JP2008122154A - Manufacturing method of rubber material analyzing model - Google Patents
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Description
本発明は、フィラーが配合されたゴム材料の変形状態等を精度良く解析するのに役立つゴム材料解析モデルを作成する方法に関する。 The present invention relates to a method for creating a rubber material analysis model useful for accurately analyzing a deformation state or the like of a rubber material containing a filler.
タイヤをはじめとして工業的に広く使用されているゴム材料は、原料としてのマトリックスゴムにカーボンブラック及び/又はシリカといったフィラー(充填材)を配合されることにより、その加硫ゴムの弾性率や引張強度が大幅に向上することが知られている。例えば、カーボンブラックが配合されたゴム材料は、負荷時に比べて除荷時の応力が低下するといういわゆるヒステリシス(履歴現象)が、カーボンブラックを配合していないゴム材料に比べて顕著に表れる。このようなヒステリシスは、ゴム材料の機能に密接に影響する。しかしながら、その詳細なメカニズムや材料内部の微視的変形挙動、特にゴム材料の特性に大きく影響を及ぼすと考えられているカーボンブラックの粒子とゴムとの界面部分の影響については、実験的観察が困難であるため、未だ不明な点が多い。 Rubber materials that are widely used industrially, including tires, are blended with fillers such as carbon black and / or silica in matrix rubber as a raw material. It is known that the strength is greatly improved. For example, a rubber material compounded with carbon black exhibits a so-called hysteresis (history phenomenon) in which stress during unloading is lower than when loaded, as compared with a rubber material not compounded with carbon black. Such hysteresis closely affects the function of the rubber material. However, experimental observations have been conducted on the detailed mechanism and microscopic deformation behavior inside the material, especially the influence of the carbon black particle and rubber interface, which is considered to have a significant effect on the properties of the rubber material. Because it is difficult, there are still many unclear points.
そこで、近年では上記のゴム材料の変形挙動をより詳細に調べるために、コンピュータを用いた有限要素法によるシミュレーション解析が提案されている(例えば、下記特許文献1、2並びに3及び非特許文献1参照。)。
Therefore, in recent years, in order to investigate the deformation behavior of the rubber material in more detail, simulation analysis by a finite element method using a computer has been proposed (for example,
上記非特許文献1には、例えば図15に示されるように、マトリックスゴムを四面体要素e1で分割(モデル化)したマトリックスゴムモデルaと、フィラーの粒子を四面体要素e1で分割したこの例では4つのフィラーモデルbとからなるゴム材料解析モデルcが提案されている。 In Non-Patent Document 1, for example, as shown in FIG. 15, a matrix rubber model a obtained by dividing (modeling) a matrix rubber by a tetrahedral element e1, and an example in which filler particles are divided by a tetrahedral element e1. Has proposed a rubber material analysis model c comprising four filler models b.
このようなゴム材料解析モデルcは、例えば、汎用メュシュ生成ソフトウエアを利用して作成することができるという利点を有する。即ち、この種のメッシュ生成ソフトウエアは、予め分割する三次元領域の情報及び必要な条件(例えば分割数や要素形状など)を入力することにより、その条件に基づいて自動的に要素分割することができる。しかも、多くのソフトウエアが、四面体要素を用いた分割機能を標準でサポートしている。従って、汎用ソフトウエアのこのような機能を用いることにより、マトリックスゴム及びフィラーの領域をそれぞれ四面体要素で容易に分割することができる。 Such a rubber material analysis model c has an advantage that it can be created using, for example, general-purpose mesh generation software. In other words, this kind of mesh generation software automatically inputs the elements based on the conditions by inputting the information of the three-dimensional area to be divided in advance and the necessary conditions (for example, the number of divisions and element shapes). Can do. Moreover, many softwares support the division function using tetrahedral elements as a standard. Therefore, by using such a function of the general-purpose software, the matrix rubber and filler regions can be easily divided by the tetrahedral elements.
しかしながら、全てが四面体要素で分割されたマトリックスゴムモデルaは次のような欠点がある。 However, the matrix rubber model a in which all are divided by tetrahedral elements has the following drawbacks.
先ず、コンピュータによるゴム材料の変形シミュレーションでは、通常、ゴムは非圧縮性材料、即ち変形しても体積が変化しないものとして取り扱われる。他方、カーボンブラック等のフィラーは、ゴムに比して十分に固いので剛体又は硬質の弾性体として定義される。 First, in a deformation simulation of a rubber material by a computer, normally, rubber is handled as an incompressible material, that is, a volume that does not change even when deformed. On the other hand, fillers such as carbon black are defined as rigid bodies or hard elastic bodies because they are sufficiently harder than rubber.
このような状況において、例えば図16に示されるように、フィラーモデルbの外面に配されたマトリックスゴムモデルaの四面体要素e1は、例えばゴム材料モデルcに引張荷重Fが与えられた場合、フィラーモデルbと共有されている節点n1及びn2は、フィラーモデルb自体が実質的に変形しないので移動できない。また、前述の非圧縮性の性質より、四面体要素eは体積変化を伴う変形ができないので、当該要素eの頂部の節点n3は、引張荷重Fを受けているにも拘わらず、それに沿った方向に変位できないという不都合が生じる(なお、仮想線で示すように、節点n3は、左右方向には変位可)。このため、従来のゴム材料の解析モデルcでは、フィラーモデルbとの界面に配されたマトリックスゴムモデルaの要素の変形が実際の挙動とは大きく異なったものとなり、これが計算精度を悪化させていることを発明者らは知見した。 In such a situation, for example, as shown in FIG. 16, when the tetrahedron element e1 of the matrix rubber model a disposed on the outer surface of the filler model b is given a tensile load F to the rubber material model c, for example, The nodes n1 and n2 shared with the filler model b cannot move because the filler model b itself does not substantially deform. Further, because of the incompressible nature described above, the tetrahedron element e cannot be deformed with a volume change, so that the node n3 at the top of the element e follows the tensile load F in spite of it. There arises a disadvantage that it cannot be displaced in the direction (note that the node n3 can be displaced in the left-right direction as indicated by a virtual line). For this reason, in the analysis model c of the conventional rubber material, the deformation of the elements of the matrix rubber model a arranged at the interface with the filler model b is greatly different from the actual behavior, which deteriorates the calculation accuracy. The inventors have found that this is the case.
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、マトリックスゴムのうちフィラーと接触しかつ任意の厚さを有するフィラー界面側部分を、高さ方向が前記厚さ方向に揃えられた有限個の三角柱要素で分割することを基本として、前記フィラー界面側部分の適切な変形を表現可能とし、ひいては計算精度の低下を防止しうるゴム材料解析モデルの作成方法を提供することを主たる目的としている。 The present invention has been devised in view of the above problems, and the filler interface side portion of the matrix rubber that contacts the filler and has an arbitrary thickness is aligned in the thickness direction in the height direction. A method for creating a rubber material analysis model capable of expressing an appropriate deformation of the filler interface side portion and thus preventing a decrease in calculation accuracy is provided based on the division by a finite number of triangular prism elements. The main purpose.
本発明のうち請求項1記載の発明は、マトリックスゴムにフィラーを配合したゴム材料の変形を、コンピュータを用いてシミュレーションするときに用いられる三次元のゴム材料解析モデルを作成するための方法であって、三次元形状の前記フィラーを、有限個の四面体要素で分割することによりフィラーモデルを設定するステップ、前記マトリックスゴムのうち前記フィラーと接触しかつ任意の厚さを有するフィラー界面側部分を、高さ方向が前記厚さ方向に揃えられた有限個の三角柱要素で分割することにより第1のマトリックスゴムモデルを設定するステップ及び前記第1のマトリックスゴムモデルの外面と予め定められた空間との間の領域を有限個の四面体要素で分割することにより第2のマトリックスゴムモデルを設定するステップを含むことを特徴とする。 The invention described in claim 1 of the present invention is a method for creating a three-dimensional rubber material analysis model used when a deformation of a rubber material in which a filler is mixed with a matrix rubber is simulated using a computer. A step of setting a filler model by dividing the filler having a three-dimensional shape by a finite number of tetrahedral elements, a filler interface side portion that contacts the filler and has an arbitrary thickness of the matrix rubber A step of setting a first matrix rubber model by dividing it by a finite number of triangular prism elements whose height direction is aligned in the thickness direction, and an outer surface of the first matrix rubber model and a predetermined space; A step for setting the second matrix rubber model by dividing the region between the two by a finite number of tetrahedral elements. Characterized in that it comprises a.
また請求項2記載の発明は、前記第1のマトリックスゴムモデルは、その厚さがフィラーモデルの粒径の1〜100%である請求項1記載のゴム材料解析モデルの作成方法である。
The invention according to
また請求項3記載の発明は、前記第1のマトリックスゴムモデルは、前記厚さ方向に複数重ねられている請求項1又は2記載のゴム材料解析モデルの作成方法である。 A third aspect of the present invention is the rubber material analysis model creation method according to the first or second aspect, wherein a plurality of the first matrix rubber models are stacked in the thickness direction.
本発明の方法では、三次元形状のフィラーを、有限個の四面体要素で分割することによりフィラーモデルが設定される。このような処理は、例えば汎用のメッシュ生成ソフトウエアを用いて容易に行うことができる。また、本発明では、マトリックスゴムのうちフィラーと接触しかつ任意の厚さを有するフィラー界面側部分が、高さ方向が前記厚さ方向に揃えられた有限個の三角柱要素で分割することにより第1のマトリックスゴムモデルが設定される。このような三角柱要素は、その三角形の面積を変形させることによって体積変化を生じることなくその高さ方向に引き延ばされる変形を可能とする。従って、引張時の変形等を現実の挙動と乖離することなく表現できる。従って、シミュレーションの計算精度の低下を防止できる。さらに、第2のマトリックスゴムモデルも、フィラーモデルと同様に有限個の四面体要素で分割されるため、第1のマトリックスゴムモデルとの接合を容易に行うことができる。 In the method of the present invention, a filler model is set by dividing a three-dimensional filler by a finite number of tetrahedral elements. Such processing can be easily performed using, for example, general-purpose mesh generation software. In the present invention, the filler interface side portion of the matrix rubber that contacts the filler and has an arbitrary thickness is divided by a finite number of triangular prism elements whose height direction is aligned with the thickness direction. 1 matrix rubber model is set. Such a triangular prism element can be deformed by extending in the height direction without causing a volume change by deforming the area of the triangle. Therefore, deformation at the time of tension can be expressed without deviating from actual behavior. Therefore, it is possible to prevent a reduction in simulation calculation accuracy. Furthermore, since the second matrix rubber model is also divided by a finite number of tetrahedral elements as in the filler model, it is possible to easily join the first matrix rubber model.
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づき説明する。
本発明は、マトリックスゴムにカーボンブラックやシリカといったフィラーが配合されたゴム材料(加硫ゴム)の変形を、コンピュータを用いてシミュレーションするときに用いられる三次元のゴム材料解析モデルを作成するための方法である。本実施形態では、図1に示されるように、マトリックスゴム2に、複数のフィラー(フィラー粒子)3が配合された加硫ゴム1の三次元のゴム材料解析モデル(シミュレーションモデル)を生成する手順が説明される。この手順の全部ないし大部分は、図示しないコンピュータ装置を用いて行われる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The present invention is for creating a three-dimensional rubber material analysis model used when simulating deformation of a rubber material (vulcanized rubber) in which fillers such as carbon black and silica are blended with matrix rubber using a computer. Is the method. In this embodiment, as shown in FIG. 1, a procedure for generating a three-dimensional rubber material analysis model (simulation model) of vulcanized rubber 1 in which a plurality of fillers (filler particles) 3 are blended with
図1の加硫ゴム1は、予め定められた一定の体積を有し、その中に滑らかな球状をなす4つのフィラー3が分散して配置されている。例えばカーボンブラックでは、直径数10ナノメータ程度の一次粒子を有する。また、本実施形態のフィラー3は、外径が異なる2種類を含み、それぞれのフィラー3の外側は全てマトリックスゴム2によって覆われている。フィラー3の形状、配置及び/又は個数等は、何ら例示の形態に限定されるものではない。
The vulcanized rubber 1 shown in FIG. 1 has a predetermined constant volume, and four
次に、図2及び図3に示されるように、本実施形態では4つの各フィラー3を、四面体要素e1だけを用いて分割することによりフィラーモデル4が設定される。図4に示されるように、本実施形態の四面体要素e1は、4つの平面三角形t、4つの節点n及び6つの辺sを有する一次の四面体要素であって、「テトラ要素」とも呼ばれる場合がある。このような四面体要素e1は、複雑な形状であっても、いわゆる自動メッシュ生成ソフトウエア(自動メッシャー)等を利用することにより、容易に複雑な三次元領域を分割しうる点で好ましい。また、上記一次の四面体要素は、二次の要素(10節点要素)に比べて計算に仕様されるメモリー消費量を減らし得る点で好ましい。
Next, as shown in FIGS. 2 and 3, in the present embodiment, the
前記ソフトウエアでは、例えば図1における各フィラー3の中心座標及び粒子の半径などを指定して分割対象の領域(三次元領域)を特定するとともに、これらをメッシュ分割条件とともに入力することにより、前記フィラーモデル4が設定される。なお、フィラーモデル4の要素数などは、取得したい計算精度やコンピュータの処理能力などに基づいて適宜設定される。
In the software, for example, the center coordinates of each
なお、四面体要素e1の各面は平面であるため、フィラー3の球状面を完全には再現できない。そこで、図3に示されるように、フィラーモデル4の外面4oに配された全ての四面体要素e1の各辺sが、隣り合う他の四面体要素e1の一辺sと共有されるように、各四面体要素を配置することが望ましい。これにより、他の要素と接合されることなく突出する節点nを持った四面体要素e1が前記外面4oに現れることがない。従って、フィラーモデル4の外面を極力平滑可できる。また、このような外面形状を有するフィラーモデル4は、第1のマトリックスゴムモデルの設定を容易化する点で望ましい(後述)。
In addition, since each surface of the tetrahedral element e1 is a flat surface, the spherical surface of the
設定されたフィラーモデル4は、数値データとしてコンピュータの記憶装置に記憶される。具体的には、フィラーモデル4を構成する各四面体要素e1のX−Y−Z座標系における各節点の位置、各要素に定義された材料特性が記憶される。また、本実施形態において、フィラーモデル4は弾性体として取り扱われる。このため、フィラーモデル4を構成する各四面体要素e1の材料特性として、縦弾性係数、ポアソン比及び密度が記憶される。
The
また、図1に示されるように、マトリックスゴム2は、フィラー3と接触しかつ任意の厚さDを有するフィラー界面側部分2Aと、その外側のベース部分2Bとに区分することができる(ただし、材料としては両者は同じである。)。フィラー3によるゴム物性の変化を調べるためには、前記フィラー界面側部分2Aをより正確に変形させることが重要になる。そこで、本発明では、図5及び図6に示されるように、前記フィラー界面側部分2Aを、有限個の三角柱要素e2で分割することにより、第1のマトリックスゴムモデル5が設定される。
Further, as shown in FIG. 1, the
前記三角柱要素e2は、図7に拡大して示されるように、平面三角形からなる向き合う2つの面t、これらの間を継ぐ3つの四辺形の面h及び6つの節点nから形成され、プリズム要素とも呼ばれる場合がある。前記向き合う三角形t、tは、互いに平行でなくても良いし、また同一形状である必要もない。また、一方の三角形の面tから他方の三角形の面tまでの距離を三角柱要素e2の高さ(正確に測定する場合には、三角形の面の重心間距離)とし、その方向を高さ方向とする。 As shown in an enlarged view in FIG. 7, the triangular prism element e2 is formed by two opposing faces t made of a plane triangle, three quadrilateral faces h connecting between them, and six nodes n. Sometimes called. The facing triangles t and t do not have to be parallel to each other, and need not be the same shape. In addition, the distance from the surface t of one triangle to the surface t of the other triangle is the height of the triangular prism element e2 (in the case of accurate measurement, the distance between the centers of gravity of the triangular surfaces), and the direction is the height direction. And
本実施形態の第1のマトリックスゴムモデル5は、厚さ方向に5つの三角柱要素e2が重ねられるが、図8にはその最も内側の三角柱要素e2が仮想線で示される。前記三角柱要素e2は、その高さ方向が前記フィラー界面側部分2Aの厚さ方向に沿うように分割される。これは、三角柱要素e2の四辺形の面h、hの間をのびる辺sが前記厚さ方向にのびていれば足りる趣旨であり、三角柱要素e2の高さ方向がフィラー界面側部分2Aの厚さ方向と完全に平行であることを意味するものではない。
In the first
また、前記最も内側に位置する三角柱要素e2は、フィラーモデル4の外面4oに現れる四面体要素e1の各三角形の面tと節点nを共有する三角形の内面t1を有する。そして、該内面t1から前記厚さ方向(略放射方向)の外側の外面t2までのびる。このような三角柱要素e2をフィラーモデル4の外側に隙間無く配置し、かつ本実施形態では図9のように5層に積み重ねられることにより、フィラー界面側部分2Aの厚さDに相当する第1のマトリックスゴムモデル5が形成される。
The innermost triangular prism element e2 has a triangular inner surface t1 that shares a node n with each triangular surface t of the tetrahedral element e1 appearing on the outer surface 4o of the
このような第1のマトリックスゴムモデル5は、例えばフィラーモデル4の外面4oに現れる三角形の面tをその法線方向外側に引き伸ばすようにして三角柱要素e2を形成できる。なお、第1のマトリックスゴムモデル5とフィラーモデル4とは、節点を共有させなくても、境界面において互いの相対距離が変位しないように拘束条件を設定することで同様の作用を得ることができる。
In such a first
このようにして設定された第1のマトリックスゴムモデル5も、数値データとしてコンピュータの記憶装置に記憶される。具体的には、フィラーモデル4と同様、第1のマトリックスゴムモデル5を構成する各三角柱要素e2の各節点の位置や、各要素の材料特性が含まれる。定義される材料特性としては、密度、応力と歪との関係を示す粘弾性特性及び変形速度依存性などが含まれ得る。
The first
ここで、第1のマトリックスゴムモデル5の厚さDについては、第1のマトリックスゴムモデル5の最小の変形自由度、即ちゴム分子の分子間距離を考慮して、数オングストロームに定められるのが望ましい。なお、フィラーの粒子径は、通常、数十ナノメータであるため、前記第1のマトリックスゴムモデルの厚さDは、フィラーモデルの粒子径の1%以上が望ましい。また、第1のマトリックスゴムモデル5の厚さDの最大値については、フィラーモデル4、4間の距離なども考慮して定められるが、粒子近傍の応力の変化が大きい範囲はフィラー間距離相当範囲内にある場合が多い。このため、第1のマトリックスゴムモデルの厚さの最大値は、フィラー粒子径の100%が好ましい。
Here, the thickness D of the first
また、第1のマトリックスゴムモデル5の層数(厚さ方向に重ねられた三角柱要素e2の数)は特に限定されない。これは、全体の要素数の制約の中で決まる。ただし、第1のマトリックスゴムモデルの限られた厚さの中で三角柱要素e2の層数を増やしていくと、各三角柱要素e2のアスペクト比が大きくなりすぎる傾向がある。このため、三角柱要素e2のアスペクト比は、好ましくは1/10程度以下が望ましい。なお、三角柱要素e2のアスペクト比は、その高さを三角形の面tの代表長さで除すことにより得られる。また、三角形の面tの代表長さは、その面の最も小さい辺の長さとする。 Further, the number of layers of the first matrix rubber model 5 (the number of triangular prism elements e2 stacked in the thickness direction) is not particularly limited. This is determined within the constraints on the total number of elements. However, when the number of layers of the triangular prism element e2 is increased within the limited thickness of the first matrix rubber model, the aspect ratio of each triangular prism element e2 tends to be too large. For this reason, the aspect ratio of the triangular prism element e2 is preferably about 1/10 or less. Note that the aspect ratio of the triangular prism element e2 is obtained by dividing the height by the representative length of the triangular surface t. The representative length of the triangular surface t is the length of the smallest side of the surface.
次に、図5に示されるように、第1のマトリックスゴムモデル5の外面5oと予め定められた三次元空間Vとの間の領域j(即ちマトリックスゴム2のベース部分2B)を有限個の四面体要素e1で分割することにより、図10に示されるような第2のマトリックスゴムモデル6が設定される。これにより、前記空間V内に、フィラーモデル4、第1のマトリックスゴムモデル5及び第2のマトリックスゴムモデル6がそれぞれ設定されたゴム材料モデル10が作成(設定)される。
Next, as shown in FIG. 5, a region j between the outer surface 5o of the first
前記予め定められた三次元空間Vとしては、シミュレーションを行う条件等に基づいて適宜設定することができる。本実施形態において、前記空間Vは、X、Y及びZがそれぞれ100ナノメータの立方体として設定される。 The predetermined three-dimensional space V can be set as appropriate based on conditions for performing simulation. In the present embodiment, the space V is set as a cube having X, Y, and Z of 100 nanometers each.
また、第2のマトリックスゴムモデル6は、全てが四面体要素e1で形成されるので、フィラーモデル4と同様、メッシュ生成ソフトウエアを利用し、図5における分割対象の領域Jを特定するとともに、これらを分割条件とともに入力することにより自動的に設定される。この際、図10に示されるように、第2のマトリックスゴムモデル6と第1のマトリックスゴムモデル5との境界面では、好ましくは、全ての節点を共有させるのが望ましい。ただし、節点を共有させなくても、境界面において互いの相対距離が変位しないように拘束条件を設定することで同様の作用を得ることができる。
Further, since the second
また、設定された第2のマトリックスゴムモデル6は、数値データとしてコンピュータの記憶装置に記憶される。具体的には、第2のマトリックスゴムモデル6を構成する各四面体要素e1の各節点の位置や、各要素の材料特性が含まれる。定義される材料特性としては、密度、応力と歪との関係を示す粘弾性特性及び変形速度依存性などが含まれ得る。また、この第2のマトリックスゴムモデル5の各要素も非圧縮性として取り扱われる。
The set second
このようにして得られたゴム材料モデル10は、例えば均質化法(漸近展開均質化法)に基づいて、その全体変形シミュレーションを行うことが望ましい。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を近似的に求める手法であり、これはゴム材料の解析に好適である。
The
具体例で述べると、均質化法では、図11に示されるように、微視構造(ユニットセルとも呼ばれる)として前記ゴム材料モデル10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、ユニットセルとしてのゴム材料モデル10の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。
Specifically, in the homogenization method, as shown in FIG. 11, xi expressing the entire material M having the
以上のように構成されたゴム材料モデル10の作用について述べる。図12に示されるように、例えば、ゴム材料モデル10に引張荷重Fを与える変形シミュレーションを行った場合を仮定する。第1のマトリックスゴムモデル5の三角柱要素e2において、フィラーモデル4と共有されている節点n1及びn2は、フィラーモデルb自体がマトリックスゴムモデル5及び6に比べて十分に固いため、変位しない。また、第1のマトリックスゴムモデル5の三角柱要素e2は、ゴムの特性として非圧縮性が定義されているので、体積変化を生じることができない。しかし、四面体要素e1は、その外側の三角形の面t2の面積を小さく変形させることにより、体積変化を生じることなく、引張方向に伸びることができる。これは、引張時のフィラー界面側部分2Aの変形を現実の挙動と乖離することなく表現するのに役立つ。従って、シミュレーションの計算精度の低下が防止される。
The operation of the
図10に示したゴム材料モデル(実施例1)を用いて変形シミュレーションを行ない、シミュレーションの計算精度を評価した。ゴム材料モデルは、100×100×100ナノメータの立方空間に、半径が20ナノメータのフィラーモデルが4つ、半径が15ナノメータのフィラーモデルが4つの合計8個を互い違いに分散配置し、その周囲を第1のマトリックスゴムモデル及び第2のマトリックスゴムモデルを配置した(フィラーの体積比約20%)。また、フィラーモデル及び第2のマトリックスゴムモデルに用いられた四面体要素の一辺の平均長さは2.5ナノメータである。また、第1のマトリックスゴムモデルは、高さが0.4ナノメータの三角柱要素を5つ重ねることにより、2.0ナノメータの厚さとした。 A deformation simulation was performed using the rubber material model (Example 1) shown in FIG. 10, and the calculation accuracy of the simulation was evaluated. The rubber material model is a 100 × 100 × 100 nanometer cubic space in which four filler models with a radius of 20 nanometers and four filler models with a radius of 15 nanometers are dispersed and arranged in a staggered manner. A first matrix rubber model and a second matrix rubber model were arranged (filler volume ratio about 20%). The average length of one side of the tetrahedral element used in the filler model and the second matrix rubber model is 2.5 nanometers. The first matrix rubber model has a thickness of 2.0 nanometers by stacking five triangular prism elements having a height of 0.4 nanometers.
また、比較のために、第1のマトリックスゴムモデルの部分も四面体要素で分割したゴム材料モデル(比較例)についても同様の変形シミュレーションが行われた。このモデルの四面体要素の一辺の平均長さは2.5ナノメータである。 For comparison, a similar deformation simulation was performed for a rubber material model (comparative example) in which the first matrix rubber model portion was also divided by tetrahedral elements. The average length of one side of the tetrahedral element of this model is 2.5 nanometers.
また、実際にカーボンブラックを体積比で約20%含む加硫ゴムを成形し、これについて引張試験が行われた。次に、上記2種類のゴム材料モデルを用いて同様に引張試験のシミュレーションが行われた。シミュレーションには、HKS社製の「ABAQUS v6.5」の解析アプリケーションソフトが用いられた。また、マトリックスゴムモデルの計算パラメータについては、カーボンブラックを含まない加硫ゴムの引張試験(ひずみ速度:0.0589)と合致するように設定された。それぞれの真応力−伸び曲線を図13に示す。 Further, a vulcanized rubber containing about 20% by volume of carbon black was actually molded, and a tensile test was performed on this. Next, the tensile test was similarly simulated using the above two types of rubber material models. For the simulation, analysis application software of “ABAQUS v6.5” manufactured by HKS was used. The calculation parameters of the matrix rubber model were set so as to coincide with the tensile test (strain rate: 0.0589) of vulcanized rubber not containing carbon black. Each true stress-elongation curve is shown in FIG.
図13から明らかなように、比較例では、実測結果との乖離が大きく、非常に大きな応力値を示している。つまり、材料が固いことを示している。これは、図16で述べたように、四面体要素をフィラーモデルの周りに配置した場合、その四面体要素の頂点側の節点が引張方向に変形しようとすると、体積変化を防止するための大きな抵抗力が計算上発生するためと考えられる。 As is clear from FIG. 13, in the comparative example, the deviation from the actual measurement result is large, and a very large stress value is shown. That is, the material is hard. As described in FIG. 16, when the tetrahedral element is arranged around the filler model, if the node on the apex side of the tetrahedral element tries to be deformed in the tensile direction, this is a large amount for preventing volume change. This is probably because the resistance force is calculated.
一方、実施例1は、第1のマトリックスゴムモデルとして三角柱要素が用いられているため、厚さ方向の外面の三角形を変形(小さく)しながら引張方向へのびることにより、体積変化を生じることなく現実の変形挙動の再現が可能になる。従って、主体的に四面体要素を用いつつも、実測結果に非常に近似した計算結果が得られたものと推察される。 On the other hand, since the triangular prism element is used as the first matrix rubber model in Example 1, the volume change is not caused by extending in the tensile direction while deforming (smaller) the outer triangle in the thickness direction. Real deformation behavior can be reproduced. Therefore, it is presumed that a calculation result very close to the actual measurement result was obtained while mainly using tetrahedral elements.
なお、六面体要素をフィラーモデル及びマトリックスゴムモデルに用いることも考えられる。しかし、球状のフィラー粒子を六面体要素で分割するためには、分割数を多くしないと、表面が凸凹化して十分な計算精度が得られない傾向がある。他方、分割数を多くした場合、計算時間が長くなって解析効率が低下しがちであるが、本発明ではこのような不具合も生じることがない。 It is also conceivable to use hexahedral elements for the filler model and the matrix rubber model. However, in order to divide the spherical filler particles into hexahedral elements, unless the number of divisions is increased, the surface becomes uneven and there is a tendency that sufficient calculation accuracy cannot be obtained. On the other hand, when the number of divisions is increased, the calculation time tends to be long and the analysis efficiency tends to decrease. However, in the present invention, such a problem does not occur.
また、図14には、第1のマトリックスゴムモデルの仕様が異なるモデルを用いて同様の引張試験を行ったときの真応力−伸び曲線の結果が示される。図14の例では、いずれも第1のマトリックスゴムの厚さは2.0ナノメータであるが、実施例2は高さが2.0ナノメータの三角柱要素で分割したもの、実施例3は、高さが0.2ナノメータの三角柱要素を高さ方向に10個重なるように分割したものをそれぞれ示す。図14から明らかなように、同一厚さであっても、高さ方向に複数の三角柱要素を重ねる方が、計算精度が高いことが確認できた。 FIG. 14 shows the result of a true stress-elongation curve when the same tensile test is performed using models having different specifications of the first matrix rubber model. In the examples of FIGS. 14A and 14B, the thickness of the first matrix rubber is 2.0 nanometers, but Example 2 is divided by triangular prism elements having a height of 2.0 nanometers, and Example 3 is high. Each of the triangular prism elements having a length of 0.2 nanometer is divided so as to overlap in the height direction. As is clear from FIG. 14, it was confirmed that the calculation accuracy is higher when a plurality of triangular prism elements are stacked in the height direction even if the thickness is the same.
1 ゴム材料
2 マトリックスゴム
2A 界面側部分2A
2B ベース部分
3 フィラー
4 フィラーモデル
5 第1のマトリックスゴムモデル
6 第1のマトリックスゴムモデル
10 ゴム材料モデル
e1 四面体要素
e2 三角柱要素
1
Claims (3)
三次元形状の前記フィラーを、有限個の四面体要素で分割することによりフィラーモデルを設定するステップ、
前記マトリックスゴムのうち前記フィラーと接触しかつ任意の厚さを有するフィラー界面側部分を、高さ方向が前記厚さ方向に揃えられた有限個の三角柱要素で分割することにより第1のマトリックスゴムモデルを設定するステップ及び
前記第1のマトリックスゴムモデルの外面と予め定められた空間との間の領域を有限個の四面体要素で分割することにより第2のマトリックスゴムモデルを設定するステップを含むことを特徴とするゴム材料解析モデルの作成方法。 A method for creating a three-dimensional rubber material analysis model used when simulating deformation of a rubber material in which filler is mixed with matrix rubber using a computer,
Setting a filler model by dividing the filler in a three-dimensional shape by a finite number of tetrahedral elements;
A first matrix rubber is obtained by dividing a filler interface side portion in contact with the filler and having an arbitrary thickness among the matrix rubber by a finite number of triangular prism elements whose height direction is aligned with the thickness direction. Setting a model, and setting a second matrix rubber model by dividing a region between an outer surface of the first matrix rubber model and a predetermined space by a finite number of tetrahedral elements A method for creating a rubber material analysis model.
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