先端エレクトロニクス工場において、高温のガリウム・インジウム合金を輸送していたステンレス鋼管が壊滅的な爆発を起こした。初期分析では、液体金属が鋼の粒界に浸透し構造的に弱体化させる粒界腐食による破損が指摘された。3Dシミュレーションによる事故の再現により、崩壊を引き起こした正確な圧力と温度の条件を理解することが可能となった。
ANSYS FluentとnCodeによる現象のモデリング 🔧
事故を再現するため、ANSYS Fluentを用いて400℃における液体ガリウム・インジウムの流体力学をモデル化した。このソフトウェアは、金属と鋼の界面における熱伝達と表面張力の方程式を解いた。圧力と温度の結果はnCodeにエクスポートされ、多軸疲労解析が実施された。熱サイクルが粒界に微細な亀裂を発生させ、その後、液体金属の腐食作用によって亀裂が進展することが特定された。シミュレーションは18ヶ月の耐用年数を予測し、これは事故を起こした配管の運用履歴と一致した。
Geomagic Control Xによる検証と設計への教訓 🧠
モデルの検証は、Geomagic Control Xで配管の残骸をスキャンして行われた。破断部の3D点群データをnCodeのシミュレーションと比較した結果、亀裂が計算された応力パターンに正確に従っていることが確認された。教訓は明らかである。液体金属合金には、耐火材料またはセラミックコーティングによる封じ込めバリアが必要である。先端エレクトロニクス工場では、振動センサーとオンライン熱画像診断を実装し、nCodeの疲労モデルをリアルタイムで更新するデジタルツインにデータを供給することが推奨される。
熱力学と接触力学を統合したマルチフィジックスシミュレーションを用いて、高温のガリウム・インジウム合金にさらされたステンレス鋼管における液体金属脆化誘起き裂の発生を正確に予測することは可能でしょうか？
(追記：材料疲労とは、10時間シミュレーションを実行した後のあなたの疲労のようなものです。)