JP4631319B2 - Simulation model creation method for heterogeneous materials - Google Patents
Simulation model creation method for heterogeneous materials Download PDFInfo
- Publication number
- JP4631319B2 JP4631319B2 JP2004173599A JP2004173599A JP4631319B2 JP 4631319 B2 JP4631319 B2 JP 4631319B2 JP 2004173599 A JP2004173599 A JP 2004173599A JP 2004173599 A JP2004173599 A JP 2004173599A JP 4631319 B2 JP4631319 B2 JP 4631319B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- model
- matrix
- simulation
- heterogeneous
- creating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Tires In General (AREA)
Description
本発明は、材料特性の異なる複数の材料相が分散配置された不均質材料のシミュレーションモデル作成方法に関する。 The present invention relates to a method for creating a simulation model of a heterogeneous material in which a plurality of material phases having different material properties are dispersedly arranged.
タイヤのトレッドゴム部材やビードフィラーゴム部材等に用いられるフィラー配合ゴムや補強部材のバルク特性はタイヤ性能に影響を与える。このため、タイヤ性能のシミュレーション演算及びゴム材料特性のシミュレーション演算は、タイヤ開発の上で重要な要素となっている。バルク特性とは、材料特性の異なる材料相が分散配置された不均質材料の塊(バルク)の状態におけるマクロ特性であり、不均質材料を均質な材料と見なした場合の等価な材料特性である。 Bulk properties of filler-containing rubber and reinforcing members used for tire tread rubber members, bead filler rubber members and the like affect tire performance. For this reason, simulation calculation of tire performance and simulation calculation of rubber material characteristics are important factors in tire development. Bulk property is a macro property in the state of a mass (bulk) of heterogeneous material in which material phases with different material properties are dispersed, and equivalent material property when the heterogeneous material is regarded as a homogeneous material. is there.
上記フィラー配合ゴムのような材料特性の異なる複数の材料相が分散配置された不均質材料のバルク特性をシミュレーション演算により評価するには、例えば不均質材料の代表領域を直方体形状に切り出してシミュレーションモデルを作成することが行われている(特許文献1、2、3)。
そして、このシミュレーションモデルがあたかも上下、左右、奥行き方向に連続して無限に連なってバルク状を成しているように、シミュレーションモデルにおける直方体の対向する面に周期境界条件を付与してシミュレーション演算を行う。
In order to evaluate the bulk properties of heterogeneous materials in which a plurality of material phases with different material properties such as the above-mentioned filler-blended rubber are dispersed by simulation, for example, a representative model of the heterogeneous material is cut into a rectangular parallelepiped shape and a simulation model (
Then, as if this simulation model is infinitely continuous in the vertical and horizontal directions and in the depth direction and forms a bulk shape, the periodic calculation is performed by assigning periodic boundary conditions to the opposing faces of the rectangular parallelepiped in the simulation model. Do.
一方、上記シミュレーションモデルでは、有限要素等の単位セルを形成するためのメッシュ分割を容易に行う点から、同一の直方体形状の単位セル(以降、ボクセルともいう)を用いることが行われている(非特許文献1)。ここで、ボクセルは複数の離散点によって形状が特徴付けられたものであり、有限要素モデルでは有限要素をいう。
すなわち、ボクセルで構成したシミュレーションモデルを作成し、この後、ボクセル単位毎に材料相を1つずつ対応させてシミュレーション演算可能なモデル、すなわち、シミュレーション演算可能な全体行列(行列成分が数値化されて各ボクセルを表す要素行列が加算された行列)を作成する。この後、バルク特性を再現するために付与された周期境界条件を用いてシミュレーション演算可能な行列を修正した縮小化行列が前処理において作成され、この縮小化行列を用いてシミュレーション演算(本計算)を行う。
On the other hand, in the above simulation model, the same rectangular parallelepiped unit cells (hereinafter also referred to as voxels) are used because mesh division for forming unit cells such as finite elements is easily performed (hereinafter also referred to as voxels). Non-patent document 1). Here, the voxel is characterized by a plurality of discrete points, and in the finite element model, it means a finite element.
That is, a simulation model composed of voxels is created, and after that, a model that can be simulated by associating one material phase for each voxel unit, that is, an overall matrix that can be simulated (the matrix components are digitized) A matrix in which element matrices representing each voxel are added). After this, a reduced matrix is created in the pre-processing by modifying the matrix that can be simulated using the periodic boundary conditions given to reproduce the bulk characteristics, and simulation computation (this calculation) is performed using this reduced matrix. I do.
前処理では、例えば、直方体形状の代表領域における、対向する一方の端面上のボクセルの離散点を、他方の端面上のボクセルの離散点の挙動に拘束させる関係式を用いて、拘束される離散点の自由度をシミュレーション可能な全体行列から消去して縮小化行列を作成する。 In the preprocessing, for example, in a rectangular parallelepiped-shaped representative region, a discrete expression that is constrained using a relational expression that constrains a discrete point of a voxel on one opposing end face to the behavior of the discrete point of the voxel on the other end face. A reduced matrix is created by eliminating the degree of freedom of the points from the entire matrix that can be simulated.
しかし、この前処理では、代表領域の境界部に位置するボクセル毎に拘束すべき離散点が存在するため、例えば縦、横、奥行き方向にそれぞれ256個配列してシミュレーションモデルを構成した場合、拘束すべき離散点の数は極めて多数になる。このため、前処理に要する処理時間は極めて長くなり、シミュレーション演算に要する時間に比べて長くなる場合もある。
このように前処理を含めた1回のシミュレーション計算に時間かかるため、材料相の分散配置を変更し、或いは材料相の占有比率を変更して繰り返しシミュレーション計算を行う場合、極めて長時間の計算を要し、不均質材料の早期開発にとって実用上好ましくない。
However, in this pre-processing, there are discrete points to be constrained for each voxel located at the boundary of the representative region. For example, when 256 simulations are arranged in the vertical, horizontal, and depth directions, The number of discrete points to be increased is extremely large. For this reason, the processing time required for the pre-processing is extremely long, and may be longer than the time required for the simulation calculation.
In this way, since one simulation calculation including pre-processing takes time, when performing the simulation calculation repeatedly by changing the dispersion arrangement of the material phase or changing the occupation ratio of the material phase, the calculation takes an extremely long time. In short, it is not practically preferable for early development of heterogeneous materials.
そこで、本発明は、実行可能なシミュレーションモデルを表す行列を生成する際、前処理に時間をかけず、前処理を含めた1回のシミュレーション演算時間を短縮させることのできる不均質材料のシミュレーションモデル作成方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a heterogeneous material simulation model that can reduce the time for one simulation operation including preprocessing without generating time when generating a matrix representing an executable simulation model. The purpose is to provide a creation method.
上記目的を達成するために、本発明は、材料特性の異なる複数の材料相が分散配置された不均質材料のシミュレーションモデルを、コンピュータを用いて作成する不均質材料のシミュレーションモデル作成方法であって、前記コンピュータが、複数の離散点によって形状が特徴付けられた同一形状の単位セルを、少なくとも二方向に沿って連続的に複数個配置することによって前記不均質材料の代表領域の離散化モデルを作成するステップと、前記コンピュータが、前記離散化モデルにおける単位セルのそれぞれの配置方向の一方の端部に位置する単位セルの離散点の挙動が、他方の端部に位置する対応する離散点の挙動に滑らかに繋がるように、前記一方の端部に位置する離散点の挙動を前記他方の端部に位置する対応する離散点の挙動に拘束する周期境界条件を定めるステップと、前記コンピュータが、シミュレーション演算を行うための前記離散化モデルを表した全体行列から、前記周期境界条件を前記離散化モデルに付与して拘束される前記離散点の自由度を消去した縮小化行列を、前記単位セルの材料定数をパラメータとして入力することによりシミュレーション演算可能となる行列として生成する処理ルーチンを予め作成しておくステップと、作成された前記処理ルーチンをメモリに記憶保持するステップと、前記代表領域における材料相の分散配置に基づいて、前記離散化モデルの単位セル毎に材料定数がオペレータからの指示により入力操作系から前記コンピュータに入力されて定められるステップと、前記コンピュータが、前記メモリに記憶保持された前記処理ルーチンを呼び出し、定められた前記材料定数の値を前記処理ルーチンに与えて前記処理ルーチンを実行させることにより、前記縮小化行列の対応する行列成分に数値を与えてシミュレーション演算可能な縮小化行列を生成するステップと、を有し、前記シミュレーション演算可能な前記縮小化行列は、前記コンピュータによって、シミュレーション演算可能な全体行列が作成されることなく、前記処理ルーチンにおいて生成された前記縮小化行列に前記単位セルの材料定数が前記パラメータとして入力されることによりシミュレーション演算に先だって予め生成され、その後、外部から所定の物理量が付与されて行われる前記シミュレーション演算に用いられるものであり、前記シミュレーション演算可能な縮小化行列を生成するステップにおいては、各単位セルの前記材料定数が前記パラメータの値として入力されることで、前記縮小化行列の各行列成分に割り当てる数値が自動的に算出され、この数値が、メモリの、各行列成分に応じたアドレスに割り当てられて記憶保持されることを特徴とする不均質材料のシミュレーションモデル作成方法を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention is a method for creating a simulation model for a heterogeneous material using a computer to create a simulation model for a heterogeneous material in which a plurality of material phases having different material properties are dispersedly arranged. the computer, discretization of a representative area of the heterogeneous material by a unit cell of the same shape characterized the shape of a plurality of discrete points, continuous plurality arranged along the two directions even without least A step of creating a model, wherein the computer has a discrete point corresponding to a behavior of a discrete point of a unit cell located at one end of each arrangement direction of the unit cell in the discretization model. The behavior of the discrete point located at the one end is changed to the behavior of the corresponding discrete point located at the other end so that it is smoothly connected to the behavior of the point. A step of determining a beam to periodic boundary conditions, the computer, the discrete points from the entire matrix representing the discretized model for simulation operation is restrained by applying the periodic boundary conditions in the discrete model the processing routine reduction matrix erased freedom, the steps that you create a processing routine to generate a simulation operation can become a matrix by inputting a material constant of the unit cell as a parameter in advance, which was created Is stored in a memory, and a material constant is input to the computer from an input operation system according to an instruction from an operator and determined for each unit cell of the discretization model based on a dispersion arrangement of material phases in the representative region. a step that is, the computer, the processing is stored and held in the memory Call the routine, by executing the processing routine gives the value of the material constant defined in the processing routine, the corresponding matrix elements in giving numerical simulation operation possible reduction matrix of the reduction matrix possess and generating a said simulation operation possible the reduction matrix by the computer, without simulation operation possible whole matrix is created, the said reduction matrix generated in the process routine The material constant of the unit cell is input in advance as a parameter to be generated in advance prior to the simulation calculation, and then used for the simulation calculation performed with a predetermined physical quantity from the outside. In the step to generate the reduced matrix In this case, by inputting the material constant of each unit cell as the value of the parameter, a numerical value assigned to each matrix component of the reduced matrix is automatically calculated, and this numerical value is stored in each matrix of the memory. providing a simulation model creation method of heterogeneous material, characterized in Rukoto stored and held assigned to the address corresponding to the component.
前記不均質材料の代表領域及び前記単位セルの形状は、例えば、矩形形状又は直方体形状である。
前記コンピュータは、前記シミュレーション演算可能な縮小化行列を生成するステップにおいて、例えば、前記代表領域の形状が前記離散化モデルの輪郭形状に一致しない場合、前記離散化モデルの少なくとも一方向における形状寸法を定数倍して前記離散化モデルを拡縮することにより、前記離散化モデルの輪郭形状を代表領域の形状に一致させて前記離散化モデルの単位セル毎に定められた材料定数を用いて、前記処理ルーチンを実行させる。
また、前記コンピュータは、前記シミュレーション演算可能な縮小化行列を生成するステップにおいて、前記離散化モデルの各単位セルにそれぞれ1つの材料相を割り当て、割り当てられた材料相の材料定数の値を前記処理ルーチンに与えて実行させるのが好ましい。前記コンピュータは、前記シミュレーション演算可能な縮小化行列を生成するステップにおいて、前記離散化モデルの各単位セル毎に材料定数を定める際、単位セルの対応領域に複数の材料相が占める場合、この単位セルの対応する領域に占める材料相の体積占有率又は面積占有率の最も大きい材料相の材料定数の値を前記処理ルーチンに与えて実行させるのが好ましい。
The representative region of the heterogeneous material and the shape of the unit cell are, for example, a rectangular shape or a rectangular parallelepiped shape.
In the step of generating the reduced matrix that can be simulated, for example, when the shape of the representative region does not match the contour shape of the discretized model, the computer calculates a shape dimension in at least one direction of the discretized model. The processing is performed using a material constant determined for each unit cell of the discretization model by matching the contour shape of the discretization model with the shape of the representative region by scaling the discretization model by a constant multiplication. Run the routine.
In the step of generating a reduced matrix that can be simulated , the computer assigns one material phase to each unit cell of the discretized model, and processes the material constant value of the assigned material phase. It is preferable to give it to a routine for execution. In the step of generating a reduced matrix that can be simulated, the computer determines a material constant for each unit cell of the discretization model, and a unit of a plurality of material phases occupies a corresponding region of the unit cell. Preferably, the processing routine is executed by giving the value of the material constant of the material phase having the largest volume or area occupation ratio of the material phase in the corresponding region of the cell to the processing routine.
また、前記コンピュータは、前記シミュレーション演算可能な縮小化行列を生成するステップにおいて、前記離散化モデルの単位セル毎に材料定数を定める際、単位セルの対応領域に複数の材料相が占める場合、この単位セルの対応領域に占める材料相の体積占有率又は面積占有率を重み係数として材料定数の加重平均値を求め、この加重平均値を前記処理ルーチンに与えて実行させるのも同様に好ましい。 Further, in the step of generating a reduced matrix that can be simulated , the computer determines a material constant for each unit cell of the discretization model, and when a plurality of material phases occupy a corresponding region of the unit cell, It is also preferable that a weighted average value of material constants is obtained using the volume occupancy rate or area occupancy rate of the material phase in the corresponding region of the unit cell as a weighting factor, and this weighted average value is given to the processing routine for execution.
前記離散化モデルは、例えば、前記単位セルを有限要素とした有限要素モデルである。
あるいは、前記離散化モデルは、メッシュフリー法により離散化された部分モデルを有するものであってもよい。この場合、前記部分モデルは、前記複数の材料相のうち剛性が最も低い材料相の配置部分のモデルを少なくとも含むのが好ましい。
The discretization model is, for example , a finite element model in which the unit cell is a finite element.
Alternatively, the discrete model may it der having a discretized partial model by mesh-free method. In this case, the partial model preferably includes at least a model of an arrangement portion of the material phase having the lowest rigidity among the plurality of material phases.
なお、前記代表領域は、複数の輪郭線又は輪郭面が角度を成して接続された角部を有する多角形または多面体形状を有し、前記離散化モデルは、前記角部に対応する位置に前記単位セルの離散点を有し、この離散点の挙動は前記縮小化行列を生成する際拘束される。 The representative region has a polygon or polyhedron shape having a corner portion in which a plurality of contour lines or contour surfaces are connected at an angle, and the discretized model is located at a position corresponding to the corner portion. The unit cell has discrete points, and the behavior of the discrete points is constrained when generating the reduced matrix.
前記縮小化行列は、例えば、前記材料相の弾性率を前記パラメータとして各行列成分が数値化される剛性行列であり、前記物理量は、前記不均質材料に加わる力、応力又は強制変位であり、前記コンピュータは、前記不均質材料の歪み・応力解析を前記シミュレーション計算によって行う。その際、前記複数の材料相における弾性率のうち、最大の弾性率は、最小の弾性率の100倍以上である。
前記不均質材料には、カーポン又はシリカ等の粒状の補強材が材料相として分散配置されているのが好ましい。前記不均質材料には、例えば、材料特性の異なる複数のエラストマーが材料相として分散配置される。
本発明の不均質材料のシミュレーションモデル作成方法と、前記コンピュータが、前記シミュレーションモデル作成方法によって作成された前記処理ルーチンおよび前記シミュレーション演算可能な縮小化行列を用い、前記シミュレーション演算可能な縮小化行列に前記物理量を付与して前記シミュレーション演算を行うステップと、を有するのが好ましい。
前記コンピュータによって、前記複数の材料相の分散配置、もしくは前記不均質材料の代表領域に占める各材料相の体積占有率又は面積占有率を替えて、前記シミュレーション演算を行う際に、前記コンピュータは、前記シミュレーション演算に先だって、前記シミュレーション演算可能な全体行列を作成することなく、前記処理ルーチンを用いて前記シミュレーション演算可能な前記縮小化行列を予め生成し、その後、前記物理量を付与して前記シミュレーション演算を行うのが好ましい。
The reduction matrix is, for example, a stiffness matrix in which each matrix component is digitized using the elastic modulus of the material phase as the parameter, and the physical quantity is a force, stress, or forced displacement applied to the heterogeneous material, The computer performs strain / stress analysis of the heterogeneous material by the simulation calculation. At that time, the maximum elastic modulus among the elastic moduli in the plurality of material phases is 100 times or more the minimum elastic modulus.
In the heterogeneous material, it is preferable that granular reinforcing materials such as carpon or silica are dispersedly arranged as a material phase. In the heterogeneous material, for example , a plurality of elastomers having different material characteristics are dispersedly arranged as a material phase.
A simulation model creation method for a heterogeneous material according to the present invention, and the computer uses the processing routine created by the simulation model creation method and the reduced matrix capable of simulation calculation, to the reduced matrix capable of simulation calculation. It is preferable to include the step of applying the physical quantity and performing the simulation calculation.
When the computer performs the simulation calculation by changing the volume occupancy or area occupancy of each material phase in the dispersed arrangement of the plurality of material phases or the representative region of the heterogeneous material by the computer, the computer Prior to the simulation calculation, the reduced matrix capable of simulation calculation is generated in advance using the processing routine without creating the entire matrix that can be simulated, and then the simulation calculation is performed by adding the physical quantity. Is preferably performed.
本発明では、不均質材料の離散化モデルを表した全体行列から、周期境界条件を離散化モデルに付与して拘束される離散点の自由度を消去した縮小化行列を演算可能な行列として生成する処理ルーチンを予め作成しておく。この処理ルーチンでは、単位セルの材料定数をパラメータとして入力することにより演算可能な縮小化行列とする。このため、不均質材料の代表領域のシミュレーションモデルの演算可能な縮小化行列を前記処理ルーチンを用いて短時間に作成することができる。 In the present invention, a reduced matrix that eliminates the degrees of freedom of discrete points that are constrained by assigning periodic boundary conditions to the discretization model is generated as an operable matrix from the entire matrix that represents the discretization model of the heterogeneous material. A processing routine is prepared in advance. In this processing routine, a reduced matrix that can be calculated by inputting a material constant of a unit cell as a parameter is used. For this reason, a reduced matrix capable of calculating a simulation model of a representative region of a heterogeneous material can be created in a short time using the processing routine.
以下、本発明の不均質材料のシミュレーションモデル作成方法について、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。 Hereinafter, the method for creating a simulation model for a heterogeneous material according to the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings.
図1は本発明の不均質材料のシミュレーションモデル作成方法を実施する処理装置10の構成を機能的に示したブロック図である。
処理装置10は、入力操作系12、コンピュータ14及びディスプレイ16を有する。
入力操作系12は、マウスやキーボードであり、各種情報をオペレータの指示により入力するデバイスである。
FIG. 1 is a block diagram functionally showing the configuration of a
The
The
コンピュータ14は、CPU18、メモリ20を有し、この他に図示されないROM等を有する。コンピュータ14は、ROM等に記憶されたコンピュータソフトウェアを実行することにより、処理ルーチン作成部22、縮小化行列作成部24及びシミュレーション演算部26を機能的に形成し、本発明の不均質材料のシミュレーションモデル作成方法を実施する部分である。
ディスプレイ16は、入力操作系12を用いてオペレータが指示できるように入力画面を表示し、又後述する有限要素モデル及びシミュレーション演算結果を表示する部分である。
The
The
処理ルーチン作成部22は、バルク特性を解析するためのシミュレーション演算可能な縮小化行列を作成するための処理ルーチンを作成する部分である。処理ルーチンは、シミュレーション計算を行うための、有限要素モデルを表した全体行列から、周期境界条件によって拘束される節点の自由度を消去した縮小化行列を、各有限要素の材料定数をパラメータとして入力することにより演算可能な行列として生成するサブプログラムである。
処理ルーチン作成部22は、不均質材料の代表領域を再現した有限要素モデルを有限要素(ボクセル)によって作成し、作成した有限要素モデルに付与する周期境界条件を定めるとともに、さらに周期境界条件によって節点の自由度が縮小化された縮小化行列を生成する上記処理ルーチンを作成する。作成された処理ルーチンは、メモリ20に記憶保持される。
The processing
The processing
縮小化行列作成部24は、各有限要素に対して割り当てられた材料相に従って材料定数を定めるとともに、メモリ20に記憶保持された処理ルーチンを呼び出し、定められた材料定数の値を処理ルーチンに入力することによりに、縮小化行列の行列成分に数値を割り当て、演算可能な縮小化行列を作成する部分である。縮小化行列は、各行列成分の値がメモリ20内にアドレス管理されて割り当てられて記憶され、各有限要素毎に材料定数を定めることにより、対応する行列成分のメモリに数値化が振り分けられる。これにより縮小化行列はシミュレーション演算可能な行列となる。
The reduction
シミュレーション演算部26は、作成された演算可能な縮小化行列を用いてシミュレーション演算を行う。例えば、縮小化行列は、剛性行列であり、所定の位置に外力や強制変位を付与して応力・歪み解析を行って変形状態を再現したり、最大歪み分布を算出する。あるいは、縮小化行列は熱伝導行列であり、所定の位置に温度を付与して熱伝導を解析して温度分布や線膨脹係数を算出する。あるいは、外力として所定の物理量(変位、温度、濃度など)の勾配に相当する物体力分布を与え、さらに所定の応力分布を考慮した自己釣合い式を演算することで、弾性特性、熱伝導特性、熱弾性特性、粘弾性特性等を算出してもよい。
The
このような処理装置10で実施される不均質材料のシミュレーションモデルの作成方法を具体的に説明する。
図2は不均質材料のシミュレーションモデルの作成方法の一例の流れを示すフローチャートである。図3は不均質材料の代表領域の一例の断面図である。この不均質材料は、第1のポリマー相A(図3中白色領域)と、第2のポリマー相B(図3中黒領域)と、粒系フィラー相C(図3中の円形状の灰色領域)と、粒系フィラー相の周りを取り巻くフィラー・ポリマー境界相D(図3中の灰色領域)とが不均質に分散配置されている。すなわち、材料特性の異なる複数のエラストマーが材料相として分散配置され、さらに、粒状の補強材が材料相として分散配置されている。この不均質材料は、複数の材料相における弾性率のうち、例えば最大の弾性率は最小の弾性率の100倍以上である。不均質材料を構成する材料相は、エラストマーやフィラー等の固体相であるばかりでなく、気体や液体が満たされた空隙相であってもよい。
このような不均質材料についてシミュレーションモデルが作成される。
A method for creating a simulation model of a heterogeneous material performed in such a
FIG. 2 is a flowchart showing an exemplary flow of a method for creating a simulation model of a heterogeneous material. FIG. 3 is a cross-sectional view of an example of a representative region of a heterogeneous material. This heterogeneous material includes a first polymer phase A (white region in FIG. 3), a second polymer phase B (black region in FIG. 3), and a granular filler phase C (circular gray in FIG. 3). Region) and filler-polymer boundary phase D (gray region in FIG. 3) surrounding the particle filler phase are heterogeneously distributed. That is, a plurality of elastomers having different material characteristics are dispersedly arranged as a material phase, and further, granular reinforcing materials are dispersedly arranged as a material phase. This inhomogeneous material has, for example, the maximum elastic modulus among the elastic moduli in a plurality of material phases is 100 times or more the minimum elastic modulus. The material phase constituting the heterogeneous material is not only a solid phase such as an elastomer or a filler, but may also be a void phase filled with gas or liquid.
A simulation model is created for such a heterogeneous material.
まず、複数の離散点によって形状が特徴付けられた同一の直方体(6面体)形状のボクセル(単位セル)を、直交する三方向に沿って隣接しかつ連続的に複数個配置することによって不均質材料の代表領域の有限要素モデル(離散化モデル)を作成する(ステップS10)。
不均質材料の代表領域は、例えば直方体形状とし互いに直交する3方向にメッシュ分割することにより、直方体形状の有限要素を連続的に配置し、例えば256個×256個×256個の有限要素により構成した有限要素モデルを作成する。
図4は、直方体形状の有限要素によって構成された有限要素モデルの一例を示している。
First, heterogeneous by arranging a plurality of voxels (unit cells) of the same rectangular parallelepiped (hexahedral) shape characterized by a plurality of discrete points adjacent to each other in three orthogonal directions. A finite element model (discretization model) of the representative region of the material is created (step S10).
The representative region of the heterogeneous material is, for example, a rectangular parallelepiped shape, and is divided into meshes in three directions orthogonal to each other, thereby continuously arranging cuboid-shaped finite elements, for example, 256 × 256 × 256 finite elements. Create a finite element model.
FIG. 4 shows an example of a finite element model composed of rectangular parallelepiped finite elements.
次に、有限要素のそれぞれの配置方向の一方の端部に位置する有限要素の節点(離散点)の挙動が、他方の端部に位置する節点(離散点)の挙動に滑らかに繋がるように周期境界条件が定められる(ステップS20)。
次に、定められた周期境界条件を有限要素モデルに付与することにより、有限要素モデルの一方の端部に位置する節点を、他方の端部に位置する節点の挙動に拘束させて、拘束された節点の自由度を、有限要素モデルを表した全体行列から消去した縮小化行列を生成する処理ルーチンが作成される(ステップS30)。
Next, the behavior of the node (discrete point) of the finite element located at one end of each arrangement direction of the finite element is smoothly connected to the behavior of the node (discrete point) located at the other end. Periodic boundary conditions are determined (step S20).
Next, by giving the defined periodic boundary condition to the finite element model, the node located at one end of the finite element model is restrained by the behavior of the node located at the other end. A processing routine for generating a reduced matrix in which the degrees of freedom of the nodes are eliminated from the entire matrix representing the finite element model is created (step S30).
具体的には、各行列成分の値がメモリ20の所定のアドレスに記憶保持されることによって演算可能な縮小化行列が作成されるが、処理ルーチンはこのアドレス毎に記憶保持する各行列成分の値を算出し、かつ記憶すべきメモリ20のアドレスを指定する部分である。
上述したように縮小化行列は、有限要素モデルを表した全体行列に周期境界条件を付与されて拘束される節点の自由度が消去されたものである。縮小化行列は、有限要素モデルの各有限要素の行列成分を加算処理してできる全体行列から行列成分が修正されたものである。
Specifically, a reduced matrix that can be calculated is created by storing and holding the value of each matrix component at a predetermined address in the
As described above, the reduced matrix is obtained by eliminating the degrees of freedom of nodes that are constrained by applying a periodic boundary condition to the whole matrix representing the finite element model. The reduced matrix is obtained by correcting the matrix components from the entire matrix formed by adding the matrix components of each finite element of the finite element model.
この処理ルーチンでは、縮小化行列の行列成分に与える値を各有限要素の材料定数がパラメータとして入力可能に設定されており、このパラメータの値(材料定数の値)が入力されることで、縮小化行列の各行列成分に割り当てる値を自動的に算出し、この値をメモリ20の各行列成分に応じたアドレスに割り当てて記憶保持させる。
図5(a)及び(b)は有限要素モデルおよび各有限要素の行列成分を表した一例である。ここでは、簡易に説明するために有限要素A〜D、節点1〜9からなる有限要素モデルで説明し、行列は剛性行列とする。また、各節点の自由度は1自由度系であるとする。
In this processing routine, the value given to the matrix component of the reduced matrix is set so that the material constant of each finite element can be input as a parameter, and the parameter value (material constant value) is input to reduce the value. A value assigned to each matrix component of the quantization matrix is automatically calculated, and this value is assigned to an address corresponding to each matrix component in the
FIGS. 5A and 5B are examples showing a finite element model and matrix components of each finite element. Here, for the sake of simple explanation, a finite element model including finite elements A to D and nodes 1 to 9 will be described, and the matrix is assumed to be a stiffness matrix. Further, the degree of freedom of each node is assumed to be a one-degree-of-freedom system.
図5(a)中の有限要素A〜Dのそれぞれは、図5(b)に示すような剛性行列とする。
例えば有限要素Aの1行2列の行列成分k112は、有限要素Aにおける節点1と節点2との間の剛性を表し、これらの行列成分は有限要素の形状を規定することにより一意的に定められる。例えば、各有限要素の材料相を定めることで、ヤング率、剪断剛性及びポアソン比等の材料定数が定まり、各有限要素の剛性行列の行列成分の値が定まる。
このような剛性行列は、図5(a)に示す有限要素の配列に従って、剛性行列が加算処理されて下記[数1]に示す下記全体剛性マトリクスMとなる。
なお、図5(b)中のSymm.は、剛性行列の対角成分を中心として対称な行列成分を有することを意味する。例えば2行3列の行列成分k222は3行2列の行列成分と同様のものとして定義される。
Each of the finite elements A to D in FIG. 5A is a stiffness matrix as shown in FIG.
For example, the 1 × 2 matrix component k1 12 of the finite element A represents the rigidity between the node 1 and the
Such a stiffness matrix is added to the stiffness matrix in accordance with the finite element arrangement shown in FIG. 5A to become the following overall stiffness matrix M shown in the following [Equation 1].
Note that “Symm.” In FIG. 5B means that it has a symmetric matrix component centered on the diagonal component of the stiffness matrix. For example, the matrix component k2 22 having 2 rows and 3 columns is defined as the same as the matrix component having 3 rows and 2 columns.
また、全体剛性行列Mの非ゼロの行列成分をKijで(i,j=1〜8の自然数)表して下記[数2]のように表される。 Further, a non-zero matrix component of the entire stiffness matrix M is represented by K ij (i, j = 1 to 8 natural numbers) and expressed as [Equation 2] below.
そして、各節点の自由度をui(i=1〜9)、外力ベクトルをFi(i=1〜9)として行列方程式が下記式(1)のように生成される。
一方、図5(a)に示す有限要素モデルにおける周期境界条件は、下記[数4]のように表される。節点2と節点8、及び節点4と節点6は、互いに有限要素モデルの端部に位置し、周期境界条件が付与されるべき対応節点である。したがって、節点2と節点8、及び節点4と節点6の自由度は同じ値に拘束される。
また、節点1,3,7,9は有限要素モデルの2方向の境界面の角部に位置するため、節点1と3、及び節点7と9、及び節点1と7、及び節点3及び9は同じ値に拘束される。このような角部に位置する節点の挙動が滑らかに繋がる周期境界条件は、各節点の値が0に拘束されることを意味する。
On the other hand, the periodic boundary condition in the finite element model shown in FIG. 5A is expressed as [Equation 4] below. The
Further, since the
この周期境界条件のうち、節点1,3,7,9の周期境界条件(u1=u3=u7=u9=0)を式(1)に付与することで、下記式(2)となる。さらに、式(2)に節点2と節点8、及び節点4と節点6の周期境界条件を付与し、拘束する節点8及び節点6を消去することにより、下記式(3)のように表される。
この式(3)を有限要素A〜Dの各行列成分で表すと下記式(4)のようになる。
Of these periodic boundary conditions, the periodic boundary condition (u 1 = u 3 = u 7 = u 9 = 0) of the nodes 1, 3, 7, and 9 is given to the expression (1), so that the following expression (2) It becomes. Further, by assigning periodic boundary conditions of the
When this expression (3) is expressed by each matrix component of the finite elements A to D, the following expression (4) is obtained.
式(4)の左辺の剛性行列が、全体剛性行列Mに周期境界条件を付与して縮小化された縮小化剛性行列である。この縮小化剛性行列の行列成分は、各有限要素A〜Dにおける所定の剛性行列の行列成分の加算和となっているので、各有限要素A〜Dにおける剛性行列の行列成分の値、すなわち、有限要素A〜Dの材料定数が定められて行列成分の値が既知となると縮小化行列の行列成分を求めることができる。
上記式(4)で表される縮小化行列の行列成分の値を記憶すべきメモリ20のアドレスが縮小化剛性行列の行列成分毎に設定されており、処理ルーチンは、各有限要素の材料定数がパラメータとして入力されると、各有限要素における剛性行列の行列成分の値を算出し、この算出した値を縮小化行列の行列成分における対応するアドレスに割り当てて記憶保持させる処理を行うサブプログラムである。このようにして、各有限要素の行列成分の値が所定のアドレスに割り当てられ、既に記憶されている値に加算されて記憶される。このように、処理ルーチンは式(4)中の左辺に示す縮小化行列の各行列成分の値を算出して、演算可能とする縮小化行列を作成する。
The stiffness matrix on the left side of Equation (4) is a reduced stiffness matrix that is reduced by applying a periodic boundary condition to the overall stiffness matrix M. Since the matrix component of the reduced stiffness matrix is an addition sum of the matrix components of the predetermined stiffness matrix in each finite element A to D, the value of the matrix component of the stiffness matrix in each finite element A, that is, When the material constants of the finite elements A to D are determined and the values of the matrix components are known, the matrix components of the reduced matrix can be obtained.
The address of the
例えば、下記[数8]のように縮小化行列の行列成分をa1〜a6とすると、このa1〜a6としてメモリ20に記憶保持するアドレスが設定されており、このアドレスと各有限要素の剛性行列の行列成分との対応関係が下記[数9]のように定められる。
For example, if the matrix components of the reduced matrix are a1 to a6 as shown in [Equation 8] below, addresses to be stored and held in the
処理ルーチンの実行により、上記対応関係に従って各有限要素の剛性行列の各行列成分の値がメモリ20に割り当てられる。
処理ルーチンはメモリに記憶保存される。すなわち、ステップS10〜ステップS30によって処理ルーチンが一度作成されると、この処理ルーチンが以降のステップS40〜60において呼び出されて用いられる。
By executing the processing routine, the value of each matrix component of the stiffness matrix of each finite element is assigned to the
Processing routines are stored in memory. That is, once a processing routine is created in steps S10 to S30, this processing routine is called and used in subsequent steps S40 to S60.
次に、有限要素(ボクセル)毎に材料定数が設定される(ステップS40)。
具体的には、不均質材料の代表領域が切り出され、この代表領域における材料相の分散配置に基づいて、有限要素モデルの有限要素毎に材料定数が定められる。
図6は、図3に示す代表領域に対して作成された有限要素モデルの一例を示す図である。
図6中の右側拡大図に示すように各有限要素単位に1つの材料相が占めるように設定する。
有限要素モデルの各有限要素毎に材料定数を定める際、図7(a)に示すように有限要素の対応領域に複数の材料相(図7(a)中の灰色の相及び白色の相)が占める場合、この有限要素の対応する領域に占める材料相の体積占有率又は面積占有率の最も大きい材料相の材料定数の値を定める。図7(a)中の領域Rは、灰色の相の占有率が白色の相の占有率に比べて大きいため、この領域Rの有限要素には、灰色の相の材料定数が割り当てられて材料定数が定められる。図7(a)のように複数の材料相が1つの有限要素の領域に占める場合、図7(b)のように1つの材料相が有限要素単位で定められる。
なお、材料定数の設定は上記方法に限定されない。例えば、有限要素の対応領域に占める材料相の体積占有率又は面積占有率を重み係数として各材料相の材料定数の加重平均値を求め、この荷重平均値をこの有限要素における材料定数として定めてもよい。
Next, a material constant is set for each finite element (voxel) (step S40).
Specifically, a representative region of the heterogeneous material is cut out, and a material constant is determined for each finite element of the finite element model based on the dispersed arrangement of the material phase in this representative region.
FIG. 6 is a diagram showing an example of a finite element model created for the representative region shown in FIG.
As shown in the enlarged view on the right side in FIG. 6, each finite element unit is set to occupy one material phase.
When determining the material constant for each finite element of the finite element model, a plurality of material phases (gray phase and white phase in FIG. 7A) are provided in the corresponding region of the finite element as shown in FIG. Occupies the material constant value of the material phase having the largest volume or area occupancy of the material phase in the corresponding region of the finite element. In the region R in FIG. 7A, the gray phase occupancy is larger than the white phase occupancy, so the gray phase material constants are assigned to the finite elements in this region R, A constant is defined. When a plurality of material phases occupy one finite element region as shown in FIG. 7A, one material phase is determined in units of finite elements as shown in FIG. 7B.
The setting of the material constant is not limited to the above method. For example, the weighted average value of the material constant of each material phase is obtained using the volume occupancy or area occupancy of the material phase in the corresponding region of the finite element as a weighting factor, and the load average value is determined as the material constant in the finite element. Also good.
次に、設定された材料定数の値を、各有限要素毎にステップ30で作成された処理ルーチンのパラメータとして入力することで、処理ルーチンは上述したように、各有限要素における行列の行列成分の値を算出し、この算出した値を縮小化行列成分における対応するメモリ20のアドレスに割り当てる(ステップS50)。
こうして作成された縮小化行列は各行列成分に数値が付与された演算可能な行列であり、しかも周期境界条件が付与されている。この縮小化行列に所定の外力が付与されてシミュレーション演算が行われる(ステップS60)。例えば縮小化行列が剛性行列の場合、外力は不均質材料に加わる力又は応力等であり、熱伝導行列の場合、外力は不均質材料に供給される熱量である。
Next, by inputting the set material constant value as a parameter of the processing routine created in step 30 for each finite element, the processing routine, as described above, sets the matrix component of the matrix in each finite element. A value is calculated, and the calculated value is assigned to the address of the corresponding
The reduced matrix created in this way is an operable matrix in which numerical values are given to the respective matrix components, and a periodic boundary condition is given. A predetermined external force is applied to the reduced matrix and a simulation calculation is performed (step S60). For example, when the reduction matrix is a stiffness matrix, the external force is a force or stress applied to the heterogeneous material, and when the reduction matrix is a heat conduction matrix, the external force is the amount of heat supplied to the heterogeneous material.
シミュレーション演算は、付与された外力と縮小化行列とから各節点の挙動uiを算出することによって行われる(ステップS60)。
図8(a),(b)は、図6に示す有限要素モデルを用いて縮小化剛性行列を作成し、シミュレーション演算を行った結果を示す図である。
図8(a)は、所定の外力が付与されたときの有限要素モデルの変形状態を示した変形図であり、図8(b)はその時の最大主歪み分布である。
図8(a)で白色、灰色、黒色領域は、それぞれ図3における第2のポリマー相、第1のポリマー相及びフイラー・ポリマー境界相、粒系フィラー相を示している。そして、有限要素モデルの境界面は外力により変形している。
The simulation calculation is performed by calculating the behavior u i of each node from the applied external force and the reduced matrix (step S60).
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing results of creating a reduced stiffness matrix using the finite element model shown in FIG. 6 and performing a simulation calculation.
FIG. 8A is a deformation diagram showing a deformation state of the finite element model when a predetermined external force is applied, and FIG. 8B is a maximum main strain distribution at that time.
In FIG. 8A, white, gray, and black regions indicate the second polymer phase, the first polymer phase, the filler-polymer boundary phase, and the particulate filler phase in FIG. 3, respectively. The boundary surface of the finite element model is deformed by an external force.
なお、不均質材料の切り出した代表領域の形状が有限要素モデルの輪郭形状に一致しないときは、有限要素モデルの少なくとも一方向における形状寸法を定数倍して有限要素モデルを拡縮することにより、有限要素モデルの輪郭形状を代表領域の形状に一致させて、有限要素モデルにおける材料定数の設定を行ってもよい。 If the shape of the representative region cut out of the heterogeneous material does not match the contour shape of the finite element model, the finite element model is expanded and contracted by multiplying the finite element model by a constant size in at least one direction. The material constant in the finite element model may be set by matching the contour shape of the element model with the shape of the representative region.
このような不均質材料の代表領域を再現した有限要素モデルの作成は、予め処理ルーチンを作成し、この処理ルーチンを用いてシミュレーション演算可能な縮小化行列を効率よく作成することができる。
例えば、256個×256個×1個の3次元の有限要素の配置構成の有限要素モデルにおいて、材料定数の値を有限要素毎に定めることにより、周期境界条件が付与された縮小化行列を作成する処理ルーチンを作成しておき、この処理ルーチンを用いて演算可能な縮小化行列を作成する、ステップS40及び50に要する処理時間は5分であり、ステップS60におけるシミュレーション演算に要する本計算の処理時間は14分であり、合計処理時間は19分である。一方、従来のように演算可能な全体行列を作成した後、周期境界条件を付与して縮小化行列を作成する場合、縮小化行列の作成に要する前処理時間は30分となる。本計算に要する処理時間は同じ縮小化行列を用いるため上記処理時間と同様の14分であり、合計処理時間は44分となる。
特に、材料相の分散配置を種々替えて、あるいは材料相の代表領域における体積占有比率を替えてシミュレーション計算を繰り返し行う場合、演算可能な縮小化行列を繰り返し作成する必要がある。このため、処理ルーチンを何度も用いて縮小行列を短時間に作成することができる。
The creation of a finite element model that reproduces the representative region of such a heterogeneous material can create a processing routine in advance and efficiently create a reduced matrix that can be simulated using this processing routine.
For example, in a finite element model with 256 × 256 × 1 three-dimensional finite element arrangement, a reduced matrix with periodic boundary conditions is created by setting the material constant value for each finite element. The processing time required for steps S40 and S50 to create a reduced matrix that can be calculated using this processing routine is 5 minutes, and this calculation processing required for the simulation calculation in step S60 The time is 14 minutes and the total processing time is 19 minutes. On the other hand, when a reduced matrix is created by assigning a periodic boundary condition after creating an entire matrix that can be operated as in the prior art, the preprocessing time required for creating the reduced matrix is 30 minutes. The processing time required for this calculation is 14 minutes, which is the same as the above processing time because the same reduced matrix is used, and the total processing time is 44 minutes.
In particular, when the simulation calculation is repeatedly performed by changing the dispersion arrangement of the material phase or changing the volume occupation ratio in the representative region of the material phase, it is necessary to repeatedly create an operable reduction matrix. Therefore, the reduced matrix can be created in a short time by using the processing routine many times.
一方、有限要素の要素行列を有限要素の配列に従って加算処理して全体行列を作成し、この全体行列に周期境界条件を付与するために、ペナルティー数K(行列成分に比べて非常に大きな数)を所定の行列成分に加えてシミュレーション演算の本計算を行うこともできる。例えば[数2]に示す全体行列の節点4と節点6を拘束する場合、下記[数10]に示すように4行4列、4行6列、6行4列及び6行6列の行列成分にそれぞれK、−K、K、−Kの値を加算する。
On the other hand, a penalty number K (a very large number compared to the matrix component) is used to create an entire matrix by adding an element matrix of finite elements according to an array of finite elements, and to give a periodic boundary condition to the entire matrix. Can be added to a predetermined matrix component to perform the simulation calculation. For example, when the
しかし、この場合、上述の縮小化行列のように拘束すべき節点の自由度を消去しないので、全体行列の行列サイズのまま本計算を行う。このため、縮小化行列を用いて行う本計算の処理時間は22分となり、上述したよう本発明における前処理及び本計算の合計処理時間19分に比べて増大し、合計処理時間19分に比べて長くなる。
このように、本発明では、縮小化行列を作成する処理時間及びシミュレーション演算処理の処理時間の合計処理時間は従来に比べて短く、効率よくシミュレーション演算を行うことができる。
However, in this case, since the degrees of freedom of nodes to be constrained are not deleted as in the above-described reduced matrix, this calculation is performed with the matrix size of the entire matrix. For this reason, the processing time of the calculation becomes 22 minutes to perform using a reduction matrix, increased compared to the total processing time 19 minutes prior to processing and the calculation in the present invention as described above, the total processing time 19 minutes Longer than that.
As described above, according to the present invention, the total processing time of the processing time for creating the reduced matrix and the processing time of the simulation calculation processing is shorter than that of the conventional method, and the simulation calculation can be performed efficiently.
なお、上記実施形態では、不均質材料の代表領域を3次元領域として、直方体形状(立方体形状を含む)の有限要素を用いて単位セルを構成した3次元有限要素モデルを作成するが、この単位セルは直方体形状に限定されず、4面体形状、6面体形状等、複数の同一形状の単位セルを、単位セルを互いに接合させて少なくとも二方向に沿って連続的に複数個配置することによって不均質材料の代表領域の空間を隙間無く占める形状であればどのようなものであってもよい。また、不均質材料の代表領域を2次元平面領域として有限要素を矩形形状とするものであってもよく、正3角形、正6角形等の2次元形状で構成された2次元の有限要素モデルを作成してもよい。また、ジグソーパズルの1ピースの形状のように、単位セルの輪郭部を互いに接合させて少なくとも二方向に沿って連続的に複数個配置することによって不均質材料の代表領域の領域を隙間無く占める形状であればどのようなものであってもよい。 In the above embodiment, the representative region of the heterogeneous material is set as a three-dimensional region, and a three-dimensional finite element model in which a unit cell is formed using a finite element having a rectangular parallelepiped shape (including a cubic shape) is created. The cell is not limited to a rectangular parallelepiped shape, and a plurality of unit cells having the same shape such as a tetrahedron shape and a hexahedron shape are not arranged by joining the unit cells to each other and arranging them continuously in at least two directions. Any shape may be used as long as it occupies the space of the representative region of the homogeneous material without any gap. Further, the representative region of the heterogeneous material may be a two-dimensional planar region, and the finite element may be a rectangular shape, and a two-dimensional finite element model composed of a two-dimensional shape such as a regular triangle or a regular hexagon. May be created. In addition, a shape that occupies the region of the representative region of the heterogeneous material without gaps by joining a plurality of unit cell contours and arranging them continuously in at least two directions, such as a one-piece shape of a jigsaw puzzle Anything may be used.
さらに、単位セルは、有限要素に限らない。例えばメッシュフリー法で規定されるサポートの範囲を単位セルとして、メッシュフリー法によりモデル化してもよい。
メッシュフリー法とは、図9に示すように、複数の要素点(離散点)が連続して配置される状態において、注目する要素点50a(図9中、黒丸)を中心として距離ρ0 内の範囲をサポートとし、この範囲において図9に示すようなスプライン関数、例えば4次のスプライン関数で重み関数w(x,y)が設定されている。すなわち、各要素点において距離ρ0内の範囲をサポートとして単位セルが設定されている。
Furthermore, the unit cell is not limited to a finite element. For example, the support range defined by the mesh-free method may be used as a unit cell, and modeling may be performed by the mesh-free method.
As shown in FIG. 9, the mesh-free method is within a distance ρ 0 centering on the
この重み関数w(x,y)を用いて、注目する要素点を中心としたサポート内の各要素点の位置座標(xi ,yi )(iは1〜nの整数;nはサポート内の要素点の総数)から重み係数を求め、各要素点の位置座標と重み係数とから、物理量を表す内挿関数N(x,y)を下記式(5)によって設定する。さらに、下記式(6)に従ってサポート内の要素点における物理量の値φi(i=1〜nの整数)から物理量の近似関数φh (x,y)を定める。この設定方法は、サポート内において、物理量の値φiに対する誤差が最小化するように近似関数φh (x,y)を定めるものであり、つまり、移動最小二乗法による近似手法によって求められるものである。詳細は、「計算力学ハンドブック 第1巻 有限要素法(構造編集)」(日本機械学会、1998年、第377〜379頁)に記載されている。 Using this weight function w (x, y), the position coordinates (x i , y i ) of each element point in the support around the element point of interest (i is an integer from 1 to n; n is in the support) The weighting coefficient is obtained from the total number of element points), and an interpolation function N (x, y) representing a physical quantity is set by the following equation (5) from the position coordinates of each element point and the weighting coefficient. Further, an approximate function φ h (x, y) of the physical quantity is determined from the physical quantity value φ i (an integer from 1 to 1) at the element points in the support according to the following formula (6). This setting method is to determine the approximation function φ h (x, y) so that the error with respect to the value of the physical quantity φ i is minimized within the support, that is, to be obtained by an approximation method using the moving least square method. It is. Details are described in “Computational Mechanics Handbook Vol. 1 Finite Element Method (Structure Editing)” (Japan Society of Mechanical Engineers, 1998, pp. 377 to 379).
この内挿関数を用いて変形する不均質材料の1つの材料相の応力場における物理量の近似関数を表し、この物理量の近似関数を、ガラーキン法により定式化されている、有限要素法で用いられる応力場の支配方程式に代入することで、有限要素法における各有限要素における剛性行列に対応した剛性行列を作成することができる。このように、上記式(5)で作成される内挿関数は、サポート内の要素点の位置情報と重み関数w(x,y)で定まる重み係数によって定まるので、変形を受けて変位した要素点に応じて内挿関数が変化することを特徴とする。この点、モデルを設定した時点で、物理量を表す内挿関数が有限要素の形状に応じて一意的に定まる有限要素法とは異なる。 Represents an approximate function of the physical quantity in the stress field of one material phase of a heterogeneous material that deforms using this interpolation function, and this approximate function of the physical quantity is used in the finite element method formulated by the Galerkin method. By substituting into the governing equation of the stress field, a stiffness matrix corresponding to the stiffness matrix of each finite element in the finite element method can be created. Thus, the interpolation function created by the above equation (5) is determined by the position information of the element points in the support and the weighting coefficient determined by the weighting function w (x, y). The interpolation function varies depending on the point. This is different from the finite element method in which the interpolation function representing the physical quantity is uniquely determined according to the shape of the finite element when the model is set.
このように、メッシュフリー法により作成されるモデルでは、内挿関数はサポート内の要素点の位置情報と重み関数w(x,y)で定まる重み係数によって定まるので、変形を受けて変位した要素点に応じて内挿関数が変化するため、大変形の計算において発散しにくいといった特徴を有する。このことから、メッシュフリー法により離散化される部分は、複数の材料相のうち剛性が最も低い材料相の配置部分を少なくとも含むようにし、残りの部分は、有限要素で構成するモデルであってもよい。これにより、剛性が100倍以上異なるエラストマーとカーボンブラック等の粒状の補強材からなる不均質材料であっても、剛性の弱い材料相の局部的な大変形に対して発散することなくシミュレーション演算を行うことができる。 As described above, in the model created by the mesh-free method, the interpolation function is determined by the position information of the element points in the support and the weighting coefficient determined by the weighting function w (x, y). Since the interpolation function changes depending on the point, it has a feature that it is difficult to diverge in the calculation of large deformation. From this, the part to be discretized by the mesh-free method includes at least the arrangement part of the material phase having the lowest rigidity among the plurality of material phases, and the remaining part is a model composed of finite elements. Also good. As a result, even if it is a heterogeneous material consisting of granular reinforcements such as carbon black and other elastomers that differ in rigidity by 100 times or more, simulation calculation can be performed without divergence against local large deformation of a weakly rigid material phase. It can be carried out.
以上、本発明の不均質材料のシミュレーションモデル作成方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。 As mentioned above, although the simulation model creation method of the heterogeneous material of this invention was demonstrated in detail, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the main point of this invention, even if various improvement and a change are carried out. Of course it is good.
10 処理装置
12 入力操作系
14 コンピュータ
16 ディスプレイ
18 CPU
20 メモリ
22 処理ルーチン作成部
24 縮小化行列作成部
26 シミュレーション演算部
DESCRIPTION OF
20
Claims (16)
前記コンピュータが、複数の離散点によって形状が特徴付けられた同一形状の単位セルを、少なくとも二方向に沿って連続的に複数個配置することによって前記不均質材料の代表領域の離散化モデルを作成するステップと、
前記コンピュータが、前記離散化モデルにおける単位セルのそれぞれの配置方向の一方の端部に位置する単位セルの離散点の挙動が、他方の端部に位置する対応する離散点の挙動に滑らかに繋がるように、前記一方の端部に位置する離散点の挙動を前記他方の端部に位置する対応する離散点の挙動に拘束する周期境界条件を定めるステップと、
前記コンピュータが、シミュレーション演算を行うための前記離散化モデルを表した全体行列から、前記周期境界条件を前記離散化モデルに付与して拘束される前記離散点の自由度を消去した縮小化行列を、前記単位セルの材料定数をパラメータとして入力することによりシミュレーション演算可能となる行列として生成する処理ルーチンを予め作成しておくステップと、
前記コンピュータが、作成された前記処理ルーチンをメモリに記憶保持するステップと、
前記代表領域における材料相の分散配置に基づいて、前記離散化モデルの単位セル毎に材料定数がオペレータからの指示により入力操作系から前記コンピュータに入力されて定められるステップと、
前記コンピュータが、前記メモリに記憶保持された前記処理ルーチンを呼び出し、定められた前記材料定数の値を前記処理ルーチンに与えて前記処理ルーチンを実行させることにより、前記縮小化行列の対応する行列成分に数値を与えてシミュレーション演算可能な縮小化行列を生成するステップと、を有し、
前記シミュレーション演算可能な前記縮小化行列は、前記コンピュータによって、シミュレーション演算可能な全体行列が作成されることなく、前記処理ルーチンにおいて生成された前記縮小化行列に前記単位セルの材料定数が前記パラメータとして入力されることによりシミュレーション演算に先だって予め生成され、その後、外部から所定の物理量が付与されて行われる前記シミュレーション演算に用いられるものであり、
前記シミュレーション演算可能な縮小化行列を生成するステップにおいては、各単位セルの前記材料定数が前記パラメータの値として入力されることで、前記縮小化行列の各行列成分に割り当てる数値が自動的に算出され、この数値が、メモリの、各行列成分に応じたアドレスに割り当てられて記憶保持されることを特徴とする不均質材料のシミュレーションモデル作成方法。 A method for creating a heterogeneous material simulation model in which a simulation model of a heterogeneous material in which a plurality of material phases having different material properties are dispersedly arranged is created using a computer,
The computer is a discrete model of a representative area of the heterogeneous material by a unit cell of the same shape which shape is characterized by a plurality of discrete points, continuous plurality arranged along the two directions even without least The steps of creating
The computer smoothly connects the behavior of the discrete points of the unit cells located at one end of each arrangement direction of the unit cells in the discretization model to the behavior of the corresponding discrete points located at the other end. Defining a periodic boundary condition that constrains the behavior of the discrete points located at the one end to the behavior of the corresponding discrete points located at the other end; and
A reduced matrix in which the computer eliminates the degrees of freedom of the discrete points constrained by assigning the periodic boundary condition to the discretized model from the whole matrix representing the discretized model for performing a simulation operation. a step of previously created a process routine for generating a simulation operation can become a matrix by inputting a material constant of the unit cell as a parameter,
The computer stores the created processing routine in a memory; and
Based on the distributed material phase in the representative region, and the step material constants for each unit cell of the discrete model is that determined are entered into the computer from the input operation system in accordance with an instruction from the operator,
Matrix component wherein the computer invokes the routine that is stored and held in the memory, by executing the processing routine gives the value of the material constant defined in the processing routine, a corresponding of the reduction matrix giving numerical possess generating a simulation operation possible reduction matrix, to,
The reduced matrix that can be simulated is not created by the computer as a whole matrix that can be simulated, and the material constant of the unit cell is used as the parameter in the reduced matrix generated in the processing routine. It is generated in advance prior to the simulation calculation by being input, and then used for the simulation calculation performed by being given a predetermined physical quantity from the outside,
In the step of generating a reduced matrix that can be simulated, the material constant of each unit cell is input as the value of the parameter, so that a numerical value assigned to each matrix component of the reduced matrix is automatically calculated. is, this number is, the memory, the simulation model creation method of heterogeneous materials stored and held assigned to the address corresponding to each matrix element, characterized in Rukoto.
前記離散化モデルは、前記角部に対応する位置に前記単位セルの離散点を有し、この離散点の挙動は前記縮小化行列を生成する際拘束される請求項1〜9のいずれか1項に記載の不均質材料のシミュレーションモデル作成方法。 The representative region has a polygonal or polyhedral shape having a corner portion where a plurality of contour lines or contour surfaces are connected at an angle,
The discretization model has discrete points of the unit cell at positions corresponding to the corners, and the behavior of the discrete points is constrained when generating the reduced matrix. A method for creating a simulation model of a heterogeneous material as described in the paragraph.
前記コンピュータが、前記シミュレーションモデル作成方法によって作成された前記処理ルーチンおよび前記シミュレーション演算可能な縮小化行列を用い、前記シミュレーション演算可能な縮小化行列に前記物理量を付与して前記シミュレーション演算を行うステップと、を有することを特徴とする不均質材料のシミュレーション演算方法。The computer using the processing routine created by the simulation model creation method and the reduced matrix capable of simulation calculation, and performing the simulation calculation by assigning the physical quantity to the reduced matrix capable of simulation calculation; A method of calculating a simulation of a heterogeneous material, comprising:
前記コンピュータは、前記シミュレーション演算に先だって、前記シミュレーション演算可能な全体行列を作成することなく、前記処理ルーチンを用いて前記シミュレーション演算可能な前記縮小化行列を予め生成し、その後、前記物理量を付与して前記シミュレーション演算を行う請求項15に記載の不均質材料のシミュレーション演算方法。Prior to the simulation calculation, the computer generates the reduced matrix that can be simulated using the processing routine in advance without creating the entire matrix that can be simulated, and then assigns the physical quantity. The simulation calculation method for a heterogeneous material according to claim 15, wherein the simulation calculation is performed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004173599A JP4631319B2 (en) | 2004-06-11 | 2004-06-11 | Simulation model creation method for heterogeneous materials |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004173599A JP4631319B2 (en) | 2004-06-11 | 2004-06-11 | Simulation model creation method for heterogeneous materials |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005352818A JP2005352818A (en) | 2005-12-22 |
JP4631319B2 true JP4631319B2 (en) | 2011-02-16 |
Family
ID=35587247
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004173599A Expired - Fee Related JP4631319B2 (en) | 2004-06-11 | 2004-06-11 | Simulation model creation method for heterogeneous materials |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4631319B2 (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4961955B2 (en) * | 2006-11-07 | 2012-06-27 | 横浜ゴム株式会社 | Structure simulation method |
US8380776B2 (en) * | 2009-03-02 | 2013-02-19 | The Yokohama Rubber Co., Ltd. | Computational method of material constant of composite material and volume fraction of material component in composite material, and recording medium |
US8170846B2 (en) * | 2009-04-14 | 2012-05-01 | The Yokohama Rubber Co., Ltd. | Computation method of mechanical material constant of composite material and volume fraction of material component in composite material, and recording medium |
JP6750274B2 (en) * | 2016-03-30 | 2020-09-02 | 横浜ゴム株式会社 | Heterogeneous material simulation method, heterogeneous material simulation device and program |
CN115062439B (en) * | 2022-07-27 | 2022-11-25 | 浙江吉利控股集团有限公司 | Simplified model construction method, device, equipment and readable storage medium |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1011613A (en) * | 1996-06-25 | 1998-01-16 | Matsushita Electric Works Ltd | Method for preparing three-dimensional finite element model for micro structure of composite material |
JP2003347301A (en) * | 2002-05-29 | 2003-12-05 | Fujitsu Ltd | Method for structural analysis and method for structural design using homogenizing method |
-
2004
- 2004-06-11 JP JP2004173599A patent/JP4631319B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1011613A (en) * | 1996-06-25 | 1998-01-16 | Matsushita Electric Works Ltd | Method for preparing three-dimensional finite element model for micro structure of composite material |
JP2003347301A (en) * | 2002-05-29 | 2003-12-05 | Fujitsu Ltd | Method for structural analysis and method for structural design using homogenizing method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2005352818A (en) | 2005-12-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rabczuk et al. | Adaptivity for structured meshfree particle methods in 2D and 3D | |
JP5911077B2 (en) | Coupling calculation apparatus, coupling calculation method, and coupling calculation program for air, water and soil skeleton | |
JP3313040B2 (en) | Design support system for structures, etc. | |
JP4548005B2 (en) | Operation method of processing apparatus for creating simulation model of heterogeneous material | |
CN112889058B (en) | Method and device for analyzing sensitivity of vehicle body component, and method for determining material characteristics of vehicle body component | |
JP5854067B2 (en) | Method for creating simulation model of heterogeneous material, simulation method for heterogeneous material, and program | |
Lai et al. | 3-D elasto-plastic large deformations: IGA simulation by Bézier extraction of NURBS | |
Tatting et al. | Cellular automata for design of two-dimensional continuum structures | |
JP5003303B2 (en) | Method for creating simulation model of composite material and simulation method | |
US7702490B1 (en) | Method and system for adaptive mesh-free shell structures | |
JP5169279B2 (en) | Method of operating heterogeneous material model creation apparatus, method of operating heterogeneous material simulation apparatus using this method, heterogeneous material model creation apparatus, and heterogeneous material simulation apparatus | |
CN114970260B (en) | Lattice phase field method for simulating composite material damage | |
US20210173979A1 (en) | Geometrical Dimensionality Control in Optimization | |
JP4093994B2 (en) | Simulation method for heterogeneous materials | |
EP3674962A1 (en) | Computer simulation of physical fluids on a mesh in an arbitrary coordinate system | |
Tovar et al. | Hybrid cellular automata: a biologically-inspired structural optimization technique | |
JP4631319B2 (en) | Simulation model creation method for heterogeneous materials | |
JP5324820B2 (en) | How to create an analysis model | |
Chasapi et al. | Geometrically nonlinear analysis of solids using an isogeometric formulation in boundary representation | |
Su et al. | Automatic image-based SBFE-BESO approach for topology structural optimization | |
Abdi | Evolutionary topology optimization of continuum structures using X-FEM and isovalues of structural performance | |
JP4605300B2 (en) | Method for calculating mechanical material constant of composite material, method for calculating volume fraction of material in composite material, and recording medium | |
Saxena | An adaptive material mask overlay method: Modifications and investigations on binary, well connected robust compliant continua | |
JP3924701B2 (en) | Topology optimization method using continuous material distribution | |
JP2005528701A (en) | Topology modeler |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070322 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100330 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100528 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20101019 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20101101 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4631319 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131126 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131126 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |