JP5006724B2 - Finite element analysis method for anisotropic members - Google Patents

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本発明は、異方性部材の有限要素法解析方法に関するものである。   The present invention relates to a finite element method analysis method for anisotropic members.

従来より、ゴムをはじめ様々な材質からなる部材の変形や応力の解析に有限要素法(FEM)が用いられている(例えば特許文献1、特許文献2参照)。解析には、部材の形状や部材の材質の弾性係数等の物性値が与えられて数値計算が行われる。   Conventionally, a finite element method (FEM) has been used to analyze deformation and stress of members made of various materials such as rubber (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). In the analysis, physical properties such as the shape of the member and the elastic coefficient of the material of the member are given, and numerical calculation is performed.

ところで、ゴム等の材料で主体が構成される部材にあっては、内部に補強のための繊維を含有したものがよく用いられている。この繊維を含有したゴム部材にあっては、繊維の配向方向が全方向で均一とならない場合には、弾性係数が方向によって異なる値となる異方性を示すものであり、特に、繊維の配向方向の圧縮方向と伸長方向とで値が大きく異なる非線形性を示すため、この異方性(及び非線形性)を考慮した解析が必要となるものである。   By the way, in a member mainly composed of a material such as rubber, one containing a reinforcing fiber inside is often used. In the rubber member containing this fiber, when the orientation direction of the fiber is not uniform in all directions, the anisotropy in which the elastic modulus becomes a different value depending on the direction is shown. In order to show non-linearity whose values are greatly different between the direction of compression and the direction of extension, an analysis considering this anisotropy (and non-linearity) is required.

特許文献1には、解析対象はゴムの内部に複数のコードを同方向に同一面上に(膜状に)配列した複合体であって、有限要素法で解析するにあたり、複合体のゴムの部分をソリッド要素に分割すると共に、コードを、該コードの長手方向とその直交方向とでヤング率の異なる膜要素としてモデル化し、コードの長手方向のヤング率として圧縮用のヤング率と引張用のヤング率とを与える複合体の有限要素モデル作成方法が開示されている。   In Patent Document 1, the analysis object is a composite in which a plurality of cords are arranged in the same direction on the same surface (in the form of a film) inside the rubber. In addition to dividing the portion into solid elements, the cord is modeled as a membrane element having a different Young's modulus in the longitudinal direction of the cord and the direction perpendicular thereto, and the Young's modulus for compression and the tensile A method for creating a finite element model of a composite that gives Young's modulus is disclosed.

また特許文献2には、Vリブドベルトのリブゴム層に含まれる短繊維の配向方向を考慮して、物性値(縦弾性係数、横弾性係数等)を配向方向とそれ以外の方向とで異なる値とするベルト進入角度計算方法が開示されている。   Further, in Patent Document 2, in consideration of the orientation direction of the short fibers contained in the rib rubber layer of the V-ribbed belt, the physical property values (longitudinal elastic modulus, transverse elastic modulus, etc.) are different from those in the orientation direction and other directions. A belt approach angle calculation method is disclosed.

上記特許文献1に示されるものは、複合体を複数の要素タイプに分けて実際に近づけた計算モデルを構成するため、解析精度は向上するものの計算モデルの規模が大きくなって計算コストの増大を招くと共に、有限要素モデル(即ち計算モデル)が複雑になるためモデル作成のコストの増大を招いてしまうものであった。   The one disclosed in Patent Document 1 constitutes a calculation model in which a complex is divided into a plurality of element types and is close to actuality. Therefore, although the analysis accuracy is improved, the scale of the calculation model increases and the calculation cost increases. In addition, the finite element model (that is, the calculation model) becomes complicated, which increases the cost of model creation.

また上記特許文献2に示されるものは、前述した特許文献1に示されるもののように計算モデルの規模が大きくなることはないが、線形材料として定義されるため、ゴムの応力−ひずみ関係の非線形性を考慮することができないものであり、特に、ゴム内部に含有する繊維の配向方向において伸長方向と圧縮方向とで弾性係数が大きく異なるという性質を反映することができないため、解析値が実際の値と大きく異なってしまうものであった。   Further, the one disclosed in Patent Document 2 does not increase the scale of the calculation model unlike the one disclosed in Patent Document 1 described above, but is defined as a linear material. In particular, the analysis value is not actual because it cannot reflect the property that the elastic modulus differs greatly between the stretch direction and the compression direction in the orientation direction of the fiber contained in the rubber. It was very different from the value.

そこで、解析対象を複数の要素タイプに分けて計算モデルを構築することなく、しかも部材の異方性及び非線形性を考慮することができる異方性部材の有限要素法解析方法として、ひずみエネルギー関数を用いた解析方法が用いられる。   Therefore, the strain energy function is used as a finite element method analysis method for anisotropic members that can consider the anisotropy and nonlinearity of members without dividing the analysis target into multiple element types and constructing a calculation model. An analysis method using is used.

ひずみエネルギー関数としては、様々な式が提案されており、ここでは下記(式1)、(式2)の例を挙げる。   Various formulas have been proposed as the strain energy function, and examples of the following (formula 1) and (formula 2) are given here.

Figure 0005006724
Figure 0005006724

上記(式1)及び(式2)中のI、I、Iはひずみの不変量であり、下記(式3)〜(式5)で表される。 In the above (formula 1) and (formula 2), I 1 , I 2 , and I 4 are invariants of strain, and are represented by the following (formula 3) to (formula 5).

Figure 0005006724
Figure 0005006724

上記(式3)及び(式4)より、I、Iは等方性である基質材ゴムのひずみ状態を表していることが分かり、(式5)では、Iは繊維の配向ベクトルを含んでいることから、繊維の配向方向のひずみ状態を表していることが分かる。 From the above (Formula 3) and (Formula 4), it can be seen that I 1 and I 2 represent strain states of the isotropic substrate material rubber. In (Formula 5), I 4 is the orientation vector of the fiber. It can be understood that the strain state in the fiber orientation direction is represented.

このひずみエネルギー関数を用いた解析方法においては、応力をひずみエネルギー関数のひずみについての微分として表すもので、ゴム等のエラストマーのように異方性及び非線形性を有する材質の物性を反映させることができるものである。   In the analysis method using the strain energy function, the stress is expressed as a derivative of the strain of the strain energy function, and the physical properties of the material having anisotropy and nonlinearity such as an elastomer such as rubber can be reflected. It can be done.

しかしながら、ひずみエネルギー関数を用いた解析方法においては、部材の異方性及び非線形性をある程度反映させることができるものの、上記(式1)や(式2)に示されるようにC〜Cを定数として固定しているため、実際のゴム等の材料のようにひずみのゼロ点付近において伸長側と圧縮側とで弾性係数等の物性値が大きく異なる場合にこれらを反映させることはできず、解析精度に限界があるものであった。
特開2003−94916号公報 特開2006−292020号公報
However, in the analysis method using the strain energy function, although the anisotropy and nonlinearity of the member can be reflected to some extent, C 1 to C 4 as shown in the above (Expression 1) and (Expression 2). Is fixed as a constant, and cannot be reflected when the physical properties such as the elastic modulus differ greatly between the stretch side and the compression side near the zero point of strain as in the case of actual rubber materials. The analysis accuracy was limited.
JP 2003-94916 A JP 2006-292020 A

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ひずみエネルギー関数を用いて、部材の異方性及び非線形性、特に伸長側と圧縮側との物性値の大きな相違を考慮することで解析精度を向上させることができる異方性部材の有限要素法解析方法を提供することを課題とするものである。   The present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to use a strain energy function to increase the anisotropy and non-linearity of a member, in particular, a large physical property value between the expansion side and the compression side. It is an object of the present invention to provide a finite element method analysis method for anisotropic members that can improve the analysis accuracy by considering the difference.

上記課題を解決するために請求項1に係る発明は、解析モデルを作成する解析モデル作成ステップと、前記解析モデルについて有限要素法解析を実行する解析実行ステップと、前記解析モデルの解析結果を出力する出力ステップとをコンピュータが実行して、ひずみエネルギー関数により異方性を反映させる異方性部材の有限要素法解析方法であって、前記解析実行ステップは、荷重条件を変化させるインクリメントループ内に、剛性マトリックスを作成する剛性マトリックス作成ステップと、前記作成した剛性マトリックスと荷重条件とから応力を計算する応力計算ステップとを備え、前記剛性マトリックス作成ステップでは、ひずみエネルギー関数としてひずみの伸長側と圧縮側とで異なる係数を有する二つのひずみエネルギー関数を備え、伸長側か圧縮側かに応じて前記二つのひずみエネルギー関数のうち対応するひずみエネルギー関数を適用することを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is directed to an analysis model creation step for creating an analysis model, an analysis execution step for executing a finite element method analysis on the analysis model, and an analysis result of the analysis model is output. and an output step of by computer execution, an finite element analysis method of the anisotropic member for reflecting the anisotropy by strain energy function, wherein the analysis execution step, in increments loop to vary the load conditions A stiffness matrix creating step for creating a stiffness matrix, and a stress calculating step for calculating a stress from the created stiffness matrix and a load condition. In the stiffness matrix creating step, the strain extension side and the compression side are used as strain energy functions. Two strain energy functions with different coefficients , It is characterized in applying a corresponding strain energy function of the two strain energy function depending on whether extension side or the contraction side.

このような構成とすることで、解析対象を複数の要素タイプに分けて計算モデルを構築する必要がないようにひずみエネルギー関数を用いて部材の異方性及び非線形性を反映可能な解析方法において、伸長側と圧縮側とで物性値が大きな相違を有する場合でも精度良く解析を行うことが可能となるものである。   In such an analysis method, an analysis method capable of reflecting the anisotropy and nonlinearity of a member using a strain energy function so that it is not necessary to construct a calculation model by dividing the analysis target into a plurality of element types. Even when the physical property values are greatly different between the expansion side and the compression side, the analysis can be performed with high accuracy.

また、請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明において、ひずみエネルギー関数を、右コーシーグリーン変形テンソルCの一次主不変量I及び二次主不変量Iと、右コーシーグリーン変形テンソルCと異方性部材の異方性の配向ベクトルaとの積Caと配向ベクトルaとの積Iと、を変数とする整式とし、Iの次数を3次以上とすることを特徴とするものである。 Further, the invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the strain energy function is expressed by a primary main invariant I 1 and a secondary main invariant I 2 of the right Cauchy green deformation tensor C, and a right Cauchy green deformation. and the product Ca 0 the orientation vector a 0 anisotropy tensor C and the anisotropic member and the product I 4 of the orientation vector a 0, and the polynomials whose variable, and the order of I 4 3 or higher order It is characterized by this.

このような構成とすることで、より一層精度を向上させることができるものである。   With such a configuration, the accuracy can be further improved.

本発明にあっては、異方性部材の異方性及び非線形性を示し、特に伸長方向と圧縮方向とで物性値が大きく異なるものにおいても、解析精度が向上する。   In the present invention, the anisotropy and non-linearity of the anisotropic member are shown, and the analysis accuracy is improved even in the case where the physical property value is greatly different between the extension direction and the compression direction.

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面に基づいて説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

解析対象となる異方性部材は、本実施形態では内部に補強のための繊維を含有したゴムを想定しており、繊維の配向方向により物性値(弾性係数)が異なる異方性を示すと共に非線形性を示し、繊維の配向方向の圧縮方向と伸長方向とで物性値が大きく異なるものである。なお、解析対象の材質としては、異方性及び非線形性を示す部材であれば特に限定されないものである。   In this embodiment, the anisotropic member to be analyzed is assumed to be a rubber containing reinforcing fibers inside, and exhibits anisotropy having different physical property values (elastic modulus) depending on the fiber orientation direction. Non-linearity is exhibited, and the physical property values are greatly different between the compression direction and the extension direction in the fiber orientation direction. The material to be analyzed is not particularly limited as long as it is a member exhibiting anisotropy and nonlinearity.

有限要素法解析方法は、解析対象の異方性部材を複数の要素に分割して解析モデルを作成する解析モデル作成ステップと、前記解析モデルについて有限要素法解析を実行する解析実行ステップと、前記解析モデルの解析結果を出力する出力ステップと、で主体が構成される。本発明では、上述したように繊維を含有したゴム等の異方性部材を解析対象とするため、異方性及び非線形性を反映させることができるようにひずみエネルギー関数を用いている。   The finite element method analysis method includes an analysis model creation step of creating an analysis model by dividing an anisotropic member to be analyzed into a plurality of elements, an analysis execution step of executing a finite element method analysis on the analysis model, The main body is composed of an output step for outputting the analysis result of the analysis model. In the present invention, as described above, an anisotropic member such as rubber containing fibers is used as an analysis target, and thus a strain energy function is used so that anisotropy and nonlinearity can be reflected.

解析実行ステップは、荷重条件を変化させるインクリメントループ内に、剛性マトリックスを作成する剛性マトリックス作成ステップと、前記作成した剛性マトリックスと荷重条件とから応力を計算する応力計算ステップとを備えるものである。また本実施形態では、出力ステップは前記解析実行ステップのインクリメントループ内において実行されるもので、各インクリメントについて解析結果の出力が行われる。   The analysis execution step includes a stiffness matrix creation step for creating a stiffness matrix in an increment loop for changing the load condition, and a stress calculation step for calculating stress from the created stiffness matrix and the load condition. In this embodiment, the output step is executed in the increment loop of the analysis execution step, and an analysis result is output for each increment.

ひずみエネルギー関数としては、上記(式1)、(式2)をはじめ様々な式が提案されているが、本実施形態で用いるひずみエネルギー関数Wを(式6)、(式7)に示す。   As the strain energy function, various formulas including the above (Formula 1) and (Formula 2) have been proposed. The strain energy function W used in the present embodiment is shown in (Formula 6) and (Formula 7).

Figure 0005006724
Figure 0005006724

式中のI、I、Iはひずみの不変量であり、上記(式3)〜(式5)で表されるものである。なお、式中の(I−1)の次数を上げる程、解析精度の向上が図られるものであるが、計算量が多くなるため、本実施形態では最高で3次までとしてある。 In the formula, I 1 , I 2 , and I 4 are invariants of strain, and are represented by the above (formula 3) to (formula 5). Note that the higher the order of (I 4 −1) in the equation, the more the analysis accuracy is improved. However, since the amount of calculation increases, in the present embodiment, the maximum is the third order.

ここで、(式6)は伸長の場合のひずみエネルギー関数を示し、(式7)は圧縮の場合のひずみエネルギー関数を示している。   Here, (Equation 6) shows a strain energy function in the case of expansion, and (Equation 7) shows a strain energy function in the case of compression.

図1に示すフローチャートに基づいて解析の流れについて説明する。   The flow of analysis will be described based on the flowchart shown in FIG.

まず、解析モデル作成ステップにおいて解析対象を複数の要素に分割して解析モデル(寸法・形状等の要素分割データ,拘束条件等)を作成すると共に、解析実行ステップにおいて使用するエネルギー関数、物性値(C,C,C43P,C42P,C43M,C42M)や荷重条件等のデータの作成及び記憶部への読み込みといった前処理が行われる(S1)。 First, in the analysis model creation step, the analysis target is divided into a plurality of elements to create an analysis model (element division data such as dimensions and shapes, constraint conditions, etc.), and the energy function and physical property values ( C 1 , C 2 , C 43P , C 42P , C 43M , C 42M ) and load conditions and other data are created and preprocessed such as reading into the storage unit (S1).

次に、解析実行ステップが実行され、荷重条件を徐々に増加させるインクリメントループの処理が開始される(S2)。本発明におけるような非線形解析では、力と変位が比例関係でないため、所定の荷重を一度に与えて解析を行っても正確な解が得られない。そこで、所定の荷重を細かく分割し、荷重を徐々に増加させていくことで解析を行う。このように荷重を分割して、荷重を徐々に増加させる繰り返し単位をインクリメントと呼んでいる。(S2)では、初回のインクリメントでは所定の荷重を与え、2回目以降のインクリメントでは、前回のインクリメントでの荷重に、分割した荷重を加えたものを荷重として与える。   Next, an analysis execution step is executed, and an increment loop process for gradually increasing the load condition is started (S2). In the nonlinear analysis as in the present invention, since force and displacement are not in a proportional relationship, an accurate solution cannot be obtained even if analysis is performed with a predetermined load applied at a time. Therefore, the analysis is performed by dividing the predetermined load finely and gradually increasing the load. A repeating unit that divides the load in this way and gradually increases the load is called increment. In (S2), a predetermined load is applied in the first increment, and in the second and subsequent increments, a load obtained by adding the divided load to the load in the previous increment is applied as the load.

各インクリメントループでは、前記荷重及び解析モデルに従って荷重ベクトルが作成される(S3)。   In each increment loop, a load vector is created according to the load and the analysis model (S3).

次に、剛性マトリックス作成ステップ(S4)(S5)が実行される。剛性マトリックス作成ステップでは、図2に示す各要素の剛性マトリックスを作成する要素剛性マトリックス作成ステップ(S4)を繰り返して全体の剛性マトリックスの組立(S5)を行う。各要素剛性マトリックス作成ステップ(S4)では、解析モデルのデータから変位−ひずみの関係を表すBマトリックスを作成するステップ(S41)と、解析モデル、エネルギー関数、物性値のデータから応力−ひずみの関係を表すDマトリックスを作成するステップ(S42)と、Bマトリックス及びDマトリックスから変位−応力の関係を表す要素剛性マトリックスを作成するステップ(S43)とからなる。そして、要素剛性マトリックスを未作成の要素があれば、再び要素剛性マトリックス作成ステップ(S4)にて次の要素剛性マトリックスを作成し、これを繰り返して全要素について要素剛性マトリックスを作成する。なお、要素剛性マトリックスを作成するステップは反復ループではなく並列処理を行ってもよい。   Next, rigidity matrix creation steps (S4) (S5) are executed. In the stiffness matrix creation step, the entire stiffness matrix is assembled (S5) by repeating the element stiffness matrix creation step (S4) for creating the stiffness matrix of each element shown in FIG. In each element stiffness matrix creation step (S4), a step (S41) of creating a B matrix representing the displacement-strain relationship from the analysis model data, and a stress-strain relationship from the analysis model, energy function, and physical property data. (S42), and a step (S43) of creating an element stiffness matrix representing the displacement-stress relationship from the B matrix and the D matrix. If there is an element for which no element stiffness matrix has been created, the next element stiffness matrix is created again in the element stiffness matrix creating step (S4), and this is repeated to create an element stiffness matrix for all elements. The step of creating the element stiffness matrix may be performed in parallel instead of the iterative loop.

全要素について要素剛性マトリックスを作成すると、全体の剛性マトリックスの作成ステップ(S5)にて要素剛性マトリックスを全部足し合わせて全体の剛性マトリックスを作成し、該全体の剛性マトリックスに荷重ベクトルからなる荷重条件を与えて求解し(S6)、応力の計算を行うものである(S7)。そして、前記応力の結果の収束判定を行い(S8)、応力の結果が予め定めた収束条件を満たしていない場合には、荷重ベクトルを作成するステップ(S3)に戻って再度応力の計算が行われるものであり、応力の結果が予め定めた収束条件を満たす場合には、出力ステップにおいて前記応力やひずみ、変位等の解析結果を出力するものである(S9)。   When the element stiffness matrix is created for all the elements, the entire stiffness matrix is created by adding all the element stiffness matrices in the overall stiffness matrix creating step (S5), and the load condition comprising the load vector in the overall stiffness matrix. (S6), and the stress is calculated (S7). Then, the convergence determination of the stress result is performed (S8), and if the stress result does not satisfy the predetermined convergence condition, the process returns to the step (S3) of creating the load vector and the stress is calculated again. If the result of the stress satisfies a predetermined convergence condition, an analysis result of the stress, strain, displacement, etc. is output in the output step (S9).

そして、次のインクリメントがあるか否かを判定し(S10)、ある場合にはインクリメントループの初め(S2)に戻って、上述した新たな荷重条件を設定して解析を行い、次のインクリメントがない場合には解析を終了するものである(S11)。   Then, it is determined whether or not there is a next increment (S10). If there is, the process returns to the beginning of the increment loop (S2), and the analysis is performed by setting the new load condition described above. If not, the analysis is terminated (S11).

本発明では、剛性マトリックス作成ステップにおいて、伸長の場合のひずみエネルギー関数と圧縮の場合のひずみエネルギー関数を選択可能な状態で剛性マトリックスを作成し、全体の剛性マトリックスに荷重条件を与えるステップ(S6)で求解する際、計算の都度伸長か圧縮かを判定した上で、伸長側と圧縮側のうちの対応する方を適用するものである。更に詳しくは、剛性マトリックス作成ステップにおいて、各要素中に複数個存在する積分点と呼ばれる位置において、(式6)の伸長の場合のひずみエネルギー関数と(式7)の圧縮の場合のひずみエネルギー関数を選択可能な状態として剛性マトリックスを作成し、求解する際に、計算の都度積分点で伸長か圧縮かを判定していずれかのひずみエネルギー関数を適用している。
<実施例>
異方性部材の繊維配向方向とその直交方向とについて1軸伸長試験及び1軸圧縮試験を行うと共に、前記と同様にこの異方性部材の繊維配向方向とその直交方向とについて従来の方法と本発明の方法とで有限要素法解析を行った。今回の試験及び解析では、低変形領域において、即ちひずみのゼロ点を挟んだ伸長側と圧縮側とでの応力−ひずみ関係の急激な変化を解析可能か否かを評価する。
In the present invention, in the stiffness matrix creation step, a stiffness matrix is created in a state where the strain energy function in the case of extension and the strain energy function in the case of compression can be selected, and a load condition is given to the entire stiffness matrix (S6). When the solution is obtained by the above method, it is determined whether expansion or compression is performed for each calculation, and the corresponding one of the expansion side and the compression side is applied. More specifically, in the stiffness matrix creation step, at a position called an integration point that exists in each element, a strain energy function in the case of expansion of (Equation 6) and a strain energy function in the case of compression of (Equation 7). When a stiffness matrix is created and solved, the strain energy function is applied at each integration point by determining whether it is stretched or compressed at each integration point.
<Example>
A uniaxial extension test and a uniaxial compression test are performed on the fiber orientation direction and the orthogonal direction of the anisotropic member, and the fiber orientation direction and the orthogonal direction of the anisotropic member are the same as the conventional method as described above. Finite element analysis was performed with the method of the present invention. In this test and analysis, it is evaluated whether or not it is possible to analyze a sudden change in the stress-strain relationship in the low deformation region, that is, on the extension side and the compression side across the zero point of strain.

異方性部材としては、基材のクロロプレンゴムに、ナイロン短繊維20phr、カーボン30phr、加硫剤、加硫促進剤等を添加したものを使用した。   As the anisotropic member, a material obtained by adding 20 phr of nylon short fibers, 30 phr of carbon, a vulcanizing agent, a vulcanization accelerator and the like to chloroprene rubber as a base material was used.

1軸伸長試験は、測定機器として50kNオートグラフを使用し、試験片としては、上記異方性部材の長手方向がそれぞれ繊維配向方向、繊維配向方向の直交方向となる二つの短冊状のJIS1号試験片(幅5mm、長さ100mm、厚み2.0mm)を用意し、図3に示すように試験片11の両端をチャック2にて挟持してチャック2間の伸長部分の元の長さを50mmとり、テストスピード50±5mm/minの初回引っ張りの片道のみの試験を行った。   The uniaxial extension test uses a 50 kN autograph as a measuring instrument, and as a test piece, two strips of JIS No. 1 in which the longitudinal direction of the anisotropic member is a fiber orientation direction and a direction perpendicular to the fiber orientation direction, respectively. Prepare a test piece (width 5 mm, length 100 mm, thickness 2.0 mm), and hold both ends of the test piece 11 with the chuck 2 as shown in FIG. A test of only one way of initial pulling was performed at a test speed of 50 ± 5 mm / min.

1軸圧縮試験は、測定機器として50kNオートグラフを使用し、試験片は、図4に示すようにφ29.0±0.5mm、高さ12.5±0.5mmの二つの円柱状の試験片12a、12bを用意し、試験片12aは円柱の軸方向がそれぞれ繊維配向方向となり、試験片12bは円柱の軸方向が繊維配向方向と直交方向(繊維配向方向は円周方向)となるもので、JIS K6254(加硫ゴムの低変形における応力・ひずみ試験方法)に準拠してテストスピード10mm/min試験を行った。   In the uniaxial compression test, a 50 kN autograph was used as a measuring instrument, and the test piece was a two cylindrical test with a diameter of 29.0 ± 0.5 mm and a height of 12.5 ± 0.5 mm as shown in FIG. The pieces 12a and 12b are prepared, and the test piece 12a is such that the axial direction of the cylinder becomes the fiber orientation direction, and the test piece 12b has the axial direction of the cylinder perpendicular to the fiber orientation direction (the fiber orientation direction is the circumferential direction). Then, a test speed of 10 mm / min was conducted in accordance with JIS K6254 (stress / strain test method for low deformation of vulcanized rubber).

図5に上記1軸伸長試験及び1軸圧縮試験の結果を示す。   FIG. 5 shows the results of the uniaxial extension test and the uniaxial compression test.

次に、有限要素法による解析について説明する。   Next, analysis by the finite element method will be described.

本解析では、解析モデルに強制変位を与えた時の応力を計算により求めた。解析モデルは、8個の頂点を節点とする立方体状のソリッド要素とした。前記立方体は図6に示すように一辺の長さを1mmとし、一頂点を原点として、該原点から各辺に沿ってX軸、Y軸、Z軸を設定し、(1,0,0)の節点にX軸方向に強制変位を与えると共に、図6の面Aに属する他の三節点(1,1,0)、(1,0,1)、(1,1,1)にX軸方向の変位を連結するタイイングを設定して計算を行った。これにより、強制変位を与えた節点の変位と反力がそれぞれ工学ひずみ・公称応力と一致することとなる。また、強制変位を与える方向を図6(a)に示すようにX軸方向(即ち繊維配向方向)とするもの、図6(b)に示すようにY軸方向(繊維配向方向と直交方向)となる二通りについて解析を行った。   In this analysis, the stress when forced displacement was applied to the analytical model was obtained by calculation. The analysis model was a cubic solid element with eight vertices as nodes. As shown in FIG. 6, the cube has a side length of 1 mm, an apex as an origin, X axis, Y axis, and Z axis are set along each side from the origin, and (1, 0, 0) 6 is forcibly displaced in the X-axis direction, and the other three nodes (1, 1, 0), (1, 0, 1) and (1, 1, 1) belonging to the plane A in FIG. Calculation was performed by setting the tying to connect the displacement in the direction. As a result, the displacement and reaction force of the node to which the forced displacement is applied coincide with the engineering strain and the nominal stress, respectively. Further, the direction in which the forced displacement is applied is the X-axis direction (that is, the fiber orientation direction) as shown in FIG. 6A, and the Y-axis direction (the direction orthogonal to the fiber orientation direction) as shown in FIG. 6B. The two types of analysis were analyzed.

また解析は、従来の方法として、ひずみエネルギー関数Wに下記(式8)   In the analysis, as a conventional method, the strain energy function W is expressed by the following (formula 8).

Figure 0005006724
Figure 0005006724

を固定的に用いる方法と、上述した(式6)(式7)を選択的に適用する本発明の方法とについてそれぞれ行った。 The above-described method is used in a fixed manner and the method of the present invention in which (Equation 6) and (Equation 7) described above are selectively applied.

(式6)(式7)中の定数は、今解析ではC=4.84,C=−2.70,C43P=−7.42,C42P=10.44,C43M=−0.53,C42M=1.08(単位は全てMPa)に設定した。 The constants in (Equation 6) and (Equation 7) are C 1 = 4.84, C 2 = −2.70, C 43P = −7.42, C 42P = 10.44, C 43M = − in the present analysis. 0.53, C 42M = 1.08 (all units are MPa).

(式8)中の定数は、今解析ではC11=2.83,C12=−0.25,C43=5.73,C42=2.77(単位は全てMPa)に設定した。 The constants in (Equation 8) were set to C 11 = 2.83, C 12 = −0.25, C 43 = 5.73, and C 42 = 2.77 (all units are MPa) in the present analysis.

本発明の方法での解析結果を図7に、従来の方法での解析結果を図8に示す。なお、図7、図8中には図5の試験結果も併せて示している。   FIG. 7 shows an analysis result by the method of the present invention, and FIG. 8 shows an analysis result by the conventional method. 7 and 8 also show the test results of FIG.

まず図8の従来の方法の結果について検討する。強制変位の方向が繊維配向方向と直交する方向の場合(図中の破線)では、まずまずの一致を見せているが、強制変位の方向が繊維配向方向の場合(図中の実線)では、試験結果とかなりの差が生じている。この従来の方法では、ある程度非線形性を反映させることができるものの、ひずみのゼロ点を挟んだ伸長側と圧縮側とでの応力−ひずみ関係の急激な変化を解析結果に反映させようとすると(I−1)の項が更に高次となって計算が煩雑となると共に精度に限界があり、実用的ではないものである。 First, the results of the conventional method of FIG. 8 will be examined. When the direction of forced displacement is a direction perpendicular to the fiber orientation direction (broken line in the figure), there is a fair match, but when the direction of forced displacement is the fiber orientation direction (solid line in the figure), the test There is a considerable difference from the results. Although this conventional method can reflect non-linearity to some extent, an attempt is made to reflect an abrupt change in the stress-strain relationship between the expansion side and compression side across the strain zero point in the analysis result ( The term of I 4 -1) becomes higher order and the calculation becomes complicated and the accuracy is limited, which is not practical.

次に、図7の本発明の方法の結果について検討する。強制変位の方向が繊維配向方向と直交する方向の場合(図中の破線)、強制変位の方向が繊維配向方向の場合(図中の実線)ともに、試験結果とよく一致しており、この結果より、ひずみのゼロ点を挟んだ伸長側と圧縮側とでの応力−ひずみ関係の急激な変化も解析結果に反映されていることが分かる。   Next, the results of the method of the present invention in FIG. Both the case where the direction of forced displacement is perpendicular to the fiber orientation direction (broken line in the figure) and the case where the direction of forced displacement is the fiber orientation direction (solid line in the figure) are in good agreement with the test results. Thus, it can be seen that abrupt changes in the stress-strain relationship between the stretching side and the compression side across the strain zero point are also reflected in the analysis results.

以上の結果より、本発明の解析方法にあっては、解析対象の異方性及び非線形性、特に、ひずみのゼロ点を挟んだ伸長側と圧縮側とでの応力−ひずみ関係の急激な変化を精度良く反映させることができるものであり、これにあたって、ひずみエネルギー関数を次数が非常に高次でない整式で表してもゼロ点を挟んだ伸長側と圧縮側とでの急激な変化を精度良く表すことができて、解析の計算の容易化が図られるものである。   From the above results, in the analysis method of the present invention, the anisotropy and nonlinearity of the analysis object, particularly, the abrupt change in the stress-strain relationship between the stretch side and the compression side across the strain zero point. In this case, even if the strain energy function is expressed by an equation whose order is not very high, rapid changes on the expansion side and compression side across the zero point are accurately detected. It can be expressed and the calculation of the analysis is facilitated.

有限要素法の全体フローチャートである。It is a whole flowchart of a finite element method. 同上の要素剛性マトリックス作成ステップのフローチャートである。It is a flowchart of an element rigidity matrix preparation step same as the above. 1軸伸長試験の説明図である。It is explanatory drawing of a uniaxial elongation test. 1軸圧縮試験の試験片の斜視図である。It is a perspective view of the test piece of a uniaxial compression test. 1軸伸長試験及び1軸圧縮試験の試験結果(ひずみ−応力関係図)である。It is a test result (strain-stress relationship figure) of a uniaxial extension test and a uniaxial compression test. 解析モデルを示し、(a)は強制変位を与える方向を繊維配向方向とする場合の説明図であり、(b)は強制変位を与える方向を繊維配向の直交方向とする場合の説明図である。An analysis model is shown, (a) is explanatory drawing when the direction which gives forced displacement is made into a fiber orientation direction, (b) is explanatory drawing when the direction which gives forced displacement is made into the orthogonal direction of fiber orientation. . 本発明の解析方法による解析結果(ひずみ−応力関係図)である。It is an analysis result (strain-stress relationship diagram) by the analysis method of the present invention. 従来の解析方法による解析結果(ひずみ−応力関係図)である。It is an analysis result (strain-stress relationship diagram) by a conventional analysis method.

符号の説明Explanation of symbols

11 1軸伸長試験の試験片
12a 1軸圧縮試験の試験片(繊維配向方向が軸方向)
12b 1軸圧縮試験の試験片(繊維配向方向が軸の直交方向)
2 チャック
11 Test piece of uniaxial extension test 12a Test piece of uniaxial compression test (fiber orientation direction is axial direction)
12b uniaxial compression test specimen (fiber orientation direction orthogonal to the axis)
2 Chuck

Claims (2)

解析モデルを作成する解析モデル作成ステップと、前記解析モデルについて有限要素法解析を実行する解析実行ステップと、前記解析モデルの解析結果を出力する出力ステップとをコンピュータが実行して、ひずみエネルギー関数により異方性を反映させる異方性部材の有限要素法解析方法であって、前記解析実行ステップは、荷重条件を変化させるインクリメントループ内に、剛性マトリックスを作成する剛性マトリックス作成ステップと、前記作成した剛性マトリックスと荷重条件とから応力を計算する応力計算ステップとを備え、前記剛性マトリックス作成ステップでは、ひずみエネルギー関数としてひずみの伸長側と圧縮側とで異なる係数を有する二つのひずみエネルギー関数を備え、伸長側か圧縮側かに応じて前記二つのひずみエネルギー関数のうち対応するひずみエネルギー関数を適用することを特徴とする異方性部材の有限要素法解析方法。 An analysis model creation step for creating an analysis model, an analysis execution step for executing a finite element method analysis on the analysis model, and an output step for outputting the analysis result of the analysis model are executed by a computer , and a strain energy function is used. An anisotropic member finite element method analysis method for reflecting anisotropy, wherein the analysis execution step includes a stiffness matrix creation step of creating a stiffness matrix in an increment loop for changing a load condition, and the created A stress calculation step of calculating stress from the stiffness matrix and the load condition, and in the stiffness matrix creation step, the strain energy function includes two strain energy functions having different coefficients on the strain extension side and the compression side, Depending on whether it is the expansion side or the compression side, the two strain errors Finite element analysis method of the anisotropic member characterized by applying a corresponding strain energy function of Energy Function. ひずみエネルギー関数を、右コーシーグリーン変形テンソルCの一次主不変量I及び二次主不変量Iと、右コーシーグリーン変形テンソルCと異方性部材の異方性の配向ベクトルaとの積Caと配向ベクトルaとの積Iと、を変数とする整式とし、Iの次数を3次以上とすることを特徴とする請求項1記載の異方性部材の有限要素法解析方法。 The strain energy function is expressed as follows: the primary primary invariant I 1 and the secondary primary invariant I 2 of the right Cauchy green deformation tensor C, and the anisotropic orientation vector a 0 of the right Cauchy green deformation tensor C and the anisotropic member. the product I 4 and the product Ca 0 the orientation vector a 0, and the polynomials whose variable, finite element method of the anisotropic member according to claim 1, wherein making the order of I 4 3 or higher order analysis method.
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