熱応力 — CAE用語解説

温度が変化したとき、物体は膨張したり収縮したりするよね。でも周囲に拘束されていると自由に変形できないから、その分だけ内部に応力が生じる。これが熱応力だ。完全に拘束された棒の場合、σ = -E * α * ΔT で計算できる。

一様な温度変化で完全に自由なら、そう。でも実際には部品内部で温度分布があるから、高温部と低温部でお互いに拘束し合って応力が出る。これが「自己拘束」による熱応力で、外部拘束がなくても発生するんだ。

FEMでは、温度変化から熱ひずみを計算して、それを荷重ベクトルに変換する。最終的に剛性方程式を解くんだ。

例えば鋼（E=200GPa、α=12×10⁻⁶/K）が完全拘束された状態で100℃上昇すると、σ = 200×10³ × 12×10⁻⁶ × 100 = 240MPa。降伏応力に迫る値になるから、設計時に無視できない大きさだよ。

その可能性は高いね。鋳造品は肉厚の違いで冷却速度に差が出るから、薄肉部と厚肉部の間に大きな熱応力が発生して、それが残留応力として残る。まずは温度分布を確認して、応力集中が起きそうな形状を特定するところから始めてみよう。