JP2014193596A - Coefficient of thermal conductivity prediction method of reinforcement resin, and apparatus of the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、繊維、又は、繊維及び球状フィラー強化プラスチック処理の分野に関するものであり、特に、高分子加工産業(射出成形および/または押し出し成形が使用されるいくつかの技術を示す)の一般的な技術を用いて製造されるフィラー(充填材)充填樹脂の繊維、又は、繊維及び球状フィラー強化部分の熱伝導率の予測方法及び装置に関するものである。 This invention relates to the field of fiber, or fiber and spherical filler reinforced plastic processing, and in particular the generality of the polymer processing industry (representing some techniques in which injection molding and / or extrusion is used). The present invention relates to a method and an apparatus for predicting the thermal conductivity of a filler (filler) -filled resin produced by using this technique, or the fiber and spherical filler-reinforced portions.
断熱特性あるいは高熱伝導特性が、製品または部品(以下、製品等と記載する場合がある)内で特定の方向に要求される場合において、その製品等の熱伝導率についての正確な知識が、その熱設計を最適化するための重要なステップである。製品等の各領域における局所的な熱伝導率を正確に知ることが、数値計算ソフトウェアによる3次元の熱計算を可能にする。その一方で、側々横熱伝導率を知ることは、設計前の段階における予測評価に役立つものである。 Accurate knowledge of the thermal conductivity of the product, etc. when the thermal insulation property or the high thermal conductivity property is required in a specific direction in the product or part (hereinafter referred to as a product etc.) This is an important step for optimizing the thermal design. Accurate knowledge of the local thermal conductivity in each region of a product or the like enables three-dimensional thermal calculation with numerical calculation software. On the other hand, knowing the lateral thermal conductivity from side to side is useful for predictive evaluation in the pre-design stage.
繊維、又は、繊維及び球状フィラー強化材料が使用される場合には、熱伝導率の予測は、低熱伝導性の高分子マトリックス中に高熱伝導性繊維を用いる材料の熱異方性挙動によって難しくなる。繊維の配向は方向性熱伝導率に強い影響を及ぼし、それ故に、繊維の配向が熱計算を行うために重要なファクターとなる。 When fibers or fiber and spherical filler reinforced materials are used, the prediction of thermal conductivity is made difficult by the thermal anisotropy behavior of materials using high thermal conductivity fibers in a low thermal conductivity polymer matrix. . Fiber orientation has a strong effect on directional thermal conductivity, and therefore fiber orientation is an important factor for performing thermal calculations.
繊維強化製品等の製造中の繊維配向を予測するためのいくつかの方法がある。異なる手段を記述する計算アルゴリズムが開発されてきたが、その大部分は個別に修正された流体の動的方程式モデルに基づいている。そのうち、フォルガー・タッカー(Folgar−Tucker)モデルは、繊維、又は、繊維及び球状フィラー強化材料の繊維配向のモデリングのために利用できる最良のモデルの1つと考えられる(例えば、特許文献1又は2参照)。
There are several ways to predict fiber orientation during the manufacture of fiber reinforced products and the like. Computational algorithms that describe different means have been developed, most of which are based on individually modified fluid dynamic equation models. Of these, the Folgar-Tucker model is considered to be one of the best models available for modeling fiber or fiber orientation of fibers and spherical filler reinforcing materials (see, for example,
また、繊維、又は、繊維及び球状フィラー強化部品におけるいくつかの物性(例えば、機械的強度、ヤング率など)を予測するためのモデルが利用できる(例えば、特許文献3乃至5、又は、非特許文献1乃至3参照)。
In addition, models for predicting some physical properties (for example, mechanical strength, Young's modulus, etc.) of fibers or fibers and spherical filler reinforced parts can be used (for example,
しかしながら、上記従来の方法では、通常、サンプル中の所定の場所で平均的な繊維方向にはっきりと関係する物性を考慮しているが、製品等の如何なる量においても、平均値の代わりに分布関数を用いて繊維配向が最も良く表されるという事実を無視しているため、熱伝導率の予測精度が低く、製品の高精度な熱設計を困難にしている。 However, the above conventional method usually takes into account the physical properties that are clearly related to the average fiber direction at a predetermined location in the sample, but in any quantity such as a product, a distribution function is used instead of the average value. Ignoring the fact that the fiber orientation is best represented by using, so the prediction accuracy of the thermal conductivity is low, making high-precision thermal design of the product difficult.
つまり、従来の方法において使用される熱伝導率が、所定のセルまたは領域で予測される繊維配向の局所値を頼りにしているが、実際は、製品等のあらゆる部分で配向がばらついていることが実験から確認されている。 In other words, the thermal conductivity used in the conventional method relies on the local value of the fiber orientation predicted in a given cell or region, but in reality the orientation may vary in every part of the product. Confirmed from experiments.
また、繊維の相互作用が、従来の熱伝導率アルゴリズムでは、十分に考慮されていない。その結果、真の値からの大きなズレに至ることが確認されている。 Also, fiber interactions are not fully considered in conventional thermal conductivity algorithms. As a result, it has been confirmed that a large deviation from the true value is reached.
この発明に係る樹脂の熱伝導率予測方法は、数値シミュレーションおよび/または実験的な解析に基づき繊維強化樹脂中の繊維配向角度に係る情報を得る情報取得工程と、情報取得工程により得られた繊維強化樹脂中の所定領域に係る繊維配向角度分布からその累積情報を得て、その結果を理論的又は実験的モデルを表す数式に当て嵌めるフィッティング工程と、フィッティング工程により得られるパラメータを用いて、所定領域に係る熱伝導率を計算する計算工程とを備えたものである。 The resin thermal conductivity prediction method according to the present invention includes an information acquisition step for obtaining information relating to a fiber orientation angle in a fiber reinforced resin based on numerical simulation and / or experimental analysis, and a fiber obtained by the information acquisition step. The cumulative information is obtained from the fiber orientation angle distribution related to a predetermined region in the reinforced resin, and the result is applied to a mathematical expression representing a theoretical or experimental model, and a parameter obtained by the fitting process is used to determine the predetermined value. And a calculation step of calculating the thermal conductivity related to the region.
この発明は、繊維強化製品等に使用されている成型キャビティの形状または材料が変更された場合でも、繊維強化部分中の熱伝導率の高精度な推定を可能にするものである。 The present invention enables highly accurate estimation of the thermal conductivity in the fiber reinforced portion even when the shape or material of the molding cavity used in the fiber reinforced product or the like is changed.
実施の形態1.
次に、図面を用いて、この発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and ratios of dimensions and the like are different from actual ones. Therefore, specific dimensions and the like should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
図1は、この発明の実施の形態1に係る樹脂の熱伝導率予測方法の全プロセスを示したフローチャートである。図において、先ず、ステップ11乃至13の数値シミュレーションおよび/または実験的な解析に基づき、例えば射出成形または押し出し成形プロセス等により製造された熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂の少なくとも1つに属する樹脂といったような繊維強化樹脂中の繊維配向角度に係る情報を得る情報取得工程について説明する。
FIG. 1 is a flowchart showing the entire process of the resin thermal conductivity prediction method according to the first embodiment of the present invention. In the figure, first, based on numerical simulation and / or experimental analysis in
製造中のモールド液相内での繊維の挙動を計算するため、ステップ11では、解析対象となる製品の形状データを四面体要素、六面体要素などの三次元要素に分割し、流体動的数値シミュレーションが実行される。仮に、製造法として射出成形が用いられる場合、モールド・キャビティ内側の流れのパターンの数値シミュレーションが、このステップで行われる。例えば、ナビエ・ストークス方程式(Navier−Stokes equation)が液相内における速さと圧力分布をモデル化するのに使用され、フォルガー・タッカー(Folgar−Tucker)モデルが、繊維がモールド内で動いて配向する経路を計算するのに使用できる。
In order to calculate the behavior of the fibers in the mold liquid phase during manufacture, in
次に、ステップ12は、上記ステップ11で得られた結果を数値データの形でエクスポートする工程である。ここで、下記、数式1で表される繊維配向テンソルは、各要素(セル)の3次元繊維配向を記述するデータをエクスポートするのに用いられる。
Next,
次に、ステップ13は、各要素について各方向の繊維配向角度を計算する工程である。図3は、デカルト座標を用いた繊維配向角度を示す図である。ステップ12で得られた繊維配向テンソルaijの対角成分を用いて、各方向の繊維配向角度が1軸、2軸、及び、3軸の各デカルト軸に対して、下記数式2の関係を用いて簡単に計算できる。
Next,
ここで、α11はデカルト座標系の1軸に対する繊維の配向角度を、α22はデカルト座標系の2軸に対する繊維の配向角度を、α33はデカルト座標系の3軸に対する繊維の配向角度をそれぞれ示す。 Here, α 11 is the fiber orientation angle with respect to one axis of the Cartesian coordinate system, α 22 is the fiber orientation angle with respect to the two axes of the Cartesian coordinate system, and α 33 is the fiber orientation angle with respect to the three axes of the Cartesian coordinate system. Each is shown.
なお、繊維配向は、X線分析、顕微鏡観察などの手段を用いて、製品等を分析するという実験的な方法で直接的に知ることができる。図4は、このような実験により得られた繊維配向の様子を示す図である。ここで、S1は、実際の観察結果を画像処理アルゴリズムによりイメージ化したものであり、S2は、S1を元に繊維配向を簡単に示した図である。 The fiber orientation can be directly known by an experimental method of analyzing a product or the like using means such as X-ray analysis or microscopic observation. FIG. 4 is a diagram showing the state of fiber orientation obtained by such an experiment. Here, S1 is an actual observation result imaged by an image processing algorithm, and S2 is a diagram simply showing fiber orientation based on S1.
次に、ステップ14乃至16の情報取得工程により得られた繊維強化樹脂中の所定領域に係る繊維配向角度分布を累積し、その結果を理論的又は実験的モデルを表す数式に当て嵌めるフィッティング工程について説明する。図2は、主ボリュームをサブボリュームに分割した状態を示す図であり、ステップ14乃至16の説明のための参考図である。ここで、主ボリュームとはステップ11で用いた形状データ全体を指し、サブボリュームとは前記主ボリュームから任意の領域を選択したものを指す。図2では主ボリュームおよびサブボリュームは立方体で表されているが、実際には主ボリュームは解析対象となる製品形状になり、サブボリュームは主ボリューム内で任意の大きさ、形状を取ることができる。領域選択したサブボリューム内にはステップ11で生成した複数の三次元要素が包含されることになるが、選択するサブボリュームの大きさは前述の三次元要素が少なくとも50個以上、好ましくは100個以上含まれる大きさが良い。これは、後述するステップ14乃至16ではサブボリュームに包含された複数の三次元要素のステップ13での計算結果(繊維配向角度)をまとめてサブボリューム毎に熱伝導率計算を行うことになるが、このとき、サブボリュームに包含される三次元要素の数が少なくなると精度の高い熱伝導率計算が実行できないためである。
Next, a fitting process in which the fiber orientation angle distribution relating to a predetermined region in the fiber reinforced resin obtained by the information acquisition process in
熱伝導率の計算はサブボリュームに対して行うため、製品形状中、つまり主ボリューム中から熱伝導率を計算したい領域をサブボリュームとして選択することになる。この時、主ボリューム全体の熱伝導率を計算したい場合は主ボリューム全体をサブボリュームとして選択することになり、当然、主ボリュームとサブボリュームは同一のものとなる。 Since the calculation of the thermal conductivity is performed on the subvolume, an area in which the thermal conductivity is to be calculated is selected as the subvolume in the product shape, that is, the main volume. At this time, if it is desired to calculate the thermal conductivity of the entire main volume, the entire main volume is selected as the sub volume, and the main volume and the sub volume are naturally the same.
また、領域選択するサブボリュームの数は一つでも良いし、複数でも良い。熱伝導率計算後に製品全体の過渡的な熱計算を行うこともでき、この場合、主ボリュームを任意の複数のサブボリュームに分割し、各々のサブボリュームの熱伝導率を用いて全体の過渡的熱解析を行うことになる。複数のサブボリュームを選択する場合は、包含する三次元要素の数を増加させるために、互いに部分的に重なり合っても良い。 In addition, the number of sub-volumes to select an area may be one or plural. It is also possible to perform a transient thermal calculation of the entire product after calculating the thermal conductivity, in which case the main volume is divided into any number of sub-volumes and the overall transient is calculated using the thermal conductivity of each sub-volume. Thermal analysis will be performed. When selecting a plurality of subvolumes, they may partially overlap each other in order to increase the number of 3D elements involved.
ステップ14は、各サブボリュームについて、当該サブボリュームに包含される各三次元要素の繊維配向角度を累積した累積繊維配向角度分布を計算する工程である。ここで、繊維配向角度とは、3つのデカルト座標軸に対する角度であり、1軸、2軸、3軸それぞれに対して累積繊維配向角度分布を計算する。
なお、累積繊維配向角度は、角度が0から90度の範囲で計算される。ステップ15、16では前述のデカルト座標の1軸、2軸、3軸それぞれに対して実行され、それぞれの軸方向に対する熱伝導率が計算される。
The cumulative fiber orientation angle is calculated in the range of 0 to 90 degrees.
ステップ15は、ステップ14で得られた累積繊維配向角度分布と、理論的あるいは実験的モデルとのフィッティングを行うフィッティング工程である。このステップでは、製造された製品等のスムースに分布した繊維配向につながるいくつかの現象を完全に含むようにしている。製造プロセス中の繊維−繊維または繊維−壁の相互作用、または、物理的不均質性は、実験的に観察されるスムースな繊維配向角度分布に寄与するいくつかの要因となるが、シミュレーションでこれらを再現することは難しい。ステップ15で行う理論的あるいは実験的モデルへのシミュレーション結果(ステップ14の累積繊維配向角度分布)のフィッティングは、前述の実際の製品等のスムースな繊維配向角度分布をシミュレーションに付与するために行われる。このフィッティングにより熱伝導率計算結果の精度が飛躍的に向上する。
図5は、数値シミュレーションのデータから得られる累積繊維配向角度分布の一例を示す図である(実線がシミュレーション・データ、点線がフィッティング・データを示す)。図中X軸が配向角度を、Y軸が各配向角度に対する累積度数を示し、実線S1はシミュレーションのデータから得られる累積繊維配向角度分布を、点線S2は、実線S1を理論的あるいは実験的モデルへフェッティングした結果をそれぞれ示す。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a cumulative fiber orientation angle distribution obtained from numerical simulation data (a solid line indicates simulation data and a dotted line indicates fitting data). In the figure, the X axis represents the orientation angle, the Y axis represents the cumulative frequency for each orientation angle, the solid line S1 represents the cumulative fiber orientation angle distribution obtained from the simulation data, and the dotted line S2 represents the solid line S1 as a theoretical or experimental model. The results of fitting to each are shown.
ステップ15のフィッティングで用いる理論的あるいは実験的モデルの一例が、ラミネート理論を使用することによってハルピン−ツァイ方程式(Halpin−Tsai equations)から得られる。これは、数式3で与えられる(チョイ(Choy)、レオン(Leung et al)ほか)。
An example of a theoretical or experimental model used in the fitting of
次に、フィッティング工程により得られるパラメータを用いて、前記所定領域に係る熱伝導率を計算する計算工程について説明する。ステップ16は、材料特性とステップ15で取得したパラメータλを用いてサブボリュームの熱伝導率を計算する工程である。具体的な熱伝導率の計算は、たとえば、熱伝導率についてのハルピン-ツァイ方程式(Halpin−Tsai equations)が使用できる。それらは、数式4で表すことができる。
Next, a calculation process for calculating the thermal conductivity related to the predetermined region using parameters obtained by the fitting process will be described.
ここで、Kc,iはデカルト座標のi軸(i=1、2、3)方向の当該サブボリュームの熱伝導率を、Viはデカルト座標のi軸(i=1、2、3)方向の繊維の配向度合を表すパラメータを、μ1は繊維長軸方向の熱伝導に関する係数を、μ2は繊維短軸方向の熱伝導に関する係数を、Kf1は繊維長軸方向の繊維自体の熱伝導率を、Kf2は繊維短軸方向の繊維自体の熱伝導率を、Kmは母材樹脂の熱伝導率を、νは繊維長軸長さと短軸長さの平均比率(平均アスペクト比)を、K1は繊維長軸方向の繊維充填樹脂の熱伝導率を、K2は繊維短軸方向の繊維充填樹脂の熱伝導率を、VFは繊維の充填体積分率をそれぞれ示す。Kf1、Kf2、Km、νは使用する材料固有の値であり、これらからμ1、μ2を算出することができる。次に、得られたμ1、μ2と材料中の繊維の体積分率VF、KmからK1およびK2を算出することができる。最後にステップ15で得られた各デカルト座標軸に対応するλと、K1およびK2から各デカルト座標軸に対する熱伝導率Kc,iを算出することができる
Here, K c, i is the thermal conductivity of the sub-volume in the Cartesian coordinate i-axis (i = 1, 2, 3) direction, and V i is the Cartesian coordinate i-axis (i = 1, 2, 3). Μ 1 is a coefficient related to heat conduction in the fiber long axis direction, μ 2 is a coefficient related to heat conduction in the fiber short axis direction, and K f1 is a parameter representing the degree of fiber orientation in the fiber long axis direction. K f2 is the thermal conductivity of the fiber itself in the minor axis direction of the fiber, K m is the thermal conductivity of the base resin, and ν is the average ratio of the major axis length to the minor axis length (average aspect ratio). the ratio), K 1 is the thermal conductivity of the fiber length direction of the fiber filled resin, K 2 is the thermal conductivity of the fibers minor axis direction of the fiber filled resin, VF denotes a packing volume fraction of fibers. K f1 , K f2 , K m , and ν are values specific to the material to be used, and μ 1 and μ 2 can be calculated from these values. Next, K 1 and K 2 can be calculated from the obtained μ 1 and μ 2 and the volume fraction VF and K m of the fibers in the material. Finally, the thermal conductivity K c, i for each Cartesian coordinate axis can be calculated from λ corresponding to each Cartesian coordinate axis obtained in
繊維―繊維間の相互作用は、2段階の反復法からなるフー(Fu)とマイ(Mai)によって提案される方法を用いることによって求めることができる。1段階目の計算では数式4中のVFをVF/(2−VF)として計算し、Kc,iを得る。2段階目の計算では、1段階目で得られたKc,iを母材樹脂の熱伝導率Kmとし、VFをVF/2として計算する。以上の2段階の反復法を行うことで、繊維−繊維間の相互作用を考慮したサブボリュームの熱伝導率が計算できる。 The fiber-fiber interaction can be determined by using the method proposed by Fu and Mai, which consists of a two-step iterative method. In the first stage calculation, VF in Equation 4 is calculated as VF / (2-VF), and K c, i is obtained. In the second stage calculation, K c, i obtained in the first stage is set as the thermal conductivity K m of the base resin, and VF is calculated as VF / 2. By performing the above two-stage iterative method, the thermal conductivity of the sub-volume considering the fiber-fiber interaction can be calculated.
前記の観点で述べられたプロセスは、成形プロセスや材料の特性値等のパラメータ入力21および部品/製品の形状データ22を入力する工程を経て、データおよびコード/プログラムを記録するハードディスク、ROMメモリー301、入力データを分析する中央演算処理装置302、一時的に格納されるデータまたは主コード/プログラムを割り当てるために用いられるRAMメモリー303からなる計算機31で計算を実施し、得られた熱伝導率をディスプレイやプリンタなどの出力デバイス41へ出力する。このような装置例を図6に示す。出力システム41は、結果を可視化するいくつかの装置、および/または、得られたデータを異なる場所または装置へ移すインターフェースを含んでもよい。
The process described in the above viewpoint includes a hard disk and a
フィラー充填樹脂に対して上記の熱伝導率解析方法を使用するにあたって、使用する母材樹脂には特に制限はないが、熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂のうちの一つ、もしくは二つ以上を組み合わせても良い。
熱可塑性樹脂の具体例としては、例えば、ポリプロピレン、ポリアセタール、液晶性樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド等が挙げられる。
熱硬化性樹脂の具体例としては、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、ウレタン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂、ジアリルフタレート樹脂等が挙げられる。
When using the above thermal conductivity analysis method for the filler-filled resin, there is no particular limitation on the base material resin to be used, one of thermoplastic resin or thermosetting resin, or two or more May be combined.
Specific examples of the thermoplastic resin include polypropylene, polyacetal, liquid crystal resin, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyamide, and the like.
Specific examples of thermosetting resins include, for example, epoxy resins, vinyl ester resins, unsaturated polyester resins, phenol resins, benzoxazine resins, urethane resins, urea resins, melamine resins, maleimide resins, cyanate resins, diallyl phthalate resins, etc. Is mentioned.
フィラー材料には特に制限はないが、ガラス、カーボン、金属またはセラミック等を使用することができる。また、その形状は特に限定はないが、円筒状もしくは針状であることが好ましい。母材樹脂とフィラー材料はそれぞれ一つの材料を使用しても良いし、それぞれ二つ以上の材料を組み合わせても良い。 Although there is no restriction | limiting in particular in a filler material, Glass, carbon, a metal, or a ceramic can be used. The shape is not particularly limited, but is preferably cylindrical or needle-like. The base material resin and the filler material may each be a single material, or two or more materials may be combined.
上記の方法を用いた結果は、製品/部品の平均熱伝導力を表すために使用してもよく、または、計算で得られたサブボリュームの熱伝導率を熱解析ソフトウェアにインポートして使用しても良い。
後者の場合、各サブボリュームが持つ熱伝導率を用いた二次元/三次元の定常条件/非定常条件解析が可能になる。
The results using the above method may be used to represent the average thermal conductivity of the product / part, or the calculated subvolume thermal conductivity can be imported into the thermal analysis software and used. May be.
In the latter case, two-dimensional / three-dimensional steady / unsteady condition analysis using the thermal conductivity of each sub-volume becomes possible.
この発明の実施の形態に係る樹脂の熱伝導率予測方法は、概ね以下のように示される。繊維強化樹脂製品等の繊維配向が、製品形状データから作成された複数の三次元要素を用いた流体動的数値シミュレーションにおいて、既存の繊維配向の理論的または実験的モデル(例えば、フォルガー・タッカー・モデル(Folgar−Tucker model))によって計算される。 The method for predicting the thermal conductivity of the resin according to the embodiment of the present invention is generally shown as follows. The fiber orientation of a fiber reinforced resin product or the like is a fluid dynamic numerical simulation using a plurality of three-dimensional elements created from product shape data, and a theoretical or experimental model of an existing fiber orientation (for example, Folger Tucker, Calculated by the model (Folgar-Tucker model).
前の工程において使用された製品形状データは、繊維配向分布が各デカルト座標軸で計算される一つ以上のサブボリュームに分割される。領域選択したサブボリュームに包含される全三次元要素の累積繊維配向角度分布は、実製品の繊維配向角度分布に近づけるために実験的または理論的モデルにフィッティングされる。 The product shape data used in the previous process is divided into one or more sub-volumes in which the fiber orientation distribution is calculated on each Cartesian coordinate axis. The cumulative fiber orientation angle distribution of all three-dimensional elements contained in the region-selected subvolume is fitted to an experimental or theoretical model to approximate the fiber orientation angle distribution of the actual product.
ファイバー配向の分布を表現するための様々な論理モデルが存在する。本発明の説明のために使っているモデルは下式で示されるモデルである。 There are various logical models for representing the fiber orientation distribution. The model used for explaining the present invention is a model represented by the following formula.
前の工程で得られたフィッティング・パラメータ、は、各デカルト座標軸について実験的または理論的な熱伝導率の計算式を用いて所定のサブボリュームの熱伝導率を計算するために、連続相で使用される。熱伝導率に対する繊維相互作用の寄与は、フー(Fu)とマイ(Mai)によって提案される方法を用いて加えることができる。
The fitting parameters obtained in the previous step are used in the continuous phase to calculate the thermal conductivity of a given sub-volume using an experimental or theoretical thermal conductivity formula for each Cartesian coordinate axis Is done. The contribution of fiber interaction to thermal conductivity can be added using the method proposed by Fu and Mai.
このプロセスは各サブボリュームについて繰り返され、結果として異なるサブボリューム間の補間がその方法の空間的分解能を増加させるのに用いられる。開始時の三次元要素の数は、解析精度を高めるためにはできるだけ大きく選ばねばならない。一端から他端への一方向の熱伝導率について一つの数値を計算する場合、製品形状データを一つのサブボリュームとして使ってもよい。 This process is repeated for each subvolume so that interpolation between different subvolumes is used to increase the spatial resolution of the method. The number of 3D elements at the start must be chosen as large as possible to increase the accuracy of the analysis. When calculating one numerical value for the thermal conductivity in one direction from one end to the other, the product shape data may be used as one subvolume.
実施の形態2.
上記実施の形態1では、繊維強化樹脂の熱伝導率予測方法について説明したが、本実施の形態2では、繊維および球状フィラーを強化材とし用いた繊維および球状フィラー強化樹脂の熱伝導率予測方法について説明する。図において、上記実施の形態1で示した番号が付された部分については、上記実施の形態1で記載した構成と同様であるため、ここでは説明を省略する。
In the first embodiment, the method for predicting the thermal conductivity of the fiber reinforced resin has been described. In the second embodiment, the method for predicting the thermal conductivity of the fiber and the spherical filler reinforced resin using the fiber and the spherical filler as a reinforcing material. Will be described. In the figure, the portions denoted by the numbers shown in the first embodiment are the same as the configurations described in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted here.
図7は、この発明の実施の形態2に係る樹脂の熱伝導率予測方法の全プロセスを示したフローチャートである。図において、先ず、ステップ511乃至513の数値シミュレーションおよび/または実験的な解析に基づき、例えば射出成形または押し出し成形プロセス等により製造された熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂の少なくとも1つに属する樹脂といったような繊維および球状フィラー強化樹脂中の繊維配向角度に係る情報を得る情報取得工程であるステップ51については、上記実施の形態1記載の方法と同様の方法を用いることができるので、ここでは説明を省略する
FIG. 7 is a flowchart showing the entire process of the resin thermal conductivity prediction method according to
ステップ52は、繊維および球状フィラー強化樹脂において、球状フィラーおよび母材樹脂のみを考え、球状フィラーのみで強化された樹脂の熱伝導率を予測する工程である。ステップ521は、球状フィラーおよび母材樹脂の熱伝導率、密度、及び体積分率を得る工程である。ここで、球状フィラーおよび母材樹脂の熱伝導率及び密度は、文献から得ても良いし、実験的に求めても良い。球状フィラーおよび母材樹脂の体積分率は、材料配合の段階で既知の場合にはその値を用いる。材料配合の段階で、各材料の質量分率のみがわかっている場合、以下の数式6により球状フィラーの体積分率が得られる。
ステップ523は、ステップ522の予測式で計算された結果から母材複合材料の熱伝導率を得る工程である。
Step 523 is a process of obtaining the thermal conductivity of the base material composite material from the result calculated by the prediction formula of
ステップ54乃至57は、ステップ51で得られた繊維配向及びステップ52で得られた母材複合材料の熱伝導率から、繊維および球状フィラー強化樹脂の熱伝導率を予測する工程である。ここで、上記実施の形態1記載の母材の特性を、ステップ52で得られる母材複合材料の特性に置き換えることで、実施の形態1記載の方法を用いることができる。ここで、球状フィラー材料には特に制限はないが、ガラス、金属、若しくはセラミックなどの無機フィラー、又は、カーボンなどの各種有機フィラーを用いることができる。
また、球状フィラーは1種類でも良いし、複数種類を使用しても良い。複数種類の球状フィラーを使用する場合、ステップ52の代わりに、図8に示すステップ61および62からなる段階的な計算方法を用いることができる。すなわち、ステップ62では第一の球状フィラーのみと母材樹脂の特性値から第一の母材複合材の第一の熱伝導率を算出する。次に、ステップ61において、ステップ62で得られた第一の母材複合材の第一の熱伝導率と、第二の球状フィラーの特性値から、第二の母材複合材の第二の熱伝導率を算出する。
Moreover, the spherical filler may be one type or a plurality of types. When a plurality of kinds of spherical fillers are used, a stepwise calculation
なお、球状フィラーの種類が多い場合には、球状フィラーの種類の数だけ、この工程を繰り返せば良い。得られた複数の球状フィラーで強化された樹脂の熱伝導率と、図7記載のステップ51で得られた繊維配向から、実施の形態1記載の方法により繊維および球状フィラー強化樹脂の熱伝導率を予測することができる。
In addition, when there are many types of spherical fillers, this step may be repeated for the number of types of spherical fillers. From the thermal conductivity of the resin reinforced with the obtained plurality of spherical fillers and the fiber orientation obtained in
上記実施の形態によれば、特に繊維配向が一つの分布として考慮され、それによって製品製造中の分散につながるいくつかの現象を間接的に考慮することができる。加えて、熱伝導メカニズムに対する繊維相互作用の関係を考慮することによって高精度に予測することができる。 According to the above embodiment, the fiber orientation is considered as one distribution in particular, so that several phenomena that lead to dispersion during product manufacture can be taken into account indirectly. In addition, it can be predicted with high accuracy by considering the relationship of the fiber interaction to the heat conduction mechanism.
11 流体動的シミュレーション
12 シミュレーション結果をエクスポート
13 各要素について各方向の繊維配向を計算
14 累積繊維配向分布を計算
15 理論的/実験的な関数/モデルのフィッティング
16 材料特性とあらかじめ取得したフィッティング・パラメータを用いて熱伝導率を計算
21 パラメータ入力(プロセス設定、材料特性、…)
22 部品/製品の形状データ
31 計算機
301 ハードディスク、ROMメモリー
302 中央演算処理装置
303 RAMメモリー
41 熱伝導率
51 繊維配向計算工程
511 流体動的シミュレーション工程
512 シミュレーション結果をエクスポート工程
513 各要素について各方向の繊維配向を計算する工程
52 母材複合材の特徴を求める工程
521 球フィレー及び母材樹脂の物性を得る工程
522 理論的な方程式に当て嵌める工程
523 母材複合材の熱伝導率を求める工程
54 累積繊維配向分布を計算する工程
55 理論的/実験的な関数/モデルをフィッティングする工程
56 材料特性とあらかじめ取得したフィッティング・パラメータを用いて熱伝導率を計算する工程
57 繊維および球状フィラー強化樹脂の熱伝導率を求める工程
61 第二の母材複合材の特徴を得る工程
62 第一の母材複合材の特徴を得る工程
11 Fluid
22 Part /
Claims (8)
数値シミュレーションおよび/または実験的な解析に基づき前記繊維強化樹脂中の繊維配向角度に係る情報を得る情報取得工程と、
該情報取得工程により得られた前記繊維強化樹脂中の所定領域に係る繊維配向角度分布からその累積情報を得て、その結果を理論的又は実験的モデルを表す数式に当て嵌めるフィッティング工程と、
該フィッティング工程により得られるパラメータを用いて、前記所定領域に係る熱伝導率を計算する計算工程と、
を備えた熱伝導率予測方法。 A thermal conductivity prediction method for predicting the thermal conductivity of a fiber reinforced resin,
An information acquisition step for obtaining information on the fiber orientation angle in the fiber reinforced resin based on numerical simulation and / or experimental analysis;
A fitting step of obtaining the accumulated information from the fiber orientation angle distribution relating to the predetermined region in the fiber reinforced resin obtained by the information acquisition step, and fitting the result to a mathematical expression representing a theoretical or experimental model;
Using the parameters obtained by the fitting step, a calculation step for calculating the thermal conductivity related to the predetermined region;
A method for predicting thermal conductivity.
数値シミュレーションおよび/または実験的な解析に基づき前記繊維および球状フィラー強化樹脂中の繊維配向角度に係る情報を得る情報取得工程と、
前記繊維および球状フィラー強化樹脂に含まれる球状フィラーおよび樹脂からなる複合系での複合系熱伝導率を算出する工程と、
前記情報取得工程により得られた前記繊維および球状フィラー強化樹脂中の所定領域に係る繊維配向角度分布からその累積情報を得て、その結果を理論的又は実験的モデルを表す数式に当て嵌めるフィッティング工程と、
該フィッティング工程により得られるパラメータおよび前記複合系熱伝導率を用いて、前記所定領域に係る熱伝導率を計算する計算工程と、
を備えた熱伝導率予測方法。 A thermal conductivity prediction method for predicting the thermal conductivity of fibers and spherical filler reinforced resin,
An information acquisition step for obtaining information on the fiber orientation angle in the fiber and the spherical filler reinforced resin based on numerical simulation and / or experimental analysis;
Calculating a composite thermal conductivity in a composite system comprising a spherical filler and a resin contained in the fiber and the spherical filler reinforced resin; and
Fitting step of obtaining cumulative information from the fiber orientation angle distribution relating to the predetermined region in the fiber and spherical filler reinforced resin obtained by the information acquisition step, and fitting the result to a mathematical expression representing a theoretical or experimental model When,
A calculation step of calculating a thermal conductivity according to the predetermined region using the parameters obtained by the fitting step and the composite thermal conductivity;
A method for predicting thermal conductivity.
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CN108804852A (en) * | 2018-06-28 | 2018-11-13 | 东汉新能源汽车技术有限公司 | The prediction technique and device of fiber alignment |
CN110765546A (en) * | 2018-07-09 | 2020-02-07 | 上海汽车集团股份有限公司 | Method and device for calculating performance of composite material and electronic equipment |
CN112989562A (en) * | 2021-02-01 | 2021-06-18 | 四川大学 | Method for predicting conductivity of conductive nanofiber composite polymer foam material |
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- 2014-01-23 JP JP2014010359A patent/JP2014193596A/en active Pending
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