JP2009259043A - Simulation method for rubber material - Google Patents

Simulation method for rubber material Download PDF

Info

Publication number
JP2009259043A
JP2009259043A JP2008108088A JP2008108088A JP2009259043A JP 2009259043 A JP2009259043 A JP 2009259043A JP 2008108088 A JP2008108088 A JP 2008108088A JP 2008108088 A JP2008108088 A JP 2008108088A JP 2009259043 A JP2009259043 A JP 2009259043A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
rubber
analysis model
parameter
deformation
simulation method
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.)
Pending
Application number
JP2008108088A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaki Shiraishi
正貴 白石
Masato Naito
正登 内藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Rubber Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Rubber Industries Ltd filed Critical Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority to JP2008108088A priority Critical patent/JP2009259043A/en
Publication of JP2009259043A publication Critical patent/JP2009259043A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simulation method capable of accurately simulating the large deformation of a rubber material. <P>SOLUTION: The simulation method for calculating the deformation of the rubber material by a very small time increment includes: processing (a step S1) for setting a rubber analysis model obtained by modelling the rubber material with a plurality of elements to be numerically analyzed; processing (a step S2) for setting the value of a first material parameter for regulating the volume change of the rubber analysis model, so as to allow the rubber analysis model to substantially indicate a non-compression characteristic; processing (a step S5) for performing the first deformation calculation of the rubber analysis model through the use of at least the first material parameter and a predetermined analysis condition; processing (a step S6) for calculating the distortion or stress of each element after the first deformation calculation; and parameter change processing (a step S8) for changing the value of the first material parameter so as to allow the element to have the substantial volume change when the distortion or stress exceeds a predetermined value. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ゴム材料の大変形を精度良く再現するのに役立つシミュレーション方法に関する。   The present invention relates to a simulation method useful for accurately reproducing a large deformation of a rubber material.

近年、各種ゴム材料の性能評価を能率良く行うために、有限要素法を用いたコンピュータシミュレーション方法が種々行われている(例えば、下記特許文献1ないし2参照)。これらのシミュレーションでは、例えば、ゴム材料を有限個の要素で分割したゴム解析モデルに材料特性を定義し、予め定めた境界条件などを適用してその変形挙動が微小な時間増分毎に計算される。   In recent years, in order to efficiently evaluate the performance of various rubber materials, various computer simulation methods using a finite element method have been performed (for example, see Patent Documents 1 and 2 below). In these simulations, for example, material characteristics are defined in a rubber analysis model obtained by dividing a rubber material by a finite number of elements, and the deformation behavior is calculated for each minute time increment by applying predetermined boundary conditions. .

また、前記ゴム解析モデルには、通常、変形した場合でも実質的に体積変化が生じない非圧縮特性が定義される。具体的には、ゴム解析モデルの材料特性として、ポアソン比を0.5に近い値に設定することや、体積弾性率を大きく設定することが行われている。   In addition, the rubber analysis model normally defines incompressible characteristics that do not substantially change in volume even when deformed. Specifically, as a material characteristic of the rubber analysis model, a Poisson's ratio is set to a value close to 0.5, or a bulk elastic modulus is set to be large.

なお、弾性体の材料定数として、体積弾性率k、弾性率E及びポアソン比νは下式(1)の関係を満たす。
k=E/{3(1−2ν)} …(1)
上記式(1)において、ポアソン比νを0.5とおくと、体積弾性率kが無限大になり、コンピュータ計算時にエラーが生じる。これまでのゴム材料の変形シミュレーションでは、このような不具合を防止するために、ポアソン比として0.5にきわめて近似した値、例えば0.490〜0.495程度が設定されている。
In addition, as a material constant of the elastic body, the bulk modulus k, the modulus E, and the Poisson's ratio ν satisfy the relationship of the following formula (1).
k = E / {3 (1-2ν)} (1)
In the above formula (1), if the Poisson's ratio ν is set to 0.5, the bulk modulus k becomes infinite and an error occurs during computer calculation. In conventional deformation simulations of rubber materials, a value very close to 0.5, for example, about 0.490 to 0.495, is set as the Poisson's ratio in order to prevent such problems.

特開2003−320824号公報JP 2003-320824 A 特許第3314082号公報Japanese Patent No. 3314082

ところで、ゴム材料に引張荷重を負荷して変形させると、破壊直前のような大変時では、ゴム材料の内部に部分的な破壊や空隙等が発生し、ゴム材料の見かけ上の体積を増大させる。しかしながら、ポアソン比が非圧縮特性を示すように一定値に固定された従来のゴム解析モデルでは、このような体積変化を再現することが難しい。このため、大変形時のゴム解析モデルの変形挙動は、現実のゴムのそれとは大きく乖離することが多く、正確な再現が困難であるという問題があった。   By the way, if the rubber material is deformed by applying a tensile load, in an emergency just before the breakage, partial breakage or voids are generated inside the rubber material, and the apparent volume of the rubber material is increased. . However, it is difficult to reproduce such a volume change in a conventional rubber analysis model in which the Poisson's ratio is fixed to a constant value so as to exhibit incompressibility characteristics. For this reason, the deformation behavior of the rubber analysis model at the time of large deformation often deviates greatly from that of actual rubber, and there is a problem that accurate reproduction is difficult.

本発明は、以上のような実情に鑑み案出なされたもので、変形後のゴム解析モデルの要素の歪又は応力が予め定めた値を超えているときに、当該要素に実質的な体積変化が生じるように該体積変化を規定する第1の材料パラメータの値を変更する処理を含ませることを基本として、破壊直前のような大変形時の挙動をも精度良く再現するのに役立つゴム材料の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 circumstances, and when the deformation or stress of an element of a rubber analysis model after deformation exceeds a predetermined value, a substantial volume change occurs in the element. A rubber material that is useful for accurately reproducing the behavior at the time of large deformation just before fracture based on the inclusion of the process of changing the value of the first material parameter that defines the volume change so as to cause The main purpose is to provide a simulation method.

本発明のうち請求項1記載の発明は、ゴム材料の変形計算を微小な時間増分で行うシミュレーション方法であって、数値解析が可能な複数個の要素でゴム材料をモデル化したゴム解析モデルを設定する処理と、該ゴム解析モデルが実質的に非圧縮特性を示すように、前記ゴム解析モデルの体積変化を規定する第1の材料パラメータの値を設定する処理と、
少なくとも前記第1の材料パラメータと予め定めた解析条件とを用いて前記ゴム解析モデルの第1の変形計算を行う処理と、前記第1の変形計算後の各要素の歪又は応力を計算する処理と、前記歪又は応力が予め定めた値を超えているときに、当該要素に実質的な体積変化が生じるように前記第1の材料パラメータの値を変更するパラメータ変更処理とを含むことを特徴とする。
The invention according to claim 1 of the present invention is a simulation method for performing deformation calculation of a rubber material in minute time increments, and is a rubber analysis model in which a rubber material is modeled by a plurality of elements capable of numerical analysis. A process of setting, a process of setting a value of a first material parameter that defines a volume change of the rubber analysis model, so that the rubber analysis model exhibits substantially non-compression characteristics;
A process of performing a first deformation calculation of the rubber analysis model using at least the first material parameter and a predetermined analysis condition, and a process of calculating the strain or stress of each element after the first deformation calculation And a parameter changing process for changing the value of the first material parameter so that a substantial volume change occurs in the element when the strain or stress exceeds a predetermined value. And

また請求項2記載の発明は、前記第1の材料パラメータがポアソン比であり、前記パラメータ変更処理は、前記要素の歪又は応力に基づいて前記ポアソン比の値を減少させる請求項1記載のゴム材料のシミュレーション方法である。   According to a second aspect of the present invention, in the rubber according to the first aspect, the first material parameter is a Poisson ratio, and the parameter changing process decreases the value of the Poisson ratio based on strain or stress of the element. This is a material simulation method.

また請求項3記載の発明は、前記ポアソン比の初期の値が0.49以上かつ0.5未満である請求項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 2, wherein an initial value of the Poisson's ratio is 0.49 or more and less than 0.5.

また請求項4記載の発明は、前記第1の材料パラメータが体積弾性率である請求項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 4 is the rubber material simulation method according to claim 1, wherein the first material parameter is a bulk modulus.

また請求項5記載の発明は、前記体積弾性率の初期の値が、ゴム解析モデルの要素の弾性率の20倍以上であり、かつ前記パラメータ変更処理は、前記ゴム解析モデルの歪又は応力に基づいて前記体積弾性率を減少させる請求項4記載のゴム材料のシミュレーション方法である。   According to a fifth aspect of the present invention, the initial value of the bulk modulus of elasticity is 20 times or more of the modulus of elasticity of an element of the rubber analysis model, and the parameter changing process is performed on the strain or stress of the rubber analysis model. The rubber material simulation method according to claim 4, wherein the bulk modulus is reduced based on the rubber material.

また請求項6記載の発明は、前記パラメータ変更処理の後、変更された第1の材料パラメータを用いて第2の変形計算を行う処理と、この第2の変形計算の結果と前記第1の変形計算の結果との差を計算する処理と、前記差が予め定めた値を超えているときに、前記時間増分を小さくする処理とをさらに含む請求項1乃至5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。   In the invention according to claim 6, after the parameter changing process, a process of performing a second deformation calculation using the changed first material parameter, a result of the second deformation calculation, and the first The rubber according to any one of claims 1 to 5, further comprising: a process of calculating a difference from a result of deformation calculation; and a process of reducing the time increment when the difference exceeds a predetermined value. This is a material simulation method.

本発明のゴム材料のシミュレーション方法において、ゴム解析モデルには、当初、非圧縮性を示すように第1の材料パラメータの値が設定される。一方、変形後のゴム解析モデルの要素の歪又は応力が予め定めた値を超えているときに、当該要素に実質的な体積変化が生じるように該体積変化を規定する第1の材料パラメータの値を変更する処理が行われる。このため、ゴム解析モデルは、その変形計算において、変形が小さいときには非圧縮性特性を示す一方、変形が大きいときには、体積変化が生じる圧縮特性を示すことができる。従って、本発明のシミュレーション方法によれば、ゴム解析モデルは、現実のゴム材料が示す大変形時の体積変化を伴った形状変化を再現できる。従って、コンピュータシミュレーションであっても、ゴム材料の実物の変形挙動を精度良く再現することが可能になる。   In the rubber material simulation method of the present invention, the value of the first material parameter is initially set in the rubber analysis model so as to show incompressibility. On the other hand, when the strain or stress of the element of the rubber analysis model after deformation exceeds a predetermined value, the first material parameter for defining the volume change so that the substantial volume change occurs in the element. Processing to change the value is performed. Therefore, in the deformation calculation, the rubber analysis model can exhibit incompressibility characteristics when the deformation is small, and can exhibit compression characteristics that cause a volume change when the deformation is large. Therefore, according to the simulation method of the present invention, the rubber analysis model can reproduce the shape change accompanied with the volume change at the time of large deformation indicated by the actual rubber material. Therefore, even the computer simulation can accurately reproduce the deformation behavior of the actual rubber material.

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本発明では、ゴム材料の変形挙動を調べるためのゴム材料のシミュレーション方法が提供される。このようなシミュレーション方法は、図1に示されるようなコンピュータ装置1を用いて行われる。該コンピュータ装置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を含んで構成される。前記本体1aには、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリー、磁気ディスクなどの記憶装置及びディスクドライブ装置1a1、1a2などが適宜設けられる。なお、記憶装置には、後述する方法を実行するための処理手順(プログラム)が予め記憶される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The present invention provides a rubber material simulation method for examining the deformation behavior of a rubber material. Such a simulation method is performed using a computer apparatus 1 as shown in FIG. The computer device 1 includes a main body 1a, a keyboard 1b, a mouse 1c, and a display device 1d. The main body 1a is appropriately provided with a processing unit (CPU), a ROM, a working memory, a storage device such as a magnetic disk, and disk drive devices 1a1, 1a2. Note that a processing procedure (program) for executing a method to be described later is stored in the storage device in advance.

図2には、本実施形態のシミュレーション方法のフローチャートを示す。
本実施形態では、先ずゴム解析モデルが設定される(ステップS1)。ゴム解析モデルは、解析対象となるゴム材料(実在するか否かは問わない。)を、数値解析が可能な要素でモデル化することにより設定される。ゴム材料は、ゴムを主要部に含むものであればいかなる形状のものでも良い。例えば、ゴム材料は、全てがゴムからなる塊状のブロックやシートでも良いし、ゴムとコード材料とを複合させた複合体であっても良い。さらに、ゴム材料は、例えばゴルフボールや空気入りタイヤなどのより具体的なゴム製品(ともに図示せず)の形状を有するものでも良い。
FIG. 2 shows a flowchart of the simulation method of the present embodiment.
In the present embodiment, first, a rubber analysis model is set (step S1). The rubber analysis model is set by modeling a rubber material to be analyzed (whether or not it actually exists) with an element capable of numerical analysis. The rubber material may have any shape as long as it contains rubber in the main part. For example, the rubber material may be a block or a sheet made of rubber, or a composite of rubber and cord material. Furthermore, the rubber material may have a shape of a more specific rubber product (both not shown) such as a golf ball or a pneumatic tire.

図3(a)には、本実施形態で解析対象となるゴム材料2の斜視図を示す。前記ゴム材料2は、全体が薄肉六面体をなし、その中央に幅が小さい切り込みからなるスリット2aが形成されている。本実施形態のシミュレーション方法では、このようなゴム材料2にそのスリット2aを開くような引張荷重Pを与えたときの変形挙動が調べられる。ただし、ゴム材料2の形状等は、例示の態様に限定されるものではなく自由に定めることができるのは言うまでもない。   FIG. 3A shows a perspective view of the rubber material 2 to be analyzed in the present embodiment. The rubber material 2 is a thin hexahedron as a whole, and a slit 2a made of a cut having a small width is formed at the center thereof. In the simulation method of the present embodiment, the deformation behavior when a tensile load P that opens the slit 2a is applied to such a rubber material 2 is examined. However, it is needless to say that the shape and the like of the rubber material 2 are not limited to the illustrated modes and can be freely determined.

図3(b)には、前記ゴム材料2をモデル化したゴム解析モデル3の側面図を視覚化して示す。該ゴム解析モデル3は、前記ゴム材料2を有限個の小さい要素eを用いて分割(メッシュ分割)することにより設定される。この処理は、ユーザーがコンピュータ装置1上でメッシュ作成ソフトウエア等を使用して任意に行うことができる。   In FIG.3 (b), the side view of the rubber analysis model 3 which modeled the said rubber material 2 is visualized and shown. The rubber analysis model 3 is set by dividing the rubber material 2 using a finite number of small elements e (mesh division). This process can be arbitrarily performed by the user on the computer apparatus 1 using mesh creation software or the like.

また、ゴム解析モデル3は、前記コンピュータ装置1で取り扱いが可能な数値データとして特定される。具体的には、各要素eの節点座標値や節点番号、要素番号などが数値データとして互いに関連づけられて定義される。これらの数値データは、コンピュータ装置1にて計算に用いられるとともに、ソフトウエアを用いて図3(b)のように容易に視覚化される。   The rubber analysis model 3 is specified as numerical data that can be handled by the computer device 1. Specifically, the node coordinate value, node number, element number, etc. of each element e are defined in association with each other as numerical data. These numerical data are used for calculation in the computer apparatus 1 and are easily visualized as shown in FIG. 3B using software.

前記要素eには、例えば、四つの節点を有する四面体要素又は六つの節点を有する六面体要素といった三次元のソリッド要素が好適に用いられる。本実施形態のゴム解析モデル3は、全てが正六面体のソリッド要素でモデル化されている。なお、切り欠き効果が現れるスリット3a周辺の変形をより詳細に調べるために、該スリット3aの周辺部を他の部分に比して相対的に小さい要素で構成する(節点を密とする)ことが望ましい。また、ゴム材料2がコード層等の複合材を含む場合、要素eには、例えば直交異方性が定義されたシェル要素などの二次元平面要素が用いられても良い。   As the element e, for example, a three-dimensional solid element such as a tetrahedral element having four nodes or a hexahedral element having six nodes is preferably used. The rubber analysis model 3 of this embodiment is all modeled by regular hexahedron solid elements. In order to investigate in more detail the deformation around the slit 3a in which the notch effect appears, the peripheral portion of the slit 3a is composed of relatively small elements (the nodes are dense) compared to other portions. Is desirable. When the rubber material 2 includes a composite material such as a cord layer, a two-dimensional planar element such as a shell element in which orthogonal anisotropy is defined may be used as the element e.

次に、本実施形態では、ゴム解析モデル3に、材料特性と全体剛性マトリックスとが設定される(ステップS2)。これらは、前記コンピュータ装置1を使用してユーザーにより入力、設定される。   Next, in this embodiment, material characteristics and an overall stiffness matrix are set in the rubber analysis model 3 (step S2). These are input and set by the user using the computer apparatus 1.

前記材料特性として、例えばゴム解析モデル3の各要素eの弾性率E、密度ρ及び体積変化に関する第1の材料パラメータであるポアソン比などが定義される。材料特性の各値は、解析対象となるゴム材料2に即して定められ、その値が各要素eに割り当てられる。本実施形態のゴム解析モデル3は、均質な材料からなるため、全ての要素eに同一の材料特性が定義される。   As the material characteristics, for example, the elastic modulus E, density ρ, and Poisson's ratio as the first material parameter relating to volume change of each element e of the rubber analysis model 3 are defined. Each value of the material property is determined according to the rubber material 2 to be analyzed, and the value is assigned to each element e. Since the rubber analysis model 3 of the present embodiment is made of a homogeneous material, the same material characteristics are defined for all the elements e.

また、ポアソン比は、初期値として、ゴム解析モデル3が実質的に非圧縮特性を示す値に設定される。即ち、上述した通り、計算エラーが生じないように0.5ではないけれども、それに近い値、好ましくは0.49以上かつ0.50未満の範囲(本実施形態では0.49)で設定されるのが望ましい。従って、「ゴム解析モデル3が実質的に非圧縮特性を示す」とは、ポアソン比が0.5である完全な非圧縮特性を意味するのではなく、上述のように0.5に近似したポアソン比を具える物体が示す特性で足りるものとする。   The Poisson's ratio is set to a value at which the rubber analysis model 3 substantially exhibits non-compression characteristics as an initial value. That is, as described above, it is not 0.5 so as not to cause a calculation error, but it is set to a value close to it, preferably 0.49 or more and less than 0.50 (0.49 in this embodiment). Is desirable. Therefore, “the rubber analysis model 3 exhibits substantially non-compression characteristics” does not mean perfect non-compression characteristics with a Poisson's ratio of 0.5, but approximates 0.5 as described above. The characteristics indicated by the object having the Poisson's ratio are sufficient.

前記全体剛性マトリックス「K]は、各要素に設定される要素剛性マトリックス[D]をモデル全体について足し合わせたもので、要素剛性マトリックス[K]e を用いて下記式(2)により得ることができる。
[K]=Σ[K]e …(2)
また、要素剛性マトリックス[K]eは、下記式(3)のように、剛性マトリックス[D]とBマトリックスとを用いて計算される。剛性マトリックス[D]は、要素の荷重に対する変形し難さ、即ち下記式(4)のように、応力σと歪εとの関係を示し前記材料特性に応じて決めることができる。さらに、Bマトリックスは下記式(5)のように、変位δと歪εとの関係を示すものである。
[K]e =∫[B]−1[D][B]dv …(3)
[σ]=[D]{ε} …(4)
{ε}=[B]{δ} …(5)
なお、本実施形態では、剛性マトリックス[D]は、次式(6)のように第1の材料パラメータとしてのポアソン比を含むものとなる。
The overall stiffness matrix “K” is obtained by adding the element stiffness matrix [D] set for each element for the entire model, and can be obtained by the following equation (2) using the element stiffness matrix [K] e. it can.
[K] = Σ [K] e (2)
The element stiffness matrix [K] e is calculated using the stiffness matrix [D] and the B matrix as shown in the following equation (3). The stiffness matrix [D] is difficult to deform with respect to the load of the element, that is, the relationship between the stress σ and the strain ε as shown in the following formula (4), and can be determined according to the material characteristics. Further, the B matrix shows the relationship between the displacement δ and the strain ε as shown in the following formula (5).
[K] e = ∫ [B] −1 [D] [B] dv (3)
[Σ] = [D] {ε} (4)
{Ε} = [B] {δ} (5)
In the present embodiment, the stiffness matrix [D] includes the Poisson's ratio as the first material parameter as in the following formula (6).

次に、解析終了か否かがコンピュータ装置1によって判断される(ステップS3)。解析を終了させる条件は、必要に応じて種々定めることができ、例えば荷重負荷時からの経過時間、ゴム解析モデル3の破断の有無等を挙げることができる。本実施形態では後者が採用される。そして、解析終了条件を満たす場合、処理を終える(ステップS3でY)。   Next, it is determined by the computer apparatus 1 whether or not the analysis is completed (step S3). Conditions for terminating the analysis can be variously determined as necessary, and examples thereof include an elapsed time from when a load is applied and whether or not the rubber analysis model 3 is broken. In the present embodiment, the latter is adopted. If the analysis end condition is satisfied, the process ends (Y in step S3).

また、解析終了ではないと判断された場合(ステップS3でN)、本実施形態のシミュレーション方法では、境界条件が更新される(ステップS4)。更新される境界条件としては、
引張荷重Pの大きさ、向き、荷重速度及び/又は変形計算のための時間増分などが挙げられる。
If it is determined that the analysis has not ended (N in step S3), the boundary condition is updated in the simulation method of the present embodiment (step S4). The updated boundary conditions are:
Examples include the magnitude, orientation, load speed, and / or time increment for deformation calculation of the tensile load P.

次に、ゴム解析モデル3の第1の変形計算が有限要素法により行われる(ステップS5)。該第1の変形計算では、前記各要素eの節点変位、即ち、変形後のゴム解析モデル3の変形形状が計算される。前記全体剛性マトリックス[K]、各節点の変位を示す節点変位ベクトル{δ}及び外力ベクトル{P}は、下記式(7)の関係があるので、全体剛性マトリックスの逆マトリックス[K]−1を求めることにより、節点変位ベクトル{δ}を得ることができる。
{P}=[K]{δ} …(7)
Next, the first deformation calculation of the rubber analysis model 3 is performed by the finite element method (step S5). In the first deformation calculation, the nodal displacement of each element e, that is, the deformation shape of the rubber analysis model 3 after the deformation is calculated. The overall stiffness matrix [K], the nodal displacement vector {δ} indicating the displacement of each nodal point, and the external force vector {P} have the relationship of the following equation (7), so the inverse matrix [K] −1 of the overall stiffness matrix: To obtain the nodal displacement vector {δ}.
{P} = [K] {δ} (7)

次に、ゴム解析モデル3の各要素について最大主歪が計算される(ステップS6)。最大主歪は、各要素eの様々な方向に生じる歪の大きさをより代表的に示す。したがって、その値を調べることにより、各要素の変形度合いを的確に調べることができる。しかし、このようパラメータに代えて、最大応力や平均応力などの物理量が用いられても良い。   Next, the maximum principal strain is calculated for each element of the rubber analysis model 3 (step S6). The maximum principal strain more representatively indicates the magnitude of strain generated in various directions of each element e. Therefore, by checking the value, the degree of deformation of each element can be checked accurately. However, physical quantities such as maximum stress and average stress may be used instead of such parameters.

次に、この最大主歪の変化に基づいて、ゴム解析モデル3に実質的な体積変化が生じるように第1の材料パラメータ(ポアソン比)の値を変更する必要がある要素の有無が調べられる(ステップS7)。下記表1には、各要素eの最大主歪と、その値に基づいて設定されるべきポアソン比の値との関係の一例が示される。また、図4には、そのグラフを示す。 本実施形態では、要素の最大主歪が0〜3.0と比較的変形が小さい場合、ポアソン比は、初期の値(即ち0.49)がそのまま用いられる。従って、変形が小さい要素は、実質的な体積変化が生じない非圧縮性を示すものとして取り扱われる。他方、最大主歪が3.0を超える大きな変形をなす要素のポアソン比は、最大主歪の増大に伴って小さい値に変更される。   Next, based on the change in the maximum principal strain, the presence or absence of an element that needs to change the value of the first material parameter (Poisson's ratio) so as to cause a substantial volume change in the rubber analysis model 3 is examined. (Step S7). Table 1 below shows an example of the relationship between the maximum principal strain of each element e and the Poisson's ratio value to be set based on the value. FIG. 4 shows the graph. In this embodiment, when the maximum principal strain of an element is 0 to 3.0 and the deformation is relatively small, the initial value (that is, 0.49) is used as it is for the Poisson's ratio. Therefore, an element with small deformation is treated as exhibiting incompressibility without substantial volume change. On the other hand, the Poisson's ratio of an element that has a large deformation with a maximum principal strain exceeding 3.0 is changed to a smaller value as the maximum principal strain increases.

また、ステップS7の判断について述べると、例えば、任意の1要素について、前回のステップ(時間増分前のステップ)で計算された最大主歪が1.0、今回のステップで計算された最大主歪が2.0のような場合、図4、表1によれば、当該要素は第1の材料パラメータを変更する必要はない。即ち、表1によれば、当該要素のポアソン比は0.49のままで良い。従って、このような要素は、ステップS7において、「第1の材料パラメータを変更しなければならない要素」には該当しない。他方、任意の1要素について、前回のステップで計算された最大主歪が1.0、今回のステップで計算された最大主歪が4.0のような場合、表1によれば、当該要素のポアソン比は0.49から0.45に変更される必要がある。従って、このような要素は、ステップS7において、「第1の材料パラメータを変更しなければならない要素」に該当する。なお、この表に記載されていない最大主歪−ポアソン比の対応関係については、線形補間によって適宜計算される。このような判断が、全ての要素について行われる。   The determination in step S7 will be described. For example, for an arbitrary element, the maximum principal strain calculated in the previous step (step before the time increment) is 1.0, and the maximum principal strain calculated in the current step. Is 2.0, according to FIG. 4, Table 1, the element does not need to change the first material parameter. That is, according to Table 1, the Poisson's ratio of the element may remain at 0.49. Therefore, such an element does not correspond to “an element for which the first material parameter must be changed” in step S7. On the other hand, when the maximum principal strain calculated in the previous step is 1.0 and the maximum principal strain calculated in the current step is 4.0 for any one element, according to Table 1, the element The Poisson's ratio needs to be changed from 0.49 to 0.45. Therefore, such an element corresponds to “an element whose first material parameter must be changed” in step S7. Note that the correspondence relationship of the maximum principal distortion-Poisson ratio not described in this table is calculated as appropriate by linear interpolation. Such a determination is made for all elements.

次に、第1の材料パラメータを変更しなければならない要素(以下、このような要素を「対象要素」と呼ぶ。)が存在しない場合(ステップS7でN)、解析終了条件を満たすまで、ステップS4〜6が繰り返し行われる。これにより、引張荷重が作用した瞬間から時間増分きざみで刻々と変化するゴム解析モデル3の形状が計算されかつ出力される。   Next, if there is no element (hereinafter referred to as “target element”) for which the first material parameter needs to be changed (N in step S7), the process continues until the analysis end condition is satisfied. S4 to 6 are repeated. Thereby, the shape of the rubber analysis model 3 that changes every moment from the moment when the tensile load is applied is calculated and output.

他方、対象要素が存在する場合(ステップS7でY)、該対象要素の第1の材料パラメータ(ポアソン比)が表1に従って変更され(パラメータ変更処理)、他の境界条件を用いて全体剛性マトリックスが再度設定される(ステップS8)。そして、この新たに設定された全体剛性マトリックスを用いて変形形状の再計算、即ち第2の変形計算が行われる(ステップS9)。ここで、式(6)で示したように、剛性マトリックス[D]には、ポアソン比が含まれている。従って、変形度合いが大きい要素については、ポアソン比を小さく変更することで、第2の変形計算時、第1の変形計算に比べて体積変化を大きく発現させることができる。即ち、現実のゴム材料が大変形するときに示すような体積変化を伴った形状変化を、本来変化しない第1の材料パラメータを可変とすることにより再現できる。従って、実物の変形挙動を精度良く再現することが可能になる。   On the other hand, if the target element exists (Y in step S7), the first material parameter (Poisson's ratio) of the target element is changed according to Table 1 (parameter change process), and the entire stiffness matrix is determined using other boundary conditions. Is set again (step S8). Then, the re-calculation of the deformed shape, that is, the second deformation calculation is performed using the newly set overall stiffness matrix (step S9). Here, as shown in Expression (6), the stiffness matrix [D] includes the Poisson's ratio. Therefore, by changing the Poisson's ratio to be small for an element having a large degree of deformation, the volume change can be expressed more greatly in the second deformation calculation than in the first deformation calculation. That is, a shape change accompanied by a volume change as shown when a real rubber material undergoes a large deformation can be reproduced by making the first material parameter that does not change originally variable. Therefore, it is possible to accurately reproduce the deformation behavior of the real object.

なお、本実施形態のシミュレーション方法では、第2の変形計算の後、該第2の変形計算結果と前記第1の変形計算の結果との差が計算され、その差が予め定めた許容範囲内か否かが判断される(ステップS10)。この判断基準は、シミュレーションの内容に応じて適宜設定できる。一例として、ゴム解析モデル3の全節点数をN、第i節点(iは1〜Nまでの整数)の第1の変形計算での変位をd1、第2の変形計算での変位をd2としたとき、変位の差|d1−d2|の最大値が、第1の変形計算での全要素の平均変位(Σd1/N)の所定パーセント以下の場合に許容範囲内とすることが望ましい。なお、数値範囲などは、材料に応じて変えることができるが、一例として5%程度が好適である。 In the simulation method of the present embodiment, after the second deformation calculation, a difference between the second deformation calculation result and the first deformation calculation result is calculated, and the difference is within a predetermined allowable range. Is determined (step S10). This criterion can be appropriately set according to the contents of the simulation. As an example, the total number of nodes of the rubber analysis model 3 is N, the displacement of the i-th node (i is an integer from 1 to N) in the first deformation calculation is d1 i , and the displacement in the second deformation calculation is d2 where i is within the allowable range when the maximum value of the displacement difference | d1 i −d2 i | is equal to or less than a predetermined percentage of the average displacement (Σd1 i / N) of all elements in the first deformation calculation. It is desirable. In addition, although a numerical range etc. can be changed according to material, about 5% is suitable as an example.

そして、第2の変形計算結果と第1の変形計算の結果との差が許容範囲内の場合(ステップS10でY)、十分な解析終了条件を満たすまでステップS4〜6が繰り返され、ゴム解析モデル3の変形形状が再度計算される。他方、計算結果の差が許容範囲外の場合(ステップS10でN)、時間増分を小さくし(ステップS11)、該対象要素の第1の材料パラメータ(ポアソン比)を変更前の値に戻し、他の境界条件を用いて全体剛性マトリックスが再度設定される(ステップS12)。そして、ステップS4以降が実行される。   If the difference between the second deformation calculation result and the first deformation calculation result is within an allowable range (Y in step S10), steps S4 to S6 are repeated until a sufficient analysis end condition is satisfied, and rubber analysis is performed. The deformed shape of model 3 is calculated again. On the other hand, if the difference between the calculation results is outside the allowable range (N in step S10), the time increment is decreased (step S11), and the first material parameter (Poisson's ratio) of the target element is returned to the value before the change, The overall stiffness matrix is set again using other boundary conditions (step S12). Then, step S4 and subsequent steps are executed.

第1の材料パラメータを変更したことにより計算結果が急激に変化する場合、この変化の過程を細かく追跡しなければ正確な計算結果(正解)には到達できないおそれがある。従って、本実施形態のように、ステップS10において、第1の変形計算の結果と第2の変形計算結果との差が許容範囲ではないと判断された場合には、境界条件の更新増分量を小さくして剛性マトリックス等を再設定することにより、計算精度を高めることができる。なお、境界条件更新増分量を小さくする態様としては、例えば計算の時間増分を小さくすることが挙げられる。また、静的な釣合計算の場合には、例えば本来1mm変形させるところを0.5mmとしたり、荷重の負荷量を減らすことなどを挙げることができる。なお、本実施形態によれば、ステップS10でNの場合、先の境界条件に基づいて計算された第1の変形計算結果及び第2の変形計算結果はいずれも破棄されることになる。   When the calculation result changes rapidly due to the change in the first material parameter, there is a possibility that an accurate calculation result (correct answer) cannot be reached unless the process of this change is closely tracked. Therefore, as in the present embodiment, when it is determined in step S10 that the difference between the first deformation calculation result and the second deformation calculation result is not within the allowable range, the update increment amount of the boundary condition is set. The calculation accuracy can be increased by reducing the rigidity matrix and resetting the rigidity matrix. Note that, as an aspect of reducing the boundary condition update increment, for example, the calculation time increment can be reduced. Further, in the case of static balance calculation, for example, the original 1 mm deformation can be set to 0.5 mm, or the load amount can be reduced. According to the present embodiment, in the case of N in step S10, both the first deformation calculation result and the second deformation calculation result calculated based on the previous boundary condition are discarded.

以上説明したシミュレーション方法の具体例を示す。図5には、図2の手順に従って行ったゴム解析モデルの引張試験のシミュレーション結果として、ゴム解析モデルの変形形状を示す。また、図6には、実物のゴム材料にシミュレーションと同様の引張試験を行ったときの側面図を示す。なお、引張荷重は、できるだけゆっくりかつ徐々に増大するように作用させ、モデルが破断することにより、シミュレーションを停止させた、他の条件は次の通りである。
ゴム解析モデルの形状:高さ30mm×水平長さ30mm×厚さ1mmの薄肉六面体
スリット:切り込み深さ10mm
要素の弾性率:5MPa
ポアソン比:表1の通り可変
密度:1.1g/cm3
A specific example of the simulation method described above will be shown. FIG. 5 shows a deformation shape of the rubber analysis model as a simulation result of the tensile test of the rubber analysis model performed according to the procedure of FIG. Further, FIG. 6 shows a side view when a real rubber material is subjected to a tensile test similar to the simulation. The other conditions under which the simulation was stopped by causing the tensile load to increase as slowly and gradually as possible and breaking the model were as follows.
Shape of rubber analysis model: thin hexahedron with height 30 mm x horizontal length 30 mm x thickness 1 mm Slit: depth of cut 10 mm
Elastic modulus of the element: 5 MPa
Poisson's ratio: variable as shown in Table 1. Density: 1.1 g / cm 3

図5及び図6から明らかなように、本実施形態のシミュレーションでは、実物のゴム材料と非常に近似した変形形状が得られていることが確認できる。他方、図7には、ポアソン比を0.49で一定とした同一時刻の比較例のシミュレーション結果を示す。このものでは、体積変化が生じていないため、スリットの変形形状が、実物のそれと大きく異なっていることが分かる。   As is apparent from FIGS. 5 and 6, it can be confirmed in the simulation of the present embodiment that a deformed shape very close to the actual rubber material is obtained. On the other hand, FIG. 7 shows a simulation result of a comparative example at the same time when the Poisson's ratio is constant at 0.49. In this case, since the volume change does not occur, it can be seen that the deformed shape of the slit is greatly different from that of the actual one.

以上本発明のシミュレーション方法について説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、第1の材料パラメータとして、ポアソン比を用いたが、その逆数であるポアソン数を採用しても良いのは言うまでもない。この場合、ポアソン数は、要素の変形の増大に伴って増加するように変更される。また、第1の材料パラメータとして、体積弾性率を採用することもできる。この場合、体積弾性率の初期の値は、ポアソン比0.49に相当する程度に定められ、好ましくはゴム解析モデル3の要素eに定義される弾性率(縦弾性率)の20倍以上かつ1000倍以下に設定されるのが望ましい。そして、パラメータ変更処理では、ポアソン比の場合と同様に、ゴム解析モデル3の歪又は応力の増大に伴って、前記体積弾性率を減少させることができる。   Although the simulation method of the present invention has been described above, the present invention can be variously modified without departing from the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the Poisson ratio is used as the first material parameter, but it goes without saying that the Poisson number that is the reciprocal thereof may be adopted. In this case, the Poisson number is changed to increase with increasing deformation of the element. Also, the bulk modulus can be employed as the first material parameter. In this case, the initial value of the bulk modulus is set to an extent corresponding to a Poisson's ratio of 0.49, preferably 20 times or more of the modulus of elasticity (longitudinal modulus) defined in the element e of the rubber analysis model 3 and It is desirable to set it to 1000 times or less. In the parameter changing process, the volume modulus of elasticity can be reduced as the strain or stress of the rubber analysis model 3 increases as in the case of the Poisson's ratio.

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 a computer apparatus. 本実施形態の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of this embodiment. (a)は解析対象のゴム材料の斜視図、(b)はそれを対象としたゴム解析モデルの側面図である。(A) is a perspective view of a rubber material to be analyzed, and (b) is a side view of a rubber analysis model for the same. ポアソン比と最大主歪との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a Poisson's ratio and the largest principal distortion. ゴム解析モデルのシミュレーション結果を視覚化して示す側面図である。It is a side view which visualizes and shows the simulation result of a rubber analysis model. 実物のゴム材料の引張試験結果を示す側面図である。It is a side view which shows the tension test result of a real rubber material. 本発明外のゴム解析モデルのシミュレーション結果を視覚化して示す側面図である。It is a side view which visualizes and shows the simulation result of the rubber analysis model outside this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 コンピュータ装置
2 ゴム材料
3 ゴム解析モデル
1 Computer device 2 Rubber material 3 Rubber analysis model

Claims (6)

ゴム材料の変形計算を微小な時間増分で行うシミュレーション方法であって、
数値解析が可能な複数個の要素でゴム材料をモデル化したゴム解析モデルを設定する処理と、
該ゴム解析モデルが実質的に非圧縮特性を示すように、前記ゴム解析モデルの体積変化を規定する第1の材料パラメータの値を設定する処理と、
少なくとも前記第1の材料パラメータと予め定めた解析条件とを用いて前記ゴム解析モデルの第1の変形計算を行う処理と、
前記第1の変形計算後の各要素の歪又は応力を計算する処理と、
前記歪又は応力が予め定めた値を超えているときに、当該要素に実質的な体積変化が生じるように前記第1の材料パラメータの値を変更するパラメータ変更処理と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 performing deformation calculation of rubber material in minute time increments,
A process for setting a rubber analysis model in which a rubber material is modeled by a plurality of elements capable of numerical analysis;
A process of setting a value of a first material parameter that defines a volume change of the rubber analysis model so that the rubber analysis model exhibits substantially incompressible characteristics;
A process for performing a first deformation calculation of the rubber analysis model using at least the first material parameter and a predetermined analysis condition;
A process of calculating strain or stress of each element after the first deformation calculation;
And a parameter changing process for changing the value of the first material parameter so that a substantial volume change occurs in the element when the strain or stress exceeds a predetermined value. Rubber material simulation method.
前記第1の材料パラメータがポアソン比であり、
前記パラメータ変更処理は、前記要素の歪又は応力に基づいて前記ポアソン比の値を減少させる請求項1記載のゴム材料のシミュレーション方法。
The first material parameter is a Poisson's ratio;
The rubber material simulation method according to claim 1, wherein the parameter changing process decreases the value of the Poisson's ratio based on strain or stress of the element.
前記ポアソン比の初期の値が0.49以上かつ0.5未満である請求項2記載のゴム材料のシミュレーション方法。   The method for simulating a rubber material according to claim 2, wherein an initial value of the Poisson's ratio is 0.49 or more and less than 0.5. 前記第1の材料パラメータが体積弾性率である請求項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 first material parameter is a bulk modulus. 前記体積弾性率の初期の値が、ゴム解析モデルの要素の弾性率の20倍以上であり、かつ
前記パラメータ変更処理は、前記ゴム解析モデルの歪又は応力に基づいて前記体積弾性率を減少させる請求項4記載のゴム材料のシミュレーション方法。
An initial value of the bulk modulus is 20 times or more of a modulus of an element of a rubber analysis model, and the parameter changing process decreases the bulk modulus based on strain or stress of the rubber analysis model. The rubber material simulation method according to claim 4.
前記パラメータ変更処理の後、変更された第1の材料パラメータを用いて第2の変形計算を行う処理と、
この第2の変形計算の結果と前記第1の変形計算の結果との差を計算する処理と、
前記差が予め定めた値を超えているときに、前記時間増分を小さくする処理とをさらに含む請求項1乃至5のいずれかに記載のゴム材料のシミュレーション方法。
After the parameter changing process, a process of performing a second deformation calculation using the changed first material parameter;
A process of calculating a difference between the result of the second deformation calculation and the result of the first deformation calculation;
The rubber material simulation method according to claim 1, further comprising a process of reducing the time increment when the difference exceeds a predetermined value.
JP2008108088A 2008-04-17 2008-04-17 Simulation method for rubber material Pending JP2009259043A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008108088A JP2009259043A (en) 2008-04-17 2008-04-17 Simulation method for rubber material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008108088A JP2009259043A (en) 2008-04-17 2008-04-17 Simulation method for rubber material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009259043A true JP2009259043A (en) 2009-11-05

Family

ID=41386373

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008108088A Pending JP2009259043A (en) 2008-04-17 2008-04-17 Simulation method for rubber material

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009259043A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012238168A (en) * 2011-05-11 2012-12-06 Sumitomo Rubber Ind Ltd Rubber material simulation method
EP2535828A1 (en) 2011-06-16 2012-12-19 Sumitomo Rubber Industries, Ltd. Method for simulating the loss tangent of rubber compound
JP2016081183A (en) * 2014-10-14 2016-05-16 住友ゴム工業株式会社 Simulation method for rubber material
CN112507488A (en) * 2020-11-30 2021-03-16 珠海格力智能装备有限公司 Robot joint assembly and method for determining interference of robot joint assembly

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012238168A (en) * 2011-05-11 2012-12-06 Sumitomo Rubber Ind Ltd Rubber material simulation method
EP2535828A1 (en) 2011-06-16 2012-12-19 Sumitomo Rubber Industries, Ltd. Method for simulating the loss tangent of rubber compound
US9081921B2 (en) 2011-06-16 2015-07-14 Sumitomo Rubber Industries, Ltd. Method for simulating rubber compound
JP2016081183A (en) * 2014-10-14 2016-05-16 住友ゴム工業株式会社 Simulation method for rubber material
CN112507488A (en) * 2020-11-30 2021-03-16 珠海格力智能装备有限公司 Robot joint assembly and method for determining interference of robot joint assembly

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6405183B2 (en) Rubber material simulation method
JP6408856B2 (en) Method for simulating polymer materials
JP5923069B2 (en) Method for simulating polymer materials
JP2005121535A (en) Method for simulating rubber material
JP2019036253A (en) Method for simulating coarse graining molecular dynamics of polymer material
JP5432549B2 (en) Rubber material simulation method
JP2009259043A (en) Simulation method for rubber material
JP5324820B2 (en) How to create an analysis model
JP6477411B2 (en) Analysis program
JP5592921B2 (en) Method for simulating polymer materials
JP2018101354A (en) Simulation method of polymer material
EP2500868B1 (en) Method for creating finite element model of rubber composite
JP2010205254A (en) Computational method of dynamic material constant of composite material and volume fraction of material component in composite material, and recording medium
JP4605300B2 (en) Method for calculating mechanical material constant of composite material, method for calculating volume fraction of material in composite material, and recording medium
JP6772612B2 (en) How to create a polymer material model
JP6554995B2 (en) Method for simulating polymer materials
JP2014203242A (en) Method for creating simulation model and simulation method
JP7087300B2 (en) Polymer material simulation method and polymer material fracture property evaluation method
JP5180735B2 (en) Rubber material simulation method
JP7456260B2 (en) Simulation method for polymer materials
JP7103463B1 (en) How to create a filler model
JP7290037B2 (en) Rubber material simulation method and rubber material manufacturing method
JP2019008538A (en) Method of simulating composite material
JP2022139140A (en) Filler model creation method
JP6434805B2 (en) Method for simulating polymer materials