解析の重要性を確認できるシミュレーションクイズ

ブラケット部品の強度

図1は、中央のネジ穴部分で固定され、左右の円筒面でそれぞれ上下方向に力が加わるブラケット部品です。材料はアルミ合金が使われており、この形状でシミュレーションを実行したときの安全率は約1.5となりました。

では、このブラケット部品で最も強度が高くなるのはどの形状でしょうか？

結果は「A」になりました。発生している最大応力が小さく、安全率が高いほど荷重による影響が少なく、強度が高いことになります。それぞれ初めの形状よりも強度が向上していますが、ベース部分の厚みを変更した「A」の形状が最も強度が高いことが判断できます。

しかし、質量に注目すると、ほかの形状よりも多くの材料を使用していることが分かります。

ブラケット部品の変更案

では先程の結果を踏まえてさらに問題です。

先程の「A」と、強度が向上した修正方法を組み合わせた形状の中で、最も強度が高くなるのはどれでしょうか？

結果はいずれも近似していますが、「B’」の形状が最も安全率の高い結果となりました。しかし、強度の保持と軽量化の観点で見ると「C’」の形状が優れていることが判断できます。

熱交換器の性能検証

下図は装置内を高温な気体と低温な液体が流れる熱交換器です。内部に冷却用の液体が流れる管があり、その周囲を高温の空気が流れることで空気が冷却されていきます。菅の長さが1,325mm、約200℃の空気が流れた際、排出される空気の温度は約80℃になります。

では、熱交換器により排出される空気温度を60℃以下にするのに有効な形状はどれでしょうか？

排出口付近の流体の温度から「C」の形状が要件を満たす冷却性能であることが判断できます。菅の長さが長くなることでより長い時間冷却管の周囲を空気が流れるため、冷却効果が向上していると予想できます。

内部構造を変更して再度検証

しかし、冷却性能を向上させるには、長さを変える以外にも方法があります。

下図は要件を満たせなかった「A」と同じ長さですが、内部の仕切りを追加した形状です。このモデルでシミュレーションを行うと、排出口付近の流体温度は58℃と要件を満たしていることが分かります。