熱過渡荷重スクリーニング評価のための非定常熱応力線図の開発

Development of thermal transient stress charts for screening evaluation of thermal loads

古橋 一郎*; 笠原 直人; 柴本 宏

Furuhashi, Ichiro*; Kasahara, Naoto; Shibamoto, Hiroshi

高速炉機器の構造設計で必要となる熱過渡荷重のスクリーニング評価等に活用すべく、非定常熱過渡応力の評価線図策定に関して研究を行い下記の成果を得た。(1)両面で熱伝達を受ける平板の非定常時の熱伝導及び熱応力の理論解に基づき、評価線図を作成した。片面熱伝達に対する従来の工学線図と比較して適用範囲が大幅に拡張された。(2)流体温度がステップ変化あるいは線形変化した場合の非定常時の温度及び熱応力の線図を作成した。任意時点の表面温度,板厚平均温度,表面応力,曲げ応力及びピーク応力を線図から求めることができる。(3)定常温度で規格化した無次元温度及び背面温度固定の定常熱応力で規格化した無次元熱応力を導入した。これにより線図の読み取り精度が向上した。(4)流体温度がステップ変化あるいはランプ変化した場合の熱応力最大値及び最大応力発生時点を求める線図を作成した。ステップ変化による熱応力最大値は背面温度固定の定常熱応力の2倍を超えないことが示された。熱応力最大値とその時点、また、ランプ変化/ステップ変化の熱応力低減率が線図から直接読み取れるようになった。(5)非定常時の温度及び熱応力の簡便なGreen関数を作成した。熱応力評価において実用上無視し得る短時間の背面温度を除き、温度及び熱応力を最大誤差1.4%の範囲で予測できる簡便なGreen関数が得られた。

Thermal transient stress charts were developed for screening evaluation of thermal loads. Summay of obtaned results are as follows. (1) Thermal stress was theoretically analyzed on the plate subjected to thermal transient on both surfaces, and the design charts were proposed for evaluation of thermal transient stress. Compared with conventional design charts for the plate under single surface heat transfer, their applicable area is further extended. (2) Developed design charts can predict temperature and stresses responses to step or ramp change of fluid temperature. Utilizing these charts, surface temperature, average temperature in thickness, surface stress, bending stress and peak stress at arbitrary time can be obtained. (3) Non-dimensional temperature and stress were introduced, and reading errors can be reduced compared with the conventional ones. (4) Design charts were also proposed on the maximum thermal stresses and their arising times. It was revealed that the maximum thermal stresses never exceed 2 times of steady-state stress under the fixed back surface temperature. (5)Green functions of transient temperature and thermal stresses were developed. Temperature and thermal stresses can be predicted within 1.4% error. These charts will contribute to the screening evaluation of thermal loads with their locations, and will be employed for sensitive analyses for design and understanding of thermal stress mechanisms.