3D誘導加熱モデルのための効率的なメッシュ作成戦略

誘導加熱プロセスを 3D でモデル化する場合の課題の 1 つは, 薄い境界層メッシュを介して加熱される部品内の表皮深さを分解する必要がありけれども, 残りの内部の部分を電磁気モデル内に含めたくないということです. ここでは, このようなケースに効率的に対処するメッシュ作成手法について説明します.

3D誘導加熱モデルの紹介

下の画像に示す, アルミニウム製の自動車ピストン ヘッドの周りのコイルの誘導加熱設定について考えてみましょう. ここでは, 対称性を仮定し, 対称面の 磁気絶縁 境界条件を使用して, モデルを 1/4 セクションに縮小できます. また, 完全磁気導体 条件を使用して, 境界を自由空間に近似します.

アルミニウムシリンダーヘッドの誘導加熱セットアップと, 対称性を利用した対応する計算モデル.

40 kHz で動作する誘導銅コイルは, 2 つの均質化されたマルチターンコイルを使用してモデル化できます. このコイルは, 非常に細かくメッシュ化する必要はありません. ただし, アルミニウムピストン ヘッド内では, 表皮厚はより小さな構造サイズに匹敵するため, 損失を正確に計算するには, 境界層メッシュ化 を使用する必要があることがわかります.

電磁場は材料の奥深くまで浸透しないことがわかっているので, 理想的には部品の中心体積全体を電磁場計算から除外したいところです. 一方, シリンダーの中心体積は熱解析に影響することがわかっているので, その体積を完全に除外することはできません. 境界層メッシュ要件に基づいて, 部品を 2 つのサブドメインに分割する必要があります. メッシュツールを組み合わせると, まさにこのようなモデルを迅速かつ簡単に設定できます. 詳しく見ていきましょう.

モデルとメッシュの効率的な設定

上図のジオメトリから始めて, メッシュを定義します. まず, 部品と周囲の空気内に四面体メッシュを生成し, ピストンの露出境界に, それぞれスキンの深さの半分に等しい 4 つの要素で構成される境界層メッシュを定義します (下の画像を参照).

ピストン面の境界層メッシュがハイライト表示されたメッシュ.

このメッシュが構築されたら, 表皮厚メッシュと部品内の残りのボリューム間の境界に基づいてジオメトリを分割します. これには, いくつかの追加手順が必要です. まず, 別の 3D コンポーネント をモデルに導入する必要があります. この新しい 3D コンポーネントの メッシュ ブランチに, 以前に作成したメッシュをインポートします.

あるコンポーネントから別のコンポーネントにメッシュをコピーするメッシュのインポート操作.

メッシュをこの新しい コンポーネント に取り込んだ後, 次のスクリーンショットに示すように, メッシュに 分割 機能を導入し, 式 isprism で分割する必要があります. isprism 変数は, 境界層メッシュ内で使用される プリズマティック要素 に対してのみ真となる論理変数です. この操作により, シリンダーのメッシュ化されたボリュームが 2 つのボリュームに分割されます:

1. プリズム要素が組み合わされた薄いシェル
2. 残り

これらのさまざまなドメインは, モデルに物理特性を追加し始めるときに利用できます. メッシュを元に戻して変更したい場合は, コンポーネント 1 に戻ってメッシュを変更し, そのメッシュを コンポーネント 2 に再インポートします. コンポーネント 2 には追加のジオメトリを追加できないことに注意してください. 常に元の コンポーネント に戻ってソース メッシュを変更し, 再インポートする必要があります.

メッシュ自体に作用するパーティション操作と, 新しく作成されたドメインの可視化.

これを実行すると, コイル, 空気, 境界層のみの電磁場を 2 番目の コンポーネント で解析し, 部品の体積全体の温度場を解析することが可能になります. 境界層ドメインと部品の残りの体積の間の境界では, 境界層メッシュ内で完全に捕捉されない損失のわずかな部分を考慮に入れるため, インピーダンス 境界条件を適用するのが妥当です.

この場合, コイル, 空気, 表皮厚領域のみの電磁気モデルでは, 部品の深部にある磁場も解析した場合よりも自由度が約 20% 少なくなります. 部品の深部にある磁場は重要ではないことが既に分かっています. この節約は, 他の部品ではさらに顕著になる可能性があります.

体積全体で計算される温度場と, 境界層領域内でのみ計算される誘導加熱.

その他の参考文献とまとめ

誘導加熱と境界層メッシュのモデリングの包括的な概要については, この ラーニングセンターコース をご覧ください. 使用するスタディタイプは, 存在する非線形性, およびこの 以前のブログ で説明されているように, 温度上昇または定常温度場を解析するかどうかによって異なります.

ここで示したメッシュに基づく分割の手法は, 他の多くのケースでも使用できます. 結果のメッシュをジオメトリとして別のコンポーネントに再インポートし, 再メッシュすることも可能です. ただし, 境界層メッシュは均一な表面オフセットの近似値であり, 結果のジオメトリは必ずしも以降のジオメトリ操作に適しているとは限らないことに注意してください. 代わりに, 正確なオフセットが必要で, その後のジオメトリ操作を堅牢に実行する必要がある場合は, デザインモジュールで使用できる厚み付け操作を使用します. ただし, 3D 誘導加熱など, おおよその厚さのジオメトリレイヤーだけが必要な場合, ここで説明する手法は非常に役立ちます.

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