JP2005121536A - Method for simulating viscoelastic material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To analyze the deformation state of a viscoelastic material, such as rubber, precisely. <P>SOLUTION: A method for simulating the viscoelastic material that simulates the deformation of the viscoelastic material includes a step for setting a viscoelastic material model in which a viscoelastic material is modelled by an element capable of numeric analysis; a step for calculating deformation by setting conditions to the viscoelastic material model; and a step for acquiring a required physical quantity from the deformation calculation. In the viscoelastic material model, the relation between stress and distortion is defined, and the number of average segments N per molecular chain differs between loaded deformation and unloaded deformation for expressing energy loss. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ゴムなどの粘弾性材料の変形状態を精度良く解析するのに役立つ粘弾性材料のシミュレーション方法に関する。   The present invention relates to a viscoelastic material simulation method useful for accurately analyzing a deformation state of a viscoelastic material such as rubber.

ゴムをはじめとする粘弾性材料は、タイヤ、スポーツ用品、その他各種の工業製品に使用される。粘弾性材料は、負荷を受けると大きく変形し、負荷を完全に取り除くと元の状態へと復元しうる。また粘弾性材料は、変形に際して応力とひずみとが比例せず、かつ、荷重の負荷時と除荷時とでは応力−ひずみ曲線の経路を異にする非線形性を有している。試作の手間とコストとを減じるために、粘弾性材料の変形過程などを予めコンピュータを用いてシミュレーションすることが行われている。従来の粘弾性材料のシミュレーション方法としては、下記の特許文献1や非特許文献1等が知られている。   Viscoelastic materials such as rubber are used in tires, sports equipment, and other various industrial products. The viscoelastic material is greatly deformed when subjected to a load, and can be restored to its original state when the load is completely removed. In addition, the viscoelastic material has a non-linearity in which the stress and strain are not proportional to each other during deformation, and the stress-strain curve path is different between when the load is applied and when the load is unloaded. In order to reduce the labor and cost of the trial production, the deformation process of the viscoelastic material is simulated in advance using a computer. As conventional viscoelastic material simulation methods, the following Patent Document 1, Non-Patent Document 1, and the like are known.

特開2002−365205号公報JP 2002-365205 A Ellen M. Arruda and Marry C. Boyce著「 A THREE-DIMENSIONAL CONSTITUTIVE MODEL FOR THE LARGE STRECH BEHAVIOR OF RUBBER ELASTIC MATERIALSS」 Journal of the Mechanics and Physics of Solids Volume 41, Issue 2, Pages 389-412 (February 1993)Ellen M. Arruda and Marry C. Boyce `` A THREE-DIMENSIONAL CONSTITUTIVE MODEL FOR THE LARGE STRECH BEHAVIOR OF RUBBER ELASTIC MATERIALSS '' Journal of the Mechanics and Physics of Solids Volume 41, Issue 2, Pages 389-412 (February 1993)

特許文献1は、粘弾性材料がひずみ速度に応じて異なった縦弾性係数を示す点に着目している。具体的には、予め粘弾性材料の実使用状態を想定した測定条件で、当該粘弾性材料に生じるひずみ、ひずみ速度、応力などを測定し、縦弾性係数とひずみないしひずみ速度との対応関係を導出する工程が行われる。そして、解析対象である粘弾性材料の製品モデルに対して、所定のひずみ速度を与えるとともに、上記対応関係から縦弾性係数を適宜計算して変形シミュレーションを行っている。特許文献1の方法は、粘弾性材料の縦弾性係数が、ひずみ速度に応じて変化するという試みを含むため、ヒステリシスロスをシミュレーションの中に取り込み得る点で評価できる。一方、ひずみ速度と縦弾性係数との対応関係を得るためには、多くの実験が必要となる。この点は、さらなる改善の余地がある。   Patent document 1 pays attention to the point that a viscoelastic material shows a different longitudinal elastic modulus according to a strain rate. Specifically, the strain, strain rate, stress, etc. generated in the viscoelastic material are measured in advance under the measurement conditions assuming the actual usage state of the viscoelastic material, and the correspondence relationship between the longitudinal elastic modulus and the strain or strain rate is determined. A derivation step is performed. A predetermined strain rate is given to the product model of the viscoelastic material to be analyzed, and a deformation simulation is performed by appropriately calculating the longitudinal elastic modulus from the above correspondence. Since the method of patent document 1 includes the trial that the longitudinal elastic modulus of a viscoelastic material changes according to a strain rate, it can evaluate in the point which can take in hysteresis loss in simulation. On the other hand, in order to obtain the correspondence between the strain rate and the longitudinal elastic modulus, many experiments are required. This point has room for further improvement.

またArrudaらが提案した非特許文献1は、分子鎖網目理論を用いることにより、粘弾性材料を高分子レベルにまでモデル化して計算することが記載されている。ここで、分子鎖網目理論について簡単に述べる。   In addition, Non-Patent Document 1 proposed by Arruda et al. Describes that a viscoelastic material is modeled and calculated up to a polymer level by using a molecular chain network theory. Here, the molecular chain network theory will be briefly described.

分子鎖網目理論は、図19(A)、(B)に示すように、連続体としての高分子材料aは、微視構造として、無秩序に配向された分子鎖cが接合点bで連結された網目構造を持つとの考えを前提とする。接合点bは、例えば分子間の化学的結合であってそれには架橋点などが含まれる。   In the molecular chain network theory, as shown in FIGS. 19A and 19B, the polymer material a as a continuum has a microscopic structure in which randomly oriented molecular chains c are connected at junctions b. The premise is that it has a mesh structure. The junction point b is, for example, a chemical bond between molecules, and includes a crosslinking point.

1本の分子鎖cは、同図(C)に示すように、複数のセグメントdから構成される。一つのセグメントdは、分子鎖網目理論においては繰り返しの最小構成単位である。また一つのセグメントdは、化学的には同図(D)に示すように、炭素原子が共有結合によって連結した複数個のモノマーfが連結したものと等価である。個々の炭素原子は、原子同士の結合軸の周りで互いに自由に回転しうるため、セグメントdは全体として曲がりくねるなど様々な形態をとり得る。   One molecular chain c is composed of a plurality of segments d as shown in FIG. One segment d is a repeating minimum structural unit in the molecular chain network theory. One segment d is chemically equivalent to a plurality of monomers f in which carbon atoms are connected by covalent bonds, as shown in FIG. Since the individual carbon atoms can freely rotate around the bond axis between the atoms, the segment d can take various forms such as winding as a whole.

分子鎖網目理論では、接合点bが原子の揺らぎ周期に対して長時間的には平均位置が変化しないものとし、接合点bの回りの摂動を無視する。さらに二つの接合点b、bを両端に持つ分子鎖cの端−端ベクトル(end-to-end vector )は、それが埋め込まれている材料の連続体と共変形するものと仮定する。   In the molecular chain network theory, it is assumed that the average position of the junction b does not change for a long time with respect to the atomic fluctuation period, and the perturbation around the junction b is ignored. It is further assumed that the end-to-end vector of the molecular chain c having two junctions b, b at both ends co-deforms with the continuum of the material in which it is embedded.

Aruudaらは、分子鎖網目理論に基づいてさらに8鎖モデルを提案している。図4(A)に示されるように、粘弾性材料は、巨視的には、微小な8鎖モデルgが集合した立方体状の網目構造体hとして考えることができる。一つの8鎖モデルgは、図4(B)に拡大して示すように、分子鎖cが立方体の中心に定められた一つの接合点b1から、各頂点に設けられた8つの各接合点b2にそれぞれのびているものと仮定される。   Aruuda et al. Have proposed a further eight-chain model based on molecular chain network theory. As shown in FIG. 4A, the viscoelastic material can be considered macroscopically as a cubic network structure h in which minute 8-chain models g are assembled. As shown in an enlarged view in FIG. 4B, one 8-chain model g is composed of eight junction points provided at each vertex from one junction point b1 in which the molecular chain c is defined at the center of the cube. It is assumed that it extends to b2.

粘弾性材料は、シミュレーションにおいては超弾性体(体積変化を殆ど生じず除荷後も元の形状に戻る材料)として取り扱われる。超弾性体は、下記式(2)で示されるように、Green ひずみの成分Eijによって微分されることにより、共役なkirchhoff 応力Sijを生じるようなひずみエネルギー関数Wが存在する物質として定義される。換言すれば、ひずみエネルギー関数は、粘弾性材料が変形したときに蓄えられたポテンシャルエネルギの存在を仮定的に示す。従って、ひずみエネルギー関数Wの微分勾配から応力とひずみ関係を得ることができる。
The viscoelastic material is handled as a superelastic body (a material that hardly changes in volume and returns to its original shape after unloading) in the simulation. A superelastic body is defined as a substance having a strain energy function W that produces a conjugate kirchhoff stress S ij by being differentiated by a Green strain component E ij as shown in the following formula (2). The In other words, the strain energy function hypothetically indicates the presence of potential energy stored when the viscoelastic material is deformed. Therefore, the stress and strain relationship can be obtained from the differential gradient of the strain energy function W.

Aruudaらは、非ガウス鎖理論により、粘弾性材料の変形が大きくなるとエントロピー変化が急激に大きくなる(分子鎖が伸びきって配向する)と考え、式(3)の粘弾性材料(ゴム弾性体)のひずみエネルギ関数Wを示した。そして、このひずみエネルギー関数Wを上記式に代入することにより、粘弾性材料の応力とひずみとの関係を取り出すことができる。
Aruuda et al. Believe that the entropy change suddenly increases when the deformation of the viscoelastic material increases (the molecular chain stretches and orients) according to the non-Gaussian chain theory. ) Shows the strain energy function W. Then, by substituting this strain energy function W into the above equation, the relationship between the stress and strain of the viscoelastic material can be extracted.

Aruudaらの応力とひずみとの関係を用いて、粘弾性材料の変形シミュレーションを行うことにより、例えば図20に示すように、1軸引張変形シミュレーションにおいて、非線形な応力とひずみとの関係を得ることができる。この結果は、荷重の負荷変形時における実測値と良い相関を示す。   By performing a deformation simulation of a viscoelastic material using the relationship between stress and strain of Aruuda et al., For example, as shown in FIG. 20, a non-linear relationship between stress and strain is obtained in a uniaxial tensile deformation simulation. Can do. This result shows a good correlation with the actually measured value when the load is deformed.

しかしながら、Aruudaらの非特許文献1は、粘弾性材料の特徴の一つでもあるエネルギーロスが考慮されていない。このため、図20の状態Qから荷重を除荷するシミュレーションを行うと、該曲線と実質的に同じ経路を通ってひずみの回復が行われる。これでは、ヒステリシスループが形成されずエネルギーロスの計算を行うことができない。   However, Aruuda et al., Non-Patent Document 1 does not consider energy loss, which is one of the characteristics of viscoelastic materials. For this reason, when a simulation for unloading the load from the state Q in FIG. 20 is performed, strain recovery is performed through substantially the same path as the curve. With this, a hysteresis loop is not formed and energy loss cannot be calculated.

発明者らは、Aruudaらのモデルを前提として種々の実験を試みた。先ず粘弾性材料は、上述のように複雑に絡み合った長い分子鎖cが伸びることによって数百%にも達し得る大ひずみが許容されると考えられる。そこで、発明者らは、荷重の負荷における変形過程において、粘弾性材料の分子鎖cの互いに絡み合った部分がほどけたり(接合点bの数の減少)、或いは荷重の除荷によってさらなる絡み合い(接合点bの数の増加)が生じ得るとの仮定を立てた。換言すれば、この仮定は、前記式(1)における1本の分子鎖当たりの平均セグメント数Nは、負荷ないし除荷変形時において可変のパラメータであることを意味している。発明者らは、この仮定を検証したところ、粘弾性材料のヒステリシスを表現可能であることが分かった。   The inventors tried various experiments based on the model of Aruuda et al. First, it is considered that the viscoelastic material is allowed to have a large strain that can reach several hundreds of percent by extending the long molecular chain c intertwined in a complicated manner as described above. Therefore, the inventors unraveled the intertwined portions of the molecular chains c of the viscoelastic material in the deformation process under load (reduction of the number of joint points b), or further entanglement (unbonding) by unloading the load. An assumption was made that an increase in the number of points b) may occur. In other words, this assumption means that the average number of segments N per molecular chain in the equation (1) is a variable parameter during loading or unloading deformation. The inventors verified this assumption and found that the hysteresis of the viscoelastic material can be expressed.

以上のように、本発明は、エネルギーロスを発現させることが可能な特性を粘弾性材料モデル自体に組み入れることを基本として、より精度良く粘弾性材料を変形シミュレーションしうる粘弾性材料のシミュレーション方法を提供することを目的としている。   As described above, the present invention provides a viscoelastic material simulation method capable of more accurately performing deformation simulation of a viscoelastic material on the basis of incorporating a characteristic capable of expressing energy loss into the viscoelastic material model itself. It is intended to provide.

本発明のうち請求項1記載の発明は、粘弾性材料の変形をシミュレーションする粘弾性材料のシミュレーション方法であって、粘弾性材料を数値解析が可能な要素でモデル化した粘弾性材料モデルを設定するステップと、前記粘弾性材料モデルに条件を設定して変形計算を行うステップと、前記変形計算から必要な物理量を取得するステップとを含むとともに、前記粘弾性材料モデルは、下記式(1)で示される応力とひずみとの関係が定義され、かつ、該式(1)における1本の分子鎖当たりの平均セグメント数Nを、負荷変形時と除荷変形時とで異ならせることによりエネルギーロスを表現可能なことを特徴とする粘弾性材料のシミュレーション方法である。
The invention described in claim 1 of the present invention is a viscoelastic material simulation method for simulating deformation of a viscoelastic material, and sets a viscoelastic material model in which the viscoelastic material is modeled by an element capable of numerical analysis. Performing a deformation calculation by setting a condition on the viscoelastic material model, and obtaining a necessary physical quantity from the deformation calculation. The viscoelastic material model is expressed by the following formula (1): Is defined, and the average number of segments N per molecular chain in the formula (1) is different between load deformation and unload deformation, thereby reducing energy loss. This is a viscoelastic material simulation method characterized by

また請求項2記載の発明は、前記平均セグメント数Nは、負荷変形時ではひずみに関するパラメータに応じて増大し、除荷変形時では一定値をなすことを特徴とする請求項1記載の粘弾性材料のシミュレーション方法である。   The invention according to claim 2 is characterized in that the average segment number N increases according to a parameter relating to strain at the time of load deformation and takes a constant value at the time of unloading deformation. This is a material simulation method.

また請求項3記載の発明は、前記ひずみに関するパラメータは、ひずみの1次の不変量I1 であることを特徴とする請求項2記載の粘弾性材料のシミュレーション方法である。 The invention according to claim 3 is the viscoelastic material simulation method according to claim 2, wherein the parameter relating to the strain is a first-order invariant I 1 of the strain.

また請求項4記載の発明は、前記ひずみに関するパラメータは、ひずみ量又はひずみ速度であることを特徴とする請求項2記載の粘弾性材料のシミュレーション方法である。   The invention according to claim 4 is the viscoelastic material simulation method according to claim 2, wherein the parameter relating to the strain is a strain amount or a strain rate.

本発明の粘弾性材料のシミュレーション方法では、粘弾性材料のエネルギーロスが表現できる。従って、実際の粘弾性材料の特性に即した精度の高いシミュレーションが可能である。またエネルギーロスは、式(1)における1本の分子鎖当たりの平均セグメント数Nを、負荷変形時と除荷変形時とで異なるパラメータとして定めることによって表現しうる結果、特許文献1のような数多くの実験データの収集工程を不要とし、より一層、解析コストと手間を減じることができる。   In the simulation method of the viscoelastic material of the present invention, the energy loss of the viscoelastic material can be expressed. Therefore, it is possible to perform a highly accurate simulation according to the characteristics of the actual viscoelastic material. Further, the energy loss can be expressed by determining the average number of segments N per molecular chain in the formula (1) as a different parameter between the load deformation and the unload deformation. A large number of experimental data collection steps are not required, and analysis costs and labor can be further reduced.

以下、本発明の実施の一形態を図面に基づき説明する。
図1には、本発明のシミュレーション方法を実施するためのコンピュータ装置1が示されている。このコンピュータ装置1は、本体1aと、入力手段としてのキーボード1b、マウス1cと、出力手段としてのディスプレイ装置1dとから構成されている。本体1aには、図示していないが、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリー、磁気ディスクなどの大容量記憶装置、CD−ROMやフレキシブルディスクのドライブ1a1、1a2が設けられている。そして、前記大容量記憶装置には後述する本発明のシミュレーション方法を実行するための処理手順(プログラム)が記憶されている。コンピュータ装置1にはEWSなどが好適である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a computer apparatus 1 for carrying out the simulation method of the present invention. The computer device 1 includes a main body 1a, a keyboard 1b as an input means, a mouse 1c, and a display device 1d as an output means. Although not shown, the main body 1a is provided with a processing unit (CPU), a ROM, a working memory, a mass storage device such as a magnetic disk, and CD-ROM and flexible disk drives 1a1 and 1a2. The mass storage device stores a processing procedure (program) for executing a simulation method of the present invention, which will be described later. The computer device 1 is preferably EWS or the like.

図2には、シミュレーション方法の処理手順の一例が示される。本実施形態では、先ず粘弾性材料モデルが設定される(ステップS1)。図3には、粘弾性材料モデル2の一例が視覚化して示されている。   FIG. 2 shows an example of the processing procedure of the simulation method. In this embodiment, a viscoelastic material model is first set (step S1). In FIG. 3, an example of the viscoelastic material model 2 is visualized.

該粘弾性材料モデル2は、解析しようとする粘弾性材料(実在するか否かを問わない)が、有限個の小さな要素2a、2b、2c…に置き換えられたものである。各要素2a、2b、2c…は、数値解析が可能に定義される。数値解析が可能とは、例えば有限要素法、有限体積法、差分法又は境界要素法といった数値解析法により、各要素ないし系全体についての変形計算が可能なことを意味する。具体的には、各要素2a、2b、2c…について、座標系における節点座標値、要素形状、材料特性などが定義される。各要素2a、2b、2c…には、例えば2次元平面としての三角形ないし四角形の要素、3次元要素としては、例えば4ないし6面体の要素が好ましく用いられる。これにより、粘弾性材料モデル2は、前記コンピュータ装置1にて取り扱い可能な数値データを構成しうる。   The viscoelastic material model 2 is obtained by replacing a viscoelastic material to be analyzed (whether or not actually exists) with a finite number of small elements 2a, 2b, 2c. Each element 2a, 2b, 2c... Is defined so as to be capable of numerical analysis. The possibility of numerical analysis means that deformation calculation for each element or the entire system can be performed by a numerical analysis method such as a finite element method, a finite volume method, a difference method, or a boundary element method. Specifically, for each element 2a, 2b, 2c..., A node coordinate value, an element shape, a material characteristic, etc. in the coordinate system are defined. For each element 2a, 2b, 2c..., For example, a triangular or quadrangular element as a two-dimensional plane, and a three-dimensional element, for example, a tetrahedron element is preferably used. Thereby, the viscoelastic material model 2 can constitute numerical data that can be handled by the computer apparatus 1.

この実施形態の粘弾性材料モデル2は、後述する変形シミュレーションにおいて平面ひずみ状態で解析が行われる。したがってZ方向にはひずみを持たない。粘弾性材料モデル2の一辺の長さは、例えば縦横それぞれ2mmである。該粘弾性材料モデル2は、四辺形をなす9つの平面要素2aないし2iにより定義される。   The viscoelastic material model 2 of this embodiment is analyzed in a plane strain state in a deformation simulation described later. Therefore, there is no distortion in the Z direction. The length of one side of the viscoelastic material model 2 is, for example, 2 mm in each length and width. The viscoelastic material model 2 is defined by nine planar elements 2a to 2i forming a quadrilateral.

前記各要素2aないし2iには、材料特性として、前記式(1)の応力とひずみとの関係が定義される。したがって、各要素の2aないし2iについて、それぞれ応力とひずみとの関係が得られる。式(1)の導出過程について簡単に触れる。粘弾性材料は、変形による体積変化が小さいため、それを無視することができる。このため、非圧縮性の粘弾性材料では、非圧縮条件により密度を一定とすることができ、kirchhoff 応力Sijは、式(4)で表すことができる。なお、EijはGreen ひずみの成分、pは静水圧(境界条件により定まる)、Xi は、応力もひずみも0である状態C0 における任意の物体点Pの位置、xj は変形した状態Cにおける物体点Pの位置である。
For each of the elements 2a to 2i, the relationship between the stress and strain of the formula (1) is defined as material characteristics. Therefore, the relationship between stress and strain can be obtained for each element 2a to 2i. The derivation process of Equation (1) will be briefly described. The viscoelastic material has a small volume change due to deformation, and can be ignored. Therefore, the non-compressible viscoelastic material, a non-compression condition can be the density is constant, Kirchhoff stress S ij can be expressed by Equation (4). E ij is a component of Green strain, p is hydrostatic pressure (determined by boundary conditions), X i is a position of an arbitrary object point P in a state C 0 where neither stress nor strain is 0, and x j is a deformed state. This is the position of the object point P in C.

Cauchy応力の成分σijと、kirchhoff 応力の成分Smnとは下記式(5)の関係を有 するから、式(4)から式(6)を得ることができる。
Since the Cauchy stress component σ ij and the kirchhoff stress component S mn have the relationship of the following equation (5), the equation (4) can be obtained from the equation (4).

ここで、体積が一定の場合、物体の体積変化率を示す式(5)のJは1とみなせる。また、式(3)のひずみエネルギー関数は、左Cauchy-Green変形テンソルAijのひずみの 1次の不変量I1 だけの関数であるため、式(6)から式(7)が得られる。
Here, when the volume is constant, J in Equation (5) indicating the volume change rate of the object can be regarded as 1. Further, since the strain energy function of Equation (3) is a function of only the first-order invariant I 1 of the strain of the left Cauchy-Green deformation tensor A ij , Equations (6) to (7) are obtained.

また、下記の関係式(8ないし10)を用いることにより、式(7)の速度形式表示は式(11)になる。
Further, by using the following relational expressions (8 to 10), the speed format display of Expression (7) becomes Expression (11).

そして、体積一定条件下で、式(11)に示すCauchy応力のJaumann 速度をkirchhoff 応力のJaumann 速度に置き換えても本質的な差異はないことと、変形速度テンソルDをひずみ速度テンソルに置き換えることとにより、非圧縮性の粘弾性材料の構成式の速度形式表示を前記式(1)で表すことができる。   Then, under the constant volume condition, there is no essential difference even if the Jaumann velocity of the Cauchy stress shown in Equation (11) is replaced with the Jaumann velocity of the kirchhoff stress, and the deformation rate tensor D is replaced with the strain rate tensor. Thus, the speed format display of the constitutive equation of the incompressible viscoelastic material can be expressed by the above equation (1).

本実施形態の粘弾性材料モデル2は、前記式(1)において、1本の分子鎖当たりの平均セグメント数Nが負荷変形時と除荷変形時とで異なるパラメータとして定義される。これにより、粘弾性材料モデル2の各要素2aないし2iは、エネルギーロスを表現することができる。この点がArrudaらの提案とは基本的に異なる。ここで、負荷変形時とは、微小時間の間で粘弾性材料モデル2のひずみが増大する変形であり、逆に除荷変形時とは、ひずみが減少する変形である。   In the viscoelastic material model 2 of the present embodiment, in the above formula (1), the average number of segments N per molecular chain is defined as a parameter that differs between load deformation and unload deformation. Thereby, each element 2a thru | or 2i of the viscoelastic material model 2 can express an energy loss. This is fundamentally different from Arruda's proposal. Here, the load deformation is a deformation in which the strain of the viscoelastic material model 2 increases during a minute time, and conversely, the unloading deformation is a deformation in which the strain decreases.

図4(A)には、粘弾性材料の巨視的な3次元の網目構造体h、また図4(B)には、この網目構造体hを構成する8鎖モデルgの1つを拡大して示す。この例の網目構造体hは、幅方向、高さ方向及び奥行き方向にそれぞれ8鎖モデルgがk個結合したものとする。   FIG. 4A shows a macroscopic three-dimensional network structure h of a viscoelastic material, and FIG. 4B shows an enlarged view of one of the 8-chain models g constituting the network structure h. Show. The network structure h in this example is assumed to have k 8-chain models g coupled in the width direction, the height direction, and the depth direction.

いま、網目構造体hに含まれる接合点bの総数を「からみ数」として符号mで表すと、からみ数mは、式(12)で表すことができる。同様に、網目構造体hに含まれる分子鎖cの数(即ち、粘弾性材料モデル2の単位体積中に含まれる分子鎖の数)をnとすると、このnは、式(13)で表すことができる。
m=(k+1)3 +k3 …式(12)
n=8k3 …式(13)
Now, when the total number of junction points b included in the mesh structure h is represented by the symbol m as “entanglement number”, the entanglement number m can be represented by Expression (12). Similarly, when the number of molecular chains c included in the network structure h (that is, the number of molecular chains included in the unit volume of the viscoelastic material model 2) is n, this n is expressed by the formula (13). be able to.
m = (k + 1) 3 + k 3 Formula (12)
n = 8k 3 (13)

ここで、kは十分に大きい数とすると、kの3次項以外を省略して上式はそれぞれ次のような式(14)、(15)で表すことができ、さらにこれらの関係から、からみ数mは、nを用いて、式(16)で表すことができる。
m=2k3 …式(14)
n=8k3 …式(15)
m=n/4 …式(16)
Here, if k is a sufficiently large number, the above equations can be expressed by the following equations (14) and (15), respectively, except for the third-order term of k. The number m can be expressed by equation (16) using n.
m = 2k 3 Formula (14)
n = 8k 3 (15)
m = n / 4 Formula (16)

さらに、粘弾性材料モデルは、変形してもその中に含まれる分子鎖のセグメントの総数NA は変化しないと仮定すると、式(17)〜(18)が成り立つ。
A =n・N …式(17)
N=NA /n=NA /4m …式(18)
Furthermore, assuming that the total number N A of molecular chain segments contained in the viscoelastic material model does not change even when deformed, equations (17) to (18) hold.
N A = n · N (17)
N = N A / n = N A / 4m ... formula (18)

発明者らは、シミュレーションにおいて粘弾性材料モデル2のエネルギーロスを表現するために、荷重の負荷過程及びこれに続くひずみの回復過程において、粘弾性材料の分子鎖cのからみ数mが変化するとの着想を試みた。即ち、図5(A)に示すように、例えば一つの接合点bで接合されている分子鎖c1ないしc4に矢印方向の引張応力が作用すると、各分子鎖c1ないしc4は伸び、接合点bは大きなひずみを受けて破損するものと考えた。   In order to express the energy loss of the viscoelastic material model 2 in the simulation, the inventors say that the entanglement number m of the molecular chain c of the viscoelastic material changes in the loading process and the subsequent strain recovery process. I tried the idea. That is, as shown in FIG. 5A, for example, when tensile stress in the direction of the arrow acts on the molecular chains c1 to c4 joined at one joining point b, each molecular chain c1 to c4 expands, and the joining point b. Was considered to be damaged by large strain.

この結果、図5(B)に示すように、これまで2本であった分子鎖c1及びc2は、あたかも1本の長い分子鎖c5のように振る舞うものと考えられる。分子鎖c3及びc4についても同様である。そして、このような現象は、粘弾性材料モデル2の負荷変形が進むにつれて逐次発生していくものと考えられる。   As a result, as shown in FIG. 5B, the two molecular chains c1 and c2 that have been two so far are considered to behave as if they were one long molecular chain c5. The same applies to the molecular chains c3 and c4. Such a phenomenon is considered to occur sequentially as the load deformation of the viscoelastic material model 2 proceeds.

以上のような接合点bの破損は、粘弾性材料モデル2におけるからみ数mの減少に他ならない。粘弾性材料モデル自体は材料の出入りがないため、その中に含まれる分子鎖cのセグメントの総数NA が変化しないと仮定すると、粘弾性材料モデル2の負荷変形が進むにつれて、1本の分子鎖cに含まれる平均セグメント数Nが増加することは式(18)から明らかとなる。つまり、前記平均セグメント数Nは、一定ではなく、負荷変形時と除荷変形時とで異なる可変のパラメータとすることが適切と考えられる。これによって、粘弾性材料モデルの変形時におけるエネルギーロスが再現できる。これについては、さらに詳細を後で述べる。 The breakage of the joint point b as described above is nothing but a decrease in the number of entanglements m in the viscoelastic material model 2. Since the viscoelastic material model itself has no material in and out, assuming that the total number N A of the segments of the molecular chain c contained therein does not change, as the load deformation of the viscoelastic material model 2 proceeds, one molecule It is clear from the equation (18) that the average number of segments N included in the chain c increases. That is, the average segment number N is not constant, and it is considered appropriate to use a variable parameter that is different between load deformation and unload deformation. Thereby, the energy loss at the time of deformation of the viscoelastic material model can be reproduced. This will be described in more detail later.

このような様子をコンピュータ上でより好ましく再現するためには、前記平均セグメント数Nは、負荷変形時では、そのひずみに関するパラメータに応じて増大させることが特に好適である。前記ひすみに関するパラメータとしては、特に制限されるものではないが、例えば、ひずみ量、ひずみ速度又はひずみの1次の不変量I1 などが挙げられる。本実施形態では、前記平均セグメント数Nが、下記式(19)に示すように、当該粘弾性材料モデル2の各要素2aないし2i個々において、それぞれ1次のひずみの不変量I1 を平方根であるパラメータλc の関数となるものを示す。 In order to more preferably reproduce such a situation on a computer, it is particularly preferable that the average number of segments N is increased according to a parameter relating to the strain at the time of load deformation. The parameter relating to the strain is not particularly limited, and examples thereof include a strain amount, a strain rate, or a first-order invariant I 1 of strain. In the present embodiment, the average number of segments N is the square root of the invariant I 1 of the first-order strain in each element 2a to 2i of the viscoelastic material model 2 as shown in the following formula (19). This is a function of a certain parameter λc.

なお式(19)は、種々の実験によって定めた一例であり、上記AないしEは、いずれも定数であって、ゴム試験片の単純な1軸引張試験などの実測結果からように定めることができる。この例では、上記定数を次のように設定している。
A=+2.9493
B=−5.8029
C=+5.5220
D=−1.3582
E=+0.1325
Equation (19) is an example determined by various experiments, and A to E are constants and can be determined from actual measurement results such as a simple uniaxial tensile test of a rubber specimen. it can. In this example, the above constants are set as follows.
A = + 2.9493
B = −5.8029
C = + 5.5220
D = -1.3582
E = + 0.1325

図6には、粘弾性材料モデル2の各要素2aないし2iの負荷変形時における平均セグメント数Nとパラメータλc との関係を示す。ひずみに関するパラメータであるλc が大きくなると、平均セグメント数Nは滑らかに増大する。この例では、パラメータλc の上限は2.5である。後述する粘弾性材料モデル2の変形シミュレーションでは、粘弾性材料モデル2の各要素2aないし2iについて、負荷変形時においてはパラメータλc が常時計算される。計算されたλc は、式(19)に代入される。これにより、当該要素の当該ひずみ状態における平均セグメント数Nが計算できる。   FIG. 6 shows the relationship between the average number of segments N and the parameter λc when the elements 2a to 2i of the viscoelastic material model 2 are subjected to load deformation. As λc, which is a parameter related to strain, increases, the average segment number N increases smoothly. In this example, the upper limit of the parameter λc is 2.5. In the deformation simulation of the viscoelastic material model 2 to be described later, the parameter λc is always calculated for each element 2a to 2i of the viscoelastic material model 2 at the time of load deformation. The calculated λc is substituted into equation (19). Thereby, the average number of segments N in the strain state of the element can be calculated.

他方、粘弾性材料モデル2の除荷変形時には、平均セグメント数Nは一定値としている。平均セグメント数Nを決定する方法としては、例えば次の方法がある。解析対象となる粘弾性材料において、一つの応力−ひずみ曲線がある場合、先ず除荷時の曲線に合うように前記n、Nを定める(つまり、NA =n・Nが決まる。)。次に、負荷時、除荷時とも分子鎖の総セグメント数NA は同一であるため、負荷時の曲線に整合するよう、各ひずみにおける平均セグメント数Nを求める(このNは変化させる。)。そして、決定された負荷時の平均セグメントNに一致するよう、式(19)のパラメータAないしEを決定する。本実施形態では、N=6.6を使用し、かつ、負荷終了時のNが除荷時のNとなるように設定している。 On the other hand, at the time of unloading deformation of the viscoelastic material model 2, the average number of segments N is a constant value. As a method for determining the average segment number N, for example, there is the following method. In the viscoelastic material to be analyzed, when there is one stress-strain curve, first, n and N are determined so as to match the unloading curve (that is, N A = n · N is determined). Then, when the load, because the total number of segments N A unloading during both molecular chain is identical, to match the load of the curve to determine the average number of segments N in each strain (where N is changed.) . Then, parameters A to E in Expression (19) are determined so as to match the determined average segment N at the time of loading. In this embodiment, N = 6.6 is used, and N at the end of load is set to be N at unloading.

次に本実施形態のシミュレーション方法では、設定された粘弾性材料モデル2を用いて変形シミュレーションが行われる(ステップS3)。変形シミュレーションの具体的な処理手順は、図7に示される。変形シミュレーションでは、先ずデータがコンピュータ装置1に入力される(ステップS31)。入力されるデータには、各要素に定義された節点の位置や材料特性といった情報が含まれる。   Next, in the simulation method of the present embodiment, a deformation simulation is performed using the set viscoelastic material model 2 (step S3). A specific processing procedure of the deformation simulation is shown in FIG. In the deformation simulation, first, data is input to the computer apparatus 1 (step S31). The input data includes information such as the positions of nodes and material properties defined for each element.

コンピュータ装置1では、入力されたデータに基づいて各要素の剛性マトリックスを作成し(ステップS32)、しかる後、全体構造の剛性マトリックスを組み立てる(ステップS33)。全体構造の剛性マトリックスには、既知節点の変位、節点力が導入され(ステップS34)、剛性方程式の解析が行われる。そして、未知節点変位が決定される(ステップS35)。そして、各要素のひずみ、応力、主応力といった物理量を計算し、同出力する(ステップS36ないし37)。ステップS38では、計算を終了させるか否かの判定がなされ、否定的である場合には、ステップS32以降を繰り返す。   The computer apparatus 1 creates a stiffness matrix for each element based on the input data (step S32), and then assembles a stiffness matrix for the entire structure (step S33). Displacement of known nodes and nodal forces are introduced into the stiffness matrix of the entire structure (step S34), and the stiffness equation is analyzed. Then, the unknown nodal displacement is determined (step S35). Then, physical quantities such as strain, stress and principal stress of each element are calculated and output (steps S36 to S37). In step S38, it is determined whether or not to end the calculation. If negative, step S32 and subsequent steps are repeated.

本実施形態では、前記粘弾性材料モデル2に1軸の引張試験を行い、引張のひずみを0.01きざみで0〜2.0まで漸増させるとともに、各ひずみ毎に粘弾性材料モデル2に作用する応力を計算する。またひずみが2.0に達した後は、逆に0.01きざみでひずみを0まで漸減させる。各ひずみ状態において、それぞれ平均セグメント数Nが計算され、この値は式(1)のひずみエネルギー関数へと代入され逐次計算が行われる。なお粘弾性材料モデルは、厚さ方向(図3のZ軸方向)に変化しないようにArrudaらの3次元8鎖モデルが用いられている。   In this embodiment, the viscoelastic material model 2 is subjected to a uniaxial tensile test, and the tensile strain is gradually increased from 0 to 2.0 in increments of 0.01, and acts on the viscoelastic material model 2 for each strain. Calculate the stress to be On the contrary, after the strain reaches 2.0, the strain is gradually reduced to 0 in steps of 0.01. In each strain state, the average number of segments N is calculated, and this value is substituted into the strain energy function of equation (1) for sequential calculation. As the viscoelastic material model, the three-dimensional 8-chain model of Arruda et al. Is used so as not to change in the thickness direction (Z-axis direction in FIG. 3).

シミュレーションは、コンピュータ装置1を用いて行われる。上述のように粘弾性材料モデル2の材料特性と、変形条件とが決定できれば、ステップS32〜S37の計算自体は、例えば有限要素法を用いたエンジニアリング系の解析アプリケーションソフトウエア(例えば米国リバモア・ソフトウェア・テクノロジー社で開発・改良されたLS−DYNA等)を用いて行うことができる。   The simulation is performed using the computer apparatus 1. If the material properties of the viscoelastic material model 2 and the deformation conditions can be determined as described above, the calculation itself in steps S32 to S37 can be performed by, for example, engineering analysis application software using the finite element method (for example, Livermore Software, USA). -LS-DYNA etc. developed and improved by Technology Co., Ltd.)

また、本実施形態では、式(1)の定数等を次のように設定した。
R =0.268 N=6.6 T=296
B =1.38066×10-29 n=CR /KB /T=6.558×1025A =n・N=4.328×1026
Moreover, in this embodiment, the constant of Formula (1) etc. were set as follows.
C R = 0.268 N = 6.6 T = 296
k B = 1.38066 × 10 −29 n = C R / K B /T=6.558×10 25 N A = n · N = 4.328 × 10 26

前記変形計算が行われると、その結果から必要な物理量を取得することができる(ステップS4)。図8には、粘弾性材料モデルの物理量として、真応力とひずみとの関係を示す。粘弾性材料モデル2の負荷変形時には、非線形の第1の曲線L1が得られた。また除荷変形時では、第1の曲線L1とは異なる第2の曲線L2が得られた。第2の曲線L2は、第1の曲線L1よりも低弾性を示し、ヒステリシスループが再現できた。このループの閉面積を計算することにより、変形1サイクルでのエネルギーロスを計算しうる。   When the deformation calculation is performed, a necessary physical quantity can be acquired from the result (step S4). FIG. 8 shows the relationship between true stress and strain as a physical quantity of the viscoelastic material model. During the load deformation of the viscoelastic material model 2, a nonlinear first curve L1 was obtained. Further, at the time of unloading deformation, a second curve L2 different from the first curve L1 was obtained. The second curve L2 showed lower elasticity than the first curve L1, and the hysteresis loop could be reproduced. By calculating the closed area of this loop, the energy loss in one deformation cycle can be calculated.

各曲線L1、L2の形状は、式(19)において、係数AないしEを適宜設定し分子鎖1本当たりの平均セグメント数Nを表す関数を変えることにより種々設定しうる。したがって、例えば解析しようとするゴム材料に応じて、係数AないしEを種々設定することにより、材料毎にエネルギーロスなどを詳細に検討することができる。これは、粘弾性材料を主要部として用いるタイヤ、ゴルフボールの性能改善などに大いに役立つ。また、シミュレーション対象の材料の応力−ひずみ曲線が分かっている場合、それに応じて前記係数AないしE等を調整することにより、実際の粘弾性材料と同じ応力ーひずみの関係を表す粘弾性材料のシミュレーションを簡単に行うことができる。   The shape of each of the curves L1 and L2 can be variously set by changing the function representing the average number of segments N per molecular chain by appropriately setting the coefficients A to E in the equation (19). Therefore, for example, energy loss can be examined in detail for each material by setting various coefficients A to E according to the rubber material to be analyzed. This is very useful for improving the performance of tires and golf balls using viscoelastic materials as the main part. Further, when the stress-strain curve of the material to be simulated is known, by adjusting the coefficients A to E and the like accordingly, the viscoelastic material representing the same stress-strain relationship as the actual viscoelastic material can be obtained. Simulation can be performed easily.

なお本発明の比較例として、分子鎖1本当たりの平均セグメント数Nを一定としてArrudaらと同様の変形シミュレーションを行った。この例では平均セグメント数Nの値は、次のように設定した。
N=6.6
As a comparative example of the present invention, a deformation simulation similar to that of Arruda et al. Was performed with the average number of segments N per molecular chain being constant. In this example, the average segment number N was set as follows.
N = 6.6

図9には、比較例の結果として、粘弾性材料モデル2の真応力とひずみとの関係を示す。この場合、粘弾性材料モデル2は、負荷変形時及び除荷変形時とも、同じ曲線L3を通る。したがって、粘弾性材料の特徴であるエネルギーロスを表現し得ない。これは、Nの値とは関係がなく、Nが負荷変形時と除荷変形時とで同じであることに基づいている。   FIG. 9 shows the relationship between the true stress and strain of the viscoelastic material model 2 as a result of the comparative example. In this case, the viscoelastic material model 2 passes through the same curve L3 during load deformation and unload deformation. Therefore, the energy loss that is a characteristic of the viscoelastic material cannot be expressed. This is not related to the value of N, and is based on the fact that N is the same during load deformation and unload deformation.

また上記実施形態では、平均セグメント数Nが1次のひずみの不変量I1 の平方根であるλc の関数である態様を示したが、λc に代えてひずみ速度やひずみ量を用いることができる。この場合、式(19)と同様に、負荷変形時と除荷変形時とで係数を違えることにより、エネルギーロスを表現することができる。 In the above embodiment, the average segment number N is a function of λc which is the square root of the primary strain invariant I 1. However, strain rate and strain amount can be used instead of λc. In this case, similarly to the equation (19), the energy loss can be expressed by changing the coefficient between the load deformation and the unload deformation.

図10には、本発明の他の実施形態を示す。
この実施形態では、粘弾性材料モデル2が、ゴムマトリックス中にフィラー(充填材)を配合したゴムをモデル化したものが例示される。即ち、粘弾性材料モデル2は、ゴムマトリックス部分がモデル化されたマトリックスモデル3(最も濃い部分)と、このマトリックスモデル3の中に分散して配されかつフィラー(充填材)がモデル化されたフィラーモデル4(白い部分)と、前記マトリックスモデル3と前記フィラーモデル4との間に介在しかつ両者の間の界面を形成する界面モデル5(やや黒い部分)とを含むものが例示される。図10の粘弾性材料モデル2の縦、横の長さは、300nm×300nmとしている。
FIG. 10 shows another embodiment of the present invention.
In this embodiment, the viscoelastic material model 2 is exemplified by a rubber modeled with a rubber (filler) blended in a rubber matrix. That is, the viscoelastic material model 2 includes a matrix model 3 (the darkest part) in which a rubber matrix portion is modeled, and a filler (filler) that is distributed and arranged in the matrix model 3. Examples include a filler model 4 (white portion) and an interface model 5 (slightly black portion) that is interposed between the matrix model 3 and the filler model 4 and forms an interface therebetween. The vertical and horizontal lengths of the viscoelastic material model 2 in FIG. 10 are 300 nm × 300 nm.

前記マトリックスモデル3は、粘弾性材料モデル2の主要部を構成し、かつ、例えば三角形ないし四辺形の要素を用いて表現されている。マトリックスモデル3を構成する各要素には、材料特性として、前述した式(1)の応力とひずみとの関係が定義される。式(1)中の定数などは条件に応じ前記実施形態とは異ならせ得るのは言うまでもない。   The matrix model 3 constitutes the main part of the viscoelastic material model 2 and is expressed using, for example, triangular or quadrilateral elements. For each element constituting the matrix model 3, the relationship between the stress and strain of the above-described equation (1) is defined as material characteristics. It goes without saying that constants and the like in the formula (1) can be different from those in the above embodiments according to conditions.

前記フィラーモデル4は、本実施形態ではフィラーとしてのカーボンブラックをモデル化したものが示されている。但し、フィラーは、カーボンブラックに限定されるものではなく、例えばシリカ等でも良い。この例では、フィラーモデル4の物理的形状は、実際のゴム中に充填されたカーボンブラックの形状を電子顕微鏡にて撮像した形状に基づいて定められている。カーボンブラック6の形状(最小単位)は、具体的には、図11に略示するように、炭素原子からなる直径数10nm程度の球状の一次粒子7が不規則に3次元的に結合した葡萄の房状構造をなしている。   In the present embodiment, the filler model 4 is a model of carbon black as a filler. However, the filler is not limited to carbon black, and may be silica, for example. In this example, the physical shape of the filler model 4 is determined based on a shape obtained by imaging the shape of carbon black filled in actual rubber with an electron microscope. Specifically, the shape (minimum unit) of the carbon black 6 is, as schematically shown in FIG. 11, spherical primary particles 7 made of carbon atoms and having a diameter of about several tens of nm are irregularly bonded three-dimensionally. Has a tufted structure.

またカーボンブラックは、ゴム等の粘弾性材料に比べると数百倍の硬さ(縦弾性係数)を持つため、フィラーモデル4は、本実施形態では粘弾性体ではなく弾性体として取り扱っている。したがって、フィラーモデル4は、材料特性として縦弾性係数が与えられ、変形計算上、応力とひずみとが比例する。このフィラーモデル4の量は、ゴムの配合量を考慮して定められる。   Further, since carbon black has a hardness (longitudinal elastic modulus) several hundred times that of viscoelastic materials such as rubber, the filler model 4 is handled as an elastic body instead of a viscoelastic body in this embodiment. Accordingly, the filler model 4 is given a longitudinal elastic modulus as a material characteristic, and stress and strain are proportional in deformation calculation. The amount of the filler model 4 is determined in consideration of the amount of rubber blended.

またフィラーモデル4の周りには界面モデル5が設定される。物理的な構造として、フィラーとゴムマトリックスとの界面にはこのような特殊な層が形成されていることは確認されていない。しかしながら、上で述べた通り、フィラーとマトリックスゴムとの界面では、様々な現象が生じており、とりわけ界面におけるゴムマトリックスとフィラーとの滑りないし摩擦現象は、比較的大きなエネルギーロスを生じさせる。   An interface model 5 is set around the filler model 4. As a physical structure, it has not been confirmed that such a special layer is formed at the interface between the filler and the rubber matrix. However, as described above, various phenomena occur at the interface between the filler and the matrix rubber. In particular, a slip or friction phenomenon between the rubber matrix and the filler at the interface causes a relatively large energy loss.

本実施形態の界面モデル5は、フィラーモデル4を連続して取り囲み、かつ、薄い厚さで界面モデル5を設けるとともに、マトリックスモデル3とは異なる粘弾性特性が定義されている。これは、界面での大きなエネルギーロスの再現を可能とする。なお、界面モデル5は、必ずしも連続してフィラーモデル4を取り囲む必要はないが、その大部分を囲むことが望ましい。界面モデル5の厚さtは特に限定はされないが、大きすぎるとエネルギーロスが過大に表現されてしまう傾向があり、逆に小さすぎても界面でのエネルギーロスの再現が困難となりやすい。種々の実験の結果、前記厚さtは、例えば1〜20nm、より好ましくは5〜10nmであることが望ましい。   The interface model 5 of the present embodiment continuously surrounds the filler model 4, is provided with the interface model 5 with a small thickness, and has different viscoelastic properties than the matrix model 3. This makes it possible to reproduce a large energy loss at the interface. The interface model 5 does not necessarily need to continuously surround the filler model 4, but it is preferable to surround most of the interface model 5. The thickness t of the interface model 5 is not particularly limited, but if it is too large, the energy loss tends to be excessively expressed. Conversely, if it is too small, it is difficult to reproduce the energy loss at the interface. As a result of various experiments, the thickness t is desirably 1 to 20 nm, and more preferably 5 to 10 nm, for example.

また界面モデル5は、粘弾性材料としてモデル化されるため、マトリックスモデル3と同様に式(1)に基づき材料特性が定義される。本実施形態の界面モデル5は、前記マトリックスモデル3よりも軟い粘弾性特性が定義される。具体的には、応力−ひずみ(又は伸び)曲線における弾性成分の傾き(弾性体の縦弾性係数に相当)を小さくする。また、本例の界面モデル5の各要素は、ひずみの1サイクル当たりに生じるエネルギーロスがマトリックスモデル3よりも大きくなるように設定される。   Further, since the interface model 5 is modeled as a viscoelastic material, the material characteristics are defined based on the formula (1) as in the matrix model 3. The interface model 5 of the present embodiment defines viscoelastic properties that are softer than the matrix model 3. Specifically, the inclination of the elastic component in the stress-strain (or elongation) curve (corresponding to the longitudinal elastic modulus of the elastic body) is reduced. In addition, each element of the interface model 5 of this example is set so that the energy loss generated per strain cycle is larger than that of the matrix model 3.

本シミュレーションは、均質化法(漸近展開均質化法)に基づいて行われる態様を例示する。均質化法は、図12に示すように、図10に示した微視構造(ユニットセル)を周期的に持っているゴム材料全体Mを表現するxI と、前記微視構造を表現するyI との独立した2変数が用いられる。微視的スケールと巨視的スケールという異なる尺度の場におけるそれぞれ独立した変数を漸近展開することにより、図10に示した微視構造のモデル構造を反映させたゴム材料全体Mの平均的な力学応答を求めることができる。即ち、解析対象領域が任意の微視構造の繰り返しによって構成され、その繰り返し度合いが非常に密なために直接有限要素法で領域を離散化出来ない場合、解析対象を均質な等価モデルで代用して全体を解析し、その解析結果を任意の点での微視構造に戻すことによって微視構造自身の変形を近似的に求めることができる。漸近展開均質化法については、例えば次の文献に詳細に述べられている。
Higa,Y.and Tomita,Y,,Computational Prediction of Mechanical Properties of Nickel-based superalloy with gamma Prime Phase Precipitates,Proceedings of ICM8(Victoria,B.C.,Canada),Advance Materials and Modeling of Mechanical Behavior,(Edited by Ellyin,F,and Proven,J.W.),III(1999),1061-1066,Fleming Printing Ltd..
比嘉吉一,冨田佳宏,粒子強化型複合材の均質化法による変形挙動のモデル化とシミュレーション,日本機械学会論文集,A66(2000),1441-1446.
具体的には前記式(1)に加え下記式(20)の巨視的平衡方程式及び式(21)の特性変位関数(Y−periodic)が用いられる。
This simulation illustrates an embodiment performed based on a homogenization method (asymptotic expansion homogenization method). As shown in FIG. 12, the homogenization method includes x I representing the entire rubber material M periodically having the microscopic structure (unit cell) shown in FIG. 10, and y representing the microscopic structure. two independent variables and I is used. By asymptotically expanding each independent variable in different scale fields, a microscopic scale and a macroscopic scale, the average mechanical response of the entire rubber material M reflecting the model structure of the microscopic structure shown in FIG. Can be requested. In other words, if the analysis target area is composed of repetitions of an arbitrary microscopic structure, and the repetition degree is so dense that the area cannot be discretized directly by the finite element method, the analysis target is replaced with a homogeneous equivalent model. By analyzing the whole and returning the analysis result to the microscopic structure at an arbitrary point, the deformation of the microscopic structure itself can be obtained approximately. The asymptotic expansion homogenization method is described in detail, for example, in the following document.
Higa, Y. And Tomita, Y ,, Computational Prediction of Mechanical Properties of Nickel-based superalloy with gamma Prime Phase Precipitates, Proceedings of ICM8 (Victoria, BC, Canada), Advance Materials and Modeling of Mechanical Behavior, (Edited by Ellyin, F, and Proven, JW), III (1999), 1061-1066, Fleming Printing Ltd.
Yoshikazu Higa, Yoshihiro Hamada, Modeling and Simulation of Deformation Behavior by Homogenization Method of Particle Reinforced Composites, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, A66 (2000), 1441-1446.
Specifically, in addition to the equation (1), a macroscopic equilibrium equation of the following equation (20) and a characteristic displacement function (Y-periodic) of the equation (21) are used.

また、本実施形態では、式(1)の定数等を次のように設定した。
R =0.268
N=6.6
T=296
B =1.38066×10-29
n=CR /KB /T=6.558×1025
A =n・N=4.328×1026
フィラーモデルの体積含有率 30%
フィラーモデルの縦弾性係数E:100MPa
フィラーモデルのポアソン比ν:0.3
Moreover, in this embodiment, the constant of Formula (1) etc. were set as follows.
C R = 0.268
N = 6.6
T = 296
k B = 1.38066 × 10 −29
n = C R / K B /T=6.558×10 25
N A = n · N = 4.328 × 10 26
Volume content of filler model 30%
Longitudinal elastic modulus E of filler model: 100 MPa
Poisson's ratio ν of filler model: 0.3

また変形シミュレーションは、巨視的モデルMとして2mm×2mmの矩形状の解析領域を設定し、この巨視的モデルMに一様な一軸引張変形を発生させるため、図12のx2方向に平均ひずみ速度1.0×10-5/sを加え、ひずみを0.01きざみで零から2.5まで漸増させるとともに、各ひずみ毎にゴム材料モデル2に作用する応力を計算している。またひずみが2.5に達した後は、逆に0.01きざみで前記と同じひずみ速度でひずみを零まで漸減させた。各ひずみ状態において、それぞれ平均セグメント数Nが計算され、この値は式(1)へ代入され逐次計算が行われる。なおゴム材料モデルは、厚さ方向に変化しないようにArrudaらの3次元8鎖モデルが用いられている。また、マトリックスモデル3及び界面モデル5の平均セグメント数Nは次のように設定した。 In the deformation simulation, a rectangular analysis region of 2 mm × 2 mm is set as the macroscopic model M, and an average strain rate 1 in the x2 direction of FIG. 12 is generated in order to generate uniform uniaxial tensile deformation in the macroscopic model M. 0.0 × 10 −5 / s is added and the strain is gradually increased from zero to 2.5 in steps of 0.01, and the stress acting on the rubber material model 2 is calculated for each strain. On the contrary, after the strain reached 2.5, the strain was gradually reduced to zero at the same strain rate as described above in increments of 0.01. In each strain state, the average number of segments N is calculated, and this value is substituted into Equation (1) for sequential calculation. The rubber material model is a three-dimensional 8-chain model of Arruda et al. So that it does not change in the thickness direction. The average number of segments N of the matrix model 3 and the interface model 5 was set as follows.

<マトリックスモデル>
・負荷変形時の平均セグメント数N
N=-3.2368+20.6175 λc-21.8168 λc2+10.8227λc3-1.9003 λc4
・除荷変形時の平均セグメント数N(一定)
N=6.6
・分子鎖のセグメントの総数NA (一定)
A =4.3281×1026
<Matrix model>
・ Average number of segments N during load deformation
N = -3.2368 + 20.6175 λc-21.8168 λc 2 + 10.8227λc 3 -1.9003 λc 4
・ Average number of segments N during unloading deformation (constant)
N = 6.6
・ Total number of molecular chain segments N A (constant)
N A = 4.3281 × 10 26

<界面モデル>
・負荷変形時の平均セグメント数N
N=-5.9286+20.6175 λc-21.8168 λc2+10.8227λc3-1.9003 λc4
・除荷変形時の平均セグメント数N(一定)
N=3.91
・分子鎖のセグメントの総数NA (一定)
A =3.203×1025
<Interface model>
・ Average number of segments N during load deformation
N = -5.9286 + 20.6175 λc-21.8168 λc 2 + 10.8227λc 3 -1.9003 λc 4
・ Average number of segments N during unloading deformation (constant)
N = 3.91
・ Total number of molecular chain segments N A (constant)
N A = 3.203 × 10 25

前記変形計算が行われると、その結果から必要な物理量を取得することができる(ステップS4)。図13には、マトリックスモデル3、フィラーモデル4及び界面モデル5について、それぞれ単独で変形シミュレーションを行った結果を示している。フィラーモデル4が最も高い弾性を示し、エネルギーロスは生じていない。界面モデル5は、同じ応力でもマトリックスモデル3よりも大きなひずみが生じる粘弾性特性が表れており、かつ、エネルギーロス(曲線のループ面積)も大きくなっている。   When the deformation calculation is performed, a necessary physical quantity can be acquired from the result (step S4). FIG. 13 shows the results of the deformation simulation performed independently for each of the matrix model 3, the filler model 4, and the interface model 5. The filler model 4 shows the highest elasticity and no energy loss occurs. The interface model 5 shows viscoelastic characteristics that cause a larger strain than the matrix model 3 even at the same stress, and the energy loss (the loop area of the curve) is also large.

また図14の曲線Laは、上記各モデルを図10の微視構造(セルユニット)として組み入れたゴム材料モデル全体Mにおける真応力とひずみとの関係を示している。負荷変形時には、非線形の第1の曲線La1が得られた。また除荷変形時では、第1の曲線La1とは異なる第2の曲線La2が得られた。第2の曲線La2は、第1の曲線La1よりも軟化しており(低弾性)、ヒステリシスループが再現できた。このループの閉面積を計算することにより、変形1サイクルでのエネルギーロスを計算することができる。   A curve La in FIG. 14 shows the relationship between the true stress and strain in the entire rubber material model M in which the above models are incorporated as the microscopic structure (cell unit) in FIG. At the time of load deformation, a non-linear first curve La1 was obtained. Further, at the time of unloading deformation, a second curve La2 different from the first curve La1 was obtained. The second curve La2 was softer than the first curve La1 (low elasticity), and a hysteresis loop could be reproduced. By calculating the closed area of this loop, the energy loss in one deformation cycle can be calculated.

ちなみに、分子鎖1本当たりの平均セグメント数Nを一定として Arruda らと同様の変形シミュレーションを行った場合、負荷変形時及び除荷変形時とも、同じ曲線を通り、エネルギーロスを表現し得ない結果となる。また上記実施形態では、平均セグメント数Nがパラメータλc の関数である態様を示したが、λc に代えてひずみ速度やひずみ量を用いることができる。この場合、式(19)と同様に、負荷変形時と除荷変形時とで係数を違えることにより、エネルギーロスを表現することができる。   By the way, when the same deformation simulation as Arruda et al. Was performed with the average number of segments N per molecular chain being constant, the result of not being able to express energy loss through the same curve during load deformation and unload deformation. It becomes. In the above embodiment, the average segment number N is a function of the parameter λc. However, a strain rate or a strain amount can be used instead of λc. In this case, similarly to the equation (19), the energy loss can be expressed by changing the coefficient between the load deformation and the unload deformation.

各曲線La1、La2の形状は、式(19)において、係数AないしEを適宜設定し分子鎖1本当たりの平均セグメント数Nを定める関数を変えることにより種々設定しうるのは前記同様である。したがって、解析しようとするゴム材料に応じて、係数AないしEを種々設定することにより、材料毎により詳細にエネルギーロスなどを詳細に検討することができる。   The shape of each of the curves La1 and La2 can be set in various ways by appropriately setting the coefficients A to E and changing the function for determining the average number of segments N per molecular chain in the equation (19). . Therefore, by setting various coefficients A to E according to the rubber material to be analyzed, energy loss and the like can be examined in detail for each material.

また、曲線Lbは、図10の粘弾性材料モデル2において、界面モデル5にマトリックスモデル3と同一の材料特性を与えたモデル(つまり、界面を考慮していないモデル)で同一の実験を行った結果を示している。界面の軟質領域がないため、応力ーひずみ曲線がLaよりも立ち上がっている。また、界面モデル5の大きなエネルギーロスがないため、モデル全体のエネルギーロスも小さいことが分かる。   The curve Lb is the same as the viscoelastic material model 2 shown in FIG. 10 except that the interface model 5 is given the same material characteristics as the matrix model 3 (that is, a model that does not consider the interface). Results are shown. Since there is no soft region at the interface, the stress-strain curve rises more than La. Moreover, since there is no large energy loss of the interface model 5, it turns out that the energy loss of the whole model is also small.

さらに曲線Lcは、界面モデル5に、前記とは逆の材料特性を与えてシミュレーションを行った結果を示している。即ち、曲線Lcを得た粘弾性材料モデル2は、図15に示すように、界面モデル5の方がマトリックスモデル3よりも高弾性を示すように粘弾性特性を定義したものである。なお、各モデルの平均セグメント数Nは次のように設定している。   Further, the curve Lc shows the result of simulation by giving the interface model 5 material characteristics opposite to those described above. That is, the viscoelastic material model 2 that obtains the curve Lc defines viscoelastic characteristics so that the interface model 5 exhibits higher elasticity than the matrix model 3 as shown in FIG. The average number of segments N for each model is set as follows.

<マトリックスモデル>
・負荷変形時の平均セグメント数N
N=-3.2368+20.6175 λc-21.8168 λc2+10.8227λc3-1.9003 λc4
・除荷変形時の平均セグメント数N(一定)
N=6.6
・分子鎖のセグメントの総数NA (一定)
A =4.3281×1026
<Matrix model>
・ Average number of segments N during load deformation
N = -3.2368 + 20.6175 λc-21.8168 λc 2 + 10.8227λc 3 -1.9003 λc 4
・ Average number of segments N during unloading deformation (constant)
N = 6.6
・ Total number of molecular chain segments N A (constant)
N A = 4.3281 × 10 26

<界面モデル>
・負荷変形時の平均セグメント数N
N=-5.4800+20.6175 λc-21.8168 λc2+10.8227λc3-1.9003 λc4
・除荷変形時の平均セグメント数N(一定)
N=4.36
・分子鎖のセグメントの総数NA (一定)
A =8.569×1026
<Interface model>
・ Average number of segments N during load deformation
N = -5.4800 + 20.6175 λc-21.8168 λc 2 + 10.8227λc 3 -1.9003 λc 4
・ Average number of segments N during unloading deformation (constant)
N = 4.36
・ Total number of molecular chain segments N A (constant)
N A = 8.569 × 10 26

この結果、図14に示したように、粘弾性材料モデル2の系全体の粘弾性特性が曲線Lbよりも高い勾配、高弾性化されていることが確認できる。   As a result, as shown in FIG. 14, it can be confirmed that the viscoelastic characteristics of the entire system of the viscoelastic material model 2 have a higher gradient and higher elasticity than the curve Lb.

図16には、前記粘弾性材料モデル2(曲線Laのもの)の一軸引張の変形シミュレーションにおける変形〜回復状態の進行過程を間欠的に視覚化して示す。図16(A)〜(E)は、負荷変形時を、同(F)〜(J)は除荷変形をそれぞれ示している。また色彩が白く変化しているところは、ひずみの大きい領域を示している。この結果では、フィラーモデル4の界面及びフィラーモデル4、4間に大きなひずみが集中していることが正確に再現されている。   FIG. 16 intermittently visualizes and shows the progress of the deformation to recovery state in the uniaxial tensile deformation simulation of the viscoelastic material model 2 (curve La). FIGS. 16A to 16E show load deformation, and FIGS. 16F to 16J show unload deformation. Moreover, the place where the color is changing to white indicates a region with a large distortion. This result accurately reproduces that a large strain is concentrated between the interface of the filler model 4 and between the filler models 4 and 4.

図17には、最大ひずみ時における各要素の引張方向のひずみ分布を示し、(A)は、図13の曲線Lbを、(B)は同曲線Laのものである。色彩が薄くなるところほど大きなひずみが生じていることを示す。界面を考慮していない(A)のものでは、ひずみの発生が全体的に広範囲にかつ穏やかに生じているのに対して、界面を考慮した(B)のものでは、フィラーモデル4の周辺にひずみが集中していることが良く再現できている。   FIG. 17 shows the strain distribution in the tensile direction of each element at the maximum strain, (A) shows the curve Lb in FIG. 13, and (B) shows the curve La. The thinner the color, the greater the distortion. In the case of (A) in which the interface is not taken into consideration, the generation of strain is broadly and gently generated as a whole, whereas in the case of (B) in which the interface is taken into consideration, around the filler model 4 It is well reproduced that the strain is concentrated.

また図18には、各要素毎にひずみの1サイクルのエネルギーロスを計算し、その大小を色彩にて示す。色彩が薄いところほど大きなエネルギーロスが生じていることを示す。また粘弾性材料モデル2は、図17の最大変形形状で表しており、(A)は、図14の曲線Lbを、(B)は同曲線Laのものである。界面を考慮した(B)のものでは、フィラーモデル4の界面に集中して大きなエネルギーロスが生じていることが確認できる。   In FIG. 18, the energy loss of one cycle of strain is calculated for each element, and the magnitude is shown by color. The lighter the color, the greater the energy loss. The viscoelastic material model 2 is represented by the maximum deformation shape of FIG. 17, (A) is the curve Lb of FIG. 14, and (B) is the curve La. In the case of (B) considering the interface, it can be confirmed that a large energy loss occurs at the interface of the filler model 4.

本実施形態で用いたコンピュータ装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the computer apparatus used by this embodiment. 本実施形態の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of this embodiment. 粘弾性材料モデルの一実施形態を示す線図である。It is a diagram which shows one Embodiment of a viscoelastic material model. (A)は粘弾性材料の網目構造体を示す斜視図、(B)は8鎖モデルの一例を示す斜視図である。(A) is a perspective view which shows the network structure of a viscoelastic material, (B) is a perspective view which shows an example of an 8-chain model. (A)、(B)は分子鎖の接合点の破断を説明する線図である。(A), (B) is a diagram explaining the fracture | rupture of the junction of a molecular chain. パラメータλc と分子鎖1本当たりの平均セグメント数Nとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between parameter (lambda) c and the average number of segments N per molecular chain. 変形シミュレーションの手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of a deformation | transformation simulation. 粘弾性材料モデルのシミュレーション結果として真応力−ひずみとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between true stress-strain as a simulation result of a viscoelastic material model. 比較例の粘弾性材料モデルのシミュレーション結果として真応力−ひずみとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship with a true stress-strain as a simulation result of the viscoelastic material model of a comparative example. 粘弾性材料モデルの他の実施形態を示す線図である。It is a diagram which shows other embodiment of a viscoelastic material model. カーボンブラックの形状を示す線図である。It is a diagram which shows the shape of carbon black. 均質化法を説明する微視構造と全体構造との関係を示す。The relationship between the microscopic structure explaining the homogenization method and the entire structure is shown. マトリックスモデル、フィラーモデル及び界面モデルの応力ーひずみ曲線を示す。The stress-strain curve of a matrix model, a filler model, and an interface model is shown. 他の実施形態として、粘弾性材料モデルの変形シミュレーション結果から得られた真応力ーひずみ曲線である。As another embodiment, a true stress-strain curve obtained from a deformation simulation result of a viscoelastic material model. マトリックスモデル及び界面モデルの応力ーひずみ曲線を示す。The stress-strain curve of a matrix model and an interface model is shown. (A)〜(J)は、粘弾性材料モデルの変形過程を視覚化して示す線図である。(A)-(J) are the diagrams which visualize and show the deformation process of a viscoelastic material model. (A)は界面層未考慮のモデル、(B)は、界面層を考慮したモデルの引張ひずみの分布図である。(A) is a model in which the interface layer is not considered, and (B) is a tensile strain distribution diagram of the model in which the interface layer is considered. (A)は界面層未考慮のモデル、(B)は、界面層を考慮したモデルのエネルギーロスの分布図である。(A) is a model in which the interface layer is not considered, and (B) is an energy loss distribution diagram of the model in which the interface layer is considered. (A)は粘弾性材料、(B)はその分子鎖1構造を説明する線図、(C)は1本の分子鎖の拡大図、(D)はセグメントの拡大図である。(A) is a viscoelastic material, (B) is a diagram for explaining the structure of one molecular chain, (C) is an enlarged view of one molecular chain, and (D) is an enlarged view of a segment. Arrudaらによるシミュレーション結果として、応力ーひずみ曲線を示す。As a simulation result by Arruda et al., A stress-strain curve is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 コンピュータ装置
2 粘弾性材料モデル
3 マトリックスモデル
4 フィラーモデル
5 界面モデル
1 Computer device 2 Viscoelastic material model 3 Matrix model 4 Filler model 5 Interface model

Claims (4)

粘弾性材料の変形をシミュレーションする粘弾性材料のシミュレーション方法であって、
粘弾性材料を数値解析が可能な要素でモデル化した粘弾性材料モデルを設定するステップと、
前記粘弾性材料モデルに条件を設定して変形計算を行うステップと、
前記変形計算から必要な物理量を取得するステップとを含むとともに、
前記粘弾性材料モデルは、下記式(1)で示される応力とひずみとの関係が定義され、かつ、該式(1)における1本の分子鎖当たりの平均セグメント数Nが、負荷変形時と除荷変形時とで異なることによりエネルギーロスを表現可能なことを特徴とする粘弾性材料のシミュレーション方法。
A viscoelastic material simulation method for simulating deformation of a viscoelastic material,
Setting a viscoelastic material model in which the viscoelastic material is modeled by an element capable of numerical analysis;
Performing deformation calculation by setting conditions in the viscoelastic material model;
Obtaining a necessary physical quantity from the deformation calculation, and
In the viscoelastic material model, the relationship between stress and strain represented by the following formula (1) is defined, and the average number of segments N per molecular chain in the formula (1) A simulation method of a viscoelastic material, characterized in that energy loss can be expressed by being different depending on unloading deformation.
前記平均セグメント数Nは、負荷変形時ではひずみに関するパラメータに応じて増大し、除荷変形時では一定値をなすことを特徴とする請求項1記載の粘弾性材料のシミュレーション方法。   2. The viscoelastic material simulation method according to claim 1, wherein the average number of segments N increases according to a parameter relating to strain at the time of load deformation, and takes a constant value at the time of unloading deformation. 前記ひずみに関するパラメータは、ひずみの1次の不変量I1 であることを特徴とする請求項2記載の粘弾性材料のシミュレーション方法。 The viscoelastic material simulation method according to claim 2, wherein the parameter relating to the strain is a first-order invariant I 1 of the strain. 前記ひずみに関するパラメータは、ひずみ量又はひずみ速度であることを特徴とする請求項2記載の粘弾性材料のシミュレーション方法。   The viscoelastic material simulation method according to claim 2, wherein the parameter relating to the strain is a strain amount or a strain rate.
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