2024.11.20 2026.05.03

有限要素法(FEM)のフリーソフトCalculixで複数部材の構造の温度分布を計算しよう！

zairiki

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今回は、無料のFEMソフト Calculix（プリポスト：PrePoMax）を使って、複数の部材で構成される構造の伝熱解析を行う方法を紹介します。複数部材の応力解析と同様に、各部材への材料の割り当てと部材間の接続設定が重要なポイントです。

この記事はYoutube動画で紹介した内容の概要です。詳細は動画をご覧ください。

Contents

1. 今回の例題
2. 材料物性値（熱伝導率）の設定
3. 材料の割り当て
4. 部材間の接続設定
5. 計算結果：温度分布
6. 複数部材の伝熱解析の注意点
まとめ

1. 今回の例題

今回扱うのは、2つの異なる材料で構成された2部材の角棒です。部材１・部材２とも寸法は同じ（長さ 50 mm・高さ 10 mm・幅 10 mm）ですが、熱伝導率が異なり、部材１は 200 W/(m℃)（アルミに近い値）、部材２は 80 W/(m℃)（鉄に近い値）です。部材１の端部を 0℃、部材２の端部を 100℃ に固定したときの温度分布を計算します。

今回の例題：部材1（熱伝導率200W/(m℃)）と部材2（熱伝導率80W/(m℃)）の2部材角棒。各部材とも長さ50mm・高さ10mm・幅10mm。部材1の端部を0℃、部材2の端部を100℃に固定。 — 今回の例題。部材１（熱伝導率 200 W/(m℃)）と部材２（熱伝導率 80 W/(m℃)）の2部材角棒。両端の温度を固定して温度分布を求める。

2. 材料物性値（熱伝導率）の設定

伝熱解析では熱伝導率を設定します。「Materials」をダブルクリックし、「Thermal conductivity」を選択すると熱伝導率の入力欄が表示されます。単位系を「mm、ton、s、℃」で設定した場合、熱伝導率の単位は mW/(mm·℃) となり、部材１の 200 W/(m℃) は 200 mW/(mm·℃) と入力します。「OK – Add new」で続けて部材２の値（80 mW/(mm·℃)）も設定します。

PrePoMaxのCreate MaterialダイアログでThermal conductivityを選択し、部材1の熱伝導率として200 mW/(mm・℃)を入力している画面 — 材料物性値の設定。「Thermal conductivity」を選択して熱伝導率を入力する。単位系が mm・ton・s・℃ の場合、200 W/(m℃) は 200 mW/(mm·℃) と入力する。

3. 材料の割り当て

2つの材料を定義したら、それぞれの部材がどちらの材料かを「Sections」で指定します。「Sections」をダブルクリック → 材料に「Material-1」を選択した状態で部材１をクリックして OK → 再度「Sections」をダブルクリック → 材料を「Material-2」に変更して部材２をクリックして OK。これで両部材の材料割り当てが完了します。左のツリーに「Sections (2)」として「Solid_section-1」と「Solid_section-2」が表示されることを確認します。

PrePoMaxのSectionの設定画面。部材2とMaterial-2の紐づけが完了し、ツリーにSections(2)としてSolid_section-1とSolid_section-2が表示されている — Sectionの設定完了。「Sections (2)」として2つのセクションが登録され、部材１と部材２それぞれに異なる材料が割り当てられている。

4. 部材間の接続設定

複数部材の伝熱解析では、部材間で熱のやり取りができるように接続の設定が必要です。これを設定しないと、部材１と部材２の間で熱が伝わりません。「Constraints」を右クリック → 「Search Contact pairs」→「Search」をクリックすると、接触している面の組み合わせが自動検出されます。「Tie」が選択されていることを確認して OK を押すと、部材間の接続設定が完了します。

PrePoMaxのSearch Contact pairsメニューで接触部が自動検出され、TypeがTieに設定されていることを確認する画面 — Tie拘束の設定。「Search Contact pairs」で接触部を自動検出し、TypeがTieになっていることを確認してOKを選択する。

5. 計算結果：温度分布

計算結果の温度分布を確認します。部材１（熱伝導率 200 W/(m℃)）は温度勾配が小さく、部材２（熱伝導率 80 W/(m℃)）は温度勾配が大きくなっています。熱伝導率が高い部材ほど熱が伝わりやすく温度が均一に近くなるため、カラーマップでも部材１側は色の変化がなだらか、部材２側は色の変化が急になっていることが確認できます。

計算結果の温度分布。部材1（熱伝導率200W/(m℃)）は温度勾配小、部材2（熱伝導率80W/(m℃)）は温度勾配大となっており、カラーマップで確認できる — 計算結果の温度分布。部材１（左）は温度勾配が小さく（色の変化がなだらか）、部材２（右）は温度勾配が大きい（色の変化が急）。熱伝導率の違いが温度分布に現れている。

6. 複数部材の伝熱解析の注意点

今回は部材間が完全に繋がっている（Tie）条件で計算しましたが、実際の製品では接触部に微細な隙間があり、熱抵抗が大きくなることがあります。接着材の層がある場合、接着材は熱伝導率が金属より2〜3桁小さいため、薄くても大きな熱抵抗となります。また部材同士が接触しているだけのケース（接触熱抵抗）も同様に注意が必要です。複数部材の伝熱解析では、部材間の接続状態を正しくモデル化することが重要です。