JP2004093530A - Dynamic characteristics simulation method of composite material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To highly accurately simulate dynamic characteristics of a composite material in a short time, when the dynamic characteristics of the composite material embedded in a structure and having a wire and a matrix surrounding the wire is simulated. <P>SOLUTION: The dynamic characteristics of the composite material is simulated by a total analysis step of preparing a composite material model made, by discretizing the composite material as a uniform member by finite elements, without discriminating the wire and the matrix in the material and subjecting, to an finite element analysis; the whole structure including the material by representing a material parameter of the material as an equivalent parameter, assuming the material is the uniform member; and a partial analysis step of preparing a matrix model and a wire model formed by discretizing the matrix and the wire by finite elements and subjecting, to a finite element analysis, the dynamic characteristics of the material, on the basis of information which is the result of the finite element analysis obtained by the total analysis step. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、線材とこの線材を取り巻く母材とを有し、構造体に埋設された複合材の力学特性、例えば、ホース等の環状複合体、コンベヤベルト等の板状複合体、防舷材等の薄肉複合体等の工業製品における複合材の力学特性や、スチールコード等を線材とし、この線材を取り巻くゴム部材を母材とする空気入りタイヤの補強材等の複合材の力学特性のシミュレーション方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
今日、ベルト、カーカスあるいはビードを補強材として埋設した空気入りタイヤ(以降、タイヤという)は、これらの補強材が破壊することなく長期間使用でき、優れた耐久性を有するように開発されている。
例えば、タイヤの開発段階において、所定の設計仕様のタイヤが耐久性を有するか否かを調べるために、実際に所定の設計仕様のタイヤを試作してドラム試験を行って耐久性を確認したり、あるいは、有限要素解析を用いて、タイヤモデルをリムモデルに装着し、内圧を充填し、路面に接地させ、必要に応じて回転させる解析を行うことで、所定の設計仕様のタイヤの力学特性をシミュレートし、耐久性が確保されているか否かを調べる。
特に、有限要素解析を利用してタイヤの耐久性を調べる方法は、実際にタイヤを試作することなく所望の設計仕様のタイヤの有限要素モデルを作成することができることから、有効な手法である。
【0003】
一方、タイヤにおけるスチールコード等を備えるベルト、カーカスあるいはビード等の線材は、タイヤの補強材として機能するため、耐久性を調べる上で重要な部材となっている。そのため、ベルト、カーカスあるいはビード等における線材を有するタイヤの補強材の力学特性を評価することが重要である。
ところで、これらの線材は、複数の素線が撚られたものであり、3次元的に複雑な螺旋構造となっている。そして、このような螺旋構造の補強材の力学特性を正確にシミュレートするには、3次元的に素線が撚られた線材の構成を正確にモデル化し精細なモデルを作成しなければならない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ベルト、カーカスあるいはビード等における線材は、タイヤ全体に埋設されているため、3次元的に撚られた螺旋構造の線材のモデルを組み込んだタイヤ全体のモデルを作成することは、極めて煩雑な作業となっており、モデルの作成時間が極めて増大する。このため、有限要素解析で迅速に力学特性を解析して、耐久性を調べることが困難であるといった問題がある。
たとえ、正確なタイヤ全体のモデルが作成できたとしても、タイヤモデル全体としてのモデル要素数および節点数が極めて増大し、コンピュータによる解析時間が極めて増大するといった問題がある。
【0005】
このような問題は、タイヤのみならず、線材とこの線材を取り巻く母材とを有し、ホース等の環状複合体、ベルト等の板状複合体、防舷材等の薄肉複合体等の工業製品や建造物をはじめとする構造体に埋設された複合材の力学特性をシミュレートする場合においても同様に発生する問題である。
【0006】
そこで、本発明は、線材とこの線材を取り巻く母材とを有し、構造体に埋設された複合材の力学特性のシミュレーション方法であって、この複合材の力学特性を、短時間に精度高くシミュレートするシミュレーション方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、線材とこの線材を取り巻く母材とを有する、構造体に埋設された複合材の力学特性をシミュレートする複合材の力学特性シミュレーション方法であって、
前記線材と前記母材とを区別することなく均一な部材として前記複合材を有限要素で離散化した複合材モデルを作成するとともに、前記線材と前記母材とを有する前記複合材の材料パラメータを均一な部材とした等価パラメータで表して、前記複合材を含む前記構造体全体の有限要素解析を行う全体解析ステップと、
前記線材および前記母材の各々を有限要素で離散化した線材モデルおよび母材モデルを作成し、前記全体解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記複合材の力学特性の有限要素解析を行う部分解析ステップと、を有することを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション方法を提供する。
【0008】
その際、前記部分解析ステップでは、複数回の有限要素解析を行い、有限要素解析の回数が増えるに従って、前記複合材の構成をより詳細に再現して有限要素で離散化した線材モデルおよびこの線材モデルを取り巻く母材モデルを区別して作成し、1回目の有限要素解析では、前記全体解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報を用いて前記複合材の力学特性の有限要素解析を行い、2回目以降の有限要素解析では、解析回数が1つ前の有限要素解析の結果の情報を用いて前記複合材の力学特性の有限要素解析を行うのが好ましい。例えば、前記複合材における前記線材が複数本の素線によって構成される場合、あるいは、前記複合材が複数本の前記線材によってテキスタイルを構成する場合、前記部分解析ステップにおいて、複数回の有限要素解析を行い、有限要素解析の回数が増えるに従って、前記複合材の構成をより詳細に再現して有限要素解析を行うのが好ましい。
【0009】
また、前記線材モデルが前記線材の端部を含むモデルの場合、前記複合材の厚さ方向において、前記複合材を含む前記複合材の厚さの5倍以上の領域を前記複合材のモデルとしてモデル化するのが好ましい。
なお、前記構造体は、例えば、撚りコードおよびテキスタイルコードの少なくとも一方を前記線材として備え、ゴム部材を前記母材として備えるタイヤである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
【0011】
図1(a)は、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法を実行するタイヤ補強材の力学特性シミュレーション装置(以下、装置という)10を示す。
【0012】
装置10は、後述する有限要素法におけるモデル作成のための演算処理または有限要素解析の演算処理等を行うCPU10aと、CPU10aにおける演算処理の手順を記憶したROM10bと、CPU10aにおける演算処理の手順を部分的に記憶したプログラムを記憶し、また、CPU10aで処理された計算結果を記憶し、必要に応じて呼び出すRAM10cとを主に有する。装置10は、さらに、バスライン10dを介して、操作系であるキーボード12、マウス14と接続され、ディスプレイ16、プリンタ18と接続されている。
キーボード12、マウス14は、有限要素法におけるモデル作成を指示したり、有限要素解析のための解析条件を設定するために用いられる。
ディスプレイ16、プリンタ18は、作成されるモデルを表示したり、有限要素解析の結果を表示するために用いられる。
なお、図示されないが、バスライン10dを介してハードディスク等の記憶装置と接続される。
【0013】
図1(b)は、図1(a)に示す構成を有する装置10を機能的に示したものである。
装置10は、キーボード12、マウス14の操作系によって指示入力された内容に応じて、有限要素法におけるモデルを作成するモデル作成部20と、作成されたモデルを用いて有限要素解析を行う解析部22と、解析結果を記憶保持するメモリ24とを形成する。
装置10は以上のように構成される。
【0014】
図2は、このような装置10で実行されるタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法のフローを示したフローチャートである。
図2に示すように、タイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法は、有限要素モデルを作成して有限要素解析を行うものである。
【0015】
有限要素モデルは、周知のように、解析対象とする構造物等を有限要素と呼ばれる有限の大きさの要素により多数の領域に分割したものであり、有限要素モデルの作成は、例えば構造物をメッシュ分割し、各メッシュにおける節点を3次元座標値(あるいは2次元座標値)で表し、有限要素および有限要素におけるの節点を番号化し、各有限要素に属する節点をグループ化して各有限要素の番号と節点の番号を組として、形状を定義することをいう。
それゆえ、有限要素モデルでは、上記節点の番号とこの番号に対応した座標値、および有限要素の番号とこの有限要素における節点の番号との組が、モデル情報として電子ファイル化される。さらに、この有限要素モデルが有限要素解析に用いられるように、各有限要素に対応して材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)の情報が材料情報として、電子ファイルに付加される。
【0016】
図2に示すフローでは、まず、有限要素モデルであるタイヤ全体モデルの作成が行われる(ステップ100)。
ここで、トレッド、サイドおよびビードのようなゴム部材で構成された部分と、ベルト、カーカスおよびビード等の線材とこの線材を取り巻くゴム部材からなる複合材である補強材の部分とを、ソリッド要素で離散化することで、タイヤ全体モデルが作成される。すなわち、補強材の部分のモデルは、補強材中の線材とこの線材の周りを取り囲むゴム材とを区別することなく均一な1つの補強材としてソリッド要素で離散化される。
【0017】
図3(a)には、作成されたタイヤ全体モデルの一例の部分斜視図が示され、図3(b)にはタイヤ全体モデル30の部分断面図が示されている。なお、図3(a),(b)で示すタイヤモデルは、トラック・バス用タイヤのモデルである。
図3(a)から示されるように、タイヤ全体モデル30は、3次元モデルであり、タイヤ周方向に不等間隔でメッシュ分割されている。これは、後述するように、路面と接地する部分を細かく分割することで、タイヤ全体モデル30を用いた有限要素解析を精度高く行うためである。なお、本発明においては、タイヤ周方向に等間隔でメッシュ分割されたものであってもよい。
【0018】
図3(b)に示すように、本発明における複合材モデルであるカーカスモデル32は、線材とこの線材の周りを取り囲むゴム材とを区別することなく均一な1つの補強材としてソリッド要素で離散化されている。
なお、ソリッド要素は、例えば四面体ソリッド要素、五面体ソリッド要素あるいは六面体ソリッド要素である。
【0019】
なお、図3(a),(b)の例では、3次元ソリッド要素を用いるものであるが、図3(b)に示すような断面形状において2次元メッシュ分割した2次元モデルを用い、有限要素解析を行う際に3次元の解析を行うように処理を行うものであってもよい。この場合ソリッド要素は、三角形ソリッド要素あるいは四角形ソリッド要素が用いられる。
【0020】
さらに、ベルト、カーカスおよびビード等の線材を含む補強材は、線材とゴム部材とを区別することなく均一な部材とした等価パラメータで補強材の材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)を表して、補強材の材料パラメータとする。ここで等価パラメータは、一定の間隔で母材中に線材が埋設されている複合材における剛性定数(ヤング率、剪断剛性)およびポアソン比を古典積層理論を用いて算出したものである。したがって、補強材の材料パラメータは、線材の打ち込み数、線材の剛性、ゴム材の剛性等によって決定される。
作成されたタイヤ全体モデルにおけるモデル情報に、補強材の材料パラメータの材料情報が付加されて、電子ファイルとしてメモリ24に記憶されるとともに、解析部22に送られる。
【0021】
次に、有限要素解析1が行われる(ステップ102)。
有限要素解析1では、内圧充填処理と荷重負荷処理を行う。
具体的には、タイヤ全体モデル30を、予め作成されている剛平面である路面モデル側に移動しつつ、タイヤがリム組みされて内圧充填が行われるのを再現するために、タイヤ全体モデル30のビード周りの所定の輪郭部分(リム接触域に対応する部分)を一定の条件の下に拘束しつつ、所定のリム幅に対応するように両側に位置する上記輪郭部分を強制変位させ、この後タイヤ全体モデル30の内周面に圧力を加える処理を行う。
さらに、この後、路面モデルにタイヤ全体モデル30を接地させ、所定の荷重あるいは、所定の撓みを発生させる荷重負荷処理を行う。
【0022】
図4(a)は、図3(a),(b)に示すタイヤ全体モデル30において、内圧充填処理を行った直後の状態を示している。
内圧充填処理により、サイド部分がタイヤ幅方向内側に向かって(矢印方向)凹んでいる。
図4(b)は、荷重負荷処理後のタイヤ全体モデル30の状態を示している。これによると、路面モデルによってタイヤ全体モデル30は撓み、サイド部分がタイヤ幅方向外側に(矢印方向に)凸となっている。
このような有限要素解析1で算出された解析結果の情報は、メモリ24に送られ記憶される。
なお、解析結果の情報とは、タイヤ全体モデル30における各節点の変位、各有限要素の歪み分布および応力分布である。
ステップ100およびステップ102は、タイヤ全体の有限要素解析を行うステップであり、本発明における全体解析ステップに対応する。
【0023】
次に、線材モデルおよび母材モデルが、モデル作成部20において作成される(ステップ104)。
すなわち、カーカス、ベルトおよびビード等のような線材およびゴム材を有する補強材について、線材およびゴム部材の各々を有限要素で離散化した線材モデルおよび母材モデルが作成される。
【0024】
図5には、図3(b)に示すタイヤ全体モデル30におけるカーカスモデル32の一部分を詳細な構成によってモデル化したカーカスモデル34を示している。
カーカスモデル34は、線材モデル36およびゴム材モデル38で構成されている。
線材モデル36は、断面形状が円形状を成した一定長の円柱状のものを、この円形状に沿ってメッシュ分割して複数のソリッド要素に離散化したものであり、線材モデル36が一定間隔で平行に複数並列されている。一方、ゴム材モデル38は、一定間隔で並列する線材モデル36のそれぞれを取り巻くように配し、メッシュ分割して複数のソリッド要素に離散化したものであり、カーカスモデル34の全体形状をシート状としている。図5の例では、カーカスモデル34は、3つの線材モデル36とこの周りを取り巻くゴム材モデル38とからなる。
【0025】
このような線材モデル36とゴム材モデル38からなるカーカスモデル34のモデル情報が作成されるとともに、線材としての材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)およびゴム材としての材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)とが作成され、材料情報がモデル情報に付加されて、電子ファイルとしてメモリ24に記憶されるとともに、解析部22に送られる。
【0026】
次に、有限要素解析2が行われる(ステップ106)。
すなわち、ステップ102で行われた有限要素解析1の結果の情報を用いて、カーカスモデル34を用いてカーカスの力学特性の有限要素解析を行う。
具体的には、有限要素解析1において得られ、メモリ24に記憶されている内圧充填処理、あるいは内圧充填処理および荷重負荷処理におけるタイヤ全体モデルにおける各節点の変位を取り出し、この節点の変位を用いて、カーカスモデル34における境界に変位を与えることで、カーカスモデル34における各節点の変位、各有限要素の歪みおよび応力分布を算出する。
有限要素解析2により算出された解析結果の情報は、メモリ24に送られ記憶される。
【0027】
次に、詳細線材モデルおよび詳細母材モデルが、モデル作成部20において作成される(ステップ108)。
すなわち、ステップ104で作成された線材モデル36およびゴム材モデル38に比べて、カーカスの構成を詳細化した詳細モデルを作成する。
図6には、図5に示したカーカスモデル34の1つの線材の構成をより詳細にモデル化した詳細モデル40を示している。
詳細モデル40は、線材の断面形状において、中心において3本の素線を撚り、その周囲において9本の素線を撚り、さらにその周囲において15本の素線を撚り、その周囲に最後に1本の素線でらせん状に巻き付けた線材の構成と、この線材の周りおよび素線間の間にゴム材を配した構成を忠実に再現したものであり、全体としての形状が円柱形状を成している。すなわち、各素線をモデル化し、さらに、素線で構成される線材モデルの構造を撚り構造としたモデルである。この場合、素線の撚りピッチ、撚り方向、素線間の接触の有無についても詳細モデル40にてモデル化される。
【0028】
このような詳細線材モデルと詳細ゴム材モデルからなる詳細モデル40のモデル情報が作成されるとともに、各素線の材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)およびゴム材としての材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)とが作成され、材料情報がモデル情報に付加されて、電子ファイルとしてメモリ24に記憶されるとともに、解析部22に送られる。
【0029】
次に、有限要素解析3が行われる(ステップ110)。
ここでは、ステップ110で行われた有限要素解析2の結果の情報を用いて、詳細モデル40を用いてカーカスの力学特性の有限要素解析を行う。
具体的には、有限要素解析2において得られ、メモリ24に記憶されているカーカスモデル34における各節点の変位を取り出し、この節点の変位を用いて、詳細モデル40における境界に変位を与えることで、詳細モデル40における各節点の変位、各有限要素の歪みおよび応力分布を算出する。
有限要素解析3により算出された解析結果の情報は、メモリ24に送られ記憶される。
すなわち、有限要素解析2→3と、解析回数が増えるに従って、複合材の構成をより詳細に再現して有限要素で離散化した線材モデルおよびこの線材モデルを取り巻く母材モデルを区別して作成し、先行して行われた解析回数が1つ前の有限要素解析の結果の情報を用いて、カーカスの力学特性の有限要素解析を行う。なお、ステップ104〜ステップ110は、本発明における部分解析ステップに対応する。
このように部分解析ステップにおける有限要素解析2,3では、全体解析ステップにおける有限要素解析1で得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて有限要素解析が行われる。
【0030】
最後に、有限要素解析3の解析結果が、ディスプレイ16またはプリンタ18に出力される(ステップ112)。
図7(a),(b)は、詳細モデル40中の素線部分のみを抜き出した詳細線材モデル42を表示して、有限要素解析3で得られた領域A(図3(a),(b)および図4(a),(b)参照)における内圧充填処理時の最大主応力分布を、濃度の高低で表示している。図7(b)は、図7(a)に示す詳細線材モデル42を向きを変えて表示したものである。
1 は、内圧充填による内圧により詳細線材モデル42に作用する曲げモーメントの方向を示す。
この最大主応力の分布によると、内圧充填処理により、詳細線材モデル42において線材方向の圧縮(図中、濃度の濃い領域)および引っ張り(図中、濃度の薄い領域)が存在することがわかり、曲げモーメントM1 の方向に対応するように圧縮および引っ張りが発生することがわかる。しかも、各素線は、撚り構造のため螺旋状に詳細線材モデル42の周状の位置を変えるが、この周状の位置によって最大主応力分布が変化していることがわかる。
【0031】
一方、図8(a),(b)は、詳細線材モデル42を表示して、有限要素解析3で得られた領域A(図3(a),(b)および図4(a),(b)参照)における内圧充填処理後さらに荷重負荷処理を行った時の最大主応力分布を示している。図8(b)は、図8(a)に示す部分モデル42を向きを変えて表示したものである。
2 は、荷重負荷により詳細線材モデル42に作用する曲げモーメントの方向を示す。
これによると、荷重負荷処理により、内圧充填処理時とは異なる主応力分布を示し、曲げモーメントM2 の方向に対応するように圧縮および引っ張りが発生することがわかる。しかも、各素線は、撚り構造のため螺旋状に詳細線材モデル42の周状の位置を変えるが、この周状の位置によって最大主応力分布が変化していることがわかる。
【0032】
これらの解析結果は、内圧充填処理および荷重負荷処理により作用する曲げモーメントの向きから定性的に予想される結果と一致するものである。
したがって、有限要素解析1で得られた内圧充填処理、あるいは内圧充填処理および荷重負荷処理におけるタイヤ全体モデル30における所望の位置のカーカスモデル32の節点の変位を取り出し、この節点の変位を用いて、カーカスモデル34、詳細モデル40における境界に変位を与えることで、所望の位置におけるカーカスの応力や歪みの分布を、各素線中の分布に至るまで詳細に定量的に解析することができる。
【0033】
したがって、タイヤ全体モデル30におけるカーカスモデル32の各位置について、詳細モデル40を用いて解析し、例えば最大主応力分布を調べることで、素線の破断強度等の物性からみて最も安全率の低い位置を特定し、この安全率が所定のレベルを確保するように、スチールコードの撚り構造またはタイヤの設計仕様を変更しながら、素線の破断しない耐久性の優れたタイヤを開発することができる。また、詳細線材モデル42を取り巻く詳細母材モデルに作用する歪み分布からスチールコードの素線を取り巻くゴム材のき裂発生の可能性を知ることもできる。
さらに、詳細モデル40における隣接する線材モデル36間のゴム材モデル38の歪み分布から、スチールコード間のゴム材に作用する歪みのレベルを知ることができスチールコード間に位置するゴム材のき裂発生の可能性を知ることもできる。
また、タイヤ全体モデル30、カーカスモデル34および詳細モデル40のように、有限要素解析を段階的に細かく行うので、線材の構成を反映したタイヤ全体のモデルを正確に作成して細かな有限要素解析を行う場合に比べて、線材を含む補強材の力学特性を短時間に精度高くシミュレートすることができる。
【0034】
なお、上記実施例では、有限要素解析1(ステップ102)において、内圧充填処理および荷重負荷処理を行うものであるが、本発明における有限要素解析1に対応する全体解析ステップの処理は、内圧充填処理および荷重負荷処理に限られず、各種性能解析に用いる処理を行ってもよい。例えば、内圧充填処理および荷重負荷処理に加えてタイヤ全体モデル30を直進状態で転動させ直進走行状態を再現させる処理、スリップ角度を与えて転動させコーナリング走行を再現させる処理、路面上に水膜を設け、この上を転動させてハイドロプレーニングに至る過程を再現させる処理、さらには、突起や凹凸路面上を走行させて振動させて、振動・騒音を再現させる処理を行ってもよい。これらの各種性能解析における処理によってタイヤの各種性能試験をシミュレートする際のカーカス、ベルトおよびビード等の補強材の力学特性を短時間に精度高くシミュレートすることができる。
さらに、全体解析ステップでは、タイヤ製造段階におけるタイヤ成型時の生タイヤモデルから加硫直前の拡張された生タイヤモデルの変形過程の解析を行う成型解析の処理を行ってもよい。この成型時の生タイヤモデルの拡張処理によって、生タイヤが拡張する際の、カーカス、ベルトおよびビード等の補強材の力学特性を短時間に精度高くシミュレートすることができる。
【0035】
なお、カーカスモデル34および詳細モデル40において、カーカス端部の力学特性を解析する場合、剛性の高い線材の端部において、剛性が不連続に変化し、応力分布および歪み分布が急激に変化して非線形性が強くなることから、正確に力学特性をシミュレートする場合、カーカスの厚さ方向において、カーカスを含むカーカスの厚さの5倍以上の領域をカーカスのモデルとしてモデル化するのが好ましい。より具体的には、十分な解析結果が効率良く得られる点から、カーカスの厚さの10倍以下の領域をモデル化するのがよい。例えば、図5に示すカーカスモデル34の場合、厚さ方向において、5倍以上10倍以下の厚さを持つモデルを作成する。
【0036】
上記説明では、補強材であるカーカスを複合材の例として説明したが、この他に、ベルトまたビード等の線材で補強される複合材のほか、複数の線材をテキスタイル状に組み合わせて構成された複合材であってもよい。また、線材は、スチール材に限らず、有機繊維材によって構成されたものであってもよい。
さらに、線材とこの線材を取り巻く母材とを有し、建造物をはじめとする構造体に埋設された複合材の力学特性をシミュレートする場合においても、本発明のシミュレーション方法を適用することができる。
【0037】
以上、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【0038】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明では、線材とこの線材を取り巻く母材とを有する複合材の詳細な構成、例えばタイヤのカーカスやベルト等に含まれる撚りコードやテキスタイルの構成、における力学特性を、短時間に精度高くシミュレートすることができ、例えば、耐久性に優れたタイヤの開発に有効に用いることができる。また、タイヤの各種性能試験をシミュレートする際の補強材の力学特性を短時間に精度高くシミュレートすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)および(b)は、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法を実施するタイヤ補強材の力学特性シミュレーション装置の構成を示す構成図である。
【図2】本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法の一例であるタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法のフローを示すフローチャートである。
【図3】(a)および(b)は、図2に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で作成される有限要素モデルを説明する図である。
【図4】(a)および(b)は、図2に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で得られる解析結果の一例を示す図である。
【図5】図2に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で作成される有限要素モデルを説明する図である。
【図6】図2に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で作成される有限要素モデルを説明する図である。
【図7】(a)および(b)は、図2に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で得られる解析結果の他の例を示す図である。
【図8】(a)および(b)は、図2に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で得られる解析結果の他の例を示す図である。
【符号の説明】
10 力学特性シミュレーション装置
20 モデル作成部
22 解析部
24 メモリ
30 タイヤ全体モデル
32,34 カーカスモデル
36 線材モデル
38 ゴム材モデル
40 詳細モデル
42 部分モデル
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention has a wire and a base material surrounding the wire, and has mechanical properties of a composite embedded in a structure, for example, an annular composite such as a hose, a plate composite such as a conveyor belt, and a fender. Simulation of the mechanical properties of composite materials in industrial products such as thin composites, etc., and the mechanical properties of composite materials such as reinforcing materials for pneumatic tires using steel cords as wires and rubber members surrounding the wires as a base material About the method.
[0002]
[Prior art]
Today, pneumatic tires (hereinafter referred to as tires) in which a belt, a carcass or a bead is buried as a reinforcing material have been developed so that these reinforcing materials can be used for a long time without breaking and have excellent durability. .
For example, in the development stage of a tire, in order to check whether a tire having a predetermined design specification has durability, a tire having a predetermined design specification is actually manufactured and a drum test is performed to confirm durability. Alternatively, by using finite element analysis, the tire model is mounted on the rim model, filled with internal pressure, grounded on the road surface, and rotated as necessary to analyze the mechanical characteristics of the tire with predetermined design specifications Simulate and check whether the durability is secured.
In particular, a method of examining tire durability using finite element analysis is an effective method because a finite element model of a tire having desired design specifications can be created without actually producing a tire.
[0003]
On the other hand, a wire, such as a belt, a carcass, or a bead, provided with a steel cord or the like in a tire functions as a reinforcing material for the tire, and is therefore an important member for checking durability. Therefore, it is important to evaluate the mechanical characteristics of a tire reinforcing material having a wire in a belt, carcass, bead, or the like.
By the way, these wires are formed by twisting a plurality of strands, and have a three-dimensionally complicated spiral structure. In order to accurately simulate the mechanical characteristics of the reinforcing material having such a spiral structure, it is necessary to accurately model the configuration of the wire rod in which the strands are twisted three-dimensionally and create a fine model.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since a wire material in a belt, a carcass, a bead, or the like is embedded in the entire tire, it is extremely complicated to create a model of the entire tire incorporating a model of a three-dimensionally twisted spiral wire material. It is an operation, and the time for creating a model is extremely increased. For this reason, there is a problem that it is difficult to quickly analyze the mechanical characteristics by the finite element analysis to check the durability.
Even if an accurate model of the entire tire can be created, there is a problem that the number of model elements and the number of nodes of the entire tire model are extremely increased, and the analysis time by a computer is extremely increased.
[0005]
Such a problem is caused not only by the tires, but also by the industrial use of an annular composite such as a hose, a plate-like composite such as a belt, and a thin composite such as a fender having a wire and a base material surrounding the wire. A similar problem arises when simulating the mechanical properties of a composite material embedded in a structure such as a product or a building.
[0006]
Therefore, the present invention is a method for simulating the mechanical characteristics of a composite material embedded in a structure having a wire and a base material surrounding the wire, and the mechanical characteristics of the composite material can be accurately determined in a short time. It is an object to provide a simulation method for simulating.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has a wire and a base material surrounding the wire, a method for simulating the mechanical properties of a composite material embedded in a structure,
While creating a composite material model in which the composite material is discretized by finite elements as a uniform member without distinguishing the wire and the base material, material parameters of the composite material having the wire and the base material Expressed by an equivalent parameter as a uniform member, an overall analysis step of performing a finite element analysis of the entire structure including the composite material,
A wire model and a base material model are created by discretizing each of the wire and the base material with a finite element, and based on information on a result of the finite element analysis obtained in the overall analysis step, mechanical properties of the composite material And a method for simulating the mechanical properties of a composite material, the method comprising:
[0008]
At this time, in the partial analysis step, a finite element analysis is performed a plurality of times, and as the number of finite element analyzes increases, a wire model and a wire model in which the configuration of the composite material is reproduced in more detail and discretized by finite elements In the first finite element analysis, a finite element analysis of the mechanical properties of the composite material is performed using information on the result of the finite element analysis obtained in the overall analysis step. In the second and subsequent finite element analyses, it is preferable to perform a finite element analysis of the mechanical properties of the composite material using information on the result of the finite element analysis performed one time before the analysis. For example, when the wire in the composite material is constituted by a plurality of strands, or when the composite material constitutes a textile by the plurality of wires, in the partial analysis step, a plurality of finite element analyzes are performed. It is preferable to perform the finite element analysis by reproducing the configuration of the composite material in more detail as the number of the finite element analysis increases.
[0009]
Further, when the wire model is a model including the end of the wire, in the thickness direction of the composite, a region of 5 times or more the thickness of the composite including the composite is used as the model of the composite. It is preferable to model.
The structure is, for example, a tire including at least one of a twisted cord and a textile cord as the wire, and a rubber member as the base material.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a method for simulating mechanical properties of a composite material according to the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
[0011]
FIG. 1A shows an apparatus (hereinafter, referred to as an apparatus) 10 for simulating a mechanical property of a tire reinforcing material for executing the method for simulating a mechanical property of a composite material according to the present invention.
[0012]
The apparatus 10 includes a CPU 10a that performs an arithmetic process for creating a model in the finite element method or an arithmetic process of a finite element analysis, a ROM 10b that stores the procedure of the arithmetic process in the CPU 10a, and a partial procedure of the arithmetic process in the CPU 10a. It mainly has a RAM 10c that stores a program that is temporarily stored, and that stores a calculation result processed by the CPU 10a and that is called up as necessary. The device 10 is further connected to a keyboard 12 and a mouse 14 as operation systems via a bus line 10d, and to a display 16 and a printer 18.
The keyboard 12 and the mouse 14 are used to instruct creation of a model by the finite element method and to set analysis conditions for finite element analysis.
The display 16 and the printer 18 are used to display a model to be created and to display a result of the finite element analysis.
Although not shown, it is connected to a storage device such as a hard disk via a bus line 10d.
[0013]
FIG. 1B functionally shows an apparatus 10 having the configuration shown in FIG.
The apparatus 10 includes a model creation unit 20 that creates a model in the finite element method in accordance with the content of an instruction input by the operation system of the keyboard 12 and the mouse 14, and an analysis unit that performs finite element analysis using the created model. 22 and a memory 24 for storing and holding analysis results.
The device 10 is configured as described above.
[0014]
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of a method for simulating the mechanical characteristics of a tire reinforcing material executed by such an apparatus 10.
As shown in FIG. 2, the method for simulating the mechanical characteristics of a tire reinforcing material is to create a finite element model and perform a finite element analysis.
[0015]
As is well known, a finite element model is obtained by dividing a structure or the like to be analyzed into a large number of regions by using elements of a finite size called finite elements. The mesh is divided, the nodes in each mesh are represented by three-dimensional coordinate values (or two-dimensional coordinate values), the finite elements and the nodes in the finite elements are numbered, the nodes belonging to each finite element are grouped, and the number of each finite element is grouped. And the number of the nodes as a set.
Therefore, in the finite element model, a set of the number of the node and the coordinate value corresponding to the number, and the number of the finite element and the number of the node in the finite element are stored in an electronic file as model information. Furthermore, information on material parameters (Young's modulus, shear rigidity and Poisson's ratio) corresponding to each finite element is added to the electronic file as material information so that this finite element model is used for finite element analysis.
[0016]
In the flow shown in FIG. 2, first, an entire tire model, which is a finite element model, is created (step 100).
Here, a portion composed of a rubber member such as a tread, a side and a bead, and a portion of a reinforcing material which is a composite material composed of a wire member such as a belt, a carcass and a bead, and a rubber member surrounding the wire member are solid elements. , A whole tire model is created. That is, the model of the reinforcing member portion is discretized by a solid element as one uniform reinforcing member without distinguishing the wire in the reinforcing member and the rubber material surrounding the wire.
[0017]
FIG. 3A shows a partial perspective view of an example of the created whole tire model, and FIG. 3B shows a partial cross-sectional view of the whole tire model 30. The tire models shown in FIGS. 3A and 3B are truck and bus tire models.
As shown in FIG. 3A, the entire tire model 30 is a three-dimensional model, and is mesh-divided at irregular intervals in the tire circumferential direction. This is because, as will be described later, a finite element analysis using the entire tire model 30 is performed with high accuracy by finely dividing a portion that comes into contact with the road surface. In the present invention, the mesh may be divided at equal intervals in the tire circumferential direction.
[0018]
As shown in FIG. 3 (b), the carcass model 32, which is a composite material model according to the present invention, is a discrete reinforcing element made of solid elements as a uniform reinforcing material without discriminating between a wire and a rubber material surrounding the wire. Has been
The solid element is, for example, a tetrahedral solid element, a pentahedral solid element, or a hexahedral solid element.
[0019]
In the examples shown in FIGS. 3A and 3B, three-dimensional solid elements are used. However, a two-dimensional model obtained by dividing a cross-sectional shape as shown in FIG. When performing element analysis, processing may be performed to perform three-dimensional analysis. In this case, a triangular solid element or a quadrangular solid element is used as the solid element.
[0020]
Further, the reinforcing material including a wire such as a belt, a carcass and a bead has a material parameter (Young's modulus, shear stiffness and Poisson's ratio) which is equivalent to a uniform material without distinguishing the wire from a rubber member. Expressed as material parameters of the reinforcing material. Here, the equivalent parameter is obtained by calculating a rigidity constant (Young's modulus, shear rigidity) and a Poisson's ratio of a composite material in which a wire is embedded in a base material at regular intervals using classical lamination theory. Therefore, the material parameters of the reinforcing member are determined by the number of wires, the rigidity of the wire, the rigidity of the rubber material, and the like.
The material information of the material parameters of the reinforcing material is added to the model information of the created whole tire model, stored in the memory 24 as an electronic file, and sent to the analysis unit 22.
[0021]
Next, finite element analysis 1 is performed (step 102).
In the finite element analysis 1, an internal pressure filling process and a load applying process are performed.
Specifically, the entire tire model 30 is moved to the road surface model side, which is a rigid plane prepared in advance, and the entire tire model 30 is reproduced in order to reproduce that the tire is assembled on the rim and the internal pressure is filled. While constraining a predetermined contour portion (a portion corresponding to the rim contact area) around the bead under a certain condition, the contour portions located on both sides are forcibly displaced so as to correspond to a predetermined rim width. A process of applying pressure to the inner peripheral surface of the rear tire overall model 30 is performed.
Further, thereafter, the entire tire model 30 is brought into contact with the road surface model, and a load load process for generating a predetermined load or a predetermined bending is performed.
[0022]
FIG. 4A shows a state immediately after the internal pressure filling process is performed in the entire tire model 30 shown in FIGS. 3A and 3B.
Due to the internal pressure filling process, the side portion is recessed inward (in the direction of the arrow) in the tire width direction.
FIG. 4B shows a state of the entire tire model 30 after the load processing. According to this, the entire tire model 30 is bent by the road surface model, and the side portion is convex outward (in the direction of the arrow) in the tire width direction.
Information on the analysis result calculated by the finite element analysis 1 is sent to the memory 24 and stored.
The information of the analysis result is the displacement of each node in the tire overall model 30 and the strain distribution and stress distribution of each finite element.
Steps 100 and 102 are steps for performing a finite element analysis of the entire tire, and correspond to the overall analysis step in the present invention.
[0023]
Next, a wire rod model and a base metal model are created in the model creating section 20 (step 104).
That is, for a reinforcing material having a wire and a rubber such as a carcass, a belt and a bead, a wire model and a base material model in which each of the wire and the rubber is discretized by a finite element are created.
[0024]
FIG. 5 shows a carcass model 34 obtained by modeling a part of the carcass model 32 in the whole tire model 30 shown in FIG.
The carcass model 34 includes a wire rod model 36 and a rubber rod model 38.
The wire rod model 36 is obtained by dividing a cylindrical shape having a circular cross section with a certain length into a plurality of solid elements by mesh-dividing along the circular shape. Are arranged in parallel. On the other hand, the rubber material model 38 is arranged so as to surround each of the wire models 36 arranged in parallel at regular intervals, divided into meshes and discretized into a plurality of solid elements. And In the example of FIG. 5, the carcass model 34 includes three wire rod models 36 and a rubber material model 38 surrounding the three wire rod models 36.
[0025]
The model information of the carcass model 34 including the wire model 36 and the rubber material model 38 is created, and the material parameters (Young's modulus, shear stiffness and Poisson's ratio) of the wire and the material parameter (Young's modulus) of the rubber are used. , Shear stiffness and Poisson's ratio), material information is added to the model information, stored in the memory 24 as an electronic file, and sent to the analysis unit 22.
[0026]
Next, the finite element analysis 2 is performed (step 106).
That is, the finite element analysis of the mechanical characteristics of the carcass is performed using the carcass model 34 using the information on the result of the finite element analysis 1 performed in step 102.
Specifically, the displacement of each node in the entire tire model in the internal pressure filling process or the internal pressure filling process and the load loading process obtained in the finite element analysis 1 and stored in the memory 24 is extracted, and the displacement of this node is used. Then, by displacing the boundary in the carcass model 34, the displacement of each node in the carcass model 34, the strain and the stress distribution of each finite element are calculated.
Information of the analysis result calculated by the finite element analysis 2 is sent to the memory 24 and stored.
[0027]
Next, a detailed wire rod model and a detailed base metal model are created in the model creating section 20 (step 108).
That is, a detailed model in which the configuration of the carcass is more detailed than the wire model 36 and the rubber material model 38 created in step 104 is created.
FIG. 6 shows a detailed model 40 obtained by modeling the configuration of one wire rod of the carcass model 34 shown in FIG. 5 in more detail.
In the detailed model 40, in the cross-sectional shape of the wire, three strands are twisted at the center, nine strands are twisted around the center, and 15 strands are twisted around the strand. This is a faithful reproduction of the configuration of a wire wound spirally with two strands and a configuration in which rubber is arranged around and between the strands.The overall shape is a cylindrical shape. are doing. That is, this is a model in which each strand is modeled, and the structure of the wire model composed of the strands is a twisted structure. In this case, the twist pitch, twist direction, and presence / absence of contact between the wires are modeled by the detailed model 40.
[0028]
The model information of the detailed model 40 including the detailed wire model and the detailed rubber material model is created, and the material parameters (Young's modulus, shear stiffness and Poisson's ratio) of each strand and the material parameter (Young's modulus) of the rubber material Ratio, shear stiffness, and Poisson's ratio), material information is added to the model information, stored in the memory 24 as an electronic file, and sent to the analysis unit 22.
[0029]
Next, the finite element analysis 3 is performed (step 110).
Here, the finite element analysis of the mechanical characteristics of the carcass is performed using the detailed model 40 using the information on the result of the finite element analysis 2 performed in step 110.
Specifically, the displacement of each node in the carcass model 34 obtained in the finite element analysis 2 and stored in the memory 24 is taken out, and the displacement of the node in the detailed model 40 is given by using the displacement of this node. , The displacement of each node in the detailed model 40, and the strain and stress distribution of each finite element.
Information on the analysis result calculated by the finite element analysis 3 is sent to the memory 24 and stored.
That is, as the finite element analysis 2 → 3 and the number of analyzes increases, the composite material is reproduced in more detail, and a wire model discretized by finite elements and a base material model surrounding this wire model are separately created. The finite element analysis of the mechanical characteristics of the carcass is performed using the information of the result of the finite element analysis performed one time earlier in the analysis. Steps 104 to 110 correspond to the partial analysis step in the present invention.
As described above, in the finite element analyzes 2 and 3 in the partial analysis step, the finite element analysis is performed based on the information on the result of the finite element analysis obtained in the finite element analysis 1 in the overall analysis step.
[0030]
Finally, the analysis result of the finite element analysis 3 is output to the display 16 or the printer 18 (Step 112).
FIGS. 7A and 7B show a detailed wire model 42 obtained by extracting only the wire portion in the detailed model 40, and display a region A obtained by the finite element analysis 3 (FIGS. 3A and 3B). 4B) and FIGS. 4A and 4B), the maximum principal stress distribution at the time of the internal pressure filling process is indicated by the level of the concentration. FIG. 7B shows the detailed wire rod model 42 shown in FIG.
M 1 Indicates the direction of the bending moment acting on the detailed wire rod model 42 due to the internal pressure due to the internal pressure filling.
According to the distribution of the maximum principal stress, it is found that the internal wire filling process includes compression (high density area in the figure) and tension (low density area in the figure) in the wire direction in the detailed wire model 42. Bending moment M 1 It can be seen that compression and tension are generated corresponding to the directions of. In addition, each strand changes its circumferential position of the detailed wire model 42 in a spiral shape due to the twisted structure, and it can be seen that the maximum principal stress distribution changes depending on this circumferential position.
[0031]
On the other hand, FIGS. 8A and 8B show the detailed wire rod model 42 and the region A (FIGS. 3A and 3B and FIGS. 4A and 4B) obtained by the finite element analysis 3. 4B shows the maximum principal stress distribution when the load is further applied after the internal pressure filling process in b)). FIG. 8B shows the partial model 42 shown in FIG.
M 2 Indicates the direction of the bending moment acting on the detailed wire rod model 42 due to the load.
According to this, the main stress distribution different from that during the internal pressure filling process is shown by the load application process, and the bending moment M 2 It can be seen that compression and tension are generated corresponding to the directions of. In addition, each strand changes its circumferential position of the detailed wire model 42 in a spiral shape due to the twisted structure, and it can be seen that the maximum principal stress distribution changes depending on this circumferential position.
[0032]
These analysis results are consistent with the results qualitatively expected from the direction of the bending moment acting by the internal pressure filling process and the load application process.
Therefore, the displacement of the node of the carcass model 32 at a desired position in the entire tire model 30 in the internal pressure filling process obtained in the finite element analysis 1 or the internal pressure filling process and the load applying process is extracted, and the displacement of the node is used. By displacing the boundaries between the carcass model 34 and the detailed model 40, the distribution of the stress and strain of the carcass at a desired position can be analyzed in detail and quantitatively up to the distribution in each strand.
[0033]
Therefore, each position of the carcass model 32 in the whole tire model 30 is analyzed using the detailed model 40, and for example, by examining the maximum principal stress distribution, the position having the lowest safety factor in terms of the physical properties such as the breaking strength of the strand is obtained. It is possible to develop a tire with excellent durability that does not break the strands while changing the twisted structure of the steel cord or the design specification of the tire so that the safety factor secures a predetermined level. Further, it is possible to know the possibility of the occurrence of cracks in the rubber material surrounding the strand of the steel cord from the strain distribution acting on the detailed base material model surrounding the detailed wire model 42.
Further, the level of the strain acting on the rubber material between the steel cords can be known from the strain distribution of the rubber material model 38 between the adjacent wire rod models 36 in the detailed model 40, and the crack of the rubber material located between the steel cords can be determined. It is also possible to know the possibility of occurrence.
In addition, since the finite element analysis is performed stepwise and finely like the whole tire model 30, the carcass model 34, and the detailed model 40, a model of the whole tire reflecting the configuration of the wire rod is accurately created to perform the fine finite element analysis. , It is possible to simulate the mechanical characteristics of the reinforcing member including the wire in a short time and with high accuracy.
[0034]
In the above embodiment, the internal pressure filling process and the load application process are performed in the finite element analysis 1 (step 102). However, the process of the overall analysis step corresponding to the finite element analysis 1 in the present invention is performed by the internal pressure filling process. The processing is not limited to the processing and the load processing, and processing used for various performance analysis may be performed. For example, in addition to the internal pressure filling process and the load loading process, a process of rolling the entire tire model 30 in a straight running state to reproduce a straight running state, a process of rolling by applying a slip angle to reproduce a cornering running, A process of providing a film and rolling on the film to reproduce the process leading to hydroplaning, and a process of reproducing vibration and noise by running on protrusions and uneven road surfaces to vibrate may be performed. Through the processing in these various performance analyses, the mechanical characteristics of reinforcing materials such as a carcass, a belt, and a bead when simulating various performance tests of a tire can be simulated with high accuracy in a short time.
Further, in the overall analysis step, a molding analysis process for analyzing the deformation process of the expanded green tire model immediately before vulcanization from the green tire model at the time of tire molding in the tire manufacturing stage may be performed. By the expansion processing of the raw tire model at the time of molding, the mechanical characteristics of the reinforcing material such as a carcass, a belt and a bead when the green tire is expanded can be simulated in a short time with high accuracy.
[0035]
When analyzing the mechanical characteristics of the carcass end in the carcass model 34 and the detailed model 40, the rigidity changes discontinuously at the end of the highly rigid wire, and the stress distribution and the strain distribution rapidly change. In order to accurately simulate the mechanical characteristics, it is preferable to model a region of the carcass including the carcass that is five times or more the thickness of the carcass as the carcass model in order to accurately simulate the dynamic characteristics. More specifically, from the viewpoint that a sufficient analysis result can be obtained efficiently, it is preferable to model a region of 10 times or less the thickness of the carcass. For example, in the case of the carcass model 34 shown in FIG. 5, a model having a thickness of 5 to 10 times in the thickness direction is created.
[0036]
In the above description, the carcass, which is a reinforcing material, was described as an example of a composite material.In addition to this, in addition to a composite material reinforced with a wire such as a belt or a bead, a plurality of wires were combined in a textile form. It may be a composite material. Further, the wire is not limited to the steel, but may be made of an organic fiber material.
Furthermore, the simulation method of the present invention can be applied to a case where a wire and a base material surrounding the wire are used to simulate the mechanical characteristics of a composite material embedded in a structure such as a building. it can.
[0037]
As described above, the method for simulating the mechanical properties of the composite material of the present invention has been described in detail.However, the present invention is not limited to the above-described example, and various improvements and modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. Of course it is good.
[0038]
【The invention's effect】
As described in detail above, in the present invention, the dynamics in the detailed structure of a composite material having a wire and a base material surrounding the wire, for example, the structure of a twisted cord or textile included in a carcass or belt of a tire, and the like. The characteristics can be simulated with high accuracy in a short time, and can be effectively used for, for example, development of a tire having excellent durability. Further, it is possible to simulate the mechanical characteristics of the reinforcing material when simulating various performance tests of the tire in a short time and with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
1 (a) and 1 (b) are configuration diagrams showing a configuration of a tire reinforcing material mechanical characteristic simulation apparatus for performing a composite material mechanical characteristic simulation method of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of a method for simulating mechanical characteristics of a tire reinforcing material, which is an example of a method for simulating mechanical characteristics of a composite material according to the present invention.
FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating a finite element model created by the method for simulating the mechanical characteristics of a tire reinforcing material shown in FIG. 2;
FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating an example of an analysis result obtained by the method for simulating mechanical characteristics of a tire reinforcing material illustrated in FIG. 2;
FIG. 5 is a diagram illustrating a finite element model created by the method for simulating mechanical characteristics of a tire reinforcing member shown in FIG. 2;
6 is a diagram illustrating a finite element model created by the method for simulating mechanical characteristics of a tire reinforcing material shown in FIG.
FIGS. 7A and 7B are diagrams showing another example of the analysis result obtained by the method for simulating the mechanical characteristics of the tire reinforcing material shown in FIG. 2;
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing another example of the analysis result obtained by the method for simulating the mechanical characteristics of the tire reinforcing material shown in FIG. 2;
[Explanation of symbols]
10 Mechanical property simulation device
20 Model creation unit
22 Analysis unit
24 memory
30 whole tire model
32,34 carcass model
36 wire rod model
38 Rubber material model
40 Detailed model
42 Partial model

Claims (4)

線材とこの線材を取り巻く母材とを有する、構造体に埋設された複合材の力学特性をシミュレートする複合材の力学特性シミュレーション方法であって、
前記線材と前記母材とを区別することなく均一な部材として前記複合材を有限要素で離散化した複合材モデルを作成するとともに、前記線材と前記母材とを有する前記複合材の材料パラメータを均一な部材とした等価パラメータで表して、前記複合材を含む前記構造体全体の有限要素解析を行う全体解析ステップと、
前記線材および前記母材の各々を有限要素で離散化した線材モデルおよび母材モデルを作成し、前記全体解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記複合材の力学特性の有限要素解析を行う部分解析ステップと、を有することを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション方法。
A method for simulating mechanical properties of a composite material embedded in a structure, comprising a wire and a base material surrounding the wire,
While creating a composite material model in which the composite material is discretized by finite elements as a uniform member without distinguishing the wire and the base material, material parameters of the composite material having the wire and the base material Expressed by an equivalent parameter as a uniform member, an overall analysis step of performing a finite element analysis of the entire structure including the composite material,
A wire model and a base material model are created by discretizing each of the wire and the base material with a finite element, and based on information on a result of the finite element analysis obtained in the overall analysis step, mechanical properties of the composite material A method for simulating mechanical properties of a composite material, the method comprising:
前記部分解析ステップでは、複数回の有限要素解析を行い、有限要素解析の回数が増えるに従って、前記複合材の構成をより詳細に再現して有限要素で離散化した線材モデルおよびこの線材モデルを取り巻く母材モデルを区別して作成し、1回目の有限要素解析では、前記全体解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報を用いて前記複合材の力学特性の有限要素解析を行い、2回目以降の有限要素解析では、解析回数が1つ前の有限要素解析の結果の情報を用いて前記複合材の力学特性の有限要素解析を行う請求項1に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。In the partial analysis step, a finite element analysis is performed a plurality of times, and as the number of finite element analysis increases, the configuration of the composite material is reproduced in more detail to surround the wire model and the wire model discretized by the finite element. In the first finite element analysis, a finite element analysis of the mechanical properties of the composite material is performed using information on the result of the finite element analysis obtained in the overall analysis step, and a second finite element analysis is performed. 2. The method according to claim 1, wherein in the subsequent finite element analysis, the finite element analysis of the mechanical properties of the composite material is performed using information on the result of the finite element analysis performed one time before the analysis. 前記線材モデルが前記線材の端部を含むモデルの場合、前記複合材の厚さ方向において、前記複合材を含む前記複合材の厚さの5倍以上の領域を前記複合材のモデルとしてモデル化する請求項1または2に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。In the case where the wire model is a model including the end of the wire, in the thickness direction of the composite, a region that is five times or more the thickness of the composite including the composite is modeled as a model of the composite. The method for simulating mechanical properties of a composite material according to claim 1. 前記構造体は、撚りコードおよびテキスタイルコードの少なくとも一方を前記線材として備え、ゴム部材を前記母材として備える空気入りタイヤである請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。The mechanical characteristic of the composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the structure is a pneumatic tire including at least one of a twisted cord and a textile cord as the wire, and a rubber member as the base material. Simulation method.
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