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JP7747962B2 - Numerical analysis program and heat treatment device - Google Patents
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JP7747962B2 - Numerical analysis program and heat treatment device - Google Patents

Numerical analysis program and heat treatment device

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JP7747962B2 JP2021204062A JP2021204062A JP7747962B2 JP 7747962 B2 JP7747962 B2 JP 7747962B2 JP 2021204062 A JP2021204062 A JP 2021204062A JP 2021204062 A JP2021204062 A JP 2021204062A JP 7747962 B2 JP7747962 B2 JP 7747962B2
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Description

本発明は、3次元形状を有する物体に関する数値解析を行うための数値解析プログラム及び熱処理装置に関する。 The present invention relates to a numerical analysis program and a heat treatment device for performing numerical analysis on objects with three-dimensional shapes.

従来から、計算機シミュレーションを用いて数値解析を行う技術が知られている。例えば、特許文献1には、有限要素法により物体の力学特性を解析する方法が開示されている。より詳しくは、同文献において、物体の異方性方向及び/又は曲面の向きを考慮し、特性値マトリックスの構成が複雑とならないように、各要素の座標系を設定する手法が用いられる。 Technologies for performing numerical analysis using computer simulations have been known for some time. For example, Patent Document 1 discloses a method for analyzing the mechanical properties of an object using the finite element method. More specifically, this document uses a technique for setting a coordinate system for each element, taking into account the anisotropy direction and/or the orientation of the curved surface of the object, so as to avoid complicating the construction of the characteristic value matrix.

特許第6447454号公報Patent No. 6447454

一般的な有限要素法では、物体が有する3次元形状の輪郭にならって要素分割が行われる。例えば、要素のサイズを小さくすることで、より複雑な3次元形状を表現することができる。その反面、要素の分割数が膨大になり、しかも要素同士の位置関係がより複雑になるので、その分だけ解析に要する演算時間がかかるという問題が生じる。 In a typical finite element method, element division is performed according to the contours of the three-dimensional shape of an object. For example, by reducing the size of the elements, it is possible to represent more complex three-dimensional shapes. However, this results in a huge number of element divisions, and the positional relationships between the elements become more complex, which creates the problem of increased calculation time required for analysis.

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、解析対象である物体が有する3次元形状の複雑さに起因して、解析処理の所要時間が増加するのを抑制可能な数値解析プログラム及び熱処理装置を提供することにある。 The present invention was made in consideration of these problems, and its purpose is to provide a numerical analysis program and heat treatment device that can prevent the increase in the time required for analysis processing due to the complexity of the three-dimensional shape of the object being analyzed.

本発明の第1態様における数値解析プログラムは、解析対象である物体の3次元形状を取得する取得ステップと、前記物体を含む3次元空間を複数の要素に分割する分割ステップと、前記要素がなす単位空間内に前記物体の体積が占める密度を求め、前記要素の位置毎の密度を示す密度分布を算出する算出ステップと、算出された前記密度分布を用いて前記要素における熱伝達特性に相関する物理量を求め、前記物理量を含む熱伝達方程式を前記要素毎に構築する構築ステップと、構築された前記要素毎の前記熱伝達方程式を解くことにより前記物体の解析処理を行う解析ステップと、をコンピュータに実行させ、前記物理量は、前記物体と前記物体の外部との間における輻射熱の交換量であり、前記構築ステップでは、第1要素に対応する第1密度と、前記第1要素と隣り合う第2要素に対応する第2密度との差分を用いて前記物体の表面積の変化量を算出し、前記変化量を用いて前記輻射熱の交換量を求める。 A numerical analysis program according to a first aspect of the present invention causes a computer to execute the following steps: an acquisition step for acquiring the three-dimensional shape of an object to be analyzed; a division step for dividing a three-dimensional space containing the object into a plurality of elements; a calculation step for determining the density of the object's volume within a unit space formed by the elements and calculating a density distribution indicating the density at each position of the elements; a construction step for determining a physical quantity correlated to the heat transfer characteristics of the elements using the calculated density distribution and constructing a heat transfer equation for each element including the physical quantity; and an analysis step for performing an analysis process on the object by solving the constructed heat transfer equation for each element, wherein the physical quantity is the amount of radiant heat exchanged between the object and the outside of the object; and in the construction step, the amount of change in the surface area of the object is calculated using the difference between a first density corresponding to a first element and a second density corresponding to a second element adjacent to the first element, and the amount of change is used to determine the amount of radiant heat exchanged.

本発明の第2態様における数値解析プログラムでは、前記分割ステップでは、前記密度を百分率で表現する場合、算出される1つ以上の前記密度が0%と100%の間にある中間値になるように、前記3次元空間を分割する。 In the numerical analysis program according to the second aspect of the present invention, the division step divides the three-dimensional space so that, when the density is expressed as a percentage, one or more of the calculated densities are intermediate values between 0% and 100%.

本発明の第3態様における数値解析プログラムでは、前記分割ステップでは、前記物体の延びる方向を座標軸とする円柱座標系を定義し、前記3次元空間を前記座標軸と同軸である円筒状の要素に分割し、前記算出ステップでは、前記円柱座標系における前記径方向の位置毎かつ前記軸方向の位置毎の密度を示す前記密度分布を算出する。 In the numerical analysis program according to the third aspect of the present invention, the division step defines a cylindrical coordinate system whose coordinate axes are the extension direction of the object, and divides the three-dimensional space into cylindrical elements coaxial with the coordinate axes. The calculation step calculates the density distribution indicating the density for each radial position and each axial position in the cylindrical coordinate system.

本発明の第4態様における熱処理装置は、被処理物に熱処理を施す装置本体と、前記装置本体を制御するコントローラと、を備える装置であって、前記装置本体は、前記被処理物としての物体を囲むように設けられる断熱壁と、前記断熱壁により形成される加熱室内を加熱する加熱器と、を備え、前記コントローラは、前記物体の3次元形状を取得する取得ステップと、前記物体を含む3次元空間を複数の要素に分割する分割ステップと、前記要素がなす単位空間内に前記物体の体積が占める密度を求め、前記要素の位置毎の密度を示す密度分布を算出する算出ステップと、算出された前記密度分布を用いて前記要素における熱伝達特性に相関する物理量を求め、前記物理量を含む熱伝達方程式を前記要素毎に構築する構築ステップと、構築された前記要素毎の前記熱伝達方程式を解くことにより前記物体の解析処理を行い、得られた解析結果を用いて前記加熱器に対する加熱制御を行う制御ステップと、を実行し、前記物理量が、前記物体と前記物体の外部との間における輻射熱の交換量であり、前記構築ステップでは、第1要素に対応する第1密度と、前記第1要素と隣り合う第2要素に対応する第2密度との差分を用いて前記物体の表面積の変化量を算出し、前記変化量を用いて前記輻射熱の交換量を求める。 A fourth aspect of the present invention provides a heat treatment apparatus comprising an apparatus main body that applies heat treatment to a workpiece and a controller that controls the apparatus main body, wherein the apparatus main body comprises an insulating wall that is arranged to surround the object as the workpiece, and a heater that heats the inside of a heating chamber formed by the insulating wall, and the controller performs an acquisition step of acquiring the three-dimensional shape of the object, a division step of dividing a three-dimensional space including the object into a plurality of elements, a calculation step of determining the density of the volume of the object within a unit space formed by the elements and calculating a density distribution that indicates the density for each position of the elements, and a calculation step of calculating a density distribution using the calculated density distribution. The method executes a construction step of determining a physical quantity correlated with the heat transfer characteristics of the element and constructing a heat transfer equation including the physical quantity for each element, and a control step of performing an analysis process for the object by solving the constructed heat transfer equation for each element and controlling heating of the heater using the obtained analysis results, wherein the physical quantity is the amount of radiant heat exchanged between the object and the outside of the object, and in the construction step, the amount of change in surface area of the object is calculated using the difference between a first density corresponding to a first element and a second density corresponding to a second element adjacent to the first element, and the amount of change is used to determine the amount of radiant heat exchanged.

本発明によれば、解析対象である物体が有する3次元形状の複雑さに起因して、解析処理の所要時間が増加するのを抑制することができる。 This invention makes it possible to prevent the time required for analysis processing from increasing due to the complexity of the three-dimensional shape of the object being analyzed.

本発明の一実施形態における熱処理装置としての真空浸炭炉の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a vacuum carburizing furnace as a heat treatment apparatus according to an embodiment of the present invention. 図1のコントローラによる数値解析動作の一例を示すフローチャートである。2 is a flowchart showing an example of a numerical analysis operation performed by the controller of FIG. 1 . 解析対象事例である部品の3次元形状を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a three-dimensional shape of a part that is an example to be analyzed. 密度分布の算出方法の第1例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a first example of a method for calculating a density distribution. 密度分布の算出方法の第2例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a second example of a method for calculating a density distribution. 密度分布の導入により得られる効果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the effect obtained by introducing a density distribution. 均熱保持時間の決定方法の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a method for determining a soaking time.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. To facilitate understanding, identical components in each drawing will be designated by the same reference numerals wherever possible, and duplicate descriptions will be omitted.

[熱処理装置10の全体構成]
図1は、本発明の一実施形態における熱処理装置10の概略断面図である。この熱処理装置10は、真空浸炭炉12(「装置本体」に相当)と、コントローラ14(「コンピュータ」に相当)と、加熱電源16と、温度センサ18,20と、を含んで構成される。
[Overall Configuration of Heat Treatment Apparatus 10]
1 is a schematic cross-sectional view of a heat treatment apparatus 10 according to one embodiment of the present invention. The heat treatment apparatus 10 includes a vacuum carburizing furnace 12 (corresponding to the "apparatus main body"), a controller 14 (corresponding to the "computer"), a heating power source 16, and temperature sensors 18 and 20.

真空浸炭炉12は、高温減圧下で炭化水素系ガスによる真空浸炭を行うための装置である。真空浸炭炉12は、ワークW(「被加熱物」に相当)を収容する炉体22と、炉体22の内側に取り付けられている枠体24と、を備える。枠体24の内側に、相対的に大きい中空直方体状の断熱部材26と、相対的に小さい中空直方体状の断熱部材28と、断熱部材26を断熱部材28に連結するための複数の断熱部材30と、が設けられている。断熱部材26,28,30は、例えば、セラミックスファイバーボードなどの断熱材から構成される。2つの断熱部材26,28が離間して設けられることで、断熱層として機能する空間層32が形成されている。 The vacuum carburizing furnace 12 is a device for performing vacuum carburizing using a hydrocarbon gas at high temperature and reduced pressure. The vacuum carburizing furnace 12 comprises a furnace body 22 that houses the workpiece W (corresponding to the "heated object") and a frame 24 attached to the inside of the furnace body 22. Inside the frame 24, there are provided a relatively large, hollow, rectangular insulating member 26, a relatively small, hollow, rectangular insulating member 28, and multiple insulating members 30 for connecting the insulating member 26 to the insulating member 28. The insulating members 26, 28, and 30 are made of an insulating material such as ceramic fiberboard. The two insulating members 26, 28 are spaced apart to form a space 32 that functions as an insulating layer.

炉体22の内部に、中空の断熱部材30に囲まれることで、真空浸炭を行うための浸炭室36が形成されている。炉体22に、その下部から浸炭室36の内方に延びるように炉床38が設けられている。炉床38の上端に、ワークWが載置されている。 A carburizing chamber 36 for vacuum carburizing is formed within the furnace body 22, surrounded by a hollow insulating member 30. A hearth 38 is provided in the furnace body 22, extending from its lower part into the carburizing chamber 36. The workpiece W is placed on the upper end of the hearth 38.

炉体22の上部に、浸炭室36の内方に向かって延びるように複数本の放熱管40(「加熱器」に相当)が取り付けられている。各々の放熱管40は、浸炭室36の上端から下端までの範囲を広く網羅する位置に設けられている。これにより、浸炭室36がなす空間を略均等に加熱することができる。浸炭室36内は、例えば900℃を超える高温に設定される。 Several heat radiation pipes 40 (corresponding to "heaters") are attached to the top of the furnace body 22, extending toward the inside of the carburizing chamber 36. Each heat radiation pipe 40 is positioned to cover a wide area of the carburizing chamber 36, from the top to the bottom. This allows the space defined by the carburizing chamber 36 to be heated approximately evenly. The interior of the carburizing chamber 36 is set to a high temperature, for example, exceeding 900°C.

炉体22の上部及び側部に、ワークWの位置に臨むように、複数本のガス導入ノズル44が設けられている。図示しないガス供給機構からガス導入ノズル44を介して浸炭室36に炭化水素ガスを導入することで、ワークWの表面に対して浸炭処理を施すことができる。 Multiple gas introduction nozzles 44 are provided on the top and sides of the furnace body 22 so as to face the position of the workpiece W. Carburizing can be performed on the surface of the workpiece W by introducing hydrocarbon gas into the carburizing chamber 36 through the gas introduction nozzles 44 from a gas supply mechanism (not shown).

炉体22の下部に、浸炭室36と真空浸炭炉12の外部とを連通させる排気管46が設けられている。図示しない真空ポンプを作動して排気口48から排気することで、浸炭室36内の圧力を調整することができる。 An exhaust pipe 46 is provided at the bottom of the furnace body 22, connecting the carburizing chamber 36 to the outside of the vacuum carburizing furnace 12. The pressure inside the carburizing chamber 36 can be adjusted by operating a vacuum pump (not shown) to evacuate air through the exhaust port 48.

コントローラ14は、プロセッサ50、メモリ52及び操作パネル54を有し、真空浸炭炉12の各部を動作制御するコンピュータである。コントローラ14は、メモリ52に記憶されたプログラム及びデータを読み出して実行することで、[1]炭化水素ガスを浸炭室36内に供給する供給制御、[2]浸炭室36内の圧力を調整する圧力制御、及び[3]浸炭室36内を加熱する加熱制御などを同期的又は並列的に実行する。これらの動作制御を行うため、流量センサ、圧力センサ(いずれも不図示)及び温度センサ18,20がコントローラ14に接続されている。ここでは、温度センサ18は炉体22の上部に接触する位置に、温度センサ20は真空浸炭炉12の周辺の位置にそれぞれ設けられている。 The controller 14 is a computer that has a processor 50, memory 52, and operation panel 54 and controls the operation of each part of the vacuum carburizing furnace 12. By reading and executing programs and data stored in the memory 52, the controller 14 synchronously or in parallel performs the following operations: [1] supply control for supplying hydrocarbon gas into the carburizing chamber 36, [2] pressure control for adjusting the pressure inside the carburizing chamber 36, and [3] heating control for heating the carburizing chamber 36. To control these operations, a flow rate sensor, a pressure sensor (none shown), and temperature sensors 18 and 20 are connected to the controller 14. Here, the temperature sensor 18 is located in contact with the top of the furnace body 22, and the temperature sensor 20 is located on the periphery of the vacuum carburizing furnace 12.

プロセッサ50は、温度センサ18,20から温度信号を取得し、測定された温度を用いて浸炭室36内の温度やワークWの温度の推定値を計算する。プロセッサ50は、自身が計算した推定値に基づいてワークWの熱処理に関する設定条件(以下、「熱処理条件」ともいう)を決定する。プロセッサ50は、加熱電源16のサイリスタ制御によって、各々の放熱管40に対する加熱制御を行う。 The processor 50 acquires temperature signals from the temperature sensors 18 and 20 and uses the measured temperatures to calculate estimated values for the temperature inside the carburizing chamber 36 and the temperature of the workpiece W. The processor 50 determines the set conditions for the heat treatment of the workpiece W (hereinafter also referred to as "heat treatment conditions") based on the estimated values it has calculated. The processor 50 controls the heating of each heat sink tube 40 by controlling the thyristors of the heating power source 16.

メモリ52に、ワークWの熱処理に関する設定条件(つまり、熱処理条件)や、炉体22内の熱伝達を記述する熱伝達モデルに関する情報(以下、「モデル情報」ともいう)が格納されている。なお、モデル情報には、[1]物体の3次元形状に関する「形状情報」、[2]3次元座標系の定義及び要素同士の配置に関する「配置情報」、[3]温度の拘束条件に関する「温度情報」、[4]物体の物性に関する「物性情報」などが含まれる。 Memory 52 stores setting conditions for the heat treatment of the workpiece W (i.e., heat treatment conditions) and information regarding a heat transfer model that describes heat transfer within the furnace body 22 (hereinafter also referred to as "model information"). The model information includes: [1] "shape information" regarding the three-dimensional shape of the object; [2] "arrangement information" regarding the definition of the three-dimensional coordinate system and the arrangement of elements; [3] "temperature information" regarding temperature constraints; and [4] "physical property information" regarding the physical properties of the object.

[コントローラ14の動作]
<1.温度制御動作>
この実施形態における熱処理装置10は、以上のように構成される。続いて、熱処理装置10による第1動作、より詳しくは、コントローラ14による温度制御動作の概要について説明する。
[Operation of controller 14]
<1. Temperature control operation>
The heat treatment apparatus 10 in this embodiment is configured as described above. Next, the first operation of the heat treatment apparatus 10, more specifically, the temperature control operation by the controller 14, will be outlined.

まず、コントローラ14は、熱処理条件に含まれる様々な制御時間を算出する。ここで、「制御時間」とは、一連の熱処理を構成する各工程の制御に関わる時間であり、例えば、[1]浸炭処理のための目標温度に到達するまでの「昇温時間」、[2]目標温度で均熱化されるまでの「均熱保持時間」、又は[3]昇温時間と均熱保持時間との和である「加熱時間」が該当する。 First, the controller 14 calculates the various control times included in the heat treatment conditions. Here, "control time" refers to the time involved in controlling each process that constitutes a series of heat treatments, and includes, for example, [1] the "heat-up time" required to reach the target temperature for carburizing, [2] the "soaking time" required to soak at the target temperature, or [3] the "heating time," which is the sum of the heat-up time and soaking time.

次いで、コントローラ14は、算出された制御時間を含む熱処理条件を設定する。そして、コントローラ14は、熱処理を開始した後、設定された熱処理条件に従って、放熱管40に対する一連の温度制御動作(例えば、温度に関するフィードバック制御又はフィードフォワード制御)を行う。この制御ステップの実行により、昇温工程、均熱工程、浸炭工程、拡散工程、炉冷工程、焼入均熱工程、及び油冷工程が順次行われる。 Next, the controller 14 sets the heat treatment conditions, including the calculated control time. After starting the heat treatment, the controller 14 performs a series of temperature control operations (e.g., feedback control or feedforward control of temperature) on the heat sink tube 40 in accordance with the set heat treatment conditions. By executing these control steps, the temperature increase process, soaking process, carburizing process, diffusion process, furnace cooling process, quenching and soaking process, and oil cooling process are carried out in sequence.

<2.数値解析動作>
続いて、熱処理装置10による第2動作、より詳しくは、コントローラ14による数値解析動作について、図2のフローチャート及び図3~図7を参照しながら説明する。
<2. Numerical analysis operation>
Next, the second operation of the heat treatment apparatus 10, more specifically, the numerical analysis operation by the controller 14, will be described with reference to the flowchart of FIG. 2 and FIGS.

(SP10:取得ステップ)
図2のステップSP10において、コントローラ14は、解析対象である物体の3次元形状を含むモデル情報を取得する。
(SP10: Acquisition step)
In step SP10 of FIG. 2, the controller 14 acquires model information including the three-dimensional shape of the object to be analyzed.

図3は、解析対象事例である部品60の3次元形状を示す図である。この部品60は、例えば、シャフト部62と、シャフト部62に形成される第1ギヤ部64と、から構成されるギヤシャフトである。シャフト部62は、軸本体66と、軸本体66の先端側に設けられる第2ギヤ部68と、を備える。第1ギヤ部64は、複数個(本図例では、12個)の歯70を有しており、軸本体66の中間位置に設けられている。このように、部品60は、軸Aに対して略等方的であるが、比較的複雑な3次元形状を有している。 Figure 3 is a diagram showing the three-dimensional shape of part 60, which is the example to be analyzed. This part 60 is, for example, a gear shaft composed of a shaft portion 62 and a first gear portion 64 formed on the shaft portion 62. The shaft portion 62 comprises a shaft body 66 and a second gear portion 68 provided on the tip side of the shaft body 66. The first gear portion 64 has a plurality of teeth 70 (12 in this example) and is provided at an intermediate position on the shaft body 66. In this way, part 60 is approximately isotropic with respect to axis A, but has a relatively complex three-dimensional shape.

(SP12:分割ステップ)
図2のステップSP12において、コントローラ14は、物体(つまり、部品60)を含む3次元空間80,90を複数の要素82,92に分割する。分割方法の具体例については、図4及び図5を参照しながら後で説明する。
(SP12: division step)
2, the controller 14 divides the three-dimensional space 80, 90 containing the object (i.e., the part 60) into a plurality of elements 82, 92. A specific example of the division method will be described later with reference to FIGS.

(SP14:算出ステップ)
ステップSP14において、コントローラ14は、ステップSP12で分割された要素82,92の位置毎の密度(すなわち、密度分布86,96)を算出する。この「密度」とは、要素82,92がなす単位空間内に物体の体積が占める割合に相当する。密度は、[0,1]の範囲内における様々な値をとり得る。密度を百分率で表現する場合、「0」の値が0%に相当するとともに、「1」の値が100%に相当する。また、密度の値は、連続値であってもよいし、3レベル以上の離散値であってもよい。
(SP14: Calculation step)
In step SP14, the controller 14 calculates the density (i.e., density distributions 86, 96) for each position of the elements 82, 92 divided in step SP12. This "density" corresponds to the proportion of the volume of the object within the unit space formed by the elements 82, 92. The density can take various values within the range of [0, 1]. When expressing the density as a percentage, a value of "0" corresponds to 0% and a value of "1" corresponds to 100%. The density value may be a continuous value or a discrete value with three or more levels.

図4は、密度分布86の算出方法の第1例を示す図である。より詳しくは、図4(A)が3次元空間80の分割方法の一例を、図4(B)が密度分布86の算出結果の一例をそれぞれ示している。第1例では、直交座標系(x,y,z)に基づいて3次元空間80が複数の要素82に分割されるとともに、密度分布86は(y,z)を変数とする密度の2次元マップに相当する。 Figure 4 shows a first example of a method for calculating a density distribution 86. More specifically, Figure 4(A) shows an example of a method for dividing a three-dimensional space 80, and Figure 4(B) shows an example of the calculation results of a density distribution 86. In the first example, the three-dimensional space 80 is divided into multiple elements 82 based on a Cartesian coordinate system (x, y, z), and the density distribution 86 corresponds to a two-dimensional map of density with (y, z) as variables.

図4(A)は、図3に示す軸Aに対する第1ギヤ部64の断面形状84を模式的に示している。本図から理解されるように、3次元空間80が、断面形状84の輪郭に依存せずに、予め定められた規則に従って複数の要素82に分割されている。各々の要素82は、角柱状であってX軸方向に延びている。 Figure 4(A) shows a schematic diagram of the cross-sectional shape 84 of the first gear portion 64 relative to the axis A shown in Figure 3. As can be seen from this figure, the three-dimensional space 80 is divided into multiple elements 82 according to a predetermined rule, regardless of the outline of the cross-sectional shape 84. Each element 82 is prismatic and extends in the X-axis direction.

図4(B)の密度分布86において、グラフの縦軸はy軸上の位置(単位:mm)を示すとともに、グラフの横軸は密度D(単位:無次元)を示している。本図から理解されるように、密度分布86は、y軸上の位置に応じて値が変化する。具体的には、位置yが軸Aに近づくにつれて密度Dが大きくなる一方、位置yが軸Aから遠ざかるにつれて密度Dが小さくなる。 In the density distribution 86 of Figure 4(B), the vertical axis of the graph indicates the position on the y-axis (unit: mm), and the horizontal axis of the graph indicates the density D (unit: dimensionless). As can be seen from this figure, the density distribution 86 changes in value depending on the position on the y-axis. Specifically, the density D increases as the position y approaches the axis A, while the density D decreases as the position y moves away from the axis A.

図5は、密度分布96の算出方法の第2例を示す図である。より詳しくは、図5(A)が3次元空間90の分割方法の一例を、図5(B)が密度分布96の算出結果の一例をそれぞれ示している。第2例では、円柱座標系(r,θ,z)に基づいて3次元空間90が複数の要素92に分割されるとともに、密度分布96は(r,z)を変数とする密度の2次元マップに相当する。 Figure 5 shows a second example of a method for calculating a density distribution 96. More specifically, Figure 5(A) shows an example of a method for dividing a three-dimensional space 90, and Figure 5(B) shows an example of the calculation results of a density distribution 96. In the second example, the three-dimensional space 90 is divided into multiple elements 92 based on a cylindrical coordinate system (r, θ, z), and the density distribution 96 corresponds to a two-dimensional map of density with (r, z) as variables.

図5(A)は、図4(A)と同様に、図3に示す軸Aに対する第1ギヤ部64の断面形状94を模式的に示している。本図から理解されるように、3次元空間90が、断面形状94の輪郭に依存せずに、予め定められた規則に従って複数の要素92に分割されている。各々の要素92は、円筒状又は円柱状であって同軸的に配置される。 Similar to FIG. 4(A), FIG. 5(A) schematically shows the cross-sectional shape 94 of the first gear portion 64 relative to the axis A shown in FIG. 3. As can be seen from this figure, the three-dimensional space 90 is divided into multiple elements 92 according to a predetermined rule, regardless of the outline of the cross-sectional shape 94. Each element 92 is cylindrical or columnar and is arranged coaxially.

図5(B)の密度分布96において、グラフの縦軸は径方向の位置r(単位:mm)を示すとともに、グラフの横軸は密度D(単位:無次元)を示している。本図から理解されるように、密度分布96は、位置rに応じて値が変化する。具体的には、0≦r≦R1の範囲では、密度Dが一定(D=1)である。r>R1の範囲では、位置rが大きくなるにつれて密度Dが急激に小さくなり、r>R2の範囲では、密度Dが一定(D=0)になる。ここで、r=R1は歯70(図3)の底部の位置に、r=R2は歯70(図3)の頂部の位置にそれぞれ対応する。 In the density distribution 96 of Figure 5(B), the vertical axis of the graph represents the radial position r (unit: mm), and the horizontal axis of the graph represents the density D (unit: dimensionless). As can be seen from this figure, the density distribution 96 varies in value depending on the position r. Specifically, in the range of 0 < r < R1, the density D is constant (D = 1). In the range of r > R1, the density D decreases rapidly as the position r increases, and in the range of r > R2, the density D is constant (D = 0). Here, r = R1 corresponds to the bottom position of the tooth 70 (Figure 3), and r = R2 corresponds to the top position of the tooth 70 (Figure 3).

(SP16:構築ステップ)
図2のステップSP16において、コントローラ14は、ステップSP14で算出された密度分布86,96を用いて、3次元空間80,90内の熱伝達特性を記述する熱伝達方程式を要素82,92毎に構築する。例えば、図5で示す円筒座標系(r,θ,z)における熱伝達方程式は、次の(1)式で表現される。
(SP16: Construction step)
2, the controller 14 uses the density distributions 86, 96 calculated in step SP14 to construct a heat transfer equation for each element 82, 92 that describes the heat transfer characteristics in the three-dimensional spaces 80, 90. For example, the heat transfer equation in the cylindrical coordinate system (r, θ, z) shown in FIG. 5 is expressed by the following equation (1):

通常、数値計算を行う際、(1)式で示した偏微分方程式を差分で近似して差分方程式に変形する。変形の手法として、例えば、陽解法、陰解法、ADI(Alternating Direction Implicit )法などが挙げられる。ここで、要素82,92における熱伝達特性に相関する物理量に対して密度を乗算することで、密度分布86,96を差分方程式に反映させることができる。この物理量の一例として、表面積、体積、熱伝導率、又は熱流束が挙げられる。 Typically, when performing numerical calculations, the partial differential equation shown in equation (1) is approximated by differences and transformed into a difference equation. Examples of transformation methods include explicit methods, implicit methods, and ADI (Alternating Direction Implicit) methods. Here, by multiplying a physical quantity correlated with the heat transfer characteristics of elements 82 and 92 by density, the density distributions 86 and 96 can be reflected in the difference equation. Examples of such physical quantities include surface area, volume, thermal conductivity, and heat flux.

また、(r,z)を変数とする密度分布96を用いて、部品60の表面積の変化量を求めることができる。位置(r,z)にある要素92に関して、密度をD(r,z)、幅を(Δr,h)とし、部品60と他の物体(輻射源)との間の輻射距離が十分に長いと仮定した場合、表面積の変化量ΔSは、次の(2)式で近似的に求められる。 The change in surface area of the part 60 can also be calculated using density distribution 96, which uses (r, z) as a variable. For element 92 at position (r, z), assuming density D(r, z) and width (Δr, h), and assuming that the radiation distance between the part 60 and another object (radiation source) is sufficiently long, the change in surface area ΔS can be approximately calculated using the following equation (2):

この変化量ΔSを径方向又は軸方向に沿って積算することで、部品60の3次元形状を直接用いることなく、部品60の表面積を位置毎に計算できる。つまり、輻射による熱交換の効果を要素92毎に反映させることができる。また、部品60の形状情報に歯70の個数、形状又は向きが含まれている場合、この形状情報に応じて輻射による熱交換量を補正してもよい。例えば、輻射の場合、熱の入射角度と歯たけ方向とのなす角が小さくなるにつれて熱交換量を相対的に多くする一方、当該なす角が大きくなるにつれて熱交換量を相対的に少なくしてもよい。 By integrating this change ΔS along the radial or axial direction, the surface area of the part 60 can be calculated for each position without directly using the three-dimensional shape of the part 60. In other words, the effect of heat exchange by radiation can be reflected for each element 92. Furthermore, if the shape information of the part 60 includes the number, shape, or orientation of the teeth 70, the amount of heat exchange by radiation may be corrected according to this shape information. For example, in the case of radiation, the amount of heat exchange may be relatively increased as the angle between the heat incident angle and the tooth depth direction becomes smaller, while the amount of heat exchange may be relatively decreased as the angle becomes larger.

(SP18:解析ステップ)
図2のステップSP18において、コントローラ14は、ステップSP16で構築された要素82,92毎の熱伝達方程式を連立又は連成して解く。これにより、3次元空間80,90内における温度分布の過渡解又は定常解が得られる。
(SP18: Analysis step)
2, the controller 14 simultaneously or coupledly solves the heat transfer equations for each of the elements 82 and 92 constructed in step SP16, thereby obtaining a transient or steady-state solution for the temperature distribution in the three-dimensional spaces 80 and 90.

図6は、密度分布の導入により得られる効果を示す図である。グラフの横軸は経過時間(単位:分)を示すとともに、グラフの縦軸は温度(単位:℃)を示している。点線で図示する曲線は、従来の分割方法を用いた解析結果であり、演算精度の「基準(3D-FEM)」に相当する。ここでは、要素の形状を「四面体」とし、部品60(図3)の輪郭形状にならって複数の要素に分割している。この場合、密度分布の各値が1(すべて存在)又は0(不存在)に2値化されている。 Figure 6 shows the effect achieved by introducing a density distribution. The horizontal axis of the graph represents elapsed time (unit: minutes), and the vertical axis of the graph represents temperature (unit: °C). The dotted curve represents the analysis results using a conventional division method, and corresponds to the "standard (3D-FEM)" calculation accuracy. Here, the element shape is a "tetrahedron," and the part is divided into multiple elements following the contour shape of part 60 (Figure 3). In this case, each value in the density distribution is binarized as 1 (all present) or 0 (absent).

2点鎖線で図示する「参考例(2D-FEM)」は、図5(A)に示す分割方法を用いる一方、D=0.5を閾値として図5(B)に示す密度分布96を2値化(1又は0)して得られた解析結果に相当する。つまり、部品60の3次元形状を平滑化することで、歯70が欠損した部品に関する熱伝達モデルが構築されてしまう。その結果、「比較例」の曲線は、「基準」の曲線と比べて、温度の立ち上がり及び目標温度Toへの到達が早く、両者の乖離(つまり、演算誤差)が大きくなっている。 The "Reference Example (2D-FEM)" shown by the two-dot chain line corresponds to the analysis results obtained by using the division method shown in Figure 5(A) while binarizing (1 or 0) the density distribution 96 shown in Figure 5(B) using a threshold value of D = 0.5. In other words, smoothing the three-dimensional shape of the part 60 results in the construction of a heat transfer model for a part with missing teeth 70. As a result, the curve for the "Comparative Example" shows a faster temperature rise and faster arrival at the target temperature To than the "Reference" curve, resulting in a larger deviation between the two (i.e., calculation error).

その一方、実線で図示する「実施例」は、図5(A)に示す分割方法と、図5(B)に示す密度分布96を用いて得られた解析結果に相当する。「実施例」の曲線は、目標温度Toに到達するまでの時間帯にて「基準」の曲線と概ね一致しており、十分な演算精度が得られている。 On the other hand, the "Example" shown by the solid line corresponds to the analysis results obtained using the division method shown in Figure 5(A) and the density distribution 96 shown in Figure 5(B). The curve for the "Example" roughly matches the curve for the "Reference" during the time period up to when the target temperature To is reached, demonstrating sufficient calculation accuracy.

(SP20:決定ステップ)
図2のステップSP20において、コントローラ14は、ステップSP18で得られた解析結果から熱処理条件を決定する。
(SP20: Decision step)
In step SP20 of FIG. 2, the controller 14 determines the heat treatment conditions from the analysis results obtained in step SP18.

図7は、均熱保持時間の決定方法の一例を示す図である。グラフの横軸は経過時間(単位:分)を示すとともに、グラフの縦軸は温度(単位:℃)を示している。3本の曲線は、ワークW内の異なる位置P1,P2,P3における温度を示している。図1の描画内容から理解されるように、ワークW内の位置に応じて熱の伝わり度合いに差異が生じるので、曲線の形状が異なっている。位置P1,P2,P3における目標温度への到達時間をそれぞれt1,t2,t3と定義する場合、t1<t2<t3の大小関係を満たしている。この場合、時間差の最大値である(t3-t1)を均熱保持時間として決定すればよい。 Figure 7 shows an example of a method for determining the soaking time. The horizontal axis of the graph represents elapsed time (unit: minutes), and the vertical axis of the graph represents temperature (unit: °C). Three curves represent temperatures at different positions P1, P2, and P3 within the workpiece W. As can be seen from the contents of Figure 1, the shape of the curves differs because the degree of heat transfer varies depending on the position within the workpiece W. If the times to reach the target temperature at positions P1, P2, and P3 are defined as t1, t2, and t3, respectively, then the relationship t1 < t2 < t3 is satisfied. In this case, the maximum time difference (t3 - t1) can be determined as the soaking time.

[実施形態のまとめ]
以上のように、この実施形態における数値計算プログラム及び方法では、1つ又は複数のコンピュータ(ここでは、コントローラ14)が、解析対象である物体(ここでは、部品60)の3次元形状を取得する取得ステップ(図2のSP10)と、部品60を含む3次元空間80,90を複数の要素82,92に分割する分割ステップ(SP12)と、要素82,92がなす単位空間内に部品60の体積が占める密度を求め、要素82,92の位置毎の密度を示す密度分布86,96を算出する算出ステップ(SP14)と、算出された密度分布86,96を用いて有限要素法に基づく部品60の解析処理を行う解析ステップ(SP18,SP20)を実行する。
[Summary of the embodiment]
As described above, in the numerical calculation program and method of this embodiment, one or more computers (here, the controller 14) execute an acquisition step (SP10 in FIG. 2 ) of acquiring the three-dimensional shape of the object to be analyzed (here, the part 60), a division step (SP12) of dividing the three-dimensional space 80, 90 containing the part 60 into a plurality of elements 82, 92, a calculation step (SP14) of determining the density of the volume of the part 60 within the unit space formed by the elements 82, 92 and calculating density distributions 86, 96 that indicate the density for each position of the elements 82, 92, and an analysis step (SP18, SP20) of performing an analysis process of the part 60 based on the finite element method using the calculated density distributions 86, 96.

このように、要素82,92がなす単位空間内に部品60の体積が占める密度を求めて密度分布86,96を算出することで、部品60の3次元形状に依存しない疑似中間的なボリューム表現が可能となり、要素82,92に関する形状又は配置の設計自由度が高まる。例えば、演算の効率が高くなるように3次元空間80,90を分割することで、部品60が有する3次元形状の複雑さに起因して、解析処理の所要時間が増加するのを抑制することができる。 In this way, by determining the density of the volume of part 60 within the unit space formed by elements 82, 92 and calculating density distributions 86, 96, it becomes possible to represent a pseudo-intermediate volume that is independent of the three-dimensional shape of part 60, increasing the design freedom for the shape or placement of elements 82, 92. For example, by dividing three-dimensional spaces 80, 90 to increase calculation efficiency, it is possible to prevent the increase in the time required for analysis processing due to the complexity of the three-dimensional shape of part 60.

また、コントローラ14は、分割ステップにおいて、密度を百分率で表現する場合、算出される1つ以上の密度が0%と100%の間にある中間値になるように3次元空間80,90を分割してもよい。これにより、部品60の輪郭をより簡素に表現しやすくなり、その分だけ要素の個数を削減することができる。 Furthermore, in the division step, when the density is expressed as a percentage, the controller 14 may divide the three-dimensional spaces 80 and 90 so that one or more calculated densities are intermediate values between 0% and 100%. This makes it easier to express the outline of the part 60 more simply, and the number of elements can be reduced accordingly.

また、コントローラ14が、算出された密度分布を用いて要素82,92における熱伝達特性に相関する物理量を求め、物理量を含む熱伝達方程式を要素82,92毎に構築する構築ステップ(図2のSP16)をさらに実行してもよい。この場合、コントローラ14は、解析ステップにおいて、構築された要素80,90毎の熱伝達方程式を連立又は連成して解くことにより部品60の解析処理を行う。 The controller 14 may also execute a construction step (SP16 in FIG. 2) in which the controller 14 uses the calculated density distribution to determine physical quantities correlated with the heat transfer characteristics of the elements 82, 92, and constructs heat transfer equations including the physical quantities for each element 82, 92. In this case, the controller 14 performs analysis processing of the part 60 in the analysis step by simultaneously or coupledly solving the constructed heat transfer equations for each element 80, 90.

また、物理量が、部品60と部品60の外部との間における輻射熱の交換量である場合、コントローラ14は、構築ステップにおいて、第1要素に対応する第1密度と、第1要素と隣り合う第2要素に対応する第2密度との差分を用いて部品60の表面積の変化量ΔSを算出し、変化量ΔSを用いて輻射熱の交換量を求めてもよい。 Furthermore, if the physical quantity is the amount of radiant heat exchanged between the component 60 and the outside of the component 60, the controller 14 may calculate a change ΔS in the surface area of the component 60 in the construction step using the difference between a first density corresponding to a first element and a second density corresponding to a second element adjacent to the first element, and use the change ΔS to determine the amount of radiant heat exchanged.

また、コントローラ14は、分割ステップにおいて、部品60の延びる方向を座標軸とする円柱座標系を定義し、3次元空間90を座標軸と同軸である円筒状の要素92に分割し、算出ステップでは、円柱座標系における径方向の位置(r)毎かつ軸方向の位置(z)毎の密度を示す密度分布96を算出してもよい。部品60の延びる方向を座標軸とする円柱座標系を導入することで、等方性あるいは回転対称性が高い物体(例えば、ギヤシャフト)に対して高速かつ高精度な解析処理を行うことができる。 In addition, in the division step, the controller 14 may define a cylindrical coordinate system whose coordinate axes are the extension direction of the part 60, and divide the three-dimensional space 90 into cylindrical elements 92 that are coaxial with the coordinate axes. In the calculation step, the controller 14 may calculate a density distribution 96 that indicates the density for each radial position (r) and each axial position (z) in the cylindrical coordinate system. By introducing a cylindrical coordinate system whose coordinate axes are the extension direction of the part 60, high-speed, high-precision analysis processing can be performed on objects that are isotropic or have high rotational symmetry (e.g., gear shafts).

また、熱処理装置10は、被処理物に熱処理を施す装置本体(ここでは、真空浸炭炉12)と、真空浸炭炉12を制御するコントローラ14と、を備える。真空浸炭炉12は、被処理物としての物体(ここでは、部品60)を囲むように設けられる断熱壁(ここでは、断熱部材26,28,30)と、断熱壁により形成される加熱室(ここでは、浸炭室36)内を加熱する加熱器(ここでは、放熱管40)と、を備える。 The heat treatment apparatus 10 also includes an apparatus main body (here, a vacuum carburizing furnace 12) that performs heat treatment on the workpiece, and a controller 14 that controls the vacuum carburizing furnace 12. The vacuum carburizing furnace 12 includes insulating walls (here, insulating members 26, 28, 30) that surround the object (here, a component 60) serving as the workpiece, and a heater (here, a heat sink 40) that heats the interior of a heating chamber (here, a carburizing chamber 36) formed by the insulating walls.

そして、コントローラ14は、部品60の3次元形状を取得し、部品60を含む3次元空間80,90を複数の要素82,92に分割し、要素82,92がなす単位空間内に部品60の体積が占める密度を求め、要素82,92の位置毎の密度を示す密度分布86,96を算出し、算出された密度分布86,96を用いて有限要素法に基づく部品60の解析処理を行い、得られた解析結果を用いて放熱管40に対する加熱制御を行う。 The controller 14 then acquires the three-dimensional shape of the part 60, divides the three-dimensional space 80, 90 containing the part 60 into multiple elements 82, 92, determines the density of the volume of the part 60 within the unit space formed by the elements 82, 92, calculates density distributions 86, 96 that indicate the density for each position of the elements 82, 92, performs an analysis of the part 60 based on the finite element method using the calculated density distributions 86, 96, and controls the heating of the heat sink tube 40 using the obtained analysis results.

この構成によれば、上記した効果と同様に、部品60が有する3次元形状の複雑さにかかわらず、解析に要する演算時間を削減することができる。特に、多品種の部品60に熱処理を施す際、様々な状況に適した加熱制御を実行可能となり、その分だけ生産効率が向上する。 With this configuration, similar to the effects described above, the calculation time required for analysis can be reduced regardless of the complexity of the three-dimensional shape of the part 60. In particular, when heat treating a wide variety of parts 60, it becomes possible to execute heating control that is suited to various situations, thereby improving production efficiency.

[変形例]
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。あるいは、技術的に矛盾が生じない範囲で各々の構成を任意に組み合わせてもよい。
[Modification]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be freely modified without departing from the spirit of the present invention. Alternatively, the respective configurations may be arbitrarily combined within the scope of the present invention without causing any technical contradiction.

上記した実施形態では、3次元空間80,90を直方体状の要素80又は円筒状の要素90に分割する場合について説明したが、要素の分割方法はこれに限られない。例えば、要素の形状、サイズ、配置又はこれらの組み合わせは、必要に応じて適宜変更されてもよい。 In the above embodiment, the three-dimensional space 80, 90 is divided into rectangular parallelepiped elements 80 or cylindrical elements 90, but the method of dividing the elements is not limited to this. For example, the shape, size, arrangement, or combinations of these of the elements may be changed as needed.

上記した実施形態では、熱処理装置10の一部を構成するコントローラ14が数値解析プログラムを実行する場合について説明したが、装置の構成はこれに限られない。例えば、真空浸炭炉12とは独立した汎用コンピュータが、計算機シミュレーションを目的として熱計算プログラムを実行してもよい。 In the above embodiment, the controller 14, which constitutes part of the heat treatment apparatus 10, executes the numerical analysis program, but the configuration of the apparatus is not limited to this. For example, a general-purpose computer independent of the vacuum carburizing furnace 12 may execute the heat calculation program for the purpose of computer simulation.

上記した実施形態では、コンピュータが熱計算を行う場合について説明したが、数値計算の適用対象はこれに限られない。この数値計算は、例えば、構造解析、流体解析や電磁場解析など、偏微分方程式で記述されるあらゆる場の問題に適用し得る。 In the above embodiment, we have described a case where a computer performs thermal calculations, but the application of numerical calculations is not limited to this. This numerical calculation can be applied to any field problem described by partial differential equations, such as structural analysis, fluid analysis, and electromagnetic field analysis.

10…熱処理装置、12…真空浸炭炉、14…コントローラ(コンピュータ)、26,28,30…断熱部材、36…浸炭室、50…プロセッサ、52…メモリ、60…部品(物体)、80,90…3次元空間、82,92…要素、86,96…密度分布、W…ワーク(被処理物)、SP10…取得ステップ、SP12…分割ステップ、SP14…算出ステップ、SP16…構築ステップ、SP18…解析ステップ 10...heat treatment device, 12...vacuum carburizing furnace, 14...controller (computer), 26, 28, 30...insulating member, 36...carburizing chamber, 50...processor, 52...memory, 60...part (object), 80, 90...3D space, 82, 92...elements, 86, 96...density distribution, W...workpiece (subject to be processed), SP10...acquisition step, SP12...division step, SP14...calculation step, SP16...construction step, SP18...analysis step

Claims (4)

解析対象である物体の3次元形状を取得する取得ステップと、
前記物体を含む3次元空間を複数の要素に分割する分割ステップと、
前記要素がなす単位空間内に前記物体の体積が占める密度を求め、前記要素の位置毎の密度を示す密度分布を算出する算出ステップと、
算出された前記密度分布を用いて前記要素における熱伝達特性に相関する物理量を求め、前記物理量を含む熱伝達方程式を前記要素毎に構築する構築ステップと、
構築された前記要素毎の前記熱伝達方程式を解くことにより前記物体の解析処理を行う解析ステップと、
をコンピュータに実行させ、
前記物理量は、前記物体と前記物体の外部との間における輻射熱の交換量であり、
前記構築ステップでは、第1要素に対応する第1密度と、前記第1要素と隣り合う第2要素に対応する第2密度との差分を用いて前記物体の表面積の変化量を算出し、前記変化量を用いて前記輻射熱の交換量を求めることを特徴とする数値解析プログラム。
an acquisition step of acquiring a three-dimensional shape of an object to be analyzed;
a division step of dividing a three-dimensional space including the object into a plurality of elements;
a calculation step of determining the density of the volume of the object within a unit space formed by the elements and calculating a density distribution indicating the density for each position of the elements;
a construction step of calculating a physical quantity correlated with the heat transfer characteristics in the element using the calculated density distribution, and constructing a heat transfer equation including the physical quantity for each element;
an analysis step of performing an analysis process of the object by solving the heat transfer equation for each of the constructed elements;
on the computer,
the physical quantity is the amount of radiant heat exchanged between the object and the outside of the object,
A numerical analysis program characterized in that in the construction step, a change in surface area of the object is calculated using the difference between a first density corresponding to a first element and a second density corresponding to a second element adjacent to the first element, and the amount of radiant heat exchange is determined using the change.
前記分割ステップでは、前記密度を百分率で表現する場合、算出される1つ以上の前記密度が0%と100%との間にある中間値になるように、前記3次元空間を分割することを特徴とする請求項1に記載の数値解析プログラム。 The numerical analysis program described in claim 1, characterized in that in the division step, the three-dimensional space is divided so that, when the density is expressed as a percentage, one or more of the calculated densities are intermediate values between 0% and 100%. 前記分割ステップでは、前記物体の延びる方向を座標軸とする円柱座標系を定義し、前記3次元空間を前記座標軸と同軸である円筒状の要素に分割し、
前記算出ステップでは、前記円柱座標系における径方向の位置毎かつ軸方向の位置毎の密度を示す前記密度分布を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の数値解析プログラム。
In the dividing step, a cylindrical coordinate system is defined in which the extension direction of the object is defined as a coordinate axis, and the three-dimensional space is divided into cylindrical elements coaxial with the coordinate axis;
3. The numerical analysis program according to claim 1, wherein the calculation step calculates the density distribution indicating the density for each radial position and each axial position in the cylindrical coordinate system.
被処理物に熱処理を施す装置本体と、前記装置本体を制御するコントローラと、を備える熱処理装置であって、
前記装置本体は、
前記被処理物としての物体を囲むように設けられる断熱壁と、
前記断熱壁により形成される加熱室内を加熱する加熱器と、
を備え、
前記コントローラは、
前記物体の3次元形状を取得する取得ステップと、
前記物体を含む3次元空間を複数の要素に分割する分割ステップと、
前記要素がなす単位空間内に前記物体の体積が占める密度を求め、前記要素の位置毎の密度を示す密度分布を算出する算出ステップと、
算出された前記密度分布を用いて前記要素における熱伝達特性に相関する物理量を求め、前記物理量を含む熱伝達方程式を前記要素毎に構築する構築ステップと、
構築された前記要素毎の前記熱伝達方程式を解くことにより前記物体の解析処理を行い、得られた解析結果を用いて前記加熱器に対する加熱制御を行う制御ステップと、
を実行し、
前記物理量が、前記物体と前記物体の外部との間における輻射熱の交換量であり、
前記構築ステップでは、第1要素に対応する第1密度と、前記第1要素と隣り合う第2要素に対応する第2密度との差分を用いて前記物体の表面積の変化量を算出し、前記変化量を用いて前記輻射熱の交換量を求めることを特徴とする熱処理装置。
A heat treatment apparatus comprising: an apparatus main body that performs heat treatment on a workpiece; and a controller that controls the apparatus main body,
The device body includes:
a heat insulating wall provided to surround the object to be treated;
a heater for heating the inside of a heating chamber formed by the heat insulating wall;
Equipped with
The controller
acquiring a three-dimensional shape of the object;
a division step of dividing a three-dimensional space including the object into a plurality of elements;
a calculation step of determining the density of the volume of the object within a unit space formed by the elements and calculating a density distribution indicating the density for each position of the elements;
a construction step of calculating a physical quantity correlated with the heat transfer characteristics in the element using the calculated density distribution, and constructing a heat transfer equation including the physical quantity for each element;
a control step of performing an analysis process of the object by solving the heat transfer equation for each of the constructed elements, and performing heating control on the heater using the obtained analysis result;
Run
the physical quantity is the amount of radiant heat exchanged between the object and the outside of the object,
A heat treatment apparatus characterized in that in the construction step, the change in surface area of the object is calculated using the difference between a first density corresponding to a first element and a second density corresponding to a second element adjacent to the first element, and the amount of radiant heat exchanged is determined using the change.
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