JP2008152423A - Deformation behavior simulation method using particle model and program - Google Patents

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庸一 河島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To highly precisely search deformation behavior of a first structural body in a relatively short time when the first structural body and the second structural body are brought into contact with each other, and the first structural body is deformed, and the contact face between the first structural body and the second structural body is changed. <P>SOLUTION: A first model is generated by reproducing the first structural body as an aggregate of a plurality of particles, and a second model is generated by reproducing the second structural body, and the second model is moved to the first model. When calculating the deformation behavior of the first model, in contact with the second model deformed in a long time, the physical quantity of the second model is not affected by the first model, and the second model is moved to the first model in every predetermined time step, and the speed information of particles whose distances to the second model becomes a predetermined value or less among the plurality of particles configuring the first model is same as the speed information of the second model within a predetermined value, and the deformation of the first model in each time step is calculated. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、第1構造体と第2構造体とが接触して第1構造体が時間をかけて変形し、第1構造体と第2構造体との接触面が時間をかけて変化する際の、第1構造体の変形挙動を求める方法であって、特に、ゴムなどの超弾性体と剛体とが接触して超弾性体が変形し、超弾性体と剛体との接触面積が時間をかけて5%以上変化するような、いわゆる大変形問題における第1構造体の変形挙動を再現する方法に関する。   In the present invention, the first structure and the second structure come into contact with each other and the first structure is deformed over time, and the contact surface between the first structure and the second structure changes over time. In this method, the deformation behavior of the first structure is obtained, and in particular, the superelastic body such as rubber and the rigid body come into contact with each other to deform the superelastic body, and the contact area between the superelastic body and the rigid body is time It is related with the method of reproducing the deformation | transformation behavior of the 1st structure in what is called a large deformation problem which changes 5% or more over time.

SPH(smoothed Particle Hydrodynamics)法は、有限要素法とは異なり、点の集合のみで物質を表すメッシュ非依存の解析法である。SPH法は、従来から広く利用されてきたFEM法と比較して、・メッシュレス法なので、要素作成が困難な複雑な3次元構造物でも容易にモデル化できる。・解析に応じた要素タイプの選別が不要。・精度を意識した要素分割の経験・技術が不要。・要素のつぶれによる解析不能が生じる大歪、大変形問題にも、柔軟な対応が期待できる。・構造解析、熱解析、衝突解析、流体解析、電磁場解析、等々で共通の粒子モデルが使用できる。等の長所がある。このため、FEMが主流となっている弾塑性解析や超弾性解析等について、SPH法の応用が期待されている。   Unlike the finite element method, the SPH (smoothed particle hydrodynamics) method is a mesh-independent analysis method that represents a substance only by a set of points. Compared with the FEM method that has been widely used, the SPH method is a meshless method, so even a complicated three-dimensional structure in which element creation is difficult can be easily modeled.・ There is no need to select the element type according to the analysis.・ No need for experience and skill in element division with accuracy in mind.・ We can expect a flexible response to large distortion and large deformation problems where analysis is impossible due to element collapse. -Common particle models can be used for structural analysis, thermal analysis, collision analysis, fluid analysis, electromagnetic field analysis, and so on. There are advantages such as. For this reason, application of the SPH method is expected for elasto-plastic analysis, superelastic analysis, and the like in which FEM is mainstream.

例えば、下記非特許文献1には、SPH解析手法を用いた、固体の大変形弾塑性解析手法が提案されている。このような固体の大変形弾塑性解析手法に対し、本願発明者は、下記非特許文献2において、SPH法を用いた、ゴム材料等の超弾性大変形問題の解析手法を提案している。非特許文献2では、複数の粒子の集合として表されたゴム構造体モデルに、同じく複数の粒子の集合として表された剛体プレートモデルを押し付けて、ゴム構造体モデルを準静的に変形させた際の、このゴム構造体モデル(の再現するゴム構造体)の変形挙動を計算している。   For example, the following Non-Patent Document 1 proposes a solid large deformation elastoplastic analysis method using an SPH analysis method. In contrast to such a solid large deformation elasto-plastic analysis method, the inventor of the present application has proposed an analysis method for a superelastic large deformation problem of a rubber material or the like using the SPH method in Non-Patent Document 2 below. In Non-Patent Document 2, a rubber plate model that is also expressed as a set of a plurality of particles is pressed against a rubber structure model that is expressed as a set of a plurality of particles, and the rubber structure model is quasi-statically deformed. At this time, the deformation behavior of this rubber structure model (reproducing rubber structure) is calculated.

宋武、酒井譲、山下彰彦“SPH法による弾塑性解析手法の検討(第1報 2次元小変形問題)”、日本機械学会論文集(A編)68巻669号、p772−778、2002Taketake, Joe Sakai, Akihiko Yamashita “Examination of elasto-plastic analysis method by SPH method (1st report: Two-dimensional small deformation problem)”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (A) 68, 669, p772-778, 2002 河島庸一、酒井譲“粒子法によるゴムの超弾性解析”計算工学講演会論文集 第11巻 第1号 P53〜 2006年6月Junichi Kawashima, Joe Sakai "Superelastic Analysis of Rubber by Particle Method" Proceedings of the Computational Engineering Lecture Vol.11 No.1 P53- June 2006

非特許文献1や非特許文献2などに記載されている従来の方法では、SPH法など点情報で表される2つの構造体(流体などの連続体を含む)の衝突など、2つの構造体の接触に基づく弾性体の変形を解析する場合、各構造体を同様に、粒子の集合体モデルで表して、各構造体のモデルの粒子同士の相互作用を計算していた。   In the conventional methods described in Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, etc., two structures such as collision of two structures (including a continuum such as fluid) represented by point information such as SPH method In the case of analyzing the deformation of the elastic body based on the contact of each structure, each structure is similarly represented by a particle aggregate model, and the interaction between the particles of each structure model is calculated.

例えば上記非特許文献2に記載されている例においても、ゴム構造体モデルと剛体プレートモデルとの特に接触面部分において、各構造体モデルを構成する複数の粒子同士の相互作用を計算している。しかし非特許文献2に記載されているような、ゴム構造体の準静的な変形では、剛体プレートが受ける相互作用については微々たるものであり、接触部分で剛体プレートは変形していないとみなせることは周知のとおり(前提)である。しかし、従来は、このように、ゴム構造体モデルの準静的な変形のみを計算したい場合などでも、ゴム構成部材の変形挙動とともに、実際に有意な解を得られないとわかっている、このような剛体プレートモデルの接触部分が受ける相互作用まで計算している。このため、粒子の集合体モデルを用いた従来の変形挙動シミュレーション方法では、計算に余分な時間やコストがかかってしまうといった問題点があった。   For example, also in the example described in Non-Patent Document 2, the interaction between a plurality of particles constituting each structure model is calculated, particularly in the contact surface portion between the rubber structure model and the rigid plate model. . However, in the quasi-static deformation of the rubber structure as described in Non-Patent Document 2, the interaction received by the rigid plate is insignificant, and it can be considered that the rigid plate is not deformed at the contact portion. As is well known (premise). However, conventionally, it is known that even when it is desired to calculate only the quasi-static deformation of the rubber structure model, a significant solution cannot be actually obtained along with the deformation behavior of the rubber component. It calculates even the interaction which the contact part of such a rigid plate model receives. For this reason, the conventional deformation behavior simulation method using an aggregate model of particles has a problem in that extra time and cost are required for the calculation.

そこで、本発明は、第1構造体と第2構造体とが接触して第1構造体が時間をかけて変形し、第1構造体と第2構造体との接触面が時間をかけて変化する際の、第1構造体の変形挙動を、比較的短時間で、かつ高精度に求めることができる、粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法を提供することを目的とする。   Therefore, in the present invention, the first structure and the second structure come into contact with each other and the first structure is deformed over time, and the contact surface between the first structure and the second structure takes time. An object of the present invention is to provide a deformation behavior simulation method using a particle model, which can obtain the deformation behavior of the first structure when changing in a relatively short time and with high accuracy.

上記目的を達成するために、本発明は、第1構造体と第2構造体とが接触して前記第1構造体が時間をかけて変形し、前記第1構造体と前記第2構造体との接触面が時間をかけて変化する際の、前記第1構造体の変形挙動を求める方法であって、前記第1構造体を複数の粒子の集合体として再現した第1モデル、および、前記第2構造体を再現した第2モデルを生成するモデル生成ステップと、前記第1モデルに対して前記第2モデルを移動させることで、前記第2モデルと接触した前記第1モデルを時間をかけて変形させたときの、前記第1モデルの変形挙動を計算するステップと、前記計算結果を出力するステップと、を有し、前記変形挙動を計算するステップでは、前記第2モデルの物理量は前記第1モデルから何らの作用も受けないものとし、前記第1モデルに対して前記第2モデルを所定の時間ステップ毎に移動させて、移動の度に、前記第1モデルを構成する複数の粒子のうち、前記第2モデルとの距離が予め定められた所定値以下になった粒子の速度情報を、前記所定値以下の範囲にある前記第2モデルの速度情報と同一として、各時間ステップ毎の前記第1モデルの変形を計算することを特徴とする、粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法を提案する。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the first structure and the second structure are brought into contact with each other, and the first structure is deformed over time. A first model that reproduces the first structure as an aggregate of a plurality of particles, and a method for obtaining a deformation behavior of the first structure when the contact surface changes with time, and A model generation step of generating a second model reproducing the second structure, and moving the second model with respect to the first model, so that the first model in contact with the second model is And calculating the deformation behavior of the first model and outputting the calculation result. In the step of calculating the deformation behavior, the physical quantity of the second model is No effect from the first model The second model is moved at predetermined time steps with respect to the first model, and the distance from the second model among the plurality of particles constituting the first model each time it is moved The deformation information of the first model at each time step is calculated by setting the velocity information of the particles having a value equal to or smaller than a predetermined value to be the same as the velocity information of the second model in the range equal to or smaller than the predetermined value. We propose a deformation behavior simulation method using a particle model.

なお、前記第2モデルは、前記第2構造体を複数の粒子の集合体として再現したモデルであることが好ましい。また、前記第2モデルは、前記第2構造体のうち、前記第1構造体の任意の粒子との距離が前記所定値以下になる可能性のある領域のみを再現したモデルであることが好ましい。   The second model is preferably a model that reproduces the second structure as an aggregate of a plurality of particles. Moreover, it is preferable that the second model is a model that reproduces only a region in the second structure that is likely to have a distance from an arbitrary particle of the first structure equal to or less than the predetermined value. .

また、前記変形挙動を計算するステップでは、前記粒子のそれぞれについて設定されている、前記粒子の移動を規定する粒子移動規定条件に基づいて前記変形挙動を計算し、前記粒子移動規定条件は、前記粒子のそれぞれに対応して近傍領域が定められるとともに、この近傍領域内の注目物理量の分布をこの近傍領域に含まれる粒子の持つ注目物理量を用いて近似することによって定められる条件であることが好ましい。   In the step of calculating the deformation behavior, the deformation behavior is calculated based on a particle movement regulation condition that defines the movement of the particle, which is set for each of the particles, and the particle movement regulation condition is It is preferable that the neighborhood region is determined corresponding to each of the particles, and that the condition is determined by approximating the distribution of the physical quantity of interest in this neighborhood region using the physical quantity of interest of the particles included in this neighborhood region. .

また、前記粒子移動規定条件は、前記粒子によって構成されたモデルにおける近似したい物理量をx、前記近傍領域内の注目物理量の分布をf(x)として、この注目物理量の分布f(x)を前記近傍領域に含まれる粒子の持つ注目物理量と所定のカーネル関数とを用いて下記式(1)で定まる近似物理量の分布<f(x)>で近似することによって定式化される方程式であることが好ましい。
ただし、W(x−x’,h)はカーネル関数、hは影響半径。
The particle movement regulation condition is that the physical quantity desired to be approximated in the model constituted by the particles is x, and the distribution of the physical quantity of interest in the neighboring region is f (x). It is an equation formulated by approximating with the distribution <f (x)> of the approximate physical quantity determined by the following formula (1) using the target physical quantity and the predetermined kernel function of the particles included in the vicinity region. preferable.
However, W (xx ', h) is a kernel function, and h is an influence radius.

本発明は、また、第1構造体と第2構造体とが接触して前記第1構造体が時間をかけて変形し、前記第1構造体と前記第2構造体との接触面が時間をかけて変化する際の、前記第1構造体の変形挙動を求める方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、前記第1構造体を複数の粒子の集合体として再現した第1モデル、および、前記第2構造体を再現した第2モデルを生成させるモデル生成ステップと、前記第1モデルに対して前記第2モデルを移動させることで、前記第2モデルと接触した前記第1モデルを時間をかけて変形させたときの、前記第1モデルの変形挙動を計算させるステップと、前記計算結果を出力させるステップと、を有し、前記変形挙動を計算させるステップでは、前記第2モデルの物理量は前記第1モデルから何らの作用も受けないものとし、前記第1モデルに対して前記第2モデルを所定の時間ステップ毎に移動させて、移動の度に、前記第1モデルを構成する複数の粒子のうち、前記第2モデルとの距離が予め定められた所定値以下になった粒子の速度情報を、前記所定値以下の範囲にある前記第2モデルの速度情報と同一として、各時間ステップ毎の前記第1モデルの変形を計算させることを特徴とする粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーションプログラムも、併せて提供する。   In the present invention, the first structure and the second structure are contacted to deform the first structure over time, and the contact surface between the first structure and the second structure is timed. A program for causing a computer to execute a method for obtaining the deformation behavior of the first structure when changing over time, the first model reproducing the first structure as an aggregate of a plurality of particles, and A model generation step of generating a second model reproducing the second structure, and moving the second model relative to the first model, so that the first model in contact with the second model is timed And calculating the deformation behavior of the first model and outputting the calculation result. In the step of calculating the deformation behavior, the physical quantity of the second model is The first model It is assumed that no action is taken, and the second model is moved with respect to the first model at predetermined time steps, and a plurality of particles constituting the first model at each movement, The velocity information of the particles whose distance from the second model is equal to or smaller than a predetermined value is the same as the velocity information of the second model in the range equal to or smaller than the predetermined value. A deformation behavior simulation program using a particle model characterized by calculating deformation of one model is also provided.

本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法、およびプログラムによれば、第1構造体と第2構造体とが接触して第1構造体が時間をかけて変形し、第1構造体と第2構造体との接触面が時間をかけて変化する際の、第1構造体の変形挙動を、比較的短時間で、かつ高精度に求めることができる。また、第2モデルを複数の粒子の集合体として再現することで、第1モデルと同様のモデルとして取り扱うことができ、シミュレーションにおける各種の数値計算処理が、同一のアプリケーションプログラムによってスムーズに実行されることができる。また、第2モデルの接触面部分の粒子数を少なくすることができ、さらに余分な相互作用を考慮する必要がないため、計算処理に係る時間を極端に少なくすることができる。   According to the deformation behavior simulation method and program using the particle model of the present invention, the first structure and the second structure come into contact with each other, and the first structure is deformed over time. The deformation behavior of the first structure when the contact surface with the second structure changes over time can be obtained in a relatively short time and with high accuracy. Further, by reproducing the second model as an aggregate of a plurality of particles, it can be handled as the same model as the first model, and various numerical calculation processes in the simulation are smoothly executed by the same application program. be able to. In addition, the number of particles on the contact surface portion of the second model can be reduced, and it is not necessary to consider extra interactions, so that the time required for the calculation process can be extremely reduced.

以下、本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法およびプログラムについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。図1は、本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法を実施する変形挙動シミュレーション装置10(装置10)の概略の構成を示すブロック図である。装置10では、例えばゴムなどの超弾性体である第1構造体と、例えば剛体である第2構造体とが接触して第1構造体が時間をかけて変形し、第1構造体と前記第2構造体との接触面が時間をかけて変化する際の、第1構造体の変形挙動を求める。装置10は、モデル作成部12、移動・圧縮演算部14、変形演算部16、メモリ18、およびCPU(制御部)20を有して構成される本体装置22と、本体装置22に接続されるマウスおよびキーボードからなる入力操作系24と、本体装置22に接続されるプリンタやディスプレイなどの出力部26とを備えて構成されている。装置10は、メモリ18に記憶されたプログラムをCPU20が実行することで上記各部位が機能するコンピュータである。   Hereinafter, a deformation behavior simulation method and program using a particle model of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a deformation behavior simulation apparatus 10 (apparatus 10) that implements a deformation behavior simulation method using the particle model of the present invention. In the device 10, for example, a first structure that is a superelastic body such as rubber and a second structure that is a rigid body are in contact with each other, and the first structure is deformed over time, and the first structure and the above-described structure The deformation behavior of the first structure when the contact surface with the second structure changes over time is obtained. The device 10 is connected to a main body device 22 including a model creation unit 12, a movement / compression operation unit 14, a deformation operation unit 16, a memory 18, and a CPU (control unit) 20. An input operation system 24 including a mouse and a keyboard and an output unit 26 such as a printer or a display connected to the main body device 22 are provided. The device 10 is a computer in which each of the above parts functions when the CPU 20 executes a program stored in the memory 18.

モデル作成部12は、入力操作系24を用いて入力されたモデル作成条件に応じて、第1構造体を複数の粒子の集合体として再現した第1モデル、および、第2構造体を再現した第2モデルを作成する。図2は、本発明の変形挙動シミュレーション方法によって作成されるモデルの一例を示している。図2に示す第1モデル32は、超弾性体であるゴム体を、複数の粒子の集合で再現したモデルである。また、図2に示す第2モデル34は、ゴム体と比較してはるかに硬度が高く、剛体として取り扱うことのできる金属体を、同じく複数の粒子の集合で再現したモデルである。以下、第2モデル34が表す金属体平板によって、第1モデル32が表すゴム体を十分に遅い速度で圧縮する際の、このゴム体の変形挙動を再現する実施形態について説明する。このような本実施形態における変形挙動は準静的な変形挙動であり、ゴム体と金属体との接触面積が、時間の経過とともに、初期状態と比べて5%以上も増減するような大変形問題であるといえる。   The model creation unit 12 reproduces the first model and the second structure in which the first structure is reproduced as an aggregate of a plurality of particles according to the model creation conditions input using the input operation system 24. Create a second model. FIG. 2 shows an example of a model created by the deformation behavior simulation method of the present invention. The first model 32 shown in FIG. 2 is a model in which a rubber body that is a superelastic body is reproduced by a set of a plurality of particles. Further, the second model 34 shown in FIG. 2 is a model in which a metal body that is much higher in hardness than a rubber body and can be handled as a rigid body is reproduced by a set of a plurality of particles. Hereinafter, an embodiment for reproducing the deformation behavior of the rubber body when the rubber body represented by the first model 32 is compressed at a sufficiently low speed by the metal body flat plate represented by the second model 34 will be described. Such deformation behavior in the present embodiment is a quasi-static deformation behavior, such that the contact area between the rubber body and the metal body increases or decreases by 5% or more compared to the initial state over time. It can be said that it is a problem.

本実施形態では、このように、少なくとも第1の構造体を、複数の粒子で再現し、変形中の超弾性体のモデルを表現する、上記SPH法を用いたシミュレーションを実施する。SPH法では、従来の方法のように、空間格子や有限要素が設けられない。しかも、第1モデルの粒子は、粒子移動規定条件の下に自由に移動するので、大きな変形を超弾性体などの第1構造体に固定した座標系で記述するLagrangianに基づいて表現しても、数値計算上の適切な解を得ることができる。   In this embodiment, at least the first structure is reproduced with a plurality of particles as described above, and the simulation using the SPH method is performed to express the model of the superelastic body being deformed. In the SPH method, a space grid and a finite element are not provided as in the conventional method. Moreover, since the particles of the first model move freely under the particle movement regulation conditions, even if a large deformation is expressed based on Lagrangian described in a coordinate system fixed to the first structure such as a superelastic body. Therefore, an appropriate solution in numerical calculation can be obtained.

粒子を用いて表す連続体の挙動は、公知のように、いわゆる連続の式、運動方程式およびエネルギー方程式の各式を支配方程式として用いて表される。超弾性体における各部分の速度(ゴムの流速)等の注目物理量の分布f(x)(xは近似したい物理量であり、本実施形態では、空間の3次元位置座標を表す)は、下記式(1)に示すように、所定の位置座標x’における注目物理量f(x’)とカーネル関数W(x−x’,h)(hは影響半径パラメータ)とを用いて求められる近似物理量の分布<f(x)>によって近似することができる。
As is well known, the behavior of a continuum expressed using particles is expressed using so-called continuity equations, equations of motion, and energy equations as governing equations. The distribution f (x) of the physical quantity of interest such as the velocity (rubber flow velocity) of each part in the superelastic body (x is a physical quantity to be approximated, and in this embodiment represents the three-dimensional position coordinate of the space), As shown in (1), the approximate physical quantity obtained using the target physical quantity f (x ′) and the kernel function W (xx ′, h) (h is an influence radius parameter) at a predetermined position coordinate x ′. It can be approximated by the distribution <f (x)>.

粒子の持つ注目物理量f(x)は、粒子Jの密度ρと、粒子Jの質量mとを用いて(Jは粒子番号を表す)、下記式(2)のように離散化して表すことができる。
The attention physical quantity f (x) possessed by the particles is discretized using the density ρ J of the particles J and the mass m J of the particles J (J represents the particle number) and is discretized as in the following formula (2). be able to.

式(2)の微分系は、下記式(3)のように表され、粒子の運動方程式は、応力ダイバージェンスを用いて下記式(4)のように表される。式(4)におけるσは、Cauchy応力テンソルである。
The differential system of the formula (2) is expressed as the following formula (3), and the equation of motion of the particles is expressed as the following formula (4) using stress divergence. In Expression (4), σ is a Cauchy stress tensor.

上記式(3),(4)より、Kernel近似を用いた粒子の運動方程式は、式(5)で表され、注目する粒子Iの粒子加速度aが求まる。Iは、複数の粒子のうち注目する粒子の番号を指す。以降注目する粒子をIとする。 The formula (3) and (4), the equation of motion of particles using Kernel approximation is represented by the formula (5), the particle acceleration a I particles I of interest are obtained. I indicates the number of the particle of interest among the plurality of particles. Hereinafter, let I denote the particle of interest.

このように、速度等の注目物理量の分布f(x)を粒子Jの持つ注目物理量を用いて近似することによって定められる式(5)が作成される。粒子Iの位置と速度は、下記式(6)、(7)で求まる。本実施形態では、式(5)、(6)、(7)を、粒子Iの移動を規定する粒子移動規定条件として備えた第1モデルを作成する。
In this way, Expression (5) defined by approximating the distribution f (x) of the target physical quantity such as the velocity using the target physical quantity of the particle J is created. The position and speed of the particle I are obtained by the following formulas (6) and (7). In the present embodiment, a first model is created that includes equations (5), (6), and (7) as particle movement defining conditions that regulate the movement of particles I.

ここで、カーネル関数W(x−x’,h)は、特に限定されないが、|x−x’|/h=νとして、例えば、下記式(8)に示すように、3次のB−スプライン関数を用いるとよい。
Here, the kernel function W (xx ′, h) is not particularly limited. However, as | x−x ′ | / h = ν, for example, as shown in the following formula (8), a cubic B− Use spline functions.

式(8)に示す3次のB−スプライン関数をカーネル関数W(x−x’,h)として用いると、νが2以上の場合、カーネル関数W(x−x’,h)は0となり、νが2未満の場合正の値となるため、注目する粒子Iの挙動は、νが2未満の範囲内に位置する粒子Jに依存することになる。例えば、図2に示すように、粒子Mを中心とする半径2hの球の範囲(この範囲を粒子Mに対応した近傍領域Rという)内に含まれる粒子Lによって、粒子Mの移動が規定される。この半径2hはスムージングレングスともいう。本発明では、このスムージングレングスとともに、図2に示すように、第1モデル32の各粒子に対して、接触条件範囲C(粒子Mについては、接触条件範囲C)が設定される。接触条件範囲Cとは、この範囲内に第2モデルが入った場合は、第2モデルと第1モデルとが接触したとみなす範囲である。本実施形態では、接触条件範囲Cを影響半径hの大きさに設定する。これら、スムージングレングスや接触条件範囲は、本実施形態の例に限定されず、任意の数値範囲を設定して構わない。本発明では、複数の粒子で構成された、このような第1モデルを作成する。 When the cubic B-spline function shown in Expression (8) is used as the kernel function W (xx ′, h), the kernel function W (xx ′, h) becomes 0 when ν is 2 or more. Therefore, when ν is less than 2, a positive value is obtained. Therefore, the behavior of the particle I of interest depends on the particle J located in the range where ν is less than 2. For example, as shown in FIG. 2, the particles L contained in the (near region R M that corresponds to this range particles M) spheres within a radius 2h around the particles M, the movement of the particles M defined Is done. This radius 2h is also called a smoothing length. In the present invention, together with the smoothing length, as shown in FIG. 2, a contact condition range C N (for the particle M, the contact condition range C M ) is set for each particle of the first model 32. The contact condition range CN is a range in which the second model and the first model are considered to be in contact when the second model enters the range. In the present embodiment, the contact condition range C is set to the size of the influence radius h. These smoothing lengths and contact condition ranges are not limited to the example of the present embodiment, and arbitrary numerical ranges may be set. In the present invention, such a first model composed of a plurality of particles is created.

本実施形態では、図2に示すように、第1モデル32と同様、第2モデル34も、粒子の集合体として作成している。第2モデル34を構成する粒子については、第2モデルから何らの作用も受けないよう設定されている。また、第1モデル32の任意の粒子K(番号「K」については特に図示せず)の近傍領域R内に、第2モデル34の粒子が入ったとしても、第1モデルの任意の粒子Kは、この第2モデル34の粒子によっては、その移動は規定されない。一方、第1モデル32の任意の粒子Kの接触条件範囲C内に、第2モデル34の粒子が入った場合は、第1モデルの任意の粒子Kの速度ベクトルが、この第2モデル34の粒子の速度ベクトルと同一のベクトルとなるよう、設定されている。この場合も、接触条件範囲C内に入った第2モデル34の粒子は、第1モデルの粒子から何らの作用を受けず、速度ベクトルも一切変らないよう設定されている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the second model 34 is created as an aggregate of particles in the same manner as the first model 32. The particles constituting the second model 34 are set so as not to receive any action from the second model. Further, the neighboring region R K of any particle K of the first model 32 (not specifically illustrated for number "K"), even containing the particles of the second model 34, any particles of the first model The movement of K is not defined by the particles of the second model 34. On the other hand, in the contact condition range C K of any particle K of the first model 32, if the entered particles of the second model 34, the velocity vector of any particle K of the first model, the second model 34 Is set to be the same vector as the velocity vector of the particle. Again, the particles of the second model 34 enters the contact condition range C K is not subject to any action from the particles of the first model, the velocity vector is also set to not change at all.

本発明では、第2モデルについては特に限定されず、例えば、有限要素によってモデル化したり、接触面を表す関数によってモデル化しても構わない。ただし、第2モデルを複数の粒子の集合体として再現することで、第1モデルと同様のモデルとして取り扱うことができ、後述する各種の数値計算処理が、同一のアプリケーションプログラムによってスムーズに実行されることができる。   In the present invention, the second model is not particularly limited. For example, the second model may be modeled by a finite element or may be modeled by a function representing a contact surface. However, by reproducing the second model as an aggregate of a plurality of particles, it can be handled as the same model as the first model, and various numerical calculation processes described later are smoothly executed by the same application program. be able to.

なお、図2に示す例では、第2モデルについて、金属体のうち、ゴム体と接触する可能性のある表面の一部分について再現しており、表面部分を構成する粒子は3層となっている。本発明において、第2モデルは、第2構造体のうち、第1構造体と接触する可能性のある領域のみを再現するモデルであればよい。図3(a)は、従来の変形挙動シミュレーション方法で作成される第1モデルおよび第2モデルの一例であり、図3(b)は、本発明の変形挙動シミュレーション方法で作成される第1モデルおよび第2モデルの他の例である。図3(a)に示すモデルは、第2モデル34aを構成する粒子についても、第1モデル32aと同様に粒子移動規定条件を設定しておき(金属体と見なせるような条件)、第1モデルと第2モデルとの相互作用も計算しながら第2モデルの変形を計算するためのモデルである。このように従来では、第2モデルの粒子についても、移動規定条件や相互作用を考慮して計算する必要があり、第2モデルには、第1モデルと接触する領域以外にも、複数の粒子が必要であり(最低2個必要)、各粒子についての計算にかかる時間は多大なものとなっていた。本願発明では、第2モデルとしては、図3(b)のように、第1構造体と接触する可能性のある領域のみを再現するモデル(第2モデル34b)であればよい。本願発明では、接触条件範囲C内に入った第2モデルの粒子は、第1モデルの粒子から何らの作用を受けず、速度ベクトルも一切変らないよう設定されており、接触条件範囲C内に入る可能性のある第2モデルの粒子のみをモデル化しておけば、第1モデルと接触することで第2モデルの表面形状は一切変らず、第2モデルを剛体モデルとして取り扱うことができる。図3(a)に示す第2モデル34aの粒子数は2308個であり、図3(b)に示す第2モデル34bの粒子数は202個である。図3(a)に示す場合に比べ、図3(b)に示す場合の方が粒子数も単純に少なく、かつ余分な相互作用を考慮する必要がないため、計算処理に係る時間は極端に少ない。 In the example shown in FIG. 2, the second model is reproduced for a part of the surface of the metal body that may come into contact with the rubber body, and the particles constituting the surface part are three layers. . In the present invention, the second model only needs to be a model that reproduces only a region of the second structure that may be in contact with the first structure. FIG. 3A is an example of the first model and the second model created by the conventional deformation behavior simulation method, and FIG. 3B is the first model created by the deformation behavior simulation method of the present invention. And another example of the second model. In the model shown in FIG. 3A, for the particles constituting the second model 34a, similarly to the first model 32a, particle movement regulation conditions are set (conditions that can be regarded as a metal body), and the first model This is a model for calculating the deformation of the second model while calculating the interaction between the model and the second model. As described above, conventionally, it is necessary to calculate the second model particle in consideration of the movement regulation condition and the interaction, and the second model includes a plurality of particles in addition to the region in contact with the first model. (Minimum of 2) is required, and the time required for the calculation for each particle has been enormous. In the present invention, the second model may be a model (second model 34b) that reproduces only the region that may contact the first structure as shown in FIG. 3B. In the present invention, particles of the second model has entered the contact condition range C N is not subject to any action from the particles of the first model, the velocity vector is also set to not change at all, contact conditions range C N By modeling only the particles of the second model that may enter, the surface shape of the second model does not change at all by contacting the first model, and the second model can be handled as a rigid model. . The number of particles of the second model 34a shown in FIG. 3 (a) is 2308, and the number of particles of the second model 34b shown in FIG. 3 (b) is 202. Compared to the case shown in FIG. 3 (a), the number of particles in the case shown in FIG. 3 (b) is simply small, and it is not necessary to consider extra interactions. Few.

移動・圧縮演算部14は、入力操作系24を用いて入力された圧縮条件に基づいて、第1モデル32に対して第2モデルを移動させるシミュレーション演算を実施する。本実施形態では、第1モデル32に対して第2モデル34を一定速度で近づけていくシミュレーション演算を行う。移動・圧縮演算部14では、単位時間間隔(時間ステップ)毎に、第1モデル32に第2モデル34を近づけていき、各時間間隔毎に、第1モデル32の全粒子のうち、第2モデルと接触したとみなす粒子、すなわち接触条件範囲内に第2モデルが入った粒子を抽出する。そして、第2モデルと接触したとみなす粒子については、接触した段階における第2モデルの速度ベクトルを、この粒子の速度ベクトルとして付与する。この速度ベクトル(速度情報)の付与は、接触以前の粒子の位置や速度などの物理量には全く依存させることなく、無条件で強制的に行う。   The movement / compression operation unit 14 performs a simulation operation for moving the second model with respect to the first model 32 based on the compression condition input using the input operation system 24. In the present embodiment, a simulation calculation is performed to bring the second model 34 closer to the first model 32 at a constant speed. In the movement / compression calculation unit 14, the second model 34 is brought close to the first model 32 at every unit time interval (time step), and the second of the total particles of the first model 32 at each time interval. Particles considered to be in contact with the model, that is, particles having the second model within the contact condition range are extracted. And about the particle | grains considered that it contacted with the 2nd model, the velocity vector of the 2nd model in the step which contacted is provided as a velocity vector of this particle | grain. The velocity vector (velocity information) is forcibly given unconditionally without depending on physical quantities such as the position and velocity of the particles before contact.

具体的には、第1モデル32の各粒子のうち、上記接触条件範囲C以内に第2モデルが入った粒子の速度ベクトルを、第2モデルの各粒子の速度ベクトルに設定する。この際、第2モデルの粒子について、第1モデルと衝突することによる一切の相互作用は無いものとみなし、第2モデルの速度ベクトルについては、接触・圧縮に起因した何らの変更も加えない。本実施形態のように準静的な変形では、接触・圧縮における第2構造体の移動速度は変化しないとみなすことができるので、このように速度ベクトルの強制付与によって、第1構造体と第2構造体の接触・圧縮状態を充分な精度で再現できる。本願発明では、第2構造体にかかる余分な相互作用を考慮する必要がないため、計算処理に係る時間は極端に少ない。また、同時に、第2モデルの起因する計算ノイズを低減することができる。なお、移動・圧縮演算部14で用いる第1モデル32は、1つ前の時間ステップにおいて、後述する変形演算部16において計算された、1つ前の時間ステップ経過時点の圧縮変形状態にあるモデルである。なお、第1の時間ステップにおいて用いる第1モデル32は、初期状態、例えば複数の粒子が等間隔に配列されたモデルを用いる。   Specifically, among each particle of the first model 32, the velocity vector of the particle that has entered the second model within the contact condition range C is set as the velocity vector of each particle of the second model. At this time, regarding the particles of the second model, it is considered that there is no interaction due to collision with the first model, and the velocity vector of the second model is not changed at all due to contact / compression. In the quasi-static deformation as in the present embodiment, it can be considered that the moving speed of the second structure in the contact / compression does not change. The contact / compression state of the two structures can be reproduced with sufficient accuracy. In this invention, since it is not necessary to consider the extra interaction concerning a 2nd structure, the time concerning a calculation process is extremely short. At the same time, calculation noise caused by the second model can be reduced. Note that the first model 32 used in the movement / compression calculation unit 14 is a model that is in the compression deformation state at the time point immediately before the time step calculated by the deformation calculation unit 16 described later in the previous time step. It is. The first model 32 used in the first time step uses an initial state, for example, a model in which a plurality of particles are arranged at equal intervals.

変形演算部16は、移動・圧縮演算部14において第1モデル32の接触部分の粒子に付与された速度ベクトルを外力条件として、現在の時間ステップnにおける、第1モデルの圧縮変形状態を計算する。本実施形態では、非圧縮条件を体積一定の条件で解くアルゴリズムを適用した、非圧縮粘性流体解析法を用いる。非圧縮粘性流体解析法を用いるのは、ゴム等の高分子材料は、圧力によっても体積がほとんど変化しない非圧縮あるいは微圧縮性を示すが、SPH法は基本的には圧縮性の取り扱いであり、そのままでは厳密には非圧縮状態を計算できないからである。なお、本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーションは、圧縮条件および非圧縮条件のいずれの条件でも適用可能であり、変形挙動シミュレーションにおけるアルゴリズムの詳細については、特に限定されない。   The deformation calculation unit 16 calculates the compression deformation state of the first model at the current time step n using the velocity vector given to the particles at the contact portion of the first model 32 in the movement / compression calculation unit 14 as an external force condition. . In this embodiment, an incompressible viscous fluid analysis method using an algorithm that solves the incompressible condition under a constant volume condition is used. The incompressible viscous fluid analysis method is used for polymer materials such as rubber, which show incompressibility or microcompressibility in which the volume hardly changes even with pressure, but the SPH method is basically a compressive treatment. This is because the uncompressed state cannot be calculated strictly as it is. The deformation behavior simulation using the particle model of the present invention can be applied under either compression condition or non-compression condition, and the algorithm details in the deformation behavior simulation are not particularly limited.

まず、1つ前の時間ステップ(n−1)経過時点の粒子速度と圧力場とを用いて、現時間ステップnにおける仮の速度u (下記式(9))を求める。
ここに、uは粒子速度、Pは圧力、Vは動粘性係数、fは体積力である。このままでは、仮の粒子速度は連続の式を満たさないので、式(10)に示すように、非回転速度場u’を用いて、nステップ目の速度を表す。また、nステップ目の圧力場は、式(11)のようになる。式(9)(10)(11)を用いて、nステップにおける粒子速度uを求めると、下記式(12)のようになる。
変形演算部16では、このような式(12)によって、仮の粒子速度を陽解法的に求める(外力による変形サブステップ〈na〉)。
First, a temporary velocity u i * (the following equation (9)) at the current time step n is obtained using the particle velocity and pressure field at the time point when the previous time step (n−1) has elapsed.
Here, u is the particle velocity, P is the pressure, V is the kinematic viscosity coefficient, and f is the body force. Since the temporary particle velocity does not satisfy the continuous equation as it is, the non-rotational velocity field u ′ is used to represent the n-th velocity as shown in Equation (10). Further, the pressure field of the nth step is as shown in Expression (11). Using Equation (9) (10) (11), when obtaining the particle velocity u n in n steps, so the following equation (12).
In the deformation calculation unit 16, the provisional particle velocity is obtained explicitly by such an expression (12) (deformation substep <na> by external force).

ここで、uは連続の式を満たさなくてはならないので、式(12)の発散をとると、式(13)の圧力に関するポアソン方程式が得られる。
Here, since u * must satisfy the continuity equation, taking the divergence of equation (12) yields the Poisson equation for the pressure of equation (13).

このポアソン方程式の左辺を離散化すると式(14)となる。ここで、Pab=P−P、rab=r−rである。ポアソン方程式の右辺は、式(15)のように離散化される。
When the left side of the Poisson equation is discretized, Equation (14) is obtained. Here, P ab = P a −P b and r ab = r a −r b . The right side of the Poisson equation is discretized as shown in Equation (15).

変形演算部16では、外力による変形サブステップ〈na〉で求めた仮の粒子速度によって粒子を移動させた後、非圧縮性条件を満たすように式(13)の圧力ポアソン方程式を陰解法的に解いて、修正された圧力と速度を求め、粒子を移動させる(位置修正サブステップ〈nb〉)。本実施形態では、このように、1つの時間ステップにおいて、外力による変形サブステップ〈na〉と位置修正サブステップ〈nb〉とを実施して、時間ステップnにおける粒子の位置を求める。   The deformation calculation unit 16 implicitly solves the pressure Poisson equation of Equation (13) so as to satisfy the incompressibility condition after moving the particles at the temporary particle velocity obtained in the deformation substep <na> by external force. Solve, find the corrected pressure and velocity, and move the particles (position correction substep <nb>). In the present embodiment, in this way, in one time step, the deformation sub-step <na> and the position correction sub-step <nb> by external force are performed, and the position of the particle at the time step n is obtained.

また、本実施形態では、変形演算部16において、変形サブステップ〈na〉、および位置修正サブステップ〈nb〉の各サブステップ毎に変形勾配を求め、時間ステップnにおける各粒子の応力を求める。本実施形態では、Update Lagrangian法を用いて、時間ステップnにおける変形勾配テンソルFijを求める。Update Lagrangian法に基く変形勾配テンソルFは、1つ前のステップ<n−1>までにアップデートされた変形勾配テンソル、すなわち、初期状態からステップ<n−1>が終了するまでの変形勾配をF<n−1>とすると、現在のステップでの変形勾配テンソルをf<n>として、現ステップ<n>終了時の変形勾配テンソルF<n>は以下の式(16)で表される
<n>=f<n><n−1> ・・・(16)
Moreover, in this embodiment, the deformation | transformation calculating part 16 calculates | requires a deformation | transformation gradient for every substep of deformation | transformation substep <na> and a position correction substep <nb>, and calculates | requires the stress of each particle | grain in the time step n. In the present embodiment, the deformation gradient tensor F ij at the time step n is obtained using the Update Lagrangian method. The deformation gradient tensor F based on the Update Lagrangian method is the deformation gradient tensor updated up to the previous step <n−1>, that is, the deformation gradient from the initial state to the end of step <n−1> is F Assuming that <n−1> , the deformation gradient tensor at the current step is f <n> , and the deformation gradient tensor F <n> at the end of the current step <n> is expressed by the following equation (16). <N> = f <n> F <n-1> (16)

本実施形態では1つのステップは、上述のように、SPH法に基く外力による変形サブステップ<na>と、粒子密度一定のための位置修正サブステップ<nb>の、2つのサブステップに分かれるので、さらに、各々のサブステップ毎に変形勾配を求め、応力を計算する。具体的には、ステップ<n−1>終了時の変形勾配テンソルをF<n−1>として、変形サブステップ<na>における変形勾配テンソルをf <n>として、このサブステップ終了時までの変形勾配テンソルF <n>を以下の式(17)で求める。
<n>=f <n><n−1> ・・・(17)
In the present embodiment, as described above, one step is divided into two sub-steps: a deformation sub-step <na> by an external force based on the SPH method, and a position correction sub-step <nb> for constant particle density. Further, a deformation gradient is obtained for each sub-step, and the stress is calculated. Specifically, the deformation gradient tensor at the end of step <n-1> is set as F <n-1> , and the deformation gradient tensor at the deformation substep <na> is set as f a <n>. The deformation gradient tensor F a <n> is obtained by the following equation (17).
F a <n> = f a <n> F <n−1> (17)

そして、次に、粒子密度一定のための位置修正サブステップ<nb>における変形勾配テンソルをf <n>として、このサブステップ終了時までの変形勾配テンソルF <n>を、現ステップ<n>終了時の変形勾配テンソルF<n>として、以下の式(18)により求める。
<n>=f <n> <n>=F<n>・・・(18)
Then, the deformation gradient tensor F b <n> up to the end of this substep is set as the deformation gradient tensor F b <n> at the position correction substep <nb> for fixing the particle density as f b <n>. n> Deformation gradient tensor F at the end F <n> is obtained by the following equation (18).
F b <n> = f b <n> F a <n> = F <n> (18)

このようにして求められた変形勾配テンソルを元に、各ステップ終了時の各粒子の応力を求める。例えば、弾性ポテンシャル関数としてMooney−Rivlin体を用いて表した、Cauchy応力テンソルを求めればよい。変形演算部16では、このようにして、現在の時間ステップnにおける第1モデルの圧縮変形状態、例えば、第1モデルの各粒子の位置および応力を計算する。Mooney−Rivlin体を用いて表した、Cauchy応力テンソルの導出や、上記各処理の詳細については、例えば上記非特許文献2に記載されている。   Based on the deformation gradient tensor thus obtained, the stress of each particle at the end of each step is obtained. For example, a Cauchy stress tensor expressed using a Mooney-Rivlin body as an elastic potential function may be obtained. In this way, the deformation calculation unit 16 calculates the compression deformation state of the first model at the current time step n, for example, the position and stress of each particle of the first model. The derivation of the Cauchy stress tensor expressed using the Mooney-Rivlin body and details of each of the above-described processes are described in Non-Patent Document 2, for example.

出力部26は、公知のプリンタまたはディスプレイであって、変形演算部16の計算結果を出力する。例えば、各時間ステップnにおける、第1モデルの圧縮変形状態および応力分布を、画像として表示出力する。また、各粒子の位置や速度応力などの物理量の数値情報を表示出力してもよい。また、モデル作成部12におけるモデル作成処理や、移動・圧縮演算部14における移動・圧縮シミュレーションなど、各部の処理の経過についても、順次出力することができる。   The output unit 26 is a known printer or display, and outputs the calculation result of the deformation calculation unit 16. For example, the compression deformation state and stress distribution of the first model at each time step n are displayed and output as an image. Also, numerical information of physical quantities such as the position of each particle and velocity stress may be displayed and output. In addition, it is possible to sequentially output the progress of processing of each unit, such as model creation processing in the model creation unit 12 and movement / compression simulation in the movement / compression operation unit 14.

図4は、本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法の一例のフローチャート図である。本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法では、まず、シミュレーション条件を設定する(ステップS100)。例えば、第1構造体および第2構造体の大きさや形状、第1構造体に対する第2構造体の移動速度などの圧縮条件(どのくらいの速度で、どのくらいの時間ステップをかけて、どの程度圧縮するかなど)や、粒子の条件など、シミュレーションに必要な種々の条件を設定しておく。次に、モデル作成部12において、上述のように、入力操作系24を用いて入力されたモデル作成条件に応じて、第1構造体を複数の粒子の集合体として再現した第1モデル、および、第2構造体を再現した第2モデルを作成する(ステップS102)。   FIG. 4 is a flowchart of an example of a deformation behavior simulation method using the particle model of the present invention. In the deformation behavior simulation method using the particle model of the present invention, first, simulation conditions are set (step S100). For example, compression conditions such as the size and shape of the first structure and the second structure, the moving speed of the second structure relative to the first structure (how much speed, how much time step, how much compression) Etc.) and various conditions necessary for the simulation, such as particle conditions. Next, in the model creation unit 12, as described above, according to the model creation conditions input using the input operation system 24, the first model that reproduces the first structure as an aggregate of a plurality of particles, and Then, a second model reproducing the second structure is created (step S102).

次に、移動・圧縮演算部14が、入力操作系24を用いて入力された圧縮条件に基づいて、第1モデル32に対して第2モデルを移動させるシミュレーション演算を実施する(ステップS104)。本実施形態では、第1モデル32に対して第2モデル34を一定速度(例えば10mm/secで近づけ)、接触した後も同一速度で第2モデルを移動させて、第1モデルを圧縮していくシミュレーション演算を行う(ステップS104)。このステップでは、所定の単位時間間隔(時間ステップ)分だけ、第1モデル32に第2モデル34を近づけていく。そして、移動・圧縮演算部14が、この時間間隔分の移動・圧縮処理が終了した時点での、第1モデル32の全粒子のうち、第2モデルと接触したとみなす粒子、すなわち接触条件範囲内に第2モデルが入った粒子を抽出する。そして、上述のように、第2モデルと接触したとみなす粒子については、接触した段階における第2モデルの速度ベクトルを、この粒子の速度ベクトルとして付与する(ステップS106)。この速度ベクトル(速度情報)の付与は、接触以前の粒子の位置や速度などの物理量には全く依存させることなく、無条件で強制的に行う。   Next, the movement / compression operation unit 14 performs a simulation operation for moving the second model with respect to the first model 32 based on the compression condition input using the input operation system 24 (step S104). In the present embodiment, the second model 34 is moved to the first model 32 at a constant speed (for example, approaching at 10 mm / sec), and the second model is moved at the same speed after the contact to compress the first model. A simulation calculation is performed (step S104). In this step, the second model 34 is brought closer to the first model 32 by a predetermined unit time interval (time step). The movement / compression calculation unit 14 determines that the particles that are in contact with the second model among all the particles of the first model 32 at the time when the movement / compression processing for the time interval is completed, that is, the contact condition range. Particles containing the second model are extracted. As described above, for the particles that are considered to be in contact with the second model, the velocity vector of the second model at the stage of contact is assigned as the velocity vector of the particles (step S106). The velocity vector (velocity information) is forcibly given unconditionally without depending on physical quantities such as the position and velocity of the particles before contact.

そして、変形演算部16は、上述のように、移動・圧縮演算部14において第1モデル32の接触部分の粒子に付与された速度ベクトルを外力条件として、現在の時間ステップが終了した時点での、第1モデルの圧縮変形状態(各粒子の位置や応力など)を計算する(ステップS108)。変形演算部16における圧縮変形状態の演算が終了すると、予め定められた圧縮条件で規定された全ての時間ステップについて、圧縮変形状態が算出されたか否かが判定される(ステップS110)。このような判定は、例えばCPU20が行なえばよい。すべての時間ステップについての圧縮変形状態の演算が終了していない場合は、次の時間ステップに変更されて(ステップ<n>であった場合、ステップ<n+1>に変更)(ステップS112)、ステップS104〜S110の処理が繰り返し実施される。このような処理の繰り返しは、全ての時間ステップについて圧縮状態が演算されるまで、繰り返し実施される。   Then, as described above, the deformation calculation unit 16 uses the velocity vector applied to the particles at the contact portion of the first model 32 in the movement / compression calculation unit 14 as an external force condition, and at the time when the current time step is completed. Then, the compression deformation state (the position and stress of each particle) of the first model is calculated (step S108). When the calculation of the compression deformation state in the deformation calculation unit 16 is completed, it is determined whether or not the compression deformation state has been calculated for all time steps defined by a predetermined compression condition (step S110). Such a determination may be performed by the CPU 20, for example. If the calculation of the compression deformation state for all time steps is not completed, the time step is changed to the next time step (if step <n>, the step is changed to step <n + 1>) (step S112). The processes of S104 to S110 are repeatedly performed. Such processing is repeated until the compression state is calculated for all time steps.

全ての時間ステップについて圧縮状態が演算されると、出力部26は、シミュレーション結果を出力する(ステップS114)。例えば、各時間ステップ終了時点での第1モデルの変形状態を、各時間ステップ毎に連続表示することで、第1モデルと第2モデルが接触してから第1モデルが圧縮されてしまうまでの、第1モデルの変形挙動をアニメーション表示する。本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法は、このように実施される。   When the compression state is calculated for all time steps, the output unit 26 outputs a simulation result (step S114). For example, by continuously displaying the deformation state of the first model at the end of each time step for each time step, the first model and the second model are compressed until the first model is compressed. The deformation behavior of the first model is displayed as an animation. The deformation behavior simulation method using the particle model of the present invention is performed in this way.

図5(a)〜(d)は、本願発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法の実施結果の一例であり、ゴム体である円柱形状の第1構造体を、略剛体の第2構造体によって圧縮した際の、第1構造体の変形挙動を再現シミュレーションを実施した結果である。図5(a)〜(d)に示す例では、第1構造体をφ100mmのゴム体(超弾性材料)として、この第1構造体を再現する、複数の粒子からなる第1モデル42を作成し、平板状の略剛体を再現する第2モデル44を作成した。そして、第1モデル42に対し、図中上側から下方向に向かって、第2モデル44(の一方)を速度10mm/secで移動させて、第1モデル42の圧縮変形状態を演算した。なお、圧縮変形状態の演算では、各圧縮状態における(すなわち各時間ステップにおける)各粒子の位置および応力を求めた。なお、応力を求めるにあたり、第1モデル42の弾性ポテンシャル関数としてMooney−Rivlin体を用いた。なお、Mooney−Rivlin定数c=1.0、c=0.04、微圧縮材料の体積変化の係数α=7.5とした。 FIGS. 5A to 5D are examples of results of the deformation behavior simulation method using the particle model of the present invention. The cylindrical first structure, which is a rubber body, is replaced with a substantially rigid second structure. It is the result of having carried out the reproduction simulation of the deformation behavior of the 1st structure at the time of compressing with a body. In the example shown in FIGS. 5A to 5D, a first model 42 made of a plurality of particles, which reproduces the first structure, is formed using a rubber body (superelastic material) of φ100 mm as the first structure. Then, a second model 44 that reproduces a flat, substantially rigid body was created. Then, the second model 44 (one of them) was moved at a speed of 10 mm / sec from the upper side to the lower side in the figure with respect to the first model 42, and the compression deformation state of the first model 42 was calculated. In the calculation of the compression deformation state, the position and stress of each particle in each compression state (that is, in each time step) were obtained. In determining the stress, a Mooney-Rivlin body was used as the elastic potential function of the first model 42. The Mooney-Rivlin constants c 1 = 1.0, c 2 = 0.04, and the volume change coefficient α of the finely compressed material were set to 7.5.

図5(a)は、第1モデル42と第2モデル44とが一部分が接触して、双方のモデルが停止している初期状態であり、図5(b)は、第1モデル42が図中上下方向に10%圧縮された状態の結果であり、図5(c)は、第1モデル42が図中上下方向に25%圧縮された状態における圧縮変形状態の結果であり、図5(d)は、第1モデル42が図中上下方向に40%圧縮された状態における圧縮変形状態の結果である。図5(a)〜(d)では、色が薄いほど圧縮される方向の応力が強く、色が濃いほど引っ張られる方向の応力が強い。図5(a)〜(d)に示すように、本願発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法によって、超弾性体である第1構造体の変形挙動を各圧縮状態毎に詳細に求めることができる。なお、図6(a)は、図5(d)に示す状態の第1モデルについて、一部を拡大して示す図である。また、図6(b)は、図5(a)〜(d)に示す場合と同様の第1構造体および第2構造体をメッシュモデルによって再現したモデルを用い、FEM(有限要素法)によって、図5(a)〜(d)に示す場合と同様の圧縮変形解析を行なった結果である。図6(b)は、図5(d)と同様、第1モデルが図中上下方向に40%圧縮された状態における、圧縮変形状態の結果である。図6(a)(図5(d))に示す本発明のシミュレーション結果は、図6(b)に示す有限要素法による解析結果とよく一致している。本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法は、ゴム体などの大変形問題を、十分な精度で解析可能である。 FIG. 5A shows an initial state in which the first model 42 and the second model 44 are partially in contact with each other, and both models are stopped. FIG. FIG. 5C shows the result of the compression deformation state in the state in which the first model 42 is compressed 25% in the vertical direction in the drawing. d) is a result of the compression deformation state in a state where the first model 42 is compressed by 40% in the vertical direction in the figure. 5A to 5D, the thinner the color, the stronger the stress in the compression direction, and the darker the color, the stronger the stress in the pulling direction. As shown in FIGS. 5A to 5D, the deformation behavior of the first structure, which is a superelastic body, is determined in detail for each compression state by the deformation behavior simulation method using the particle model of the present invention. Can do. FIG. 6A is an enlarged view showing a part of the first model in the state shown in FIG. FIG. 6B shows a model obtained by reproducing a first structure and a second structure similar to those shown in FIGS. 5A to 5D using a mesh model, and FEM (finite element method) is used. These are the results of the same compression deformation analysis as in the case shown in FIGS. FIG. 6B shows the result of the compression deformation state in the state where the first model is compressed by 40% in the vertical direction in the figure, similarly to FIG. 5D. The simulation results of the present invention shown in FIG. 6 (a) (FIG. 5 (d)) are in good agreement with the analysis results by the finite element method shown in FIG. 6 (b). The deformation behavior simulation method using the particle model of the present invention can analyze a large deformation problem such as a rubber body with sufficient accuracy.

以上、本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法およびプログラムについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。   As described above, the deformation behavior simulation method and program using the particle model of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Of course.

本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法を実施する変形挙動シミュレーション装置の概略の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the outline of the deformation behavior simulation apparatus which implements the deformation behavior simulation method using the particle | grain model of this invention. 本発明の変形挙動シミュレーション方法によって作成されるモデルの一例である。It is an example of the model produced by the deformation | transformation behavior simulation method of this invention. (a)は、従来の変形挙動シミュレーション方法で作成されるモデルの一例であり、(b)は、本発明の変形挙動シミュレーション方法で作成されるモデルの他の例である。(A) is an example of a model created by a conventional deformation behavior simulation method, and (b) is another example of a model created by the deformation behavior simulation method of the present invention. 本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法の一例のフローチャート図である。It is a flowchart figure of an example of the deformation behavior simulation method using the particle | grain model of this invention. (a)〜(d)は、本発明の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法の実施結果の一例であり、第1構造体を第2構造体によって圧縮した際の第1構造体の変形挙動を再現するシミュレーションを実施した結果である。(A)-(d) is an example of the implementation result of the deformation | transformation behavior simulation method using the particle | grain model of this invention, and the deformation | transformation behavior of the 1st structure when the 1st structure is compressed by the 2nd structure It is the result of having performed the simulation which reproduces. (a)は、図5(d)に示す状態の第1モデルについて、一部を拡大して示す図である。また(b)は、図5(a)〜(d)に示す場合と同様の第1構造体および第2構造体をメッシュモデルによって再現したモデルを用い、FEM(有限要素法)によって、図5(a)〜(d)に示す場合と同様の変形挙動を再現するシミュレーションを実施した結果である。(A) is a figure which expands and shows a part about the 1st model of the state shown in Drawing 5 (d). FIG. 5B is a diagram obtained by reproducing a first structure and a second structure similar to those shown in FIGS. 5A to 5D using a mesh model, and using FEM (finite element method). It is the result of having implemented the simulation which reproduces the deformation behavior similar to the case shown in (a)-(d).

符号の説明Explanation of symbols

10 シミュレーション装置
12 モデル作成部
14 移動・圧縮演算部
16 変形演算部
18 メモリ
20 CPU
22 本体装置
24 入力操作系
26 出力部
32、42 第1モデル
34、44 第2モデル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Simulation apparatus 12 Model preparation part 14 Movement / compression calculating part 16 Deformation calculating part 18 Memory 20 CPU
22 Main Device 24 Input Operation System 26 Output Units 32, 42 First Model 34, 44 Second Model

Claims (6)

第1構造体と第2構造体とが接触して前記第1構造体が時間をかけて変形し、前記第1構造体と前記第2構造体との接触面が時間をかけて変化する際の、前記第1構造体の変形挙動を求める方法であって、
前記第1構造体を複数の粒子の集合体として再現した第1モデル、および、前記第2構造体を再現した第2モデルを生成するモデル生成ステップと、
前記第1モデルに対して前記第2モデルを移動させることで、前記第2モデルと接触した前記第1モデルを時間をかけて変形させたときの、前記第1モデルの変形挙動を計算するステップと、
前記計算結果を出力するステップと、を有し
前記変形挙動を計算するステップでは、前記第2モデルの物理量は前記第1モデルから何らの作用も受けないものとし、前記第1モデルに対して前記第2モデルを所定の時間ステップ毎に移動させて、移動の度に、前記第1モデルを構成する複数の粒子のうち、前記第2モデルとの距離が予め定められた所定値以下になった粒子の速度情報を、前記所定値以下の範囲にある前記第2モデルの速度情報と同一として、各時間ステップ毎の前記第1モデルの変形を計算することを特徴とする、粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法。
When the first structure and the second structure come into contact with each other and the first structure deforms over time, and the contact surface between the first structure and the second structure changes over time. A method for determining the deformation behavior of the first structure,
A model generation step of generating a first model that reproduces the first structure as an aggregate of a plurality of particles, and a second model that reproduces the second structure;
Calculating the deformation behavior of the first model when the first model in contact with the second model is deformed over time by moving the second model relative to the first model; When,
Outputting the calculation result, and in the step of calculating the deformation behavior, the physical quantity of the second model is not affected by the first model, and The second model is moved at predetermined time steps, and the distance from the second model among a plurality of particles constituting the first model is less than or equal to a predetermined value each time the second model is moved. Using the particle model, wherein the velocity information of the particle is the same as the velocity information of the second model in the range of the predetermined value or less, and the deformation of the first model is calculated for each time step. Deformation behavior simulation method.
前記第2モデルは、前記第2構造体を複数の粒子の集合体として再現したモデルであることを特徴とする請求項1記載の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法。   The deformation behavior simulation method using a particle model according to claim 1, wherein the second model is a model in which the second structure is reproduced as an aggregate of a plurality of particles. 前記第2モデルは、前記第2構造体のうち、前記第1構造体の任意の粒子との距離が前記所定値以下になる可能性のある領域のみを再現したモデルであることを特徴とする請求項1または2記載の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法。   The second model is a model that reproduces only a region of the second structure that is likely to have a distance from an arbitrary particle of the first structure equal to or less than the predetermined value. A deformation behavior simulation method using the particle model according to claim 1. 前記変形挙動を計算するステップでは、前記粒子のそれぞれについて設定されている、前記粒子の移動を規定する粒子移動規定条件に基づいて前記変形挙動を計算し、
前記粒子移動規定条件は、前記粒子のそれぞれに対応して近傍領域が定められるとともに、この近傍領域内の注目物理量の分布をこの近傍領域に含まれる粒子の持つ注目物理量を用いて近似することによって定められる条件であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法。
In the step of calculating the deformation behavior, the deformation behavior is calculated based on a particle movement regulation condition that regulates the movement of the particles set for each of the particles,
The particle movement regulation condition is determined by approximating the distribution of the target physical quantity in the neighboring area using the target physical quantity of the particles included in the neighboring area while the neighboring area is determined corresponding to each of the particles. The deformation behavior simulation method using the particle model according to any one of claims 1 to 3, wherein the conditions are defined.
前記粒子移動規定条件は、前記粒子によって構成されたモデルにおける近似したい物理量をx、前記近傍領域内の注目物理量の分布をf(x)として、この注目物理量の分布f(x)を前記近傍領域に含まれる粒子の持つ注目物理量と所定のカーネル関数とを用いて下記式(1)で定まる近似物理量の分布<f(x)>で近似することによって定式化される方程式である請求項4に記載の粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーション方法。
ただし、W(x−x’,h)はカーネル関数、hは影響半径。
The particle movement regulation condition is that a physical quantity to be approximated in a model constituted by the particles is x, a distribution of the attention physical quantity in the neighboring area is f (x), and the distribution f (x) of the attention physical quantity is the neighboring area. 5. An equation formulated by approximating the distribution of approximate physical quantities <f (x)> determined by the following formula (1) using a target physical quantity and a predetermined kernel function of particles included in A deformation behavior simulation method using the described particle model.
However, W (xx ', h) is a kernel function, and h is an influence radius.
第1構造体と第2構造体とが接触して前記第1構造体が時間をかけて変形し、前記第1構造体と前記第2構造体との接触面が時間をかけて変化する際の、前記第1構造体の変形挙動を求める方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記第1構造体を複数の粒子の集合体として再現した第1モデル、および、前記第2構造体を再現した第2モデルを生成させるモデル生成ステップと、
前記第1モデルに対して前記第2モデルを移動させることで、前記第2モデルと接触した前記第1モデルを時間をかけて変形させたときの、前記第1モデルの変形挙動を計算させるステップと、
前記計算結果を出力させるステップと、を有し、
前記変形挙動を計算させるステップでは、前記第2モデルの物理量は前記第1モデルから何らの作用も受けないものとし、前記第1モデルに対して前記第2モデルを所定の時間ステップ毎に移動させて、移動の度に、前記第1モデルを構成する複数の粒子のうち、前記第2モデルとの距離が予め定められた所定値以下になった粒子の速度情報を、前記所定値以下の範囲にある前記第2モデルの速度情報と同一として、各時間ステップ毎の前記第1モデルの変形を計算させることを特徴とする粒子モデルを用いた変形挙動シミュレーションプログラム。
When the first structure and the second structure come into contact with each other and the first structure deforms over time, and the contact surface between the first structure and the second structure changes over time. A program for causing a computer to execute a method for determining the deformation behavior of the first structure,
A model generation step of generating a first model that reproduces the first structure as an aggregate of a plurality of particles, and a second model that reproduces the second structure;
The step of calculating the deformation behavior of the first model when the first model in contact with the second model is deformed over time by moving the second model relative to the first model. When,
Outputting the calculation result, and
In the step of calculating the deformation behavior, the physical quantity of the second model is not affected by the first model, and the second model is moved with respect to the first model at predetermined time steps. The velocity information of the particles whose distance from the second model is equal to or less than a predetermined value among the plurality of particles constituting the first model each time the movement is performed is within a range equal to or less than the predetermined value. A deformation behavior simulation program using a particle model, characterized in that the deformation of the first model is calculated for each time step as the same as the velocity information of the second model.
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