JP2007101499A - Method for simulating viscoelastic material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simulation method for accurately analyzing the state of deformation etc. of viscoelastic materials. <P>SOLUTION: The simulation method includes a step for setting a viscoelastic material model, in which a viscoelastic material is divided by element; a step for computing deformations by setting conditions to the viscoelastic material model; and a step for acquiring required physical quantities, on the basis of the deformation computations. A first energy loss property for generating a first energy loss, based on the amount of strain and a second energy loss property for generating a second energy loss, based on the rate of strain are defined in a first cycle of deformation, comprising loading deformation and unloading deformation in the viscoelastic material model. The deformation computations for a second cycle include a process for generating the first and second energy losses in the first cycle and a process for generating only the second energy loss, when the strain does not exceed the maximum strain of the first cycle in the second cycle. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ゴム等の粘弾性材料の変形状態等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 the deformation state of a viscoelastic material such as rubber.

ゴム材料は、タイヤ、スポーツ用品、その他各種の工業製品に広く使用される。これらの試作の手間とコストとを減じるために、ゴム材料の変形状態などを予めコンピュータを用いて計算しかつ予測することが行われている。従来、このような方法として、下記の非特許文献1ないし2が知られている。   Rubber materials are widely used in tires, sporting goods and other various industrial products. In order to reduce the labor and cost of these prototypes, the deformation state of the rubber material is calculated and predicted in advance using a computer. Conventionally, the following Non-Patent Documents 1 and 2 are known as such methods.

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)

J. S. BERGSTROM and M. C. BOYCE 著「 CONSTITUTIVE MODELING OF THE LARGE STRAIN TIME-DEPENDENT BEHAVIOR OF ELASTOMERS」 Journal of the Mechanics and Physics of Solids Volume 46, No.5 PP. 931-954 (1998)J. S. BERGSTROM and M. C. BOYCE, "CONSTITUTIVE MODELING OF THE LARGE STRAIN TIME-DEPENDENT BEHAVIOR OF ELASTOMERS" Journal of the Mechanics and Physics of Solids Volume 46, No. 5 PP. 931-954 (1998)

ところで、ゴム材料にはマリンス(Mullins)効果があることが知られている。ここで、マリンス効果について簡単に述べる。図15に示されるように、先ずゴムをひずみεmまで引っ張った後、除荷する(予備伸張)。このとき、応力−ひずみ曲線は、経路0、R1、R2、0を通ってエネルギーロスが生じる。次に、この予備伸張されたゴムを再度引っ張ると、応カーひずみ曲線は、経路0、R3、R2、0を通り、予備伸張時のそれとは一致しない低い応力を示す。一方、そのゴムをひずみεmを超えてεnまでさらに引っ張ると、経路0、R3、R4、R5、0を通る。マリンス効果は、以上のように、負荷及び除荷という変形の1サイクルを繰り返すと、2サイクル目以降はゴムが軟化する現象である。 By the way, it is known that a rubber material has a Mullins effect. Here, the Malin's effect will be briefly described. As shown in FIG. 15, the rubber is first pulled to a strain ε m and then unloaded (preliminary stretching). At this time, in the stress-strain curve, energy loss occurs through paths 0, R1, R2, and 0. Next, when this pre-stretched rubber is pulled again, the response Kerr curve shows low stress that does not match that during pre-stretch through the paths 0, R3, R2, 0. On the other hand, when the rubber is further pulled to ε n beyond the strain ε m , it passes through paths 0, R3, R4, R5, 0. As described above, the Malin's effect is a phenomenon in which rubber is softened after the second cycle when one cycle of deformation of loading and unloading is repeated.

しかしながら、前記非特許文献1ないし2は、分子鎖網目理論(後で詳しく述べる。)等を用いることにより、ゴム材料を解析することが記載されているが、これらの文献に記載された方法では、上述のマリンス効果を再現できない。   However, Non-Patent Documents 1 and 2 describe that a rubber material is analyzed by using a molecular chain network theory (which will be described in detail later). However, in the methods described in these documents, The above-mentioned Marin's effect cannot be reproduced.

特に、空気入りタイヤ等のゴム製品では、変形サイクルが周期的に繰り返される。従って、それらに用いる粘弾性材料のシミュレーションを精度良く行うためには、このようなマリンス効果を無視することは妥当ではない。   In particular, in rubber products such as pneumatic tires, the deformation cycle is periodically repeated. Therefore, in order to accurately simulate viscoelastic materials used for them, it is not appropriate to ignore such a Malins effect.

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、粘弾性材料モデルに、ひずみを増加させる負荷変形及び該ひずみを減少させる除荷変形からなる変形1サイクルにおいて、前記ひずみ量に基づいてエネルギーロスを生成させる第1のエネルギーロス特性と、ひずみ速度に基づいてエネルギーロスを生成させる第2のエネルギーロス特性とを定義するとともに、2サイクルの変形計算を行う場合に、これらのエネルギーロスを制御することを基本として、いわゆるマリンス効果を再現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。   The present invention has been devised in view of the above-described problems. In the one cycle of deformation including a load deformation for increasing the strain and an unloading deformation for decreasing the strain in the viscoelastic material model, the strain amount is determined. When defining a first energy loss characteristic for generating an energy loss based on the above and a second energy loss characteristic for generating an energy loss based on a strain rate, and performing a two-cycle deformation calculation, An object of the present invention is to provide a viscoelastic material simulation method capable of reproducing the so-called Malin's effect on the basis of controlling energy loss.

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トする方法であって、前記粘弾性材料を数値解析が可能な要素で分割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み、前記粘弾性材料モデルには、ひずみを増加させる負荷変形及び該ひずみを減少させる除荷変形からなる変形1サイクルにおいて、前記ひずみ量に基づいた第1のエネルギーロスを生成させる第1のエネルギーロス特性と、ひずみ速度に基づいた第2のエネルギーロスを生成させる第2のエネルギーロス特性とが定義されるとともに、少なくとも2サイクルの変形計算を行う場合、1サイクル目において、前記第1及び第2のエネルギーロスを生成させる処理と、2サイクル目において、ひずみが1サイクル目の最大ひずみを超えない場合、前記第2のエネルギーロスのみを生成させる処理とを含むことを特徴とする。   The invention according to claim 1 of the present invention is a method for simulating deformation of a viscoelastic material, the step of setting a viscoelastic material model obtained by dividing the viscoelastic material by elements capable of numerical analysis; A step of performing a deformation calculation by setting a condition in the viscoelastic material model; and a step of acquiring a necessary physical quantity from the deformation calculation. The viscoelastic material model includes a load deformation for increasing a strain and the strain. In one deformation cycle consisting of unloading deformation to reduce the first energy loss characteristic that generates the first energy loss based on the strain amount, and the second energy loss that generates the second energy loss based on the strain rate When the deformation calculation of at least two cycles is performed, the first and second energy loss characteristics are defined in the first cycle. A process for generating a Rugirosu, in the second cycle, if the strain does not exceed the maximum strain in the first cycle, characterized by comprising a process of generating only the second energy loss.

また請求項2記載の発明は、前記粘弾性材料モデルには、下記式(1)で示される応力とひずみとの関係が定義されるとともに、前記第1のエネルギーロスは、下記式(1)における1本の分子鎖当たりの平均セグメント数Nを、負荷変形時ではひずみ量に基づいて増加させ、かつ、除荷変形時では除荷を開始したときの値を維持させることにより生成される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。

Figure 2007101499
In the invention according to claim 2, the viscoelastic material model defines a relationship between stress and strain expressed by the following formula (1), and the first energy loss is expressed by the following formula (1). It is generated by increasing the average number of segments N per molecular chain at the time of load deformation based on the amount of strain and maintaining the value when unloading is started at unloading deformation. The viscoelastic material simulation method according to claim 1.
Figure 2007101499

また請求項3記載の発明は、前記粘弾性材料モデルは、ゴムをモデル化したゴムモデルと、前記ゴムに囲まれるフィラーを前記ゴムモデルで囲まれるようにモデル化したフィラーモデルとを含み、かつ前記ゴムモデルは、前記フィラーモデルの周囲を囲む厚さが小さい界面モデルと、この界面モデルを取り囲むマトリックスモデルとからなり、しかもその少なくとも一方に、前記第1及び第2のエネルギーロス特性が定義されることを特徴とする請求項1又は2記載の粘弾性材料のシミュレーション方法である。   The viscoelastic material model includes a rubber model in which rubber is modeled, and a filler model in which a filler surrounded by the rubber is modeled so as to be surrounded by the rubber model, and The rubber model includes an interface model having a small thickness surrounding the filler model and a matrix model surrounding the interface model, and at least one of the first and second energy loss characteristics is defined. The viscoelastic material simulation method according to claim 1, wherein the viscoelastic material is a simulation method.

本発明の粘弾性材料のシミュレーション方法によれば、2サイクル目において、マリンス効果が再現される。従って、現実の加硫ゴムの挙動に近い精度の良いシミュレーション結果を得ることができる。   According to the viscoelastic material simulation method of the present invention, the Malin's effect is reproduced in the second cycle. Therefore, it is possible to obtain an accurate simulation result close to the behavior of actual vulcanized rubber.

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。該コンピュータ装置1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含む。本体1aは、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリー及び磁気ディスク(いずれも図示せず)が設けられる他、CD−ROMやフレキシブルディスクなどのドライブ装置1a1、1a2が設けられる。そして、前記磁気ディスクには、本発明のシミュレーション方法を実行するために必要なプログラムが記憶される。
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, a mouse 1c, and a display device 1d. The main body 1a is provided with an arithmetic processing unit (CPU), a ROM, a working memory, and a magnetic disk (all not shown), and drive devices 1a1, 1a2 such as a CD-ROM and a flexible disk. The magnetic disk stores a program necessary for executing the simulation method of the present invention.

図2には、本実施形態の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2が設定される(ステップS1)。   FIG. 2 shows an example of the processing procedure of the simulation method of the present embodiment. In this embodiment, the viscoelastic material model 2 is first set (step S1).

前記粘弾性材料としては特に限定されないが、本実施形態では、ゴムと、その中に配合されたフィラーとを含むフィラーが充填された加硫ゴムの場合が示される。ただし、解析対象のゴムないし他の粘弾性材料は、実在するか否かは問わない。粘弾性材料モデルは、このゴムに基づいて設定される。図3には、粘弾性材料モデル2の微視構造であるユニットセルUの一例が視覚化して示される。   Although it does not specifically limit as said viscoelastic material, In this embodiment, the case of the vulcanized rubber with which the filler containing rubber | gum and the filler mix | blended in it was filled is shown. However, it does not matter whether the rubber or other viscoelastic material to be analyzed actually exists. The viscoelastic material model is set based on this rubber. In FIG. 3, an example of a unit cell U that is a microscopic structure of the viscoelastic material model 2 is visualized.

前記粘弾性材料モデル2のユニットセルUは、解析しようとするゴムの微小領域を、有限個の小さな要素2a、2b、2c…に分割(置換)することにより設定される。微小領域としては、解析を行いうるサイズであれば特に限定されないが、この例では、縦横それぞれ300×300ナノメータの矩形領域として設定される。   The unit cell U of the viscoelastic material model 2 is set by dividing (substituting) a minute region of rubber to be analyzed into a finite number of small elements 2a, 2b, 2c. The minute region is not particularly limited as long as it can be analyzed, but in this example, it is set as a rectangular region of 300 × 300 nanometers in both vertical and horizontal directions.

各要素2a、2b、2c…は、数値解析が可能に定義される。ここで、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。   Each element 2a, 2b, 2c... Is defined so as to be capable of numerical analysis. Here, the possibility of numerical analysis means that deformation calculation can be performed on each element or the entire system by a numerical analysis method such as a finite element method, a finite volume method, a difference method, or a boundary element method.

具体的には、各要素2a、2b、2c…について、座標系における節点の座標値、要素の形状、材料特性などが数値データにて定義される。各要素2a、2b、2c…には、例えば2次元平面要素として三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面体の要素が用いられる。本実施形態では、前者が用いられる。これらにより、粘弾性材料モデル2は、前記コンピュータ装置1にて変形計算が可能なデータをなす。   Specifically, for each element 2a, 2b, 2c,..., The coordinate value of the node in the coordinate system, the shape of the element, the material property, etc. are defined by numerical data. For each of the elements 2a, 2b, 2c,..., For example, a three or quadrilateral element is used as a two-dimensional plane element, and a tetrahedron element is used as a three-dimensional element. In the present embodiment, the former is used. As a result, the viscoelastic material model 2 forms data that can be deformed by the computer device 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軸方向(図3において紙面と直角方向)にはひずみを持たないものとする。   The viscoelastic material model 2 of this embodiment is analyzed in a plane strain state in a deformation simulation described later. Therefore, it is assumed that there is no distortion in the Z-axis direction (the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 3).

また、本実施形態において、粘弾性材料モデル2は、フィラーがモデル化されたフィラーモデル3と、ゴムがモデル化されたゴムモデル4とを含む。さらに、本実施形態のゴムモデル4は、前記フィラーモデル3の周囲に配されかつ厚さが小さい界面モデル5と、この界面モデル5を取り囲むマトリックスモデル6とを含んでいる。図3では、理解しやすいように、フィラーモデル3は白色、界面モデル5はやや薄い灰色及びマトリックスモデル6は最も濃い灰色でそれぞれ視覚化されている。   In the present embodiment, the viscoelastic material model 2 includes a filler model 3 in which a filler is modeled and a rubber model 4 in which rubber is modeled. Furthermore, the rubber model 4 of this embodiment includes an interface model 5 that is disposed around the filler model 3 and has a small thickness, and a matrix model 6 that surrounds the interface model 5. In FIG. 3, for easy understanding, the filler model 3 is visualized in white, the interface model 5 is slightly light gray, and the matrix model 6 is visualized in the darkest gray.

前記フィラーモデル3は、フィラーとして、例えばカーボンブラックに基づいて設定される。但しフィラーは、上記の具体例に限定されるものではなく、例えばシリカ等の他のフィラーであっても良いのは言うまでもない。また、フィラーモデル3の形状は、例えば、電子顕微鏡にて撮像した実際のゴム中のカーボンブラックの形状に基づいて定められるのが望ましい。   The filler model 3 is set based on, for example, carbon black as a filler. However, it is needless to say that the filler is not limited to the above specific examples, and may be other fillers such as silica. The shape of the filler model 3 is preferably determined based on, for example, the shape of carbon black in the actual rubber imaged with an electron microscope.

図4には、電子顕微鏡にて撮像されたカーボンブラックの斜視図が示される。図のように、カーボンブラックCBは、炭素原子からなる直径数10ナノメータ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のような構造を持つ。本実施形態のフィラーモデル3は、この構造の平面視を基準として設定されている。   FIG. 4 shows a perspective view of carbon black imaged with an electron microscope. As shown in the drawing, the carbon black CB has a structure like a cocoon bundle in which spherical primary particles 7 made of carbon atoms and having a diameter of about several tens of nanometers are irregularly bonded three-dimensionally. The filler model 3 of the present embodiment is set based on a plan view of this 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を持つ。このため、本実施形態において、フィラーモデル3は弾性体として、エネルギーロスは生じないものとして取り扱われる。また、セルユニットUの中で占めるフィラーモデル3の面積ないし体積等は、解析対象のゴムのフィラー充填量などに基づいて定めるのが望ましい。   Carbon black is hundreds of times harder than viscoelastic materials such as rubber. For this reason, in the present embodiment, the filler model 3 is treated as an elastic body and no energy loss occurs. The area or volume of the filler model 3 occupied in the cell unit U is preferably determined based on the filler filling amount of the rubber to be analyzed.

本実施形態において、前記界面モデル5は、フィラーモデル3を連続して取り囲み、かつ、小さい厚さで設定される。ゴムとフィラーとは界面で物理的ないし化学的に結合しており、他の部分では見られない様々な現象、例えば大きな滑りやこれに伴う摩擦が生じていると推察されている。従って、このようなモデル5を設定し、そこに適切なパラメータを与えることは、正確なシミュレーションを行う上で役に立つ。また、界面モデル5は必ずしも連続してフィラーモデル3を連続して取り囲む必要はない。さらに、界面モデル5の厚さtは特に限定はされないが、種々の実験の結果、好ましくは1〜20ナノメートル、より好ましくは5〜10ナノメートルが望ましい。   In this embodiment, the interface model 5 continuously surrounds the filler model 3 and is set with a small thickness. The rubber and the filler are physically or chemically bonded at the interface, and it is assumed that various phenomena that are not seen in other parts, such as a large slip and a friction associated therewith, are generated. Therefore, setting such a model 5 and giving appropriate parameters thereto is useful for performing an accurate simulation. The interface model 5 does not necessarily need to continuously surround the filler model 3. Further, the thickness t of the interface model 5 is not particularly limited. However, as a result of various experiments, it is preferably 1 to 20 nanometers, more preferably 5 to 10 nanometers.

前記マトリックスモデル6は、界面モデル5の外側で該界面モデル5を取り囲むように設定される。ユニットセルUにおいて、マトリックスモデル6は、フィラーモデル3及び界面モデル5を除いた部分であり、ゴムモデル4の主要部を構成している。   The matrix model 6 is set so as to surround the interface model 5 outside the interface model 5. In the unit cell U, the matrix model 6 is a part excluding the filler model 3 and the interface model 5 and constitutes a main part of the rubber model 4.

本実施形態では、ゴムモデル4に、第1のエネルギーロス特性及び第2のエネルギーロス特性が定義される。   In the present embodiment, the first energy loss characteristic and the second energy loss characteristic are defined in the rubber model 4.

図5には、このようなエネルギーロス特性を有するゴムモデル4の変形原理を説明する概念図が示される。ゴムモデル4の個々の要素は、第1の変形ネットワークAと、第2の変形ネットワークBとが並列に結合されたものと等価なもとして考えられる。系全体に発生する応力Sは、第1の変形ネットワークAに生じた応力と、第2の変形ネットワークBに生じた応力との和である。従って、個々のネットワークA、Bの応力を求めることにより、系全体の応力が計算できる。なお、両ネットワークA、Bは並列に結合されているため、各々のネットワークA及びBに生じるひずみ(伸び)はともに同一になる。以下、各変形ネットワークA、Bに基づいたゴムモデル4の応力計算手順について述べる。   FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the deformation principle of the rubber model 4 having such energy loss characteristics. The individual elements of the rubber model 4 are considered to be equivalent to a combination of the first deformation network A and the second deformation network B in parallel. The stress S generated in the entire system is the sum of the stress generated in the first deformation network A and the stress generated in the second deformation network B. Therefore, by obtaining the stress of each of the networks A and B, the stress of the entire system can be calculated. Since both networks A and B are connected in parallel, the strain (elongation) generated in each network A and B is the same. Hereinafter, the stress calculation procedure of the rubber model 4 based on the deformation networks A and B will be described.

<第1の変形ネットワークA>
前記第1の変形ネットワークAは、バネと等価なものとして考えられ、その応力は、バネの伸び(ひずみ)に応じた値になる。このバネの伸びは、ひずみ速度の影響を受けない。従って、第1の変形ネットワークAは、ひずみ速度に依存しない応力を示す。
<First modified network A>
The first deformation network A is considered to be equivalent to a spring, and the stress is a value corresponding to the elongation (strain) of the spring. This spring elongation is not affected by the strain rate. Accordingly, the first deformation network A exhibits a stress that does not depend on the strain rate.

第1の変形ネットワークAの応力の計算には、分子鎖網目理論に基づく8鎖モデルが用いられる。その応力は、速度形式において例えば下記式(1)のものが適用できる。   For the calculation of the stress of the first deformation network A, an 8-chain model based on the molecular chain network theory is used. As the stress, for example, the following formula (1) can be applied in the velocity format.

Figure 2007101499
Figure 2007101499

図6(A)、(B)に示されるように、分子鎖網目理論は、連続体としてのゴム材料aは微視構造da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、と考える理論である。前記接合点bは、例えば分子間の化学的結合等であってそれには架橋点等が含まれる。   As shown in FIGS. 6A and 6B, the molecular chain network theory is that the rubber material a as a continuum is a microscopic structure da, and randomly oriented molecular chains c are connected at a junction b. It is a theory that thinks that it has a mesh structure. 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から構成されるものとする。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と考える。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ることができる。   As shown in FIG. 6C, it is assumed that 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. 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.

また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仮定し、接合点bの回りの摂動は無視される。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する。   Further, in the molecular chain network theory, it is assumed that the average position does not change for a long time with respect to the atomic fluctuation period, and the perturbation around the junction b is ignored. Furthermore, the end-to-end vector of the molecular chain c having two junction points b and b at both ends is assumed to be deformed together with the continuum of the rubber material in which it is embedded.

また図7に示されるように、分子鎖網目理論は、粘弾性材料を巨視的には微小な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。一つの8鎖モデルgは、右側に拡大して示されるように、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つの接合点b2にそれぞれのびる分子鎖cを有するものとし、これらをベースとして応力等の計算が行われる。この8鎖モデルについては、前記非特許文献1において述べられている。   Further, as shown in FIG. 7, in the molecular chain network theory, the viscoelastic material is considered as a cubic network structure h in which microscopic 8-chain models g are aggregated macroscopically. As shown in an enlarged view on the right side, one 8-chain model g represents molecular chains c extending from one junction point b1 defined at the center of the cube to eight junction points b2 provided at each vertex. The stress is calculated based on these. This 8-chain model is described in Non-Patent Document 1.

しかし、本実施形態では、第1の変形ネットワークAにおいて、非特許文献1などが提案する一般的な8鎖モデルを、ひずみ量に基づいた第1のエネルギーロスが生成されるように、以下のような修正を加えて用いられる。   However, in the present embodiment, in the first modified network A, a general 8-chain model proposed by Non-Patent Document 1 or the like is used to generate the first energy loss based on the strain amount as follows. Used with some modifications.

ゴム材料は、荷重負荷における変形過程において、数百%にも達し得る大きな歪が許容される。このメカニズムは、複雑に絡み合った前記分子鎖cの絡み部分(接合点b)がほどける(消滅する)ことにより得られると考えられる。具体的に述べると、図8(A)に示されるように、一つの接合点bで絡み合っている分子鎖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)すると考えられる。そして、同図(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、この接合点bの破損によってエネルギーロスが生じると考えられる。本実施形態のシミュレーションでは、このような分子鎖cの接合点bの破損(消滅)による影響が前記式(1)に取り入れられる。   The rubber material is allowed to have a large strain that can reach several hundred percent in the deformation process under load. This mechanism is considered to be obtained by unraveling (disappearing) the entangled portion (junction point b) of the molecular chain c intricately entangled. Specifically, as shown in FIG. 8 (A), when tensile stress in the direction of the arrow acts on the molecular chains c1 to c4 entangled at one junction point b, each molecular chain c1 to c4 expands. The joint point b is considered to be damaged (disappeared) under a large strain. Then, as shown in FIG. 4B, the 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. And it is thought that energy loss arises by the failure | damage of this junction point b. In the simulation of the present embodiment, the influence due to the breakage (disappearance) of the junction point b of the molecular chain c is taken into the equation (1).

ここで、8鎖モデルにおける分子鎖cのからみの減少と前記セグメントdとの関係について考える。図7に示した網目構造体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。)。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(2)で表される。同様に、網目構造体hに含まれる分子鎖cの数、即ち、ゴムモデル4の単位体積中に含まれる分子鎖の数nは、式(3)で表し得る。
m=(k+1)3 +k3…式(2)
n=8k3 …式(3)
Here, consider the relationship between the decrease in the entanglement of the molecular chain c and the segment d in the 8-chain model. In the mesh structure h shown in FIG. 7, k 8-chain models g are combined in the width direction, the height direction, and the depth direction, respectively, where k is a sufficiently large number. 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 is expressed by the following equation (2). Similarly, the number of molecular chains c contained in the network structure h, that is, the number n of molecular chains contained in a unit volume of the rubber model 4 can be expressed by the formula (3).
m = (k + 1) 3 + k 3 (2)
n = 8k 3 Formula (3)

ここで、kは十分に大きい数のため、その3次項以外を省略すると、上式(2)は次式(4)で表し得る。
m=2k3 …式(4)
さらに上記式(3)及び(4)の関係から、からみ数mは、nを用いて、式(5)で表し得る。
n=4m …式(5)
Here, since k is a sufficiently large number, when the terms other than the third-order term are omitted, the above equation (2) can be expressed by the following equation (4).
m = 2k 3 Formula (4)
Furthermore, from the relationship between the above formulas (3) and (4), the entanglement number m can be expressed by formula (5) using n.
n = 4m Formula (5)

ここで、ゴムモデル4は、変形してもその単位体積中に含まれる分子鎖のセグメントの総数NA には変化がないから、1本の分子鎖に含まれる平均セグメント数をNとすると、式(6)が成り立つ。
A =n・N …式(6)
Here, even if the rubber model 4 is deformed, there is no change in the total number N A of the molecular chain segments contained in the unit volume. Therefore, if the average number of segments contained in one molecular chain is N, Equation (6) holds.
N A = n · N Equation (6)

式(6)をNについて解くと、式(7)が得られる。
N=NA /n …式(7)
Solving equation (6) for N yields equation (7).
N = N A / n ... (7)

また式(7)及び式(5)から式(8)が得られる。
N=NA /4m …式(8)
Moreover, Formula (8) is obtained from Formula (7) and Formula (5).
N = N A / 4m (8)

式(8)から明らかなように、負荷変形によって、ゴムの分子鎖cのからみ数mが減少していくと、1本の分子鎖cに含まれる平均セグメント数Nは増加することになる。従って、負荷、言い換えるとひずみ量に応じて、式(1)の平均セグメント数Nを増加させることにより、分子鎖cのからみの減少を式(1)の中に取り込むことができる。これは、ゴムの変形メカニズムをより精度良く擬似化でき、計算精度を向上させる。ここで、負荷変形とは、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、逆にひずみが減少する変形を除荷変形とする。   As is apparent from the equation (8), when the number of entanglements m of the molecular chain c of rubber decreases due to load deformation, the average number of segments N included in one molecular chain c increases. Accordingly, by increasing the average number of segments N in the equation (1) according to the load, in other words, the amount of strain, the decrease in the entanglement of the molecular chain c can be incorporated into the equation (1). This can simulate the deformation mechanism of rubber with higher accuracy and improve calculation accuracy. Here, the load deformation is a deformation in which the strain of the viscoelastic material model 2 increases during a very short time, and a deformation in which the strain decreases is referred to as an unloading deformation.

前記平均セグメント数Nは、ひずみ量に基づいて様々な方法で増加させることができる。例えば、平均セグメント数Nは、負荷変形時におけるひずみ量自体又はそれに関連したパラメータに基づいて増大するものが望ましい。具体的なパラメータとしては、ひずみの1次の不変量I1 などを挙げることができる。本実施形態では、前記平均セグメント数Nを、下記式(9)で定める。式(9)は、平均セグメント数Nが、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 number of segments N can be increased by various methods based on the amount of strain. For example, it is desirable that the average segment number N increases based on the strain amount during load deformation itself or a parameter related thereto. Specific parameters include the first-order invariant I1 of strain. In the present embodiment, the average segment number N is defined by the following formula (9). Equation (9) indicates that the average number of segments N is a function of the first-order invariant I1 of distortion (more specifically, the parameter λc which is the square root) of each element.

Figure 2007101499
Figure 2007101499

式(9)の上記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、荷重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。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(9)のパラメータAないしEが決定される。 The above A to E in the formula (9) 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. Next, the average number of segments N in each strain is obtained so as to match the curve at the time of loading. Then, the parameters A to E in the equation (9) are determined so as to coincide with the determined average segment N at the time of loading.

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。この例では、上記定数が以下のように設定されている。
A=+2.9493
B=−5.8029
C=+5.5220
D=−1.3582
E=+0.1325
ひずみ量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、λc の上限は約2.5である。後述する変形シミュレーションにおいては、ゴムモデル4の各要素について、負荷変形時ではλcが常に計算される。計算されたλc は、式(9)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、所定のタイミングで計算され、式(1)に取り込まれる。
FIG. 9 shows the relationship between the average number of segments N and the parameter λc. 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
As λ c, which is a parameter related to the amount of strain, increases, the average segment number N increases smoothly. In this example, the upper limit of λ c is about 2.5. In the deformation simulation described later, λ c is always calculated for each element of the rubber model 4 during load deformation. The calculated λ c is substituted into Equation (9), and the average number of segments N of the element in the distortion state is calculated. The average segment number N is calculated at a predetermined timing, and is taken into equation (1).

また、ゴムモデル4の除荷変形時では、1本の分子鎖cに含まれる平均セグメント数Nは、その除荷を開始した時の平均セグメント数Nが、ひずみが零になるまで維持される。従って、除荷時には、分子鎖のからみが解ける(又は消滅する)ことがないため、ゴムモデル4は、負荷時に比べて低い応力で変形できる。これにより、除荷時の軟化現象がシミュレーションに再現される。また、このような第1の変形ネットワークAでは、負荷時と除荷時とでは、同一のひずみ状態において応力が異なる。これにより、応力−ひずみ曲線において、前記第1のエネルギーロスが生成され、これがヒステリシスループを描く。   When the rubber model 4 is unloaded and deformed, the average number of segments N included in one molecular chain c is maintained until the average number of segments N when the unloading is started becomes zero. . Therefore, at the time of unloading, the molecular chain is not entangled (or disappears), so that the rubber model 4 can be deformed with a lower stress than that at the time of loading. Thereby, the softening phenomenon at the time of unloading is reproduced in the simulation. Moreover, in such a 1st deformation network A, stress differs in the same strain state at the time of loading and unloading. Thereby, in the stress-strain curve, the first energy loss is generated, which draws a hysteresis loop.

このように、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を、負荷変形時ではひずみ量に基づいて増加させ、かつ、除荷変形時では除荷を開始したときの値を維持させることにより、第1の変形ネットワークAに、ひずみ量に基づいた第1のエネルギーロスが生成される第1のエネルギーロス特性が定義される。   Thus, the value when the average number of segments N per molecular chain in the formula (1) is increased based on the amount of strain at the time of load deformation and unloading is started at the time of unloading deformation. By maintaining the above, the first energy loss characteristic in which the first energy loss based on the strain amount is generated is defined in the first deformation network A.

<第2の変形ネットワークB>
前記第2の変形ネットワークBは、バネeとダッシュポットpとの直列接続体と等価なものとして考えられる。ダッシュポットpは、ニュートンの粘性法則に従う流体(油等)が封止されたシリンダ筒の中を、オリフィス等が設けられたピストンが移動する減衰装置であり、ピストンの移動速度に比例した抵抗が生じる。また、その抵抗はエネルギーロスになる。
<Second modified network B>
The second deformation network B is considered to be equivalent to a series connection body of the spring e and the dashpot p. The dashpot p is a damping device in which a piston provided with an orifice or the like moves in a cylinder cylinder sealed with a fluid (oil etc.) that complies with Newton's law of viscosity, and has a resistance proportional to the moving speed of the piston. Arise. Moreover, the resistance becomes an energy loss.

第2の変形ネットワークBの全体の伸び(ひずみ)は、バネeの伸びとダッシュポットの伸び(ひずみ)との和になる。また、第2の変形ネットワークBに生じる応力も、バネeの伸び(ひずみ)に応じた値になる。しかし、バネeの伸びは、荷重によって単純に決定されず、ひずみ速度に依存したダッシュポットpの抵抗の影響を受ける。つまり、第2の変形ネットワークBは、ひずみ速度に依存した応力を示す。   The total elongation (strain) of the second deformation network B is the sum of the elongation of the spring e and the elongation (strain) of the dashpot. The stress generated in the second deformation network B also has a value corresponding to the elongation (strain) of the spring e. However, the elongation of the spring e is not simply determined by the load and is affected by the resistance of the dashpot p depending on the strain rate. That is, the second deformation network B shows a stress depending on the strain rate.

ここで、分子鎖網目理論に基づく8鎖モデルは、第2の変形ネットワークBのバネeにも適用される。従って、前記バネeに生じる応力も、前記式(1)を用いて計算される。この計算において、前記1本の分子鎖cに含まれる平均セグメント数Nは、第1の変形ネットワークAの場合のように変化するものでも良く、また固定値であっても良い。   Here, the 8-chain model based on the molecular chain network theory is also applied to the spring e of the second deformation network B. Therefore, the stress generated in the spring e is also calculated using the equation (1). In this calculation, the average number of segments N included in one molecular chain c may change as in the case of the first deformation network A, or may be a fixed value.

また、第2の変形ネットワークBには、第2のエネルギーロス特性が定義される。該第2のエネルギーロス特性は、ひずみ速度に基づいて第2のエネルギーロスを生成させる。即ち、第2の変形ネットワークBでは、ひずみ速度に依存した抵抗がダッシュポットpに生じ、これがバネeの伸長比λc に影響する。伸長比λc は、式(1)のただし書きのように、分子鎖cの各方向の主ストレッチから計算できる。 In the second modified network B, a second energy loss characteristic is defined. The second energy loss characteristic generates a second energy loss based on the strain rate. That is, in the second deformation network B, resistance depending on the strain rate is generated in the dashpot p, which affects the elongation ratio λ c of the spring e. The elongation ratio λ c can be calculated from the main stretch in each direction of the molecular chain c, as in the proviso of equation (1).

次に、第2の変形ネットワークBにおいて、各主ストレッチλi (Be)は、次の手順により計算される。なおλの添字iは各方向を表し(i=1、2…)、二次元であればx,yを意味する。また右肩の添字(Be)は第1の変形ネットワークAの主ストレッチと区別するための符号である。 Next, in the second deformation network B, each main stretch λ i (Be) is calculated by the following procedure. Note that the subscript i of λ represents each direction (i = 1, 2,...), And in two dimensions means x and y. The subscript (Be) on the right shoulder is a code for distinguishing from the main stretch of the first deformation network A.

先ず第2の変形ネットワークBにおける相当せん断応力τ(B) が、式(10)で計算される。式(10)のσ(B)' は、前ステップの計算で得られた第2の変形ネットワークBの相当応力である。また、ダッシュポットpのひずみ速度が、相当せん断応力τ(B)及びλc (Bp)の値を用いて式(11)から計算される。なお式(11)のλc (Bp)は、ダッシュポットの伸長比であり、この値は、前回の計算値λi (Bp)(後述の式(14)で計算される。)から式(1)のただし書きの方法に準じて計算される。 First, the equivalent shear stress τ (B) in the second deformation network B is calculated by the equation (10). Σ (B) ′ in Expression (10) is the equivalent stress of the second deformation network B obtained by the calculation in the previous step. Further, the strain rate of the dashpot p is calculated from the equation (11) using the values of the equivalent shear stresses τ (B) and λ c (Bp) . Note that λ c (Bp) in equation (11) is the dashpot expansion ratio, and this value is calculated from the previous calculated value λ i (Bp) (calculated by equation (14) described later ) . Calculated according to the proviso method in 1).

Figure 2007101499
Figure 2007101499

また前記ひずみ速度から、ダッシュポットpの変形速度D(Bp)が、式(12)より計算され、該変形速度D(Bp)からダッシュポットpの伸びが式(13)及び(14)で計算される。ここで、添字tは計算の時間ステップを示し、Δtはその増分である。 From the strain rate, the deformation rate D (Bp) of the dashpot p is calculated from the equation (12), and the elongation of the dashpot p is calculated from the deformation rate D (Bp) by the equations (13) and (14). Is done. Here, the subscript t indicates the time step of calculation, and Δt is the increment.

Figure 2007101499
Figure 2007101499

そして、第2の変形ネットワークBのバネeの各ストレッチλi (Be)は、下記式(15)から得られる。なお式(15)中、λi は、第2の変形ネットワークBの全体の伸長比である。 Then, each stretch λ i (Be) of the spring e of the second deformation network B is obtained from the following equation (15). In equation (15), λ i is the overall expansion ratio of the second deformation network B.

Figure 2007101499
Figure 2007101499

前記λc (Be)は、式(1)に代入され、これにより、第2の変形ネットワークBの応力が計算される。この応力は、ダッシュポットの作用と等価なメカニズムにより、ひずみ速度に依存したものになる。また、この変形ネットワークBの応力−ひずみ線図では、ひずみ速度に依存したエネルギーロスを持つように、ヒステリシスループを描く。ひずみ速度の依存性については、前記式(11)の各材料定数を適宜決定することにより調節できる。 The λ c (Be) is substituted into the equation (1), whereby the stress of the second deformation network B is calculated. This stress depends on the strain rate by a mechanism equivalent to the action of the dashpot. In the stress-strain diagram of the deformation network B, a hysteresis loop is drawn so as to have an energy loss depending on the strain rate. About the dependence of a strain rate, it can adjust by determining each material constant of said Formula (11) suitably.

そして、第1の変形ネットワークAの応力と第2の変形ネットワークBの応力との和によってゴムモデル4の全体の応力が計算される。   Then, the total stress of the rubber model 4 is calculated by the sum of the stress of the first deformation network A and the stress of the second deformation network B.

このような第1及び第2のエネルギーロス特性は、ゴムモデル4のうち、界面モデル5又はマトリックスモデル6の少なくとも一方に与えられれば良いが、好ましくは両方に定義されることが望ましい。   Such first and second energy loss characteristics may be given to at least one of the interface model 5 or the matrix model 6 in the rubber model 4, but it is preferable that they be defined in both.

また界面モデル5と前記マトリックスモデル6とは、異なる粘弾性特性が定義されるのが望ましい。ここで言う粘弾性特性とは、図10に示されるように、任意の変形速度における応力−ひずみ曲線で表される特性を含む。例えば図10のように、界面モデル5をマトリックスモデル6よりも軟らかく設定することが望ましい。これにより、界面付近でのひずみを相対的に増加させ、界面でのゴムとフィラーとの間の大きなすべりを疑似化するのに役立つ。またヒステリシスループの面積が異なるようにも構成できる。この態様では、同一応力の場合、界面モデル5のひずみは、マトリックスモデル6よりも大きくなるように粘弾性特性が定められている。ただし、このような態様に限定されるものではない。   It is desirable that the interface model 5 and the matrix model 6 have different viscoelastic characteristics. The viscoelastic characteristics referred to herein include characteristics represented by a stress-strain curve at an arbitrary deformation rate, as shown in FIG. For example, as shown in FIG. 10, it is desirable to set the interface model 5 to be softer than the matrix model 6. This relatively increases the strain near the interface and helps to simulate the large slip between the rubber and filler at the interface. Moreover, it can also comprise so that the area of a hysteresis loop may differ. In this aspect, the viscoelastic characteristics are determined so that the strain of the interface model 5 is larger than that of the matrix model 6 in the case of the same stress. However, it is not limited to such an aspect.

次に本実施形態のシミュレーション方法では、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11に示される。変形シミュレーションでは、先ず各種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 material model 2 (step S3). A specific processing procedure of the deformation simulation is shown in FIG. In the deformation simulation, first, various data are 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が作成され(ステップS32)、しかる後、全体構造の剛性マトリックスが組み立てられる(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)、前記式などを用いて各要素の応力、主応力及び/又はひずみといった物理量が計算されかつ出力される(ステップS36ないし37)。この物理量は、適宜コンピュータ装置1に記憶される。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以降が繰り返される。   In the computer apparatus 1, a stiffness matrix of each element is created based on the input data (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, the unknown node displacement is determined (step S35), and physical quantities such as stress, principal stress and / or strain of each element are calculated and output using the above formulas (steps S36 to 37). This physical quantity is stored in the computer apparatus 1 as appropriate. In step S38, it is determined whether or not to end the calculation. If negative, step S32 and subsequent steps are repeated.

なお、シミュレーションは、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 can be performed using, for example, engineering analysis application software using a finite element method (for example, LS-DYNA developed and improved by Livermore Software Technology, Inc., USA).

また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、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が近似的に求められる。   In addition, this simulation illustrates a mode performed based on a homogenization method (asymptotic expansion homogenization method). In the homogenization method, if the analysis target area is composed of repetitions of an arbitrary microscopic structure, and the repetition degree is very dense, the analysis target area cannot be discretized directly by the finite element method. By substituting for the analysis of 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.

具体例で述べると、均質化法では、図12に示されるように、材料モデル2のユニットセルUを周期的に持っている材料全体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、ユニットセルUのモデル構造を反映させた材料全体Mの平均的な力学応答を求め得る。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。 More specifically, in the homogenization method, as shown in FIG. 12, x I representing the whole material M periodically having the unit cell U of the material model 2 and the microscopic structure are represented. Two independent variables with y I are 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 material M reflecting the model structure of the unit cell U can be obtained. 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,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.
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.

本実施形態では、式(1)及び(10)の定数等を次のように設定して変形シミュレーションが行われた。
R =0.268
N=6.6
T=296
B =1.38066×10-29
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
In the present embodiment, the deformation simulation is performed by setting the constants and the like of the expressions (1) and (10) as follows.
C R = 0.268
N = 6.6
T = 296
k B = 1.38066 × 10 −29
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

さらに変形シミュレーションは、材料全体Mの解析領域に一軸引張変形を発生させた。引張条件は、図12のx2方向にひずみ速度=0.01(/s)とし、4サイクルの変形が順番に行われた。各サイクルの引張り量は次の通りとした。
1サイクル目:100%(伸長比2.0)
2サイクル目:100%(伸長比2.0)
3サイクル目:200%(伸長比3.0)
4サイクル目:200%(伸長比3.0)
Further, in the deformation simulation, uniaxial tensile deformation was generated in the analysis region of the entire material M. Tensile condition, the x 2 direction strain rate = 0.01 in FIG. 12 (/ s), the deformation of the four cycles were performed in order. The amount of tension in each cycle was as follows.
1st cycle: 100% (elongation ratio 2.0)
Second cycle: 100% (elongation ratio 2.0)
3rd cycle: 200% (elongation ratio 3.0)
4th cycle: 200% (elongation ratio 3.0)

また変形シミュレーションでは、各ひずみ状態において、ゴムモデル4の平均セグメント数Nが式(9)により計算され、その値を式(1)へ逐次代入した。また材料モデルは、厚さ方向(図3のZ軸方向)に変化しないように拘束条件が与えられた。さらに、界面モデル5及びマトリックスモデル6の平均セグメント数Nは、次のように設定した。   In the deformation simulation, the average number of segments N of the rubber model 4 was calculated by the equation (9) in each strain state, and the value was sequentially substituted into the equation (1). The material model was constrained so as not to change in the thickness direction (Z-axis direction in FIG. 3). Furthermore, the average segment number N of the interface model 5 and the matrix model 6 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=-3.2368+20.6175λc-21.8168λc 2+10.8227λc 3 -1.9003λc 4
・除荷変形時の平均セグメント数
N=6.6
・分子鎖のセグメントの総数(一定)
A =4.3281×1026
<Matrix model>
・ Average number of segments during load deformation N = -3.2368 + 20.6175λ c -21.8168λ c 2 + 10.8227λ c 3 -1.9003λ c 4
・ Average number of segments at unloading deformation N = 6.6
・ Total number of molecular chain segments (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=-5.9286+20.6175λc-21.8168λc 2+10.8227λc 3 -1.9003λc 4
・除荷変形時の平均セグメント数
N=3.91
・分子鎖のセグメントの総数(一定)
A =3.203×1025
<Interface model>
・ Average number of segments during load deformation N = -5.9286 + 20.6175λ c -21.8168λ c 2 + 10.8227λ c 3 -1.9003λ c 4
・ Average number of segments at unloading deformation N = 3.91
・ Total number of molecular chain segments (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、各計算ステップのタイミング毎に必要な物理量を得る(ステップS4)。図13(A)、(B)には、粘弾性材料モデルの1ないし2サイクル目の応力−伸長比の関係を示すグラフが、また、図14(A)、(B)には、粘弾性材料モデルの3ないし4サイクル目の応力−伸長比の関係を示すグラフが示される。   When the deformation calculation is performed, a necessary physical quantity is obtained for each calculation step timing from the result (step S4). FIGS. 13A and 13B are graphs showing the relationship between the stress-elongation ratios of the first and second cycles of the viscoelastic material model, and FIGS. 14A and 14B are viscoelasticity. A graph showing the stress-elongation ratio relationship at the third to fourth cycles of the material model is shown.

図から明らかなように、粘弾性材料モデル2は、2サイクル目以降、マリンス効果が再現されていることが確認できる。   As is clear from the figure, it can be confirmed that the viscoelastic material model 2 reproduces the Malin's effect after the second cycle.

即ち、1サイクル目の応力−伸長比のグラフが描くループは、第1のエネルギーロスE1及び第2のエネルギーロスE2をともに含んでいる。即ち、負荷変形では、概念的には、ひずみ量に基づいて分子鎖cの結合点bの破損が生じるので、1本の分子鎖当たりの平均セグメント数が増加し、第1のエネルギーロスが生成される。また、変形ネットワークBでは、ひずみ速度に基づいたダッシュポットの抵抗(エネルギーロス)が生じるので、これに基づいた第2のエネルギーロスが生成される。   That is, the loop drawn by the first cycle stress-elongation ratio graph includes both the first energy loss E1 and the second energy loss E2. That is, in the load deformation, conceptually, the bond point b of the molecular chain c is broken based on the amount of strain, so the average number of segments per molecular chain is increased and the first energy loss is generated. Is done. Further, in the deformation network B, a dashpot resistance (energy loss) based on the strain rate is generated, so that a second energy loss based on this is generated.

また、図13において、1サイクル目と同じひずみ量の2サイクル目では、第1のエネルギーロスが生成されず、第2のエネルギーロスだけが生成されていることがわかる。これは、2サイクル目のひずみ量が1サイクル目の最大ひずみを超えていないので、分子鎖cの結合点bが新たに破損しないことに基づいている、従って、この実施形態では、2サイクル目の負荷変形は、1サイクル目の除荷変形と同じ経路を通ることになる。他方、2サイクル目においても、そのひずみ速度に基づいた第2のエネルギーロスは生じるので、図13(B)のように、応力−伸長比曲線は、1サイクル目の除荷変形と同じ経路を通ることになる。   Moreover, in FIG. 13, it turns out that the 1st energy loss is not produced | generated in the 2nd cycle of the same distortion amount as the 1st cycle, and only the 2nd energy loss is produced | generated. This is based on the fact that the bond point b of the molecular chain c is not newly damaged because the strain amount in the second cycle does not exceed the maximum strain in the first cycle. In this case, the load deformation takes the same path as the unloading deformation in the first cycle. On the other hand, since the second energy loss based on the strain rate also occurs in the second cycle, the stress-elongation ratio curve follows the same path as the unloading deformation in the first cycle as shown in FIG. Will pass.

また、3サイクル目の曲線は、負荷変形時、伸長比が1ないし2サイクル目と等しい2.0までの間は、2サイクル目と同じ経路を通る、しかし、伸長比が2.0を超えると、新たな分子鎖cの結合点bが破損するため、応力が上昇し、ひずみ量に基づいた第1のエネルギーロスが再び生成されることになる。また、1ないし2サイクル目と同様、ひずみ速度に応じて第2のエネルギーロスも生じ得る。   The curve of the third cycle passes the same path as the second cycle until the elongation ratio is 2.0, which is the same as the first to second cycles, when the load is deformed, but the elongation ratio exceeds 2.0. Then, since the bond point b of the new molecular chain c is broken, the stress increases, and the first energy loss based on the strain amount is generated again. Similarly to the first or second cycle, a second energy loss may occur depending on the strain rate.

また、4サイクル目では、2サイクル目と同様、ひずみが3サイクル目の最大ひずみを超えないので、分子鎖cの結合点bが新たに破損して消滅することはない。このため、4サイクル目の負荷変形は、3サイクル目の除荷変形と同じ経路を通る。このため、ひずみ量に基づいた第1のエネルギーロスは生成されず、ひずみ速度に応じた前記第2のエネルギーロスのみが生じることになる。   In the 4th cycle, as in the 2nd cycle, the strain does not exceed the maximum strain in the 3rd cycle, so that the bond point b of the molecular chain c is not newly damaged and disappears. For this reason, the load deformation in the fourth cycle follows the same path as the unload deformation in the third cycle. For this reason, the first energy loss based on the strain amount is not generated, and only the second energy loss corresponding to the strain rate occurs.

以上のように、本実施形態のシミュレーション方法によれば、粘弾性材料、とりわけ加硫ゴムに見られるマリンス効果をシミュレーション上に正確に再現することができる。従って、繰り返し荷重を受けて周期的に変形するような空気入りタイヤのゴム材料の性能評価をより精度良く行うことができる。   As described above, according to the simulation method of the present embodiment, it is possible to accurately reproduce the Marin's effect found in viscoelastic materials, particularly vulcanized rubber, on the simulation. Therefore, it is possible to perform the performance evaluation of the rubber material of the pneumatic tire that deforms periodically under a repeated load with higher accuracy.

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微視構造の一実施形態を示す線図である。It is a diagram which shows one Embodiment of the microscopic structure 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. ゴムモデルの変形原理を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the deformation | transformation principle of a rubber model. (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. 粘弾性材料の網目構造体及びそれを構成する8鎖モデルの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the network structure of a viscoelastic material, and the 8-chain model which comprises it. (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. 任意の変形速度における界面モデル及びマトリックスモデルの応力−ひずみ曲線である。It is a stress-strain curve of an interface model and a matrix model at an arbitrary deformation rate. 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. 均質化法を説明する全体構造とそのユニットセルとの関係を示す。The relationship between the whole structure explaining the homogenization method and its unit cell is shown. (A)は変形シミュレーションの1サイクル目、(B)はその2サイクル目を示し、それぞれ応力−伸長比の関係を示すグラフである。(A) is the 1st cycle of deformation | transformation simulation, (B) is the 2nd cycle, and is a graph which shows the relationship of stress-elongation ratio, respectively. (A)は変形シミュレーションの1サイクル目、(B)はその2サイクル目を示し、それぞれ応力−伸長比の関係を示すグラフである。(A) is the 1st cycle of deformation | transformation simulation, (B) is the 2nd cycle, and is a graph which shows the relationship of stress-elongation ratio, respectively. ゴム材料のマリンス効果を説明する応力ひずみ線図である。It is a stress-strain diagram explaining the Marin's effect of a rubber material.

符号の説明Explanation of symbols

1 コンピュータ装置
2 材料モデル
3 フィラーモデル
4 ゴムモデル
5 界面モデル
6 マトリックスモデル
1 Computer device 2 Material model 3 Filler model 4 Rubber model 5 Interface model 6 Matrix model

Claims (3)

粘弾性材料の変形をシミュレートする方法であって、
前記粘弾性材料を数値解析が可能な要素で分割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み、
前記粘弾性材料モデルには、ひずみを増加させる負荷変形及び該ひずみを減少させる除荷変形からなる変形1サイクルにおいて、前記ひずみ量に基づいた第1のエネルギーロスを生成させる第1のエネルギーロス特性と、ひずみ速度に基づいた第2のエネルギーロスを生成させる第2のエネルギーロス特性とが定義されるとともに、
少なくとも2サイクルの変形計算を行う場合、1サイクル目において、前記第1及び第2のエネルギーロスを生成させる処理と、
2サイクル目において、ひずみが1サイクル目の最大ひずみを超えない場合、前記第2のエネルギーロスのみを生成させる処理とを含む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 method of simulating deformation of a viscoelastic material,
Setting a viscoelastic material model obtained by dividing the viscoelastic material by elements capable of numerical analysis;
Performing deformation calculation by setting conditions in the viscoelastic material model;
Obtaining a necessary physical quantity from the deformation calculation,
The viscoelastic material model includes a first energy loss characteristic that generates a first energy loss based on the strain amount in one deformation cycle including a load deformation that increases strain and an unload deformation that decreases the strain. And a second energy loss characteristic that generates a second energy loss based on the strain rate is defined,
When performing deformation calculation of at least two cycles, a process of generating the first and second energy losses in the first cycle;
And a process of generating only the second energy loss when the strain does not exceed the maximum strain of the first cycle in the second cycle.
前記粘弾性材料モデルには、下記式(1)で示される応力とひずみとの関係が定義されるとともに、
前記第1のエネルギーロスは、下記式(1)における1本の分子鎖当たりの平均セグメント数Nを、負荷変形時ではひずみ量に基づいて増加させ、かつ、除荷変形時では除荷を開始したときの値を維持させることにより生成される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。
Figure 2007101499
In the viscoelastic material model, a relationship between stress and strain represented by the following formula (1) is defined,
The first energy loss increases the average number of segments N per molecular chain in the following formula (1) based on the amount of strain during load deformation, and starts unloading during unloading deformation. The viscoelastic material simulation method according to claim 1, wherein the viscoelastic material is generated by maintaining a value obtained when the viscoelastic material is maintained.
Figure 2007101499
前記粘弾性材料モデルは、ゴムをモデル化したゴムモデルと、前記ゴムに囲まれるフィラーを前記ゴムモデルで囲まれるようにモデル化したフィラーモデルとを含み、
かつ前記ゴムモデルは、前記フィラーモデルの周囲を囲む厚さが小さい界面モデルと、この界面モデルを取り囲むマトリックスモデルとからなり、しかもその少なくとも一方に、前記第1及び第2のエネルギーロス特性が定義されることを特徴とする請求項1又は2記載の粘弾性材料のシミュレーション方法。
The viscoelastic material model includes a rubber model that models rubber, and a filler model that is modeled so that a filler surrounded by the rubber is surrounded by the rubber model,
The rubber model includes an interface model having a small thickness surrounding the filler model and a matrix model surrounding the interface model, and at least one of the first and second energy loss characteristics is defined. The viscoelastic material simulation method according to claim 1, wherein the viscoelastic material is simulated.
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