JP2005351770A - Simulation method for rubber material - Google Patents

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正登 内藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure a simulation near to an actual deformation behavior of a rubber material. <P>SOLUTION: This rubber material simulation method for simulating deformation of the rubber material containing matrix rubber and a filler includes a step for setting a rubber material model including a filler model with at least the one filler divided into a finite number of elements, and a matrix model with the matrix rubber into divided a finite number of elements conformed with an outer circumferential face of the filler model in an initial state, and having an inner circumferential face separable from the outer circumferential face, a step for imparting a condition of tensile deformation to the rubber material model to calculate the deformation, and a step for acquiring a necessary physical quantity from the rubber material model. The step for calculating the deformation includes a step for calculating a separated distance between the inner circumferential face of the matrix model and the outer circumferential face of the filler model, and a step for imparting attractive force along a mutual approaching direction of the inner circumferential face and the outer circumferential face, on the basis of the separated distance. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ゴム材料のフィラー間の相互作用を解析するのに役立つゴム材料のシミュレーション方法に関する。   The present invention relates to a rubber material simulation method useful for analyzing an interaction between fillers of a rubber material.

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ゴム材料は、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に復元する。またゴム材料は、変形に際して、応力と歪とが比例せず、かつ、荷重の負荷時と除荷時とでは応力−歪曲線の経路を異にするループを描く非線形性を持つ。試作の手間及びコストを減じるために、ゴム材料の変形過程をコンピュータによりシミュレーションすることが行われている。従来、ゴム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。   Rubber materials used in tires, sporting goods and other various industrial products are greatly deformed when subjected to a load, and are restored to their original state when the load is completely removed. In addition, when the rubber material is deformed, the stress and the strain are not proportional to each other, and the rubber material has nonlinearity that draws a loop in which the path of the stress-strain curve is different between when the load is applied and when the load is unloaded. In order to reduce the labor and cost of trial production, the deformation process of a rubber material is simulated by a computer. Conventionally, as a rubber material simulation method, 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 Mechani cs 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、ゴム材料(粘弾性材料)が歪速度に応じて異なった変形をなす点に着目する。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歪、歪速度、応力などを測定し、擬似的な縦弾性係数(正しくはゴムはフックの法則を満たす弾性体ではない。)と歪ないし歪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、所定の歪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が行われる。特許文献1の方法は、粘弾性材料の擬似的な縦弾性係数が、歪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。   Patent document 1 pays attention to the point that the rubber material (viscoelastic material) undergoes different deformations according to the 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 a pseudo longitudinal elastic modulus (correctly rubber is the hook It is not an elastic body satisfying the law.) And a process of deriving a correspondence relationship between strain and strain rate. Then, 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 an attempt to change the pseudo longitudinal elastic modulus of the viscoelastic material according to the strain rate, it can be evaluated in that hysteresis loss can be incorporated into the simulation.

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、ゴム材料を高分子レベルにまでモデル化して変形計算することが記載されている。   In addition, Non-Patent Document 1 proposed by Arruda et al. Describes that a deformation calculation is performed by modeling a rubber material to a polymer level by using a molecular chain network theory.

工業製品として使用されているゴム材料には、通常、マトリックスゴムの中にカーボンブラック等のフィラー(充填剤)が配合される。ゴムに対するフィラーの配合量が増やすと、エネルギーロスが大きくなる。図24には、発明者らによる実験結果の一例が示される。図において、カーボンブラックの配合量CBが増えると、エネルギーロスに相当するヒステリシスループの面積が大きくなることが分かる。   A rubber material used as an industrial product usually contains a filler (filler) such as carbon black in a matrix rubber. As the amount of filler added to rubber increases, energy loss increases. FIG. 24 shows an example of experimental results by the inventors. In the figure, it can be seen that as the blending amount CB of carbon black increases, the area of the hysteresis loop corresponding to the energy loss increases.

図25には、フィラーとしてカーボンブラックが配合されたゴム材料に引張変形を与えたときのマトリックスゴムとカーボンブラックとの界面部分の顕微鏡拡大写真が示される(「ゴムのカーボンブラック補強 その3.カーボン補強に関する最近の重要報告」深堀美英 日本ゴム協会誌 第77巻 第3号(2004) P.107より引用)。この写真において黒い球状のものがカーボンブラックである。やや薄い黒色部分は、マトリックスゴムである。引張変形時、マトリックスゴムの一部は、カーボンブラックとの界面から剥離することが知られている。これにより、ゴム材料の中に、白抜き部分で示される空隙(void)が生成される。このような空隙の形成に際して、マトリックスゴムとフィラーとの界面部分に滑りが生じ、そこではエネルギーロスが生じていると考えられている。また除荷に伴って空隙は消失するが、この際にも、分子鎖の結合によってエネルギーロスが生じると考えられている。フィラーを多量に配合されたゴム材料は、マトリックスゴムとフィラーとの界面部分が増える。この考えは、フィラーを多く配合されたゴムはエネルギーロスが大きくなるという実験結果に符号する。   FIG. 25 shows a microscopic enlarged photograph of the interface portion between the matrix rubber and the carbon black when the rubber material containing carbon black as a filler is subjected to tensile deformation (“carbon black reinforcement of rubber, part 3. Recent important report on reinforcement "Miho Fukahori Journal of Japan Rubber Association Vol. 77, No. 3 (2004), p. 107). In this photograph, the black sphere is carbon black. The slightly thin black part is matrix rubber. It is known that part of the matrix rubber is peeled off from the interface with the carbon black during tensile deformation. Thereby, voids (voids) indicated by white portions are generated in the rubber material. When such voids are formed, slippage occurs at the interface between the matrix rubber and the filler, and it is considered that energy loss occurs there. Further, the void disappears with unloading, but it is considered that energy loss occurs due to the bonding of molecular chains. The rubber material containing a large amount of filler increases the interface portion between the matrix rubber and the filler. This idea signifies an experimental result that rubber with a large amount of filler increases energy loss.

然るに、従来のゴム材料のシミュレーションでは、このようなフィラーとマトリックスゴムとの界面での剥離を変形計算の中に取り込んだものは存在していない。例えば、本件出願人が提案した特願2003−358167号では、マトリックスゴムをモデル化したマトリックスモデルと、フィラーをモデル化したフィラーモデルと、マトリックスモデルとフィラーモデルとの間に界面モデルとを設定し、この界面モデルをマトリックスゴムよりも良く伸びるようにパラメータを調節するものが提案されている。このモデルは、界面を考慮に入れている点で評価しうるが、マトリックスゴムとフィラーとの界面部分における剥離を表現しない。   However, in the simulation of the conventional rubber material, there is no one that incorporates such peeling at the interface between the filler and the matrix rubber in the deformation calculation. For example, in Japanese Patent Application No. 2003-358167 proposed by the present applicant, a matrix model that models a matrix rubber, a filler model that models a filler, and an interface model between the matrix model and the filler model are set. In order to extend the interface model better than the matrix rubber, one that adjusts the parameters has been proposed. This model can be evaluated in that the interface is taken into account, but does not represent delamination at the interface between the matrix rubber and filler.

本発明は、以上のような問題点に鑑み案出なされたもので、少なくとも一つの前記フィラー粒子を有限個の要素に分割したフィラーモデルと、マトリックスゴムを、前記フィラーモデルを取り囲むとともに前記フィラーモデルの外周面と一致ししかも前記外周面から離間可能な内周面を有する界面要素を含む有限個の要素に分割したマトリックスモデルとを含むゴム材料モデルを設定し、かつその変形計算において、引張変形時の前記界面要素の内周面と、前記フィラーモデルの外周面との離間距離を計算する段階と、該離間距離に基づいて界面モデルの内周面にフィラーモデルの外周面に近づく向きの引力を与える段階とを含ませることを基本として、フィラーとマトリックスゴムとの界面における剥離を表現し実際のゴムの変形挙動に近いシミュレーションを可能としうるゴム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。   The present invention has been devised in view of the above problems, and includes a filler model obtained by dividing at least one filler particle into a finite number of elements, a matrix rubber, surrounding the filler model and the filler model. A rubber material model including a matrix model divided into a finite number of elements including an interface element having an inner peripheral surface that coincides with the outer peripheral surface and can be separated from the outer peripheral surface. Calculating the separation distance between the inner peripheral surface of the interface element and the outer peripheral surface of the filler model at the time, and the attractive force in the direction of approaching the outer peripheral surface of the filler model to the inner peripheral surface of the interface model based on the separation distance It is based on the inclusion of the step of imparting rust and expresses delamination at the interface between the filler and the matrix rubber to approximate the deformation behavior of the actual rubber. And its object is to provide a simulation method of a rubber material capable of allowing the simulation.

本発明のうち請求項1記載の発明は、マトリックスゴムとフィラーとを含むゴム材料の変形をシミュレーションするゴム材料のシミュレーション方法であって、少なくとも一つの前記フィラーを有限個の要素に分割したフィラーモデルと、前記マトリックスゴムを、初期状態で前記フィラーモデルの外周面と一致ししかも前記外周面から離間可能な内周面を有した有限個の要素に分割したマトリックスモデルとを含むゴム材料モデルを設定するステップ、前記ゴム材料モデルに引張変形の条件を与えて変形計算を行うステップ、及び前記ゴム材料モデルから必要な物理量を取得するステップを含み、かつ、前記変形計算を行うステップは、前記マトリックスモデルの内周面と、前記フィラーモデルの外周面との離間距離を計算する段階と、該離間距離に基づいて前記内周面と前記外周面とが互い接近する向きの引力を与える段階とを含むことを特徴としている。   The invention according to claim 1 of the present invention is a rubber material simulation method for simulating deformation of a rubber material including a matrix rubber and a filler, and is a filler model in which at least one filler is divided into a finite number of elements. And a matrix material model in which the matrix rubber is divided into a finite number of elements having an inner peripheral surface that coincides with the outer peripheral surface of the filler model in the initial state and can be separated from the outer peripheral surface. Performing a deformation calculation by giving a tensile deformation condition to the rubber material model, and obtaining a necessary physical quantity from the rubber material model, and the step of performing the deformation calculation includes the matrix model Calculating a separation distance between the inner peripheral surface of the filler model and the outer peripheral surface of the filler model; The inner peripheral surface on the basis of between distance and said outer peripheral surface is characterized by comprising the steps of providing an attractive force direction approaching each other.

また請求項2記載の発明は、前記フィラーは、カーボンブラックである請求項1記載のゴム材料のシミュレーション方法である。   The invention according to claim 2 is the rubber material simulation method according to claim 1, wherein the filler is carbon black.

また請求項3記載の発明は、前記引力は、ゴム材料モデルの負荷変形時において、前記離間距離の増大に伴って徐々に増大しかつピークに至る漸増領域と、さらなる前記離間距離の増大によって滑らかに減少しかつ前記離間距離が予め定められた特徴距離で零に至る漸減領域とを含む放物状曲線を描く関数に基づいて決定されることを特徴とする請求項1又は2に記載のゴム材料のシミュレーション方法である。   According to a third aspect of the present invention, when the rubber material model is subjected to load deformation, the attractive force gradually increases with the increase in the separation distance and gradually increases to reach a peak, and further increases in the separation distance. 3. The rubber according to claim 1, wherein the rubber is determined based on a function that draws a parabolic curve that includes a gradually decreasing region that decreases to zero at a predetermined characteristic distance. This is a material simulation method.

また請求項4記載の発明は、前記引力は、前記漸減領域から初期状態への除荷変形において、除荷開始時の値から零まで線形に減少することにより、前記ゴム材料モデルの変形計算においてエネルギーロスが導入されることを特徴とする請求項3に記載のゴム材料のシミュレーション方法である。   In the invention according to claim 4, in the deformation calculation of the rubber material model, the attractive force linearly decreases from a value at the start of unloading to zero in the unloading deformation from the gradually decreasing region to the initial state. 4. The rubber material simulation method according to claim 3, wherein energy loss is introduced.

また請求項5記載の発明は、前記ゴム材料モデルは、前記フィラーモデルの前記外周面と、前記マトリックスモデルの前記内周面との間に定義された界面モデルを含むとともに、前記界面モデルは、初期状態で厚さが零、かつ、該初期状態で互いに重なる前記外周面と前記内周面との節点が離間することにより該節点が囲む大きさに変形する要素からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のゴム材料のシミュレーション方法である。   In the invention according to claim 5, the rubber material model includes an interface model defined between the outer peripheral surface of the filler model and the inner peripheral surface of the matrix model. The thickness is zero in an initial state, and the outer peripheral surface and the inner peripheral surface, which overlap each other in the initial state, are separated from each other, and are formed of an element that is deformed to a size surrounded by the node. Item 5. A rubber material simulation method according to any one of Items 1 to 4.

本発明のゴム材料のシミュレーション方法では、変形計算において、マトリックスモデルの内周面と、フィラーモデルの外周面との離間距離を計算する段階と、該離間距離に基づいて前記内周面にフィラーモデルの外周面に近づく向きの引力を与える段階とを含む。したがって、引張変形時、マトリックスモデルがフィラーモデルから剥離する現象を変形計算の中に取り込むことができる。これは、実際のゴム変形により近いシミュレーションを可能とするのに役立つ。またマトリックスモデルの内周面には、フィラーモデルの外周面の離間距離に基づいて定められる引力が与えられる。このため、フィラーモデルとマトリックスゴムとを界面で互いに関連づけ、その相互作用についても種々設定することができる。   In the rubber material simulation method of the present invention, in the deformation calculation, a step of calculating a separation distance between the inner peripheral surface of the matrix model and the outer peripheral surface of the filler model, and the filler model on the inner peripheral surface based on the separation distance is calculated. Applying an attractive force in a direction approaching the outer peripheral surface of the. Therefore, the phenomenon that the matrix model peels from the filler model at the time of tensile deformation can be taken into the deformation calculation. This helps to allow simulation closer to actual rubber deformation. Further, an attractive force determined based on the separation distance of the outer peripheral surface of the filler model is applied to the inner peripheral surface of the matrix model. For this reason, the filler model and the matrix rubber can be associated with each other at the interface, and various interactions can be set.

また請求項4記載の発明のように、引力を、漸減領域から初期状態への除荷変形において、引力を線形に減少させる場合、エネルギーロスを変形計算に導入できる。したがって、より実際のゴム材料の変形挙動に近いシミュレーションが可能になる。   Further, as in the invention described in claim 4, when the attractive force is linearly decreased in the unloading deformation from the gradually decreasing region to the initial state, energy loss can be introduced into the deformation calculation. Therefore, a simulation closer to the actual deformation behavior of the rubber material is possible.

また上述のような変形計算は、請求項5に記載されるように、ゴム材料モデルに、フィラーモデルの外周面と、前記マトリックスモデルの内周面との間に定義されかつ初期状態で厚さが零、かつ、該初期状態で互いに重なる前記外周面と前記内周面との節点が変位することにより該節点が囲む大きさに変形する要素からなる界面モデルを含ませることにより、容易になし得る。   Further, the deformation calculation as described above is defined in the rubber material model between the outer peripheral surface of the filler model and the inner peripheral surface of the matrix model and has a thickness in an initial state. It is easily achieved by including an interface model consisting of elements that are zero and that are deformed to a size surrounded by the nodes by displacement of the nodes of the outer peripheral surface and the inner peripheral surface that overlap each other in the initial state. obtain.

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とを含む。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。したがって、このコンピュータ装置1は、ゴム材料のシミュレーション装置を構成する。
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 and a mouse 1c as input means, and a display device 1d as 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. Therefore, the computer device 1 constitutes a rubber material simulation device.

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、先ずフィラーが配合されたゴム材料モデルが設定される(ステップS1)。図3には、微視構造(ユニットセル)としてのゴム材料モデル2の初期状態が視覚化して示され、図4には、さらにそのA部が拡大して示されている。   FIG. 2 shows an example of the processing procedure of the simulation method. In the present embodiment, first, a rubber material model in which a filler is blended is set (step S1). In FIG. 3, the initial state of the rubber material model 2 as a microscopic structure (unit cell) is visualized and shown in FIG.

該ゴム材料モデル2は、解析しようとするゴム材料(実在するか否かを問わない)の微小領域が、有限個の小さな要素(例えば2a、2b、2c…)を用いて分割されたものである。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決まりに従って必要なパラメータが設定されていることを意味する。具体的には、各要素2a、2b、2c…について、節点の座標値、要素の形状、材料特性値などが定義される。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辺形の要素、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。このように、ゴム材料モデル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する。   The rubber material model 2 is obtained by dividing a minute region of a rubber material to be analyzed (whether it exists or not) using a finite number of small elements (for example, 2a, 2b, 2c,...). is there. Each element 2a, 2b, 2c... Is defined so as to be capable of numerical analysis. The numerical analysis is possible, for example, by the numerical analysis method such as the finite element method, the finite volume method, the difference method or the boundary element method, the necessary parameters are set according to the rules that allow deformation calculation for each element or the whole system. Means that. Specifically, for each element 2a, 2b, 2c,..., A coordinate value of a node, an element shape, a material characteristic value, and the like are defined. For each of the elements 2a, 2b, 2c, etc., for example, a triangular or quadrilateral element as a two-dimensional plane, and a tetrahedral element, for example, is preferably used as a three-dimensional element. Thus, the rubber material model 2 constitutes numerical data that can be handled by the computer device 1.

また本実施形態ではゴム材料モデル2の変形計算を平面歪状態で行うものが例示される。したがってZ方向(紙面と垂直方向)には、歪が生じない。またこの例ではユニットセルとしてのゴム材料モデル2の一辺の長さは、縦横それぞれ35nm×35nmの正方形としている。   Moreover, in this embodiment, what performs the deformation | transformation calculation of the rubber material model 2 in a plane strain state is illustrated. Therefore, no distortion occurs in the Z direction (perpendicular to the paper surface). In this example, the length of one side of the rubber material model 2 as a unit cell is a square of 35 nm × 35 nm in both vertical and horizontal directions.

この実施形態のゴム材料モデル2は、少なくとも一つのフィラーを有限個の要素に分割してモデル化されたフィラーモデル3と、マトリックスゴムを複数個の要素で分割してモデル化されたマトリックスモデル4とを含む。   The rubber material model 2 of this embodiment includes a filler model 3 modeled by dividing at least one filler into a finite number of elements, and a matrix model 4 modeled by dividing matrix rubber into a plurality of elements. Including.

図5には、フィラーの一例としてゴム中に充填されたカーボンブラックの電子顕微鏡写真を模写した略図が示される。カーボンブラック6は、炭素原子からなる直径数10nm程度のほぼ球状ないし卵形状の一次粒子7を最小構成単位とし、これが単体又は図のように不規則に3次元的に結合した葡萄の房状の構造(これは、「二次粒子」である)を持つ。本実施形態のフィラーモデル3は、フィラーとして、カーボンブラックの一次粒子を球状にモデル化したものが例示される。   FIG. 5 shows a schematic view of an electron micrograph of carbon black filled in rubber as an example of the filler. The carbon black 6 is composed of carbon particles having an approximately spherical or egg-shaped primary particle 7 having a diameter of about several tens of nanometers as a minimum structural unit, which is a single unit or a bunch of cocoons that are irregularly coupled three-dimensionally as shown in the figure. It has a structure (this is a “secondary particle”). The filler model 3 of this embodiment is exemplified by a spherical model of carbon black primary particles as the filler.

この実施形態のフィラーモデル3は、四辺形の平面要素に分割されモデル化される。四辺形には、四辺の長さが等しい要素及び四辺の長さが等しくない要素の双方が含まれる。またこの実施形態では、変形計算を簡略化するために、図3のx軸及びy軸に対して線対称にモデル化されている。またフィラーモデル3は、図4に示されるように、外周面Eaを持っている。フィラーモデル3の外周面Eaは、該フィラーモデル3の最外側に配置された要素3a、3b、3c…の外側に現れる節点3A、3B、3C…間をそれぞれ継いでいる直線の辺によって構成される。   The filler model 3 of this embodiment is divided and modeled into quadrilateral planar elements. The quadrilateral includes both elements having the same length of the four sides and elements having the same length of the four sides. Further, in this embodiment, in order to simplify the deformation calculation, the model is axisymmetric with respect to the x axis and the y axis in FIG. Moreover, the filler model 3 has the outer peripheral surface Ea, as FIG. 4 shows. The outer peripheral surface Ea of the filler model 3 is constituted by straight sides connecting the nodes 3A, 3B, 3C,... Appearing outside the elements 3a, 3b, 3c,. The

また、カーボンブラックに代表される各種のフィラーは、マトリックスゴムに比べるとその数百倍の硬さを持つ。このため、本実施形態ではフィラーモデル3を弾性体として取り扱う。それゆえ、フィラーモデル3は、材料特性値として縦弾性係数が与えられ、変形計算における構成方程式はフックの法則に従うものになる。また、この実施形態では、ユニットセルの中に、フィラーの一次粒子の一つがモデル化されているが、ゴムへのフィラー配合量などを考慮してその個数を増やすこともできる。さらには、フィラーモデル3として、二次粒子の形状をモデル化したものでも良い。またフィラーは、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、さらには他のものでも良い。   Moreover, various fillers represented by carbon black have a hardness several hundred times that of matrix rubber. For this reason, in this embodiment, the filler model 3 is handled as an elastic body. Therefore, the filler model 3 is given a longitudinal elastic modulus as a material characteristic value, and the constitutive equation in the deformation calculation follows Hooke's law. In this embodiment, one of the primary particles of the filler is modeled in the unit cell, but the number can be increased in consideration of the amount of filler added to the rubber. Furthermore, the filler model 3 may be a model of the shape of secondary particles. Further, the filler is not limited to carbon black, and may be silica, for example.

マトリックスモデル4は、マトリックスゴムを有限個の要素に分割してモデル化されている。この実施形態のマトリックスモデル4は、前記フィラーモデル3を除いた全ての領域に定義される。具体的には、フィラーモデル3の周囲を取り囲み、ゴム材料モデル2の主要部を構成する。この例のマトリックスモデル4は、四辺形の平面要素に分割されてモデル化される。四辺形には、前記同様、四辺の長さが等しい要素、及び四辺の長さが等しくない要素の双方が含まれ得る。ただし、これ以外の他の要素を用いても良いのは言うまでもない。   The matrix model 4 is modeled by dividing the matrix rubber into a finite number of elements. The matrix model 4 of this embodiment is defined in all regions except the filler model 3. Specifically, it surrounds the periphery of the filler model 3 and constitutes the main part of the rubber material model 2. The matrix model 4 in this example is modeled by being divided into quadrilateral planar elements. As described above, the quadrilateral can include both elements having the same length of the four sides and elements having the same length of the four sides. However, it goes without saying that other elements may be used.

マトリックスモデル4は、初期状態において、前記フィラーモデル3の外周面Eaと一致する内周面Ebを有する。初期状態は、ゴム材料モデル2の体積力を無視し、かつ外力を零とした状態とする。マトリックスモデル4の内周面Ebは、該マトリックスモデル4の最もフィラーモデル3側に配置された要素4a、4b、4c…の内側に現れる節点4A、4B、4C…間を継ぐ直線の辺によって構成される。初期状態において、マトリックスモデル4の前記各節点4A、4B、4C…は、フィラーモデル3の外周面に現れる節点3A、3B、3C…と同じ位置にある。したがって、マトリックスモデル4の内周面Ebは、フィラーモデル3の外周面Eaと一致し、隙間は零である。   The matrix model 4 has an inner peripheral surface Eb that coincides with the outer peripheral surface Ea of the filler model 3 in the initial state. The initial state is a state in which the body force of the rubber material model 2 is ignored and the external force is zero. The inner peripheral surface Eb of the matrix model 4 is constituted by straight sides that connect between the nodes 4A, 4B, 4C,... That appear inside the elements 4a, 4b, 4c,. Is done. In the initial state, the nodes 4A, 4B, 4C,... Of the matrix model 4 are at the same positions as the nodes 3A, 3B, 3C,. Therefore, the inner peripheral surface Eb of the matrix model 4 coincides with the outer peripheral surface Ea of the filler model 3, and the gap is zero.

またマトリックスモデル4は、その内周面Ebが、前記フィラーモデル3の外周面Eaから離間可能に定義されている。「離間可能に定義」とは、外力の作用により、マトリックスモデル4の内周面Ebが、前記フィラーモデル3の外周面Eaから離れることができる余地を持っていれば足りる。マトリックスモデル4の内周面Ebが、フィラーモデル3の外周面Eaから離れることにより、その間に計算上の空隙が形成される。フィラーが配合されたゴム材料のシミュレーションにおいて、このような境界条件の設定は、従来には全く見られない新規な構成の一つと言える。   Further, the matrix model 4 is defined such that its inner peripheral surface Eb can be separated from the outer peripheral surface Ea of the filler model 3. “Definable to be separable” is sufficient if the inner peripheral surface Eb of the matrix model 4 has a room that can be separated from the outer peripheral surface Ea of the filler model 3 by the action of an external force. When the inner peripheral surface Eb of the matrix model 4 is separated from the outer peripheral surface Ea of the filler model 3, a calculated void is formed therebetween. In the simulation of a rubber material in which a filler is blended, setting of such boundary conditions can be said to be one of new structures that have never been seen before.

マトリックスモデル4の構成方程式には、本実施形態ではアフィンモデルの分子鎖網目理論が採用される。分子鎖網目理論は、図6(A)、(B)に示すように、ゴム材料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。   The constitutive equation of the matrix model 4 employs the affine model molecular chain network theory in this embodiment. In the molecular chain network theory, as shown in FIGS. 6A and 6B, the rubber material a has, as a microscopic structure, a network structure in which randomly oriented molecular chains c are connected at junction points b. Assuming that The junction point b is, for example, a chemical bond between molecules, and includes a crosslinking point.

図6(C)に示されるように、1本の分子鎖cは、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、化学的には図6(D)に示されるように、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。   As shown in FIG. 6C, one molecular chain c is composed of a plurality of segments d. One segment d is a repeating minimum structural unit in the molecular chain network theory. Further, one segment d is chemically equivalent to one in which a plurality of monomers f in which carbon atoms are connected by a covalent bond are connected, as shown in FIG. 6 (D). 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ゴム材料の連続体と共に変形するものと仮定される。   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. Furthermore, it is assumed that the end-to-end vector of the molecular chain c having two junction points b and b at both ends deforms with the continuum of the rubber material in which it is embedded.

上述の非特許文献1において、Aruudaらは、分子鎖網目理論に基づいた8鎖モデルを提案する。この提案は、図7の左側図に示されるように、巨視的にみて、粘弾性材料は微小な8鎖モデルgが集合した立方体状の網目構造体hをなすとの考えを前提とする。一つの8鎖モデルgは、図7の右側図に拡大して示されるように、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、立方体の各頂点に位置する8つの各接合点b2にそれぞれのびていると仮定される。本実施形態では、マトリックスモデルの構成方程式として、このような8鎖モデルを基本的に採用しこれに修正を加えている。先ずマトリックスモデルの主歪biと、主ストレッチλiとの関係は、下記式(1)を満たす。   In the above non-patent document 1, Aruuda et al. Propose an 8-chain model based on the molecular chain network theory. This proposal is based on the premise that the viscoelastic material forms a cubic network structure h in which minute 8-chain models g are aggregated as viewed macroscopically as shown in the left side view of FIG. As shown in an enlarged view on the right side of FIG. 7, one 8-chain model g includes eight molecular models c each having eight molecular points c positioned at each vertex of a cube from one junction point b1 defined at the center of the cube. It is assumed that each extends to the junction point b2. In the present embodiment, such an 8-chain model is basically adopted as a constitutive equation of the matrix model, and is modified. First, the relationship between the main strain bi of the matrix model and the main stretch λi satisfies the following formula (1).

ここで、”N”は前記分子鎖cの1本当たりの平均セグメント数、”CR ”はマトリックスゴムのせん断モジュラスで、その中で”n”は単位体積当たりの分子鎖cの数、”kB ”はボルツマン定数、”T”は絶対温度、”L”はランジュバン関数である。また速度型の構成方程式は、キルヒホッフの応力速度と歪速度とを用いて下記式(2)で表すことができる。 Here, “N” is the average number of segments per molecular chain c, “C R ” is the shear modulus of matrix rubber, among which “n” is the number of molecular chains c per unit volume, “ “k B ” is the Boltzmann constant, “T” is the absolute temperature, and “L” is the Langevin function. The velocity type constitutive equation can be expressed by the following equation (2) using Kirchhoff's stress rate and strain rate.

また、”σjj”はコーシー応力テンソル、”δij”はクロネッカーのデルタ、Aijは左ストレッチテンソル、”Κ”はマトリックスモデルの体積を一定に拘束するために導入されるペナルティ法のペナルティパラメータで、本実施形態ではその値を100とする。 “Σ jj ” is the Cauchy stress tensor, “δ ij ” is the Kronecker delta, A ij is the left stretch tensor, and “Κ” is the penalty parameter for the penalty method introduced to constrain the volume of the matrix model to be constant. In this embodiment, the value is 100.

さらに、本実施形態のマトリックスモデル4は、ゴム自身のエネルギーロスを再現するために、Arrudaらの8鎖モデルが修正して用いられる。先ずゴム材料は、複雑に絡み合った前記分子鎖cが伸びることによって数百%にも達し得る大きな歪が許容される。言い換えると、荷重負荷における変形過程では、分子鎖cの互いに絡み合った部分がほどけて前記接合点bの数が減少する。   Furthermore, the matrix model 4 of this embodiment is modified from the 8-chain model of Arruda et al. In order to reproduce the energy loss of the rubber itself. First, the rubber material is allowed to have a large strain that can reach several hundred percent due to the extension of the molecular chain c intertwined in a complicated manner. In other words, in the deformation process under load, the entangled portions of the molecular chain c are unwound and the number of the junction points b is reduced.

図8(A)に示されるように、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は大きな歪を受けて破損(消滅)するものと考える。図8(B)に示されるように、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。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、ゴム材料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。また、その際には多くのエネルギーの損失が生じる。本実施形態では、この様子を前記式(1)に取り入れる。そのために、分子鎖cの1本当たりの平均セグメント数Nは、負荷変形時と除荷変形時とでは異なった値を示す可変のパラメータとして定義される。ここで、負荷変形時とは、微小時間の間でマトリックスモデル4の歪が増大する変形であり、逆に除荷変形時とは、歪が減少する変形とする。   As shown in FIG. 8A, when the 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 is large. It is considered to be damaged (disappeared) under strain. As shown in FIG. 8B, the two molecular chains c1 and c2 that have been two so far 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 rubber material proceeds. In this case, a lot of energy is lost. In the present embodiment, this state is taken into the equation (1). For this reason, the average number N of segments per molecular chain c is defined as a variable parameter indicating a different value during load deformation and unload deformation. Here, the load deformation is a deformation in which the distortion of the matrix model 4 increases during a very short time, and conversely, the unloading deformation is a deformation in which the distortion decreases.

上記の点について、改めて、図7の巨視的な3次元の網目構造体hを参照する。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。ただし、kは十分に大きい数とする。該網目構造体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(3)で、また網目構造体hに含まれる分子鎖cの数、即ち、マトリックスモデル4の単位体積中に含まれる分子鎖の数”n”は、式(4)でそれぞれ表し得る。
m=(k+1)3 +k3 …式(3)
n=8k3 …式(4)
Regarding the above points, the macroscopic three-dimensional network structure h in FIG. 7 will be referred to again. The network structure h is assumed to have k 8-chain models g coupled in the width direction, the height direction, and the depth direction. However, k is a sufficiently large number. When the total number of junction points b included in the network structure h is represented by the sign “m” as “entanglement number”, the entanglement number m is expressed by the equation (3) and the molecular chain c included in the network structure h. The number, that is, the number “n” of molecular chains contained in the unit volume of the matrix model 4 can be expressed by the equation (4).
m = (k + 1) 3 + k 3 (3)
n = 8k 3 Formula (4)

ここで、kは十分に大きい数であるから、kの3次の項以外を省略すると、上式はそれぞれな式(5)及び(6)で表し得る。
m=2k3 …式(5)
n=8k3 …式(6)
Here, since k is a sufficiently large number, when the terms other than the third-order term of k are omitted, the above equations can be expressed by the following equations (5) and (6).
m = 2k 3 Formula (5)
n = 8k 3 (6)

さらに式(5)及び(6)の関係から、からみ数mは、nを用いて、式(7)で表し得る。
m=n/4 …式(7)
Further, from the relationship between the expressions (5) and (6), the entanglement number m can be expressed by the expression (7) using n.
m = n / 4 Formula (7)

さらに、マトリックスモデル4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 は変化しないため、式(8)及び(9)が成り立つ。
A =n・N …式(8)
N=NA /n=NA /4m …式(9)
Further, even if the matrix model 4 is deformed, the total number N A of the molecular chain segments contained therein does not change, so that the equations (8) and (9) hold.
N A = n · N (8)
N = N A / n = N A / 4m ... formula (9)

式(9)から明らかなように、荷重の負荷過程及びこれに続く歪の回復過程において、前記平均セグメント数Nを可変のパラメータとするためには、ゴムの分子鎖cのからみ数mを変化させれば良い。このように、前記平均セグメント数Nを、負荷変形時と除荷変形時とで値の異なる可変のパラメータとすることにより、変形計算の中に、マトリックスモデル4自体のエネルギーロスを取り入れることができる。   As is clear from the equation (9), in order to make the average segment number N a variable parameter in the load application process and the subsequent strain recovery process, the entanglement number m of the molecular chain c of the rubber is changed. You can do it. Thus, the energy loss of the matrix model 4 itself can be taken into the deformation calculation by setting the average segment number N as a variable parameter having different values between the load deformation and the unload deformation. .

前記平均セグメント数Nは、様々な方法で決定することができる。一例として、負荷変形時、その歪に関連したパラメータに基づいて増大させることは望ましい。前記歪に関連したパラメータとしては、特に限定されるものではないが、例えば、歪、歪速度又は歪の1次の不変量I1 などがある。本実施形態では、前記平均セグメント数Nを、下記式(10)で定める。これは、前記平均セグメント数Nが、当該マトリックスモデル4の各要素個々において、それぞれ歪の1次の不変量I1 (より詳しくはその平方根であるパラメータλc )の関数であることを示す。 The average segment number N can be determined by various methods. As an example, it is desirable to increase the load based on a parameter related to the strain at the time of load deformation. The parameter related to the strain is not particularly limited, and examples thereof include strain, strain rate, or first-order invariant I 1 of strain. In the present embodiment, the average segment number N is defined by the following formula (10). This indicates that the average segment number N is a function of the first-order invariant I 1 of distortion (more specifically, the parameter λ c that is the square root) of each element of the matrix model 4.

式(10)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、いずれも定数である。これは、ゴム試験片の単純な1軸引張試験などの実測結果から容易に定めることができる。例えば、先ず解析対象となるゴム材料の応力−歪曲線を得る。そして、その荷重除荷時の曲線に沿うように前記n、Nを定める。これにより、分子鎖のセグメントの総数NA (=n・N)が決まる。次に、負荷時、除荷時とも分子鎖cの総セグメント数NA は同一であるため、荷重負荷時の曲線に整合するよう、各歪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(10)のパラメータAないしEを決定する。本実施形態では、N=16を使用し、かつ、負荷終了時のNが除荷時のそれと等しくなるように設定している。本実施形態では、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
Expression (10) is an example determined by various experiments, and A to E are all constants. This can be easily determined from actual measurement results such as a simple uniaxial tensile test of a rubber test piece. For example, first, a stress-strain curve of a rubber material to be analyzed is obtained. And said n and N are defined so that the curve at the time of the load unloading may be followed. Thus, the total number N A (= n · N) of the molecular chain segments is determined. Then, since when the load, the total number of segments N A molecule chain c during both unloading the same, to match the curve of the load at the load, determine the average number of segments N in each strain (where N is varied .) Then, parameters A to E in Expression (10) are determined so as to match the determined average segment N at the time of loading. In this embodiment, N = 16 is used, and N at the end of load is set to be equal to that at unloading. In this embodiment, the above constants are set as follows.
A = + 2.9493
B = −5.8029
C = + 5.5220
D = -1.3582
E = + 0.1325

図9には、前記平均セグメント数NとパラメータλC との関係が示される。歪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。後述する変形計算においては、マトリックスモデル4の各要素について、負荷変形時ではパラメータλC が常に計算される。計算されたλC は、式(10)に代入され、当該要素の当該歪状態における平均セグメント数Nが計算される。平均セグメント数Nは、適宜のタイミングで計算されて、マトリックスモデル4の構成方程式の中に取り込まれる。なお本実施形態では、マトリックスモデル4の除荷変形時においては平均セグメント数Nを一定値とする。 FIG. 9 shows the relationship between the average number of segments N and the parameter λ C. As λ C, which is a parameter related to distortion, increases, the average segment number N increases smoothly. In this example, the upper limit of the parameter λ C is 2.5. In the deformation calculation described later, the parameter λ C is always calculated for each element of the matrix model 4 at the time of load deformation. The calculated λ C is substituted into Equation (10), and the average number of segments N of the element in the distortion state is calculated. The average segment number N is calculated at an appropriate timing and is taken into the constitutive equation of the matrix model 4. In the present embodiment, the average number of segments N is a constant value when the matrix model 4 is unloaded and deformed.

また本実施形態のゴム材料モデル2は、さらに界面モデル5を含むものが例示される。界面モデル5は、フィラーモデル3の外周面Eaと、マトリックスモデル4の内周面Ebとの間に定義される。界面モデル3は、変形計算では、図25に示された空隙を表す。   In addition, the rubber material model 2 of the present embodiment is further exemplified by including an interface model 5. The interface model 5 is defined between the outer peripheral surface Ea of the filler model 3 and the inner peripheral surface Eb of the matrix model 4. The interface model 3 represents the void shown in FIG. 25 in the deformation calculation.

図10(A)には、ゴム材料モデル2が部分的に拡大して示されている。フィラーモデル3の外周面Eaの各節点3B、3C、3D…と、マトリックスモデル4の内周面Ebとに現れる各節点4B、4C、4D…とが重なっている初期状態では、界面モデル5の厚さは零である(図では見えない)。他方、図10(B)に示されるように、ゴム材料モデル2に引張変形が与えられ、前記節点3B、3C、3D…と、節点4B、4C、4D…とが離間すると、界面モデル5は、前記節点により囲まれる大きさに変化する。具体的には、初期状態で重なっていた2つの節点3B、4B間を結ぶ辺、3C、4C間を結ぶ辺、前記フィラーモデル3の外周面Eaを形成する辺及びマトリックスモデル4の内周面Ebを構成する辺で囲まれる四辺形要素5b…などに変形する。   FIG. 10A shows the rubber material model 2 partially enlarged. In the initial state where the nodes 3B, 3C, 3D,... On the outer peripheral surface Ea of the filler model 3 and the nodes 4B, 4C, 4D,. The thickness is zero (not visible in the figure). On the other hand, as shown in FIG. 10 (B), when the rubber material model 2 is subjected to tensile deformation and the nodes 3B, 3C, 3D... And the nodes 4B, 4C, 4D. , And changes to a size surrounded by the nodes. Specifically, the side connecting the two nodes 3B and 4B that overlap in the initial state, the side connecting 3C and 4C, the side forming the outer peripheral surface Ea of the filler model 3, and the inner peripheral surface of the matrix model 4 It is transformed into a quadrilateral element 5b... Surrounded by sides constituting Eb.

また界面モデル5は、フィラーモデル3の外周面Eaと、マトリックスモデル4の内周面Ebとの離間距離に基づき、前記マトリックスモデル4の内周面Ebとフィラーモデル3の外周面とが互いに近づく向きの引力(Traction)を前記各面Ea、Eb(又はその節点)に与える。界面モデル5は、離間可能に定義されたフィラーモデル3の外周面Eaと、マトリックスモデル4の内周面Ebとの間の粘着力(粘着摩擦力)を表現し、これらの界面の相互作用(粘着性)をシミュレーションしうる。金属マトリックスから第2相の粒子が剥離してその界面に空隙が形成される場合、界面に作用する粘着力は、例えばneedleman らの下記の実験が参考になる。この文献は、金属組成物を元に開発されたものであるが、そのオーダなどを適宜かえることで、ゴムマトリックスとフィラーとの剥離及びそれに伴う空隙の生成について同様に適用できる。
A Continuum Model for Void Nucleation by Inclusion Debonding / A. needleman (Journa l of Applied Mechanics SEP. 1987 Vol.54 P.525-531)
In the interface model 5, the inner peripheral surface Eb of the matrix model 4 and the outer peripheral surface of the filler model 3 approach each other based on the separation distance between the outer peripheral surface Ea of the filler model 3 and the inner peripheral surface Eb of the matrix model 4. A direction attractive force (Traction) is applied to each of the surfaces Ea and Eb (or nodes thereof). The interface model 5 expresses the adhesive force (adhesive friction force) between the outer peripheral surface Ea of the filler model 3 defined to be separable and the inner peripheral surface Eb of the matrix model 4, and the interaction between these interfaces ( (Stickiness) can be simulated. When the second phase particles are peeled from the metal matrix and voids are formed at the interface, for example, the following experiment by needleman et al. This document was developed based on a metal composition, but can be similarly applied to the separation of the rubber matrix and the filler and the generation of voids associated therewith by appropriately changing the order.
A Continuum Model for Void Nucleation by Inclusion Debonding / A. needleman (Journal of Applied Mechanics SEP. 1987 Vol.54 P.525-531)

図11には本実施形態で採用されている引力と離間距離との関係がグラフで示されている。このグラフは、上記文献等を参考として定められた。縦軸には引力tABが表される。横軸には、離間距離uABを特徴距離δで除した無次元量(u/δ)を示す。ここで、引力tないし離間距離uの添え字A、Bは、図12に示されるように、界面モデル5の前記外周面Eaにおける2つの節点1、2の中点Bと、初期状態にて該節点1,2と重なっていた界面モデル5のマトリックスモデル4の内周面Eb側の節点3、4の中点Aとの離間距離であることを示す。また前記「特徴距離δ」は、図12の前記中点A、B間の離間距離uABを増大させた場合、その引力tABが零となるときの限界の長さである。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the attractive force and the separation distance employed in this embodiment. This graph was determined with reference to the above literature. The vertical axis represents the attractive force t AB . The abscissa indicates a dimensionless amount (u / δ) obtained by dividing the separation distance u AB by the feature distance δ. Here, the subscripts A and B of the attractive force t or the separation distance u are, as shown in FIG. 12, the midpoint B of the two nodes 1 and 2 on the outer peripheral surface Ea of the interface model 5 and the initial state. This indicates that the distance is from the midpoint A of the nodes 3 and 4 on the inner peripheral surface Eb side of the matrix model 4 of the interface model 5 that overlaps the nodes 1 and 2. The “characteristic distance δ” is a limit length when the attractive force t AB becomes zero when the separation distance u AB between the midpoints A and B in FIG. 12 is increased.

本実施形態では、引力tABは、離間距離uABの増大に伴って徐々に増大しかつピーク(σmax )に至る漸増領域と、さらなる前記離間距離uABの増大によって滑らかに減少し、かつ、前記離間距離uABが特徴距離δとなったときに零に至る漸減領域とを含む放物状曲線を描く。即ち、前記引力tABは、離間距離uABの関数である。引力tABがピーク値σmax に達するとき、はじめてマトリックスゴムには分子鎖の滑りが生じるものと考えられている。このピーク値σmax は、界面の強さを表し、この例では特徴距離δのほぼ1/3で生じさせている。また、離間距離uABが特徴距離δになったときに、引力tABは消失する。これにより、中点A、B間には完全な滑りが生じる。 In this embodiment, the attractive force t AB gradually increases with the increase of the separation distance u AB and gradually increases as it reaches the peak (σ max), and further decreases with the increase of the separation distance u AB , and A parabolic curve including a gradually decreasing region that reaches zero when the separation distance u AB reaches the characteristic distance δ is drawn. That is, the attractive force t AB is a function of the separation distance u AB . Only when the attractive force t AB reaches the peak value σmax, it is considered that the molecular rubber slips only in the matrix rubber. This peak value σmax represents the strength of the interface, and in this example, it is generated at approximately 1/3 of the characteristic distance δ. Further, the attractive force t AB disappears when the separation distance u AB becomes the characteristic distance δ. Thereby, complete slip occurs between the midpoints A and B.

特徴距離δと引力tABのピーク値である界面の強さσmax との2つのパラメータを種々変更することにより、フィラーモデル3とマトリックスモデル4との界面の剥離に対する強さを種々変えることができる。これは、ゴム材料を構成するフィラー及び/又はマトリックスゴムに合わせて、界面の剥離に対する振る舞いを種々調節可能であることを意味する。 By changing the two parameters of the interface distance σmax, which is the peak value of the characteristic distance δ and the attractive force t AB , the strength against peeling of the interface between the filler model 3 and the matrix model 4 can be changed variously. . This means that various behaviors against interfacial delamination can be adjusted according to the filler and / or matrix rubber constituting the rubber material.

次に前記引力tABの関数の定式化について述べる。この例では二次元形を示すが3次元形を用いることもできる。離間距離uABの状態にある前記中点A、B間のポテンシャルエネルギーφ(uAB)は、上記needleman の基本式を採用して式(11)で定め得る。 Next, formulation of the function of the attractive force t AB will be described. In this example, a two-dimensional shape is shown, but a three-dimensional shape can also be used. The potential energy φ (u AB ) between the midpoints A and B in the state of the separation distance u AB can be determined by the formula (11) by adopting the needleman basic formula.

また中点A、B間に作用する引力は、前記ポテンシャルエネルギーφ(uAB)を離間距離uABで偏微分することにより得られる。これは式(12)に示される。 The attractive force acting between the midpoints A and B can be obtained by partial differentiation of the potential energy φ (u AB ) with respect to the separation distance u AB . This is shown in equation (12).

上で述べたとおり、マトリックスゴムとフィラとの界面では、空隙が大きくなると滑りが生じる。また、空隙の消失に際しても、分子鎖の結合によるエネルギー損が生じる。そこで、本実施形態において、前記引力tABを、前記漸減領域から初期状態への除荷変形において、除荷開始時の値から零まで線形に減少させる。例えば図11の漸減領域上における任意の点Pxから除荷が開始される場合、図の鎖線の矢印のように、引力tABは、離間距離uABの減少に応じて、当該点Pxと原点とを結ぶ直線上の値をとりながら減少する。このため、引力tABは、実線矢印及び鎖線矢印で示されるように、負荷及び除荷の1サイクルでエネルギーロスを表すループを描く。したがって、本実施形態のゴム材料モデル2の変形計算には、マトリックスモデル4とフィラーモデル3との界面の剥離によるエネルギーロスが導入され、実際の変形挙動により近いものになる。また、パラメータをより適切に設定することにより、実際のゴム材料と近似したエネルギーロスの計算を行うことが可能になる。 As described above, slipping occurs at the interface between the matrix rubber and the filler when the gap becomes large. In addition, even when the voids disappear, energy loss occurs due to molecular chain bonding. Therefore, in the present embodiment, the attractive force t AB is linearly decreased from the value at the start of unloading to zero in the unloading deformation from the gradually decreasing region to the initial state. For example, when unloading is started from an arbitrary point Px on the gradual decrease area of FIG. 11, as shown by the chain line arrow in the figure, the attractive force t AB is the same as the point Px and the origin as the separation distance u AB decreases. Decrease while taking the value on the straight line connecting. For this reason, the attractive force t AB draws a loop representing energy loss in one cycle of loading and unloading, as indicated by solid line arrows and chain line arrows. Therefore, in the deformation calculation of the rubber material model 2 of the present embodiment, an energy loss due to separation at the interface between the matrix model 4 and the filler model 3 is introduced, which is closer to the actual deformation behavior. Further, by setting the parameters more appropriately, it is possible to calculate energy loss that approximates the actual rubber material.

除荷時、線形に減少する引力tABは、式(12)の[1−(uAB/δ)]2 の項の(uA B /δ)に点Pxの値が代入された1次式を用いて計算される。また、引力tABがピーク値σmax を超えていない場合、引力tABは、負荷時と同じルートを通って初期の状態へと戻るように定義される。この場合、可逆変形となりエネルギーロスは生じない。上で述べたとおり、引力tABがピーク値σmax を超えていない場合、界面での滑りが開始されないため、エネルギーロスが生じないことにも整合する。界面モデル5を用いて計算された引力tは、マトリックスモデル4の内周面Eb及びフィラーモデル3の外周面Eaの各節点に作用するのは言うまでもない。 The attraction force t AB that decreases linearly at the time of unloading is a linear expression in which the value of the point Px is substituted for (u AB / δ) in the term [1- (u AB / δ)] 2 of equation (12). Is calculated using When the attractive force t AB does not exceed the peak value σmax, the attractive force t AB is defined so as to return to the initial state through the same route as when loaded. In this case, reversible deformation occurs and no energy loss occurs. As described above, when the attractive force t AB does not exceed the peak value σ max, slipping at the interface is not started, so that no energy loss occurs. Needless to say, the attractive force t calculated using the interface model 5 acts on each node of the inner peripheral surface Eb of the matrix model 4 and the outer peripheral surface Ea of the filler model 3.

次に本実施形態のシミュレーション方法では、ゴム材料モデル2に引張変形の条件を与えて変形計算が行われる(ステップS2及びS3)。   Next, in the simulation method of the present embodiment, deformation calculation is performed by giving a tensile deformation condition to the rubber material model 2 (steps S2 and S3).

引張変形の条件としては、ゴム材料モデル2に引張歪を与える歪速度や、最大歪量などを含む。また、本実施形態の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。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、その繰り返しの度合いが非常に密な場合、有限要素法で直接領域を離散化できないことがある。均質化法では、図13に示されるように、ゴム材料モデル2の微視構造(図3で示されたゴム材料モデル2のユニットセル)を縦横に周期的に持っているゴム材料全体Mを表現する巨視的スケールxI と、前記微視構造を表現する微視的スケールyI との独立した2変数が用いられる。そして、均質化法では、微視的スケールyI と巨視的スケールxI 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3に示した微視構造のモデル構造を反映させたある程度の大きさを持つゴム材料全体Mの平均的な力学応答を求め得る。   The tensile deformation conditions include a strain rate for applying a tensile strain to the rubber material model 2 and a maximum strain amount. Moreover, the simulation of this embodiment is performed based on the homogenization method (asymptotic expansion homogenization method). If the analysis target region is constituted by repetition of an arbitrary microscopic structure and the degree of repetition is very dense, the region may not be directly discretized by the finite element method. In the homogenization method, as shown in FIG. 13, the entire rubber material M having the microscopic structure of the rubber material model 2 (unit cell of the rubber material model 2 shown in FIG. 3) periodically and vertically. Two independent variables are used: a macroscopic scale xI representing the microscopic structure and a microscopic scale yI representing the microscopic structure. In the homogenization method, asymptotic expansion of independent variables in different scale fields of microscopic scale yI and macroscopic scale xI is performed to a certain extent that reflects the model structure of the microscopic structure shown in FIG. The average mechanical response of the entire rubber material M having the following size can be obtained.

漸近展開均質化法自体は、数値計算法の中で既に確立したものであり(例えば下記文献参照)、かつ、本発明に必須の内容ではないため、ここでは詳細に触れない。 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.
The asymptotic expansion homogenization method itself has already been established in the numerical calculation method (see, for example, the following document), and is not essential for the present invention, so it will not be described in detail here. 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.

また本実施形態では、図13に示されたなゴム材料モデルMを100nm×100nmの矩形状とし、かつ、巨視的構造において一様な一軸の引張歪Γ2 (その歪速度を1.0×10-5/sとする。)が生じるように、図3に示された微視構造(ユニットセル)に一定の歪速度を与える。また図13のx2 方向に平均歪速度の引張の負荷条件を加え、該x2 方向の歪Γ2 が0.40に達すると、同じ歪速度で歪を零まで漸減させる除荷条件を定めている。 Further, in the present embodiment, the rubber material model M shown in FIG. 13 is a rectangular shape of 100 nm × 100 nm, and a uniform uniaxial tensile strain Γ 2 (its strain rate is 1.0 × 10 −5 / s), a constant strain rate is given to the microscopic structure (unit cell) shown in FIG. In addition, an unloading condition for gradually reducing the strain to zero at the same strain rate when the strain load Γ 2 in the x2 direction reaches 0.40 is added to the tensile strain condition of the average strain rate in the x2 direction of FIG. .

図14には、変形計算(変形シミュレーション)のより具体的な処理手順の一例が示される。変形計算では、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、ゴム材料モデル2を構成する数値データや、前記予め設定された変形ないし境界条件等が含まれる。   FIG. 14 shows an example of a more specific processing procedure of deformation calculation (deformation simulation). In the deformation calculation, first, data is input to the computer apparatus 1 (step S31). The input data includes numerical data constituting the rubber material model 2, the preset deformation or boundary conditions, and the like.

次に各要素の剛性マトリックスが作成し(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(ステップS35)、各要素の歪、応力、主応力といった物理量を計算し、出力する(ステップS36ないし37)。なおステップ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。   Next, a stiffness matrix of each element is created (step S32), and then the stiffness matrix of the entire structure is assembled (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, unknown node displacement is determined (step S35), and physical quantities such as strain, stress and principal stress of each element are calculated and output (steps S36 to 37). In step S38, it is determined whether or not to end the calculation. If the result is negative, step S32 and subsequent steps are repeated.

上述の変形計算は、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されたLS−DYNAなど)を用いて行うことができる。   The above-described deformation calculation can be performed using, for example, an engineering analysis application software using a finite element method (for example, LS-DYNA developed by Livermore Software Technology, USA).

また、本実施形態の変形計算では、定数等を次のように設定している。   In the deformation calculation of the present embodiment, constants and the like are set as follows.

<マトリックスモデル>
R =0.4(MPa)
N=16
n=1.0×1026
T=296K
B =1.38066×10-29
A =n・N=1.6×1027
負荷変形時の平均セグメント数N
N=16
除荷変形時の平均セグメント数N(一定)
N=16
<Matrix model>
C R = 0.4 (MPa)
N = 16
n = 1.0 × 10 26
T = 296K
k B = 1.38066 × 10 −29
N A = n · N = 1.6 × 10 27
Average number of segments N during load deformation
N = 16
Average number of segments N during unloading deformation (constant)
N = 16

なおこの例では、負荷変形時の平均セグメント数Nを一定としており、界面のエネルギーロスだけに着目しているが、例えば前記平均セグメント数Nを下式(定数は適宜変更しうる。)によって定義することでマトリックスモデルのエネルギーロスをも加味することができる。
N=-3.2368+20.6175 λc-21.8168 λc 2 +10.8227 λc 3 -1.9003 λc 4
またゴム材料モデルは、厚さ方向(図3のZ軸方向)に変化しないように前記3次元8鎖モデルが用いられている。
In this example, the average number of segments N at the time of load deformation is constant, and attention is paid only to the energy loss at the interface. For example, the average number of segments N is defined by the following equation (the constant can be changed as appropriate). By doing so, the energy loss of the matrix model can be taken into account.
N = -3.2368 + 20.6175 λc-21.8168 λc 2 +10.8227 λc 3 -1.9003 λc 4
The three-dimensional 8-chain model is used as the rubber material model so as not to change in the thickness direction (Z-axis direction in FIG. 3).

<フィラーモデル>
縦弾性係数E:100MPa
ポアソン比:0.3
<Filler model>
Longitudinal elastic modulus E: 100 MPa
Poisson's ratio: 0.3

<界面モデル>
特徴距離δ=25nm
界面強さ(ピーク値)σmax =0.1MPa
法線方向nとせん断方向sとの強さ比γ=1.0
なお前記特徴距離δや界面強さσmax などは、実際の材料の実験結果などを参考として定めても良いし、またその結果に整合するように適宜設定することもできる。
<Interface model>
Feature distance δ = 25nm
Interface strength (peak value) σmax = 0.1 MPa
Strength ratio γ = 1.0 between normal direction n and shear direction s
Note that the characteristic distance δ, the interface strength σmax, and the like may be determined with reference to experimental results of actual materials, or may be set as appropriate to match the results.

また、コンピュータ装置1は、前記変形計算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15(A)〜(D)には、初期状態からマトリックスモデル4とフィラーモデル4との剥離までの変形挙動が可視化して示されている。ここでの物理量は、各要素の歪と応力とを含む。変形計算は、微小な時間きざみで行われ、適当な時間間隔で各要素の歪と応力とを取得することにより、容易にこのような可視化を行うことができる。特に大きな応力が作用している要素には濃いグレーの色彩を付している。   Moreover, the computer apparatus 1 can acquire a required physical quantity from the result of the deformation calculation (step S4). FIGS. 15A to 15D visualize the deformation behavior from the initial state to the separation between the matrix model 4 and the filler model 4. The physical quantity here includes strain and stress of each element. The deformation calculation is performed in minute time increments, and such visualization can be easily performed by acquiring the strain and stress of each element at appropriate time intervals. In particular, elements with large stress are given a dark gray color.

図15に示されるように、フィラーモデル3とマトリックスモデル4との剥離は、フィラーモデル3の上、下の極で開始され、それは徐々に赤道へと広がる。この空隙の生成により、マトリックスモデル4の応力集中は解放されることが分かる。さらなる引張変形により、空隙(界面モデル)は引張軸方向に大きく成長し、マトリックスモデル4の内周面Ebに高い伸びと応力とを引き起こす。   As shown in FIG. 15, the separation between the filler model 3 and the matrix model 4 starts at the upper and lower poles of the filler model 3 and gradually spreads to the equator. It can be seen that the stress concentration of the matrix model 4 is released by the generation of the voids. By further tensile deformation, the void (interface model) grows greatly in the direction of the tensile axis, causing high elongation and stress on the inner peripheral surface Eb of the matrix model 4.

また図16には、他の物理量として、縦軸にゴム材料モデル2の巨視的構造での平均応力Σ2 (下記式(13)により計算する。)が、横軸にその引張歪Γ2 がそれぞれ示されている。ここでは、引張歪Γ2 の上限は0.4である。なお図中のグラフにおいて、実線は界面が剥離しないように境界条件を設定したものである。それ以外の鎖線のグラフのものは、界面強さσmax を0.1、0.2及び0.3MPaにそれぞれ変化させている。界面でマトリックスモデル4とフィラーモデル3とが剥離しないものでは、応力と歪とがほぼ比例し、エネルギーロスが生じていない。しかし、界面での剥離を取り入れ、しかもそこでエネルギーロスを生じさせた実施例では、いずれもエネルギーロスが生じていることが分かる。 In FIG. 16, as other physical quantities, the vertical axis represents the average stress Σ 2 (calculated by the following equation (13)) in the macroscopic structure of the rubber material model 2, and the horizontal axis represents the tensile strain Γ 2. Each is shown. Here, the upper limit of the tensile strain Γ2 is 0.4. In the graph in the figure, the solid line shows the boundary conditions set so that the interface does not peel off. In other graphs with chain lines, the interface strength σmax is changed to 0.1, 0.2 and 0.3 MPa, respectively. In the case where the matrix model 4 and the filler model 3 do not peel at the interface, the stress and strain are approximately proportional and no energy loss occurs. However, it can be seen that energy loss occurs in any of the examples in which peeling at the interface is taken in and energy loss is caused there.

”A”はユニットセルの面積、ai は要素iの面積、σi 22は要素iの引張応力である。 “A” is the area of the unit cell, a i is the area of the element i, and σ i 22 is the tensile stress of the element i.

また図17には、さらに変形計算によって得られた物理量の一例を示し、縦軸にゴム材料モデル2の巨視的構造での対数体積歪Ev が、横軸にその引張歪Γ2 がそれぞれ示されている。ここでは、引張歪Γ2 の上限は0.4である。なお図中のグラフにおいて、凡例は、図16のものと同じである。また太い実線で実際のゴム材料の試験結果が示される。このテストでは、界面強さσmax =0.3MPaとしたものが、実際のゴム材料の試験結果に非常に近いことが確認できる。また界面強さを大きくした例では、界面により高い拘束力が働くため、体積歪が非常にゆっくりと増加することがシミュレーションされている。しかし、引力が零となり界面での完全な滑りが生じる段階では、急激な体積歪が生じていることが分かる。 FIG. 17 also shows an example of physical quantities obtained by deformation calculation, where the vertical axis shows the logarithmic volume strain Ev in the macroscopic structure of the rubber material model 2 and the horizontal axis shows the tensile strain Γ 2. ing. Here, the upper limit of the tensile strain Γ 2 is 0.4. In the graph in the figure, the legend is the same as that in FIG. Moreover, the test result of an actual rubber material is shown by a thick solid line. In this test, it can be confirmed that the interface strength σmax = 0.3 MPa is very close to the test result of the actual rubber material. In the example in which the interface strength is increased, it is simulated that the volume strain increases very slowly because a high restraint force acts on the interface. However, it can be seen that a sudden volume distortion occurs at the stage where the attractive force becomes zero and complete slipping occurs at the interface.

図18には、界面モデル5の前記特徴距離δを違えた4種類について変形計算を行った結果が示される。左縦軸にはゴム材料モデル2の巨視的構造での平均応力Σ2 、右縦軸にはゴム材料モデルの対数体積歪Ev 、及び横軸にはゴム材料モデルの引張歪Γ2 がそれぞれ示されている。ここでは、引張歪Γ2 の上限は0.4である。特徴距離δを大きくした例では、界面での完全な滑りが開始されるまでの距離が大きい。従って、上の界面強さの結果と同様に、体積歪が非常にゆっくりと増加することがシミュレーションされていることが分かる。なお図中l0 は、ゴム材料モデルM の縦の長さ100nmである。 FIG. 18 shows the result of deformation calculation for four types of interface model 5 with different feature distances δ. The left vertical axis shows the mean stress Σ 2 in the macroscopic structure of the rubber material model 2, the right vertical axis shows the logarithmic volume strain Ev of the rubber material model, and the horizontal axis shows the tensile strain Γ 2 of the rubber material model. Has been. Here, the upper limit of the tensile strain Γ 2 is 0.4. In the example in which the characteristic distance δ is increased, the distance until complete slippage at the interface is started is large. Thus, it can be seen that, similar to the interface strength results above, it has been simulated that the volumetric strain increases very slowly. In the figure, l 0 is the vertical length of the rubber material model M 100 nm.

また図19には、他の実施結果が示される。
この例では、フィラーモデル3が略楕円形状にモデル化されたものが例示される。また楕円形をなすフィラーモデル3の長径の軸Gは、図で示されるx軸に対して角度θで傾いている。この例のフィラーモデル3は、例えばカーボンブラックの二次粒子をモデル化したものとして用いられる。
FIG. 19 shows another implementation result.
In this example, the filler model 3 is modeled in a substantially elliptic shape. The major axis G of the elliptical filler model 3 is inclined at an angle θ with respect to the x-axis shown in the figure. The filler model 3 in this example is used as a model of carbon black secondary particles, for example.

図20及び図21には、フィラーモデル3の短径aと、長径bとの比(La/Lb)で表されるアスペクト比を変化させて、上記と同様の条件で変形計算を行った結果が示される。この例では長径の軸がなす角度θは0゜である。図20では、縦軸に巨視構造の平均応力Σ2 が、横軸にその引張歪Γ2 がそれぞれ示されている。図21では、縦軸が対数体積歪Ev である。いずれも引張歪Γ2 の上限は0.4である。図20ないし21の結果から明らかなように、高いアスペクト比のフィラーモデルを含むゴム材料モデルでは、全ての歪区間において、引張変形に対する低い抵抗性と、急速な体積歪の増加が見られる。   20 and 21 show the results of deformation calculation under the same conditions as described above by changing the aspect ratio represented by the ratio (La / Lb) between the minor axis a and the major axis b of the filler model 3. Is shown. In this example, the angle θ formed by the long axis is 0 °. In FIG. 20, the vertical axis represents the mean stress Σ2 of the macroscopic structure, and the horizontal axis represents the tensile strain Γ2. In FIG. 21, the vertical axis represents the logarithmic volume strain Ev. In either case, the upper limit of the tensile strain Γ2 is 0.4. As is apparent from the results of FIGS. 20 to 21, in the rubber material model including the filler model having a high aspect ratio, low resistance to tensile deformation and a rapid increase in volume strain are observed in all strain sections.

さらに、図22及び図23には、フィラーモデル3の短径Laと、長径Lbとの比(La/Lb)で表されるアスペクト比を2.0で一定とし、その長径の角度θを変化(θ=0〜90゜)させて、上記と同様の条件で変形計算を行った結果が示される。図22では、縦軸に巨視構造の平均応力Σ2 が、横軸にその引張歪Γ2 がそれぞれ示されている。図23では、縦軸が対数体積歪Ev である。これらの結果から明らかなように、フィラーモデル3の長径の角度θが増すと、全ての歪区間において、引張変形に対する高い抵抗性が見られ、かつ、エネルギーロスも小さくなる。また角度θが大きいと、体積歪のゆっくりとした増加が引き起こされている。 22 and 23, the aspect ratio represented by the ratio (La / Lb) between the minor axis La and the major axis Lb of the filler model 3 is constant at 2.0, and the angle θ of the major axis is changed. (Θ = 0 to 90 °), and the result of the deformation calculation under the same conditions as described above is shown. In FIG. 22, the vertical axis represents the average stress Σ 2 of the macroscopic structure, and the horizontal axis represents the tensile strain Γ 2 . In FIG. 23, the vertical axis represents the logarithmic volume strain Ev. As is clear from these results, when the angle θ of the major axis of the filler model 3 is increased, high resistance to tensile deformation is observed in all strain sections, and energy loss is reduced. Further, when the angle θ is large, the volumetric strain is slowly increased.

上述のようなゴム材料のシミュレーションは、例えばゴム材へのフィラーの配合割合、フィラーの種類を種々違えたゴム材について、エネルギーロスを含めた粘弾性特性をより詳しく評価することができる。具体的な用途として、例えばフィラーモデルの粒子の大きさやアスペクト比などを種々異ならせてシミュレーションを行い、最適なエネルギーロスが得られる粒子形状を決定し、この形状に基づいて実際のフィラーを試作し、評価することができる。また物性を異ならせたフィラーとマトリックスゴムとを種々組み合わせてシミュレーションを行い、最適なエネルギーロスが得られる配合を調べることもできる。また本発明のシミュレーションでは、フィラーモデルとマトリックスモデルとの剥離というより実際の挙動に近いシミュレーションが可能であり、その結果を利用して実際のゴム材料の試作に先立つ解析を高い精度で行うことも可能とする。   The simulation of the rubber material as described above can evaluate viscoelastic characteristics including energy loss in more detail for rubber materials in which the blending ratio of the filler to the rubber material and the type of filler are variously changed. As a specific application, for example, the particle size and aspect ratio of the filler model are variously simulated to determine the particle shape that gives the optimum energy loss, and an actual filler is prototyped based on this shape. Can be evaluated. It is also possible to conduct a simulation by combining various fillers and matrix rubbers having different physical properties, and to investigate a composition that can obtain an optimum energy loss. In the simulation of the present invention, it is possible to simulate the actual behavior rather than the separation between the filler model and the matrix model, and the analysis can be performed with high accuracy prior to trial production of the actual rubber material using the result. Make it possible.

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. ゴム材料モデル(微視構造)の一実施形態を示す線図である。It is a diagram showing one embodiment of a rubber material model (microscopic structure). そのA部拡大図である。It is the A section enlarged view. 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. (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. 左側図は粘弾性材料の網目構造体を示す斜視図、右側図は8鎖モデルの一例を示す斜視図である。The left view is a perspective view showing a network structure of a viscoelastic material, and the right view is a perspective view showing 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. (A)は初期状態、(B)は変形後のゴム材料モデルの界面の状態を示す略図である。(A) is an initial state, (B) is a schematic diagram showing the interface state of the rubber material model after deformation. 引力と離間距離との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between attractive force and separation distance. 界面の拡大説明図である。It is an expansion explanatory view of an interface. 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概念図である。It is a conceptual diagram which shows the relationship between the microscopic structure explaining the homogenization method, and the whole structure. 変形計算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 deformation | transformation calculation. (A)〜(D)は変形計算の結果を視覚的に示すゴム材料モデルの変形図である。(A)-(D) are the deformation | transformation figures of the rubber material model which show visually the result of a deformation | transformation calculation. ゴム材料モデルの変形計算結果として平均応力と引張歪との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an average stress and a tensile strain as a deformation | transformation calculation result of a rubber material model. ゴム材料モデルの変形計算結果として体積歪と引張歪との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between volume strain and tensile strain as a deformation | transformation calculation result of a rubber material model. 特徴距離δを違えた場合のゴム材料モデルの変形計算結果として、平均応力、体積歪及び引張歪との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship with an average stress, a volume strain, and a tensile strain as a deformation | transformation calculation result of the rubber material model at the time of changing the characteristic distance (delta). ゴム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 rubber material model. フィラーモデルのアスペクト比を異ならせた場合のゴム材料モデルの変形計算結果として平均応力と引張歪との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an average stress and a tensile strain as a deformation | transformation calculation result of the rubber material model when the aspect ratio of a filler model is varied. フィラーモデルのアスペクト比を異ならせた場合のゴム材料モデルの変形計算結果として体積歪と引張歪との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between volume strain and tensile strain as a deformation | transformation calculation result of the rubber material model when the aspect ratio of a filler model is varied. フィラーモデルの長径の角度を異ならせた場合のゴム材料モデルの変形計算結果として平均応力と引張歪との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an average stress and a tensile strain as a deformation | transformation calculation result of the rubber material model at the time of changing the angle of the major axis of a filler model. フィラーモデルの長径の角度を異ならせた場合のゴム材料モデルの変形計算結果として体積歪と引張歪との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a volume strain and a tensile strain as a deformation | transformation calculation result of the rubber material model at the time of changing the angle of the major axis of a filler model. カーボンブラックの配合量を違えたゴム材料の引張試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the tension test result of the rubber material which changed the compounding quantity of carbon black. カーボンブラック配合ゴムの顕微鏡写真である。It is a microscope picture of carbon black compounding rubber.

符号の説明Explanation of symbols

1 コンピュータ装置
2 ゴム材料モデル
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 Rubber material model 3 Matrix model 4 Filler model 5 Interface model

Claims (5)

マトリックスゴムとフィラーとを含むゴム材料の変形をシミュレーションするゴム材料のシミュレーション方法であって、
少なくとも一つの前記フィラーを有限個の要素に分割したフィラーモデルと、
前記マトリックスゴムを、初期状態で前記フィラーモデルの外周面と一致ししかも前記外周面から離間可能な内周面を有した有限個の要素に分割したマトリックスモデルとを含むゴム材料モデルを設定するステップ、
前記ゴム材料モデルに引張変形の条件を与えて変形計算を行うステップ、及び 前記ゴム材料モデルから必要な物理量を取得するステップを含み、
かつ、前記変形計算を行うステップは、前記マトリックスモデルの内周面と、前記フィラーモデルの外周面との離間距離を計算する段階と、
該離間距離に基づいて前記内周面と前記外周面とが互い接近する向きの引力を与える段階とを含むことを特徴とするゴム材料のシミュレーション方法。
A rubber material simulation method for simulating deformation of a rubber material including a matrix rubber and a filler,
A filler model in which at least one filler is divided into a finite number of elements;
A step of setting a rubber material model including a matrix model in which the matrix rubber is divided into a finite number of elements having an inner peripheral surface that matches the outer peripheral surface of the filler model in the initial state and can be separated from the outer peripheral surface. ,
Including a step of performing a deformation calculation by giving a tensile deformation condition to the rubber material model, and a step of obtaining a necessary physical quantity from the rubber material model,
And the step of performing the deformation calculation, calculating a separation distance between the inner peripheral surface of the matrix model and the outer peripheral surface of the filler model,
A method for simulating a rubber material, comprising: applying an attractive force in a direction in which the inner peripheral surface and the outer peripheral surface approach each other based on the separation distance.
前記フィラーは、カーボンブラックである請求項1記載のゴム材料のシミュレーション方法。   The rubber material simulation method according to claim 1, wherein the filler is carbon black. 前記引力は、ゴム材料モデルの負荷変形時において、前記離間距離の増大に伴って徐々に増大しかつピークに至る漸増領域と、
さらなる前記離間距離の増大によって滑らかに減少しかつ前記離間距離が予め定められた特徴距離で零に至る漸減領域とを含む放物状曲線を描く関数に基づいて決定されることを特徴とする請求項1又は2に記載のゴム材料のシミュレーション方法。
The attractive force gradually increases with the increase in the separation distance and reaches a peak at the time of load deformation of the rubber material model, and
4. The method according to claim 1, further comprising: a function that draws a parabolic curve that decreases smoothly as the distance increases further, and that includes a gradually decreasing region that reaches zero at a predetermined characteristic distance. Item 3. The rubber material simulation method according to Item 1 or 2.
前記引力は、前記漸減領域から初期状態への除荷変形において、除荷開始時の値から零まで線形に減少することにより、前記ゴム材料モデルの変形計算においてエネルギーロスが導入されることを特徴とする請求項3に記載のゴム材料のシミュレーション方法。   In the unloading deformation from the gradually decreasing region to the initial state, the attractive force linearly decreases from a value at the start of unloading to zero, thereby introducing an energy loss in the deformation calculation of the rubber material model. The method for simulating a rubber material according to claim 3. 前記ゴム材料モデルは、前記フィラーモデルの前記外周面と、前記マトリックスモデルの前記内周面との間に定義された界面モデルを含むとともに、
前記界面モデルは、初期状態で厚さが零、かつ、該初期状態で互いに重なる前記外周面と前記内周面との節点が離間することにより該節点が囲む大きさに変形する要素からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のゴム材料のシミュレーション方法。
The rubber material model includes an interface model defined between the outer peripheral surface of the filler model and the inner peripheral surface of the matrix model,
The interface model is composed of an element whose thickness is zero in an initial state, and an element that deforms to a size surrounded by the nodes by separating the nodes of the outer peripheral surface and the inner peripheral surface that overlap each other in the initial state. The method for simulating a rubber material according to any one of claims 1 to 4, wherein:
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