JP2009216612A - Simulation method of rubber material - Google Patents
Simulation method of rubber material Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009216612A JP2009216612A JP2008062033A JP2008062033A JP2009216612A JP 2009216612 A JP2009216612 A JP 2009216612A JP 2008062033 A JP2008062033 A JP 2008062033A JP 2008062033 A JP2008062033 A JP 2008062033A JP 2009216612 A JP2009216612 A JP 2009216612A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- model
- rubber
- filler
- rubber material
- deformation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 title claims abstract description 143
- 239000005060 rubber Substances 0.000 title claims abstract description 143
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 77
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 68
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 56
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical group O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 80
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 40
- 239000006087 Silane Coupling Agent Substances 0.000 claims description 38
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims description 16
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 9
- 230000006870 function Effects 0.000 description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 description 13
- -1 silica compound Chemical class 0.000 description 10
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 8
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 6
- 229920001021 polysulfide Polymers 0.000 description 6
- 239000005077 polysulfide Substances 0.000 description 6
- 150000008117 polysulfides Polymers 0.000 description 6
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 6
- 238000004073 vulcanization Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 3
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 description 3
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- FBBATURSCRIBHN-UHFFFAOYSA-N triethoxy-[3-(3-triethoxysilylpropyldisulfanyl)propyl]silane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCSSCCC[Si](OCC)(OCC)OCC FBBATURSCRIBHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003190 viscoelastic substance Substances 0.000 description 2
- OWRCNXZUPFZXOS-UHFFFAOYSA-N 1,3-diphenylguanidine Chemical compound C=1C=CC=CC=1NC(=N)NC1=CC=CC=C1 OWRCNXZUPFZXOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 235000021355 Stearic acid Nutrition 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003712 anti-aging effect Effects 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000012990 dithiocarbamate Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- IUJLOAKJZQBENM-UHFFFAOYSA-N n-(1,3-benzothiazol-2-ylsulfanyl)-2-methylpropan-2-amine Chemical compound C1=CC=C2SC(SNC(C)(C)C)=NC2=C1 IUJLOAKJZQBENM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XBRUGMQPHDONFS-UHFFFAOYSA-N n-tert-butyl-1,3-benzothiazole-2-sulfinamide Chemical compound C1=CC=C2SC(S(=O)NC(C)(C)C)=NC2=C1 XBRUGMQPHDONFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OQCDKBAXFALNLD-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Natural products CCCCCCCC(C)CCCCCCCCC(O)=O OQCDKBAXFALNLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000005477 standard model Effects 0.000 description 1
- 239000008117 stearic acid Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 229960002447 thiram Drugs 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
- 230000003936 working memory Effects 0.000 description 1
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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。
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。
NA =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λcに応じて増大させる。このひずみに関するパラメータλc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
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
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。
N0:1本の分子鎖当たりの初期セグメント数
μ:vc/vo
vc:シランカップリング剤の体積
vo:ゴムの全体積
From the above, in the
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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).
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 =λc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,λc=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σc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.
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.
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λc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.
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 Aと、ストレッチλiとは次の関係で与えられる。
また、上記8鎖モデルBの主ストレッチ方向の応力σi Bと、ストレッチλi’とは次の関係で与えられる。
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。
σi=σi A+σi B−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。
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)
a0=1.20
a1=−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
kB =1.38066×10-29
Cβ R =0.185MPa
Cα R =0.08MPa
NA =n・N=4.75×1026
NA0 =8.38
NαB =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x2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.
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
Claims (4)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008062033A JP5001883B2 (en) | 2008-03-12 | 2008-03-12 | Rubber material simulation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008062033A JP5001883B2 (en) | 2008-03-12 | 2008-03-12 | Rubber material simulation method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009216612A true JP2009216612A (en) | 2009-09-24 |
JP5001883B2 JP5001883B2 (en) | 2012-08-15 |
Family
ID=41188615
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008062033A Active JP5001883B2 (en) | 2008-03-12 | 2008-03-12 | Rubber material simulation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5001883B2 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011145621A1 (en) * | 2010-05-20 | 2011-11-24 | 住友ゴム工業株式会社 | Method for simulating rubber material |
JP2012185042A (en) * | 2011-03-04 | 2012-09-27 | Yokohama Rubber Co Ltd:The | Simulation method and material parameter identification method |
EP2535828A1 (en) | 2011-06-16 | 2012-12-19 | Sumitomo Rubber Industries, Ltd. | Method for simulating the loss tangent of rubber compound |
EP2579173A1 (en) | 2011-10-03 | 2013-04-10 | Sumitomo Rubber Industries Limited | Method for simulating deformation of rubber compound with filler particles |
WO2022061485A1 (en) * | 2020-09-22 | 2022-03-31 | Rhodia Operations | Molecular dynamics method for simulating microstructure interface formation of silica and silanes |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004196256A (en) * | 2002-12-20 | 2004-07-15 | Sumitomo Rubber Ind Ltd | Pneumatic tire |
JP3668238B2 (en) * | 2003-10-17 | 2005-07-06 | 住友ゴム工業株式会社 | Rubber material simulation method |
JP2006138810A (en) * | 2004-11-15 | 2006-06-01 | Sumitomo Rubber Ind Ltd | Simulation method for rubber material |
JP2007101499A (en) * | 2005-10-07 | 2007-04-19 | Sumitomo Rubber Ind Ltd | Method for simulating viscoelastic material |
JP2007271369A (en) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Bridgestone Corp | Apparatus and method for estimating deformation behavior of rubber material |
JP2008106114A (en) * | 2006-10-24 | 2008-05-08 | Toyo Tire & Rubber Co Ltd | Rubber composition and pneumatic tire |
JP2009003747A (en) * | 2007-06-22 | 2009-01-08 | Yokohama Rubber Co Ltd:The | Method of generating simulation model of composite material and simulation method |
-
2008
- 2008-03-12 JP JP2008062033A patent/JP5001883B2/en active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004196256A (en) * | 2002-12-20 | 2004-07-15 | Sumitomo Rubber Ind Ltd | Pneumatic tire |
JP3668238B2 (en) * | 2003-10-17 | 2005-07-06 | 住友ゴム工業株式会社 | Rubber material simulation method |
JP2006138810A (en) * | 2004-11-15 | 2006-06-01 | Sumitomo Rubber Ind Ltd | Simulation method for rubber material |
JP2007101499A (en) * | 2005-10-07 | 2007-04-19 | Sumitomo Rubber Ind Ltd | Method for simulating viscoelastic material |
JP2007271369A (en) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Bridgestone Corp | Apparatus and method for estimating deformation behavior of rubber material |
JP2008106114A (en) * | 2006-10-24 | 2008-05-08 | Toyo Tire & Rubber Co Ltd | Rubber composition and pneumatic tire |
JP2009003747A (en) * | 2007-06-22 | 2009-01-08 | Yokohama Rubber Co Ltd:The | Method of generating simulation model of composite material and simulation method |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011145621A1 (en) * | 2010-05-20 | 2011-11-24 | 住友ゴム工業株式会社 | Method for simulating rubber material |
JP2011242336A (en) * | 2010-05-20 | 2011-12-01 | Sumitomo Rubber Ind Ltd | Simulation method of rubber material |
CN102906564A (en) * | 2010-05-20 | 2013-01-30 | 住友橡胶工业株式会社 | Method for simulating rubber material |
CN102906564B (en) * | 2010-05-20 | 2015-05-27 | 住友橡胶工业株式会社 | Method for simulating rubber material |
US9134292B2 (en) | 2010-05-20 | 2015-09-15 | Sumitomo Rubber Industries, Ltd. | Method for simulating rubber material |
EP2559998A4 (en) * | 2010-05-20 | 2016-11-30 | Sumitomo Rubber Ind | Method for simulating rubber material |
JP2012185042A (en) * | 2011-03-04 | 2012-09-27 | Yokohama Rubber Co Ltd:The | Simulation method and material parameter identification method |
EP2535828A1 (en) | 2011-06-16 | 2012-12-19 | Sumitomo Rubber Industries, Ltd. | Method for simulating the loss tangent of rubber compound |
EP2579173A1 (en) | 2011-10-03 | 2013-04-10 | Sumitomo Rubber Industries Limited | Method for simulating deformation of rubber compound with filler particles |
JP2013080339A (en) * | 2011-10-03 | 2013-05-02 | Sumitomo Rubber Ind Ltd | Method for simulating rubber material |
US9348955B2 (en) | 2011-10-03 | 2016-05-24 | Sumitomo Rubber Industries, Ltd. | Method for simulating deformation of rubber compound with filler particles |
WO2022061485A1 (en) * | 2020-09-22 | 2022-03-31 | Rhodia Operations | Molecular dynamics method for simulating microstructure interface formation of silica and silanes |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5001883B2 (en) | 2012-08-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5559594B2 (en) | Rubber material simulation method | |
JP4594043B2 (en) | Rubber material simulation method | |
KR101083654B1 (en) | Method of simulating viscoelastic material | |
JP3668238B2 (en) | Rubber material simulation method | |
JP5432549B2 (en) | Rubber material simulation method | |
US9990450B2 (en) | Simulation method for high polymer material | |
JP6408856B2 (en) | Method for simulating polymer materials | |
JP6254325B1 (en) | Coarse-grained molecular dynamics simulation method for polymer materials | |
JP5001883B2 (en) | Rubber material simulation method | |
WO2013042600A1 (en) | Stress-strain relation simulation method, stress-strain relation simulation system, and stress-strain relation simulation program which use chaboche model | |
JP6613724B2 (en) | Method for creating composite material analysis model, computer program for creating composite material analysis model, composite material simulation method, and composite material simulation computer program | |
JP6637845B2 (en) | Simulation method and simulation program | |
JP3668239B2 (en) | Simulation method for viscoelastic materials | |
JP4697870B2 (en) | Simulation method for viscoelastic materials | |
JP2017049056A (en) | Analysis method of composite material, computer program for analysis of composite material, evaluation method of analysis result of composite material and computer program for evaluation of analysis result of composite material | |
JP3660932B2 (en) | Rubber material simulation method | |
JP2005345413A (en) | Method for predicting elastic responsiveness of rubber product, and design method | |
JP5749973B2 (en) | Rubber material simulation method | |
JP7087300B2 (en) | Polymer material simulation method and polymer material fracture property evaluation method | |
JP2005351770A (en) | Simulation method for rubber material | |
JP7159809B2 (en) | Rubber material simulation method and rubber material manufacturing method | |
JP6962160B2 (en) | Coarse-grained molecular dynamics simulation method for polymer materials | |
JP2020027402A (en) | Method for creating polymer material model, method for simulating polymer material, and method for manufacturing polymer material |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110121 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120502 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120515 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120518 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5001883 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150525 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |