、誘導電流Iは、平板形鋼材Aの位置(r,z)と温度Tの関数として近似可能であることが明らかである。
【0018】
上述したように、誘導電流Iは、平板形鋼材Aの位置(r,z)と温度Tの関数として近似可能と考えられる。その関数式を以下の式(1)のように近似する。
I(r,z,T)=Io(r,z)w(T)・・・(1)
なお、Io(r,z)は、初期温度Toにおける誘導電流Iの分布(初期誘導電流分布)であり、w(T)は、初期誘導電流分布Io(r,z)の温度依存修正係数である。
【0019】
そこで、第三工程として、誘導電流Iを式(2)で近似した上で、第一工程で得られた温度分布履歴と第二工程で求めた誘導電流分布I(r,z,T)とに基づいて、式(2)の初期誘導電流分布Io(r,z)と温度依存修正係数w(T)を同定する。
これにより、図8,図9に示すように、初期誘導電流分布Io(r,z)と温度依存修正係数w(T)が同定される。
なお、図8は、初期誘導電流分布の同定結果を示す図である。図9は、温度依存修正係数の同定結果を示す図である。
【0020】
このように、誘導電流Iが式(2)で近似できると、誘導電流Iにより内部発熱Wは、以下の式(2)のように表される。
W=I(r,z,T)R(T)=Io(r,z)w(T)R(T)・・・(2)
なお、R(T)は、平板形鋼材Aの電気抵抗率の温度依存性である。
【0021】
そして、平板形鋼材Aに発生する内部発熱Wを位置(r,z)と温度Tのみにより求めることができるとなると、平板形鋼材Aに発生する温度分布履歴(熱サイクル)の計算を熱伝導解析のみにより求めることができる。
したがって、無限遠方までの空気層のモデル化が必要であって、膨大なモデル化工数と計算自由度が必要な電磁場解析を不要とすることが可能となる。
【0022】
第四工程として、第三工程で求めた初期誘導電流分布Io(r,z)と温度依存修正係数w(T)を式(2)に適用し、熱伝導解析により、平板形鋼材Aに発生する温度分布履歴(熱サイクル)を求める。
図10は、同定した初期誘導電流分布Io(r,z)と温度依存修正係数w(T)を式(2)に適用して求めた内部発熱を示す図である。
なお、図中の実線及び破線は共に計算値である。また、図10には、別途行った確認試験により得られた温度分布履歴の実測結果も示している。
【0023】
解析により推定した結果は、第一工程で得た実測結果と良好に一致していることが分かる。この比較結果から、誘導電流分布Iが式(1)により良好に近似されており、また、初期誘導電流分布Io(r,z)と温度依存修正係数w(T)が高い精度で同定されていることがと認められる。
【0024】
そして、最後に、第五工程として、平板形鋼材Aを線状加熱した際に発生する温度分布履歴(熱サイクル)を熱伝導解析により求める。
図6,図7の解析結果によれば、発熱領域から離れた低温領域では、加熱開始直後の誘導電流の過渡変化は、1秒以内に概ね収束している。線状加熱試験において、この過渡期間中における高周波誘導コイルCの移動量は、16mm程度以下であり、高周波誘導コイルCよりも大幅に小さい。
そこで、式(1)により求められた誘導電流Iに対応する内部発熱Wを式(2)により求め、平板形鋼材Aに対してその内部発熱Wを任意の速度で移動させながら与える熱伝導解析を繰り返し行う。これにより、平板形鋼材Aを線状加熱した際に発生する温度分布履歴(熱サイクル)を求めることができる。
【0025】
図11,図12は、平板形鋼材Aを線状加熱した際に発生する温度分布履歴(熱サイクル)を示す図である。図11は、高周波誘導コイルCの移動速度が1000(mm/min)の場合、図12は、高周波誘導コイルCの移動速度が300(mm/min)の場合を示す。
なお、図中の実線及び破線は共に計算値である。また、図11,図12には、別途行った確認試験により得られた温度分布履歴の実測結果も示している。
【0026】
図11,図12に示すように、本実施形態に係る温度分布履歴推定方法の結果と温度分布履歴の実測結果とは、良好に一致していることが分かる。
【0027】
以上説明したように、本実施形態に係る温度分布履歴推定方法を用いることで、平板形鋼材Aを線状加熱した際に発生する温度分布履歴(熱サイクル)を精度よく解析(推定)することができる。
【0028】
特に、第五工程、すなわち線状加熱の解析工程では、熱伝導解析により求めた内部発熱Wのみを用いているので、手間のかかる電磁場解析を行うことなく、短時間かつ高精度に温度分布履歴(熱サイクル)を解析(推定)することができる。
つまり、第一工程から第四工程を経て求められる内部発熱Wを用いることで、線状加熱の解析工程(第五工程)では、高周波誘導コイルCの移動速度を変化させたり、高周波誘導コイルCを非直線に移動させたりした場合であっても、電磁場解析を行うことなく、平板形鋼材Aを線状加熱した際の温度分布履歴(熱サイクル)を高精度かつ効率的に求めることができる。
【0029】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】誘導加熱のための誘導電流発生のメカニズムを示す図である。
【図2】平板形鋼材を点加熱する際の温度測定点を示す図である。
【図3】平板形鋼材の電磁物性を示す図である。
【図4】平板形鋼材の熱物性を示す図である。
【図5】平板形鋼材の各温度測定点における実測値と解析結果を示した図である。
【図6】平板形鋼材(0.2mmの深さ)における誘導電流の解析結果を示す図である。
【図7】平板形鋼材(0.01mmの深さ)における誘導電流の解析結果を示す図である。
【図8】初期誘導電流分布の同定結果を示す図である。
【図9】温度依存修正係数の同定結果を示す図である。
【図10】式(2)を適用して求めた内部発熱を示す図である。
【図11】平板形鋼材を線状加熱した際に発生する温度分布履歴を示す図である(高周波誘導コイルの移動速度1000(mm/min))。
【図12】平板形鋼材を線状加熱した際に発生する温度分布履歴を示す図である(高周波誘導コイルの移動速度300(mm/min))。
【符号の説明】
【0031】
A…平板形鋼材(板形鋼)
C…高周波誘導コイル
10,20…実験装置
【特許請求の範囲】
【請求項1】
板形鋼試験片を高周波誘導により点加熱した際に発生する温度分布履歴を測定する第一工程と、
板形鋼を高周波誘導により点加熱した際に発生する誘導電流分布を有限要素解析により求める第二工程と、
前記誘導電流分布を初期温度における初期誘導電流分布及び前記初期誘導電流分布の温度依存修正係数の近似式で表し、第一工程で得られた温度分布履歴と第二工程で求めた誘導電流分布とに基づいて、前記初期誘導電流分布及び前記温度依存修正係数を同定する第三工程と、
第三工程で求めた初期誘導電流分布及び温度依存修正係数並びに前記板形鋼の電気抵抗率の温度依存性から内部発熱を有限要素解析により求める第四工程と、
前記板形鋼に対して第四工程で得られた内部発熱を移動させながら与えて線状加熱時に発生する温度分布履歴を有限要素解析により求める第五工程と、
を有することを特徴とする温度分布履歴推定方法。
【請求項2】
前記第五工程では、前記内部発熱が前記平板形鋼材の主面に対して直線状あるいは曲線状に移動しながら与えられることを特徴とする請求項1に記載の温度分布履歴推定方法。
【請求項3】
前記第五工程では、前記内部発熱が前記平板形鋼材に対して一定速度あるいは速度が変化しながら移動することによって与えられることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の温度分布履歴推定方法。
【請求項4】
前記第一工程では、前記平板形鋼材が高周波誘電コイルにより点加熱されることを特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載の温度分布履歴推定方法。
【請求項1】
板形鋼試験片を高周波誘導により点加熱した際に発生する温度分布履歴を測定する第一工程と、
板形鋼を高周波誘導により点加熱した際に発生する誘導電流分布を有限要素解析により求める第二工程と、
前記誘導電流分布を初期温度における初期誘導電流分布及び前記初期誘導電流分布の温度依存修正係数の近似式で表し、第一工程で得られた温度分布履歴と第二工程で求めた誘導電流分布とに基づいて、前記初期誘導電流分布及び前記温度依存修正係数を同定する第三工程と、
第三工程で求めた初期誘導電流分布及び温度依存修正係数並びに前記板形鋼の電気抵抗率の温度依存性から内部発熱を有限要素解析により求める第四工程と、
前記板形鋼に対して第四工程で得られた内部発熱を移動させながら与えて線状加熱時に発生する温度分布履歴を有限要素解析により求める第五工程と、
を有することを特徴とする温度分布履歴推定方法。
【請求項2】
前記第五工程では、前記内部発熱が前記平板形鋼材の主面に対して直線状あるいは曲線状に移動しながら与えられることを特徴とする請求項1に記載の温度分布履歴推定方法。
【請求項3】
前記第五工程では、前記内部発熱が前記平板形鋼材に対して一定速度あるいは速度が変化しながら移動することによって与えられることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の温度分布履歴推定方法。
【請求項4】
前記第一工程では、前記平板形鋼材が高周波誘電コイルにより点加熱されることを特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載の温度分布履歴推定方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2009−125768(P2009−125768A)
【公開日】平成21年6月11日(2009.6.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−302082(P2007−302082)
【出願日】平成19年11月21日(2007.11.21)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 2007年5月24日〜25日 社団法人 日本船舶海洋工学会主催の「平成19年5月 日本船舶海洋工学会講演会」に文書をもって発表
【出願人】(502422351)株式会社アイ・エイチ・アイ マリンユナイテッド (159)
【出願人】(504176911)国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年6月11日(2009.6.11)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年11月21日(2007.11.21)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 2007年5月24日〜25日 社団法人 日本船舶海洋工学会主催の「平成19年5月 日本船舶海洋工学会講演会」に文書をもって発表
【出願人】(502422351)株式会社アイ・エイチ・アイ マリンユナイテッド (159)
【出願人】(504176911)国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Fターム(参考)】
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