JP2008286545A - ゴム部品のシミュレーション方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実験することなくゴム部品をシミュレーションを実行可能な技術を提供する。
【解決手段】ゴム材料を有するゴム部品の変形をシミュレーションするゴム部品のシミュレーション方法であって、ゴム部品を数値解析が可能な要素で分割した有限要素モデルを設定するステップと、ゴム材料の物性値および流動条件を入力するステップと、入力されたゴム材料の物性値および流動条件から、ゴム部品の振動特性を算出するステップと、ゴム部品の有限要素モデルと算出された振動特性とから、該ゴム部品の荷重変位関係を算出するステップと、を含む。ここで、振動特性の算出はプリミティブチェーンモデルを用いて行うことが好適である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ゴム部品のシミュレーション方法に関する。

従来、ゴム部品のシミュレーション・モデル化手法が数多く提案されている。

特許文献１，２では、フィラー充填ゴムをシミュレーションするために分子鎖網目理論に基づく８鎖モデルを用いている。特許文献３では、分子動力学計算により時間相関関数を算出し、線形応答理論を用いて高分子材料の各種物性をシミュレーションにより予測する技術が開示されている。
特開２００６−１３８８１０号公報 特開２００５−１２１５３６号公報 国際公開９７／０６４９６号パンフレット

しかしながら、上記特許文献１，２などでは、ゴムの振動特性は実験によって取得している。すなわち、シミュレーションを実施するために、ゴムの材料試験や、ゴム部品（製品）の実機試験を必要とし、実験すること無しにシミュレーションができない。

特許文献３は、高分子材料の振動特性を求めるために時間相関関数を算出しているが、この時間相関関数の算出処理には多大な時間がかかってしまう。したがって、特許文献３では、時間相関関数を推定によって求めている。

ゴム材料は、その成分・組成によって振動特性が様々に変化する。しかも、ゴム材料の組成と振動特性との関連について、シミュレーションを適用して特性を予測することは困難であった。その結果、部品メーカや材料メーカ等による試験結果のみが、ゴム部品の諸特性を知り得る情報源となっているのが現状である。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、実験を行うことなくゴム部品のシミュレーションを実行するための技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明では、以下の手段または処理によってゴム材料を有するゴム部品の変形をシミュレーションする。本発明に係るシミュレーション方法は、ゴム部品を数値解析が可能な要素で分割した有限要素モデルを設定するステップと、ゴム材料の物性値および流動条件を入力するステップと、入力されたゴム材料の物性値および流動条件から、ゴム部品の振動特性を算出するステップと、ゴム部品の有限要素モデルと算出された振動特性とから、該ゴム部品の荷重変位関係を算出するステップと、を含む。

ここで、振動特性の算出はプリミティブチェーンモデル（Primitive Chain Model）を
用いて算出することが好適である。

本発明によれば、実験することなくゴム部品の変形をシミュレーションすることが可能となる。

図１は、ゴム部品の挙動をシミュレーションして車両の性能を解析する車両解析装置の構成を示す図である。車両解析装置１は、概略、モデル入力部２、条件入力部４、振動特性算出部６、荷重・変位関係算出部８、車両性能解析部１０から構成される。なお、車両解析装置１は、ハードウェアとしては通常のコンピュータであり、ＣＰＵ（中央演算装置）がプログラムを実行することによって、上記の各機能が実現される。なお、上記各機能部の一部または全部は、専用のチップとして構成されても良い。

図２は、車両解析装置１を用いて車両の性能解析を行う際の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図１及び図２を参照して本実施形態に係る車両解析装置１を詳しく説明する。

まず、あらかじめＣＡＤプログラム（設計支援プログラム）等を用いて、対象となるゴム部品の３次元ＣＡＤデータを作成する（ステップＳ１）。そして、この３次元ＣＡＤデータをメッシュ分割して、有限要素法モデルを作成する（ステップＳ２）。メッシュ分割は、コンピュータによって自動で行っても良く、人間が手動で行っても良い。モデル入力部２は、このゴム部品の有限要素法モデルの入力を受け付ける。

条件入力部４は、ゴム部品に使用されるゴム材料の物性値および流動条件の入力を受け付ける（ステップＳ３）。ゴム材料の物性値としては、分子種、数平均分子量、分子形状、絡み合い点間分子量、架橋密度などが含まれる。これらの物性値は、文献や材料メーカから容易に入手可能である。また、流動条件には、対象となるゴム部品が使用される周波数領域、振幅領域、温度領域が含まれる。

振動特性算出部６は、条件入力部４に入力されたデータから、ゴム部品の貯蔵ばね定数（Ｇ’）や損失ばね定数（Ｇ’’）などの振動特性を算出する（ステップＳ４）。振動特性の算出は、プリミティブチェーンモデル（Primitive Chain Model）を採用することが
好適である。このようなプリミティブチェーンモデルを採用したシミュレータの例としては、日本総研ソリューションズの「Ｎａｐｌｅｓ」を挙げることができる。

プリミティブチェーンモデルは、既存の分子動力学法などの分子シミュレーション手法とは異なり、高分子鎖の絡み合いを一つの単位として計算する。具体的には、高分子を絡み合い点で分割し、絡み合い点間分子量を一つの要素と見なす。このように定義された各要素は、スリップリンクと呼ばれる束縛により絡み合いが表現され、各要素はレプテーション運動によってこの絡み合いをはずすことができるものとして扱われる。その結果、高分子の運動は、スリップリンクの運動および各要素に含まれるモノマーの移動により表現され、高速かつ精度良くゴム部品の振動特性を算出することができる。

このようにして、振動特性算出部６は、ゴム部品が使用される状態での粘弾性スペクトル（Ｇ’，Ｇ’’）を計算によって求める。

荷重・変位関係算出部８は、振動特性算出部６が求めた振動特性と、モデル入力部２に入力されたゴム部品のメッシュデータを用いて、汎用有限要素法プログラムによってゴム部品の動解析を実施する（ステップＳ５）。この際、加重・拘束条件は、できるだけ、車両搭載状態に近いことが望ましい。

荷重・変位関係算出部８は、有限要素法解析で求められる、ゴム部品の入力加重、拘束反力、変位、速度、加速度等のデータを検出・記憶する（ステップＳ６）。この際、車両モデルで必要な部位の情報を抽出して記憶する。

荷重・変位関係算出部８は、車両モデルに必要な部位の情報から、荷重と変位の関係等をマトリクス形式、関数形式、近似式等の必要な形式で関係式を求める（ステップＳ７）。

荷重・変位関係算出部８が求めた荷重と変位の関係式は、車両性能解析部１０に入力され、汎用有限要素法プログラムのユーザ定義要素として設定される（ステップＳ８）。これにより、車両性能解析部１０では、ゴム部品の挙動をシミュレーションすることが可能となる。

車両性能解析部１０は、上記のユーザ定義要素を含む車両モデルの有限要素法解析を実施して、車両の性能シミュレーションを実施する（ステップＳ９）。

本実施形態に係る車両解析装置１を用いることで、実験することなくゴム部品を含んだ精度の良い車両性能シミュレーションが可能となる。したがって、以下のようなパラメータスタディが容易になり、車両性能向上や、ゴム部品の設計、ゴム材料開発に有効なツールとなる。

［パラメータスタディ例１］
ステップＳ３において入力するゴム材料の物性値を変化させた場合の、車両性能（ステップＳ９）がどのように変化するかを、計算のみで直に求めることが可能になる。これにより、必要な車両性能を満たすためのゴム材料の物性値を求めることができるので、車両性能側からゴム材料開発に要求を出しやすくなる。その結果、ゴムの材料開発が加速化される。

［パラメータスタディ例２］
ステップＳ３において入力する流動条件（振幅、周波数、温度）を変化させた場合の、車両性能（ステップＳ９）がどのように変化するかを、計算のみで直に求めることが可能になる。これにより、どのような振幅、周波数、温度にすれば、車両の性能が向上するかが分かり、車両開発が加速化される。

［パラメータスタディ例３］
ステップＳ１においてゴム部品の形状を変化させ、ステップＳ３においてゴム材料の物性値を変化させて、それらを同時に変化させた場合の計算が実行可能である。これらの各パラメータを設計変数として既存の最適化ソフト等を用いることで、ステップＳ９で求められる車両性能を向上させるためには、どのような形状・材料を用いるのが良いのかを調査可能となる。その結果、車両開発が加速化される。

このように、従来の手法では実現ができなかった、複雑なゴム部品の挙動を計算のみで精度良く予測できるため、車両性能向上に大きく寄与する。

［変形例］
上記の説明では、ステップＳ５で求めた荷重と変位の関係は、ステップＳ６で関係式の形式にして、その関係式を用いてステップＳ９で車両性能解析を実行している。しかしながら、たとえば、ステップＳ５で用いたゴム部品の有限要素法モデルを、そのまま車両全体の有限要素法モデルに含めても良い。

ただし、この場合、計算時間やメモリ等の多くの資源を必要とすることになる。したがって、上記の説明のように、荷重と変位の関係を関係式の形式にした方が、計算自由度を縮小し、車両全体のシミュレーションの効率化が図られる。

本実施形態に係る車両解析装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る車両解析装置が行う車両性能解析処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 車両解析装置
２ モデル入力部
４ 条件入力部
６ 振動特性算出部
８ 荷重・変位関係算出部
１０ 車両性能解析部

Claims (4)

1. ゴム材料を有するゴム部品の変形をシミュレーションするゴム部品のシミュレーション方法であって、
   ゴム部品を数値解析が可能な要素で分割した有限要素モデルを設定するステップと、
   ゴム材料の物性値および流動条件を入力するステップと、
   入力されたゴム材料の物性値および流動条件から、ゴム部品の振動特性を算出するステップと、
   ゴム部品の有限要素モデルと算出された振動特性とから、該ゴム部品の荷重変位関係を算出するステップと、
   を含むゴム部品のシミュレーション方法。
2. 前記ゴム部品の振動特性は、プリミティブチェーンモデル（Primitive Chain Model）
   を用いて算出される
   ことを特徴とする請求項１に記載のゴム部品のシミュレーション方法。
3. ゴム材料を有するゴム部品の変形をシミュレーションするゴム部品のシミュレーション装置であって、
   ゴム部品を数値解析が可能な要素で分割した有限要素モデルを入力するモデル入力手段と、
   ゴム材料の物性値および流動条件を入力する条件入力手段と、
   入力されたゴム材料の物性値および流動条件から、ゴム部品の振動特性を算出する振動特性算出手段と、
   ゴム部品の有限要素モデルと算出された振動特性とから、該ゴム部品の荷重変位関係を算出する解析手段と、
   を備えるゴム部品のシミュレーション装置。
4. 前記振動特性算出手段は、プリミティブチェーンモデルを用いて振動特性を算出する
   ことを特徴とする請求項３に記載のゴム部品のシミュレーション装置。

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