JP2009216612A - Simulation method of rubber material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately simulate a deformation of a filler-filled rubber. <P>SOLUTION: A simulation method for simulating the deformation of a rubber material containing the rubber, the filler and a third component other than the rubber and the filler includes: a step of setting a rubber material model 2 modeled by an element for numerically analyzing the rubber material; a step of setting conditions for the rubber material model 2, and implementing a deformation calculation; and a step of obtaining the required physical quantity from the deformation calculation. The rubber material model includes: a matrix model 3 as a modeled rubber matrix; and a filler model 4 as a modeled filler. A function for representing a relationship between an extension and a stress as its physicality is set to the matrix model 3. The function includes a parameter corresponding to the blending quantity of the third component. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ゴムと、フィラーと、第3の成分とが配合されたゴム材料の変形を精度良く解析するのに役立つゴム材料のシミュレーション方法に関する。   The present invention relates to a rubber material simulation method useful for accurately analyzing deformation of a rubber material in which rubber, a filler, and a third component are blended.

タイヤ、スポーツ用品、その他各種の工業製品に使用されているゴム材料には、その機械的特性を向上させるために、カーボンやシリカ等のフィラーが充填される。特に、タイヤに関しては、近年、シリカが多用されつつある。その理由は、シリカ配合はカーボン配合に比べて転がり抵抗が小さいので、タイヤの燃費性能の向上に寄与するためである。また、シリカは脱石油資源であるため、環境にも優しいフィラーと言える。従って、シリカを含むフィラーが充填されたゴム材料の変形を精度良くコンピュータシミュレーションで解析することは今後のタイヤ等の開発にきわめて有益となる。   Rubber materials used in tires, sporting goods, and other various industrial products are filled with fillers such as carbon and silica in order to improve their mechanical properties. In particular, silica has been frequently used in recent years for tires. The reason is that the silica compound has a lower rolling resistance than the carbon compound, which contributes to an improvement in the fuel efficiency of the tire. Silica is an oil-free resource and can be said to be an environmentally friendly filler. Therefore, it is very useful for the future development of tires and the like to analyze the deformation of the rubber material filled with the filler containing silica with high accuracy by computer simulation.

従来、コンピュータを用いたゴム材料のシミュレーション方法としては、下記の非特許文献1及び特許文献1などが知られている。特に特許文献1のものでは、ゴム材料モデルとして、数値解析が可能な要素でモデル化したマトリックスモデルとフィラーモデルとが設定され、フィラーの影響を考慮した有限要素法による変形計算が行われる。   Conventionally, as a rubber material simulation method using a computer, the following Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 are known. In particular, in Patent Document 1, a matrix model and a filler model modeled with elements that can be numerically analyzed are set as the rubber material model, and deformation calculation is performed by a finite element method in consideration of the influence of the filler.

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) 特許3668238号公報Japanese Patent No. 3668238

ところで、ゴム材料のシミュレーションを行う際には、フィラーモデル及びマトリックスモデルにそれぞれの物性が予め定義される。例えば、フィラーモデルは、硬質の弾性体として取り扱われるので、弾性率が設定される。また、マトリックスモデルには、前記物性として、フィラーが配合されていない純ゴムの引張試験の結果に基づいた物性(応力と伸びとの関係を示す関数)が定められていた。   By the way, when the simulation of the rubber material is performed, the physical properties of the filler model and the matrix model are defined in advance. For example, since the filler model is handled as a hard elastic body, the elastic modulus is set. Further, the physical property (function indicating the relationship between stress and elongation) based on the result of a tensile test of pure rubber not containing a filler was defined as the physical property in the matrix model.

しかしながら、このような方法でフィラー配合ゴムのシミュレーションを行うと、引張変形を与えたときの応力−伸びの結果が、実際の引張試験で得られた応力−伸びの結果と差異が生じる場合がある。この差異は、種々の実験の結果、フィラー充填ゴムに配合されるゴム及びフィラー以外の第3の成分の影響が大きいことを発明者らは知見した。     However, when the filler-containing rubber is simulated by such a method, the stress-elongation result when the tensile deformation is applied may differ from the stress-elongation result obtained in the actual tensile test. . As a result of various experiments, the inventors have found that the influence of the third component other than the rubber and filler added to the filler-filled rubber is large.

例えば、シリカが配合されたゴム材料では、シリカとゴムとを化学的に結合するためにシランカップリング剤(界面結合剤)が配合される。これまでは、シランカップリング剤は、シリカとゴムとの界面にのみ作用すると考えられていたが、昨今では、シランカップリング剤の一部は、加硫時にゴム同士を結合させる架橋剤を生成することが分かってきた。従って、マトリックスゴムの物性は、シランカップリング剤の配合量に応じて変化することになる。よって、精度の良いシリカ配合のゴム材料のシミュレーションを行うためには、このようなシランカップリング剤の影響をマトリックスゴムの物性に入力することが重要である。   For example, in a rubber material blended with silica, a silane coupling agent (interface binder) is blended in order to chemically bond silica and rubber. Until now, silane coupling agents were thought to act only on the interface between silica and rubber, but nowadays, some silane coupling agents produce cross-linking agents that bind rubbers together during vulcanization. I know that Therefore, the physical properties of the matrix rubber will change depending on the amount of the silane coupling agent. Therefore, it is important to input the influence of such a silane coupling agent into the physical properties of the matrix rubber in order to simulate a silica material with high accuracy.

また、発明者らは、シリカ配合ゴム及びシリカを含まない純ゴムについてそれぞれシランカップリング剤を変量配合して引張試験を行ない、それらの100%モジュラスを測定した。ゴムの配合は次の通りであり、その結果は図14に示される。   In addition, the inventors conducted a tensile test by adding various amounts of silane coupling agents to silica compounded rubber and pure rubber not containing silica, and measured their 100% modulus. The rubber composition is as follows, and the results are shown in FIG.

配合(単位:質量%)
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
SBR1502 100
真珠シリカ(※1) 53.2(又は0)
シランカップリング剤(※2) 変量
ステアリン酸 2.0
酸化亜鉛 3.0
老化防止剤13 1.0
硫黄 1.5
加硫促進剤TBBS(※3) 1.0
加硫促進剤DPG(※4) 1.0
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
加硫時間:30分@150℃
※1)日本触媒社製の「シーホスター」、粒径約100nm
※2)デグッサ社製のSi266(ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィド)
*3)大内新興化学工業(株)製のノクセラーNS(N-tert-ブチル-2-ベンゾチアゾリルスルファンアミド)
*4)大内新興化学工業(株)製のノクセラーD(ジフェニルグアンジン)
Formulation (unit: mass%)
--------------------
SBR1502 100
Pearl silica (* 1) 53.2 (or 0)
Silane coupling agent (* 2) Variable Stearic acid 2.0
Zinc oxide 3.0
Anti-aging agent 13 1.0
Sulfur 1.5
Vulcanization accelerator TBBS (* 3) 1.0
Vulcanization accelerator DPG (* 4) 1.0
--------------------
Vulcanization time: 30 minutes at 150 ° C
* 1) “Sea Hoster” manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., particle size of about 100 nm
* 2) Si266 (bis (3-triethoxysilylpropyl) disulfide) manufactured by Degussa
* 3) Noxeller NS (N-tert-butyl-2-benzothiazolylsulfanamide) manufactured by Ouchi Shinsei Chemical Industry Co., Ltd.
* 4) Noxeller D (diphenylguanidine) manufactured by Ouchi Shinsei Chemical Co., Ltd.

図14の結果から明らかなように、シリカを含まない純ゴムは、シランカップリング剤が配合されてもそのモジュラスは実質的に変化しない。しかし、シリカ配合ゴムは、シリカの配合量が一定であるにも拘わらずシランカップリング剤の配合量の増加とともにモジュラスが増大していることが分かる。つまり、シランカップリング剤は、シリカと結びついて初めて上述の架橋剤を生成する蓋然性が高いと推察される。従って、シリカ配合ゴムのシミュレーションを行うに際して、そのマトリックスモデル部分の物性を、シリカが配合されていない純ゴムから単純に定めるという従来の手法は適切ではない。   As is apparent from the results of FIG. 14, the modulus of the pure rubber not containing silica does not substantially change even when a silane coupling agent is blended. However, it can be seen that the modulus of silica compounded rubber increases as the compounding amount of the silane coupling agent increases even though the compounding amount of silica is constant. That is, it is presumed that the silane coupling agent has a high probability of forming the above-mentioned crosslinking agent only when combined with silica. Therefore, when simulating silica compounded rubber, the conventional method of simply determining the physical properties of the matrix model portion from pure rubber not compounded with silica is not appropriate.

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、ゴム材料モデルを、ゴムマトリックスをモデル化したマトリックスモデルと、フィラーをモデル化したフィラーモデルとを含んで設定するとともに、前記マトリックスモデルは、応力とひずみとの関係を表す関数によってその物性が設定されるとともに、前記関数は、ゴム及びフィラー以外の第3の成分の配合量に応じて変わるパラメータを含むことを基本として、精度良くフィラーが配合されたゴム材料の変形を計算しうるシミュレーション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 a rubber material model is set including a matrix model that models a rubber matrix and a filler model that models a filler, and The matrix model is based on the fact that the physical properties are set by a function representing the relationship between stress and strain, and the function includes a parameter that varies depending on the amount of the third component other than rubber and filler. The main object is to provide a simulation method capable of calculating the deformation of a rubber material in which a filler is blended with high accuracy.

本発明のうち請求項1記載の発明は、ゴムと、フィラーと、ゴム及びフィラー以外の第3の成分とを含むゴム材料の変形をシミュレーションするシミュレーション方法であって、前記ゴム材料を数値解析が可能な要素でモデル化したゴム材料モデルを設定するステップと、前記ゴム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むとともに、前記ゴム材料モデルは、ゴムマトリックスをモデル化したマトリックスモデルと、前記フィラーをモデル化したフィラーモデルとを少なくとも含み、かつ前記マトリックスモデルには、その物性として、伸びと応力との関係を表す関数が設定されるとともに、前記関数は、前記第3の成分の配合量に応じたパラメータを含むことを特徴とする。   Invention of Claim 1 among this invention is a simulation method which simulates deformation | transformation of the rubber material containing rubber | gum, a filler, and 3rd components other than rubber | gum and a filler, Comprising: Numerical analysis of the said rubber material is carried out. A step of setting a rubber material model modeled by possible elements, a step of performing deformation calculation by setting conditions in the rubber material model, and a step of acquiring a necessary physical quantity from the deformation calculation, The rubber material model includes at least a matrix model in which a rubber matrix is modeled and a filler model in which the filler is modeled. In the matrix model, a function expressing the relationship between elongation and stress is set as the physical property. And the function includes a parameter corresponding to a blending amount of the third component. To.

また請求項2記載の発明は、前記フィラーがシリカであり、かつ、前記第3の成分がシランカップリング剤である請求項1記載のゴム材料のシミュレーション方法である。   The invention according to claim 2 is the rubber material simulation method according to claim 1, wherein the filler is silica and the third component is a silane coupling agent.

また請求項3記載の発明は、前記関数は、前記パラメータの増加によって前記マトリックスゴムモデルに高い応力を発生させる請求項1又は2記載のゴム材料のシミュレーション方法である。   The invention according to claim 3 is the rubber material simulation method according to claim 1 or 2, wherein the function generates a high stress in the matrix rubber model by increasing the parameter.

また請求項4記載の発明は、前記関数は、下記式(1)で定義される請求項1乃至3のいずれかに記載のゴム材料のシミュレーション方法である。

Figure 2009216612
The invention according to claim 4 is the rubber material simulation method according to any one of claims 1 to 3, wherein the function is defined by the following formula (1).
Figure 2009216612

本発明のゴム材料のシミュレーション方法では、ゴムと、フィラーと、ゴム及びフィラー以外の第3の成分とを含むゴム材料の変形をシミュレーションするシミュレーション方法が提供される。そこでは、解析の対象となるゴム材料モデルは、ゴムマトリックスをモデル化したマトリックスモデルと、フィラーをモデル化したフィラーモデルとを含んでモデル化される。そして、マトリックスモデルには、応力とひずみとの関係を表す関数によってその物性が設定されるとともに、前記関数には、第3の成分の配合量に応じて変わるパラメータが入力される。このようなシミュレーション方法では、第3の成分の配合量に基づいてマトリックスモデルの物性が変化するため、精度良くフィラー配合のゴム材料の変形をシミュレーションすることができる。特に請求項2に記載された発明のように、フィラーがシリカであり、かつ、第3の成分がシランカップリング剤である場合には、より有効にマトリックスモデルに発生する応力の計算精度を高めることができる。   In the rubber material simulation method of the present invention, a simulation method for simulating deformation of a rubber material including rubber, a filler, and a third component other than the rubber and the filler is provided. In this case, a rubber material model to be analyzed is modeled including a matrix model obtained by modeling a rubber matrix and a filler model obtained by modeling a filler. In the matrix model, physical properties are set by a function representing the relationship between stress and strain, and a parameter that changes according to the blending amount of the third component is input to the function. In such a simulation method, since the physical properties of the matrix model change based on the blending amount of the third component, it is possible to accurately simulate the deformation of the rubber material blended with the filler. Especially when the filler is silica and the third component is a silane coupling agent as in the invention described in claim 2, the calculation accuracy of the stress generated in the matrix model is more effectively increased. be able to.

以下、本発明の実施の一形態が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が示されている。このコンピュータ装置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を含んで構成されている。本体1aの内部には、CPU、ROM、作業用メモリー及び磁気ディスク等のなどの大容量記憶装置が設けられる。また、本体1aには、CD−ROMやフレキシブルディスクのドライブ装置1a1、1a2が設けられる。そして、前記大容量記憶装置には後述する本発明のシミュレーション方法を実行するための処理手順(プログラム)が記憶されている。
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. Inside the main body 1a, a large-capacity storage device such as a CPU, a ROM, a working memory, and a magnetic disk is provided. The main body 1a is provided with CD-ROM and flexible disk drive devices 1a1 and 1a2. The mass storage device stores a processing procedure (program) for executing a simulation method of the present invention, which will be described later.

本実施形態のシミュレーション方法では、ゴムと、フィラーと、ゴム及びフィラー以外の第3の成分とを含むゴム材料の変形がシミュレーションされる。図2には、そ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、フィラーとしてシリカが、また第3の成分としてシランカップリング剤がそれぞれ配合されたゴム材料のモデルが設定される(ステップS1)。前記シランカップリング剤としては、例えば、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)ポリスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)ポリスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)ポリスルフィド、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)ポリスルフィド、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)ポリスルフィドなどが挙げられ、これらのシランカップリング剤は単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いても良い。なかでも、シランカップリング剤の添加効果およびコストの両立から、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィドなどが好適に用いられる。   In the simulation method of the present embodiment, deformation of a rubber material including rubber, a filler, and a third component other than the rubber and the filler is simulated. FIG. 2 shows an example of the processing procedure of the simulation method. In the present embodiment, a model of a rubber material is set in which silica is added as a filler and a silane coupling agent is added as a third component (step S1). Examples of the silane coupling agent include bis (3-triethoxysilylpropyl) polysulfide, bis (2-triethoxysilylethyl) polysulfide, bis (3-trimethoxysilylpropyl) polysulfide, and bis (2-trimethoxysilyl). Ethyl) polysulfide, bis (4-triethoxysilylbutyl) polysulfide, bis (4-trimethoxysilylbutyl) polysulfide and the like. These silane coupling agents may be used alone or in combination of two or more. It may be used. Of these, bis (3-triethoxysilylpropyl) disulfide is preferably used because of the addition effect of the silane coupling agent and the cost.

図3には、微視構造としてのゴム材料モデル2の一例が視覚化して示されている。該ゴム材料モデル2は、解析しようとするゴム材料(実在するか否かを問わない)の微小領域が、有限個の小さな要素2a、2b、2c…に置き換えられたものである。各要素2a、2b、2c…は、数値解析が可能に定義される。数値解析が可能とは、例えば有限要素法、有限体積法、差分法又は境界要素法といった数値解析法により、各要素ないし系全体についての変形計算が可能なことを意味する。具体的には、各要素2a、2b、2c…について、座標系における節点座標値、要素形状、材料特性などが定義される。各要素2a、2b、2c…には、例えば2次元平面としての三角形ないし四辺形の要素、3次元要素としては、例えば4ないし6面体の要素が好ましく用いられる。これにより、ゴム材料モデル2は、前記コンピュータ装置1にて取り扱い可能な数値データを構成する。   In FIG. 3, an example of the rubber material model 2 as a microscopic structure is visualized. The rubber material model 2 is obtained by replacing a minute region of a rubber material to be analyzed (whether or not actually exist) with a finite number of small elements 2a, 2b, 2c. Each element 2a, 2b, 2c... Is defined so as to be capable of numerical analysis. The possibility of numerical analysis means that deformation calculation for each element or the entire system can be performed by a numerical analysis method such as a finite element method, a finite volume method, a difference method, or a boundary element method. Specifically, for each element 2a, 2b, 2c..., A node coordinate value, an element shape, a material characteristic, etc. in the coordinate system are defined. For each of the elements 2a, 2b, 2c, etc., for example, a triangular or quadrilateral element as a two-dimensional plane, and a tetrahedral element, for example, is preferably used as a three-dimensional element. Thus, the rubber material model 2 constitutes numerical data that can be handled by the computer device 1.

この実施形態のゴム材料モデル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方向にはひずみを持たない。この実施形態において、ゴム材料モデル2の一辺の長さは、例えば縦横それぞれ300nm×300nmである。   The rubber material model 2 of this embodiment is analyzed in a plane strain state in a deformation simulation described later. Therefore, there is no distortion in the z direction. In this embodiment, the length of one side of the rubber material model 2 is, for example, 300 nm × 300 nm in both vertical and horizontal directions.

また、本実施形態のゴム材料モデル2は、ゴムマトリックス部分がモデル化されたマトリックスモデル3と、このマトリックスモデル3の中に分散して配されかつ本実施形態ではフィラーとしてのシリカがモデル化されたフィラーモデル4と、前記マトリックスモデル3と前記フィラーモデル4との間に介在しかつ両者の間の界面を形成する界面モデル5とからなるものが例示される。   Further, the rubber material model 2 of the present embodiment includes a matrix model 3 in which a rubber matrix portion is modeled, and dispersed and arranged in the matrix model 3, and in this embodiment, silica as a filler is modeled. A filler model 4 and an interface model 5 interposed between the matrix model 3 and the filler model 4 and forming an interface between them are exemplified.

前記マトリックスモデル3は、ゴム材料モデル2の主要部を構成し、かつ、例えば三角形ないし四辺形の複数個の要素を用いて表現されている。変形計算を行うために、マトリックスモデル3を構成する各要素には、その物性として応力と伸びとの関係を表す関数が定義される。本実施形態のゴム材料のシミュレーション方法では、ゴム弾性応答を表現するために、前記マトリックスモデル3及び界面モデル5のゴム部分は、いずれも分子鎖網目理論に基づいて計算が行われる。   The matrix model 3 constitutes a main part of the rubber material model 2 and is expressed using a plurality of elements such as triangles or quadrilaterals. In order to perform the deformation calculation, a function representing the relationship between stress and elongation is defined for each element constituting the matrix model 3 as its physical property. In the rubber material simulation method of this embodiment, in order to express a rubber elastic response, the rubber parts of the matrix model 3 and the interface model 5 are both calculated based on the molecular chain network theory.

分子鎖網目理論とは、図4(A)、(B)に示されるように、連続体としてのゴム材料aは、微視構造として、無秩序に配向された分子鎖cが接合点bで連結された網目構造を持つとの考えを前提とするものである。接合点bは、例えば分子間の化学的結合であってそれには架橋点などが含まれる。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the molecular chain network theory is that the rubber material a as a continuum has a microscopic structure in which randomly oriented molecular chains c are connected at junctions b. It is premised on the idea of having a mesh structure. The junction point b is, for example, a chemical bond between molecules, and includes a crosslinking point.

分子鎖網目理論では、接合点bが原子の揺らぎ周期に対して長時間的には平均位置が変化しないものとし、接合点bの回りの摂動が無視される。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変形するとの仮定が置かれる。   In the molecular chain network theory, it is assumed that the average position of the junction b does not change for a long time with respect to the atomic fluctuation period, and the perturbation around the junction b is ignored. Furthermore, it is assumed that the end-to-end vector of the molecular chain c having two junctions b and b at both ends co-deforms with the rubber material continuum in which it is embedded. It is burned.

また、1本の分子鎖cは、図4(C)に示されるように、複数のセグメントdから構成されるものとする。各セグメントdは、化学的には同図(D)に示すように、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が連結したものに相当する。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。モノマーfの数が十分多ければ、スケーリング則によってセグメントdの巨視的な性質は変わらないので、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として取り扱われる。さらに、図4(C)に示される二つの接合点b、bによって定義される分子鎖の形態は非ガウス統計分布に従うものとされる。従って、二つの接合点b、bを結ぶ方向に伸び(ストレッチ)λを加えた場合に生じる応力は、下式(1)で表すことができる。

Figure 2009216612
One molecular chain c is assumed to be composed of a plurality of segments d as shown in FIG. Each segment d is chemically equivalent to one in which a plurality of monomers f in which carbon atoms are connected by covalent bonds are connected, 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. If the number of monomers f is sufficiently large, the macroscopic property of the segment d does not change according to the scaling rule, so that one segment d is treated as a minimum repeating unit in the molecular chain network theory. Furthermore, the shape of the molecular chain defined by the two junctions b and b shown in FIG. 4C is assumed to follow a non-Gaussian statistical distribution. Therefore, the stress generated when the elongation (stretch) λ is applied in the direction connecting the two joining points b and b can be expressed by the following equation (1).
Figure 2009216612

そして、網目構造の全体的な応答特性は、個々の分子鎖の寄与を考慮して得ることができる。しかし、それら全てを正確に考慮して計算するのは数学的に困難である。このため、分子鎖網目理論では、平均化手法が導入される。本実施形態では、8鎖モデルを採用した分子鎖網目理論に準拠している。即ち、この手法では、図5(A)に示されるように、超弾性体であるゴム材料は、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であると仮定される。また、一つの8鎖モデルgは、図5(B)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つの各接合点b2にそれぞれ分子鎖cがのびているものと仮定して計算が行われる。   The overall response characteristic of the network structure can be obtained in consideration of the contribution of individual molecular chains. However, it is mathematically difficult to calculate in consideration of all of them. For this reason, in the molecular chain network theory, an averaging method is introduced. In this embodiment, it conforms to the molecular chain network theory adopting the 8-chain model. That is, in this method, as shown in FIG. 5A, the rubber material which is a superelastic body is macroscopically a cubic network structure h in which minute 8-chain models g. Is assumed. In addition, as shown in an enlarged view in FIG. 5B, one 8-chain model g is composed of eight joint points b2 provided at each vertex from one joint point b1 defined at the center of the cube. The calculation is performed assuming that the molecular chain c extends.

また、本実施形態では、分子鎖網目理論に、材料のひずみに応じた接合点bの消滅が考慮される。現実のゴム材料において、荷重の負荷における変形過程では、分子鎖の互いに絡み合った部分(即ち、前記接合点b)が大きなひずみによって消滅することが知られている。つまり、接合点bの数が減少する。例えば、図6(A)に示されるように、一つの接合点bで接合されている分子鎖c1ないしc4に矢印方向の引張応力が作用すると、各分子鎖c1ないしc4の伸びにより接合点bは大きなひずみを受けて消滅する。この結果、図6(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、1本の長い分子鎖c5になる。分子鎖c3及びc4についても同様である。このような現象は、ゴム材料の負荷変形が進むにつれて逐次発生する。また、接合点bの数の減少は、1本の分子鎖cに含まれるセグメントの数を増加させることになる。   In the present embodiment, the disappearance of the junction point b corresponding to the strain of the material is considered in the molecular chain network theory. In an actual rubber material, it is known that intertwined portions of molecular chains (that is, the junction point b) disappear due to a large strain during a deformation process under load. That is, the number of junction points b decreases. For example, as shown in FIG. 6A, when tensile stress in the direction of the arrow acts on the molecular chains c1 to c4 joined at one joining point b, the joining points b are stretched by the molecular chains c1 to c4. Disappears under great strain. As a result, as shown in FIG. 6B, the molecular chains c1 and c2 that have been two in the past become one long molecular chain c5. The same applies to the molecular chains c3 and c4. Such a phenomenon occurs sequentially as the load deformation of the rubber material proceeds. In addition, the decrease in the number of junction points b increases the number of segments included in one molecular chain c.

次に、上記の現象を図5(A)に示した網目構造体hに具体的に適用する。該網目構造体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個結合されているもとする。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、それは式(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、マトリックスモデル3の単位体積中に含まれる分子鎖の数)nは、式(3)で表される。
m=(k+1)3 +k3 …式(2)
n=8k3 …式(3)
Next, the above phenomenon is specifically applied to the mesh structure h shown in FIG. The network structure h is assumed to have k 8-chain models g coupled in the width direction, the height direction, and the depth direction. When the total number of junction points b included in the mesh structure h is represented by the symbol m as “entanglement number”, it is represented by the formula (2). Similarly, the number n of molecular chains c included in the network structure h (that is, the number of molecular chains included in the unit volume of the matrix model 3) n is expressed by Expression (3).
m = (k + 1) 3 + k 3 (2)
n = 8k 3 Formula (3)

ここで、kは十分に大きい数とすると、上式(2)からkの3次項以外を省略して次式(4)が得られる。さらに式(3)及び(4)の関係から、からみ数mは、nを用いて式(5)で表される。
m=2k3 …式(4)
m=n/4 …式(5)
Here, if k is a sufficiently large number, the following expression (4) is obtained by omitting the third order term of k from the above expression (2). Furthermore, from the relationship between the expressions (3) and (4), the entanglement number m is expressed by the expression (5) using n.
m = 2k 3 Formula (4)
m = n / 4 Formula (5)

さらに、網目構造体hは、変形の前後で材料の出入りが無いので、そのセグメントの総数NA は常に一定と仮定できる。従って、式(6)、及び(7)が成り立つ。
A =n・N …式(6)
N=NA /n=NA/4m …式(7)
Furthermore, since the mesh structure h has no material in and out before and after deformation, the total number N A of the segments can be assumed to be always constant. Therefore, Expressions (6) and (7) are established.
N A = n · N Equation (6)
N = N A / n = N A / 4m ... formula (7)

ここで、上述の接合点bの消滅は、マトリックスモデル3におけるからみ数mを減少させ、ひいては1本の分子鎖cに含まれるセグメントの数を増加させることに相当する。従って、8鎖モデルを用いた分子鎖網目理論に、上述の負荷変形(伸び)に伴った接合点の減少を導入するために、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、ひずみに関するパラメータλに応じて増大させる。このひずみに関するパラメータλとしては、例えば、ひずみ、伸び、ひずみ速度又はひずみの1次の不変量 などが挙げられる。また、上記負荷変形時とは、微小時間の間でモデルのひずみが増大する変形であり、逆に除荷変形時とは、ひずみが減少する変形とする。 Here, the disappearance of the junction point b corresponds to a decrease in the number m of entanglements in the matrix model 3 and an increase in the number of segments included in one molecular chain c. Therefore, in order to introduce the decrease in the junction points accompanying the above-described load deformation (elongation) into the molecular chain network theory using the 8-chain model, the average number of segments per molecular chain in the above formula (1) N is increased according to the parameter λ c for strain. Examples of the strain-related parameter λ c include strain, elongation, strain rate, or first-order invariant of strain. Further, the load deformation is a deformation in which the strain of the model increases in a very short time, and conversely, the deformation in the unloading deformation is a deformation in which the strain decreases.

さらに、本実施形態では、マトリックスモデル3に適用される分子鎖網目理論についてのみ、シランカップリング剤の配合量に応じた接合点の増加が考慮される。図7には、シリカの体積含有率を20%に固定し、シランカップリング剤の体積含有率μ(=vc/vo[%];vc:シランカップリング剤の体積、vo:ゴムの全体積)のみを変化させた複数種類のシリカ配合ゴムについて、ひずみが50%になるまで引張試験を行ったときの公称応力−公称ひずみの関係が示される。図7から明らかなように、シランカップリング剤の体積含有率μの増加に伴い、シリカ配合ゴムが硬化している(弾性率が大きくなっている)ことが分かる。その原因は、上で述べた通り、ゴムとシリカ粒子との界面以外に存在するシランカップリング剤が、加硫時に縮合反応を起こし、ゴムの分子鎖同士を化学的に結合させる架橋剤として生成、機能したためと推察される。このようなシランカップリング剤によるゴム分子鎖の結合は、マトリックスゴムに新たな接合点を生成し、1本の分子鎖に含まれるセグメントの数を減らすことに相当する。従って、分子鎖網目理論にこのシランカップリング剤の作用を導入するべく、本実施形態では、シランカップリング剤の配合量の増加に基づいて、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を減少させる。 Further, in the present embodiment, only for the molecular chain network theory applied to the matrix model 3, an increase in the junction points according to the blending amount of the silane coupling agent is considered. In FIG. 7, the volume content of silica is fixed to 20%, the volume content μ of the silane coupling agent μ (= v c / v o [%]; v c : the volume of the silane coupling agent, v o : The relationship between the nominal stress and the nominal strain when a tensile test is performed until the strain reaches 50% is shown for a plurality of types of silica-blended rubber in which only the total volume of rubber) is changed. As is apparent from FIG. 7, it is understood that the silica-containing rubber is cured (the elastic modulus is increased) as the volume content μ of the silane coupling agent is increased. The reason is that, as described above, the silane coupling agent that exists outside the interface between the rubber and silica particles causes a condensation reaction during vulcanization and is generated as a crosslinking agent that chemically bonds the rubber molecular chains together. It is guessed that it worked. Bonding of rubber molecular chains by such a silane coupling agent corresponds to generating a new bonding point in the matrix rubber and reducing the number of segments contained in one molecular chain. Therefore, in order to introduce the action of the silane coupling agent into the molecular chain network theory, in this embodiment, based on the increase in the amount of the silane coupling agent, the amount per molecular chain in the formula (1) is determined. Decrease the average number of segments N.

以上より、本実施形態のマトリックスモデル3では、1本の分子鎖当たりの平均セグメント数Nは、下式(8)のように、1本の分子鎖当たりの初期セグメント数N0に、材料のひずみに応じたパラメータf(λc)の項が加算されるとともに、シランカップリング剤の配合量に応じたパラメータg(μ)が減算される関数として定義される。
N(λc,μ)=N0+f(λc)−g(μ) …(8)
ここで、符号は次の通りである。
0:1本の分子鎖当たりの初期セグメント数
μ:vc/vo
c:シランカップリング剤の体積
o:ゴムの全体積
From the above, in the matrix model 3 of this embodiment, the average number of segments N per molecular chain is equal to the initial number of segments N 0 per molecular chain as shown in the following formula (8). It is defined as a function in which the term of the parameter f (λ c ) corresponding to the strain is added and the parameter g (μ) corresponding to the blending amount of the silane coupling agent is subtracted.
N (λ c , μ) = N 0 + f (λ c ) −g (μ) (8)
Here, the symbols are as follows.
N 0 : initial number of segments per molecular chain μ: v c / vo
v c : volume of silane coupling agent v o : total volume of rubber

従って、上記式(8)で得られる平均セグメント数Nを用いた前記式(1)は、マトリックスモデル3のひずみ及びシランカップリング剤の配合量に依存して応力を変化させることができる。とりわけ、パラメータ{g(μ)}の項を含むことにより、シランカップリング剤のマトリックスゴムへの影響を考慮してシリカ配合ゴム材料の変形計算を行うことができるので、その計算精度が向上する。なお、各関数f、gの係数は、適宜定めることができる(詳細は実施例で述べる)。   Therefore, the equation (1) using the average segment number N obtained by the above equation (8) can change the stress depending on the strain of the matrix model 3 and the blending amount of the silane coupling agent. In particular, by including the term of the parameter {g (μ)}, the deformation calculation of the silica-containing rubber material can be performed in consideration of the influence of the silane coupling agent on the matrix rubber, so that the calculation accuracy is improved. . The coefficients of the functions f and g can be determined as appropriate (details will be described in the embodiments).

次に、前記フィラーモデル4は、フィラーとしてのシリカをモデル化したものが示される。この実施形態では、三角形又は四辺形の複数個の要素でモデル化される。前記シリカは、直径約60〜300nm程度のゴムに比べて非常に硬い単粒子からなる。フィラーモデル4には、このような解析対象となるシリカの物性とほぼ等しい物性が設定される。また、フィラーモデル4は、粘弾性体ではなく弾性体として取り扱われる。   Next, the filler model 4 shows a model of silica as a filler. In this embodiment, it is modeled by a plurality of triangular or quadrilateral elements. The silica is composed of single particles that are very hard compared to rubber having a diameter of about 60 to 300 nm. The filler model 4 has physical properties that are substantially equal to the physical properties of the silica to be analyzed. The filler model 4 is handled as an elastic body, not a viscoelastic body.

本実施形態では、フィラーモデル4の体積含有率μが20%となるよう、5つのフィラーモデル4がゴム材料モデル2の中に含まれている。各フィラーモデル4の粒子径は全て等しく設定されている。ただし、ゴム材料モデル2に含まれるフィラーモデル4の個数などは解析対象となるゴムのシリカ配合量などに応じて適宜定めれば良い。また、フィラーとしては、シリカ以外にもカーボンブラックなどが用いられても良い。   In the present embodiment, five filler models 4 are included in the rubber material model 2 so that the volume content μ of the filler model 4 is 20%. The particle sizes of the filler models 4 are all set equal. However, the number of filler models 4 included in the rubber material model 2 may be appropriately determined according to the amount of silica compounded in the rubber to be analyzed. In addition to silica, carbon black or the like may be used as the filler.

前記界面モデル5は、シリカとマトリックスゴムとを化学的に結合させるシランカップリング剤を含む薄い厚さの界面部分に相当し、それがモデル化されたものである。該界面モデル5は、小さい厚さtでフィラーモデル4を連続して取り囲んでおり、この実施形態では、2層の要素で構成されている。また、界面モデル5の内周面はフィラーモデル4に、またその外周面はマトリックスモデル3にそれぞれ接触している。これらの各接触面には、例えば互いに剥離しない条件などを設定できる。なお、界面モデル5の厚さtは、特に限定されるものではないが、種々の実験結果などに鑑み、フィラーモデル4の直径の10〜30%程度、より好ましくは15〜25%程度に設定されるのが望ましい。   The interface model 5 corresponds to a thin interface portion including a silane coupling agent that chemically bonds silica and matrix rubber, and is modeled. The interface model 5 continuously surrounds the filler model 4 with a small thickness t, and is composed of two layers of elements in this embodiment. Further, the inner peripheral surface of the interface model 5 is in contact with the filler model 4 and the outer peripheral surface thereof is in contact with the matrix model 3. For example, conditions that do not separate each other can be set for each of these contact surfaces. The thickness t of the interface model 5 is not particularly limited, but is set to about 10 to 30%, more preferably about 15 to 25% of the diameter of the filler model 4 in view of various experimental results. It is desirable to be done.

また、この界面モデル5にも前記式(1)に準じた応力と伸びとの関係が定義される。しかし、界面モデル5で用いられる式(1)の平均セグメント数Nは、下式(9)のように、固定値に設定される。また、前記界面部分では、シランカップリング剤の影響によってマトリックスゴムよりも硬くなっていると考えられる。このため、本実施形態では、式(9)の平均セグメント数Nの初期値N0を、マトリックスモデル3に適用される式(8)の平均セグメント数Nの初期値N0よりも小さくして伸びにくくしている。これにより、本実施形態の界面モデル5には、マトリックスモデル4よりも硬い粘弾性特性が定義される(ただし、界面モデル5は、フィラーモデル4よりは軟らかく設定される)。
N(λc)=N0 …(9)
The interface model 5 also defines the relationship between stress and elongation according to the above equation (1). However, the average number of segments N in the equation (1) used in the interface model 5 is set to a fixed value as in the following equation (9). In addition, it is considered that the interface portion is harder than the matrix rubber due to the influence of the silane coupling agent. For this reason, in this embodiment, the initial value N 0 of the average number of segments N in Expression (9) is made smaller than the initial value N 0 of the average number of segments N in Expression (8) applied to the matrix model 3. It is difficult to stretch. Thereby, the interface model 5 of the present embodiment defines viscoelastic properties that are harder than the matrix model 4 (however, the interface model 5 is set to be softer than the filler model 4).
N (λ c ) = N 0 (9)

なお、後述するゴム材料モデル2の変形シミュレーションでは、マトリックスモデル3及び界面モデル5の各要素について、負荷変形時においてはパラメータλc が常時計算され、それらは式(8)及び(9)に代入される。これにより、当該要素のセグメント数Nが常に更新されてシミュレーションに取り込まれる。   In the deformation simulation of the rubber material model 2 to be described later, the parameter λc is constantly calculated for each element of the matrix model 3 and the interface model 5 at the time of load deformation, and these are substituted into the equations (8) and (9). The Thereby, the number of segments N of the element is constantly updated and taken into the simulation.

次に、ゴム材料モデル2を変形させるための変形条件が設定される。本実施形態では、図3のy方向に任意の平均ひずみ速度を加えてゴム材料モデル2に引張変形を与える条件が定義される。また、所定のひずみ量に達した後は、逆に前記と同じひずみ速度でひずみを零まで漸減させる。ただし、変形条件は種々定めうるのは言うまでもない。   Next, deformation conditions for deforming the rubber material model 2 are set. In the present embodiment, conditions for applying tensile deformation to the rubber material model 2 by adding an arbitrary average strain rate in the y direction of FIG. 3 are defined. On the contrary, after reaching the predetermined strain amount, the strain is gradually reduced to zero at the same strain rate as described above. However, it goes without saying that various deformation conditions can be determined.

次に本実施形態のシミュレーション方法では、設定されたゴム材料モデル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8に示される。変形シミュレーションでは、先ずゴム材料モデル2の各種の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 set rubber material model 2 (step S3). A specific processing procedure of the deformation simulation is shown in FIG. In the deformation simulation, first, various data of the rubber material model 2 are input to the computer device 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を作成し(ステップS32)、しかる後、全体構造の剛性マトリックスを組み立てる(ステップS33)。全体構造の剛性マトリックスには、既知節点の変位、節点力が導入され(ステップS34)、剛性方程式の解析が行われる。そして、未知節点変位が決定され(ステップS35)、各要素のひずみ、応力、主応力といった物理量を計算し、出力する(ステップS36ないし37)。ステップS38では、計算を終了させるか否かの判定がなされ、否定的である場合には、ステップS32以降を繰り返す。このようなシミュレーション(変形計算)は、例えば有限要素法を用いたエンジニアリング系の解析アプリケーションソフトウエア(例えば米国リバモア・ソフトウェア・テクノロジー社で開発・改良されたLS−DYNA等)を用いて行うことができる。   The computer apparatus 1 creates a stiffness matrix for each element based on the input data (step S32), and then assembles a stiffness matrix for the entire structure (step S33). Displacement of known nodes and nodal forces are introduced into the stiffness matrix of the entire structure (step S34), and the stiffness equation is analyzed. Then, unknown node displacement is determined (step S35), and physical quantities such as strain, stress and principal stress of each element are calculated and output (steps S36 to 37). In step S38, it is determined whether or not to end the calculation. If negative, step S32 and subsequent steps are repeated. Such simulation (deformation calculation) can be performed using, for example, engineering analysis application software using the finite element method (for example, LS-DYNA developed and improved by Livermore Software Technology, Inc., USA). it can.

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。均質化法は、図9に示されるように、図3に示した微視構造(ユニットセル)を周期的に持っているゴム材料全体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、図3に示した微視構造のモデル構造を反映させたゴム材料全体の平均的な力学応答を求めることができる。即ち、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ことができる。 This simulation is performed based on a homogenization method (asymptotic expansion homogenization method). As shown in FIG. 9, the homogenization method expresses x I representing the whole rubber material M having the microscopic structure (unit cell) shown in FIG. 3 and the microscopic structure. Two independent variables with y I are used. By asymptotically expanding each independent variable in different scale fields, the microscopic scale and the macroscopic scale, the average mechanical response of the entire rubber material reflecting the model structure of the microscopic structure shown in FIG. Can be sought. In other words, if the analysis target area is composed of repetitions of an arbitrary microscopic structure, and the repetition degree is so dense that the area cannot be discretized directly by the finite element method, the analysis target is replaced with a homogeneous equivalent model. By analyzing 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.

前記変形計算が行われると、その結果から必要な物理量を取得することができる(ステップS4)。物理量としては、シリカ配合ゴムの変形挙動を調べるために、応力−ひずみ曲線が特に有効である。また、前記ゴム材料モデル2の各要素の時系列的な変形状態を視覚化して表示することもできる。この際、各要素には、応力に応じた着色を施すことが望ましい。   When the deformation calculation is performed, a necessary physical quantity can be acquired from the result (step S4). As the physical quantity, a stress-strain curve is particularly effective for examining the deformation behavior of the silica-containing rubber. Further, the time-series deformation state of each element of the rubber material model 2 can be visualized and displayed. At this time, it is desirable to color each element according to the stress.

本発明では、ゴム及びフィラー以外の第3の成分(シランカップリング剤)のゴム物性への寄与を切り分けている。このため、第3の成分の量を数水準変えたフィラー充填ゴムのマトリックス部分を予め決定しておけば、さらに第3の成分の配合量を振った場合のフィラー充填ゴムのある程度の特性が実験データなしで予測できる。従って、ゴム材料の開発効率が向上する。なお、上記実施形態では、フィラーとしてシリカを、また第3の成分としてシランカップリング剤の例を示したが、本発明は、これらの組み合わせに変えて、フィラーにカーボンを、また第3の成分として酸化ジアルキルスズ+チウラム化合物、ジチオカルバミン酸塩系化合物、チアゾール系化合物又はスルフェンアミド化合物を用いた場合にも適用できる。また、第3の成分の配合量に関するパラメータについて、上記実施形態では体積含有率を例に挙げたが、配合量に応じて変わるものであれば、例えば質量、質量比、表面積比など種々のものを採用しうるのは言うまでもない。   In the present invention, the contribution of the third component (silane coupling agent) other than rubber and filler to the rubber physical properties is carved out. For this reason, if the matrix portion of the filler-filled rubber in which the amount of the third component is changed by several levels is determined in advance, some characteristics of the filler-filled rubber when the blending amount of the third component is further varied are tested. Predictable without data. Accordingly, the development efficiency of the rubber material is improved. In the above embodiment, silica is used as the filler, and an example of the silane coupling agent is shown as the third component. However, in the present invention, carbon is used as the filler, and the third component is used instead of these combinations. It can also be applied to the case where a dialkyltin oxide + thiuram compound, a dithiocarbamate compound, a thiazole compound, or a sulfenamide compound is used. Moreover, about the parameter regarding the compounding quantity of a 3rd component, although the volume content rate was mentioned as an example in the said embodiment, if it changes according to a compounding quantity, various things, such as mass, mass ratio, and surface area ratio, will be mentioned, for example. It goes without saying that can be adopted.

1)解析モデル
図3に示す微視構造を周期的に持っているシリカ配合のゴム材料の全体巨視的モデルが設定された。巨視的モデルのサイズは2mm×2mmの矩形状とした。
1) Analytical model An overall macroscopic model of a silica-blended rubber material having the microscopic structure shown in FIG. 3 was periodically set. The size of the macroscopic model was a rectangular shape of 2 mm × 2 mm.

2)8鎖モデルの具体的構成式
この実施例では、ゴムの粘弾性挙動をさらに正確に記述するために、図10に示されるように、粘弾性8鎖モデルとダンパーで構成されるモデルとを用いた。実際のゴムの分子鎖は、周囲の分子鎖との摩擦に起因した粘性を持っている。このような摩擦を表現するために、8鎖モデルAの各分子鎖に、粘性抵抗をもつバネ・ダンパーの標準モデルが導入された。従って、単分子鎖の二つの接合点を結ぶ方向に伸びλc を加えた場合に生じる応力σcは、前記式(1)より次式で表すことができる。
2) Specific constitutive equation of 8-chain model In this example, in order to describe the viscoelastic behavior of rubber more accurately, as shown in FIG. 10, a viscoelastic 8-chain model and a model composed of a damper Was used. The actual molecular chain of rubber has viscosity due to friction with surrounding molecular chains. In order to express such friction, a standard model of a spring / damper having viscous resistance was introduced into each molecular chain of the 8-chain model A. Therefore, the stress σ c generated when the elongation λ c is applied in the direction connecting the two junctions of the monomolecular chain can be expressed by the following equation from the above equation (1).

Figure 2009216612
Figure 2009216612

また,図10に示す単分子鎖の各要素のストレッチをλα、λβ、λγとすると、λαである。その他の添え字α、β、γについても,図10に示す要素と対応させている.ただし,λ=λβ・λγである。 Further, assuming that the stretch of each element of the single molecular chain shown in FIG. 10 is λ α , λ β , and λ γ , λ α = λ c . The other subscripts α, β, and γ are also associated with the elements shown in FIG. However, λ c = λ β · λ γ .

また、変形前の体積を基準とした単位体積当たりの仕事に相当するひずみエネルギー密度関数Wを用いると、応力σは、次式のように表される。 Further, when a strain energy density function W corresponding to work per unit volume based on the volume before deformation is used, the stress σ c is expressed as the following equation.

Figure 2009216612
Figure 2009216612

上記2つの式より、恒等的に次式が成り立つ。   From the above two formulas, the following formula holds identically.

Figure 2009216612
Figure 2009216612

また、8鎖モデルの場合、主ストレッチをλ1、λ2、λ3とすると、分子鎖のストレッチλは、√{(λ1 2+λ2 2+λ3 2)/3}と表すことができるので、下式が成り立つ。 In the case of the 8-chain model, if the main stretches are λ 1 , λ 2 , and λ 3 , the molecular chain stretch λ c can be expressed as √ {(λ 1 2 + λ 2 2 + λ 3 2 ) / 3}. Because it can, the following equation holds.

Figure 2009216612
Figure 2009216612

上記3つの式より、上記8鎖モデルAの主ストレッチ方向の応力σi と、ストレッチλiとは次の関係で与えられる。

Figure 2009216612
From the above three equations, the stress σ i A in the main stretch direction of the 8-chain model A and the stretch λ i are given by the following relationship.
Figure 2009216612

また、上記8鎖モデルBの主ストレッチ方向の応力σi と、ストレッチλi’とは次の関係で与えられる。

Figure 2009216612
The main and stretch direction of the stress sigma i B of the 8 chain model B, the stretch lambda i 'is given by the following relation.
Figure 2009216612

また、この実施例では、非圧縮性ゴム材料を扱うものとする。従って、非圧縮性を満たすために静水圧pを用いる。このとき、上の2つの式を用いると、非圧縮性ゴム材料の構成式は、次のようになる。
σ=σi +σi −p
In this embodiment, an incompressible rubber material is handled. Therefore, the hydrostatic pressure p is used to satisfy the incompressibility. At this time, using the above two equations, the constitutive equation of the incompressible rubber material is as follows.
σ i = σ i A + σ i B −p

また、上記構成式の速度形式は、次のように表すことができ、この実施例ではこの式が用いられる。

Figure 2009216612
The speed format of the above constitutive equation can be expressed as follows, and this equation is used in this embodiment.
Figure 2009216612

2)マトリックスモデルの1本の分子鎖の平均セグメント数N
下式が採用された。
N(λc、μ)=N0+f(λc)−g(μ)
=N0+a0+a1λc+a2λc 2−√(b0+b1μ)
ここで、f(λc)及びg(μ)の具体的な関数の決め方の一例について述べる。まず、マトリックスモデルの材料変形に伴うからみ点の変化は、λc(伸び)のみに依存する。従って、最初に、シリカ未充填の純ゴムでのシミュレーションを行ない、その結果が実際の純ゴムの試験結果と整合するようにf(λc)の係数が決定される。先ず、1回目の負荷変形サイクルでは、負荷時のからみ点数が変化(減少)し、除荷時は、除荷開始時の値から変化しないものとする。そして、シミュレーションの結果と、実際の試験結果とが整合するよう、前記関数f(λc)の係数が決定される。なお、一旦、除荷された後の再負荷時においては、からみ点数の変化は不可逆的なものとする。即ち、再負荷時において、前回の負荷変形サイクルで到達した最大伸び以下の変形領域では、平均セグメント数Nは変化しないものとする。つまり、1回目の変形サイクルの除荷と、2回目の変形サイクルの再負荷でのNの値は同一になる。そして、さらに変形が進み、1回目の変形サイクルで経験した最大伸びを超えた場合、Nの値が再び変化(減少)するものとして定められる。次に、このシミュレーションによる結果と、シランカップリング剤の配合量を変えたシリカ配合ゴムの引張試験結果とを突き合わせ、それらの差ΔNとμとの関係(図11)を調べる。そして、この結果から、g(μ)の係数が決定される。具体的には、次のパラメータが設定された。
NαA=NαA_0+a0+a1λc+a2λc 2-√(b0+b1μ)
(ただし、この形でNが変化するのは、図10のNαA、NαB、NβAのうちNαAだけである)
NαA_0=8.3
a0=1.20
a1=−2.19
a2=0.99
b0=−7.17
b1=9.52
NαB=9.8、NβA=10.0
NA=n・N=4.75×1026
CR αB=0.08、CR βA=0.185
CR αAは、CR=n・kB・TよりNαAの値から決まる値
2) Average number of segments N of one molecular chain in the matrix model
The following formula was adopted.
N (λ c , μ) = N 0 + f (λ c ) −g (μ)
= N 0 + a 0 + a 1 λ c + a 2 λ c 2 −√ (b 0 + b 1 μ)
Here, an example of how to determine specific functions of f (λ c ) and g (μ) will be described. First, the change of the entanglement point accompanying the material deformation of the matrix model depends only on λ c (elongation). Therefore, first, a simulation is performed with a pure rubber not filled with silica, and the coefficient of f (λ c ) is determined so that the result matches the actual pure rubber test result. First, in the first load deformation cycle, the number of entanglement points at the time of loading changes (decreases), and at the time of unloading, it does not change from the value at the start of unloading. Then, the coefficient of the function f (λ c ) is determined so that the simulation result matches the actual test result. It should be noted that the change in the number of entanglement points is irreversible at the time of reloading after being unloaded once. That is, at the time of re-loading, it is assumed that the average segment number N does not change in the deformation region below the maximum elongation reached in the previous load deformation cycle. That is, the value of N in the unloading of the first deformation cycle and the reloading of the second deformation cycle are the same. When the deformation further proceeds and exceeds the maximum elongation experienced in the first deformation cycle, the value of N is determined to change (decrease) again. Next, the result of this simulation is compared with the tensile test result of the silica compounded rubber in which the compounding amount of the silane coupling agent is changed, and the relationship between the difference ΔN and μ (FIG. 11) is examined. From this result, the coefficient of g (μ) is determined. Specifically, the following parameters were set.
N αA = N αA_0 + a 0 + a 1 λ c + a 2 λ c 2 -√ (b 0 + b 1 μ)
(However, N is the change in this form, N .alpha.A, N alpha B in FIG. 10, only N .alpha.A of N [beta] A)
N αA_0 = 8.3
a 0 = 1.20
a 1 = −2.19
a 2 = 0.99
b 0 = −7.17
b 1 = 9.52
N αB = 9.8, N βA = 10.0
N A = n ・ N = 4.75 × 10 26
C R αB = 0.08, C R βA = 0.185
C R αA is a value determined from the value of N αA from C R = n · k B · T

3)界面モデルの1本の分子鎖の平均セグメント数N
N(λc)=N0=2.0(固定値)
0=1.20
1=−2.19
他は、上記の値と同じである。
NαA=2.0
NαB=9.8
NβA=10.0
CR αA=0.97、CR αB=0.08、CR βA=0.185
3) Average number of segments N of one molecular chain in the interface model
N (λ c ) = N 0 = 2.0 (fixed value)
a 0 = 1.20
a 1 = -2.19
Others are the same as the above values.
N αA = 2.0
N αB = 9.8
N βA = 10.0
C R αA = 0.97, C R αB = 0.08, C R βA = 0.185

4)フィラーモデルなどのパラメータ
フィラーモデルの縦弾性率:100MPa
フィラーモデルのポアソン比:0.3
材料温度:T=296K
B =1.38066×10-29
β R =0.185MPa
α R =0.08MPa
A =n・N=4.75×1026
A0 =8.38
αB =9.8
フィラーモデルの体積含有率μ:20%
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
4) Parameters such as filler model Longitudinal elastic modulus of filler model: 100 MPa
Poisson's ratio of filler model: 0.3
Material temperature: T = 296K
k B = 1.38066 × 10 −29
C β R = 0.185 MPa
C α R = 0.08 MPa
N A = n · N = 4.75 × 10 26
N A0 = 8.38
N αB = 9.8
Volume content μ of filler model: 20%
Longitudinal elastic modulus E of filler model: 100 MPa
Poisson's ratio ν of filler model: 0.3

5)変形条件
上記巨視的モデルに一様な一軸引張変形を発生させるため、図9のx方向に一定の変形速度100mm/minを加え、所定の最大ひずみ(2.5又は4.0)まで漸増させた。また、最大ひずみひずみに達した後は、逆に前記と同じ変形速度でひずみを零まで漸減させた。なお上記巨視的モデルは、厚さ方向(図3のZ軸方向)に変化しないように8鎖モデルを用いた分子鎖網目理論に基づいて計算を行った。
5) for generating a uniform uniaxial tensile deformation in deformation conditions the macroscopic model, added deformation speed 100 mm / min constant in x 2 direction in FIG. 9, the predetermined maximum strain (2.5 or 4.0) Gradually increased. Further, after reaching the maximum strain, the strain was gradually reduced to zero at the same deformation rate as described above. The macroscopic model was calculated based on a molecular chain network theory using an 8-chain model so as not to change in the thickness direction (Z-axis direction in FIG. 3).

6)計算結果
先ず、図12には、本実施例のシリカ配合ゴムのゴム材料モデルに用いられたマトリックスモデル単体の応力−ひずみ曲線を示す。また、併せて純ゴムの引張試験による実験値及びシミュレーション結果を示す。シミュレーションにおける純ゴムとは、式(8)における1本の分子鎖に含まれるセグメント数Nの関数からシランカップリング剤の配合量に関するg(μ)の項を省略したものである。図12より、シリカ配合ゴムにおけるマトリックスモデルは、純ゴムに比べて高モジュラス化していることが再現されている。
6) Calculation Results First, FIG. 12 shows a stress-strain curve of a matrix model alone used for the rubber material model of the silica-containing rubber of this example. Moreover, the experimental value and simulation result by the tensile test of pure rubber are also shown. The pure rubber in the simulation is obtained by omitting the term of g (μ) relating to the blending amount of the silane coupling agent from the function of the number of segments N contained in one molecular chain in the formula (8). From FIG. 12, it is reproduced that the matrix model in the silica-containing rubber has a higher modulus than that of the pure rubber.

次に、図13(a)には、この実施例に従うゴム材料モデルの応力−ひずみ曲線について、シミュレーションと実験値とが併記されている。図13(a)から明らかなように、シミュレーションの結果が、実験値と非常に良い相関を示していることが分かる。また、図13(b)には、図13で用いられた式(8)から第3の成分のパラメータg(μ)の項を取り除いた物性が設定されたマトリックスモデルを用いたシリカ配合ゴムのシミュレーション結果を示す(比較例)。この例では、図13(a)に比べると、精度が悪いことが確認できる。   Next, in FIG. 13A, simulations and experimental values are shown together for the stress-strain curve of the rubber material model according to this example. As is clear from FIG. 13A, it can be seen that the simulation result shows a very good correlation with the experimental value. FIG. 13B shows the silica-compound rubber using the matrix model in which the physical properties are set by removing the term of the parameter g (μ) of the third component from the equation (8) used in FIG. A simulation result is shown (comparative example). In this example, it can be confirmed that the accuracy is worse than that in FIG.

本実施形態で用いたコンピュータ装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the computer apparatus used by this embodiment. 本実施形態の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of this embodiment. ゴム材料モデル(微視構造)の一実施形態を示す線図である。It is a diagram showing one embodiment of a rubber material model (microscopic structure). (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. (A)は粘弾性材料の網目構造体を示す斜視図、(B)は8鎖モデルの一例を示す斜視図である。(A) is a perspective view which shows the network structure of a viscoelastic material, (B) is a perspective view which shows an example of an 8-chain model. (A)、(B)は分子鎖の接合点の破断を説明する線図である。(A), (B) is a diagram explaining the fracture | rupture of the junction of a molecular chain. シリカ配合ゴムのシランカップリング剤の体積含有率μを変えたときの応力−ひずみ曲線である。It is a stress-strain curve when changing the volume content (micro | micron | mu) of the silane coupling agent of a silica compounding rubber. 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微視構造と全体構造との関係を示す。The relationship between the microscopic structure explaining the homogenization method and the entire structure is shown. 実施例の8鎖モデルの構成図である。It is a block diagram of the 8-chain model of an Example. シランカップリング剤の体積含有率μと、ΔNとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the volume content rate (micro | micron | mu) of a silane coupling agent, and (DELTA) N. マトリックスモデルの応力−ひずみ曲線を示す。The stress-strain curve of a matrix model is shown. (a)は実施例方法、(b)は比較例方法によるシリカ配合ゴムの応力−ひずみ曲線を示す。(A) is an Example method, (b) shows the stress-strain curve of the silica compounded rubber by the comparative example method. シランカップリング剤の体積含有率の影響を説明するグラフである。It is a graph explaining the influence of the volume content rate of a silane coupling agent.

符号の説明Explanation of symbols

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

Claims (4)

ゴムと、フィラーと、ゴム及びフィラー以外の第3の成分とを含むゴム材料の変形をシミュレーションするシミュレーション方法であって、
前記ゴム材料を数値解析が可能な要素でモデル化したゴム材料モデルを設定するステップと、
前記ゴム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むとともに、
前記ゴム材料モデルは、ゴムマトリックスをモデル化したマトリックスモデルと、前記フィラーをモデル化したフィラーモデルとを少なくとも含み、かつ
前記マトリックスモデルには、その物性として、伸びと応力との関係を表す関数が設定されるとともに、
前記関数は、前記第3の成分の配合量に応じたパラメータを含むことを特徴とするゴム材料のシミュレーション方法。
A simulation method for simulating deformation of a rubber material including rubber, a filler, and a third component other than rubber and the filler,
Setting a rubber material model obtained by modeling the rubber material with an element capable of numerical analysis;
Performing deformation calculation by setting conditions in the rubber material model;
Obtaining a necessary physical quantity from the deformation calculation, and
The rubber material model includes at least a matrix model that models a rubber matrix and a filler model that models the filler, and the matrix model has a function that represents a relationship between elongation and stress as its physical properties. As well as
The rubber function simulation method, wherein the function includes a parameter corresponding to a blending amount of the third component.
前記フィラーがシリカであり、かつ、前記第3の成分がシランカップリング剤である請求項1記載のゴム材料のシミュレーション方法。   The rubber material simulation method according to claim 1, wherein the filler is silica and the third component is a silane coupling agent. 前記関数は、前記パラメータの増加によって前記マトリックスゴムモデルに高い応力を発生させる請求項1又は2記載のゴム材料のシミュレーション方法。   3. The rubber material simulation method according to claim 1, wherein the function generates a high stress in the matrix rubber model by increasing the parameter. 前記関数は、下記式(1)で定義される請求項1乃至3のいずれかに記載のゴム材料のシミュレーション方法。
Figure 2009216612
The rubber function simulation method according to claim 1, wherein the function is defined by the following formula (1).
Figure 2009216612
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