구조해석-열전도 및 열응력 해석

열전도 해석

열전도 해석은 구조물의 온도 분포를 구하는 해석이다. 응력 해석에 비해서는 온도만을 구해야 하므로 비교적 간단한 편이다. 종류는 시간에 따라 온도 분포가 바뀌는 천이 (transient) 열전도 해석과 시간에 따라 온도 분포 변화가 없는 정상 상태 (steady state) 해석이 있다. 천이 해석은 해석 시간이 오래 걸려 거의 수행되지는 않는다. 열전도 해석도 선형 해석과 비선형 해석이 있는데, 온도 해석의 비선형성으로는 온도에 따라 열전도도와 같은 물성치가 바뀌는 경우가 해당된다 (이외에도 복사 열전달과 같은 여러가지 특수한 경우가 있긴 하다). 

경계조건으로는 온도 조건, 열유속 조건이 있다. 

온도 조건은 말 그대로 경계면에서 일정한 온도를 유지하는 조건이다.

유체와 접하는 경계의 열유속 조건은 열유속 조건을 직접 지정하거나 열전달 계수와 유동측 온도를 설정하는 방법이 있다. 단열 조건인 경우에는 열유속이 0이 된다. 열전달 계수는 일반적으로 알려진 열전달 계수 (예. 대류 열전달) 나 간단한 수식으로도 구할 수 있으나 정확히 하려면 전산유체역학 (CFD, Computational Fluid Dynamics) 방법을 통한 유동 해석을 통하여 구하는 것이 좋다. 그러나 전산유체역학에서 구해지는 열전달계수는 오차가 큰 경우가 많으므로 해석 결과의 물리적 판단에는 주의를 요한다. 

열응력 해석

열응력 해석은 이러한 온도 분포에 의해 발생되는 응력을 구하는 해석이다. 보통 응력 해석과 절차가 동일하다.

열응력은 온도의 구배 (gradient, 쉽게 말해 동일 구조물 내의 온도차)가 있거나 기하학적 구속조건 (열팽창 계수가 다른 재질이 있는 경우도 포함)이 있는 경우에 발생한다. 구조물의 온도 분포가 일정한 온도이며 기하학적 구속조건이 없으면 열응력은 발생하지 않는다.