JP2013250673A - Simulation method, simulation device and simulation program for dynamic behavior of viscoelastic body/filler complex - Google Patents

Simulation method, simulation device and simulation program for dynamic behavior of viscoelastic body/filler complex Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simulation method, simulation device and simulation program of the simple dynamic behavior of a viscoelastic body/filler complex in which filler is dispersed in a viscoelastic body such as rubber.SOLUTION: The simulation method of the dynamic behavior of a viscoelastic body/filler complex includes: an input step (a) of inputting computational conditions for simulating a dynamic behavior including the physical property values of a viscoelastic body and filler and the initial arrangement of the filler in the viscoelastic body; an arithmetic step (b) of solving the equation of motion of fluid followed by the viscoelastic body under the input computational conditions; a moving amount calculation step (c) of calculating the moving amount of the filler on the basis of the solution of the equation of motion of the fluid; an arrangement update step (d) of updating the arrangement of the filler by using the calculated moving amount of the filler; and an output step (e) of outputting data relating to the dynamic behavior of the viscoelastic body/filler complex calculated by the repeated processing of the steps (b) to (d). The equation of motion followed by the viscoelastic body is added with the elastic quality of the viscoelastic body.

Description

本発明は、シミュレーション方法、シミュレーション装置およびシミュレーションプログラムに関し、より詳細には、粘弾性体中にフィラーが分散した材料(以下、「粘弾性体・フィラー複合体」と称する)の動的挙動をシミュレーションするシミュレーション方法、シミュレーション装置およびシミュレーションプログラムに関するものである。   The present invention relates to a simulation method, a simulation apparatus, and a simulation program. More specifically, the present invention simulates the dynamic behavior of a material in which a filler is dispersed in a viscoelastic body (hereinafter referred to as “viscoelastic body / filler composite”). The present invention relates to a simulation method, a simulation apparatus, and a simulation program.

従来、粘弾性体、例えばゴムにカーボンブラックやシリカ等のフィラーを配合すると補強効果があることが知られており、ゴムにフィラーを配合した材料(以下、「ゴム・フィラー複合体」と称する)が各種タイヤやコンベヤベルト等のゴム製品に適用されている。このゴム・フィラー複合体を構成するフィラー部分は、複数のフィラーが連なった複雑なネットワーク構造を形成しており、ゴム・フィラー複合体において、ある程度偏ったフィラー分布を示すことが知られている。   Conventionally, it is known that there is a reinforcing effect when a filler such as carbon black or silica is blended with a viscoelastic body, for example, rubber, and a material in which a filler is blended with rubber (hereinafter referred to as “rubber / filler composite”). Is applied to rubber products such as various tires and conveyor belts. It is known that the filler portion constituting the rubber-filler composite has a complicated network structure in which a plurality of fillers are connected, and the rubber-filler composite exhibits a somewhat uneven filler distribution.

このような複雑なフィラー構造を有するゴム・フィラー複合体の高い性能を実現するためには、変形が与えられた際の、ゴム・フィラー複合体の動的挙動を把握することが肝要である。そこで、これまで、こうしたゴム・フィラー複合体の動的挙動をシミュレーションするための様々な手法が提案されている。   In order to realize the high performance of the rubber / filler composite having such a complicated filler structure, it is important to grasp the dynamic behavior of the rubber / filler composite when the deformation is given. So far, various methods for simulating the dynamic behavior of such rubber-filler composites have been proposed.

例えば、特許文献1には、有限要素法(FEM)を用いて、ゴム製品の粘弾性応答性能を予測する方法について記載されている。また、特許文献2には、粗視化分子動力学法を用いて、ゴムとカーボンブラックとを少なくとも含むゴム材料を評価する技術について記載されている。   For example, Patent Document 1 describes a method for predicting the viscoelastic response performance of a rubber product using a finite element method (FEM). Patent Document 2 describes a technique for evaluating a rubber material containing at least rubber and carbon black using a coarse-grained molecular dynamics method.

しかし、特許文献1に記載された方法では、固体表面の境界に対して、ノンスリップ条件等の適切な境界条件を満足させるような計算が必要となり、ゴム・フィラー複合体のように境界が多い材料においては、計算コストが膨大になる問題がある。また、FEM等においては、解析対象を小さな要素に分割するためのメッシュを作成するが、このメッシュをフィラーの形状に合わせて設定する必要があり、フィラーの位置が時々刻々変化する場合には、そのメッシュの再作成の計算コストが膨大となることも問題である。   However, the method described in Patent Document 1 requires a calculation that satisfies an appropriate boundary condition such as a non-slip condition with respect to the boundary of the solid surface, and a material having many boundaries such as a rubber / filler composite. However, there is a problem that the calculation cost becomes enormous. In addition, in FEM and the like, a mesh for dividing the analysis target into small elements is created, but this mesh needs to be set according to the shape of the filler, and when the position of the filler changes from moment to moment, Another problem is that the calculation cost of re-creating the mesh becomes enormous.

また、特許文献2に記載された方法では、FEMにおいて必要となる境界条件を考慮する必要はないが、マクロな物性を評価するためには、膨大な計算コストがかかり、ゴム・フィラー複合体のような大きな系のマクロな物性を評価することは現実的には不可能である。   Moreover, in the method described in Patent Document 2, it is not necessary to consider the boundary conditions required in FEM. However, in order to evaluate macroscopic properties, enormous calculation costs are required, and the rubber-filler composite It is practically impossible to evaluate the macroscopic physical properties of such a large system.

一方、非特許文献1には、液体の溶媒中にコロイド粒子が分散したコロイド分散系において、コロイド粒子を剛体ではなく粘性の高い液体ドメインと見なして、コロイド分散系の動的挙動を計算する、いわゆる流体粒子ダイナミクス(Fluid Particle Dynamics,FPD)法が提案されている。このFPD法においては、コロイド粒子の高粘性ドメインと周囲の粘性液体の物性とが滑らかに接続されるため、境界条件をあらわに解くことなく、流体効果を考慮したコロイド分散系の動的挙動を高効率にシミュレーションすることが可能である。   On the other hand, in Non-Patent Document 1, in a colloidal dispersion system in which colloidal particles are dispersed in a liquid solvent, the dynamic behavior of the colloidal dispersion system is calculated by regarding the colloidal particles not as a rigid body but as a highly viscous liquid domain. A so-called fluid particle dynamics (FPD) method has been proposed. In this FPD method, the high-viscosity domain of colloidal particles and the physical properties of the surrounding viscous liquid are connected smoothly, so the dynamic behavior of the colloidal dispersion system considering the fluid effect can be obtained without revealing the boundary conditions. It is possible to simulate with high efficiency.

さらに、特許文献3には、非特許文献1に記載された方法を発展させて、荷電粒子が液体の溶媒中に分散した荷電コロイド分散系の動的挙動をシミュレーションする方法について記載されており、電気泳動ディスプレイにおける電極間の帯電顔料粒子のコロイド分散液において生じるコロイド電気泳動現象のシミュレーションが行われている。   Furthermore, Patent Document 3 describes a method for simulating the dynamic behavior of a charged colloidal dispersion system in which charged particles are dispersed in a liquid solvent by developing the method described in Non-Patent Document 1. A simulation of a colloid electrophoresis phenomenon that occurs in a colloidal dispersion of charged pigment particles between electrodes in an electrophoretic display has been performed.

このように、FPD法により、コロイド分散系の動的挙動を高効率にシミュレーションできていることから、上記FPD法をゴム・フィラー複合体の動的挙動のシミュレーションに適用して、高性能なゴム・フィラー複合体の設計に役立たせることが期待される。   As described above, the dynamic behavior of the colloidal dispersion system can be simulated with high efficiency by the FPD method. Therefore, the above-mentioned FPD method is applied to the simulation of the dynamic behavior of the rubber / filler composite, and a high-performance rubber is applied. -Expected to be useful in the design of filler composites.

特開2005−49333号公報JP 2005-49333 A 特開2006−64658号公報JP 2006-64658 A 特開2005−308782号公報JP 2005-308782 A

H.Tanaka and T.Araki,Phys.Rev.Lett.85(6),1338(2000)H. Tanaka and T.K. Araki, Phys. Rev. Lett. 85 (6), 1338 (2000)

しかしながら、非特許文献1に記載されたFPD法においては、溶媒として粘性の液体を用いることが想定されているため、FPD法の、ゴム・フィラー複合体のような、溶媒が粘弾性体の場合に対する適用は一切検討されて来なかった。そのため、どのような条件の下でシミュレーションを行うことができるのか不明となっていた。
そこで、本発明の目的は、ゴムをはじめとする粘弾性体中にフィラーが分散した粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動を簡便にシミュレーションできるシミュレーション方法、シミュレーション装置およびシミュレーションプログラムを提供することにある。
However, in the FPD method described in Non-Patent Document 1, it is assumed that a viscous liquid is used as a solvent. Therefore, when the solvent is a viscoelastic material, such as a rubber-filler composite, in the FPD method. Application to has never been studied. For this reason, it has become unknown under what conditions the simulation can be performed.
Therefore, an object of the present invention is to provide a simulation method, a simulation apparatus, and a simulation program capable of easily simulating the dynamic behavior of a viscoelastic body / filler composite in which a filler is dispersed in a viscoelastic body such as rubber. It is in.

発明者は、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。上記FPD法において、溶媒が従う流体の運動方程式であるナビエ・ストークス方程式は、液体の溶媒および固体であるコロイド粒子の粘度をパラメータとして含み、コロイド粒子の粘度を液体である溶媒の粘度よりも高く設定することにより、粒子内に流れが入り込まず、コロイド粒子の境界条件が加味される。しかしながら、上記FPD法においては、液体の溶媒中に剛体粒子であるフィラーを充填させても、フィラーの弾性的性質を取り込むことができず、フィラーによるゴム弾性の向上効果を評価できないことが判明した。そこで、この問題を解決するためには、溶媒である粘弾性体の弾性的な特性を加味した式を用いてシミュレーションを行う必要があるとの認識にたどり着き、本発明を完成させるに至った。   The inventor diligently studied how to solve the above problems. In the FPD method, the Navier-Stokes equation, which is the equation of motion of the fluid followed by the solvent, includes as parameters the viscosity of the liquid solvent and the solid colloid particles, and the viscosity of the colloid particles is higher than the viscosity of the liquid solvent. By setting, the flow does not enter the particles, and the boundary conditions of the colloidal particles are taken into account. However, in the FPD method, it has been found that even when a filler, which is a rigid particle, is filled in a liquid solvent, the elastic properties of the filler cannot be taken in and the effect of improving rubber elasticity by the filler cannot be evaluated. . Therefore, in order to solve this problem, the inventors have come to the recognition that it is necessary to perform a simulation using a formula that takes into account the elastic characteristics of the viscoelastic body, which is a solvent, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)粘弾性体中にフィラーが分散した粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動をシミュレーションする方法であって、
a)前記粘弾性体および前記フィラーの物性値、並びに前記粘弾性体中における前記フィラーの初期配置を含む、前記動的挙動をシミュレーションするための計算条件を入力する入力ステップと、
b)入力された前記計算条件の下で前記粘弾性体が従う流体の運動方程式を解く演算ステップと、
c)前記流体の運動方程式の解に基づいて前記フィラーの移動量を算出する移動量算出ステップと、
d)算出された前記フィラーの移動量を用いて前記フィラーの配置を更新する配置更新ステップと、
e)前記ステップb)〜d)の繰り返し処理により求めた前記粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動に関するデータを出力するデータ出力ステップと、
を含み、前記粘弾性体が従う流体の運動方程式は、前記粘弾性体の弾性的性質を加味したものであることを特徴とするシミュレーション方法。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A method for simulating the dynamic behavior of a viscoelastic body / filler composite in which a filler is dispersed in a viscoelastic body,
a) an input step of inputting calculation conditions for simulating the dynamic behavior, including physical property values of the viscoelastic body and the filler, and an initial arrangement of the filler in the viscoelastic body;
b) a calculation step for solving an equation of motion of the fluid that the viscoelastic body follows under the input calculation conditions;
c) a movement amount calculating step for calculating a movement amount of the filler based on a solution of the equation of motion of the fluid;
d) an arrangement update step of updating the filler arrangement using the calculated amount of movement of the filler;
e) a data output step for outputting data relating to the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite obtained by the repetitive processing of steps b) to d);
And the equation of motion of the fluid that the viscoelastic body follows is a simulation method that takes into account the elastic properties of the viscoelastic body.

(2)前記粘弾性体が従う流体の運動方程式は以下の式(A)で表される、前記(1)に記載のシミュレーション方法。ただし、ρは質量密度、Dは連続体の歪み速度テンソル、vは速度、pは圧力、Fは外場、Πは連続体の応力テンソル、Π (b)は連続体の応力テンソルの粘弾性体部分の成分、Π (f)は連続体の応力テンソルのフィラー部分の成分、Nは前記粘弾性体における粘弾性Maxwell要素の数、Nは前記フィラーにおける粘弾性Maxwell要素の数、τ (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素の緩和時間、τ (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素の緩和時間、η (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、η (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、φは前記フィラーの位置にて1を返し前記フィラー以外の位置にて0を返す関数、∇は上対流微分(Upper Convective time derivative)である。

Figure 2013250673
(2) The simulation method according to (1), wherein an equation of motion of the fluid followed by the viscoelastic body is represented by the following equation (A). Where ρ is the mass density, D is the strain rate tensor of the continuum, v is the velocity, p is the pressure, F p is the external field, Π is the stress tensor of the continuum, and j j (b) is the stress tensor of the continuum. component of the viscoelastic body portion, Π j (f) is the component of the filler portion of the stress tensor of the continuum, N b is the number of viscoelastic Maxwell element in the viscoelastic body, N f is the viscoelastic Maxwell element in the filler Τ j (b) is the relaxation time of the Maxwell element in the viscoelastic body, τ j (f) is the relaxation time of the Maxwell element in the filler, and η j (f) is the viscosity of the viscosity element in the Maxwell element in the filler. , η j (b) at the viscosity of the viscous element in Maxwell element in the viscoelastic body, phi is a position other than the filler Returns 1 at the position of the filler RETURN function, ∇ is an upper convection derivative (Upper Convective time derivative).
Figure 2013250673

(3)前記式(A)における粘度η (f)およびη (b)、緩和時間τ (f)およびτ (b)は下記の式(B)を満足する、前記(2)に記載のシミュレーション方法。

Figure 2013250673
(3) Viscosity η j (f) and η j (b) and relaxation times τ j (f) and τ j (b) in the formula (A) satisfy the following formula (B), (2) The simulation method described in 1.
Figure 2013250673

(4)前記データ出力ステップは、前記求められたデータに基づいて前記粘弾性体・フィラー複合体の粘弾性を解析する粘弾性解析ステップをさらに含む、前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載のシミュレーション方法。 (4) The data output step further includes a viscoelasticity analysis step of analyzing viscoelasticity of the viscoelastic body / filler composite based on the obtained data. The simulation method according to one item.

(5)粘弾性体中にフィラーが分散した粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動をシミュレーションする装置であって、前記粘弾性体および前記フィラーの物性値、並びに前記粘弾性体中における前記フィラーの初期配置を含む、前記動的挙動をシミュレーションするための計算条件を入力する入力部と、入力された前記計算条件の下で前記粘弾性体が従う流体の運動方程式を解く演算器と、前記流体の運動方程式の解に基づいて前記フィラーの移動量を算出する移動量算出器と、算出された前記フィラーの移動量を用いて前記フィラーの配置を更新する配置更新器と、前記演算器、前記移動量算出器および前記配置更新器により求められた前記粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動に関するデータを出力するデータ出力器とを有する解析部とを備え、前記ゴムが従う流体の運動方程式は、前記ゴムの弾性的性質を加味したものであることを特徴とするシミュレーション装置。 (5) An apparatus for simulating the dynamic behavior of a viscoelastic body / filler composite in which a filler is dispersed in a viscoelastic body, the physical properties of the viscoelastic body and the filler, and the viscoelastic body in the viscoelastic body An input unit for inputting a calculation condition for simulating the dynamic behavior, including an initial arrangement of fillers, an arithmetic unit for solving an equation of motion of the fluid that the viscoelastic body follows under the input calculation condition, A movement amount calculator that calculates the movement amount of the filler based on a solution of the equation of motion of the fluid, a placement updater that updates the placement of the filler using the calculated movement amount of the filler, and the arithmetic unit A data output unit for outputting data relating to the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite obtained by the movement amount calculator and the arrangement updater; Provided, the equation of motion of the fluid in which the rubber is followed, the simulation device, characterized in that is obtained by considering the elastic properties of the rubber.

(6)前記粘弾性体が従う流体の運動方程式は以下の式(A)で表される、前記(5)に記載のシミュレーション装置。ただし、ρは質量密度、Dは連続体の歪み速度テンソル、vは速度、pは圧力、Fは外場、Πは連続体の応力テンソル、Π (b)は連続体の応力テンソルの粘弾性体部分の成分、Π (f)は連続体の応力テンソルのフィラー部分の成分、Nは前記粘弾性体における粘弾性Maxwell要素の数、Nは前記フィラーにおける粘弾性Maxwell要素の数、τ (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素の緩和時間、τ (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素の緩和時間、η (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、η (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、φは前記フィラーの位置にて1を返し前記フィラー以外の位置にて0を返す関数、∇は上対流微分(Upper Convective time derivative)である。

Figure 2013250673
(6) The simulation apparatus according to (5), wherein an equation of motion of fluid that the viscoelastic body follows is represented by the following expression (A). Where ρ is the mass density, D is the strain rate tensor of the continuum, v is the velocity, p is the pressure, F p is the external field, Π is the stress tensor of the continuum, and j j (b) is the stress tensor of the continuum. component of the viscoelastic body portion, Π j (f) is the component of the filler portion of the stress tensor of the continuum, N b is the number of viscoelastic Maxwell element in the viscoelastic body, N f is the viscoelastic Maxwell element in the filler Τ j (b) is the relaxation time of the Maxwell element in the viscoelastic body, τ j (f) is the relaxation time of the Maxwell element in the filler, and η j (f) is the viscosity of the viscosity element in the Maxwell element in the filler. , η j (b) at the viscosity of the viscous element in Maxwell element in the viscoelastic body, phi is a position other than the filler Returns 1 at the position of the filler RETURN function, ∇ is an upper convection derivative (Upper Convective time derivative).
Figure 2013250673

(7)前記式(A)における粘度η (f)およびη (b)、緩和時間τ (f)およびτ (b)は下記の式(B)を満足する、前記(6)に記載のシミュレーション装置。

Figure 2013250673
(7) Viscosity η j (f) and η j (b) and relaxation times τ j (f) and τ j (b) in the formula (A) satisfy the following formula (B), (6) The simulation apparatus described in 1.
Figure 2013250673

(8)前記解析部は、前記得られたデータに基づいて前記粘弾性体・フィラー複合体の粘弾性を解析する粘弾性解析器をさらに有する、前記(5)〜(7)のいずれか一項に記載のシミュレーション装置。 (8) The analysis unit further includes a viscoelasticity analyzer that analyzes viscoelasticity of the viscoelastic body / filler composite based on the obtained data, and any one of (5) to (7). The simulation apparatus according to item.

(9)粘弾性体中にフィラーが分散した粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動を求める装置として構成するコンピュータに、a)前記粘弾性体および前記フィラーの物性値、並びに前記粘弾性体中における前記フィラーの初期配置を含む、前記動的挙動をシミュレーションするための計算条件を入力する入力ステップと、b)入力された前記計算条件の下で前記粘弾性体が従う流体の運動方程式を解く演算ステップと、c)前記流体の運動方程式の解に基づいて前記フィラーの移動量を算出する移動量算出ステップと、d)算出された前記フィラーの移動量を用いて前記フィラーの配置を更新する配置更新ステップと、e)前記ステップb)〜d)の繰り返し処理により求めた前記粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動に関するデータを出力するデータ出力ステップとを実行させ、前記流体の運動方程式は、前記粘弾性体の弾性的性質を加味したものであることを特徴とするシミュレーションプログラム。 (9) a computer configured as a device for determining the dynamic behavior of a viscoelastic body / filler composite in which a filler is dispersed in a viscoelastic body; a) physical properties of the viscoelastic body and the filler, and the viscoelastic body An input step for inputting a calculation condition for simulating the dynamic behavior, including an initial arrangement of the filler in the medium, and b) an equation of motion of the fluid that the viscoelastic body follows under the input calculation condition A calculation step for solving; c) a movement amount calculating step for calculating a movement amount of the filler based on a solution of the equation of motion of the fluid; and d) updating the arrangement of the filler using the calculated movement amount of the filler. And e) outputting data relating to the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite obtained by the repeated processing of e) and steps b) to d). That is executed and a data output step, the motion equation of the fluid simulation program, characterized in that is obtained by considering the elastic properties of the viscoelastic body.

(10)前記粘弾性体が従う流体の運動方程式は以下の式(A)で表される、前記(9)に記載のシミュレーションプログラム。ただし、ρは質量密度、Dは連続体の歪み速度テンソル、vは速度、pは圧力、Fは外場、Πは連続体の応力テンソル、Π (b)は連続体の応力テンソルの粘弾性体部分の成分、Π (f)は連続体の応力テンソルのフィラー部分の成分、Nは前記粘弾性体における粘弾性Maxwell要素の数、Nは前記フィラーにおける粘弾性Maxwell要素の数、τ (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素の緩和時間、τ (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素の緩和時間、η (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、η (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、φは前記フィラーの位置にて1を返し前記フィラー以外の位置にて0を返す関数、∇は上対流微分(Upper Convective time derivative)である。

Figure 2013250673
(10) The simulation program according to (9), wherein an equation of motion of fluid that the viscoelastic body follows is represented by the following equation (A). Where ρ is the mass density, D is the strain rate tensor of the continuum, v is the velocity, p is the pressure, F p is the external field, Π is the stress tensor of the continuum, and j j (b) is the stress tensor of the continuum. component of the viscoelastic body portion, Π j (f) is the component of the filler portion of the stress tensor of the continuum, N b is the number of viscoelastic Maxwell element in the viscoelastic body, N f is the viscoelastic Maxwell element in the filler Τ j (b) is the relaxation time of the Maxwell element in the viscoelastic body, τ j (f) is the relaxation time of the Maxwell element in the filler, and η j (f) is the viscosity of the viscosity element in the Maxwell element in the filler. , η j (b) at the viscosity of the viscous element in Maxwell element in the viscoelastic body, phi is a position other than the filler Returns 1 at the position of the filler RETURN function, ∇ is an upper convection derivative (Upper Convective time derivative).
Figure 2013250673

(11)前記式(1)における粘度η (f)およびη (b)、緩和時間τ (f)およびτ (b)は下記の式(B)を満足する、前記(10)に記載のシミュレーションプログラム。

Figure 2013250673
(11) The viscosities η j (f) and η j (b) and relaxation times τ j (f) and τ j (b) in the formula (1) satisfy the following formula (B), (10) The simulation program described in 1.
Figure 2013250673

(12)前記データ出力ステップは、前記求められたデータに基づいて前記粘弾性体・フィラー複合体の粘弾性を解析する粘弾性解析ステップをさらに含む、前記(9)〜(11)のいずれか一項に記載のシミュレーションプログラム。 (12) The data output step further includes a viscoelasticity analysis step of analyzing viscoelasticity of the viscoelastic body / filler composite based on the obtained data. The simulation program according to one item.

本発明によれば、粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動を簡便にシミュレーションできるシミュレーション方法、シミュレーション装置およびシミュレーションプログラムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the simulation method, simulation apparatus, and simulation program which can simulate the dynamic behavior of a viscoelastic body and filler composite body simply can be provided.

非特許文献1に記載のFPD法により求めたゴム・フィラー複合体の物性を示す図である。It is a figure which shows the physical property of the rubber filler composite body calculated | required by FPD method of a nonpatent literature 1. 本発明のシミュレーション方法の一実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows one Embodiment of the simulation method of this invention. (a)はR=(η/τ)/(η/τ)とフィラー効果との関係を示す図であり、(b)はτ/τとフィラー効果との関係を示す図である。(A) is a diagram showing the relationship between R = (η f / τ f ) / (η b / τ b) and the filler effect, showing the relationship between (b) is τ f / τ b and the filler effect FIG. 本発明のシミュレーション装置の一実施形態を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment of the simulation apparatus of this invention. (a)はフィラーの充填率とGuth−Gold因子との関係を示す図であり、(b)は周波数と振幅および位相シフトとの関係を示す図である。(A) is a figure which shows the relationship between the filling rate of a filler, and a Guth-Gold factor, (b) is a figure which shows the relationship between a frequency, an amplitude, and a phase shift. 本発明および非特許文献1に記載の方法により得られたゴム・フィラー複合体の弾性率を示す図である。It is a figure which shows the elasticity modulus of the rubber filler composite obtained by the method of this invention and the nonpatent literature 1. FIG.

(シミュレーション方法)
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本発明の粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動をシミュレーションする方法は、a)粘弾性体およびフィラーの物性値、並びに粘弾性体中におけるフィラーの初期配置を含む、動的挙動を求めるための計算条件を入力する入力ステップと、b)該入力された計算条件の下で粘弾性体が従う流体の運動方程式を解く演算ステップと、c)流体の運動方程式の解に基づいてフィラーの移動量を算出する移動量算出ステップと、d)算出されたフィラーの移動量を用いてフィラーの配置を更新する配置更新ステップと、e)ステップb)〜d)の繰り返し処理により求めた粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動に関するデータを出力するデータ出力ステップとを含む。ここで、粘弾性体が従う流体の運動方程式は、粘弾性体の弾性的性質を加味したものであることが肝要である。なお、本発明において、「フィラー」とは、カーボンブラックやシリカ等、粘弾性体の補強効果を図るために粘弾性体に配合される充填剤であり、粒子状のものを意味している。ここで、フィラーの形状は球形に限定されない。また、「粘弾性体・フィラー複合体」とは、粘弾性体中にフィラーが分散された材料を意味している。以下の説明においては、粘弾性体がゴムの場合を例に説明するが、それに限定されない。
(Simulation method)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The method for simulating the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite of the present invention is to obtain the dynamic behavior including a) the physical properties of the viscoelastic body and the filler, and the initial arrangement of the filler in the viscoelastic body. An input step for inputting a calculation condition for the fluid, b) an operation step for solving the equation of motion of the fluid that the viscoelastic body follows under the input calculation condition, and c) the movement of the filler based on the solution of the equation of motion of the fluid A moving amount calculating step for calculating the amount, d) a placement updating step for updating the filler placement using the calculated filler moving amount, and e) a viscoelastic body obtained by the repeated processing of steps b) to d). A data output step for outputting data relating to the dynamic behavior of the filler composite. Here, it is important that the equation of motion of the fluid followed by the viscoelastic body takes into account the elastic properties of the viscoelastic body. In the present invention, the “filler” is a filler that is blended into the viscoelastic body, such as carbon black or silica, for the purpose of reinforcing the viscoelastic body, and means a particulate material. Here, the shape of the filler is not limited to a spherical shape. Further, the “viscoelastic body / filler composite” means a material in which a filler is dispersed in a viscoelastic body. In the following description, the case where the viscoelastic body is rubber will be described as an example, but the present invention is not limited thereto.

上述のように、非特許文献1に記載されたFPD法は、特許文献1に記載されたFEMのような境界条件をあらわに解く必要なしに、粘性液体溶媒の流体効果を考慮したコロイド分散系の動的挙動を高効率にシミュレーションすることを可能にする。このFPD法において、溶媒である粘性液体の運動は、下記のナビエ・ストークス方程式で表される。   As described above, the FPD method described in Non-Patent Document 1 is a colloidal dispersion system that takes into account the fluid effect of a viscous liquid solvent without the need to explicitly solve the boundary conditions as in FEM described in Patent Document 1. It is possible to simulate the dynamic behavior of the robot with high efficiency. In this FPD method, the motion of a viscous liquid as a solvent is expressed by the following Navier-Stokes equation.

Figure 2013250673
ここで、D/Dtはラグランジュ微分(=∂/∂t+v・∇)、Fは力場、ρは質量密度、vは速度、pは圧力、ηは粘度、ζは熱遥動力である。
Figure 2013250673
Here, D / Dt is Lagrangian differential (= ∂ / ∂t + v · ∇), F p is a force field, ρ is mass density, v is velocity, p is pressure, η is viscosity, and ζ is thermal power.

FPD法を、ゴム・フィラー複合体の動的挙動のシミュレーションに適用する場合、上記式(1)において、粘度ηの値を、溶媒として粘性液体を用いる場合よりも大きな値に設定することにより、ゴムのフィラーによる補強性を近似的に取り込むことができると考えられる。そこで、式(1)を用いて、ゴム・フィラー複合体の動的挙動をシミュレーションしてその粘弾性特性を調べた。具体的には、ゴムの粘度に対して熱エネルギーは非常に小さいと考えられるためゼロとし、2次元のモデルに剛体フィラーの充填率(面積分率)を0%〜7%まで変化させて、周期せん断条件の下、シミュレーションを行った。無次元化は、密度ρ=1、粘度η=0.5、フィラー半径R=3.8となる条件で行った。得られた結果を図1に示す。ここで、図1(a)はフィラー充填率と貯蔵弾性率G’との関係を、図1(b)はフィラー充填率と損失弾性率G’’との関係をそれぞれ示している。ここで、貯蔵弾性率G’および損失弾性率G’’は、後述するように、動的粘弾性を特徴付ける量であり、貯蔵弾性率G’および損失弾性率G’’は、粘弾性体の弾性的性質、粘性的性質をそれぞれ特徴付ける量である。これらの図から明らかなように、フィラー充填率の増加とともに損失弾性率G’’は増加する一方、貯蔵弾性率G’は、フィラー充填率にかかわらず0であり、FPD法では粘弾性体の弾性的性質を取り込めていないことが分かる。すなわち、FPD法によりシミュレーションを行うと、ゴムにフィラーを充填しても弾性率を求めることができず、適切な結果が得られないことが判明した。   When the FPD method is applied to the simulation of the dynamic behavior of the rubber-filler composite, in the above formula (1), by setting the value of the viscosity η to a larger value than when using a viscous liquid as a solvent, It is considered that the reinforcement by the rubber filler can be taken in approximately. Therefore, the dynamic behavior of the rubber / filler composite was simulated using the formula (1), and its viscoelastic properties were examined. Specifically, since it is considered that the thermal energy is very small with respect to the viscosity of the rubber, it is set to zero, and the filling rate (area fraction) of the rigid filler is changed from 0% to 7% in a two-dimensional model, Simulations were performed under periodic shear conditions. Non-dimensionalization was performed under the conditions of density ρ = 1, viscosity η = 0.5, and filler radius R = 3.8. The obtained results are shown in FIG. Here, FIG. 1A shows the relationship between the filler filling rate and the storage elastic modulus G ′, and FIG. 1B shows the relationship between the filler filling rate and the loss elastic modulus G ″. Here, the storage elastic modulus G ′ and the loss elastic modulus G ″ are quantities characterizing dynamic viscoelasticity, as will be described later, and the storage elastic modulus G ′ and the loss elastic modulus G ″ are the values of the viscoelastic body. It is an amount that characterizes elastic properties and viscous properties. As is apparent from these figures, the loss elastic modulus G ″ increases as the filler filling rate increases, while the storage elastic modulus G ′ is 0 regardless of the filler filling rate. It can be seen that the elastic property is not incorporated. That is, when a simulation was performed by the FPD method, it was found that even if a rubber was filled with a filler, the elastic modulus could not be obtained and an appropriate result could not be obtained.

このように、発明者は、従来のFPD法では、粘弾性体の動的挙動のシミュレーションを正しく行えないことを受けて、溶媒としてのゴムの弾性的な性質を取り込むことができる流体の運動方程式を用いてシミュレーションを行う必要があるとの認識にたどり着いたのである。そこで、発明者は、試行錯誤の末、以下に示す、本発明のゴム・フィラー複合体の動的挙動のシミュレーション方法に用いる流体の運動方程式を導出するに至った。   In this way, the inventor has found that the conventional FPD method cannot correctly simulate the dynamic behavior of the viscoelastic body, so that the equation of motion of fluid that can incorporate the elastic properties of rubber as a solvent can be taken into account. We have come to realize that it is necessary to perform a simulation using Therefore, the inventor came to derive the equation of motion of the fluid used in the following simulation method of the dynamic behavior of the rubber / filler composite of the present invention after trial and error.

すなわち、まず、非圧縮性粘性流体の運動量保存則は、以下の式(2)で与えられる。

Figure 2013250673
ここで、Πは連続体の応力テンソルであり、
Figure 2013250673
と表され、また、vは、連続の条件から以下の式(4)の関係を満たす。
Figure 2013250673
That is, first, the momentum conservation law of an incompressible viscous fluid is given by the following equation (2).
Figure 2013250673
Where Π is the stress tensor of the continuum,
Figure 2013250673
In addition, v satisfies the relationship of the following formula (4) from the continuous condition.
Figure 2013250673

本発明においては、粘弾性体の弾性的性質を加味するために、鋭意検討した結果、上記式(2)における応力テンソルΠの構成方程式を、フィラー部分とゴム部分とに分けて考え、Maxwellモデルに基づいて下記の式(5)および(6)で書き換えることにより、粘弾性体の弾性的性質を加味できることを見出した。

Figure 2013250673
Figure 2013250673
In the present invention, as a result of intensive studies to consider the elastic properties of the viscoelastic body, the constitutive equation of the stress tensor Π in the above formula (2) is considered separately for the filler portion and the rubber portion, and the Maxwell model Based on the above, it was found that the elastic properties of the viscoelastic body can be taken into account by rewriting with the following formulas (5) and (6).
Figure 2013250673
Figure 2013250673

ここで、Πは連続体の応力テンソル、Dは連続体の歪み速度テンソル、Nはゴム部分の粘弾性Maxwell要素数、Nはフィラー部分の粘弾性Maxwell要素数、ηはMaxwell要素における粘性要素の粘度、τはMaxwell要素の緩和時間であり、η/τはMaxwell要素における弾性要素の弾性率を表す。また、∇は、上対流時間微分(Upper Convective Time Derivative)であり、

Figure 2013250673
である。よって、
Figure 2013250673
Figure 2013250673
である。また、Dは、
Figure 2013250673
である。上記式(5)および(6)は、Maxwellモデルに基づいたものであるが、原理的には、非線形性を含むMaxwellモデル以外のモデルに基づいた粘弾性構成則を導入することも可能である。また、φは、フィラーの位置で1を返しフィラー以外の位置で0を返す連続的な関数である。 Here, the stress tensor of the continuum [pi, D is strain rate tensor of the continuum, N b is the number of viscoelastic Maxwell element of rubber parts, N f viscoelastic Maxwell element number of the filler portion, eta is the viscosity of Maxwell element The viscosity of the element, τ is the relaxation time of the Maxwell element, and η / τ represents the elastic modulus of the elastic element in the Maxwell element. Also, ∇ is the upper convective time derivative (Upper Convective Time Derivative),
Figure 2013250673
It is. Therefore,
Figure 2013250673
Figure 2013250673
It is. D is
Figure 2013250673
It is. The above formulas (5) and (6) are based on the Maxwell model, but in principle it is also possible to introduce a viscoelastic constitutive law based on a model other than the Maxwell model including nonlinearity. . Φ is a continuous function that returns 1 at the filler position and 0 at positions other than the filler.

上記式(2)における応力テンソルΠの構成方程式を、フィラー部分とゴム部分とに分けて記載するに当たり、その分け方として幾つかの方法が考えられる。発明者らは、上記(5)および(6)式を導出するに至る前に、様々な式について検討した。例えば、応力テンソルΠの構成方程式を、下記の式(11)および(12)のように表現することもできる。

Figure 2013250673
Figure 2013250673
In describing the constitutive equation of the stress tensor に お け る in the above formula (2) separately for the filler part and the rubber part, several methods are conceivable. The inventors examined various equations before deriving the above equations (5) and (6). For example, the constitutive equation of the stress tensor Π can be expressed as the following formulas (11) and (12).
Figure 2013250673
Figure 2013250673

しかし、上記式(11)および(12)を用いると、式(5)および(6)と比べて、移動するフィラーの界面近傍において、粘弾性緩和の特性に不均一が生じて結果が悪化する上に、計算の収束性も悪化してシミュレーションを行うことが困難になることが分かった。そこで、こうした問題を生じることのない式について鋭意検討した結果、上記式(5)および(6)のように、Dのみにφを考慮した式を導出するに至ったのである。これらの式の妥当性は、後述するフィラー効果を検証することにより示される。   However, if the above formulas (11) and (12) are used, viscoelastic relaxation characteristics are uneven in the vicinity of the interface of the moving filler, and the results are worse than in the formulas (5) and (6). Furthermore, it was found that the convergence of the calculation deteriorates and it is difficult to perform the simulation. Therefore, as a result of intensive studies on an expression that does not cause such a problem, an expression in which φ is taken into consideration only for D, such as the above expressions (5) and (6), has been derived. The validity of these equations is shown by verifying the filler effect described later.

ここで、φとして、フィラーが1つで球形である場合、例えば、

Figure 2013250673
あるいは、
Figure 2013250673
を用いることができる。ここで、rはフィラー中心からの距離、Rはフィラー半径、aはフィラーとゴム部分を接続する界面の厚さ、δxは離散格子の空間刻みである。 Here, when φ is one and spherical, for example,
Figure 2013250673
Or
Figure 2013250673
Can be used. Here, r is the distance from the filler center, R is the filler radius, a is the thickness of the interface connecting the filler and the rubber part, and δx is the spatial increment of the discrete lattice.

また、フィラーが球形でない場合には、上記式(13)や(14)を用いる代わりに、フィラーの形状を適切に表現した関数を用いるか、あるいはフィラーの位置においては1を返しフィラー以外の位置で0を返すように構成することもできる。このようにして、フィラーが球形でない場合にも対応することができる。   When the filler is not spherical, instead of using the above formulas (13) and (14), a function that appropriately represents the shape of the filler is used, or 1 is returned at the position of the filler and a position other than the filler. Can also be configured to return 0. In this way, a case where the filler is not spherical can be dealt with.

こうして、溶媒としてのゴム中でフィラーを粘弾性特性の大きく異なるドメインとして表現した流体の運動方程式(6)を導出することができた。この式(6)と、式(2)、(4)および(5)(特許請求の範囲における式(A)に対応する)を連立させて解くことにより、粘弾性体・フィラーの動的挙動をシミュレーションすることができる。式(6)においては、前記応力Πの構成方程式の弾性成分に対する粘性成分の比が、フィラーが存在する位置でフィラーの形状に合わせて変化するため、フィラーとゴムとの境界条件をあらわに扱わずに計算コストを下げ、フィラー分散材料の動的挙動のシミュレーションが可能となるのである。また、粘弾性体であるゴムからの応力とフィラー間の相互作用力によって、フィラーの重心の位置が変化するため、フィラー同士の相対位置が変化した場合や、流れるような大きな変形を受けた場合についてシミュレーションできるようになる。以下、図2のフローチャートを参照して、本発明のシミュレーション方法の各ステップを説明する。ここでも、粘弾性体がゴムの場合を例に説明するが、これに限定されない。   In this way, it was possible to derive the fluid equation of motion (6) in which the filler is expressed as a domain having viscoelastic characteristics greatly different in the rubber as the solvent. By solving the equation (6) and the equations (2), (4) and (5) (corresponding to the equation (A) in the claims) simultaneously, the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler is obtained. Can be simulated. In Equation (6), the ratio of the viscous component to the elastic component of the constitutive equation of the stress Π changes according to the shape of the filler at the position where the filler is present, so the boundary condition between the filler and rubber is explicitly treated. Therefore, the calculation cost can be reduced, and the dynamic behavior of the filler-dispersed material can be simulated. In addition, the position of the center of gravity of the filler changes due to the stress from the rubber, which is a viscoelastic body, and the interaction force between the fillers. It becomes possible to simulate about. Hereinafter, each step of the simulation method of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. Here, the case where the viscoelastic body is rubber is described as an example, but the present invention is not limited thereto.

まず、ステップS1において、ゴムおよびフィラーの物性値、並びにゴム中におけるフィラーの初期配置を含む、動的挙動を求めるための計算条件を入力する。ここで、ゴムおよびフィラーの物性値とは、具体的には、ゴムの粘度、弾性率、その周波数特性、フィラーのサイズ、個数、粘度、弾性率、その周波数特性である。
また、ゴム・フィラー複合体の動的挙動をシミュレーションするための計算条件とは、具体的には、フィラーの配置の更新回数や時間および空間のメッシュ、システムに与える周期せん断ひずみの大きさおよび周波数等である。フィラーの配置は、ランダムに重心の座標を指定することにより配置する。
First, in step S1, calculation conditions for obtaining dynamic behavior including physical property values of rubber and filler and initial arrangement of filler in rubber are input. Here, the physical property values of rubber and filler are specifically the viscosity and elastic modulus of rubber, its frequency characteristics, the size, number of fillers, viscosity, elastic modulus and its frequency characteristics.
The calculation conditions for simulating the dynamic behavior of rubber-filler composites are specifically the number of filler placement updates, time and space mesh, and the magnitude and frequency of periodic shear strain applied to the system. Etc. The filler is arranged by randomly specifying the coordinates of the center of gravity.

次いで、ステップS2において、ステップS1にて入力された計算条件の下で、溶媒であるゴムが従う流体の運動方程式(6)を解く。具体的には、まず、モデルポテンシャルU(r)を用いて、各フィラーに働く力Fを計算する。このモデルポテンシャルU(r)としては、例えば、下記の式(15)に示すレナード・ジョーンズ(LJ)型のポテンシャルを用いることができる。

Figure 2013250673
ここで、εおよびaはフィラー間の相互作用の大きさを決定するパラメータである。 Next, in step S2, the equation of motion (6) of the fluid followed by the rubber as the solvent is solved under the calculation conditions input in step S1. Specifically, first, the force F i acting on each filler is calculated using the model potential U (r). As the model potential U (r), for example, a Leonard-Jones (LJ) type potential represented by the following formula (15) can be used.
Figure 2013250673
Here, ε and a are parameters that determine the magnitude of the interaction between the fillers.

こうしたモデルポテンシャルU(r)を用いることにより、各粒子に働く力Fは、U(r)の勾配を計算することにより(U(r)をフィラーの位置ベクトルrで偏微分することにより)求めることができる。

Figure 2013250673
ここで、Nはフィラーの数であり、「力F」は、ベクトル量である。こうして求められた各フィラーに働く力Fに、i番目のフィラーのφi(r)を掛け合わせて全てのフィラーについて足し合わせることにより、流体の運動方程式(6)における力場Fpが得られる。
Figure 2013250673
ここで、Vは、要素iの体積である。この力場F(r)を式(6)に代入して式(6)を解くことにより、各フィラーの速度vが求められる。また、「速度v」は、ベクトル量である。 By using such a model potential U (r), the force F i acting on each particle can be obtained by calculating the gradient of U (r) (by partial differentiation of U (r) with the filler position vector r i. ) You can ask.
Figure 2013250673
Here, N is the number of fillers, and “force F i ” is a vector quantity. The force field F p in the fluid equation of motion (6) is obtained by multiplying the force F i acting on each filler thus obtained by φ i (r) of the i-th filler and adding up all the fillers. It is done.
Figure 2013250673
Here, V i is the volume of the element i. By substituting this force field F (r) into the equation (6) and solving the equation (6), the velocity v i of each filler can be obtained. Further, “velocity v i ” is a vector quantity.

続いて、ステップS3において、上記流体の運動方程式の解に基づいてフィラーの移動量を算出する。具体的には、ステップS2において運動方程式(6)を解いて算出された各フィラーの速度vを下記式(18)に代入することにより、Δt後(例えば、0.01秒後)の各フィラーの移動量Δrを算出する。ここで、「移動量Δr」はベクトル量である。

Figure 2013250673
Subsequently, in step S3, the amount of movement of the filler is calculated based on the solution of the fluid equation of motion. More specifically, each velocity after Δt (for example, after 0.01 second) is obtained by substituting the velocity v i of each filler calculated by solving the equation of motion (6) in step S2 into the following equation (18). calculating the movement amount [Delta] r i of filler. Here, the “movement amount Δr i ” is a vector amount.
Figure 2013250673

その後、ステップS4において、得られたフィラーの移動量を用いてフィラーの配置を更新する。すなわち、ステップS3において得られた、Δt後の各フィラーの移動量Δrを、各フィラーの座標に足し合わせることにより、各フィラーの配置を更新する。上記ステップS2〜S4を繰り返し行うことにより、ゴム・フィラー複合体の動的挙動をシミュレーションできる。 Thereafter, in step S4, the filler arrangement is updated using the obtained amount of filler movement. That is, obtained in step S3, the movement amount [Delta] r i of each filler after Delta] t, by adding together the coordinates of each filler, and updates the arrangement of the filler. By repeating the above steps S2 to S4, the dynamic behavior of the rubber / filler composite can be simulated.

粘弾性を評価する際には、システムに指定の周期せん断の境界条件を設定して上記連立方程式(2)、(4)〜(6)を解く。境界条件としては、実際の速度vからせん断速度を引いた量に、例えば、Lees−Edwards法による周期境界条件を課す。フィラーが境界を跨ぐ際にも、その位置、速度をせん断速度に合わせて周期境界条件を課して計算を行う。   When evaluating viscoelasticity, a specified periodic shear boundary condition is set in the system to solve the simultaneous equations (2) and (4) to (6). As the boundary condition, for example, a periodic boundary condition by the Lees-Edwards method is imposed on an amount obtained by subtracting the shear rate from the actual velocity v. Even when the filler crosses the boundary, the calculation is performed by imposing periodic boundary conditions according to the position and speed of the filler according to the shear rate.

最後に、ステップS5にて、ステップS2〜S4の処理を所定の繰り返し回数だけ行ったかを判定し(例えば、Δt=0.01秒で100秒のシミュレーションを行う場合には10000回)、行っている場合には、得られたゴム・フィラー複合体の動的挙動に関するデータを出力して終了し、行っていない場合にはステップS2に戻る。ここで、ゴム・フィラー複合体の動的挙動に関するデータは、各繰り返し回におけるフィラーの配置や速度等のデータを含んでいる。
こうして、ステップS2〜S4の処理を繰り返し行うことにより、ゴム・フィラー複合体の動的挙動をシミュレーションすることができる。
Finally, in step S5, it is determined whether or not the processing in steps S2 to S4 has been performed a predetermined number of times (for example, 10000 times when Δt = 0.01 seconds and 100 seconds are simulated). If it is, the data regarding the dynamic behavior of the obtained rubber / filler composite is output and the process ends. If not, the process returns to step S2. Here, the data relating to the dynamic behavior of the rubber / filler composite includes data such as the arrangement and speed of the filler in each repetition.
In this way, the dynamic behavior of the rubber / filler composite can be simulated by repeatedly performing the processes of steps S2 to S4.

ここで、式(6)におけるゴムの粘度ηおよび弾性率τとフィラー効果との関係について調べる。図3は、ゴム・フィラー複合体の粘度および弾性率とフィラー効果との関係を示しており、図3(a)は、R=(η/τ)/(η/τ)とフィラー効果との関係、図3(b)は、R/τとフィラー効果との関係を示している。本発明において、「フィラー効果」とは、フィラーにより理論的に期待される、貯蔵弾性率および損失弾性率の増分に対する、貯蔵弾性率および損失弾性率の実際の増分(シミュレーションにより得られた増分)を意味しており(理論値=1+2.5g、gは充填率)、Rはフィラー部、ゴム部におけるそれぞれのMaxwell要素における弾性要素の弾性率の比を、η/τおよびη/τは、それぞれフィラー部におけるMaxwell要素における弾性要素の弾性率、ゴム部におけるMaxwell要素における弾性要素の弾性率を意味している。また、上記結果は、ゴム・フィラー複合体に5%のひずみ、および周波数0.01の振動が与えられた条件下で得られたものである。シミュレーションの数値は、密度ρ=1、粘度η=0.5、フィラー半径R=3.8となる条件で無次元化した。 Here, the relationship between the viscosity η and elastic modulus τ of the rubber in formula (6) and the filler effect is examined. FIG. 3 shows the relationship between the viscosity and elastic modulus of the rubber / filler composite and the filler effect. FIG. 3A shows R 1 = (η f / τ f ) / (η b / τ b ). FIG. 3B shows the relationship between R 2 = τ f / τ b and the filler effect. In the present invention, the “filler effect” means the actual increase in storage modulus and loss modulus relative to the increase in storage modulus and loss modulus expected by the filler (increment obtained by simulation). (Theoretical value = 1 + 2.5 g, g is a filling rate), R 1 is the ratio of the elastic modulus of the elastic element in each Maxwell element in the filler part and the rubber part, η f / τ f and η b / tau b, the elastic modulus of the elastic element in the Maxwell element in each filler portion, means the elastic modulus of the elastic element in the Maxwell element in the rubber portion. The above results were obtained under conditions where the rubber / filler composite was given 5% strain and vibration having a frequency of 0.01. The numerical values of the simulation were made dimensionless under the conditions of density ρ = 1, viscosity η = 0.5, and filler radius R = 3.8.

これらの図から明らかなように、RまたはRの値の増加とともに、フィラー効果は単調に増加する。すなわち、RまたはRの値は大きいほどフィラー効果が大きいことを意味している。例えば、Rを50以上、Rを100以上とすることにより、90%以上のフィラー効果が得られ、流体の運動方程式中において剛体としてのフィラーを表現できていると考えることができる。 As is clear from these figures, the filler effect increases monotonically with increasing values of R 1 or R 2 . That is, the larger the value of R 1 or R 2 , the greater the filler effect. For example, by setting R 1 to 50 or more and R 2 to 100 or more, a filler effect of 90% or more can be obtained, and it can be considered that the filler as a rigid body can be expressed in the equation of motion of fluid.

以上の本発明の粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動のシミュレーション方法において、データ出力ステップにて、求められたデータに基づいて粘弾性体・フィラー複合体の粘弾性を解析する粘弾性解析ステップをさらに行うことにより、粘弾性体・フィラー複合体の粘度や弾性率等の物性値を求めることができる。粘弾性体としてゴムを例に説明すると、具体的には、ゴム・フィラー複合体の物性値は、動的粘弾性の貯蔵弾性率G’および損失弾性率G’’として求める。このG’およびG’’は以下のように求める。すなわち、大きさ(振幅)γ、周波数ωである周期せん断ひずみγsin(ωt)を、システムのある方向(x方向)にせん断流れを、その方向に直交する方向(y方向)に勾配を付けて作用させて、その時の平均の応力σを次式(19)から計算することにより求めることができる。

Figure 2013250673
In the above-described simulation method of the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite of the present invention, in the data output step, the viscoelastic analysis is performed to analyze the viscoelasticity of the viscoelastic body / filler composite based on the obtained data. By further performing the step, physical properties such as viscosity and elastic modulus of the viscoelastic body / filler composite can be obtained. Explaining rubber as an example of the viscoelastic body, specifically, the physical property value of the rubber / filler composite is obtained as a storage elastic modulus G ′ and a loss elastic modulus G ″ of dynamic viscoelasticity. The G ′ and G ″ are obtained as follows. That is, a periodic shear strain γ 0 sin (ωt) having a magnitude (amplitude) γ 0 and a frequency ω is inclined in a direction (x direction) perpendicular to the direction of the shear flow in the system direction (x direction). The average stress σ at that time can be calculated from the following equation (19).
Figure 2013250673

この応力が

Figure 2013250673
となった時の、A/γ、B/γがそれぞれ、G’、G’’である。これらG’およびG’’は、完全弾性体ではG’≠0、G’’=0であり、完全粘性体ではG’=0、G’’≠0である。また、tanδ=G’’/G’が小さいほど、弾性体に近い粘弾性材料を意味する。
こうして、従来のFPD法では実質的に不可能だった、粘弾性体・フィラー複合体のマクロな物性を求めて評価することができ、ゴム等の粘弾性材料の設計に有効利用することができる。 This stress
Figure 2013250673
A / γ 0 and B / γ 0 are G ′ and G ″, respectively. These G ′ and G ″ are G ′ ≠ 0 and G ″ = 0 in the complete elastic body, and G ′ = 0 and G ″ ≠ 0 in the complete viscous body. Moreover, the smaller tan δ = G ″ / G ′, the viscoelastic material closer to the elastic body.
Thus, it is possible to evaluate and evaluate the macroscopic physical properties of the viscoelastic body / filler composite, which is practically impossible with the conventional FPD method, and can be effectively used for designing viscoelastic materials such as rubber. .

(シミュレーション装置)
次に、本発明の粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動のシミュレーション装置について説明する。図4は、本発明の粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動のシミュレーション装置の一実施形態を示す図である。この装置1は、入力部11と、解析部12と、表示部13とを備える。また、解析部12は、演算器21と、移動量算出器22と、配置更新器23と、データ出力器24とを有する。以下、粘弾性体がゴムの場合を例に説明するが、これに限定されない。
(Simulation device)
Next, a simulation apparatus for the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite of the present invention will be described. FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a simulation apparatus for the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite of the present invention. The device 1 includes an input unit 11, an analysis unit 12, and a display unit 13. The analysis unit 12 includes a calculator 21, a movement amount calculator 22, an arrangement updater 23, and a data output unit 24. Hereinafter, although the case where a viscoelastic body is rubber | gum is demonstrated to an example, it is not limited to this.

入力部11は、ゴムおよびフィラーの物性値、並びにゴム中におけるフィラーの初期配置を含む、動的挙動をシミュレーションするための計算条件を入力する。この入力部11としては、例えばキーボードやマウス等を用いることができる。   The input unit 11 inputs calculation conditions for simulating dynamic behavior including physical properties of rubber and filler, and initial arrangement of the filler in the rubber. For example, a keyboard or a mouse can be used as the input unit 11.

解析部12は、入力部11により入力されたゴムおよびフィラーの物性値、並びに動的挙動を求めるための計算条件下でゴムが従う流体の運動方程式である式(6)を解いて、フィラーの移動量を算出することにより、ゴム・フィラー複合体の動的挙動をシミュレーションする。以下、解析部12の各構成について説明する。   The analysis unit 12 solves the physical property values of the rubber and the filler inputted by the input unit 11 and the equation (6) that is the equation of motion of the fluid that the rubber follows under the calculation conditions for obtaining the dynamic behavior. The dynamic behavior of the rubber / filler composite is simulated by calculating the amount of movement. Hereinafter, each structure of the analysis part 12 is demonstrated.

演算器21は、入力部11により入力されたフィラーの配置の下で、ゴムが従う流体の運動方程式を解く。ここで、ゴムの弾性的性質を加味された流体の運動方程式である式(6)は、記憶装置(図示せず)に予め格納しておき、流体の運動方程式を解く際に記憶装置から読み出されるように構成されている。   The computing unit 21 solves the equation of motion of the fluid that the rubber follows under the arrangement of the filler input by the input unit 11. Here, equation (6), which is a fluid equation of motion that takes into account the elastic properties of rubber, is stored in advance in a storage device (not shown), and is read from the storage device when solving the equation of motion of the fluid. It is configured to be.

移動量算出器22は、演算器21により得られた流体の運動方程式の解に基づいて、フィラーの移動量を算出する。   The movement amount calculator 22 calculates the movement amount of the filler based on the solution of the fluid equation of motion obtained by the calculator 21.

配置更新器23は、移動量算出器22により算出されたフィラーの移動量を用いて前記フィラーの配置を更新する。   The arrangement updating unit 23 updates the filler arrangement using the filler movement amount calculated by the movement amount calculator 22.

データ出力器24は、演算器21、移動量算出器22および配置更新器23により求められたゴム・フィラー複合体の動的挙動に関するデータを出力する。   The data output unit 24 outputs data related to the dynamic behavior of the rubber / filler composite obtained by the calculator 21, the movement amount calculator 22, and the arrangement updater 23.

上記演算器21、移動量算出器22、配置更新器23およびデータ出力器24からなる解析部12は、パーソナルコンピュータ中のCPUやメモリ、記憶装置等により構成することができる。   The analysis unit 12 including the computing unit 21, the movement amount calculator 22, the arrangement updater 23, and the data output unit 24 can be configured by a CPU, a memory, a storage device, and the like in a personal computer.

表示部13は、データ出力器24により出力されたゴム・フィラー複合体に関するデータを表示する。この表示部13としては、例えばディスプレイを用いることができる。   The display unit 13 displays data related to the rubber / filler composite output by the data output unit 24. For example, a display can be used as the display unit 13.

また、ゴムが従う流体の運動方程式(6)において、図3に示した、R=(η/τ)/(η/τ)とフィラー効果との関係、およびτ/τとフィラー効果との関係から、Rを50以上、τ/τを100以上とすることにより、90%以上のフィラー効果が得られ、流体の運動方程式中において剛体としてのフィラーを表現できる。
こうして、本発明のシミュレーション装置により、粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動を簡便にシミュレーションすることができる。
Further, in the equation of motion (6) of the fluid followed by the rubber, the relationship between R = (η f / τ f ) / (η b / τ b ) and the filler effect, and τ f / τ b shown in FIG. And the filler effect, by setting R to 50 or more and τ f / τ b to 100 or more, a filler effect of 90% or more can be obtained, and the filler as a rigid body can be expressed in the fluid equation of motion.
Thus, the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite can be simply simulated by the simulation apparatus of the present invention.

以上の本発明のシミュレーション装置において、解析部12は、上記演算器21、移動量算出器22、配置更新器23により求められた粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動に関するデータに基づいて、粘弾性体・フィラー複合体の粘弾性特性を解析する粘弾性解析器をさらに有することができる。こうして、従来のシミュレーション装置では実質的に不可能だった、粘弾性体・フィラー複合体のマクロな物性を求めて評価することができ、ゴム等の粘弾性材料の設計に有効利用することができる。   In the simulation apparatus of the present invention described above, the analysis unit 12 is based on data relating to the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite obtained by the calculator 21, the movement amount calculator 22, and the arrangement updater 23. A viscoelasticity analyzer for analyzing viscoelastic characteristics of the viscoelastic body / filler composite may be further included. Thus, it is possible to evaluate and evaluate the macroscopic physical properties of the viscoelastic body / filler composite, which is practically impossible with conventional simulation apparatuses, and can be effectively used for designing viscoelastic materials such as rubber. .

(シミュレーションプログラム)
上述した本発明のシミュレーション装置1として、コンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、図4に示した手段の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを、当該コンピュータの記憶部に格納しておき、当該コンピュータの中央演算処理装置(CPU)によってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。こうして、本発明のシミュレーションプログラムをコンピュータに実行させることにより、粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動を簡便にシミュレーションすることができる。
(Simulation program)
A computer can be suitably used as the above-described simulation apparatus 1 of the present invention, and such a computer stores a program describing processing contents for realizing each function of the means shown in FIG. This program can be realized by reading out and executing this program by a central processing unit (CPU) of the computer. Thus, by causing a computer to execute the simulation program of the present invention, the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite can be easily simulated.

<シミュレーション方法の妥当性の検証>
まず、本発明のシミュレーション方法の妥当性を検証した。ここで、粘弾性体としてゴムを想定した。液体中や弾性体中に剛体フィラーを希薄に分散させた場合、その流体効果として、全体の粘度や弾性率がフィラーを入れた数に応じて変化することがEinstein則やGuth−Gold則として知られている。理論的には小さいフィラーを分散させた場合には、通常レイノルズ数が十分小さく、慣性の影響を無視したStokes近似で挙動を解析することが可能であり、希薄な極限として、フィラーを1つ考慮した際の結果と一致する。
粘弾性媒質中のフィラーの流体効果についても同様のことが成立すると考えられる。そこで、ゴムにフィラーを配合した際に、弾性率が上昇する効果の1つであるGuth−Gold則が成立していることを検証した。すなわち、上記法則が成立している場合には、フィラーの面積分率gに対して、

Figure 2013250673
となることが期待される。ここで、ωは周波数、G’およびG’’はゴム・フィラー複合体の粘弾性体の粘弾性係数であり、G’は貯蔵弾性率、G’’は損失弾性率である。また、G’bulkおよびG’’bulkはフィラーがない場合のゴムの粘弾性係数である。 <Verification of validity of simulation method>
First, the validity of the simulation method of the present invention was verified. Here, rubber was assumed as the viscoelastic body. It is known as Einstein's law or Guth-Gold's law that when the rigid filler is diluted thinly in the liquid or elastic body, the fluid effect is that the overall viscosity and elastic modulus change depending on the number of fillers. It has been. Theoretically, when small fillers are dispersed, the Reynolds number is usually sufficiently small, and the behavior can be analyzed by the Stokes approximation ignoring the influence of inertia. One filler is considered as a sparse limit. It agrees with the result when
It is considered that the same is true for the fluid effect of the filler in the viscoelastic medium. Therefore, it was verified that the Guth-Gold rule, which is one of the effects of increasing the elastic modulus, was established when a filler was blended with rubber. That is, when the above law is established, the area fraction g of the filler is
Figure 2013250673
It is expected to be Here, ω is a frequency, G ′ and G ″ are viscoelastic coefficients of the viscoelastic body of the rubber / filler composite, G ′ is a storage elastic modulus, and G ″ is a loss elastic modulus. G ′ bulk and G ″ bulk are viscoelastic coefficients of rubber in the absence of filler.

図5(a)は、本発明のシミュレーション方法による、フィラーの充填率とGuth−Gold因子Aとの関係を示す図である。ここで、この関係は、ゴム・フィラー複合体に対して10%のひずみ、周波数0.01の振動を与えることにより得られたものである。数値は、密度ρ=1、粘度η=0.5、フィラー半径R=3.8となる条件で無次元化した。この図から明らかなように、フィラーの充填率の増大とともに、Guth−Gold因子が増大しており、ゴム・フィラー複合体の応力が増大していることが分かる。
また、図5(b)は、本発明のシミュレーション方法による、ゴム・フィラー複合体に与える周波数とGuth−Gold因子および位相シフトとの関係を示している。振幅Aと位相シフトΔは、フィラーがない場合の応力σ(t)に対して、フィラーがある場合の応力σ(t)を、σ(t)=Aσ(t+Δ/ω)でフィッティングして得られた量である。ここで、ゴム・フィラー複合体に与えられた歪みは10%であり、フィラーの面積分率gは約8%、τは100である。まず、Guth−Gold因子と周波数との関係を見ると、0.02程度まではほとんど周波数に対する依存性は見られないが、0.03を超えると急激に増大することが分かる。また、位相シフトは、周波数の増大とともに単調に増大することが分かる。
この周波数依存性は、フィラー部の慣性項が影響していると考えられる。ゴムなどの場合、慣性の影響は小さく、実験的に得られる周波数をシミュレーションするには、周波数をかなり小さくして長時間のシミュレーションを行う必要がある。レイノルズ数をおよそρRω/η≒30ωと考えると、この条件下では、30ω<<1のときに周波数依存性は十分小さく、ゴム・フィラー複合体の粘弾性を求めることができていることが分かる。
Fig.5 (a) is a figure which shows the relationship between the filling rate of a filler, and Guth-Gold factor A by the simulation method of this invention. Here, this relationship is obtained by applying 10% strain and vibration having a frequency of 0.01 to the rubber / filler composite. The numerical values were made dimensionless under the conditions of density ρ = 1, viscosity η = 0.5, and filler radius R = 3.8. As is clear from this figure, it can be seen that the Guth-Gold factor increases as the filling rate of the filler increases, and the stress of the rubber / filler composite increases.
FIG. 5B shows the relationship between the frequency given to the rubber / filler composite, the Guth-Gold factor, and the phase shift according to the simulation method of the present invention. The amplitude A and phase shift Δ are obtained by fitting the stress σ (t) with the filler with σ 0 (t) = Aσ 0 (t + Δ / ω) with respect to the stress σ 0 (t) with no filler. This is the amount obtained. Here, the strain applied to the rubber / filler composite is 10%, the area fraction g of the filler is about 8%, and τ b is 100. First, looking at the relationship between the Guth-Gold factor and the frequency, it can be seen that the dependence on the frequency is hardly seen up to about 0.02, but increases rapidly when it exceeds 0.03. It can also be seen that the phase shift increases monotonically with increasing frequency.
This frequency dependence is considered to be influenced by the inertial term of the filler part. In the case of rubber or the like, the influence of inertia is small, and in order to simulate an experimentally obtained frequency, it is necessary to perform simulation for a long time with a considerably small frequency. Assuming that the Reynolds number is approximately ρR 2 ω / η≈30Ω, under this condition, the frequency dependence is sufficiently small when 30ω << 1, and the viscoelasticity of the rubber-filler composite can be obtained. I understand.

<ゴム・フィラー複合体の粘弾性特性の評価>
本発明のシミュレーション方法(発明例)および非特許文献1のFPD法(比較例)により、ゴム・フィラー複合体の粘弾性特性を調べた。具体的には、2次元のモデルに対してフィラーを適度に凝集させ、20%の面積分率で配置、フィラー間にLJ相互作用をε=0.5として計算した。周波数0.01に対してひずみ3%、10%、30%での、粘度および弾性率を求めた。数値は、密度ρ=1、粘度η=0.5、フィラー半径R=3.8となる条件で無次元化した。また、R=50、R=100である。得られた結果を図6に示す。この図から明らかなように、貯蔵弾性率G’にはフィラー以外の寄与として粘弾性体からの寄与が含まれ、G’’もそれに合わせて変化しており、発明例においては、ゴム・フィラー複合体の粘弾性特性が正しく求められていることが分かる。
<Evaluation of viscoelastic properties of rubber / filler composites>
The viscoelastic properties of the rubber / filler composite were examined by the simulation method of the present invention (invention example) and the FPD method (comparative example) of Non-Patent Document 1. Specifically, the filler was moderately aggregated with respect to the two-dimensional model, arranged at an area fraction of 20%, and the LJ interaction between the fillers was calculated as ε = 0.5. The viscosity and elastic modulus at a strain of 3%, 10%, and 30% with respect to a frequency of 0.01 were obtained. The numerical values were made dimensionless under the conditions of density ρ = 1, viscosity η = 0.5, filler radius R = 3.8. R 1 = 50 and R 2 = 100. The obtained result is shown in FIG. As is apparent from this figure, the storage elastic modulus G ′ includes a contribution from the viscoelastic body as a contribution other than the filler, and G ″ also changes accordingly. In the invention example, the rubber filler It can be seen that the viscoelastic properties of the composite are correctly determined.

1 シミュレーション装置
11 入力部
12 解析部
13 表示部
21 演算器
22 移動量算出器
23 配置更新器
24 データ出力器
S1 入力ステップ
S2 演算ステップ
S3 移動量算出ステップ
S4 配置更新ステップ
S5 データ出力ステップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Simulation apparatus 11 Input part 12 Analysis part 13 Display part 21 Calculator 22 Movement amount calculator 23 Arrangement updater 24 Data output device S1 Input step S2 Calculation step S3 Movement amount calculation step S4 Arrangement update step S5 Data output step

Claims (12)

粘弾性体中にフィラーが分散した粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動のシミュレーション方法であって、
a)前記粘弾性体および前記フィラーの物性値、並びに前記粘弾性体中における前記フィラーの初期配置を含む、前記動的挙動をシミュレーションするための計算条件を入力する入力ステップと、
b)入力された前記計算条件の下で前記粘弾性体が従う流体の運動方程式を解く演算ステップと、
c)前記流体の運動方程式の解に基づいて前記フィラーの移動量を算出する移動量算出ステップと、
d)算出された前記フィラーの移動量を用いて前記フィラーの配置を更新する配置更新ステップと、
e)前記ステップb)〜d)の繰り返し処理により求めた前記粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動に関するデータを出力するデータ出力ステップと、
を含み、前記粘弾性体が従う流体の運動方程式は、前記粘弾性体の弾性的性質を加味したものであることを特徴とするシミュレーション方法。
A simulation method of dynamic behavior of a viscoelastic body / filler composite in which a filler is dispersed in a viscoelastic body,
a) an input step of inputting calculation conditions for simulating the dynamic behavior, including physical property values of the viscoelastic body and the filler, and an initial arrangement of the filler in the viscoelastic body;
b) a calculation step for solving an equation of motion of the fluid that the viscoelastic body follows under the input calculation conditions;
c) a movement amount calculating step for calculating a movement amount of the filler based on a solution of the equation of motion of the fluid;
d) an arrangement update step of updating the filler arrangement using the calculated amount of movement of the filler;
e) a data output step for outputting data relating to the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite obtained by the repetitive processing of steps b) to d);
And the equation of motion of the fluid that the viscoelastic body follows is a simulation method that takes into account the elastic properties of the viscoelastic body.
前記粘弾性体が従う流体の運動方程式は以下の式(A)で表される、請求項1に記載のシミュレーション方法。ただし、ρは質量密度、Dは連続体の歪み速度テンソル、vは速度、pは圧力、Fは外場、Πは連続体の応力テンソル、Π (b)は連続体の応力テンソルの粘弾性体部分の成分、Π (f)は連続体の応力テンソルのフィラー部分の成分、Nは前記粘弾性体における粘弾性Maxwell要素の数、Nは前記フィラーにおける粘弾性Maxwell要素の数、τ (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素の緩和時間、τ (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素の緩和時間、η (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、η (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、φは前記フィラーの位置にて1を返し前記フィラー以外の位置にて0を返す関数、∇は上対流微分(Upper Convective time derivative)である。
Figure 2013250673
The simulation method according to claim 1, wherein an equation of motion of fluid that the viscoelastic body follows is expressed by the following equation (A). Where ρ is the mass density, D is the strain rate tensor of the continuum, v is the velocity, p is the pressure, F p is the external field, Π is the stress tensor of the continuum, and j j (b) is the stress tensor of the continuum. component of the viscoelastic body portion, Π j (f) is the component of the filler portion of the stress tensor of the continuum, N b is the number of viscoelastic Maxwell element in the viscoelastic body, N f is the viscoelastic Maxwell element in the filler Τ j (b) is the relaxation time of the Maxwell element in the viscoelastic body, τ j (f) is the relaxation time of the Maxwell element in the filler, and η j (f) is the viscosity of the viscosity element in the Maxwell element in the filler. , η j (b) at the viscosity of the viscous element in Maxwell element in the viscoelastic body, phi is a position other than the filler Returns 1 at the position of the filler RETURN function, ∇ is an upper convection derivative (Upper Convective time derivative).
Figure 2013250673
前記式(A)における粘度η (f)およびη (b)、緩和時間τ (f)およびτ (b)は下記の式(B)を満足する、請求項2に記載のシミュレーション方法。
Figure 2013250673
The simulation according to claim 2, wherein the viscosity η j (f) and η j (b) and the relaxation times τ j (f) and τ j (b) in the formula (A) satisfy the following formula (B). Method.
Figure 2013250673
前記データ出力ステップは、前記求められたデータに基づいて前記ゴム・フィラー複合体の粘弾性を解析する粘弾性解析ステップをさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシミュレーション方法。   The simulation method according to any one of claims 1 to 3, wherein the data output step further includes a viscoelasticity analysis step of analyzing viscoelasticity of the rubber / filler composite based on the obtained data. 粘弾性体中にフィラーが分散したゴム・フィラー複合体の動的挙動をシミュレーションする装置であって、
前記粘弾性体および前記フィラーの物性値、並びに前記粘弾性体中における前記フィラーの初期配置を含む、前記動的挙動をシミュレーションするための計算条件を入力する入力部と、
入力された前記計算条件の下で前記粘弾性体が従う流体の運動方程式を解く演算器と、前記流体の運動方程式の解に基づいて前記フィラーの移動量を算出する移動量算出器と、算出された前記フィラーの移動量を用いて前記フィラーの配置を更新する配置更新器と、前記演算器、前記移動量算出器および前記配置更新器により求められた前記粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動に関するデータを出力するデータ出力器とを有する解析部と、
を備え、前記粘弾性体が従う流体の運動方程式は、前記粘弾性体の弾性的性質を加味したものであることを特徴とするシミュレーション装置。
An apparatus for simulating the dynamic behavior of a rubber / filler composite in which a filler is dispersed in a viscoelastic body,
An input unit for inputting calculation conditions for simulating the dynamic behavior, including physical property values of the viscoelastic body and the filler, and an initial arrangement of the filler in the viscoelastic body;
A calculator that solves the equation of motion of the fluid that the viscoelastic body follows under the input calculation conditions; a calculator of amount of movement that calculates the amount of movement of the filler based on the solution of the equation of motion of the fluid; A placement updater that updates the placement of the filler using the amount of movement of the filler, and the motion of the viscoelastic body / filler composite obtained by the computing unit, the movement amount calculator, and the placement updater. An analysis unit having a data output device for outputting data relating to the mechanical behavior;
And the equation of motion of the fluid followed by the viscoelastic body takes into account the elastic properties of the viscoelastic body.
前記粘弾性体が従う流体の運動方程式は以下の式(A)で表される、請求項5に記載のシミュレーション装置。ただし、ρは質量密度、Dは連続体の歪み速度テンソル、vは速度、pは圧力、Fは外場、Πは連続体の応力テンソル、Π (b)は連続体の応力テンソルの粘弾性体部分の成分、Π (f)は連続体の応力テンソルのフィラー部分の成分、Nは前記粘弾性体における粘弾性Maxwell要素の数、Nは前記フィラーにおける粘弾性Maxwell要素の数、τ (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素の緩和時間、τ (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素の緩和時間、η (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、η (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、φは前記フィラーの位置にて1を返し前記フィラー以外の位置にて0を返す関数、∇は上対流微分(Upper Convective time derivative)である。
Figure 2013250673
The simulation apparatus according to claim 5, wherein an equation of motion of fluid that the viscoelastic body follows is expressed by the following equation (A). Where ρ is the mass density, D is the strain rate tensor of the continuum, v is the velocity, p is the pressure, F p is the external field, Π is the stress tensor of the continuum, and j j (b) is the stress tensor of the continuum. component of the viscoelastic body portion, Π j (f) is the component of the filler portion of the stress tensor of the continuum, N b is the number of viscoelastic Maxwell element in the viscoelastic body, N f is the viscoelastic Maxwell element in the filler Τ j (b) is the relaxation time of the Maxwell element in the viscoelastic body, τ j (f) is the relaxation time of the Maxwell element in the filler, and η j (f) is the viscosity of the viscosity element in the Maxwell element in the filler. , η j (b) at the viscosity of the viscous element in Maxwell element in the viscoelastic body, phi is a position other than the filler Returns 1 at the position of the filler RETURN function, ∇ is an upper convection derivative (Upper Convective time derivative).
Figure 2013250673
前記式(A)における粘度η (f)およびη (b)、緩和時間τ (f)およびτ (b)は下記の式(B)を満足する、請求項6に記載のシミュレーション装置。
Figure 2013250673
The simulation according to claim 6, wherein the viscosity η j (f) and η j (b) and the relaxation times τ j (f) and τ j (b) in the formula (A) satisfy the following formula (B). apparatus.
Figure 2013250673
前記解析部は、前記得られたデータに基づいて前記粘弾性体・フィラー複合体の粘弾性を解析する粘弾性解析器をさらに有する、請求項5〜7のいずれか一項に記載のシミュレーション装置。   The simulation apparatus according to claim 5, wherein the analysis unit further includes a viscoelasticity analyzer that analyzes viscoelasticity of the viscoelastic body / filler composite based on the obtained data. . 粘弾性体中にフィラーが分散した粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動を求める装置として構成するコンピュータに、
a)前記粘弾性体および前記フィラーの物性値、並びに前記粘弾性体中における前記フィラーの初期配置を含む、前記動的挙動をシミュレーションするための計算条件を入力する入力ステップと、
b)入力された前記計算条件の下で前記粘弾性体が従う流体の運動方程式を解く演算ステップと、
c)前記流体の運動方程式の解に基づいて前記フィラーの移動量を算出する移動量算出ステップと、
d)算出された前記フィラーの移動量を用いて前記フィラーの配置を更新する配置更新ステップと、
e)前記ステップb)〜d)の繰り返し処理により求めた前記粘弾性体・フィラー複合体の動的挙動に関するデータを出力するデータ出力ステップと、
を実行させ、前記流体の運動方程式は、前記粘弾性体の弾性的性質を加味したものであることを特徴とするシミュレーションプログラム。
In a computer configured as a device for determining the dynamic behavior of a viscoelastic body / filler composite with a filler dispersed in a viscoelastic body,
a) an input step of inputting calculation conditions for simulating the dynamic behavior, including physical property values of the viscoelastic body and the filler, and an initial arrangement of the filler in the viscoelastic body;
b) a calculation step for solving an equation of motion of the fluid that the viscoelastic body follows under the input calculation conditions;
c) a movement amount calculating step for calculating a movement amount of the filler based on a solution of the equation of motion of the fluid;
d) an arrangement update step of updating the filler arrangement using the calculated amount of movement of the filler;
e) a data output step for outputting data relating to the dynamic behavior of the viscoelastic body / filler composite obtained by the repetitive processing of steps b) to d);
And the equation of motion of the fluid takes into account the elastic properties of the viscoelastic body.
前記粘弾性体が従う流体の運動方程式は以下の式(A)で表される、請求項9に記載のシミュレーションプログラム。ただし、ρは質量密度、Dは連続体の歪み速度テンソル、vは速度、pは圧力、Fは外場、Πは連続体の応力テンソル、Π (b)は連続体の応力テンソルの粘弾性体部分の成分、Π (f)は連続体の応力テンソルのフィラー部分の成分、Nは前記粘弾性体における粘弾性Maxwell要素の数、Nは前記フィラーにおける粘弾性Maxwell要素の数、τ (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素の緩和時間、τ (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素の緩和時間、η (f)は前記フィラーにおけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、η (b)は前記粘弾性体におけるMaxwell要素における粘性要素の粘度、φは前記フィラーの位置にて1を返し前記フィラー以外の位置にて0を返す関数、∇は上対流微分(Upper Convective time derivative)である。
Figure 2013250673
The simulation program according to claim 9, wherein an equation of motion of fluid that the viscoelastic body follows is expressed by the following equation (A). Where ρ is the mass density, D is the strain rate tensor of the continuum, v is the velocity, p is the pressure, F p is the external field, Π is the stress tensor of the continuum, and j j (b) is the stress tensor of the continuum. component of the viscoelastic body portion, Π j (f) is the component of the filler portion of the stress tensor of the continuum, N b is the number of viscoelastic Maxwell element in the viscoelastic body, N f is the viscoelastic Maxwell element in the filler Τ j (b) is the relaxation time of the Maxwell element in the viscoelastic body, τ j (f) is the relaxation time of the Maxwell element in the filler, and η j (f) is the viscosity of the viscosity element in the Maxwell element in the filler. , η j (b) at the viscosity of the viscous element in Maxwell element in the viscoelastic body, phi is a position other than the filler Returns 1 at the position of the filler RETURN function, ∇ is an upper convection derivative (Upper Convective time derivative).
Figure 2013250673
前記式(A)における粘度η (f)およびη (b))、緩和時間τ (f)およびτ (b)は下記の式(B)を満足する、請求項10に記載のシミュレーションプログラム。
Figure 2013250673
The viscosity η j (f) and η j (b)) and relaxation times τ j (f) and τ j (b) in the formula (A) satisfy the following formula (B). Simulation program.
Figure 2013250673
前記データ出力ステップは、前記求められたデータに基づいて前記粘弾性体・フィラー複合体の粘弾性を解析する粘弾性解析ステップをさらに含む、請求項9〜11のいずれか一項に記載のシミュレーションプログラム。   The simulation according to any one of claims 9 to 11, wherein the data output step further includes a viscoelasticity analysis step of analyzing viscoelasticity of the viscoelastic body / filler composite based on the obtained data. program.
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