JP4547941B2 - Method for simulating mechanical properties of composite material and apparatus for simulating mechanical behavior of composite material - Google Patents

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本発明は、母相と分散相とを有する複合材の微視的構造を再現した複合材モデルを用いて行う複合材の力学特性シミュレーション方法および装置、さらには、この複合材とともに、線材とこの線材を取り巻く母材を有する別の複合材を有する構造体における複合材の力学特性シミュレーション方法および装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for simulating the mechanical properties of a composite material using a composite material model that reproduces the microscopic structure of the composite material having a matrix phase and a dispersed phase. The present invention relates to a method and an apparatus for simulating mechanical properties of a composite material in a structure having another composite material having a base material surrounding the wire.

近年、タイヤ等の複合材が組み合わされた構造体について、コンピュータを用いた有限要素解析を行ってシミュレーションを行う方法が種々提案されている。
下記特許文献1、2には、有限要素解析によってシミュレーションを行うための複合材の微視的構造の有限要素モデルの作成方法あるいは3次元有限要素モデルの作成方法が提案されている。図25は、タイヤに用いられる複合材における、母相100と粒系フィラーの分散相200の分布を撮像した微視的画像の一例を示す概念図である。特許文献1、2では、この微視的画像を用いて母相中における粒系フィラーから成る分散相200の不均質分散の程度を定量化し、これを用いて有限要素モデルを作成することが提案されている。具体的には、微視的画像を縦n個×横n個(nは自然数)の領域に分割し、この分割された領域毎に分散相200が占める面積比率を求め、その平均値や標準偏差と分割数nとの関係より、分散相200の不均質分散の程度を定量化して、これを有限要素モデルの作成に利用するものである。
In recent years, various methods have been proposed for performing simulation by performing finite element analysis using a computer for a structure in which composite materials such as tires are combined.
Patent Documents 1 and 2 below propose a method of creating a finite element model of a microscopic structure of a composite material or a method of creating a three-dimensional finite element model for performing simulation by finite element analysis. FIG. 25 is a conceptual diagram showing an example of a microscopic image obtained by imaging the distribution of the matrix phase 100 and the dispersed phase 200 of the particulate filler in the composite material used for the tire. Patent Documents 1 and 2 propose that this microscopic image is used to quantify the degree of inhomogeneous dispersion of the disperse phase 200 composed of the particulate filler in the matrix phase and to create a finite element model using this. Has been. Specifically, the microscopic image is divided into vertical n × horizontal n (n is a natural number) regions, and the area ratio occupied by the dispersed phase 200 is obtained for each of the divided regions, and the average value or standard The degree of inhomogeneous dispersion of the dispersed phase 200 is quantified from the relationship between the deviation and the number of divisions n, and this is used to create a finite element model.

ところで、上記有限要素モデル作成方法では、母相中に粒系の分散相が分散した単純な構造の複合材料をモデル化するものであるが、現実には、より複雑かつ多様な形態で分散が形成されている。このため、特許文献1および2で開示する有限要素モデルを用いて、分散相および母相の微視的構造と複合材の力学挙動との関係を定量的に評価することは極めて困難であった。例えば、微視的構造は複雑かつ多様な形態であるため、種々の形態に合わせて有限要素に分割しなければならないが、このような形態に合わせてモデル化することは困難であり、モデルの作成に多大な時間を要するものであった。 By the way, in the above finite element model creation method, a composite material having a simple structure in which a dispersed phase of a grain system is dispersed in a matrix phase is modeled. However, in reality, the dispersed phase is more complicated and in various forms. Is formed. For this reason, it has been extremely difficult to quantitatively evaluate the relationship between the microscopic structure of the dispersed phase and the parent phase and the mechanical behavior of the composite using the finite element models disclosed in Patent Documents 1 and 2. . For example, since the microscopic structure has complicated and diverse forms, it must be divided into finite elements according to various forms, but it is difficult to model according to such forms. It took a lot of time to create.

また、複数の複合材からなるタイヤ等の構造体では、単にゴム材料中にカーボン粒子やシリカ粒子が分散相として分散したゴム部材ばかりでなく、スチール線材等が補強材として埋設されている。このため、母相中に分散した分散相を有するゴム部材のモデルと、このゴム部材に囲まれた線材のモデルとを、1つの有限要素モデルで表して、構造体全体の力学挙動のマクロ解析から、分散相および母相の微視的構造を再現して行うミクロ解析にいたるまで、すべての解析を効率よく有限要素モデルで行うことも困難であった。このため、タイヤ等の構造体における、複合材の分散相および母相の微視的構造とこの複合材の力学挙動との関係について、十分に解析できないといった問題もあった。   In a structure such as a tire made of a plurality of composite materials, not only a rubber member in which carbon particles and silica particles are dispersed as a dispersed phase in a rubber material, but also a steel wire or the like is embedded as a reinforcing material. For this reason, a model of a rubber member having a dispersed phase dispersed in a matrix and a model of a wire surrounded by the rubber member are represented by one finite element model, and macro analysis of the mechanical behavior of the entire structure It was also difficult to efficiently perform all analyzes using a finite element model, from microanalysis to reproduce the microscopic structure of the dispersed phase and matrix. For this reason, there has been a problem that the relationship between the microscopic structure of the dispersed phase and matrix of the composite material and the mechanical behavior of the composite material in a structure such as a tire cannot be sufficiently analyzed.

特開平9−180002号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-180002 特開平10−11613号公報JP-A-10-11613

そこで、本発明は、上記問題を解決するために、分散相および母相の3次元微視的構造を有する複合材の力学挙動をシミュレーションする複合材の力学特性シミュレーション方法および装置を提供するとともに、タイヤ等の構造体における複合材の力学挙動をシミュレーションする複合材の力学特性シミュレーション方法および装置を提供する。   Therefore, in order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a composite material dynamic property simulation method and apparatus for simulating the mechanical behavior of a composite material having a three-dimensional microscopic structure of a dispersed phase and a matrix phase, Provided are a composite mechanical property simulation method and apparatus for simulating the mechanical behavior of a composite in a structure such as a tire.

上記目的を達成するために、本発明は、母相と分散相とを有する複合材の微視的構造を再現した複合材モデルを用いて行う複合材の力学特性シミュレーション方法であって、モデル生成手段が、複数の3次元有限要素を隣接して配列し、前記複合材の立体形状を再現した形状モデルの前記3次元有限要素を、前記複合材の微視的構造を撮影した画像から得られる画像情報に基づいて、有限要素単位で少なくとも母相部分と分散相部分に振り分けることによって前記複合材の微視的構造を再現した複合材モデルを生成するステップと、解析処理手段が、前記モデル生成手段によって生成された前記複合材モデルを用いて力学特性の有限要素解析を行うステップと、を有し、前記撮影した画像は、前記分散相が分散粒子からなる粒子群の像であり、前記複合材モデルを生成するステップでは、前記モデル生成手段が、前記画像から、前記粒子群のそれぞれの重心点を求め、この重心点の位置を記した重心点抽出画像を生成し、この重心点抽出画像を複数の分割領域に均等分割したときの分割数であって、複数の分割領域のうち少なくとも1つの分割領域において前記重心点を含まないときの均等分割数を求め、この均等分割数で分割された分割領域内における前記重心点の密度に対する分割領域の頻度分布を表すヒストグラムを求め、前記均等分割数において求められた前記ヒストグラムの分布に等しくなるように、複数の点が分散した3次元画像を作成し、前記複数の点の各々を中心とする一定の半径の球を作成し、作成された複数の前記球が分散して配置された立体像を形成し、該立体像と前記形状モデルとを対応付け、前記球に対応する位置にある前記形状モデルの有限要素を前記分散相部分に振り分け、それ以外の部分を前記母相部分に振り分けることを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション方法を提供する。 To achieve the above object, the present invention provides a dynamic characteristic simulation method of the composite performed using a composite model which reproduces the microstructure of a composite material having a matrix phase and a disperse phase, the model generation The means can obtain the three-dimensional finite element of the shape model in which a plurality of three-dimensional finite elements are arranged adjacently and reproduce the three-dimensional shape of the composite material from an image obtained by photographing the microscopic structure of the composite material. based on the image information, and generating a composite model which reproduces the microscopic structure of the composite material by distributing the at least matrix portion and disperse phase portions in the finite element units, the analysis processing means, said model performing a finite element analysis of the mechanical properties by using the composite model generated by the generating means, have a, the captured image, the image der of particles in which the dispersed phase consists dispersed particles In the step of generating the composite material model, the model generation means obtains a centroid point of each particle group from the image, generates a centroid point extraction image describing the position of the centroid point, and This is the number of divisions when the point-extracted image is equally divided into a plurality of divided areas, and the number of equal divisions when at least one of the plurality of divided areas does not include the barycentric point is obtained. A histogram representing the frequency distribution of the divided area with respect to the density of the barycentric points in the divided area divided by (3) is obtained, and a plurality of points are distributed so as to be equal to the distribution of the histogram obtained in the equal number of divisions. Creating a dimensional image, creating a sphere of a certain radius centered on each of the plurality of points, forming a stereoscopic image in which the created spheres are dispersed and arranged; Association with the shape model a three-dimensional image, the distribution of the finite elements of the shape model in the position corresponding to the ball in the dispersed phase portions, characterized in that allocating the other portions in the parent phase moiety complex A method for simulating mechanical properties of a material is provided.

その際、前記複合材モデルを生成するステップでは、例えば、少なくとも1つの分割領域において前記重心点を含まないように前記重心点抽出画像複数の分割領域に均等分割したとき前記分割領域における前記重心点の密度に対する分割領域の頻度分布を表すヒストグラムを、分散相部分の分散不均一性を表す指標として用い、前記有限要素解析を行うステップでは、前記複合材モデルを生成するステップで生成された前記複合材モデルが、前記解析処理手段による前記有限要素解析の処理に供される。 At that time, in the step of generating a composite model, for example, when equally dividing the centroid extracted image so as not to include the center of gravity in one of the divided areas even without least into a plurality of divided regions, the divided step a histogram representing a frequency distribution of the divided regions with respect to the density of the center of gravity in the area, used as an index representing the dispersion non-uniformity of the dispersed phase portions in the step of performing the finite element analysis, for generating the composite model The composite material model generated in (1) is used for the finite element analysis processing by the analysis processing means.

前記複数の3次元有限要素は、互いに直交する3方向に同一の大きさの3次元有限要素であるのが好ましい。 The plurality of three-dimensional finite elements are preferably three-dimensional finite elements having the same size in three directions orthogonal to each other .

さらに、画像取得手段が、前記複合材の微視的構造を撮影した画像を取得するステップと、を有するのも好ましい。
前記3次元画像上への重心点の分散配置を行う際、各分割領域にて行う振り分けにおいて、前記重心点の個数が所定数以上の場合、前記重心点をランダム配置し、前記重心点の個数が所定数より小さい場合、前記分割領域の一部分の局所領域に制限して前記重心点をランダム配置するのが好ましい。前記局所領域は、例えば一定の大きさの候補領域の中からランダムに選択された領域である。
Furthermore, the image acquisition means, is also preferred that have a, a step of acquiring an image obtained by photographing the microscopic structure of the composite.
When distributing the centroid points on the three-dimensional image , if the number of centroid points is a predetermined number or more in the distribution performed in each divided region, the centroid points are randomly arranged, and the number of centroid points Is smaller than a predetermined number, it is preferable that the barycentric points are randomly arranged in a limited local area of the divided area. The local region is, for example, a region that is randomly selected from candidate regions having a certain size.

前記母相は、例えばポリマー材料からなり、前記分散相は、例えばカーボンおよびシリカの少なくとも一方の材料からなる。また、前記複合材モデルは、前記母相と前記分散相との間に存在する境界領域を再現した境界領域部分を有するのが好ましい。   The matrix phase is made of, for example, a polymer material, and the dispersed phase is made of, for example, at least one of carbon and silica. Moreover, it is preferable that the composite material model has a boundary region portion that reproduces a boundary region existing between the matrix phase and the dispersed phase.

また、本発明は、母相と分散相とを有する複合材の微視的構造を再現した複合材モデルを用いて行う複合材の力学特性シミュレーション装置であって、複数の3次元有限要素を隣接して配列し、前記複合材の立体形状を再現した形状モデルの前記3次元有限要素を、前記複合材の微視的構造を撮影した画像から得られる画像情報に基づいて、有限要素単位で少なくとも母相部分と分散相部分とに振り分けることによって前記複合材の微視的構造を再現した複合材モデルを生成するモデル生成部と、該モデル生成部によって生成された前記複合材モデルを用いて力学特性の有限要素解析を行う解析処理部と、を有し、前記撮影した画像は、前記分散相が分散粒子からなる粒子群の像であり、前記モデル生成部は、前記画像から、前記粒子群のそれぞれの重心点を求め、この重心点の位置を記した重心点抽出画像を生成し、この重心点抽出画像を複数の分割領域に均等分割したときの分割数であって、複数の分割領域のうち少なくとも1つの分割領域において前記重心点を含まないときの均等分割数を求め、この均等分割数で分割された分割領域内における前記重心点の密度に対する分割領域の頻度分布を表すヒストグラムを求め、前記均等分割数において求められた前記ヒストグラムの分布に等しくなるように、複数の点が分散した3次元画像を作成し、前記複数の点の各々を中心とする一定の半径の球を作成し、作成された複数の前記球が分散して配置された立体像を形成し、該立体像と前記形状モデルとを対応付け、前記球に対応する位置にある前記形状モデルの有限要素を前記分散相部分に振り分け、それ以外の部分を前記母相部分に振り分けることを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション装置を提供する。
また、前記モデル生成部は、少なくとも1つの分割領域において前記重心点を含まないように前記重心点抽出画像複数の分割領域に均等分割したとき前記分割領域における前記重心点の密度に対する分割領域の頻度分布を表すヒストグラムを、分散相部分の分散不均一性を表す指標として用い、前記有限要素解析を行う解析処理部では、前記モデル生成部で生成された前記複合材モデルが、前記解析処理部による前記有限要素解析の処理に供されることを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション装置を提供する。
前記複数の3次元有限要素は、互いに直交する3方向に同一の大きさの3次元有限要素であるのが好ましい。
さらに、前記複合材の微視的構造を撮影した画像を取得する画像取得手段と、を有するのが好ましい。
The present invention also relates to a composite material dynamic characteristic simulation apparatus using a composite material model that reproduces the microscopic structure of a composite material having a matrix phase and a dispersed phase, and a plurality of three-dimensional finite elements are adjacent to each other. The three-dimensional finite element of the shape model reproducing the three-dimensional shape of the composite material is at least in finite element units based on image information obtained from an image obtained by photographing the microscopic structure of the composite material. A model generation unit that generates a composite material model that reproduces the microscopic structure of the composite material by allocating to a matrix phase portion and a disperse phase portion, and dynamics using the composite material model generated by the model generation unit An analysis processing unit that performs finite element analysis of characteristics, and the captured image is an image of a particle group in which the dispersed phase is composed of dispersed particles, and the model generation unit is configured to convert the particle group from the image. Noso Each centroid point is obtained, a centroid point extraction image in which the position of the centroid point is written is generated, and the centroid point extraction image is divided into a plurality of divided areas. The equal number of divisions when the centroid point is not included in at least one divided region is obtained, and a histogram representing the frequency distribution of the divided region with respect to the density of the centroid points in the divided region divided by the equal division number is obtained. A three-dimensional image in which a plurality of points are dispersed so as to be equal to the distribution of the histogram obtained in the equal number of divisions, and a sphere having a constant radius centered on each of the plurality of points is created. Forming a three-dimensional image in which the plurality of created spheres are dispersedly arranged, associating the three-dimensional image with the shape model, and defining the finite element of the shape model at a position corresponding to the sphere Distributing the discrete phase portion, to provide mechanical characteristics simulation device of a composite material characterized by allocating the remaining portion in the parent phase portion.
Further, when the pre-SL model generation unit, obtained by equally dividing the centroid extracted image so as not to include the center of gravity in one of the divided areas even without least into a plurality of divided regions, before in the divided region Kikasane In the analysis processing unit that performs the finite element analysis, using the histogram representing the frequency distribution of the divided region with respect to the density of the center point as an index representing the dispersion non-uniformity of the dispersed phase portion, the composite generated by the model generation unit A composite material dynamic characteristic simulation apparatus is provided, wherein a material model is used for the finite element analysis processing by the analysis processing unit.
The plurality of three-dimensional finite elements are preferably three-dimensional finite elements having the same size in three directions orthogonal to each other.
Further, preferably that having a, an image obtaining unit for obtaining an image obtained by photographing the microscopic structure of the composite.

さらに、本発明は、母相と分散相とを有する第1の複合材を有する構造体中の複合材の力学特性をシミュレートする複合材の力学特性シミュレーション方法であって、全体解析手段が、前記母相と前記分散相とを区別することなく均一な部材として前記第1の複合材を有限要素で離散化した構造体モデルを作成するとともに、前記第1の複合材の材料パラメータを均一な部材とした等価パラメータで表して、前記第1の複合材を含む前記構造体全体の力学特性の有限要素解析を行う全体解析ステップと、第1の部分解析手段が、前記分散相および前記母相の微視的構造を再現するために、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法を行う第1の部分解析ステップと、を有し、該第1の部分解析ステップは、前記第1の部分解析手段が、前記モデル生成ステップで生成された、前記複合材の微視的構造を再現した前記複合材モデルを用い、前記全体解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記第1の複合材の力学特性の有限要素解析を行うことを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション方法を提供する。 Furthermore, the present invention is a composite mechanical property simulation method for simulating the mechanical properties of a composite material in a structure having a first composite material having a matrix phase and a dispersed phase, and the overall analysis means comprises: A structure model in which the first composite material is discretized by a finite element as a uniform member without distinguishing between the matrix phase and the dispersed phase is created, and the material parameters of the first composite material are made uniform. An overall analysis step for performing finite element analysis of the mechanical properties of the entire structure including the first composite material, expressed by equivalent parameters as members, and a first partial analysis means comprising the dispersed phase and the parent phase In order to reproduce the microscopic structure of the composite material, a first partial analysis step for performing the mechanical property simulation method of the composite material of the present invention is included. In the first partial analysis step , the first part Analysis means Generated by the model generation step, the use of the composite model reproduces the microscopic structure of the composite, based on the result of the information of the finite element analysis obtained in the whole analysis step, the first Provided is a method for simulating mechanical properties of a composite material, characterized by performing finite element analysis of the mechanical properties of the composite material.

本発明は、また、母相と分散相とを有する第1の複合材と、線材とこの線材を取り巻く母材を有する第2の複合材とを有する構造体における複合材の力学特性をシミュレートする複合材の力学特性シミュレーション方法であって、前記第2の複合材の前記母材は、前記第1の複合材であって、全体解析手段が、前記母相と前記分散相とを区別することなく、かつ前記線材と前記母材とを区別することなくそれぞれ均一な部材として前記第1の複合材および第2の複合材を有限要素で離散化した構造体モデルを作成するとともに、前記第1の複合材および前記第2の複合材の材料パラメータをそれぞれ均一な部材とした等価パラメータで表して、前記第1の複合材および前記第2の複合材を含む前記構造体全体の力学特性の有限要素解析を行う全体解析ステップと、第2の部分解析手段が、前記線材および前記母材の各々を有限要素で離散化した線材モデルおよび母材モデルを作成し、前記全体解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記第2の複合材の力学特性の有限要素解析を行う第2の部分解析ステップと、第3の部分解析手段が、前記分散相および前記母相の微視的構造を再現するために、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法を行う第3の部分解析ステップと、を有し、該第3の部分解析ステップは、前記第3の部分解析手段が、前記モデル生成ステップで生成された、前記複合材の微視的構造を再現した前記複合材モデルを用い、前記第2の部分解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記第1の複合材の力学特性の有限要素解析を行うことを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション方法を提供する。 The present invention also simulates the mechanical properties of a composite material in a structure having a first composite material having a parent phase and a dispersed phase, and a second composite material having a wire and a base material surrounding the wire. A method of simulating mechanical properties of a composite material, wherein the base material of the second composite material is the first composite material, and an overall analysis unit distinguishes the base phase from the dispersed phase. And creating a structure model in which the first composite material and the second composite material are discretized by finite elements as uniform members without distinguishing between the wire and the base material, and The material parameters of the first composite material and the second composite material are expressed as equivalent parameters, each of which is a uniform member, and the mechanical characteristics of the entire structure including the first composite material and the second composite material Perform finite element analysis And body analysis step, the second part analyzing means, each of said wire and the base material to create a discretized wire model and the base material model a finite elements of the finite element analysis obtained in the whole analysis step Based on the information of the result, the second partial analysis step for performing finite element analysis of the mechanical properties of the second composite material, and the third partial analysis means include a microscopic structure of the dispersed phase and the matrix phase. To reproduce the mechanical property simulation method of the composite material according to the present invention , and in the third partial analysis step , the third partial analysis means includes the third partial analysis step. Based on the information of the result of the finite element analysis obtained in the second partial analysis step, using the composite material model reproduced in the model generation step and reproducing the microscopic structure of the composite material. 1. Power of composite material Providing mechanical properties simulation method of a composite material characterized by performing a finite element analysis of the characteristics.

その際、前記第2の部分解析ステップでは、前記第2の部分解析手段が、複数回の有限要素解析を行い、有限要素解析の回数が増えるに従って、前記第2の複合材の構成をより詳細に再現して有限要素で離散化した線材モデルおよびこの線材モデルを取り巻く母材モデルを区別して作成し、1回目の有限要素解析では、前記全体解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報を用いて前記第2の複合材の力学特性の有限要素解析を行い、2回目以降の有限要素解析では、解析回数が1つ前の力学解析処理の結果の情報を用いて前記第2の複合材の力学特性の有限要素解析を行うのが好ましい。 At that time, in the second partial analysis step, the second partial analysis means performs the finite element analysis a plurality of times, and the configuration of the second composite material becomes more detailed as the number of finite element analysis increases. In the first finite element analysis, information on the result of the finite element analysis obtained in the overall analysis step is created by distinguishing the wire model reproduced in finite element and discretized by the finite element and the base material model surrounding the wire model. The finite element analysis of the mechanical properties of the second composite material is performed using the second composite material, and the second and subsequent finite element analyzes use the information of the result of the dynamic analysis processing one time before the analysis to determine the second composite material. It is preferable to perform a finite element analysis of the mechanical properties of the material.

また、前記構造体は空気入りタイヤであって、例えば前記第1の複合材の前記母相がポリマー材料からなり、前記分散相がカーボンおよびシリカの少なくとも一方の材料からなり、前記線材が撚りコードおよびテキスタイルコードの少なくとも一方の材料からなり、前記母材がポリマー材料からなる。   Further, the structure is a pneumatic tire, for example, the matrix phase of the first composite material is made of a polymer material, the dispersed phase is made of at least one material of carbon and silica, and the wire is a twisted cord And a textile cord, and the base material is made of a polymer material.

本発明は、母相と分散相とを有する第1の複合材を有する構造体中の複合材の力学特性をシミュレートする複合材の力学特性シミュレーション装置であって、前記母相と前記分散相とを区別することなく均一な部材として前記第1の複合材を有限要素で離散化した構造体モデルを作成するとともに、前記第1の複合材の材料パラメータを均一な部材とした等価パラメータで表して、前記第1の複合材を含む前記構造体全体の力学特性の有限要素解析を行う全体解析部と、前記分散相および前記母相の微視的構造を再現するために、本発明の複合材の力学特性シミュレーション装置を備える第1の部分解析部と、を有し、該第1の部分解析部は、前記モデル生成部によって生成された、前記複合材の微視的構造を再現した前記複合材モデルを用い、前記全体解析部で得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記解析処理部による、前記第1の複合材の力学特性の有限要素解析を行うことを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション装置を提供する。 The present invention is a composite mechanical property simulation apparatus for simulating the mechanical properties of a composite material in a structure having a first composite material having a matrix phase and a dispersed phase, the matrix phase and the dispersed phase. A structure model in which the first composite material is discretized by a finite element as a uniform member without making a distinction is created, and the material parameter of the first composite material is expressed by an equivalent parameter using a uniform member. Te, the overall analysis section for performing a finite element analysis of the mechanical properties of the entire structure including the first composite material, in order to reproduce the microscopic structure of the dispersed phase and the matrix phase, the composite of the present invention A first partial analysis unit including a material mechanical property simulation device, wherein the first partial analysis unit reproduces the microscopic structure of the composite material generated by the model generation unit. Use composite material model The mechanics of the composite material, wherein the finite element analysis of the mechanical properties of the first composite material is performed by the analysis processing unit based on the information of the finite element analysis result obtained by the overall analysis unit A characteristic simulation apparatus is provided.

さらに、本発明は、母相と分散相とを有する第1の複合材と、線材とこの線材を取り巻く母材を有する第2の複合材とを有する構造体における複合材の力学特性をシミュレートする複合材の力学特性シミュレーション装置であって、前記第2の複合材の前記母材は、前記第1の複合材であって、前記母相と前記分散相とを区別することなく、かつ前記線材と前記母材とを区別することなくそれぞれ均一な部材として前記第1の複合材および第2の複合材を有限要素で離散化した構造体モデルを作成するとともに、前記第1の複合材および前記第2の複合材の材料パラメータをそれぞれ均一な部材とした等価パラメータで表して、前記第1の複合材および前記第2の複合材を含む前記構造体全体の力学特性の有限要素解析を行う全体解析部と、前記線材および前記母材の各々を有限要素で離散化した線材モデルおよび母材モデルを作成し、前記全体解析部で得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記第2の複合材の力学特性の有限要素解析を行う第2の部分解析部と、前記分散相および前記母相の微視的構造を再現するために、本発明の複合材の力学特性シミュレーション装置を備える第3の部分解析部と、を有し、該第3の部分解析部は、前記モデル生成部によって生成された、前記複合材の微視的構造を再現した前記複合材モデルを用い、前記第2の部分解析部で得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記解析処理部による、前記第1の複合材の力学特性の有限要素解析を行うことを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション装置を提供する。 Furthermore, the present invention simulates the mechanical properties of a composite material in a structure having a first composite material having a matrix phase and a dispersed phase, and a second composite material having a wire material and a base material surrounding the wire material. The composite material dynamic characteristic simulation apparatus, wherein the base material of the second composite material is the first composite material without distinguishing between the base phase and the dispersed phase, and Creating a structural model in which the first composite material and the second composite material are discretized by finite elements as uniform members without distinguishing between the wire and the base material, and the first composite material and The material parameters of the second composite material are expressed as equivalent parameters, each of which is a uniform member, and a finite element analysis of the mechanical properties of the entire structure including the first composite material and the second composite material is performed. The overall analysis section; A wire rod model obtained by discretizing each of the wire rod and the base material with a finite element and a base material model are created, and the second composite material is based on information on a result of the finite element analysis obtained by the overall analysis unit. A second partial analysis unit that performs a finite element analysis of the mechanical properties of the composite material, and a third mechanical analysis device of the composite material according to the present invention for reproducing the microscopic structure of the dispersed phase and the matrix phase. A partial analysis unit, wherein the third partial analysis unit uses the composite material model, which is generated by the model generation unit and reproduces the microscopic structure of the composite material, and uses the second part A mechanical property simulation apparatus for a composite material, wherein the analysis processing unit performs a finite element analysis of the mechanical properties of the first composite material based on information on a result of the finite element analysis obtained by the analysis unit. I will provide a.

本発明では、複合材の立体形状を再現する形状モデルを、互いに直交する3方向に隣接して配列された同一の大きさの複数の3次元有限要素を用いて構成し、この3次元有限要素を、有限要素単位で少なくとも母相部分と分散相部分に振り分けることによって複合材の微視的構造を再現するので、3次元微視的構造を再現した複合材モデルを用いて力学特性の有限要素解析を行うことができる。
また、複合材の分散相および母相の微視的構造の撮影画像を用いることで、3次元微視的構造を再現した複合材モデルを作成して複合材の力学特性の有限要素解析を行うことができる。
また、複合材の全体解析を行った後、この全体解析結果を利用して、複合材の部分解析を行うので、構造体における複合材の力学挙動を再現することができる。
In the present invention, a shape model that reproduces the three-dimensional shape of a composite material is configured by using a plurality of three-dimensional finite elements of the same size arranged adjacent to each other in three directions orthogonal to each other, and this three-dimensional finite element Since the microscopic structure of the composite material is reproduced by assigning it to at least the parent phase part and the dispersed phase part in a finite element unit, the finite element of the mechanical properties using the composite material model reproducing the three-dimensional microscopic structure Analysis can be performed.
In addition, by using the captured images of the microscopic structure of the dispersed phase and matrix of the composite material, a composite material model that reproduces the three-dimensional microscopic structure is created, and finite element analysis of the mechanical properties of the composite material is performed. be able to.
In addition, after the overall analysis of the composite material is performed, the partial analysis of the composite material is performed using the overall analysis result, so that the dynamic behavior of the composite material in the structure can be reproduced.

以下、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法および装置について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
図1(a)は、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法を実行するタイヤのゴム部材の力学特性シミュレーション装置(以下、装置という)10を示す。
Hereinafter, a method and apparatus for simulating mechanical properties of a composite material according to the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1A shows a mechanical property simulation apparatus (hereinafter referred to as an apparatus) 10 of a rubber member of a tire that executes the method for simulating mechanical characteristics of a composite material of the present invention.

装置10は、後述する有限要素法におけるモデル作成のための演算処理または有限要素解析の演算処理等を行うCPU10aと、CPU10aにおける演算処理の手順を記憶したROM10bと、CPU10aにおける演算処理の手順を部分的に記憶したプログラムを記憶し、また、CPU10aで処理された計算結果を記憶し、必要に応じて呼び出すRAM10cとを主に有する。装置10は、さらに、バスライン10dを介して、操作系であるキーボード12、マウス14と接続され、ディスプレイ16、プリンタ18と接続されている。
キーボード12、マウス14は、有限要素法におけるモデル作成を指示したり、有限要素解析のための解析条件を設定するために用いられる。
ディスプレイ16、プリンタ18は、作成されるモデルを表示したり、有限要素解析の結果を表示するために用いられる。
なお、図示されないが、バスライン10dを介してハードディスク等の記憶装置と接続される。
The apparatus 10 includes a CPU 10a that performs arithmetic processing for model creation in a finite element method, which will be described later, or arithmetic processing for finite element analysis, a ROM 10b that stores a procedure of arithmetic processing in the CPU 10a, and a procedure of arithmetic processing in the CPU 10a. The RAM 10c mainly stores a program stored in memory, stores a calculation result processed by the CPU 10a, and calls it as necessary. The device 10 is further connected to a keyboard 12 and a mouse 14 which are operation systems via a bus line 10d, and is connected to a display 16 and a printer 18.
The keyboard 12 and mouse 14 are used to instruct model creation in the finite element method and to set analysis conditions for finite element analysis.
The display 16 and the printer 18 are used for displaying a model to be created and displaying a result of finite element analysis.
Although not shown, it is connected to a storage device such as a hard disk via the bus line 10d.

図1(b)は、図1(a)に示す構成を有する装置10を機能的に示したブロック図である。
装置10は、キーボード12、マウス14の操作系によって指示入力された内容に応じて、有限要素法にしたがってモデルを作成するモデル作成部20と、作成されたモデルを用いて有限要素解析を行う解析部22と、解析結果を記憶保持するメモリ24とを形成する。
FIG. 1B is a block diagram functionally showing the apparatus 10 having the configuration shown in FIG.
The apparatus 10 includes a model creation unit 20 that creates a model according to the finite element method in accordance with contents input by the operation system of the keyboard 12 and the mouse 14, and an analysis that performs finite element analysis using the created model. The unit 22 and the memory 24 for storing and holding the analysis result are formed.

具体的には、モデル作成部20は、母相と分散相とを有する複合材の微視的構造を再現した複合材モデルを作成する部分である。複合材モデルは、互いに直交する3方向に隣接して配列された同一の大きさの複数の3次元有限要素を有し、複合材であるゴム部材の立体形状を再現した形状モデルの各有限要素を、有限要素単位で少なくとも母相部分と分散相部分に振り分けることによって複合材の微視的構造を再現した有限要素モデルである。
解析部22は、生成された複合材モデルを用いて力学特性の有限要素解析を行い、解析結果を処理して各種分布を求め、ディスプレイ16やプリンタ18に供給して出力する。
装置10は以上のように構成される。
以降、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法について説明しつつ、上記各部分の機能を説明する。
Specifically, the model creation unit 20 is a part that creates a composite material model that reproduces the microscopic structure of a composite material having a matrix phase and a dispersed phase. The composite material model has a plurality of three-dimensional finite elements of the same size arranged adjacent to each other in three directions orthogonal to each other, and each finite element of the shape model reproducing the three-dimensional shape of the rubber member that is a composite material Is a finite element model in which the microscopic structure of the composite material is reproduced by assigning at least a parent phase portion and a dispersed phase portion in finite element units.
The analysis unit 22 performs a finite element analysis of the mechanical characteristics using the generated composite material model, processes the analysis result to obtain various distributions, supplies the distribution to the display 16 and the printer 18 and outputs them.
The apparatus 10 is configured as described above.
Hereinafter, the function of each of the above parts will be described while explaining the method for simulating the mechanical properties of the composite material of the present invention.

図2は、このような装置10で実行されるゴム材料からなる母相にカーボン粒子やシリカ粒子が分散したタイヤのゴム部材を複合材とした力学特性シミュレーション方法のフローを示したフローチャートである。
図2に示すように、ゴム部材の力学特性シミュレーション方法は、有限要素モデルを作成して有限要素解析を行うものである。
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of a mechanical property simulation method using a rubber member of a tire in which carbon particles and silica particles are dispersed in a matrix made of a rubber material, which is executed by the apparatus 10 as described above.
As shown in FIG. 2, the method of simulating the dynamic characteristics of a rubber member creates a finite element model and performs finite element analysis.

まず、装置10に複合材(ゴム部材)の試験片の微視的画像が供給され、モデル作成部20にて取得される(ステップS10)。
微視的画像は、図3(a)に示すようなポリマー材料である母相にカーボン粒子やシリカ粒子等の分散相が3次元状に分散したゴム部材の画像である。この画像は、例えばTEM(透過電子顕微鏡)トモグラフィーにより撮影される。
この撮影された画像における分散相の分布を情報として用いて、後述するようにゴム部材モデル(複合材モデル)の有限要素が分散相部分と母相部分とに割り振られる。
First, a microscopic image of a test piece of a composite material (rubber member) is supplied to the apparatus 10 and acquired by the model creation unit 20 (step S10).
The microscopic image is an image of a rubber member in which dispersed phases such as carbon particles and silica particles are three-dimensionally dispersed in a matrix phase that is a polymer material as shown in FIG. This image is taken by, for example, TEM (transmission electron microscope) tomography.
Using the distribution of the dispersed phase in the photographed image as information, a finite element of a rubber member model (composite material model) is allocated to the dispersed phase portion and the parent phase portion as will be described later.

次に、モデル作成部20にて、画像処理された微視的画像を基に、3次元有限要素モデルが作成され材料定数が設定される(ステップS20)。
具体的には、同一の大きさの複数の3次元有限要素を互いに直交する3方向に隣接して配列することによりゴム部材の立体形状を再現した形状モデルの前記3次元有限要素が、母相部分、分散相部分、さらには母相と分散相との間に介在する境界領域を再現する境界領域部分のいずれか1つに振り分けられる。振り分けは、ステップS10で得られた画像の画素情報(ボクセル情報)に基づいて、各有限要素が有限要素単位毎に行われる。境界領域部分は、例えば分散相部分について膨脹処理を行った際に分散相部分として新たに生じる領域を境界領域部分として定める。
Next, the model creation unit 20 creates a three-dimensional finite element model based on the microscopic image subjected to image processing, and sets material constants (step S20).
Specifically, the three-dimensional finite element of the shape model that reproduces the three-dimensional shape of the rubber member by arranging a plurality of three-dimensional finite elements of the same size adjacent to each other in three directions orthogonal to each other is It is distributed to any one of a part, a dispersed phase part, and a boundary region part that reproduces a boundary region interposed between the matrix phase and the dispersed phase. The sorting is performed for each finite element for each finite element based on the pixel information (voxel information) of the image obtained in step S10. For example, the boundary region portion defines, as the boundary region portion, a region newly generated as a dispersed phase portion when expansion processing is performed on the dispersed phase portion.

図3(b)および(c)は、撮影された3次元画像の一断面上の画像処理後の処理画像の例が示されている。図3(b)の例では分散が互いに切断されて分散し、図3(c)の例では分散相が互いに切断されておらず、連結状態にある。図3(b)および(c)において、黒の領域は分散相を、白の領域は母相を、灰色の領域は境界領域を表している。
このような分散相と母相との微視的構造がゴム部材の有限要素モデルに配置される。
ゴム部材の有限要素モデルは、例えば、再現しようとするゴム部材が直方体形状を成していれば、このゴム部材と同等の形状の直方体に対して、この直方体の面に平行あるいは直交する方向にそれぞれ均等分割して、直方体形状の6面体ソリッド要素を作成する。これによって互いに直交する3方向に隣接して配列された同一の大きさの複数の3次元有限要素を有する形状モデルが作成される。
FIGS. 3B and 3C show examples of processed images after image processing on one section of a captured three-dimensional image. In the example of FIG. 3B, the dispersed phases are cut and dispersed from each other, and in the example of FIG. 3C, the dispersed phases are not cut from each other and are in a connected state. 3 (b) and 3 (c), the black region represents the dispersed phase, the white region represents the parent phase, and the gray region represents the boundary region.
Such a microscopic structure of the dispersed phase and the matrix phase is arranged in the finite element model of the rubber member.
For example, if the rubber member to be reproduced has a rectangular parallelepiped shape, the finite element model of the rubber member is parallel to or perpendicular to the surface of the rectangular parallelepiped with respect to the rectangular parallelepiped having the same shape as the rubber member. A hexahedral solid element having a rectangular parallelepiped shape is created by equally dividing each. As a result, a shape model having a plurality of three-dimensional finite elements of the same size arranged adjacent to each other in three directions orthogonal to each other is created.

この形状モデルにおける各有限要素は、図3(b),(c)等の処理画像の画像情報に基づいて、分散相の分散形態が略一致するように、分散相部分、母相部分および境界領域部分のいずれか1つに振り分けられる。より具体的には、適当な解像度調整を施した処理画像の画素(3次元画像の場合、ボクセル)をそのまま有限要素にあててもよい。振り分けられた分散相部分には、分散相の材料の種類に応じて定まる材料定数(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)が設定され、母相部分には、母相のゴム材料の種類に応じて定まる材料定数(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)が設定される。また、境界領域部分には、これに対応した材料定数(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)が設定される。例えば、境界領域部分のヤング率は、母相部分のヤング率と分散相部分のヤング率との間の中間の値〜母相部分のヤング率の値の範囲で用いる。こうして、同一サイズの直方体形状の6面体ソリッド要素によって構成された分散相および母相の微視的構造を再現した3次元有限要素モデルが作成される。   Each finite element in this shape model has a dispersed phase portion, a parent phase portion, and a boundary so that the dispersed forms of the dispersed phases substantially match based on the image information of the processed images such as FIGS. It is distributed to any one of the area portions. More specifically, a pixel (in the case of a three-dimensional image, voxel) of a processed image that has been subjected to appropriate resolution adjustment may be directly applied to a finite element. Material constants (Young's modulus, shear stiffness, and Poisson's ratio) that are determined according to the type of material of the dispersed phase are set for the distributed phase part, and the matrix phase depends on the type of rubber material of the parent phase. Material constants (Young's modulus, shear rigidity, and Poisson's ratio) are determined. In addition, a material constant (Young's modulus, shear rigidity, and Poisson's ratio) corresponding to the boundary region is set. For example, the Young's modulus of the boundary region portion is used in a range from an intermediate value between the Young's modulus of the mother phase portion and the Young's modulus of the dispersed phase portion to the Young's modulus value of the mother phase portion. Thus, a three-dimensional finite element model that reproduces the microscopic structure of the disperse phase and the parent phase composed of hexahedral solid elements having the same size of rectangular parallelepiped shape is created.

図4は、図3(c)中の領域Sに対応する3次元有限要素モデルの部分を2次元表示した拡大図である。図4中、黒領域は分散相部分に振り分けられた有限要素を、白領域は母相部分に振り分けられた有限要素を、灰色領域は境界領域部分振り分けられた有限要素を、それぞれ示している。このように3次元有限要素モデルを、同一の直方体形状からなる6面体ソリッド要素を用いるのは、撮影された画像を用いて効率よくモデルを作成することができるためである。分散相の分散形態に沿ってメッシュを分割して微視的構造を再現する場合に比べて、短時間にモデルを作成でき、しかも、微細構造を変化させることも容易にできるからである。また、後述する主ひずみや主応力といったゴム部材の力学特性の指標となる頻度分布や積算分布を求める際に取り扱いが容易になるからである。
なお、有限要素モデルでは、有限要素を構成する節点の番号とこの番号に対応した座標値、および有限要素自体の番号とこの有限要素における節点の番号との組が、モデル情報として設定された各材料定数とともに電子ファイル化される。
FIG. 4 is an enlarged view in which a portion of the three-dimensional finite element model corresponding to the region S in FIG. In FIG. 4, the black area indicates a finite element distributed to the dispersed phase part, the white area indicates a finite element allocated to the parent phase part, and the gray area indicates a finite element allocated to the boundary area part. The reason why the hexahedral solid element having the same rectangular parallelepiped shape is used as the three-dimensional finite element model is that the model can be efficiently created using the photographed image. This is because a model can be created in a shorter time than when a microscopic structure is reproduced by dividing the mesh along the dispersion form of the dispersed phase, and the microstructure can be easily changed. In addition, it is easy to handle when obtaining a frequency distribution or an integrated distribution that serves as an index of the mechanical characteristics of the rubber member such as main strain and main stress described later.
In the finite element model, the number of the node constituting the finite element and the coordinate value corresponding to this number, and the combination of the number of the finite element itself and the number of the node in the finite element are set as model information. It is converted into an electronic file together with material constants.

次に、解析部22において、有限要素解析が予め設定された条件の下に実行される(ステップS30)。
例えば、複合材モデルであるゴム部材モデルを一方向に引っ張った時の応力−歪み曲線(S−S曲線)を算出し引張剛性を求める(単軸引張り解析)。あるいはゴム部材モデルに一方向に圧縮を加えた場合のS−S曲線を算出し圧縮剛性を求める(単軸圧縮解析)。さらに、そのときのゴム部材モデル内の応力、歪み分布を求め、せん断剛性を求める(せん断解析)。
3次元有限要素モデルを用いたゴム部材モデルは、分散相および母相の微視的構造を再現しているので、2次元有限要素モデルを用いた場合に比べて分散相および母相の動きが必要以上に拘束されず、ゴム部材の挙動を実際の挙動に略一致させることができる。
例えば、所定のひずみを複合材に与える力学挙動を再現する有限要素解析は、3次元有限要素モデルのゴム部材モデルの表面に一様に変位を与えて所定の引張ひずみを与えて行われる。
Next, in the analysis unit 22, finite element analysis is executed under preset conditions (step S30).
For example, a stress-strain curve (SS curve) when a rubber member model that is a composite material model is pulled in one direction is calculated to obtain tensile rigidity (uniaxial tensile analysis). Alternatively, an SS curve is calculated when compression is applied to the rubber member model in one direction to obtain compression rigidity (single-axis compression analysis). Further, the stress and strain distribution in the rubber member model at that time is obtained, and the shear rigidity is obtained (shear analysis).
Since the rubber member model using the three-dimensional finite element model reproduces the microscopic structure of the dispersed phase and the parent phase, the movement of the dispersed phase and the parent phase is larger than that using the two-dimensional finite element model. The behavior of the rubber member can be substantially matched to the actual behavior without being restrained more than necessary.
For example, the finite element analysis that reproduces the mechanical behavior that gives a predetermined strain to the composite material is performed by giving a predetermined tensile strain by uniformly displacing the surface of the rubber member model of the three-dimensional finite element model.

図5(a),(b)は略立方体形状を成したゴム部材モデルにひずみを与えたときの解析結果の一例を示す図である。
図5(a)は解析前の状態を示し、図5(b)は、図5(a)中のX方向にのみひずみを付与した解析後の状態を示す。
図5(a),(b)に示すゴム部材モデルの母相を構成するゴム材料の材料定数としてヤング率1.0(MPa)、ポアソン比0.5を設定し、分散相を構成するフィラー材の材料定数としてヤング率10000(MPa)、ポアソン比0.4を設定し、ゴム材料の部分には、非圧縮の超弾性Neo-Hookeanの材料特性を持たせ、一方、フィラー材の部分には、線形弾性の材料特性を持たせた。また、有限要素数は32768、節点数は35937である。
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing examples of analysis results when strain is applied to a rubber member model having a substantially cubic shape.
FIG. 5A shows a state before analysis, and FIG. 5B shows a state after analysis in which strain is applied only in the X direction in FIG. 5A.
A filler constituting a dispersed phase by setting a Young's modulus of 1.0 (MPa) and a Poisson's ratio of 0.5 as material constants of the rubber material constituting the matrix of the rubber member model shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). A Young's modulus of 10,000 (MPa) and a Poisson's ratio of 0.4 are set as material constants of the material, and the rubber material part has the material characteristics of non-compressed superelastic Neo-Hookean, while the filler material part Had linear elastic material properties. The number of finite elements is 32768, and the number of nodes is 35937.

なお、ゴム材料の材料特性として、Neo-Hookeanの材料特性の他に、Mooney-Rivlin、Ogden、Polynominal、Reduced Polynominal、Yeoh、Van Der Waals、Arruda-Boyce、Marlow等の材料特性を用いてもよい。また、加硫ゴムで観察されるような、変形とともに応力が軟化するMullins効果を材料特性に与えてもよい。これにより、ゴム材料の劣化の程度を再現することができる。   In addition to Neo-Hookean material properties, material properties such as Mooney-Rivlin, Ogden, Polynominal, Reduced Polynominal, Yeoh, Van Der Waals, Arruda-Boyce, Marlow, etc. may be used as the material properties of the rubber material. . Moreover, the Mullins effect in which stress is softened with deformation as observed in vulcanized rubber may be given to material properties. Thereby, the degree of deterioration of the rubber material can be reproduced.

次に、解析部22において、有限要素解析の解析結果から、母相界面部分、母相非界面部分(母相内部)、分散相界面部分、分散相非界面部分(分散相内部)のそれぞれの部分に属する有限要素群の主ひずみ、主応力およびひずみエネルギーの頻度分布、積算分布が作成される(ステップS40)。   Next, in the analysis unit 22, from the analysis result of the finite element analysis, each of the mother phase interface part, the mother phase non-interface part (in the mother phase), the dispersed phase interface part, and the dispersed phase non-interface part (in the dispersed phase) A frequency distribution and a cumulative distribution of principal strain, principal stress and strain energy of the finite element group belonging to the part are created (step S40).

なお、各有限要素が母相または分散相のいずれに属しているかは、すでに有限要素モデルの作成時点で既知であるので、その判定は不要であるが、母相界面部分および分散相界面部分については判定が必要であり、判定が行われる。
図6(a)〜(e)は、3次元形状の各各有限要素が属する相を判定する例を示す説明図である。ある注目要素Pが界面部であるか非界面部であるかは、例えば、判定対象である注目要素Pの隣接する近傍における要素群、(以下近傍要素群と略称)に、一つでも注目要素Pと相が異なる有限要素が存在すれば、注目要素Pは界面部に属すると判定される。
例えば、図6(a)では、注目要素Pは母相(灰色領域)であり、近傍要素群もすべて母相(灰色領域)である。この場合には、注目要素Pは母相、すなわち非界面部に属すると判断れる。一方、図6(b)では、注目要素Pの近傍要素群の中に、1要素だけ相(灰色領域)が含まれ、残りはすべて分散相(白色領域)の有限要素である。したがって、この場合には、注目要素Pは界面部に属すると判定される。
Note that whether each finite element belongs to the parent phase or the dispersed phase is already known at the time of creation of the finite element model, so that determination is not necessary. Needs to be determined and is determined.
FIGS. 6A to 6E are explanatory diagrams illustrating an example of determining a phase to which each finite element having a three-dimensional shape belongs. Whether a given element P is an interface part or a non-interface part is determined by, for example, one element of interest in an adjacent element group (hereinafter abbreviated as a neighboring element group) of the element of interest P to be determined. If there is a finite element having a phase different from P, the target element P is determined to belong to the interface.
For example, in FIG. 6A, the element of attention P is the mother phase (gray region), and all neighboring elements are also the mother phase (gray region). In this case, the target element P is determined to belong to the parent phase, that is, the non-interface portion. On the other hand, in FIG. 6B, only one element of the parent phase (gray region) is included in the neighborhood element group of the target element P, and the rest are all finite elements of the dispersed phase (white region). Therefore, in this case, it is determined that the target element P belongs to the interface portion.

ここで、近傍要素群中の相が異なる有限要素の数や近傍要素群の設定によって、界面部に属するか否かの判定基準を調整することができる。例えば、注目要素Pに対して近傍要素群を6近傍連結、18近傍連結、26近傍連結のいずれにするかという設定により、界面部に属するか否かは変化する。6近傍連結とは、図6(c)に示すように、注目要素Pに隣接する要素のうち6要素を近傍要素群とする連結方式である。8近傍連結とは、図6(d)に示すように、注目要素Pに隣接する要素のうち18要素を近傍要素とする連結方式であり、26近傍連結とは、図6(e)に示すように、注目要素Pに隣接する要素のうち26要素を近傍要素とする連結方式である。   Here, it is possible to adjust the criterion for determining whether or not it belongs to the interface by the number of finite elements having different phases in the neighboring element group and the setting of the neighboring element group. For example, whether or not it belongs to the interface portion changes depending on the setting of whether the neighborhood element group is 6 neighborhood connection, 18 neighborhood connection, or 26 neighborhood connection for the target element P. As shown in FIG. 6C, the 6-neighbor connection is a connection method in which 6 elements among elements adjacent to the target element P are used as a neighborhood element group. As shown in FIG. 6D, the 8-neighbor connection is a connection method in which 18 elements among the elements adjacent to the element of interest P are neighboring elements. The 26-neighbor connection is shown in FIG. 6E. As described above, this is a connection method in which 26 of the elements adjacent to the element of interest P are neighboring elements.

図7(a)は、母相界面部分と母相非界面部分との論理和、および分散相界面部分と分散相非界面部分との論理和を求めて、母相全体と分散相全体とにおける主ひずみの頻度分布を示した図である。図7(a)では、主ひずみの分布範囲が広いので、対数表示で表している。
なお、有限要素解析を複数のゴム部材モデルに対して実行した場合には、複数のゴム部材モデルについて比較をすることができる。なお、このモデルは、異なる種類の材料が用いられたゴム部材のモデルでもよく、同種類の材料が用いられ、分散相と母相の微視的構造が異なるように再現したゴム部材のモデルであってもよい。前者では、異なる材料間における力学挙動の差異を明確にすることができ、後者では、材料の微視的構造の差異による力学挙動の差異を明確にすることができる。
FIG. 7A shows the logical sum of the mother phase interface portion and the mother phase non-interface portion, and the logical sum of the dispersed phase interface portion and the dispersed phase non-interface portion. It is the figure which showed the frequency distribution of the main strain. In FIG. 7A, since the distribution range of the main strain is wide, the logarithmic display is used.
In addition, when a finite element analysis is performed with respect to several rubber member models, it can compare about several rubber member models. This model may be a model of a rubber member using different types of materials, or a model of a rubber member using the same type of material and reproducing so that the microscopic structure of the dispersed phase and the parent phase are different. There may be. In the former, a difference in mechanical behavior between different materials can be clarified, and in the latter, a difference in mechanical behavior due to a difference in microscopic structure of the material can be clarified.

積算分布は、下記式(1)から求められる。ここで、ρは頻度分布関数であり、図7(a)に示す曲線を表す関数である。また、Xは、主ひずみ、主応力あるいはひずみエネルギー等の力学挙動に関するパラメータの値であり、Xmaxはこのパラメータのとり得る最大値を、Xminはこのパラメータのとり得る最小値を表す。図7(b)は、式(1)から求めた主応力の積算分布の一例を示す図である。図7(b)中、「No.1」、「No.2」、「No.3」はモデルの識別番号を示す。 The integrated distribution is obtained from the following equation (1). Here, ρ is a frequency distribution function, which is a function representing the curve shown in FIG. X is a value of a parameter relating to mechanical behavior such as principal strain, principal stress, or strain energy, X max represents a maximum value that can be taken by this parameter, and X min represents a minimum value that can be taken by this parameter. FIG.7 (b) is a figure which shows an example of the cumulative distribution of the main stress calculated | required from Formula (1). In FIG. 7B, “No. 1”, “No. 2”, and “No. 3” indicate model identification numbers.

Figure 0004547941
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次に、解析部22において、作成された頻度分布または積算分布から力学挙動が評価される(ステップS50)。
例えば、複数のモデルにおける力学挙動を比較評価する場合、主ひずみ、主応力、ひずみエネルギーの値が大きい有限要素を多く含んでいるものほど、全体としてゴム部材として強度が低いと考えることができる。したがって、力学挙動の評価においては、上記頻度分布から、主ひずみ、主応力、ひずみエネルギーの値が大きい有限要素要素数で評価される。値の大きい有限要素数の判定には、図7(a)に示す頻度分布全体ではなく、図7(b)に示す分布のうち、値が大きい裾の領域で判定するが、より判定をしやすくするために、式(1)から求めた積算分布Q(X)を用いて力学挙動を評価するのが好ましい。
Next, in the analysis part 22, a dynamic behavior is evaluated from the created frequency distribution or integrated distribution (step S50).
For example, when comparatively evaluating the mechanical behavior in a plurality of models, it can be considered that the strength of the rubber member as a whole is lower as the number of finite elements having larger values of principal strain, principal stress, and strain energy is larger. Therefore, in the evaluation of the mechanical behavior, the number of finite element elements having large values of principal strain, principal stress, and strain energy is evaluated from the frequency distribution. For the determination of the number of finite elements having a large value, the determination is made not in the entire frequency distribution shown in FIG. 7A but in the skirt region where the value is large in the distribution shown in FIG. 7B. In order to facilitate, it is preferable to evaluate the dynamic behavior using the integrated distribution Q (X) obtained from the equation (1).

図7(b)に示す例の場合、主応力の値が大きい有限要素を多く含むモデルは、No.1であり、主応力の値が大きい有限要素数が少ないモデルはNo.3である。すなわち、この3種類のモデルのうちNo.1のモデルが耐久性が最も低く、No.3のモデルの耐久性が最も高いと評価できる。このように、頻度分布から求めた主ひずみ、主応力、ひずみエネルギーに対する各有限要素の積算分布によれば、ゴム部材の力学挙動を容易に評価できる。   In the case of the example shown in FIG. 7B, a model including many finite elements having a large principal stress value is No. 1 is a model with a large principal stress value and a small number of finite elements. 3. That is, no. No. 1 model has the lowest durability. It can be evaluated that the durability of model 3 is the highest. Thus, according to the cumulative distribution of each finite element with respect to the main strain, main stress, and strain energy obtained from the frequency distribution, the mechanical behavior of the rubber member can be easily evaluated.

次に、他に必要な解析があれば(ステップS60;Yes)、単軸引張解析、圧縮解析、せん断解析の中で実行していない解析が実行され(ステップS70)、主ひずみや主応力等の頻度分布あるいはこれらの積算分布が作成され(ステップS80)、これらの分布により力学挙動が評価され、評価結果がディスプレイ16やプリンタ18に出力されて、すべての工程が終了する。
他に必要な解析がなければ(ステップS60;No)、すべての工程が終了する。
Next, if there is any other necessary analysis (step S60; Yes), an analysis not executed in the uniaxial tensile analysis, compression analysis, or shear analysis is executed (step S70), and the main strain, main stress, etc. Frequency distributions or their integrated distributions are created (step S80), the dynamic behavior is evaluated based on these distributions, the evaluation results are output to the display 16 and the printer 18, and all the processes are completed.
If there is no other necessary analysis (step S60; No), all the processes are completed.

このようなモデルの作成および有限要素解析は、コンピュータプログラムを実行することによって実現してもよい。この場合、コンピュータプログラムは、例えば、互いに直交する3方向に隣接して配列された同一の大きさの複数の3次元有限要素を有して、ゴム部材の立体形状を再現した形状モデルの各有限要素を、有限要素単位で少なくとも母相部分と分散相部分に振り分けることによってゴム部材の微視的構造を再現した複合材モデルを生成する処理をコンピュータのCPU10aに実行させるとともにRAM10cに記憶させる手順と、生成された複合材モデルをRAM10cから呼び出して、力学特性の有限要素解析をCPU10aに行わせる手順とを有する。   Such model creation and finite element analysis may be realized by executing a computer program. In this case, for example, the computer program has a plurality of three-dimensional finite elements of the same size arranged adjacent to each other in three directions orthogonal to each other, and each finite model of the shape model reproducing the three-dimensional shape of the rubber member. A procedure for causing the CPU 10a of the computer to execute a process of generating a composite material model that reproduces the microscopic structure of the rubber member by distributing the elements into at least a matrix phase portion and a dispersed phase portion in units of finite elements, and storing the RAM 10c And a procedure for calling the generated composite material model from the RAM 10c and causing the CPU 10a to perform a finite element analysis of mechanical characteristics.

以上が図2に示すタイヤ用ゴム部材の力学特性シミュレーション方法の説明である。
本発明は、図2に示すフローの他に、図8に示すフローに沿ってシミュレーションを行うこともできる。
図8は、タイヤ用ゴム部材の力学特性シミュレーション方法の要部のフローを示すフローチャートである。図8に示すフローでは、図2に示すステップS20およびS30の替わりに、ステップS21、S22およびS23を用いる。
The above is the description of the method for simulating the mechanical characteristics of the tire rubber member shown in FIG.
In addition to the flow shown in FIG. 2, the present invention can perform a simulation along the flow shown in FIG.
FIG. 8 is a flowchart showing the flow of the main part of the method for simulating the mechanical properties of the rubber member for tire. In the flow shown in FIG. 8, steps S21, S22, and S23 are used instead of steps S20 and S30 shown in FIG.

まず、解析対象とするゴム部材が定められ、微視的画像を基に3次元有限要素モデルが作成され、材料定数が仮設定される(ステップS21)。仮設定される値は、例えば分散相として用いられる既存の材料の公知の値である。
次に、作成された3次元有限要素モデルを用いて、単軸引張り解析、単軸圧縮解析およびせん断解析のいずれか1つが行われる。例えば、所定のひずみを複合材料に与えた場合における有限要素解析は、3次元有限要素モデルのゴム部材モデルの引張り面に一様に変位を与えて所定の引張ひずみを与えて行われる。
有限要素解析における解析は、後述するように、解析対象とするゴム部材について試験結果の得られている試験に準じた解析が選択される。例えば、ゴム部材の単軸引張り試験の試験結果を得ている場合、単軸引張り解析が行われる(ステップS22)。
First, a rubber member to be analyzed is determined, a three-dimensional finite element model is created based on a microscopic image, and material constants are provisionally set (step S21). The temporarily set value is, for example, a known value of an existing material used as a dispersed phase.
Next, any one of uniaxial tension analysis, uniaxial compression analysis, and shear analysis is performed using the created three-dimensional finite element model. For example, the finite element analysis when a predetermined strain is applied to the composite material is performed by applying a predetermined tensile strain by uniformly displacing the tensile surface of the rubber member model of the three-dimensional finite element model.
As will be described later, the analysis in the finite element analysis is selected according to the test in which the test result is obtained for the rubber member to be analyzed. For example, when the test result of the uniaxial tensile test of the rubber member is obtained, uniaxial tensile analysis is performed (step S22).

次に、解析結果が試験結果と許容範囲内で一致するか否かが判定され(ステップS23)、一致しないと判定された場合(ステップS23;No)、ステップS21に戻り、再度材料定数の仮設定が行われ、有限要素解析が行われる。このようにして、解析結果が試験結果と許容範囲内で一致する(ステップS23;Yes)まで、材料定数の仮設定および有限要素解析が繰り返される。
こうして、図2に示されるステップ40に進み、以降、ステップS40〜S90と同様の工程が実行される。
Next, it is determined whether or not the analysis result matches the test result within an allowable range (step S23). If it is determined that the analysis result does not match (step S23; No), the process returns to step S21, and the temporary material constant is set again. Settings are made and finite element analysis is performed. In this way, the temporary setting of material constants and the finite element analysis are repeated until the analysis result matches the test result within an allowable range (step S23; Yes).
Thus, the process proceeds to step 40 shown in FIG. 2, and thereafter, the same processes as steps S40 to S90 are executed.

なお、上記フローでは、仮設定される材料定数の他に、Neo-Hookean、Mooney-Rivlin、Ogden、Polynominal、Reduced Polynominal、Yeoh、Van Der Waals、Arruda-Boyce、Marlow等の材料特性を仮設定の対象に含めてもよい。また、加硫ゴムで観察されるような、変形とともに応力が軟化するMullins効果を含めてもよい。   In the above flow, material properties such as Neo-Hookean, Mooney-Rivlin, Ogden, Polynominal, Reduced Polynominal, Yeoh, Van Der Waals, Arruda-Boyce, Marlow, etc. are temporarily set in addition to the temporarily set material constants. You may include in object. Moreover, you may include the Mullins effect which stress is softened with a deformation | transformation which is observed with vulcanized rubber.

また、本発明は、図9に示すフローチャートに沿ってシミュレーションを行うこともできる。
図9に示すフローチャートは、撮影された画像から分散相の不均一性を示すヒストグラムを作成し、このヒストグラムを用いて、分散相と母相の微視的構造を定めて、有限要素モデルの各有限要素を少なくとも分散相部分および母相部分に振り分けて、3次元有限要素モデルを作成し、力学挙動のシミュレーションをする方法を示す。
Further, the present invention can also perform a simulation along the flowchart shown in FIG.
The flowchart shown in FIG. 9 creates a histogram showing the non-uniformity of the dispersed phase from the photographed image, and uses this histogram to determine the microscopic structure of the dispersed phase and the parent phase. A method for creating a three-dimensional finite element model by allocating finite elements to at least a dispersed phase portion and a parent phase portion and simulating dynamic behavior will be described.

まず、図2に示すフローと同様に、複合材であるゴム部材の試験片の微視的画像が供給されて取得される(ステップS10)。微視的画像は、ポリマー材料からなる母相にカーボンやシリカ等の粒子からなる分散相が3次元状に分散したゴム部材の画像である。この画像は、例えばTEM(透過電子顕微鏡)トモグラフィーにより撮られた3次元画像であってもよいし、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)や走査プローブ顕微鏡(SPM)等を用いて撮られた2次元画像であってもよい。取得された画像は所定の画像処理が施される。画像処理については、図2に示すステップS10と同じ処理であるので説明は省略する。 First, as in the flows shown in FIG. 2, the microscopic image of the specimen of the rubber member is a composite material is obtained is supplied (step S10). The microscopic image is an image of a rubber member in which a dispersed phase composed of particles such as carbon and silica is dispersed three-dimensionally in a matrix phase composed of a polymer material. This image may be, for example, a three-dimensional image taken by TEM (Transmission Electron Microscope) tomography, a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), a scanning probe microscope (SPM), or the like. It may be a two-dimensional image taken using. The acquired image is subjected to predetermined image processing. The image processing is the same as step S10 shown in FIG.

次に、微視的画像から、球、円形近似画像が作成される(ステップS11)。微視的画像が3次元画像の場合、球近似画像が、2次元画像の場合、円形近似画像が作成される。
図10(a)は、撮影された2次元微視的画像の一例である。この画像は、分散がシリカからなる分散微粒子の粒子群のSEM観察像であり、白黒反転処理が施されている。この画像に上述した各種画像処理が施され、画像処理後の微視的画像に基づいて、分散相を構成する粒子を円形近似して図10(b)に示すような円形近似画像が作成される。
Next, a spherical and circular approximate image is created from the microscopic image (step S11). When the microscopic image is a three-dimensional image, when the spherical approximate image is a two-dimensional image, a circular approximate image is created.
FIG. 10A is an example of a captured two-dimensional microscopic image. This image is an SEM observation image of a group of dispersed fine particles whose dispersed phase is made of silica, and has been subjected to black and white reversal processing. The various image processing described above is performed on this image, and based on the microscopic image after the image processing, a circular approximate image as shown in FIG. The

次に、球、円形近似画像から重心点画像が作成される(ステップS12)。
重心点画像は、作成された球、円形近似画像中の各球または円の重心点(中心点)をプロットした画像である。図10(c)は、図10(b)に示す円形近似画像から作成される重心点画像の例を示している。
Next, a barycentric point image is created from the spherical and circular approximate images (step S12).
The center-of-gravity point image is an image in which the center of gravity (center point) of each sphere or circle in the created sphere, circular approximate image is plotted. FIG. 10C shows an example of a barycentric image created from the circular approximate image shown in FIG.

次に、重心点画像が均等分割される(ステップS13)。
均等分割は、2次元の重心点画像の場合、矩形形状の画像の縦方向および横方向に、それぞれn個、m個の均等分割数(n,mは自然数)で行い、n×mの分割領域が作成される。この均等分割は、後述するように繰り返し行われ、繰り返される度に均等分割数が増大して均等分割される。
こうして分割された分割領域に含まれる重心点の数が計数され、横軸を重心点の数を分割領域のサイズで割った重心点の密度とし、縦軸を分割領域の数とし、分割領域の頻度分布を表すヒストグラムが作成される(ステップS14)。このヒストグラムは分散相の不均一性の程度を示すグラフであることから、不均一性ヒストグラムといえる。
Next, the barycentric point image is equally divided (step S13).
In the case of a two-dimensional center-of-gravity point image, equal division is performed with n and m equal division numbers (n and m are natural numbers) in the vertical and horizontal directions of a rectangular image, respectively, and an n × m division is performed. A region is created. This equal division is repeated as will be described later, and the number of equal divisions is increased and divided equally each time it is repeated.
The number of barycentric points included in the divided areas thus divided is counted, the horizontal axis is the density of barycentric points obtained by dividing the number of barycentric points by the size of the dividing area, the vertical axis is the number of dividing areas, and A histogram representing the frequency distribution is created (step S14). Since this histogram is a graph showing the degree of non-uniformity of the dispersed phase, it can be said to be a non-uniformity histogram.

次に、この不均一性ヒストグラムにおいて、重心点の密度が0となる分割領域が1つでも存在するか否かが判定される(ステップS15)。重心点の密度が0となる分割領域がない場合、ステップS13に戻り、均等分割数が大きく設定される。例えば、均等分割数が2倍増える。すなわち、均等分割数が縦方向3、横方向4の場合、縦方向6、横方向8とされる。
このようにして、重心点の密度が0となる分割領域が1つ存在するまで、ステップS13〜S15が繰り返され、最終的に、不均一性ヒストグラムが決定される(ステップS16)。
Next, in this non-uniformity histogram, it is determined whether or not there is even one divided area where the density of the center of gravity is 0 (step S15). If there is no divided area where the density of the center of gravity is 0, the process returns to step S13, and the equal number of divisions is set large. For example, the number of even divisions increases by a factor of two. That is, when the number of equal divisions is 3 in the vertical direction and 4 in the horizontal direction, the vertical direction 6 and the horizontal direction 8 are set.
In this way, steps S13 to S15 are repeated until there is one divided region where the density of the center of gravity is 0, and finally a non-uniformity histogram is determined (step S16).

このように、重心点の密度が0となる分割領域が1つでも存在するまで、均等分割数を増大して分割領域を細分化するのは、分散相の密度分布が0となって不均一性を再現する領域のサイズを定めるためである。実際のゴム部材におけるシリカ等の微粒子によって構成される分散相および母相の微視的構造の形態は、微粒子の群が局所的に集中して分散相を形成する部分と、微粒子の群が全く存在せず母相を形成する部分がある。本実施形態では、このように分散が局所的に集中した形態で不均一性を有する微視的構造を再現するために、微視的構造における不均一性が観察できるサイズを分割領域によって定めようとするものである。そして、不均一性が観察される分割を行い、分散相の不均一の形態をヒストグラムで特定することで、分散相の不均一性を評価することができる。 As described above, until even one divided region where the density of the center of gravity is 0 exists, the number of uniform divisions is increased to subdivide the divided region because the density distribution of the dispersed phase becomes 0 and non-uniform. This is to determine the size of the region that reproduces the sex. In the actual rubber member, the form of the microscopic structure of the dispersed phase and the mother phase composed of fine particles such as silica is such that the group of fine particles is locally concentrated to form a dispersed phase, and the group of fine particles is completely There is a part that does not exist and forms a parent phase. In this embodiment, in order to reproduce a microscopic structure having non-uniformity in a form in which dispersed phases are locally concentrated in this way, the size at which the non-uniformity in the microscopic structure can be observed is determined by divided regions. It is about to try. Then, by performing the division in which the non-uniformity is observed and specifying the non-uniform form of the dispersed phase with the histogram, the non-uniformity of the dispersed phase can be evaluated.

図11(a)は、重心点画像を所定のサイズの分割領域に均等分割(1μmの均等分割)した状態を示し、図11(b)はその時の不均一性ヒストグラムである。図11(b)からわかるように、このときの重心点の密度0の分割領域の頻度は0である。したがって、図11(a)に示す均等分割では分散相の不均一性を評価できない。
図11(c)は、重心点画像を図11(a)の分割より細かい分割領域に均等分割(200nmの均等分割)した状態を示し、図11(d)はその時の不均一性ヒストグラムである。図11(d)からわかるように、このときの重心点の密度0の分割領域の頻度は略18%であり、図11(c)に示す均等分割で、分散相の不均一性を評価することが可能となる。
そこで、この不均一性を示す不均一性ヒストグラムの分布が決定され(ステップS16)、撮影された微視的画像における不均一の形態として定められる。そして、この不均一性ヒストグラムの分布およびこの時の均等分割数が、ゴム部材における分散相および母相の微視的構造を特徴付ける指標とされる。
なお、図10(a)〜(c)および図11は、撮像された画像が2次元微視的画像の場合であり、これに沿って説明したが、3次元微視的画像の場合、3次元微視的画像から球を用いて3次元球近似画像が作成され、この球の重心点位置が求められ、3次元の重心点画像が作成される。この後、ステップ13における均等分割が3方向に行われる。縦、横、奥行き方向にn×m個×l(n,m,lは自然数)の均等分割を行うことによって、図11(b),(d)と類似のヒストグラムが作成される。
FIG. 11A shows a state in which the barycentric point image is equally divided (1 μm equal division) into divided regions of a predetermined size, and FIG. 11B is a non-uniformity histogram at that time. As can be seen from FIG. 11 (b), the frequency of the center of gravity point division area at this time is zero. Therefore, the uniform division shown in FIG. 11A cannot evaluate the heterogeneity of the dispersed phase.
FIG. 11C shows a state in which the barycentric point image is equally divided (200 nm equal division) into smaller areas than the division of FIG. 11A, and FIG. 11D is a non-uniformity histogram at that time. . As can be seen from FIG. 11 (d), the frequency of the density area of the center of gravity at this time is approximately 18%, and the heterogeneity of the dispersed phase is evaluated by the equal division shown in FIG. 11 (c). It becomes possible.
Therefore, the distribution of the non-uniformity histogram indicating the non-uniformity is determined (step S16), and is defined as a non-uniform form in the photographed microscopic image. The distribution of the non-uniformity histogram and the number of equal divisions at this time are used as indexes characterizing the microscopic structure of the dispersed phase and the parent phase in the rubber member.
FIGS. 10A to 10C and FIG. 11 show the case where the captured image is a two-dimensional microscopic image, and it has been described along with this. However, in the case of a three-dimensional microscopic image, FIG. A three-dimensional spherical approximate image is created using a sphere from the three-dimensional microscopic image, the position of the center of gravity of the sphere is obtained, and a three-dimensional center of gravity image is created. Thereafter, the equal division in step 13 is performed in three directions. Histograms similar to those shown in FIGS. 11B and 11D are created by equally dividing n × m × l (n, m, and l are natural numbers) in the vertical, horizontal, and depth directions.

次に、決定された不均一性ヒストグラムを用いて、作成された3次元形状モデルの有限要素に対して、分散部分と母相部分の振り分けが行われる(ステップS17)。
具体的には、作成された不均一性ヒストグラムを実現するように複数の点が分散してプロットされた3次元点画像が作成され、この点を中心とした一定の半径の球を作成し、複数の球が分散して配置された立体像が形成される。
一方、ゴム部材を再現するために、同一の大きさの直方体形状を成した複数の6面体ソリッド要素を互いに直交する3方向に隣接して配列することによって構成された形状モデルが作成され、この形状モデルと、球が分散して配置された立体像とが1対1に対応付けられ、上記球に対応する位置にある有限要素が分散相部分に振り分けられ、それ以外の部分が母相部分に振り分けられる。なお、分散相部分および母相の他に、境界領域部分を含めて有限要素を振り分けてもよい。
具体的には、互いに直交する3方向に隣接して配列された同一の大きさの複数の直方体形状の六面体ソリッド要素によって構成されたゴム部材を再現した形状モデルにおいて、これらの六面体ソリッド要素の分散部分と母相部分の振り分けが行われる。
なお、振り分け後、分散相部分を取り巻くように境界領域部分を別途形成してもよい。この場合、境界領域部分の設定は、分散相部分に対して膨張するように膨張処理することにより、新たに分散相部分として形成された部分を境界領域部分として設定することができる。
Next, using the determined non-uniformity histogram, the dispersed phase portion and the parent phase portion are assigned to the finite element of the created three-dimensional shape model (step S17).
Specifically, a three-dimensional point image in which a plurality of points are distributed and plotted so as to realize the created non-uniformity histogram is created, and a sphere with a certain radius around this point is created, A three-dimensional image in which a plurality of spheres are dispersed and formed is formed.
On the other hand, in order to reproduce the rubber member, a shape model constituted by arranging a plurality of hexahedral solid elements having a rectangular parallelepiped shape of the same size adjacent to each other in three orthogonal directions is created. The shape model and the three-dimensional image in which the spheres are dispersed are associated one-to-one, the finite element at the position corresponding to the sphere is distributed to the dispersed phase part, and the other part is the parent phase part It is distributed to. In addition to the dispersed phase portion and the parent phase, finite elements may be distributed including the boundary region portion.
Specifically, in a shape model reproducing a rubber member made up of a plurality of rectangular parallelepiped hexahedral solid elements of the same size arranged adjacent to each other in three orthogonal directions, the dispersion of these hexahedral solid elements The phase part and the mother part are distributed.
Note that, after the distribution, a boundary region portion may be separately formed so as to surround the dispersed phase portion. In this case, the boundary region portion can be set as a boundary region portion by newly expanding the dispersed phase portion so as to expand.

なお、振り分けは、不均一性ヒストグラムを実現するように複数の点が分散してプロットされた3次元点画像に基づいて行われる。このような複数の点が分散してプロットされた3次元画像は、撮影画像を用いて蓄積された分散相部分と母相部分の多数の振り分けパターンと、このときの不均一性ヒストグラムとの対応付けを予め行った対応関係を利用して、作成することができる。   The sorting is performed based on a three-dimensional point image in which a plurality of points are distributed and plotted so as to realize a non-uniformity histogram. Such a three-dimensional image in which a plurality of points are distributed and plotted is a correspondence between a large number of distribution patterns of the dispersed phase portion and the parent phase portion accumulated using the captured image and the non-uniformity histogram at this time. It can be created by using the correspondence that has been applied in advance.

次に、材料定数が設定される(ステップS18)。
具体的には、振り分けられた分散相部分には、分散相の材料の種類に応じて定まる材料定数(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)が設定され、母相部分には、母相のゴム材料の種類に応じて定まる材料定数(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)が設定される。また、境界領域部分を形成した場合には、境界領域部分に対応した材料定数(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)が設定される。
こうして作成された3次元有限要素モデルであるゴム部材モデルは、図2に示すステップ30以降における有限要素解析の実行等の各処理に供される。
Next, a material constant is set (step S18).
Specifically, a material constant (Young's modulus, shear rigidity and Poisson's ratio) determined according to the type of material of the dispersed phase is set in the distributed phase portion, and the mother phase rubber is set in the mother phase portion. Material constants (Young's modulus, shear rigidity, and Poisson's ratio) determined according to the type of material are set. When the boundary region portion is formed, material constants (Young's modulus, shear rigidity, and Poisson's ratio) corresponding to the boundary region portion are set.
The rubber member model, which is a three-dimensional finite element model created in this way, is subjected to various processes such as execution of finite element analysis in step 30 and subsequent steps shown in FIG.

図9に示す方法では、撮影された画像から、一度、ゴム部材の微視的構造の不均一性を表す指標となる不均一性ヒストグラムにまとめた後、このヒストグラムを再現するようにゴム部材モデルの各有限要素に対して分散相と母相の振り分けが行われる。   In the method shown in FIG. 9, after a photographed image is once compiled into a non-uniformity histogram serving as an index representing the non-uniformity of the microscopic structure of the rubber member, the rubber member model is reproduced so that the histogram is reproduced. Distribution of the dispersed phase and the parent phase is performed for each finite element.

本発明は、図12に示すフローチャートに沿ってシミュレーションを行うこともできる。
図12は、図2に示すフローのうちステップ10、20の替わりに行うフローを示すフローチャートである。
具体的には、上述したゴム部材の微視的構造の不均一性の指標となる不均一性ヒストグラムがオペレータによって設定されると、この不均一性ヒストグラムを用いて微視的構造を再現する分散相部分および母相部分の振り分け方法を定めてゴム部材の有限要素モデルであるゴム部材モデルを作成する。ゴム部材モデル作成後の処理は、図2に示すステップS30以降と同様の処理であるため、その説明は省略する。
The present invention can also perform a simulation along the flowchart shown in FIG.
FIG. 12 is a flowchart showing a flow performed in place of steps 10 and 20 in the flow shown in FIG.
Specifically, when a non-uniformity histogram serving as an index of the non-uniformity of the microscopic structure of the rubber member described above is set by an operator, the variance that reproduces the microscopic structure using the non-uniformity histogram A rubber member model, which is a finite element model of a rubber member, is created by determining a method for distributing the phase portion and the parent phase portion. The processing after creating the rubber member model is the same processing as that after step S30 shown in FIG.

まず、ゴム部材の微視的構造の不均一性の指標となる不均一性ヒストグラムがオペレータによって設定される(ステップS1)。
例えば、図13(a)に示すような分布を持つ不均一性ヒストグラムが設定される。ここで不均一性ヒストグラムは、重心点の密度が0となる分割領域を有する。
このような不均一性ヒストグラムを有する3次元微視的構造を実現するために、3次元配置された直方体形状の複数の分割領域に対して、分散相を構成する分散粒子の重心を意味する重心点の配置が行われる。
First, a non-uniformity histogram serving as an index of non-uniformity of the microscopic structure of the rubber member is set by the operator (step S1).
For example, a non-uniformity histogram having a distribution as shown in FIG. Here, the non-uniformity histogram has a divided region in which the density of centroid points is zero.
In order to realize such a three-dimensional microscopic structure having a non-uniformity histogram, a centroid means the centroid of dispersed particles constituting a dispersed phase with respect to a plurality of three-dimensionally arranged rectangular parallelepiped divided regions. Point placement is performed.

まず、予め微視的画像によって蓄積された微視的構造の情報に基づいて各分割領域に対する重心点の配置方法が設定され、例えば図13(b)のように各分割領域に配置する重心点の数が決定される。図13(b)では、配置する重心点の数の2次元配置の例を示している。
そして、この重心点の数に基づいて、3次元に配列された各分割領域内における重心点の配置がランダム配置によって行われる。その際、重心点の数が所定の数より小さい場合、分割領域の一部分である局所領域に限定して重心点のランダム配置が実行される。この局所領域は、一定の大きさの候補領域の中からランダムに選択されたものである。したがって、重心点の数が上記所定の数より小さい場合、局所領域が一つ設定されて、この局所領域の中で重心点のランダム配置が行われる。図14(a)〜(d)には、局所領域によるランダム配置の例が示されている。なお、図14(a)〜(d)の例は、わかり易く説明するために、2次元分割領域を用いて説明している。図14(a)は分割領域の下半分の領域を局所領域としてランダム配置したものであり、図14(b)は分割領域の右半分の領域を局所領域としてランダム配置したものであり、同様に、図14(c),14(d)は分割領域の上半分、左半分の領域を局所領域としてランダム配置した例である。図14(a)〜(d)は、わかり易く説明するために2次元分割領域においてこの半分の局所領域を、重心点のランダム配置を行う領域として選択する場合の選択方法を示したものであるが、3次元分割領域において類似のランダム配置の処理を行う場合、6つの局所領域が選択の対象となる。
図13(c)は、このようにして図13(b)に示す分割領域の重心点の数に基づいて
配置された重心点のランダム配置を行った結果を示している。
First, a centroid placement method for each divided region is set based on information on the microscopic structure accumulated in advance by a microscopic image. For example, the centroid point placed in each divided region as shown in FIG. Is determined. FIG. 13B shows an example of a two-dimensional arrangement of the number of barycentric points to be arranged.
Based on the number of barycentric points, the barycentric points are arranged in a random arrangement in each of the three-dimensionally arranged divided regions. At this time, if the number of barycentric points is smaller than a predetermined number, random arrangement of barycentric points is executed only in a local area that is a part of the divided area. This local region is randomly selected from candidate regions of a certain size. Therefore, when the number of centroid points is smaller than the predetermined number, one local region is set, and centroid points are randomly arranged in the local region. 14 (a) to 14 (d) show examples of random arrangement by local regions. Note that the examples of FIGS. 14A to 14D are described using two-dimensional divided regions for easy understanding. FIG. 14A shows a random arrangement of the lower half area of the divided area as a local area, and FIG. 14B shows a random arrangement of the right half area of the divided area as a local area. FIGS. 14C and 14D are examples in which the upper half and the left half of the divided areas are randomly arranged as local areas. FIGS. 14A to 14D show a selection method in the case of selecting this half local region as a region where random placement of barycentric points is performed in a two-dimensional divided region for easy understanding. When similar random arrangement processing is performed in the three-dimensional divided region, six local regions are selected.
FIG. 13C shows the result of the random arrangement of the centroid points arranged based on the number of centroid points in the divided area shown in FIG.

次に、3次元有限要素モデルにおける分散相部分と母相部分の振り分けが行われる(ステップS2)。
具体的には、上記重心点を中心とした一定の半径の球が分散して配置された立体像が形成される。図13(d)は、図13(c)に示す重心点を中心に形成した球の2次元画像を示している。図13(d)では2次元表示であるため、球が円となっている。
一方、ゴム部材を再現するために、同一の大きさの直方体形状を成した複数の6面体ソリッド要素を互いに直交する3方向に隣接して配列することによって構成された形状モデルが作成され、この形状モデルと、球が分散して配置された立体像とが1対1に対応付けられ、上記球の内部に対応する位置にある有限要素が分散相部分に振り分けられ、それ以外の部分が母相部分に振り分けられる。なお、分散相部分および母相の他に、境界領域部分を含めて有限要素を振り分けてもよい。
Next, the distributed phase portion and the parent phase portion in the three-dimensional finite element model are sorted (step S2).
Specifically, a three-dimensional image is formed in which spheres with a certain radius centered on the center of gravity are dispersedly arranged. FIG. 13D shows a two-dimensional image of a sphere formed around the center of gravity shown in FIG. In FIG. 13D, since the display is two-dimensional, the sphere is a circle.
On the other hand, in order to reproduce the rubber member, a shape model constituted by arranging a plurality of hexahedral solid elements having a rectangular parallelepiped shape of the same size adjacent to each other in three orthogonal directions is created. The shape model and the three-dimensional image in which the spheres are dispersed are associated one-to-one, the finite element at the position corresponding to the inside of the sphere is assigned to the dispersed phase part, and the other part is the mother Sorted into phase parts. In addition to the dispersed phase portion and the parent phase, finite elements may be distributed including the boundary region portion.

次に、材料定数が設定される(ステップS3)。
具体的には、振り分けられた分散相部分には、分散相の材料の種類に応じて定まる材料定数(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)が設定され、母相部分には、母相のゴム材料の種類に応じて定まる材料定数(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)が設定される。また、境界領域部分を形成した場合には、境界領域部分に対応した材料定数(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)が設定される。
こうして作成された3次元有限要素モデルであるゴム部材モデルは、図2に示すステップ30以降における有限要素解析の実行等の各処理に供される。
Next, a material constant is set (step S3).
Specifically, a material constant (Young's modulus, shear rigidity and Poisson's ratio) determined according to the type of material of the dispersed phase is set in the distributed phase portion, and the mother phase rubber is set in the mother phase portion. Material constants (Young's modulus, shear rigidity, and Poisson's ratio) determined according to the type of material are set. When the boundary region portion is formed, material constants (Young's modulus, shear rigidity, and Poisson's ratio) corresponding to the boundary region portion are set.
The rubber member model, which is a three-dimensional finite element model created in this way, is subjected to various processes such as execution of finite element analysis in step 30 and subsequent steps shown in FIG.

図12に示すフローでは、重心点の数が所定の数より少ない場合、重心点の配置を分割領域の一部分である局所領域に限定して配置するので、分散が局所的に集中した構成で不均一性を有する微視的構造を持つ実際の分散形態を再現することができる。図15は、重心点を一様にランダム配置した時の、図13(d)に対応して作成される像である。図15に示す分散形態では、分散が均一なランダム分散となって、分散が局所的に集中した実際の分散形態と異なっている。 In the flow shown in FIG. 12, when the number of centroid points is smaller than a predetermined number, the arrangement of the centroid points is limited to the local area that is a part of the divided area, so that the dispersed phase is locally concentrated. It is possible to reproduce an actual dispersion form having a microscopic structure with non-uniformity. FIG. 15 is an image created corresponding to FIG. 13D when the centroid points are uniformly arranged at random. The dispersion form shown in FIG. 15 is different from the actual dispersion form in which the dispersion is a uniform random dispersion and the dispersed phases are locally concentrated.

このように、図12に示す方法では、所望の不均一性ヒストグラムを設定することで、このヒストグラムを実現する分散相と母相の微視的構造を持つゴム部材モデルを作成することができる。
なお、上記実施形態では、ゴム部材を再現しようとする複合材としたが、本発明では、ゴム部材に限定されず、分散相と母相を有する複合材であれば、特に制限されない。
As described above, in the method shown in FIG. 12, by setting a desired non-uniformity histogram, it is possible to create a rubber member model having a microscopic structure of a dispersed phase and a parent phase that realizes this histogram.
In the above embodiment, the rubber material is a composite material to be reproduced. However, the present invention is not limited to the rubber member and is not particularly limited as long as it is a composite material having a dispersed phase and a matrix phase.

上記複合材の力学特性シミュレーション方法は、さらに、複合材が組み合わされて構成された構造体の中で、複合材がどのような力学挙動を行うか、シミュレーションすることができる。例えば、タイヤ中のベルトコーティングゴム部材等の補強材をコーティングするコーティングゴム部材が、タイヤの中でどのような力学挙動を行うかシミュレーションし、またトレッドゴム部材、サイドゴム部材、ビードフィラーゴム部材あるいはライナーゴム部材等のゴム部材が、タイヤの中でどのような力学挙動を行うか、シミュレーションすることができる。
このシミュレーション演算は、図1(a)に示す装置10を用いて実行することができる。
The above-mentioned method for simulating the mechanical properties of a composite material can further simulate what kind of mechanical behavior the composite material performs in a structure formed by combining the composite materials. For example, it simulates what kind of mechanical behavior a coating rubber member that coats a reinforcing material such as a belt coating rubber member in a tire performs in a tire, and also tread rubber member, side rubber member, bead filler rubber member or liner It is possible to simulate what kind of mechanical behavior a rubber member such as a rubber member performs in a tire.
This simulation calculation can be executed using the apparatus 10 shown in FIG.

図16は、図1(a)に示す装置10を装置100として機能的に示したブロック図である。
装置100は、キーボード112、マウス114の操作系によって指示入力された内容に応じて、有限要素法におけるモデルを作成するモデル作成部120と、作成されたモデルを用いて有限要素解析を行う解析部122と、解析結果を記憶保持するメモリ124とを形成する。
FIG. 16 is a block diagram functionally showing the device 10 shown in FIG.
The apparatus 100 includes a model creation unit 120 that creates a model in the finite element method according to contents input by the operation system of the keyboard 112 and the mouse 114, and an analysis unit that performs finite element analysis using the created model. 122 and a memory 124 for storing and holding the analysis result are formed.

具体的には、モデル作成部120は、タイヤ全体モデルや、線材モデルおよび母材モデルを有限要素によって作成し、また、母相と分散相とを有する複合材の微視的構造を再現した上述したような複合材モデルを作成する部分である。複合材モデルは、上述したように、互いに直交する3方向に隣接して配列された同一の大きさの複数の3次元有限要素を有して複合材の立体形状を再現した形状モデルの各有限要素を、有限要素単位で少なくとも母相部分と分散相部分に振り分けることによって複合材の微視的構造を再現した有限要素モデルである。
解析部122は、生成された各種モデルを用いて力学特性の有限要素解析を行い、解析結果を処理して各種分布を求め、ディスプレイ116やプリンタ118に供給して出力する。
装置100は以上のように構成される。
以降、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法について説明しつつ、上記各部分の機能を説明する。
Specifically, the model creation unit 120 creates a tire overall model, a wire rod model, and a base material model using finite elements, and reproduces the microscopic structure of a composite material having a parent phase and a dispersed phase. This is the part for creating a composite material model. As described above, the composite material model has a plurality of three-dimensional finite elements of the same size arranged adjacent to each other in three directions orthogonal to each other, and each finite shape model that reproduces the three-dimensional shape of the composite material. This is a finite element model that reproduces the microscopic structure of a composite material by assigning elements to at least a parent phase portion and a dispersed phase portion in finite element units.
The analysis unit 122 performs finite element analysis of the mechanical characteristics using the generated various models, processes the analysis results to obtain various distributions, supplies them to the display 116 and the printer 118, and outputs them.
The apparatus 100 is configured as described above.
Hereinafter, the function of each of the above parts will be described while explaining the method for simulating the mechanical properties of the composite material of the present invention.

図17は、このような装置100で実行されるタイヤの力学特性シミュレーション方法のフローを示したフローチャートである。   FIG. 17 is a flowchart showing a flow of a tire dynamic characteristic simulation method executed by such an apparatus 100.

図17に示すフローでは、まず、有限要素モデルであるタイヤ全体モデルの作成が行われる(ステップS200)。
ここで、トレッド、サイドおよびビードフィラーのようなゴム部材で構成された部分と、ベルト、カーカスおよびビード等の線材とこの線材を取り巻くゴム部材からなる複合材である補強材の部分とを、ソリッド要素で離散化することで、タイヤ全体モデルが作成される。すなわち、補強材の部分のモデルは、補強材中の線材とこの線材の周りを取り囲むゴム材とを区別することなく均一な1つの補強材としてソリッド要素で離散化される。あるいは、シェル要素やメンブレン(膜)要素で離散化されてもよい。
In the flow shown in FIG. 17, first, a tire overall model that is a finite element model is created (step S200).
Here, a portion composed of a rubber member such as a tread, a side and a bead filler, and a portion of a reinforcing material which is a composite material composed of a wire member such as a belt, a carcass and a bead and a rubber member surrounding the wire member are solidified. The whole tire model is created by discretizing the elements. That is, the model of the portion of the reinforcing material is discretized with solid elements as one uniform reinforcing material without distinguishing between the wire in the reinforcing material and the rubber material surrounding the wire. Alternatively, it may be discretized by shell elements or membrane elements.

図18(a)には、作成されたタイヤ全体モデルの一例の部分斜視図が示され、図18(b)にはタイヤ全体モデル30の部分断面図が示されている。なお、図18(a),(b)で示すタイヤモデルは、トラック・バス用タイヤのモデルである。
図18(a)から示されるように、タイヤ全体モデル30は、3次元モデルであり、タイヤ周方向に不等間隔でメッシュ分割されている。これは、後述するように、路面と接地する部分を細かく分割することで、タイヤ全体モデル30を用いた有限要素解析を精度高く行うためである。なお、本発明においては、タイヤ周方向に等間隔でメッシュ分割されたものであってもよい。
FIG. 18A shows a partial perspective view of an example of the created tire overall model, and FIG. 18B shows a partial cross-sectional view of the tire overall model 30. The tire models shown in FIGS. 18A and 18B are truck / bus tire models.
As shown in FIG. 18A, the entire tire model 30 is a three-dimensional model, and is mesh-divided at unequal intervals in the tire circumferential direction. This is because, as will be described later, the finite element analysis using the entire tire model 30 is performed with high accuracy by finely dividing the portion that contacts the road surface. In the present invention, the mesh may be divided at equal intervals in the tire circumferential direction.

図18(b)に示すように、本発明における複合材モデルであるカーカスモデル32は、線材とこの線材の周りを取り囲むゴム材とを区別することなく均一な1つの補強材としてソリッド要素で離散化されている。なお、ソリッド要素は、例えば四面体ソリッド要素、五面体ソリッド要素あるいは六面体ソリッド要素である。   As shown in FIG. 18 (b), the carcass model 32, which is a composite material model in the present invention, is a discrete discrete solid element as a uniform reinforcing material without distinguishing between a wire and a rubber material surrounding the wire. It has become. The solid element is, for example, a tetrahedral solid element, a pentahedral solid element, or a hexahedral solid element.

なお、図18(a),(b)の例では、3次元ソリッド要素を用いるものであるが、図18(b)に示すような断面形状において2次元メッシュ分割した2次元モデルを用い、有限要素解析を行う際に3次元の解析を行うように処理を行うものであってもよい。この場合ソリッド要素は、三角形ソリッド要素あるいは四角形ソリッド要素が用いられる。   In the examples of FIGS. 18A and 18B, a three-dimensional solid element is used. However, a two-dimensional model obtained by dividing a two-dimensional mesh in a cross-sectional shape as shown in FIG. Processing may be performed so as to perform three-dimensional analysis when performing element analysis. In this case, a triangular solid element or a rectangular solid element is used as the solid element.

さらに、ベルト、カーカスおよびビード等の線材を含む補強材は、線材とゴム部材とを区別することなく均一な部材とした等価パラメータで補強材の材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)を表して、補強材の材料パラメータとする。ここで等価パラメータは、一定の間隔で母材中に線材が埋設されている複合材における剛性定数(ヤング率、剪断剛性)およびポアソン比を古典積層理論を用いて算出したものである。したがって、補強材の材料パラメータは、線材の打ち込み数や角度、線材の厚さ方向の配置位置、線材の剛性、ゴム材の剛性等によって決定される。
作成されたタイヤ全体モデルにおけるモデル情報に、補強材の材料パラメータの材料情報が付加されて、電子ファイルとしてメモリ124に記憶されるとともに、解析部122に送られる。
Furthermore, the reinforcing material including the wire material such as the belt, the carcass, and the bead has the same material parameters (Young's modulus, shear rigidity and Poisson's ratio) as uniform members without distinguishing the wire material from the rubber member. This is expressed as a material parameter of the reinforcing material. Here, the equivalent parameter is a value obtained by calculating the stiffness constant (Young's modulus, shear stiffness) and Poisson's ratio of a composite material in which a wire is embedded in a base material at regular intervals using classical lamination theory. Accordingly, the material parameter of the reinforcing material is determined by the number and angle of the wire driven, the arrangement position in the thickness direction of the wire, the rigidity of the wire, the rigidity of the rubber material, and the like.
The material information of the material parameter of the reinforcing material is added to the model information in the created overall tire model, stored as an electronic file in the memory 124, and sent to the analysis unit 122.

次に、有限要素解析1が行われる(ステップS201)。
有限要素解析1では、内圧充填処理と荷重負荷処理を行う。
具体的には、タイヤ全体モデル30を、予め作成されている剛平面である路面モデル側に移動しつつ、タイヤがリム組みされて内圧充填が行われるのを再現するために、タイヤ全体モデル30のビード周りの所定の輪郭部分(リム接触域に対応する部分)を一定の条件の下に拘束しつつ、所定のリム幅に対応するように両側に位置する上記輪郭部分を強制変位させ、この後タイヤ全体モデル30の内周面に圧力を加える処理を行う。
さらに、この後、路面モデルにタイヤ全体モデル30を接地させ、所定の荷重あるいは、所定の撓みを発生させる荷重負荷処理を行う。
Next, finite element analysis 1 is performed (step S201).
In the finite element analysis 1, an internal pressure filling process and a load loading process are performed.
Specifically, in order to reproduce that the tire is rim assembled and the internal pressure filling is performed while moving the entire tire model 30 toward the road surface model which is a rigid plane prepared in advance, the entire tire model 30 is reproduced. While the predetermined contour portion (the portion corresponding to the rim contact area) around the bead is constrained under a certain condition, the contour portions located on both sides are forcibly displaced so as to correspond to the predetermined rim width. A process of applying pressure to the inner peripheral surface of the rear tire overall model 30 is performed.
Further, after this, the entire tire model 30 is brought into contact with the road surface model, and a load load process for generating a predetermined load or a predetermined deflection is performed.

図19(a)は、図18(a),(b)に示すタイヤ全体モデル30において、内圧充填処理を行った直後の状態を示している。
内圧充填処理により、サイド部分がタイヤ幅方向内側に向かって(矢印方向)凹んでいる。
図19(b)は、荷重負荷処理後のタイヤ全体モデル30の状態を示している。これによると、路面モデルによってタイヤ全体モデル30は撓み、サイド部分がタイヤ幅方向外側に(矢印方向に)凸となっている。
このような有限要素解析1で算出された解析結果の情報は、メモリ124に送られ記憶される。
なお、解析結果の情報とは、タイヤ全体モデル30における各節点の変位、各有限要素の歪み分布および応力分布である。
ステップ200およびステップ201は、タイヤ全体の有限要素解析を行うステップであり、本発明における全体解析ステップに対応する。
FIG. 19 (a) shows a state immediately after the internal pressure filling process is performed in the tire overall model 30 shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b).
By the internal pressure filling process, the side portion is recessed toward the inner side in the tire width direction (arrow direction).
FIG. 19B shows the state of the entire tire model 30 after the load application process. According to this, the tire overall model 30 is bent by the road surface model, and the side portion is convex outward (in the arrow direction) in the tire width direction.
Information on the analysis result calculated by the finite element analysis 1 is sent to the memory 124 and stored therein.
The analysis result information is the displacement of each node, the strain distribution and the stress distribution of each finite element in the overall tire model 30.
Step 200 and step 201 are steps for performing a finite element analysis of the entire tire, and correspond to the entire analysis step in the present invention.

次に、詳細に有限要素解析したいタイヤの部分がオペレータに指示されて設定される(ステップS202)。例えば、コーティングゴム部材で被覆されたベルト部材やカーカス部材等の補強部材が設定されたり、ゴム材料からなるトレッドゴム部材やサイドゴム部材等のゴム部材が設定される。この設定された部材が補強材を有する補強部材か、ゴム材料からなるゴム部材であるかが判定され、補強部材の場合、以下に示す処理が行われる。一方、ゴム部材が設定された場合、後述するステップS212に進む。   Next, the part of the tire for which detailed finite element analysis is desired is instructed and set by the operator (step S202). For example, a reinforcing member such as a belt member or a carcass member covered with a coating rubber member is set, or a rubber member such as a tread rubber member or a side rubber member made of a rubber material is set. It is determined whether the set member is a reinforcing member having a reinforcing material or a rubber member made of a rubber material. In the case of a reinforcing member, the following processing is performed. On the other hand, when the rubber member is set, the process proceeds to step S212 described later.

補強部材が設定された場合、次に、線材モデルおよび母材モデルが、モデル作成部120において作成される(ステップS204)。
すなわち、カーカス、ベルトおよびビード等のような線材およびゴム材を有する補強部材について、線材およびゴム部材の各々を有限要素で離散化した線材モデルおよび母材モデルが作成される。
If the reinforcing member is set, then the wire model and the base material model are created in the model creation unit 120 (step S204).
That is, a wire material model and a base material model in which each of the wire material and the rubber member is discretized by a finite element are created for a reinforcing member having a wire material and a rubber material such as a carcass, a belt, and a bead.

図20には、図18(b)に示すタイヤ全体モデル30におけるカーカスモデル32の一部分を詳細な構成によってモデル化したカーカスモデル34を示している。
カーカスモデル34は、線材モデル36およびゴム部材モデル38で構成されている。
線材モデル36は、断面形状が円形状を成した一定長の円柱状のものを、この円形状に沿ってメッシュ分割して複数のソリッド要素に離散化したものであり、線材モデル36が一定間隔で平行に複数並列されている。一方、ゴム部材モデル38は、一定間隔で並列する線材モデル36のそれぞれを取り巻くように配し、メッシュ分割して複数のソリッド要素に離散化したものであり、カーカスモデル34の全体形状をシート状としている。図20の例では、カーカスモデル34は、3つの線材モデル36とこの周りを取り巻くゴム部材モデル38とからなる。
FIG. 20 shows a carcass model 34 in which a part of the carcass model 32 in the overall tire model 30 shown in FIG.
The carcass model 34 includes a wire rod model 36 and a rubber member model 38.
The wire rod model 36 is obtained by dividing a cylindrical column having a constant cross-sectional shape into a plurality of solid elements by dividing the mesh along the circular shape. In parallel, a plurality of lines are arranged in parallel. On the other hand, the rubber member model 38 is arranged so as to surround each of the wire rod models 36 arranged in parallel at regular intervals, is divided into a plurality of solid elements by dividing the mesh, and the entire shape of the carcass model 34 is a sheet shape. It is said. In the example of FIG. 20, the carcass model 34 includes three wire rod models 36 and a rubber member model 38 that surrounds the wire rod models 36.

このような線材モデル36とゴム部材モデル38からなるカーカスモデル34のモデル情報が作成されるとともに、線材としての材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)およびゴム材としての材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)とが作成され、材料情報がモデル情報に付加されて、電子ファイルとしてメモリ124に記憶されるとともに、解析部122に送られる。   Model information of the carcass model 34 composed of such a wire model 36 and a rubber member model 38 is created, and material parameters (Young's modulus, shear rigidity and Poisson's ratio) as a wire and material parameters (Young's modulus) as a rubber material , Shear rigidity and Poisson's ratio) are created, material information is added to the model information, stored as an electronic file in the memory 124, and sent to the analysis unit 122.

次に、有限要素解析2が行われる(ステップS206)。
すなわち、ステップS202で行われた有限要素解析1の結果の情報を用いて、カーカスモデル34を用いてカーカスの力学特性の有限要素解析を行う。
具体的には、有限要素解析1において得られメモリ124に記憶されている、内圧充填処理、あるいは内圧充填処理および荷重負荷処理におけるタイヤ全体モデルにおける各節点の変位を取り出し、この節点の変位を用いて、カーカスモデル34における境界に変位を与えることで、カーカスモデル34における各節点の変位、各有限要素の歪みおよび応力分布を算出する。
有限要素解析2により算出された解析結果の情報は、メモリ124に送られ記憶される。
Next, finite element analysis 2 is performed (step S206).
That is, using the information of the result of the finite element analysis 1 performed in step S202, the finite element analysis of the dynamic characteristics of the carcass is performed using the carcass model 34.
Specifically, the displacement of each node in the entire tire model in the internal pressure filling process or the internal pressure filling process and the load loading process obtained in the finite element analysis 1 and stored in the memory 124 is extracted, and the displacement of this node is used. Thus, by giving displacement to the boundary in the carcass model 34, the displacement of each node, the distortion of each finite element, and the stress distribution in the carcass model 34 are calculated.
Information on the analysis result calculated by the finite element analysis 2 is sent to the memory 124 and stored therein.

次に、詳細線材モデルおよび詳細母材モデルが、モデル作成部120において作成される(ステップS208)。
すなわち、ステップS204で作成された線材モデル36およびゴム部材モデル38に比べて、カーカスの構成を詳細化した詳細モデルを作成する。
図21には、図20に示したカーカスモデル34の1つの線材の構成をより詳細にモデル化した詳細モデル40を示している。
詳細モデル40は、線材の断面形状において、中心において3本の素線を撚り、その周囲において9本の素線を撚り、さらにその周囲において15本の素線を撚り、その周囲に最後に1本の素線でらせん状に巻き付けた線材の構成と、この線材の周りおよび素線間の間にゴム材を配した構成を忠実に再現したものであり、全体としての形状が円柱形状を成している。すなわち、各素線をモデル化し、さらに、素線で構成される線材モデルの構造を撚り構造としたモデルである。この場合、素線の撚りピッチ、撚り方向、素線間の接触の有無についても詳細モデル40にてモデル化される。
Next, a detailed wire model and a detailed base material model are created in the model creation unit 120 (step S208).
That is, a detailed model in which the structure of the carcass is detailed as compared with the wire rod model 36 and the rubber member model 38 created in step S204 is created.
FIG. 21 shows a detailed model 40 in which the configuration of one wire rod of the carcass model 34 shown in FIG. 20 is modeled in more detail.
In the detailed model 40, in the cross-sectional shape of the wire, three strands are twisted at the center, nine strands are twisted at the periphery, 15 strands are twisted at the periphery, and finally, 1 strand is wound around the periphery. This is a faithful reproduction of the configuration of a wire wound in a spiral shape with a strand of book and the configuration in which a rubber material is arranged around and between the wires, and the overall shape forms a cylindrical shape. is doing. In other words, each element wire is modeled, and the structure of the wire rod model composed of the element wires is a twisted structure. In this case, the detailed model 40 also models the twisting pitch of the strands, the twisting direction, and the presence or absence of contact between the strands.

このような詳細線材モデルと詳細ゴム材モデルからなる詳細モデル40のモデル情報が作成されるとともに、各素線の材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)およびゴム材としての材料パラメータ(ヤング率、剪断剛性およびポアソン比)とが作成され、材料情報がモデル情報に付加されて、電子ファイルとしてメモリ124に記憶されるとともに、解析部122に送られる。   Model information of the detailed model 40 composed of such a detailed wire model and a detailed rubber material model is created, and material parameters (Young's modulus, shear rigidity and Poisson's ratio) of each wire and material parameters (Young as a rubber material) Rate, shear stiffness, and Poisson's ratio), and material information is added to the model information, stored as an electronic file in the memory 124, and sent to the analysis unit 122.

次に、有限要素解析3が行われる(ステップS210)。
ここでは、ステップS206で行われた有限要素解析2の結果の情報を用いて、詳細モデル40を用いてカーカスの力学特性の有限要素解析を行う。
具体的には、有限要素解析2において得られ、メモリ124に記憶されているカーカスモデル34における各節点の変位を取り出し、この節点の変位を用いて、詳細モデル40における境界に変位を与えることで、詳細モデル40における各節点の変位、各有限要素の歪みおよび応力分布を算出する。
有限要素解析3により算出された解析結果の情報は、メモリ124に送られ記憶される。
すなわち、有限要素解析2→3と、解析回数が増えるに従って、複合材の構成をより詳細に再現して有限要素で離散化した線材モデルおよびこの線材モデルを取り巻く母材モデルを区別して作成し、先行して行われた解析回数が1つ前の有限要素解析の結果の情報を用いて、カーカスの力学特性の有限要素解析を行う。
なお、ステップS204〜ステップS210は、本発明における部分解析ステップに対応する。
このように部分解析ステップにおける有限要素解析2,3では、全体解析ステップにおける有限要素解析1で得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて有限要素解析が行われる。
Next, finite element analysis 3 is performed (step S210).
Here, the finite element analysis of the dynamic characteristics of the carcass is performed using the detailed model 40 using the information of the result of the finite element analysis 2 performed in step S206.
Specifically, the displacement of each node in the carcass model 34 obtained in the finite element analysis 2 and stored in the memory 124 is extracted, and the displacement in the detailed model 40 is given a displacement by using the displacement of this node. Then, the displacement of each node in the detailed model 40, the strain and stress distribution of each finite element are calculated.
Information on the analysis result calculated by the finite element analysis 3 is sent to the memory 124 and stored therein.
That is, as the number of analyzes increases as finite element analysis 2 → 3, the composition of the composite material is reproduced in more detail, and the wire model discretized with finite elements and the base material model surrounding this wire model are created separately. The finite element analysis of the dynamic characteristics of the carcass is performed using the information of the result of the finite element analysis that was performed one time before.
Steps S204 to S210 correspond to partial analysis steps in the present invention.
As described above, in the finite element analysis 2 and 3 in the partial analysis step, the finite element analysis is performed based on the information on the result of the finite element analysis obtained in the finite element analysis 1 in the overall analysis step.

図22(a),(b)は、詳細モデル40中の素線部分のみを抜き出した詳細線材モデル42を表示して、有限要素解析3で得られた領域A(図18(a),(b)および図19(a),(b)参照)における内圧充填処理時の最大主応力分布を、濃度の高低で表示している。図22(b)は、図22(a)に示す詳細線材モデル42を向きを変えて表示したものである。
1は、内圧充填による内圧により詳細線材モデル42に作用する曲げモーメントの方向を示す。
この最大主応力の分布によると、内圧充填処理により、詳細線材モデル42において線材方向の圧縮(図中、濃度の濃い領域)および引っ張り(図中、濃度の薄い領域)が存在することがわかり、曲げモーメントM1の方向に対応するように圧縮および引っ張りが発生することがわかる。しかも、各素線は、撚り構造のため螺旋状に詳細線材モデル42の周状の位置を変えるが、この周状の位置によって最大主応力分布が変化していることがわかる。
22A and 22B show a detailed wire model 42 obtained by extracting only the wire portion in the detailed model 40, and the region A obtained by the finite element analysis 3 (FIGS. 18A and 18B). The maximum principal stress distribution at the time of the internal pressure filling process in (b) and FIGS. 19 (a) and 19 (b)) is indicated by the level of concentration. FIG. 22B shows the detailed wire rod model 42 shown in FIG.
M 1 indicates the direction of the bending moment acting on the detailed wire rod model 42 due to the internal pressure due to the internal pressure filling.
According to the distribution of the maximum principal stress, it can be seen that, due to the internal pressure filling process, in the detailed wire model 42, there is compression in the wire direction (high density region in the figure) and tension (light density region in the figure), It can be seen that compression and tension occur so as to correspond to the direction of the bending moment M 1 . In addition, each strand has a twisted structure, so that the circumferential position of the detailed wire model 42 is spirally changed. It can be seen that the maximum principal stress distribution changes depending on the circumferential position.

一方、図23(a),(b)は、詳細線材モデル42を表示して、有限要素解析3で得られた領域A(図18(a),(b)および図19(a),(b)参照)における内圧充填処理後さらに荷重負荷処理を行った時の最大主応力分布を示している。図23(b)は、図23(a)に示す詳細線材モデル42を向きを変えて表示したものである。
は、荷重負荷により詳細線材モデル42に作用する曲げモーメントの方向を示す。
これによると、荷重負荷処理により、内圧充填処理時とは異なる主応力分布を示し、曲げモーメントMの方向に対応するように圧縮および引っ張りが発生することがわかる。しかも、各素線は、撚り構造のため螺旋状に詳細線材モデル42の周状の位置を変えるが、この周状の位置によって最大主応力分布が変化していることがわかる。
On the other hand, FIGS. 23A and 23B display the detailed wire rod model 42 and display the region A (FIGS. 18A and 18B and FIGS. 19A and 19B obtained by the finite element analysis 3). The maximum principal stress distribution when the load loading process is further performed after the internal pressure filling process in (b) is shown. FIG. 23B shows the detailed wire model 42 shown in FIG. 23A with the orientation changed.
M 2 indicates the direction of the bending moment acting on the detailed wire rod model 42 due to the load.
According to this, the load application process, shows the main stress distribution that is different from the internal pressure filling process, it can be seen that the compression and tension is generated so as to correspond to the direction of the bending moment M 2. In addition, each strand has a twisted structure, so that the circumferential position of the detailed wire model 42 is spirally changed. It can be seen that the maximum principal stress distribution changes depending on the circumferential position.

これらの解析結果は、内圧充填処理および荷重負荷処理により作用する曲げモーメントの向きから定性的に予想される結果と一致するものである。
したがって、有限要素解析1で得られた内圧充填処理、あるいは内圧充填処理および荷重負荷処理におけるタイヤ全体モデル30における所望の位置のカーカスモデル32の節点の変位を取り出し、この節点の変位を用いて、カーカスモデル34、詳細モデル40における境界に変位を与えることで、所望の位置におけるカーカスの応力や歪みの分布を、各素線中の分布に至るまで詳細に定量的に解析することができる。
These analysis results agree with the results qualitatively predicted from the direction of the bending moment acting by the internal pressure filling process and the load application process.
Therefore, the displacement of the node of the carcass model 32 at a desired position in the tire overall model 30 in the internal pressure filling process or the internal pressure filling process and the load loading process obtained in the finite element analysis 1 is taken out, and the displacement of this node is used. By giving displacement to the boundaries in the carcass model 34 and the detailed model 40, the distribution of the stress and strain of the carcass at a desired position can be quantitatively analyzed in detail up to the distribution in each strand.

したがって、タイヤ全体モデル30におけるカーカスモデル32の各位置について、詳細モデル40を用いて解析し、例えば最大主応力分布を調べることで、素線の破断強度等の物性からみて最も安全率の低い位置を特定し、この安全率が所定のレベルを確保するように、スチールコードの撚り構造またはタイヤの設計仕様を変更しながら、素線の破断しない耐久性の優れたタイヤを開発することができる。また、詳細線材モデル42を取り巻く詳細母材モデルに作用する歪み分布からスチールコードの素線を取り巻くゴム材のき裂発生の可能性を知ることもできる。
さらに、詳細モデル40における隣接する線材モデル36間のゴム材モデル38の歪み分布から、スチールコード間のゴム材に作用する歪みのレベルを知ることができスチールコード間に位置するゴム材のき裂発生の可能性を知ることもできる。
また、タイヤ全体モデル30、カーカスモデル34および詳細モデル40のように、有限要素解析を段階的に細かく行うので、線材の構成を反映したタイヤ全体のモデルを正確に作成して細かな有限要素解析を行う場合に比べて、線材を含む補強材の力学特性を短時間に精度高くシミュレートすることができる。
Therefore, each position of the carcass model 32 in the overall tire model 30 is analyzed using the detailed model 40 and, for example, by examining the maximum principal stress distribution, the position having the lowest safety factor in view of physical properties such as the breaking strength of the strands. Thus, it is possible to develop a tire having excellent durability in which the strands are not broken while changing the twisted structure of the steel cord or the design specifications of the tire so as to ensure the safety factor at a predetermined level. It is also possible to know the possibility of cracking of the rubber material surrounding the steel cord strand from the strain distribution acting on the detailed base material model surrounding the detailed wire model 42.
Further, from the strain distribution of the rubber material model 38 between the adjacent wire models 36 in the detailed model 40, the level of strain acting on the rubber material between the steel cords can be known, and the crack of the rubber material located between the steel cords You can also know the possibility of occurrence.
In addition, since the finite element analysis is performed in stages like the entire tire model 30, the carcass model 34, and the detailed model 40, a model of the entire tire reflecting the configuration of the wire is accurately created to perform a detailed finite element analysis. As compared with the case of performing the above, the mechanical characteristics of the reinforcing material including the wire can be simulated with high accuracy in a short time.

さらに、図21に示す詳細モデル40中の一部分のコーティングゴム部材について、カーボンあるいはシリカ等からなる分散相およびポリマー材料からなる母相の微視的構造を考慮したコーティングゴム部材の有限要素モデル(ゴム部材モデル)が作成される(ステップS212)。例えば、図20,21中の領域Rについて、図24(a)に示すような分散相の微視的構造を設定し、図24(b)に示すような、互いに直交する3方向に隣接して配列された同一の大きさの複数の直方体形状を成す3次元有限要素を用いて、有限要素単位で少なくとも母相部分と分散相部分に振り分けて微視的構造を再現したゴム部材モデルが作成される。分散相および母相の微視的構造の設定と有限要素の振り分けは、上述した図2中のステップS20の方法、図9に示す方法あるいは図12に示す方法を用いて行われる。したがって、モデルの作成の説明は省略する。   Further, for a part of the coating rubber member in the detailed model 40 shown in FIG. 21, a finite element model of the coating rubber member (rubber) considering the microscopic structure of the dispersed phase made of carbon or silica and the matrix phase made of a polymer material. A member model) is created (step S212). For example, for the region R in FIGS. 20 and 21, a microscopic structure of a dispersed phase as shown in FIG. 24A is set and adjacent to three directions orthogonal to each other as shown in FIG. A rubber member model that reproduces the microscopic structure by creating a three-dimensional finite element of the same size arranged in multiple dimensions and allocating at least the parent phase part and the dispersed phase part in a finite element unit is created. Is done. The setting of the microscopic structure of the dispersed phase and the mother phase and the allocation of the finite elements are performed using the method of step S20 in FIG. 2, the method shown in FIG. 9, or the method shown in FIG. Therefore, description of model creation is omitted.

次に、有限要素解析4(ゴム部材の3次元ミクロ解析)が行われる(ステップS214)。この場合、有限要素解析3にて演算された詳細母材モデルに作用する変位を作成されたゴム部材モデルに与えて、力学挙動のシミュレーション演算が行われる。力学挙動として、作成されたゴム部材モデル中の応力分布や歪み分布が算出される。また、図7(a),(b)に示す頻度分布や積算分布が算出される。これによって、分散相および母相の微視的構造によって極端にひずみや応力が集中している場所がないか、破断にいたる場所がないかが調べられる。
ステップS214は、本発明における部分解析ステップに対応する。
Next, finite element analysis 4 (three-dimensional micro analysis of rubber member) is performed (step S214). In this case, the displacement acting on the detailed base material model calculated in the finite element analysis 3 is given to the created rubber member model, and the simulation calculation of the mechanical behavior is performed. As the mechanical behavior, a stress distribution and a strain distribution in the created rubber member model are calculated. Further, the frequency distribution and the integrated distribution shown in FIGS. 7A and 7B are calculated. Thereby, it is examined whether there is no place where strain and stress are extremely concentrated due to the microscopic structure of the dispersed phase and the parent phase, or there is no place that leads to fracture.
Step S214 corresponds to the partial analysis step in the present invention.

また、図17中のステップS203において、設定された詳細解析対象が補強部材でなく、ゴム材料からなるゴム部材の場合、ステップS203からステップS212に進み、図2中のステップS20の方法、図9に示す方法あるいは図12に示す方法を用いて、分散相および母相の微視的構造を再現したゴム部材モデルが作成され、有限要素解析4が行われる(ステップS214)。
最後に、有限要素解析1〜4の解析結果が、ディスプレイ116またはプリンタ118に出力される(ステップS216)。
Further, in step S203 in FIG. 17, if the set detailed analysis target is not a reinforcing member but a rubber member made of a rubber material, the process proceeds from step S203 to step S212, and the method of step S20 in FIG. A rubber member model that reproduces the microscopic structure of the dispersed phase and the parent phase is created using the method shown in FIG. 12 or the method shown in FIG. 12, and the finite element analysis 4 is performed (step S214).
Finally, the analysis results of the finite element analyzes 1 to 4 are output to the display 116 or the printer 118 (step S216).

このように、本発明では、有限要素モデルを用いてタイヤ等の構造体全体の挙動をシミュレートするマクロ解析(全体解析)から構造体における微視的構造を再現した複合材のミクロ解析(詳細解析)まで、広範囲に解析することができ、構造体の形状や材料選定を効率よく行うことができる。   Thus, in the present invention, a micro analysis of a composite material that reproduces a micro structure in a structure from a macro analysis (overall analysis) that simulates the behavior of the entire structure such as a tire using a finite element model (details) Analysis), the shape of the structure and the material can be selected efficiently.

なお、上記実施例では、有限要素解析1(ステップS201)において、内圧充填処理および荷重負荷処理を行うものであるが、有限要素解析1に対応する全体解析ステップの処理は、内圧充填処理および荷重負荷処理に限られず、各種性能解析に用いる処理を行ってもよい。例えば、内圧充填処理および荷重負荷処理に加えてタイヤ全体モデル30を直進状態で転動させ直進走行状態を再現させる処理、スリップ角度を与えて転動させコーナリング走行を再現させる処理、路面上に水膜を設け、この上を転動させてハイドロプレーニングに至る過程を再現させる処理、さらには、突起や凹凸路面上を走行させて振動させて、振動・騒音を再現させる処理を行ってもよい。これらの各種性能解析における処理によってタイヤの各種性能試験をシミュレートする際のカーカス、ベルトおよびビード等の補強材の力学特性を短時間に精度高くシミュレートすることができる。
さらに、全体解析ステップでは、タイヤ製造段階におけるタイヤ成型時の生タイヤモデルから加硫直前の拡張された生タイヤモデルの変形過程の解析を行う成型解析の処理を行ってもよい。この成型時の生タイヤモデルの拡張処理によって、生タイヤが拡張する際の、カーカス、ベルトおよびビード等の補強材の力学特性を短時間に精度高くシミュレートすることができる。
In the above-described embodiment, the internal pressure filling process and the load loading process are performed in the finite element analysis 1 (step S201). However, the entire analysis step corresponding to the finite element analysis 1 is performed by the internal pressure filling process and the load. The process used for various performance analysis may be performed without being limited to the load process. For example, in addition to the internal pressure filling process and the load application process, a process of rolling the entire tire model 30 in a straight traveling state to reproduce the straight traveling state, a process of rolling by giving a slip angle to reproduce a cornering traveling, water on the road surface A process of providing a film and rolling it over to reproduce the process leading to hydroplaning may be performed, or a process of running and vibrating on a protrusion or an uneven road surface to reproduce vibration and noise. The mechanical characteristics of the reinforcing material such as carcass, belt, and bead when simulating various performance tests of the tire can be simulated with high accuracy in a short time by processing in these various performance analyses.
Further, in the overall analysis step, a molding analysis process for analyzing a deformation process of the expanded raw tire model immediately before vulcanization from the raw tire model at the time of tire molding in the tire manufacturing stage may be performed. By the expansion process of the raw tire model at the time of molding, the mechanical characteristics of the reinforcing material such as the carcass, the belt, and the bead when the raw tire is expanded can be simulated with high accuracy in a short time.

なお、カーカスモデル34および詳細モデル40において、カーカス端部の力学特性を解析する場合、剛性の高い線材の端部において、剛性が不連続に変化し、応力分布および歪み分布が急激に変化して非線形性が強くなることから、正確に力学特性をシミュレートする場合、カーカスの厚さ方向において、カーカスを含むカーカスの厚さの5倍以上の領域をカーカスのモデルとしてモデル化するのが好ましい。より具体的には、十分な解析結果が効率良く得られる点から、カーカスの厚さの10倍以下の領域をモデル化するのがよい。例えば、図20に示すカーカスモデル34の場合、厚さ方向において、5倍以上10倍以下の厚さを持つモデルを作成する。   In the carcass model 34 and the detailed model 40, when analyzing the mechanical characteristics of the carcass end, the rigidity changes discontinuously at the end of the highly rigid wire, and the stress distribution and strain distribution change abruptly. Since the nonlinearity becomes strong, in the case of accurately simulating the mechanical characteristics, it is preferable to model as a carcass model a region that is five times the thickness of the carcass including the carcass in the thickness direction of the carcass. More specifically, it is preferable to model a region that is 10 times or less the thickness of the carcass from the viewpoint that a sufficient analysis result can be obtained efficiently. For example, in the case of the carcass model 34 shown in FIG. 20, a model having a thickness of 5 to 10 times in the thickness direction is created.

上記説明では、補強材であるカーカスを複合材の例として説明したが、この他に、ベルトまたビード等の線材で補強される複合材のほか、複数の線材をテキスタイル状に組み合わせて構成された複合材であってもよい。また、線材は、スチール材に限らず、有機繊維材によって構成されたものであってもよい。
さらに、線材とこの線材を取り巻く母材とを有し、建造物をはじめとする構造体に埋設された複合材の力学特性をシミュレートする場合においても、本発明のシミュレーション方法を適用することができる。
In the above description, the carcass, which is a reinforcing material, has been described as an example of a composite material. In addition to this, in addition to a composite material reinforced with a wire material such as a belt or a bead, a plurality of wire materials are combined in a textile shape. It may be a composite material. Further, the wire is not limited to a steel material but may be composed of an organic fiber material.
Furthermore, the simulation method of the present invention can be applied even when simulating the mechanical characteristics of a composite material that has a wire and a base material surrounding the wire and is embedded in a structure such as a building. it can.

以上、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法および装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。   Although the method and apparatus for simulating mechanical properties of a composite material according to the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications are made without departing from the gist of the present invention. Of course.

(a)は、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法を実施するシミュレーション装置の構成を示す構成図であり、(b)は、図1(a)に示す装置を機能的に説明したブロック図である。(A) is a block diagram which shows the structure of the simulation apparatus which implements the mechanical property simulation method of the composite material of this invention, (b) is the block diagram which functionally demonstrated the apparatus shown to Fig.1 (a) It is. 本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法のフローを示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the flow of the mechanical property simulation method of the composite material of this invention. (a)〜(c)は、複合材における分散相および母相の微視的構造を説明する説明図である。(A)-(c) is explanatory drawing explaining the microscopic structure of the dispersed phase in a composite material, and a parent phase. 本発明において作成される3次元有限要素モデルを2次元表示した拡大図である。It is the enlarged view which displayed the three-dimensional finite element model created in this invention two-dimensionally. (a)および(b)は複合材の力学特性シミュレーション方法によって得られた解析処理結果の一例を説明する説明図である。(A) And (b) is explanatory drawing explaining an example of the analysis process result obtained by the mechanical property simulation method of a composite material. (a)〜(e)は有限要素モデルにおける各有限要素が属する相の判定を説明する説明図である。(A)-(e) is explanatory drawing explaining determination of the phase to which each finite element in a finite element model belongs. (a)および(b)は、本発明において得られた解析処理結果の例を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the example of the analysis process result obtained in this invention. 本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法における他のフローの要部を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the principal part of the other flow in the mechanical property simulation method of the composite material of this invention. 本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法における他のフローの要部を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the principal part of the other flow in the mechanical property simulation method of the composite material of this invention. (a)は撮影され複合材の微視的画像の例を示す図であり、(b)は撮影された(a)に示す画像から作成された円形近似画像の例を示す図であり、(c)は(b)の円形近似画像から作成された重心点画像の例を示す図である。(A) is a diagram showing an example of a microscopic image of the captured composite, (b) is a diagram showing an example of a circular approximation image created from the image shown in photographed (a), (C) is a figure which shows the example of the gravity center image created from the circular approximate image of (b). (a)および(c)は、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法で行われる均等分割の例を示す図であり、(b)および(d)は、均等分割によって表される複合材の微視的構造の不均一性分散を表す、(a)および(c)にそれぞれ対応したヒストグラムの例を示す図である。(A) And (c) is a figure which shows the example of the equal division performed by the mechanical property simulation method of the composite material of this invention, (b) and (d) are the composite materials represented by equal division. It is a figure which shows the example of the histogram respectively corresponding to (a) and (c) showing the heterogeneous dispersion | distribution of a microscopic structure. 本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法における他のフローの要部を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the principal part of the other flow in the mechanical property simulation method of the composite material of this invention. (a)〜(d)は、本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法で行われる、分散相部分および母相部分の振り分けを説明する説明図である。(A)-(d) is explanatory drawing explaining distribution of a dispersed phase part and a parent phase part performed with the mechanical property simulation method of the composite material of this invention. 本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法で行われる、分散相部分および母相部分の振り分けを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining distribution of a dispersed phase part and a parent phase part performed with the mechanical property simulation method of the composite material of this invention. 分散相部分および母相部分の振り分けをランダムに行ったときに得られる分散相部分および母相部分の振り分け配置を示す図である。It is a figure which shows the distribution arrangement | positioning of the dispersed phase part and mother phase part obtained when the dispersed phase part and the mother phase part are distributed at random. 本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法を実施するタイヤの力学特性シミュレーション装置の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the mechanical property simulation apparatus of the tire which implements the mechanical property simulation method of the composite material of this invention. 本発明の複合材の力学特性シミュレーション方法の一例であるタイヤの力学特性シミュレーション方法のフローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the mechanical property simulation method of the tire which is an example of the mechanical property simulation method of the composite material of this invention. (a)および(b)は、図17に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で作成される有限要素モデルを説明する図である。(A) And (b) is a figure explaining the finite element model created with the dynamic characteristic simulation method of the tire reinforcement shown in FIG. (a)および(b)は、図17に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で得られる解析結果の一例を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows an example of the analysis result obtained by the mechanical property simulation method of the tire reinforcement shown in FIG. 図17に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で作成される有限要素モデルを説明する図である。It is a figure explaining the finite element model created with the dynamic characteristic simulation method of the tire reinforcement shown in FIG. 図17に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で作成される有限要素モデルを説明する図である。It is a figure explaining the finite element model created with the dynamic characteristic simulation method of the tire reinforcement shown in FIG. (a)および(b)は、図17に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で得られる解析結果の他の例を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the other example of the analysis result obtained by the mechanical property simulation method of the tire reinforcement shown in FIG. (a)および(b)は、図17に示すタイヤ補強材の力学特性シミュレーション方法で得られる解析結果の他の例を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the other example of the analysis result obtained by the mechanical property simulation method of the tire reinforcement shown in FIG. (a)および(b)は、本発明における母相と分散相とを有する複合材の微視的構造を再現した複合材モデルの作成方法を説明する図である。(A) And (b) is a figure explaining the preparation method of the composite material model which reproduced the microscopic structure of the composite material which has the parent phase and dispersed phase in this invention. 複合材における、母相と分散相の分布を撮像した微視的画像の一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of the micro image which imaged distribution of the mother phase and the disperse phase in a composite material.

符号の説明Explanation of symbols

10,110 力学特性シミュレーション装置
20,120 モデル作成部
22,122 解析部
24,124 メモリ
30 タイヤ全体モデル
32,34 カーカスモデル
36 線材モデル
38 ゴム材モデル
40 詳細モデル
42 詳細線材モデル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,110 Mechanical characteristic simulation apparatus 20,120 Model creation part 22,122 Analysis part 24,124 Memory 30 Tire whole model 32,34 Carcass model 36 Wire material model 38 Rubber material model 40 Detailed model 42 Detailed wire material model

Claims (18)

母相と分散相とを有する複合材の微視的構造を再現した複合材モデルを用いて行う複合材の力学特性シミュレーション方法であって、
モデル生成手段が、複数の3次元有限要素を隣接して配列し、前記複合材の立体形状を再現した形状モデルの前記3次元有限要素を、前記複合材の微視的構造を撮影した画像から得られる画像情報に基づいて、有限要素単位で少なくとも母相部分と分散相部分とに振り分けることによって前記複合材の微視的構造を再現した複合材モデルを生成するステップと、
解析処理手段が、前記モデル生成手段によって生成された前記複合材モデルを用いて力学特性の有限要素解析を行うステップと、を有し、
前記撮影した画像は、前記分散相が分散粒子からなる粒子群の像であり、
前記複合材モデルを生成するステップでは、前記モデル生成手段が、
前記画像から、前記粒子群のそれぞれの重心点を求め、この重心点の位置を記した重心点抽出画像を生成し、
この重心点抽出画像を複数の分割領域に均等分割したときの分割数であって、複数の分割領域のうち少なくとも1つの分割領域において前記重心点を含まないときの均等分割数を求め、
この均等分割数で分割された分割領域内における前記重心点の密度に対する分割領域の頻度分布を表すヒストグラムを求め、
前記均等分割数において求められた前記ヒストグラムの分布に等しくなるように、複数の点が分散した3次元画像を作成し、前記複数の点の各々を中心とする一定の半径の球を作成し、作成された複数の前記球が分散して配置された立体像を形成し、
該立体像と前記形状モデルとを対応付け、前記球に対応する位置にある前記形状モデルの有限要素を前記分散相部分に振り分け、それ以外の部分を前記母相部分に振り分けることを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション方法。
A method for simulating the mechanical properties of a composite material using a composite material model that reproduces the microscopic structure of the composite material having a matrix phase and a dispersed phase,
The model generation means arranges a plurality of three-dimensional finite elements adjacent to each other, and obtains the three-dimensional finite elements of the shape model that reproduces the three-dimensional shape of the composite material from an image obtained by photographing the microscopic structure of the composite material. Based on the obtained image information, generating a composite material model that reproduces the microscopic structure of the composite material by allocating at least a matrix phase portion and a dispersed phase portion in finite element units;
An analysis processing means performing a finite element analysis of mechanical characteristics using the composite material model generated by the model generation means,
The photographed image is an image of a particle group in which the dispersed phase is composed of dispersed particles,
In the step of generating the composite material model, the model generation means includes:
From each of the images, the center of gravity of each particle group is obtained, and a center-of-gravity point extraction image describing the position of the center of gravity is generated.
The number of divisions when this centroid point extracted image is equally divided into a plurality of divided regions, and the number of equal divisions when the centroid point is not included in at least one divided region of the plurality of divided regions,
Obtain a histogram representing the frequency distribution of the divided area with respect to the density of the barycentric points in the divided area divided by the equal number of divisions,
Create a three-dimensional image in which a plurality of points are dispersed so as to be equal to the distribution of the histogram obtained in the equal number of divisions, create a sphere of a certain radius centered on each of the plurality of points, Forming a three-dimensional image in which a plurality of created spheres are dispersed and arranged;
The stereoscopic image is associated with the shape model, the finite element of the shape model at a position corresponding to the sphere is assigned to the dispersed phase portion, and the other portion is assigned to the parent phase portion. A method for simulating mechanical properties of composite materials.
前記複合材モデルを生成するステップでは、少なくとも1つの分割領域において前記重心点を含まないように前記重心点抽出画像複数の分割領域に均等分割したとき前記分割領域における前記重心点の密度に対する分割領域の頻度分布を表すヒストグラムを、分散相部分の分散不均一性を表す指標として用い
前記有限要素解析を行うステップでは、前記複合材モデルを生成するステップで生成された前記複合材モデルが、前記解析処理手段による前記有限要素解析の処理に供される請求項1に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。
Wherein in the step of generating a composite model, when equally dividing the centroid extracted image so as not to include the center of gravity in one of the divided areas even without least into a plurality of divided regions, the in the divided region centroid a histogram representing a frequency distribution of the divided regions with respect to the density of points, used as an index representing the dispersion non-uniformity of the dispersed phase portions,
Wherein in the step of performing a finite element analysis, wherein the composite model generated in the step of generating a composite model, the composite material according to claim 1 which is subjected the processing of the finite element analysis by the analysis means Method for simulating mechanical properties of
前記複数の3次元有限要素は、互いに直交する3方向に同一の大きさの3次元有限要素である請求項1または2に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。 The method for simulating mechanical properties of a composite material according to claim 1 or 2 , wherein the plurality of three-dimensional finite elements are three-dimensional finite elements having the same size in three directions orthogonal to each other. さらに、画像取得手段が、前記複合材の微視的構造を撮影した画像を取得するステップと、を有する請求項1〜のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。 Furthermore, the image acquisition means, mechanical characteristics simulation method of a composite material according to any one of claims 1-3 that Yusuke steps, the of acquiring an image obtained by photographing the microscopic structure of the composite. 前記3次元画像上への重心点の分散配置を行う際、各分割領域にて行う振り分けにおいて、前記重心点の個数が所定数以上の場合、前記重心点をランダム配置し、前記重心点の個数が所定数より小さい場合、前記分割領域の一部分の局所領域に制限して前記重心点をランダム配置する請求項1〜のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。 When distributing the centroid points on the three-dimensional image , if the number of centroid points is a predetermined number or more in the distribution performed in each divided region, the centroid points are randomly arranged, and the number of centroid points No. is less than a predetermined number, mechanical properties simulation method of a composite material according to any one of claims 1 to 4 for random placement of the center of gravity is limited to a localized area of a portion of the divided region. 前記局所領域は、一定の大きさの候補領域の中からランダムに選択された領域である請求項に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。 6. The method for simulating mechanical properties of a composite material according to claim 5 , wherein the local region is a region selected at random from candidate regions having a certain size. 前記母相は、ポリマー材料からなり、前記分散相は、カーボンおよびシリカの少なくとも一方の材料からなる請求項1〜のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。 The method for simulating mechanical properties of a composite material according to any one of claims 1 to 6 , wherein the matrix phase is made of a polymer material, and the dispersed phase is made of at least one of carbon and silica. 前記複合材モデルは、前記母相と前記分散相との間に存在する境界領域を再現した境界領域部分を有する請求項1〜のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。 The composite material dynamic simulation method according to any one of claims 1 to 7 , wherein the composite material model includes a boundary region portion that reproduces a boundary region existing between the matrix phase and the dispersed phase. 母相と分散相とを有する複合材の微視的構造を再現した複合材モデルを用いて行う複合材の力学特性シミュレーション装置であって、
複数の3次元有限要素を隣接して配列し、前記複合材の立体形状を再現した形状モデルの前記3次元有限要素を、前記複合材の微視的構造を撮影した画像から得られる画像情報に基づいて、有限要素単位で少なくとも母相部分と分散相部分とに振り分けることによって前記複合材の微視的構造を再現した複合材モデルを生成するモデル生成部と、
該モデル生成部によって生成された前記複合材モデルを用いて力学特性の有限要素解析を行う解析処理部と、を有し、
前記撮影した画像は、前記分散相が分散粒子からなる粒子群の像であり、
前記モデル生成部は、
前記画像から、前記粒子群のそれぞれの重心点を求め、この重心点の位置を記した重心点抽出画像を生成し、
この重心点抽出画像を複数の分割領域に均等分割したときの分割数であって、複数の分割領域のうち少なくとも1つの分割領域において前記重心点を含まないときの均等分割数を求め、
この均等分割数で分割された分割領域内における前記重心点の密度に対する分割領域の頻度分布を表すヒストグラムを求め、
前記均等分割数において求められた前記ヒストグラムの分布に等しくなるように、複数の点が分散した3次元画像を作成し、前記複数の点の各々を中心とする一定の半径の球を作成し、作成された複数の前記球が分散して配置された立体像を形成し、
該立体像と前記形状モデルとを対応付け、前記球に対応する位置にある前記形状モデルの有限要素を前記分散相部分に振り分け、それ以外の部分を前記母相部分に振り分けることを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション装置。
A device for simulating the mechanical properties of a composite material using a composite material model that reproduces the microscopic structure of the composite material having a matrix phase and a dispersed phase,
A plurality of three-dimensional finite elements are arranged adjacent to each other, and the three-dimensional finite elements of the shape model reproducing the three-dimensional shape of the composite material are converted into image information obtained from an image obtained by photographing the microscopic structure of the composite material. Based on a model generation unit that generates a composite material model reproducing the microscopic structure of the composite material by allocating at least a matrix phase portion and a dispersed phase portion in a finite element unit,
An analysis processing unit that performs finite element analysis of mechanical properties using the composite material model generated by the model generation unit,
The photographed image is an image of a particle group in which the dispersed phase is composed of dispersed particles,
The model generation unit
From each of the images, the center of gravity of each particle group is obtained, and a center-of-gravity point extraction image describing the position of the center of gravity is generated.
The number of divisions when this centroid point extracted image is equally divided into a plurality of divided regions, and the number of equal divisions when the centroid point is not included in at least one divided region of the plurality of divided regions,
Obtain a histogram representing the frequency distribution of the divided area with respect to the density of the barycentric points in the divided area divided by the equal number of divisions,
Create a three-dimensional image in which a plurality of points are dispersed so as to be equal to the distribution of the histogram obtained in the equal number of divisions, create a sphere of a certain radius centered on each of the plurality of points, Forming a three-dimensional image in which a plurality of created spheres are dispersed and arranged;
The stereoscopic image is associated with the shape model, the finite element of the shape model at a position corresponding to the sphere is assigned to the dispersed phase portion, and the other portion is assigned to the parent phase portion. An apparatus for simulating mechanical properties of composite materials.
記モデル生成部は、
なくとも1つの分割領域において前記重心点を含まないように前記重心点抽出画像複数の分割領域に均等分割したとき前記分割領域における前記重心点の密度に対する分割領域の頻度分布を表すヒストグラムを、分散相部分の分散不均一性を表す指標として用い
記有限要素解析を行う解析処理部では、前記モデル生成部で生成された前記複合材モデルが、前記解析処理部による前記有限要素解析の処理に供される請求項9に記載の複合材の力学特性シミュレーション装置。
Before SL model generating unit,
When equally dividing the centroid extracted image so as not to include the center of gravity in one of the divided areas even without least into a plurality of divided regions, the frequency of the divided regions with respect to density before Kikasane center point in the divided region a histogram representing the distribution, used as an index representing the dispersion non-uniformity of the dispersed phase portions,
The analysis processing unit for performing pre-Symbol finite element analysis, the composite model generated by the model generation unit, the composite material according to claim 9 to be subjected to the processing of the finite element analysis by the analysis processing unit Mechanical property simulation device.
前記複数の3次元有限要素は、互いに直交する3方向に同一の大きさの3次元有限要素である請求項または10に記載の複合材の力学特性シミュレーション装置。 The composite material dynamic characteristic simulation apparatus according to claim 9 or 10 , wherein the plurality of three-dimensional finite elements are three-dimensional finite elements having the same size in three directions orthogonal to each other. さらに、前記複合材の微視的構造を撮影した画像を取得する画像取得手段と、を有する請求項11のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション装置。 Further, mechanical characteristics simulation device of the composite material according to any one of the image acquisition means and, claims 9-11 that have a to acquire an image obtained by photographing the microscopic structure of the composite. 母相と分散相とを有する第1の複合材を有する構造体中の複合材の力学特性をシミュレートする複合材の力学特性シミュレーション方法であって、
全体解析手段が、前記母相と前記分散相とを区別することなく均一な部材として前記第1の複合材を有限要素で離散化した構造体モデルを作成するとともに、前記第1の複合材の材料パラメータを均一な部材とした等価パラメータで表して、前記第1の複合材を含む前記構造体全体の力学特性の有限要素解析を行う全体解析ステップと、
第1の部分解析手段が、前記分散相および前記母相の微視的構造を再現するために、請求項1〜のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法を行う第1の部分解析ステップと、を有し、
該第1の部分解析ステップは、前記第1の部分解析手段が、前記モデル生成ステップで生成された、前記複合材の微視的構造を再現した前記複合材モデルを用い、前記全体解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記第1の複合材の力学特性の有限要素解析を行うことを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション方法。
A method for simulating mechanical properties of a composite material that simulates the mechanical properties of the composite material in a structure having a first composite material having a matrix phase and a dispersed phase,
The overall analysis means creates a structure model in which the first composite material is discretized by a finite element as a uniform member without distinguishing the parent phase and the dispersed phase, and the first composite material An overall analysis step of performing a finite element analysis of the mechanical properties of the entire structure including the first composite material, the material parameters being represented by equivalent parameters with a uniform member;
The first partial analysis means performs the dynamic property simulation method for a composite material according to any one of claims 1 to 8 , in order to reproduce a microscopic structure of the dispersed phase and the matrix phase. And a partial analysis step of
In the first partial analysis step , the first partial analysis means uses the composite material model that reproduces the microscopic structure of the composite material generated in the model generation step, and performs the overall analysis step. A dynamic property simulation method for a composite material, comprising performing a finite element analysis of the mechanical properties of the first composite material based on information on a result of the finite element analysis obtained in step (1).
母相と分散相とを有する第1の複合材と、線材とこの線材を取り巻く母材を有する第2の複合材とを有する構造体における複合材の力学特性をシミュレートする複合材の力学特性シミュレーション方法であって、
前記第2の複合材の前記母材は、前記第1の複合材であって、
全体解析手段が、前記母相と前記分散相とを区別することなく、かつ前記線材と前記母材とを区別することなくそれぞれ均一な部材として前記第1の複合材および第2の複合材を有限要素で離散化した構造体モデルを作成するとともに、前記第1の複合材および前記第2の複合材の材料パラメータをそれぞれ均一な部材とした等価パラメータで表して、前記第1の複合材および前記第2の複合材を含む前記構造体全体の力学特性の有限要素解析を行う全体解析ステップと、
第2の部分解析手段が、前記線材および前記母材の各々を有限要素で離散化した線材モデルおよび母材モデルを作成し、前記全体解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記第2の複合材の力学特性の有限要素解析を行う第2の部分解析ステップと、
第3の部分解析手段が、前記分散相および前記母相の微視的構造を再現するために、請求項1〜のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法を行う第3の部分解析ステップと、を有し、
該第3の部分解析ステップは、前記第3の部分解析手段が、前記モデル生成ステップで生成された、前記複合材の微視的構造を再現した前記複合材モデルを用い、前記第2の部分解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記第1の複合材の力学特性の有限要素解析を行うことを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション方法。
Mechanical properties of a composite material simulating the mechanical properties of the composite material in a structure having a first composite material having a matrix and a dispersed phase, and a second composite material having a wire and a base material surrounding the wire. A simulation method comprising:
The base material of the second composite material is the first composite material,
The overall analysis means uses the first composite material and the second composite material as uniform members without distinguishing between the matrix phase and the dispersed phase and without distinguishing between the wire and the matrix. A structure model discretized by a finite element is created, and the first composite material and the second composite material are expressed by equivalent parameters, each of which is a uniform member. An overall analysis step for performing a finite element analysis of the mechanical properties of the entire structure including the second composite;
The second partial analysis unit creates a wire model and a base material model obtained by discretizing each of the wire and the base material with a finite element, and based on information on a result of the finite element analysis obtained in the overall analysis step. A second partial analysis step for performing a finite element analysis of the mechanical properties of the second composite material,
The third partial analysis means performs the mechanical property simulation method for a composite material according to any one of claims 1 to 8 , in order to reproduce a microscopic structure of the dispersed phase and the matrix phase. And a partial analysis step of
In the third partial analysis step , the third partial analysis means uses the composite material model that reproduces the microscopic structure of the composite material generated in the model generation step, and A mechanical property simulation method for a composite material, comprising performing a finite element analysis of the mechanical properties of the first composite material based on information on a result of the finite element analysis obtained in the partial analysis step.
前記第2の部分解析ステップでは、前記第2の部分解析手段が、複数回の有限要素解析を行い、有限要素解析の回数が増えるに従って、前記第2の複合材の構成をより詳細に再現して有限要素で離散化した線材モデルおよびこの線材モデルを取り巻く母材モデルを区別して作成し、1回目の有限要素解析では、前記全体解析ステップで得られた有限要素解析の結果の情報を用いて前記第2の複合材の力学特性の有限要素解析を行い、2回目以降の有限要素解析では、解析回数が1つ前の力学解析処理の結果の情報を用いて前記第2の複合材の力学特性の有限要素解析を行う請求項14に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。 In the second partial analysis step, the second partial analysis means performs the finite element analysis a plurality of times, and reproduces the configuration of the second composite material in more detail as the number of finite element analysis increases. In the first finite element analysis, the information of the result of the finite element analysis obtained in the overall analysis step is used in the first finite element analysis. Finite element analysis of the mechanical properties of the second composite material is performed, and in the second and subsequent finite element analyses, information on the result of the mechanical analysis processing of the previous analysis is used to determine the dynamics of the second composite material. The method for simulating mechanical properties of a composite material according to claim 14 , wherein finite element analysis of properties is performed. 前記第1の複合材の前記母相がポリマー材料からなり、前記分散相がカーボンおよびシリカの少なくとも一方の材料からなり、前記線材が撚りコードおよびテキスタイルコードの少なくとも一方の材料からなり、前記母材がポリマー材料からなる空気入りタイヤである請求項1315のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション方法。 The matrix of the first composite material is made of a polymer material, the dispersed phase is made of at least one of carbon and silica, the wire is made of at least one of a twisted cord and a textile cord, and the matrix The method for simulating mechanical properties of a composite material according to any one of claims 13 to 15 , wherein is a pneumatic tire made of a polymer material. 母相と分散相とを有する第1の複合材を有する構造体中の複合材の力学特性をシミュレートする複合材の力学特性シミュレーション装置であって、
前記母相と前記分散相とを区別することなく均一な部材として前記第1の複合材を有限要素で離散化した構造体モデルを作成するとともに、前記第1の複合材の材料パラメータを均一な部材とした等価パラメータで表して、前記第1の複合材を含む前記構造体全体の力学特性の有限要素解析を行う全体解析部と、
前記分散相および前記母相の微視的構造を再現するために、請求項12のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション装置を備える第1の部分解析部と、を有し、
該第1の部分解析部は、前記モデル生成部によって生成された、前記複合材の微視的構造を再現した前記複合材モデルを用い、前記全体解析部で得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記解析処理部による、前記第1の複合材の力学特性の有限要素解析を行うことを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション装置。
A composite mechanical property simulation apparatus for simulating the mechanical properties of a composite material in a structure having a first composite material having a matrix phase and a dispersed phase,
A structure model in which the first composite material is discretized by a finite element as a uniform member without distinguishing between the matrix phase and the dispersed phase is created, and the material parameters of the first composite material are made uniform. An overall analysis unit that performs finite element analysis of the mechanical characteristics of the entire structure including the first composite material, represented by equivalent parameters as members,
In order to reproduce the microscopic structure of the dispersed phase and the matrix phase, a first partial analysis unit including the composite mechanical property simulation apparatus according to any one of claims 9 to 12 is provided. And
The first partial analysis unit uses the composite material model that is generated by the model generation unit and reproduces the microscopic structure of the composite material, and uses the result of the finite element analysis obtained by the overall analysis unit. A composite material dynamic property simulation apparatus, wherein the analysis processing unit performs finite element analysis of the mechanical properties of the first composite material based on information.
母相と分散相とを有する第1の複合材と、線材とこの線材を取り巻く母材を有する第2の複合材とを有する構造体における複合材の力学特性をシミュレートする複合材の力学特性シミュレーション装置であって、
前記第2の複合材の前記母材は、前記第1の複合材であって、
前記母相と前記分散相とを区別することなく、かつ前記線材と前記母材とを区別することなくそれぞれ均一な部材として前記第1の複合材および第2の複合材を有限要素で離散化した構造体モデルを作成するとともに、前記第1の複合材および前記第2の複合材の材料パラメータをそれぞれ均一な部材とした等価パラメータで表して、前記第1の複合材および前記第2の複合材を含む前記構造体全体の力学特性の有限要素解析を行う全体解析部と、
前記線材および前記母材の各々を有限要素で離散化した線材モデルおよび母材モデルを作成し、前記全体解析部で得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記第2の複合材の力学特性の有限要素解析を行う第2の部分解析部と、
前記分散相および前記母相の微視的構造を再現するために、請求項12のいずれか1項に記載の複合材の力学特性シミュレーション装置を備える第3の部分解析部と、を有し、
該第3の部分解析部は、前記モデル生成部によって生成された、前記複合材の微視的構造を再現した前記複合材モデルを用い、前記第2の部分解析部で得られた有限要素解析の結果の情報に基づいて、前記解析処理部による、前記第1の複合材の力学特性の有限要素解析を行うことを特徴とする複合材の力学特性シミュレーション装置。
Mechanical properties of a composite material simulating the mechanical properties of the composite material in a structure having a first composite material having a matrix and a dispersed phase, and a second composite material having a wire and a base material surrounding the wire. A simulation device,
The base material of the second composite material is the first composite material,
The first composite material and the second composite material are discretized by finite elements as uniform members without distinguishing between the matrix phase and the dispersed phase and without distinguishing between the wire and the matrix. The first composite material and the second composite material are expressed by equivalent parameters in which the material parameters of the first composite material and the second composite material are respectively uniform members. An overall analysis unit for performing a finite element analysis of the mechanical properties of the entire structure including the material,
Based on the information of the result of the finite element analysis obtained by the overall analysis unit, a wire model and a base material model obtained by discretizing each of the wire and the base material with finite elements are used. A second partial analysis unit for performing finite element analysis of the mechanical properties of
A third partial analysis unit comprising the composite mechanical property simulation apparatus according to any one of claims 9 to 12 , in order to reproduce a microscopic structure of the dispersed phase and the matrix phase. And
The third partial analysis unit uses the composite material model that is generated by the model generation unit and reproduces the microscopic structure of the composite material, and uses the finite element analysis obtained by the second partial analysis unit. Based on the information of the result, a finite element analysis of the mechanical properties of the first composite material is performed by the analysis processing unit.
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