JP5169225B2 - COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE, SIMULATION DEVICE, COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION PROGRAM, AND COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE OPERATION METHOD - Google Patents
COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE, SIMULATION DEVICE, COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION PROGRAM, AND COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE OPERATION METHOD Download PDFInfo
- Publication number
- JP5169225B2 JP5169225B2 JP2008001035A JP2008001035A JP5169225B2 JP 5169225 B2 JP5169225 B2 JP 5169225B2 JP 2008001035 A JP2008001035 A JP 2008001035A JP 2008001035 A JP2008001035 A JP 2008001035A JP 5169225 B2 JP5169225 B2 JP 5169225B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- model
- particle
- composite material
- movement
- value
- 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
Description
本発明は、マトリックス材料に粒子が分散した複合材料の複合材料モデルを作成する複合材料モデルの作成装置、複合材料のシミュレーションを行うシミュレーション装置、複合材料モデルの作成プログラム及び複合材料モデルの作成装置の動作方法に関する。 The present invention relates to a composite material model creation device that creates a composite material model of a composite material in which particles are dispersed in a matrix material, a simulation device that performs simulation of the composite material, a composite material model creation program, and a composite material model creation device. It relates to the operation method.
最近、有限要素法を用いた複合材料の力学的シミュレーションが種々提案されている。特に、ゴム等のマトリックス材料中に、カーボンブラックやシリカ等の補強材(以降、フィラーという)を分散させたコンパウンド等のモジュラスや粘弾性特性等の力学的特性をシミュレーションすることが提案されている。 Recently, various dynamic simulations of composite materials using the finite element method have been proposed. In particular, it has been proposed to simulate the mechanical properties such as the modulus and viscoelastic properties of a compound in which a reinforcing material (hereinafter referred to as filler) such as carbon black or silica is dispersed in a matrix material such as rubber. .
上記シミュレーションに用いる計算可能なシミュレーションモデルを作成するとき、シミュレーションによって得られる粘弾性特性等の結果はフィラーのモデルの位置に影響を受けるため、実際のフィラーを分散させた位置を再現したモデルを作成する必要がある。しかし、このモデルを作成するために必要となるフィラーの位置の情報は3次元情報であり、フィラーそれぞれの位置情報を正確に取得することはきわめて難しい。
これに対して、フィラーの分散配置を再現するために、一様乱数を用いてフィラーをランダム配置して設定することも考えられる。これにより、フィラーが均一に分散した複合材料のモデルが生成されるが、必ずしもフィラーの一様なランダムな分散配置は粘弾性特性等を良く再現しない。
一方、フィラーの分散配置を再現するために、シミュレーションオペレータの経験によりフィラーの位置を定めることも考えられるが、オペレータの豊富な経験が必要である。又、オペレータの手によって、フィラーの分散配置を設定しても、実際の配置を再現するのはきわめて難しい。
When creating a computable simulation model used for the above simulation, the viscoelastic properties and other results obtained by the simulation are affected by the position of the filler model. There is a need to. However, the filler position information necessary for creating this model is three-dimensional information, and it is extremely difficult to accurately acquire the position information of each filler.
On the other hand, in order to reproduce the distributed arrangement of fillers, it is also conceivable to set fillers randomly arranged using uniform random numbers. Thereby, a model of the composite material in which the filler is uniformly dispersed is generated, but the uniform random dispersion arrangement of the filler does not necessarily reproduce viscoelastic characteristics and the like well.
On the other hand, in order to reproduce the dispersed arrangement of fillers, it may be possible to determine the position of the filler based on the experience of the simulation operator, but abundant experience of the operator is required. Moreover, even if the filler dispersive arrangement is set by the operator, it is extremely difficult to reproduce the actual arrangement.
下記特許文献1では、フィラー間の相互作用のシミュレーション方法を開示している。当該公報では、フィラー間のポテンシャルエネルギーの総和を求めることを行うが、フィラーの分散配置をどのように行うかを言及していない。
このように、現在、マトリックス材料にフィラーが分散配置された状態をオペレータの人手に拠らず、又フィラーの位置情報を入手することなく再現することは難しく、したがって、フィラーがマトリックス材料中に分散配置した複合材料をどのようにして有効にモデル化すればよいか不明である。
In the following
Thus, it is difficult to reproduce the state in which fillers are dispersedly arranged in the matrix material at present without relying on the operator's hands and without obtaining filler position information, and therefore the filler is dispersed in the matrix material. It is unclear how to effectively model the placed composite material.
そこで、本発明は、上記従来の問題点を解決するために、マトリックス材料に粒子が分散した複合材料のモデルを有効に作成する複合材料モデルの作成装置の動作方法、複合材料モデルの作成装置、及び複合材料モデルのプログラムと、作成した複合材料モデルからシミュレーションモデルを得てシミュレーションを行うシミュレーション装置を提供することを目的とする。 Therefore, in order to solve the above-described conventional problems, the present invention provides an operation method of a composite material model creation apparatus that effectively creates a composite material model in which particles are dispersed in a matrix material, a composite material model creation apparatus, It is another object of the present invention to provide a composite material model program and a simulation apparatus that obtains a simulation model from the created composite material model and performs simulation.
本発明は、マトリックス材料に粒子が分散した複合材料のモデルを作成する複合材料モデルの作成装置であって、マトリックス材料モデルに2つの粒子モデルを配したとき、この2つの粒子モデルによって作られる仮想ポテンシャルを設定し、さらに、複数の粒子モデルをマトリックス材料モデル中に配した複合材料モデルを作成する第1の手段と、前記複数の粒子モデル間に作用する仮想ポテンシャルの値を合計して全ポテンシャルエネルギーの値を算出する第2の手段と、前記複数の粒子モデルの中の少なくとも1つの粒子モデルを仮移動し、この仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値を算出する第3の手段と、前記粒子モデルの仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値と、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値とを比較し、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低いとき、前記仮移動を粒子モデルの本移動として定めて粒子モデルの配置を修正した修正複合材料モデルを生成する第4の手段と、前記第1〜第4の手段を制御する制御手段と、を有し、前記第3の手段及び第4の手段が、さらに、前記第4の手段で生成された前記修正複合材料モデルに対して、前記仮移動前、前記仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値の算出及び前記比較を行って前記修正複合材料モデルをさらに修正するように、前記制御手段は前記第3の手段及び前記第4の手段を制御し、前記第4の手段は、前記粒子モデルの仮移動を本移動として定めたとき、粒子モデルのモデル間距離が所定距離以下になることでクラスターと判断されたときのクラスターの大きさを求め、この大きさが予め定めた条件を満たすとき、前記複合材料モデルにおける前記粒子モデルの配置の修正を終了して最終の複合材料モデルとして出力することを特徴とする複合材料モデルの作成装置を提供する。 The present invention is an apparatus for creating a composite material model that creates a model of a composite material in which particles are dispersed in a matrix material. When two particle models are arranged in a matrix material model, a virtual model created by the two particle models is provided. A potential is set, and further, a first means for creating a composite material model in which a plurality of particle models are arranged in a matrix material model, and a value of a virtual potential acting between the plurality of particle models are totaled to obtain a total potential A second means for calculating an energy value; a third means for temporarily moving at least one particle model of the plurality of particle models; and calculating a value of total potential energy after the temporary movement; Compare the value of the total potential energy before temporary movement of the particle model with the value of the total potential energy after temporary movement, When the value of the total potential energy after the movement is lower than the value of the total potential energy before the temporary movement, the provisional movement is determined as the main movement of the particle model, and a modified composite material model is generated by correcting the arrangement of the particle model. and fourth means, have a, and control means for controlling said first to fourth means, said third means and the fourth means further the modification generated by the fourth means The control means performs the calculation of the total potential energy value before and after the temporary movement and the comparison with respect to the composite material model so as to further correct the corrected composite material model. Means and the fourth means, wherein the fourth means determines that the temporary movement of the particle model is the main movement, the distance between the models of the particle model is equal to or less than a predetermined distance. It obtains the size of the cluster when it is cross-sectional, when satisfying this magnitude is predetermined to output to end the correction of the layout of the particle model in the composite material model as the final composite material model An apparatus for creating a characteristic composite material model is provided.
なお、前記仮想ポテンシャルは、前記粒子モデルに、電荷の値又は磁気双極子モーメントの値が1単位の双極子モーメントを付与したときの、前記双極子モーメントに基づく双極子ポテンシャルであることが好ましい。
その際、前記第3の手段は、粒子モデルの位置の仮移動の他に、前記双極子モーメントで定まる粒子モデルの向きも仮変更させることが好ましい。
なお、前記粒子モデルは向きを有し、前記仮想ポテンシャルは、2つの粒子モデルの位置と向きとに依存して作られるポテンシャルであり、前記粒子モデルは、複数の粒子の集合体を1つのモデルとして表したものであり、この複数の粒子の集合体は所定の方向に特徴付けられる方向性を有し、この方向が前記粒子モデルの向きとして用いられることがさらに好ましい。
なお、前記第3の手段は、粒子モデルの位置の仮移動の他に、前記粒子モデルの向きも仮変更させることが好ましい。前記粒子モデルの縁形状は、形状関数で表されることが好ましく、前記粒子モデルの面積あるいは体積は、前記粒子モデルで表す複数の粒子の集合体の面積あるいは体積に略一致した値を有することが好ましい。
The virtual potential is preferably a dipole potential based on the dipole moment when a charge value or a magnetic dipole moment value of 1 unit is given to the particle model.
At this time, it is preferable that the third means temporarily changes the direction of the particle model determined by the dipole moment in addition to the temporary movement of the position of the particle model.
The particle model has a direction, and the virtual potential is a potential generated depending on the position and direction of two particle models, and the particle model is an aggregate of a plurality of particles. The aggregate of the plurality of particles has a directionality characterized by a predetermined direction, and it is more preferable that this direction is used as the direction of the particle model.
In addition, it is preferable that the third means temporarily changes the direction of the particle model in addition to the temporary movement of the position of the particle model. The edge shape of the particle model is preferably represented by a shape function, and the area or volume of the particle model has a value that substantially matches the area or volume of an aggregate of a plurality of particles represented by the particle model. Is preferred.
なお、前記第4の手段において、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低く、さらに、仮移動した後の粒子モデルすべてが占有する面積あるいは体積が、仮移動前の粒子モデルすべてが占有する面積あるいは体積と略一致するとき、仮移動を本移動とすることが好ましい。
また前記第4の手段において、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低く、さらに、仮移動した後の粒子モデル同士の前記形状関数の重なりの有無を計算し、重なりがないとき、仮移動を本移動とすることが好ましい。
前記第4の手段は、さらに、配置の修正が終了した複数の粒子モデルのそれぞれに対して、複数の粒子の集合体のモデルに置き換えることにより、前記最終の複合材料モデルを作成することが好ましい。
In the fourth means, the value of the total potential energy after temporary movement is lower than the value of the total potential energy before temporary movement, and the area or volume occupied by all the particle models after temporary movement is When the particle model before the temporary movement substantially occupies the area or volume occupied by the particle model, the temporary movement is preferably set as the main movement.
In the fourth means, the value of the total potential energy after provisional movement is lower than the value of the total potential energy before provisional movement, and whether or not the shape functions overlap between the particle models after provisional movement. When there is no overlap, it is preferable that the temporary movement is the main movement.
The fourth means preferably further creates the final composite material model by replacing each of the plurality of particle models whose arrangement has been corrected with a model of a plurality of particle aggregates. .
さらに、本発明は、前記複合材料モデルの作成装置における前記第1の手段、前記第2の手段、前記第3の手段、前記第4の手段及び前記制御手段と、前記第4の手段において生成された前記修正複合材料モデルが予め定められた条件を満たすとき、このときの修正複合材料モデルを最終の複合材料モデルとして決定し、この最終の複合材料モデルにおける粒子モデルの位置を前記粒子の分散位置として定め、この分散位置に前記粒子を配置した複合材料を再現するモデルであって、計算可能な複数の要素で分割して構成された複合材料シミュレーションモデルを作成する第5の手段と、を有することを特徴とするシミュレーション装置を提供する。 Furthermore, the present invention provides the first means, the second means, the third means, the fourth means, the control means, and the fourth means generated in the composite material model creation apparatus. When the corrected composite material model satisfying a predetermined condition, the corrected composite material model at this time is determined as the final composite material model, and the position of the particle model in the final composite material model is determined as the dispersion of the particles A model that reproduces the composite material in which the particles are arranged at the dispersed positions and that is divided into a plurality of computable elements to create a composite material simulation model, There is provided a simulation apparatus characterized by comprising:
その際、前記第5の手段は、さらに、作成された複合材料シミュレーションモデルに対して、境界条件と、荷重条件又は強制変位条件を付与して、変形シミュレーションの計算を行うことが好ましい。
その際、前記境界条件は、前記複合材料シミュレーションモデルが連続して繋がるように、前記複合材料シミュレーションモデルの両側の縁部の相対変位を許容した周期対称条件であることが好ましい。
At that time, it is preferable that the fifth means further calculates the deformation simulation by giving boundary conditions and load conditions or forced displacement conditions to the created composite material simulation model.
In that case, it is preferable that the boundary condition is a cyclic symmetry condition that allows relative displacement of edges on both sides of the composite material simulation model so that the composite material simulation model is continuously connected.
さらに、本発明は、マトリックス材料に粒子が分散した複合材料のシミュレーションモデルをコンピュータに作成させるシミュレーションモデルの作成プログラムであって、マトリックス材料モデルに2つの粒子モデルを配したとき、この2つの粒子モデルによって作られる仮想ポテンシャルをコンピュータに設定させるとともに、マトリックス材料モデルに複数の粒子モデルを配した複合材料モデルを、コンピュータの演算手段に作成させ、コンピュータの記憶手段に記憶させる第1の手順と、前記複数の粒子モデル間に作用する仮想ポテンシャルの値を合計して全ポテンシャルエネルギーの値を前記演算手段に算出させる第2の手順と、コンピュータの記憶手段に記憶されている複合材料モデルに対して、前記複数の粒子モデルの中の少なくとも1つの粒子モデルを前記演算手段に仮移動させ、この仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値を前記演算手段に算出させる第3の手順と、前記粒子モデルの仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値と、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値とを前記演算手段に比較させ、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低いとき、前記仮移動を粒子モデルの本移動として前記演算手段に定めさせて粒子モデルの配置を修正した修正複合材料モデルを前記記憶手段に記憶させる第4の手順と、を有し、前記配置の修正された複合材料モデルに対して、前記仮移動、前記仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの算出及び前記比較を行い、前記修正複合材料モデルの生成を行うように、前記第3の手順及び第4の手順をコンピュータの制御手段に制御させ、前記第4の手順では、前記粒子モデルの仮移動を本移動として定めたとき、粒子モデルのモデル間距離が所定距離以下になることでクラスターと判断されたときのクラスターの大きさを前記演算手段に求めさせ、この大きさが予め定めた条件を満たすとき、前記複合材料モデルにおける前記粒子モデルの配置の修正を前記演算手段に終了させて最終の複合材料モデルとして決定させることを特徴とする複合材料モデルの作成プログラムを提供する。 Furthermore, the present invention is a simulation model creation program for causing a computer to create a simulation model of a composite material in which particles are dispersed in a matrix material. When two particle models are arranged in a matrix material model, the two particle models are provided. A first procedure for causing a computer to create a composite material model in which a plurality of particle models are arranged in a matrix material model and storing the composite material model in a computer storage means; For the composite material model stored in the storage means of the second procedure for causing the calculation means to calculate the value of the total potential energy by summing the values of the virtual potential acting between the plurality of particle models, A small number of the plurality of particle models A third procedure in which at least one particle model is temporarily moved to the calculation means, and the value of the total potential energy after the temporary movement is calculated by the calculation means; and the total potential energy of the particle model before the temporary movement is calculated. When the value of the total potential energy after the temporary movement is lower than the value of the total potential energy before the temporary movement, the temporary movement is determined. possess a fourth procedure for storing the corrected composite model which allowed set to the arithmetic unit as the movement of the particles model was modified arrangement of particles model in the storage means, a modified composite model of the arrangement In contrast, the temporary movement, the calculation of the total potential energy after the temporary movement and the comparison are performed, and the modified composite material model is generated. When the third procedure and the fourth procedure are controlled by a control means of a computer, and the temporary movement of the particle model is determined as the main movement in the fourth procedure, the inter-model distance of the particle model is a predetermined distance or less. The calculation means determines the size of the cluster when it is determined to be a cluster, and when the size satisfies a predetermined condition, the calculation of the arrangement of the particle model in the composite material model is performed. Provided is a composite material model creation program characterized in that the means is terminated and determined as a final composite material model .
前記仮想ポテンシャルは、前記粒子モデルに、電荷の値又は磁気双極子モーメントの値が1単位の双極子モーメントを付与したときの、前記双極子モーメントに基づく双極子ポテンシャルであることが好ましい。
その際、前記第3の手順では、粒子モデルの位置の仮移動の他に、前記双極子モーメントで定まる粒子モデルの向きも仮変更させることが好ましい。
なお、前記粒子モデルは向きを有し、前記仮想ポテンシャルは、2つの粒子モデルの位置と向きとに依存して作られるポテンシャルであり、前記粒子モデルは、複数の粒子の集合体を1つのモデルとして表したものであり、この複数の粒子の集合体は所定の方向に特徴付けられる方向性を有し、この方向が前記粒子モデルの向きとして用いられることがさらに好ましい。
その際、前記第3の手順では、粒子モデルの位置の仮移動の他に、前記粒子モデルの向きも仮変更させることが好ましい。
The virtual potential is preferably a dipole potential based on the dipole moment when a charge unit or a magnetic dipole moment value of one unit is given to the particle model.
At that time, in the third procedure, it is preferable to temporarily change the direction of the particle model determined by the dipole moment in addition to the temporary movement of the position of the particle model.
The particle model has a direction, and the virtual potential is a potential generated depending on the position and direction of two particle models, and the particle model is an aggregate of a plurality of particles. The aggregate of the plurality of particles has a directionality characterized by a predetermined direction, and it is more preferable that this direction is used as the direction of the particle model.
At that time, in the third procedure, it is preferable to temporarily change the orientation of the particle model in addition to the temporary movement of the position of the particle model.
又、本発明は、 CPUと、メモリと、入力操作系と、を備えた、マトリックス材料に粒子が分散した複合材料のモデルを作成する複合材料モデルの作成装置の動作方法であって、前記CPUが、前記入力操作系を介してオペレータにより入力された条件に基づいてマトリックス材料モデルに2つの粒子モデルを配したとき、この2つの粒子モデルによって作られる仮想ポテンシャルを設定するとともに、マトリックス材料モデルに複数の粒子モデルを配した複合材料モデルを作成する第1のステップと、前記粒子モデル間に作用する仮想ポテンシャルの値を合計して全ポテンシャルエネルギーの値を算出する第2のステップと、前記複数の粒子モデルの中の少なくとも1つの粒子モデルを仮移動し、この仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値を算出する第3のステップと、前記粒子モデルの仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値と、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値とを比較し、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低いとき、前記仮移動を粒子モデルの本移動として定めて粒子モデルの配置を修正した修正複合材料モデルを生成して前記メモリに記憶する第4のステップと、を有し、前記第4のステップで生成された前記修正複合材料モデルに対して、前記仮移動前、前記仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値の算出及び前記比較を行って前記修正複合材料モデルをさらに修正するように、前記第3のステップ及び前記第4のステップを繰り返し、前記第4のステップは、前記粒子モデルの仮移動を本移動として定めたとき、粒子モデルのモデル間距離が所定距離以下になることでクラスターと判断されたときのクラスターの大きさを求め、この大きさが予め定めた条件を満たすとき、前記複合材料モデルにおける前記粒子モデルの配置の修正を終了して最終の複合材料モデルとして出力し、前記仮想ポテンシャルは、前記粒子モデルに、電荷の値又は磁気双極子モーメントの値を付与した双極子ポテンシャルを含むことを特徴とする複合材料モデルの作成装置の動作方法を提供する。 Further, the present invention includes a CPU, comprising: a memory, an input operation system, a method of operating a producing apparatus of a composite material model to create a model of the composite material particles are dispersed in a matrix material, said CPU When two particle models are arranged in the matrix material model based on the conditions input by the operator via the input operation system, the virtual potential created by the two particle models is set and the matrix material model A first step of creating a composite material model in which a plurality of particle models are arranged; a second step of calculating a value of total potential energy by summing values of virtual potentials acting between the particle models; Tentatively move at least one of the particle models, and the total potential energy after this tentative movement The value of the total potential energy after the temporary movement is compared with the value of the total potential energy before the temporary movement of the particle model and the value of the total potential energy after the temporary movement. When the total potential energy value before the temporary movement is low, a modified composite material model in which the temporary movement is determined as the main movement of the particle model and the arrangement of the particle model is corrected is generated and stored in the memory And calculating the value of the total potential energy before the temporary movement and after the temporary movement and performing the comparison on the corrected composite material model generated in the fourth step. The third step and the fourth step are repeated so as to further modify the composite material model, and the fourth step includes a temporary movement of the particle model. When the movement is determined, the size of the cluster is determined when the distance between the models of the particle model is determined to be a cluster by a predetermined distance or less, and when the size satisfies a predetermined condition, the composite material model Finishing the modification of the arrangement of the particle model and outputting as a final composite material model, and the virtual potential includes a dipole potential obtained by adding a charge value or a magnetic dipole moment value to the particle model. The operation method of the composite material model creation apparatus characterized by the above is provided.
その際、前記第3のステップでは、粒子モデルの位置の仮移動の他に、前記双極子モーメントで定まる粒子モデルの向きも仮変更させることが好ましい。
前記粒子モデルは向きを有し、前記仮想ポテンシャルは、2つの粒子モデルの位置と向きとに依存して作られるポテンシャルであり、前記粒子モデルは、複数の粒子の集合体を1つのモデルとして表したものであり、この複数の粒子の集合体は所定の方向に特徴付けられる方向性を有し、この方向が前記粒子モデルの向きとして用いられることが好ましい。
前記第3のステップでは、粒子モデルの位置の仮移動の他に、前記粒子モデルの向きも仮変更させることが好ましい。
At this time, in the third step, it is preferable to temporarily change the direction of the particle model determined by the dipole moment in addition to the temporary movement of the position of the particle model.
The particle model has an orientation, and the virtual potential is a potential created depending on the position and orientation of two particle models, and the particle model represents an aggregate of a plurality of particles as one model. The aggregate of the plurality of particles has a directionality characterized in a predetermined direction, and this direction is preferably used as the direction of the particle model.
In the third step, it is preferable to temporarily change the orientation of the particle model in addition to the temporary movement of the position of the particle model.
本発明では、マトリックス材料モデルに2つの粒子モデルを配したとき、この2つの粒子モデルによって作られる仮想ポテンシャルを設定し、少なくとも1つの粒子モデルの仮移動前後における全ポテンシャルエネルギーの値を算出して比較することにより、比較の結果に応じて仮移動を本移動として定めて、修正複合材料モデルを生成するので、複合材料のモデルを有効に作成することができる。
特に、仮想ポテンシャルとして、双極子モーメントに基づく双極子ポテンシャルを定めることで、実際のゴムマトリックス中にカーボンブラックが分散した状態を再現することができる。
In the present invention, when two particle models are arranged in the matrix material model, a virtual potential created by the two particle models is set, and the value of the total potential energy before and after the temporary movement of at least one particle model is calculated. By comparing, the provisional movement is determined as the main movement in accordance with the comparison result, and the corrected composite material model is generated. Therefore, the composite material model can be effectively created.
In particular, by defining a dipole potential based on a dipole moment as a virtual potential, it is possible to reproduce a state in which carbon black is dispersed in an actual rubber matrix.
以下、添付の図面に示す実施形態に基づいて、本発明の複合材料モデルの作成装置、シミュレーション装置、複合材料モデルの作成プログラム及び複合材料モデルの作成装置の動作方法を詳細に説明する。 Hereinafter, based on embodiments shown in the accompanying drawings, a composite material model creation apparatus, a simulation apparatus, a composite material model creation program, and an operation method of the composite material model creation apparatus of the present invention will be described in detail.
図1は、本発明の複合材料モデルの作成装置及びシミュレーション装置の一実施形態であって、複合材料モデルの作成方法を実施する装置の概略構成図である。
図1に示す複合材料モデルの作成装置(以下、作成装置という)10は、コンピュータにプログラムを読み込んで実行させることで機能する装置であり、マトリックス材料に粒子が分散した複合材料のシミュレーションモデルを作成してシミュレーションを行う装置である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for carrying out a composite material model creation method according to an embodiment of the composite material model creation apparatus and simulation apparatus of the present invention.
A composite material model creation device (hereinafter referred to as creation device) 10 shown in FIG. 1 is a device that functions by reading a program into a computer and executing it, and creates a simulation model of a composite material in which particles are dispersed in a matrix material. And a device for performing simulation.
作成装置10は、CPU12、メモリ14、I/Oインターフェース16、この他図示されないROM等を有し、所定のプログラムを実行することで、条件設定部18、全ポテンシャルエネルギー算出部20、仮移動情報設定部22、初期/修正モデル生成部24、有限要素モデル作成部26、シミュレーション演算部28及びデータ処理制御部30をプログラムモジュール32として生成して構成される。
作成装置10は、I/Oインターフェース16を介して、マウスやキーボード等の入力操作系40、ディスプレイ50及びプリンタ60と接続されている。又、図示されないが、CDやDVD等の記録媒体の読み取り及び書き込みを適宜行う読取/書込装置と接続される。
The
The
作成装置10の概略の機能を説明すると、ゴム等のマトリックス材料にカーボンブラックやシリカ等のフィラー(フィラーの集合体も含む)が分散した状態を再現した複合材料モデルを決定し、この複合材料モデルにおけるフィラーモデルの位置情報を用いて、複合材料のシミュレーションモデルを作成し、有限要素法等を用いたシミュレーションを行って、複合材料の粘弾性特性等の力学特性を求める装置である。具体的には、まず、複数のフィラーモデル(粒子モデル)を、ゴムモデル(マトリックス材料モデル)中にランダムに配したコンパウンドモデル(複合材料モデル)を作成する。一方、2つのフィラー粒子モデルによって作られる仮想ポテンシャルを設定し、複数のフィラーモデル間に作用する仮想ポテンシャルの値を合計して全ポテンシャルエネルギーの値を算出する。次に、少なくとも1つの粒子モデルの位置を仮移動し、この仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値を算出する。この後、フィラーモデルの仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値と、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値とを比較し、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低いとき、仮移動をフィラーモデルの本移動として定めてフィラーモデルの位置を修正した修正複合材料モデルを生成する。上記仮移動を繰り返して、フィラーモデルが所定の終了判定条件を満足するとき、最終のコンパウンドモデルとして、フィラーモデルの位置を決定する。このフィラーモデルの位置に基づいて、有限要素法を用いたコンパウンドの実行可能なシミュレーションモデルを作成して、モジュラスや粘弾性特性等の力学的特性を求める。
なお、コンパウンドモデルとは、一定の領域のゴムモデルに、例えば円形状のフィラーモデルを配置して構成されたモデルである。
The general function of the
The compound model is a model configured by arranging, for example, a circular filler model in a rubber model in a certain region.
作成装置10の条件設定部18は、コンパウンドモデルを作成するための種々の条件と、有限要素法に基づくシミュレーションモデルの作成、実行をするための種々の条件を設定する部分であり、主に、ディスプレイ50に表示された入力設定画面を見ながら、オペレータが入力操作系40を利用して入力することにより、条件が設定される。
コンパウンドモデルを作成するための条件として設定すべき項目は、コンパウンドモデルに配置するフィラーモデルの数及び径(直径)、フィラーモデルの初期配置方法、コンパウンドモデルの系のサイズ、系の熱力学温度、仮想ポテンシャルの種類、フィラーモデルの仮移動のための基準移動量、フィラーモデルの仮移動の重なりの調整のための重複判定条件および重複判定方法、及び、仮移動の終了判定条件が例示される。
有限要素法に基づくシミュレーションモデルの作成、実行をするための条件として設定すべき項目は、有限要素モデルのメッシュ分割数、材料定数、境界条件、シミュレーションのための外力あるいは強制変位等が例示される。
The
Items to be set as conditions for creating a compound model include the number and diameter (diameter) of filler models to be placed in the compound model, the initial placement method of the filler model, the size of the system of the compound model, the thermodynamic temperature of the system, The virtual potential type, the reference movement amount for temporary movement of the filler model, the overlap determination condition and the overlap determination method for adjusting the overlap of the temporary movement of the filler model, and the end determination condition of the temporary movement are exemplified.
Items to be set as conditions for creating and executing a simulation model based on the finite element method include the number of mesh divisions of the finite element model, material constants, boundary conditions, external force or forced displacement for simulation, etc. .
全ポテンシャルエネルギー算出部20は、現在コンパウンドモデルに配置されているフィラーモデルの位置に基づいて、設定された仮想ポテンシャルの種類に応じてフィラーモデルの作用する仮想ポテンシャルの値を合計した全ポテンシャルエネルギーを算出する部分である。詳細は、以降に説明するコンパウンドモデルの作成方法で説明する。
Based on the position of the filler model currently arranged in the compound model, the total potential
仮移動情報設定部22は、現在コンパウンドモデルに配置されているフィラーモデルの少なくとも1つを選択して、設定された基準移動量を用いて仮移動情報を生成する部分である。設定された仮移動情報を初期/修正モデル生成部24へ提供する。なお、仮移動情報の設定の詳細は、後述する。
The temporary movement
初期/修正モデル生成部24は、設定された径のフィラーモデルを、設定されたフィラーモデルの個数分、設定された初期配置方法(例えば、一様乱数を用いた配置法)を用いて初期配置を行い、さらに、配置された複数のフィラーモデルの中から選択されたフィラーモデルについて、仮移動情報設定部22で設定された仮移動情報に基づいて、仮移動を行う部分である。さらに、後述する第2のコンパウンドモデルを作成するとき、初期/修正モデル生成部24は、仮移動時にフィラーモデル間で重なりが生じた場合、フィラーモデル間の重なりの調整を行なう。また、仮移動が終了し、フィラーモデルの位置が決定されたとき、必要に応じて、フィラーモデルの置換を行なう。
The initial / corrected
有限要素モデル作成部26は、仮移動を繰り返し行って最終のコンパウンドモデルが決定されたときのフィラーモデルの位置情報を用いて、シミュレーション実行可能な有限要素法に基づくコンパウンドモデルを作成し、設定された境界条件の下に、設定された外力又は強制変位が付与されてシミュレーション計算を行う部分である。得られた結果、例えば粘弾性特性等の結果は、ディスプレイ50やプリンタ60に出力される。
The finite element
データ処理制御部30は、上述した条件設定部18、全ポテンシャルエネルギー算出部20、仮移動情報設定部22、初期/修正モデル生成部24、有限要素モデル作成部26、シミュレーション演算部28の実行を制御する部分である。
例えば、初期/修正モデル生成部24にてフィラーモデルの仮移動が行われたコンパウンドモデルについて、全ポテンシャルエネルギー算出部20において、全ポテンシャルエネルギーの値を算出するように指示し、さらに、フィラーモデルの仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値と、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値とを比較し、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低いとき、仮移動をフィラーモデルの本移動として定め、このフィラーモデルの位置を修正した修正コンパウンドモデルを生成するように、初期/修正モデル生成部24に指示する。又、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低くないときでも、所定の確率で、フィラーモデルの位置を修正した修正コンパウンドモデルを生成するように、初期/修正モデル生成部24に指示する。
The data
For example, for the compound model in which the initial / corrected
さらに、データ処理制御部30は、修正コンパウンドモデルが所定の終了判定条件を満足するか否かを判別し、所定の終了判定条件を満足する場合、繰り返し行う仮移動の処理を終了してコンパウンドモデルを決定するように制御する。又、決定したコンパウンドモデルの情報は、メモリ14に記憶されるように制御する。終了判定条件は、例えば、後述するように、フィラーモデルによって作られるクラスターの大きさが予め定めた大きさ以下であるか否かや、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が所定の範囲に含まれるか否か等が挙げられる。
このように、データ処理制御部30は、プログラムによってモジュール化されたシーケンシャルな処理によりデータの処理結果を判別し、さらに、判別結果に応じて各種指示命令を生成する部分であるが、これらの実質的な処理はCPU12にて実行される。
Further, the data
In this manner, the data
このような作成装置10における第1のコンパウンドモデルの作成方法について、以下、詳細に説明する。図2は、第1のコンパウンドモデルの作成方法の一例の流れを説明するフローチャートである。
Hereinafter, a method for creating the first compound model in the creating
まず、条件設定部18において、オペレータによる入力により、各種条件が設定される(ステップS100)。
条件は、上述したように、コンパウンドモデルを作成するための種々の条件と、有限要素法に基づくシミュレーションモデルの作成、実行をするための種々の条件である。例えば、フィラーモデルの数及び径、フィラーモデルの初期配置方法、コンパウンドモデルの系のサイズ、系の熱力学温度、仮想ポテンシャルの種類、フィラーモデルの仮移動のための基準移動量、及び仮移動の終了判定条件が挙げられる。又、有限要素モデルのメッシュ分割数、材料特性、境界条件、及びシミュレーションのための外力や強制変位等が挙げられる。
First, in the
As described above, the conditions are various conditions for creating a compound model and various conditions for creating and executing a simulation model based on the finite element method. For example, the number and diameter of the filler model, the initial placement method of the filler model, the size of the system of the compound model, the thermodynamic temperature of the system, the type of virtual potential, the reference movement amount for temporary movement of the filler model, and the temporary movement An end determination condition is listed. Further, the number of mesh divisions of the finite element model, material characteristics, boundary conditions, external force for simulation, forced displacement, and the like can be given.
次に、初期/修正モデル生成部24において、ゴムモデル中へのフィラーモデルのランダム配置が行われる(ステップS110)。図3(a)は、2次元のゴムモデル70中にフィラーモデル(図中の●)72を100個ランダム配置したコンパウンドモデル74の一例を示している。フィラーモデル72は円形状を成し、ゴムモデル70は正方形形状を成しており、図3(a)中のフィラーモデル72の径及びコンパウンドモデル74の系のサイズ(正方形状の縦方向、横方向の長さ)は、設定された条件に基づいている。
フィラーモデル72のゴムモデル70中へのランダム配置は、ゴムモデル70の正方形形状の直交する辺をx軸、y軸とし、正方形形状の各辺の長さを1とし、CPU12に0〜1の間の範囲で乱数を2つ生成させ、この2つの乱数の値をx座標、y座標として、ゴムモデル70の正方形形状の領域にマッピングすることによって行われる。
Next, in the initial / corrected
The random arrangement of the
次に、全ポテンシャルエネルギー算出部20において、ランダム配置された複数のフィラーモデル72の間で作用する仮想ポテンシャルの値を合計した全ポテンシャルエネルギーの値Ucurの計算が行われる(ステップS120)。
仮想ポテンシャルは、条件設定部18にて設定された仮想ポテンシャルの種類に基づいて計算される。仮想ポテンシャルは、例えば、フィラーモデルに、方向性を有する磁気双極子モーメントの値が1単位の双極子モーメントを付与したときの、双極子モーメントに基づく双極子ポテンシャルである。双極子ポテンシャルは、下記式(1)に示すように表される。なお、1単位の双極子モーメントとは、双極子モーメントのベクトルを双極子モーメントの大きさで除算した単位ベクトルを表す。すなわち、式(1)中のniが1単位の双極子モーメントを示し、i番目のフィラーモデルの1単位の磁気双極子モーメントの単位ベクトルを示す。tijは、i番目のフィラーモデルとj番目のフィラーモデルとの間の距離ベクトルを表す。λは比例定数である。なお、ランダム配置されたフィラーモデル72には、方向性を有する磁気双極子モーメントが付与されるので、円形状のフィラーモデル72には磁気双極子モーメントの向きの情報も付与されている。
本発明では、仮想ポテンシャルは磁気モーメントに基づく双極子ポテンシャルの他に、電気双極子モーメントに基づく双極子ポテンシャル、あるいはこれらの双極子ポテンシャルとレナード・ジョーンズポテンシャルのような球対称ポテンシャルを組み合わせたものを用いることもできる。
Next, the total potential
The virtual potential is calculated based on the type of virtual potential set by the
In the present invention, the virtual potential is a dipole potential based on a magnetic moment, a dipole potential based on an electric dipole moment, or a combination of these dipole potentials and a spherically symmetric potential such as Leonard-Jones potential. It can also be used.
次に、仮移動情報設定部22において、配置されたフィラーモデル72の1つが選択され、選択されたフィラーモデル72の仮移動の情報が設定され、初期/修正モデル生成部24において選択されたフィラーモデル72の仮移動が行われる(ステップS130)。
仮移動の情報は、設定された基準移動量に0〜1の間の一様乱数の値を乗算した積を仮移動量とし、2次元のコンパウンドモデルであれば、乱数の値が2つ得られて仮移動量が2つ定められる。又、フィラーモデル72に付与した双極子モーメントの向きも乱数によって仮変更される。具体的には、0〜1の間の乱数を発生させて、この乱数の値に360度を乗算した積をXY座標系における加算すべき方位角(x軸を基準軸とする)として設定し、双極子モーメントの向きを仮変更する。このように仮移動には、位置の仮移動の他に向きの仮変更も含まれる。
下記式(2)、(3)は、コンパウンドモデル74が3次元モデルであるときの仮移動量を定式化したものである。Xcurは選択されたフィラーモデル72の、XYZ座標系における現在の位置ベクトルを示し、x座標がax,y座標がay,z座標がazである。仮移動後の位置ベクトルはXnewであり、式(3)中のδrは基準移動量、R1,R2,R3は、0〜1の間の乱数の値である。なお、3次元モデルであるときは、向きの仮変更も同様に3次元で行なわれる。
図3(b)は、白丸で示されたフィラーモデル72を仮移動する状態を示している。なお、本発明では、同時に仮移動するフィラーモデル72の数は1つに限定されず、複数個同時に行ってもよい。
Next, in the temporary movement
The temporary movement information is obtained by multiplying a set reference movement amount by a uniform random number value between 0 and 1 as a temporary movement amount, and if a two-dimensional compound model is obtained, two random value values are obtained. As a result, two temporary movement amounts are determined. The direction of the dipole moment given to the
The following formulas (2) and (3) formulate the temporary movement amount when the
FIG. 3B shows a state in which the
次に、全ポテンシャルエネルギー算出部20において、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーUnewが上記式(1)に従って計算される(ステップS140)。
次に、データ処理部制御部30において、仮移動前の全ポテンシャルエネルギーUcurと、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーUnewとが比較される(ステップS150)。全ポテンシャルエネルギーを仮移動の前後で比較するのは、仮移動が現実的に起こり得る事象であるか否かを判別するためである。Unewの値がUcurの値に比べて低いとき、仮移動は現実的に起こり得る事象とされ、すなわち仮移動は本移動とされ、仮移動前のフィラーモデル72の位置ベクトルXcurは、仮移動後の位置ベクトルXnewに置換される(ステップS160)。これに伴って、仮移動前の全ポテンシャルエネルギーUcurも、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーUnewに置換される(ステップS170)。置換された位置ベクトルXcur、全ポテンシャルエネルギーUcurはメモリ14に記憶される。このとき勿論、フィラーモデル72の向きの情報も置換されてメモリ14に記憶される。
Next, the total potential
Next, the data
次に、データ処理部制御部30において、フィラーモデル72を配置したコンパウンドモデル74が終了判定条件を満足するか否かが判別される(ステップS180)。例えば、フィラーモデル72によって作られるクラスターの大きさが予め定めた大きさ以下であるか否かを終了判定条件とする。クラスターとは、フィラーモデル72の仮移動を本移動として定めたとき、粒子モデルのモデル間距離が所定距離以下(例えば、フィラーモデルの径以下)になることで連続した1つの塊と見做せる群をいう。あるいは、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が所定の範囲に含まれるか否かを終了判定条件とすることもできる。勿論、このとき、以下に述べる仮移動の繰り返しの回数が所定の数に達したか否かを終了判定条件に付加させることもできる。なお、クラスターの大きさとは、直交する2方向におけるクラスターの端から端までの長さのうち長い方の長さをいう。
終了判定条件を満足しない場合、ステップS130に戻り、再度、フィラーモデル72が1つ選択されて仮移動情報が設定され、以下、ステップS140,150・・・を繰り返す。
一方、終了判定条件を満足する場合、コンパウンドモデル74中のすべてのフィラーモデル72の位置が決定され(ステップS200)、最終のコンパウンドモデルが決定される。フィラーモデル72の位置情報はメモリ14に記憶され、有限要素法を用いたモデルの作成に用いられる。
Next, the data processing
If the end determination condition is not satisfied, the process returns to step S130, and one
On the other hand, if the end determination condition is satisfied, the positions of all
一方、ステップS150において否定された場合、すなわち、Unewの値がUcurの値に比べて低くないとき、データ処理部制御部30において、0〜1の間の範囲で一様乱数を発生させ、このときの乱数の値Rと、設定された遷移確率Vとの大小関係が調べられる(ステップS190)。遷移確率Vは、下記式(4)に示すように、仮移動前後の全ポテンシャルエネルギーの差分(Unew−Ucur)を−kT(kはボルツマン定数、Tは絶対温度)で割り算した商を自然対数の底eのべき乗数として算出したものであり、ボルツマン分布に基づくファクターである。この遷移確率Vと乱数の値Rとの大小関係を比較し、乱数の値Rが大きいとき、仮移動が現実に起こり得るとして、仮移動を本移動とするステップS160、ステップS170へ進む。乱数の値Rが遷移確率Vより大きくないとき、仮移動は発生しないとして、仮移動は本移動とされず、ステップS160、ステップS170へ進まず、ステップS130に戻る。
On the other hand, when the result in Step S150 is negative, that is, when the value of U new is not lower than the value of U cur , the data
図3(c)は、図3(a)に示すフィラーモデル72の配置を図2に示す方法を実施したときの最終の配置結果を示す図である。図3(c)の例では、コンパウンドモデル74の形状は、長さが1の正方形形状であり、フィラーモデルの直径を0.07としている。又、仮想ポテンシャルは上記式(1)を用い、このときのλは7である。図3(c)に示すように、フィラーモデル72がクラスターを生成していることがわかる。これは、式(1)で表される双極子ポテンシャルを用いる場合、クラスターが生成することで全ポテンシャルエネルギーが小さくなるからである。図4(a)は、図2に示す方法を用いて得られた、3次元のフィラーモデルを示す図である。図4(b)及び図4(c)は、図2に示す方法で得られたフィラーモデルの分散配置の結果と、実際のフィラーの2次元の配置とを示している。図4(b)、図4(c)からわかるように、図2に示す方法で得られたフィラーモデルの分散配置は、実際のフィラーの配置に極めて類似していることがわかる。
FIG. 3C is a diagram illustrating a final arrangement result when the method illustrated in FIG. 2 is performed on the arrangement of the
第1のコンパウンドモデルの作成方法、すなわち、実際のフィラーの分散配置に近似したフィラーモデルの配置方法は以上のように行われる。 The first compound model creation method, that is, the filler model arrangement method approximated to the actual filler dispersion arrangement is performed as described above.
このようにマトリックス材料に粒子が分散した複合材料のシミュレーションモデルを作成する第1のコンパウンドモデル作成方法は、コンピュータにおいて以下の手順を有するプログラムを用いて実行することができる。
(1)マトリックス材料モデルに2つのフィラーモデルを配したとき、このフィラーモデルによって作られる仮想ポテンシャルをコンピュータのCPU12に設定させるとともに、マトリックス材料モデルに複数のフィラーモデルを配したコンパウンド材料モデルを、コンピュータのCPU12に作成させ、コンピュータのメモリ14に記憶させる第1の手順。
(2)フィラーモデル間に作用する仮想ポテンシャルの値を合計して全ポテンシャルエネルギーの値をCPU12に算出させる第2の手順。
(3)コンピュータのメモリ14に記憶されているコンパウンドモデルに対して、少なくとも1つのフィラーモデルの位置をCPU12に仮移動させ、この仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値をCPU12に算出させる第3の手順。
(4)フィラーモデルの仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値と、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値とをCPU12に比較させ、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低いとき、仮移動をフィラーモデルの本移動としてCPU12に定めさせてフィラーモデルの配置を修正した修正コンパウンドモデルをメモリ14に記憶させる第4の手順。
Thus, the first compound model creation method for creating a simulation model of a composite material in which particles are dispersed in a matrix material can be executed using a program having the following procedure in a computer.
(1) When two filler models are arranged in the matrix material model, a virtual potential created by the filler model is set in the
(2) A second procedure for causing the
(3) A third model that temporarily moves the position of at least one filler model to the
(4) The
その際、配置の修正されたコンパウンドモデルに対して、仮移動前、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの算出及び前記比較を行って、修正コンパウンドモデルの生成を行うように、前記第3の手順及び第4の手順をCPU12に制御させ、第4の手順では、フィラーモデルの仮移動を本移動として定めたとき、フィラーモデルのモデル間距離が所定距離以下になることでクラスターと判断されたときのクラスターの大きさをCPU12に求めさせ、この大きさが予め定めた終了判定条件を満たすとき、コンパウンドモデルにおけるフィラーモデルの修正をCPU12に終了させて最終のコンパウンドモデルとして決定させるとよい。
又、配置の修正されたコンパウンドモデルに対して、前記仮移動前、前記仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの算出及び前記比較を行い、修正コンパウンドモデルの生成を行うように、第3の手順及び第4の手順をCPU12に制御させ、第4の手順では、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が所定の範囲に含まれるとき、コンパウンドモデルにおけるフィラーモデルの位置の修正をCPU12に終了させて最終の複合材料モデルとして決定させることもできる。
At that time, the third procedure is performed to generate a corrected compound model by calculating the total potential energy before the temporary movement and after the temporary movement and performing the comparison with respect to the compound model whose arrangement is corrected. When the CPU 4 controls the fourth procedure and the temporary movement of the filler model is determined as the main movement in the fourth procedure, when the distance between the models of the filler model is equal to or less than a predetermined distance, the cluster is determined to be a cluster. When the size of the cluster is determined by the
Further, the third procedure and the third step are performed so that the corrected compound model is generated by calculating and comparing the total potential energy before the temporary movement and after the temporary movement for the compound model whose arrangement is corrected. In the fourth procedure, when the total potential energy value after the temporary movement is included in the predetermined range, the
仮想ポテンシャルは、例えば、フィラーモデルに、電荷の値又は磁気双極子モーメントの値が1単位の双極子モーメントを付与したときの、双極子モーメントに基づく双極子ポテンシャルである。その際、双極子モーメントで定まるフィラーモデルの向きも変更させることが好ましい。 The virtual potential is, for example, a dipole potential based on a dipole moment when a charge model or a magnetic dipole moment value gives a unit dipole moment to a filler model. At that time, it is preferable to change the orientation of the filler model determined by the dipole moment.
図5は、最終のコンパウンドモデルとして決定したときのフィラーモデルの位置情報を用いて、有限要素法を用いたシミュレーションのフローを説明するフローチャートである。
まず、有限要素モデル作成部26において、メモリ14に記憶されたフィラーモデルの位置情報が呼び出され、フィラー部分の位置が設定される(ステップS300)。
次に、ゴム部材にフィラーが分散配置したコンパウンドを再現したシミュレーションモデルが作成される(ステップS310)。シミュレーションモデルは、例えば、2次元モデルの場合、図6(a)に示されるように、矩形状の領域に等間隔でメッシュ分割して作られる単一の大きさの複数の有限要素で構成し、フィラー位置情報に対応する位置にフィラーに対応する要素を定める。図6(a)に示すモデルは、一辺に沿って設けられる矩形形状の要素の数は100であり、10000個の要素で構成されている。図6(b)は、直方体形状の要素で構成された3次元のシミュレーションモデルの一例を示している。図6(a),(b)に示すモデルでは、フィラーに対応する要素が黒領域で示され、ゴムに対応する要素が白領域で示されている。図6(a),(b)に示す例では、ゴムの材料特性として、Arruda-Boyce超弾性モデルが用いられる。ゴムの材料特性は、時間に応じて変化する緩和特性を有するものであってもよい。Arruda-Boyce超弾性モデルにおけるパラメータμ,λは、ゴムに対応する要素についてはそれぞれ0.05,2.3とし、フィラーに対応する要素についてそれぞれ5.00,2.3としている。フィラーの材料特性は、材料定数が用いられる。
FIG. 5 is a flowchart for explaining the flow of simulation using the finite element method using the position information of the filler model when determined as the final compound model.
First, in the finite element
Next, a simulation model that reproduces a compound in which fillers are distributed and arranged on a rubber member is created (step S310). For example, in the case of a two-dimensional model, the simulation model is composed of a plurality of finite elements of a single size formed by dividing a mesh into rectangular regions at equal intervals, as shown in FIG. The element corresponding to the filler is determined at the position corresponding to the filler position information. In the model shown in FIG. 6A, the number of rectangular elements provided along one side is 100, and the number of elements is 10,000. FIG. 6B shows an example of a three-dimensional simulation model composed of rectangular parallelepiped elements. In the models shown in FIGS. 6A and 6B, the elements corresponding to the filler are indicated by black areas, and the elements corresponding to the rubber are indicated by white areas. In the example shown in FIGS. 6A and 6B, an Arruda-Boyce superelastic model is used as the material property of rubber. The material properties of the rubber may have relaxation properties that change with time. The parameters μ and λ in the Arruda-Boyce superelastic model are 0.05 and 2.3 for elements corresponding to rubber, and 5.00 and 2.3 for elements corresponding to fillers, respectively. A material constant is used for the material characteristic of the filler.
本発明では、ゴムの材料特性としてArruda-Boyce超弾性モデルで表される材料特性を用いているが、この他に材料定数を用いることもできる。材料定数として、例えばヤング率、せん断剛性あるいはモジュラスと、ポアソン比等の値を設定してもよい。このとき、ゴムの材料定数として用いるヤング率、せん断剛性あるいはモジュラスの値は、フィラーの材料定数のヤング率、せん断剛性あるいはモジュラスの値に比べて低い。このようなシミュレーションモデルに用いる材料特性や材料定数等の条件は、条件設定部18にて設定されたものである。本実施形態では、矩形形状の領域を等間隔にメッシュ分割して同じサイズの要素で構成したモデルであるが、本発明では、上記領域を等間隔にメッシュ分割したモデルに限定されず、フィラーの配置位置や形状に応じてサイズの異なる要素でメッシュ分割したものであってもよい。しかし、図6(a),(b)に示すように上記領域を等間隔でメッシュ分割して同じサイズの要素で構成したシミュレーションモデルは、フィラーの位置がどこに設定されようと、メッシュ分割をフィラーの位置に応じて行う必要がない点で有効である。
In the present invention, the material property represented by the Arruda-Boyce superelastic model is used as the material property of the rubber, but other material constants may be used. As the material constant, for example, values such as Young's modulus, shear rigidity or modulus, and Poisson's ratio may be set. At this time, the Young's modulus, shear rigidity, or modulus value used as the material constant of rubber is lower than the Young's modulus, shear rigidity, or modulus value of the material constant of the filler. Conditions such as material characteristics and material constants used in such a simulation model are set by the
材料特性あるいは材料定数が付与されて計算可能となったシミュレーションモデルに、境界条件が付与されさらに、荷重条件又は強制変位条件を付与して力学的挙動を再現するシミュレーションが行われる(ステップS320)。境界条件は、相対変位を許容する周期対称条件が挙げられる。又、シミュレーションにおいて非線形の解析を行う場合、対向する2辺の境界の変位量に加えてこの境界間の相対変位も許容する周期境界条件を設定するとよい。荷重条件は、例えば、互いに対向する2辺に付与する外力を設定する条件をいう。境界条件、荷重条件又は強制変位条件等は、条件設定部18にて設定される。
A simulation is performed in which a boundary condition is given to a simulation model that can be calculated by being given material characteristics or material constants, and further a load condition or a forced displacement condition is given to reproduce a mechanical behavior (step S320). An example of the boundary condition is a cyclic symmetry condition that allows relative displacement. When performing nonlinear analysis in the simulation, it is preferable to set a periodic boundary condition that allows a relative displacement between the two boundaries in addition to the amount of displacement of the boundary between the two opposing sides. The load condition refers to a condition for setting an external force to be applied to two sides facing each other, for example. Boundary conditions, load conditions, forced displacement conditions, and the like are set by the
シミュレーションでは、例えば、シミュレーションモデルの対向する2辺に外力や強制変位が与えられた1軸引張り試験や対向する2辺に外力や強制変位が与えられた2軸引張り試験を再現する。
シミュレーションにより得られた結果は、ディスプレイ50やプリンタ60に出力される(ステップS330)。図7(a),(b)は、図6に示すシミュレーションモデルの対向する2辺に強制変位を与え(x方向に変位4を与え)、一軸引張り試験を再現したシミュレーション結果を示す図である。図7(a)は、シミュレーションモデルの変形を示す図である。図7(b)は、そのときの最大主歪みを白黒で表した図である。黒い部分が最大主歪みが大きい部分を示している。
このようなシミュレーション結果としてコンパウンドの力学特性が求められ、ディスプレイ50やプリンタ60に出力される。
In the simulation, for example, a uniaxial tensile test in which an external force or a forced displacement is applied to two opposite sides of the simulation model and a biaxial tensile test in which an external force or a forced displacement is applied to two opposite sides are reproduced.
The result obtained by the simulation is output to the
As a simulation result, the mechanical characteristics of the compound are obtained and output to the
以上のように、上記実施形態では、仮想ポテンシャルを設定してマトリックス材料に粒子が分散した複合材料のモデルを、終了判定条件を用いて定めることにより、有効にコンパウンドモデルを作成することができる。この結果を用いてシミュレーションモデルを作成して、シミュレーションを効率よく行うことができる。 As described above, in the above-described embodiment, a compound model can be effectively created by setting a virtual potential and determining a model of a composite material in which particles are dispersed in a matrix material using an end determination condition. A simulation model can be created using this result, and the simulation can be performed efficiently.
次に、作成装置10における第2のコンパウンドモデルの作成方法について、以下、詳細に説明する。図8は、第2のコンパウンドモデルの作成方法の一例の流れを説明するフローチャートである。
第2のコンパウンドモデルでは、複数のフィラーが凝集状態となった集合体(図9(a)参照)を1つの向きを有するストラクチャーモデル(図9(b)参照)で表し、このフィラーストラクチャーモデルが、第1のコンパウンドモデルと同様に、複数ランダム配置され、仮移動される。この仮移動が所定の終了条件を満足するまで行なわれ、フィラーストラクチャーモデルの位置および向きが決定され、決定されたフィラーストラクチャーモデルは複数のフィラーが凝集状態となったモデルに置換され、最終のコンパウンドモデルが生成される。この生成されたモデルに基づいて、シミュレーションを行なってモジュラスや粘弾性特性等の力学特性が求められる。なお、複数のフィラーが凝集状態となった集合体は、凝集した形態により特徴付けられる方向性を有し、このときの方向がフィラーストラクチャーモデルの向きとして用いられる。このフィラーストラクチャーモデルの向きと位置に依存して、仮想ポテンシャルが作られる。
以下に、図8のフローチャートに従い、第2のコンパウンドモデルの作成方法を2次元モデルを用いて説明する。第2のコンパウンドモデルの作成方法は、勿論、3次元モデルについても適用できる。
Next, a method for creating the second compound model in the creating
In the second compound model, an aggregate in which a plurality of fillers are in an aggregated state (see FIG. 9A) is represented by a structure model having one direction (see FIG. 9B), and this filler structure model is As in the case of the first compound model, a plurality of random models are arranged and temporarily moved. This temporary movement is performed until a predetermined end condition is satisfied, the position and orientation of the filler structure model are determined, and the determined filler structure model is replaced with a model in which a plurality of fillers are in an aggregated state, and the final compound A model is generated. Based on the generated model, a simulation is performed to obtain mechanical characteristics such as modulus and viscoelastic characteristics. The aggregate in which a plurality of fillers are in an aggregated state has a directionality characterized by the aggregated form, and the direction at this time is used as the orientation of the filler structure model. Depending on the orientation and position of this filler structure model, a virtual potential is created.
Hereinafter, a method for creating the second compound model will be described using a two-dimensional model according to the flowchart of FIG. The method for creating the second compound model can of course be applied to a three-dimensional model.
まず、条件設定部18において、オペレータによる入力により、第1のコンパウンドモデルと同様に各種条件が設定される(ステップS400)。第2のコンパウンドモデルでは、第1のコンパウンドモデルの条件に加え、フィラーストラクチャーモデルの仮移動時の重なりの調整のための重複判定条件、重複処理方法が設定される。
First, in the
次に、初期/修正モデル生成部24において、第1のコンパウンドモデルの粒子モデルと同様に、ゴムモデル中へのフィラーストラクチャーモデルのランダム配置が行われる(ステップS410)。図10(a)は、2次元のゴムモデル70中にフィラーストラクチャーモデル(図中の楕円体)76を16個ランダム配置したコンパウンドモデル78の一例を示している。なお、フィラーストラクチャーモデル76の向きを表す方位角は、ゴムモデル70の正方形状の直交する辺をx軸、y軸とし、フィラーストラクチャーモデル76の中心からx軸プラス方向を基準として時計周りに一周した方位角を角度で1と定義し、CPU12に0〜1の間の範囲で乱数を生成させ、この乱数の値によって定められる。なおここで、フィラーストラクチャーモデルは、3つのフィラーが凝集状態となった集合体をモデル化したものである。また、フィラーストラクチャーモデルの縁形状は、長軸を3つのフィラーが凝集する方向に一致させ、短径を長径の1/2とし、面積をフィラーの面積の3倍とする(面積が凝集した3つのフィラーの集合体の面積と一致する)楕円形状である。また、フィラーストラクチャーモデルの縁形状は、この楕円形状を表す形状関数によって表される。なお、コンパウンドモデルが3次元モデルの場合には、フィラーストラクチャーモデルの体積を、凝集した3つのフィラーの集合体の体積と一致させる。
Next, in the initial / corrected
次に、全ポテンシャルエネルギー算出部20において、ランダム配置された複数のフィラーストラクチャーモデル76の間で作用する仮想ポテンシャルの値を合計した全ポテンシャルエネルギーの値Ucurの計算が、第1のコンパウンドモデルと同様に行われる(ステップS420)。本実施形態での仮想ポテンシャルは、フィラーストラクチャーモデル76の位置および長軸に代表される向きに基づいて計算される。
Next, in the total potential
次に、仮移動情報設定部22において、配置されたフィラーストラクチャーモデル76の1つが選択され、選択されたフィラーストラクチャーモデル76の仮移動の情報が設定され、初期/修正モデル生成部24において、選択されたフィラーストラクチャーモデル76の仮移動が、第1のコンパウンドモデルと同様に行われる(ステップS430)。フィラーストラクチャーモデル76の仮移動は、位置の仮移動の他に、フィラーストラクチャーモデル76の向きを代表する長軸の向きの仮変更を含む。
図10(b)は、白抜き楕円で示されたフィラーストラクチャーモデル76を仮移動する状態を示している。
Next, the provisional movement
FIG. 10B shows a state in which the
次に、初期/修正モデル生成部24において、仮移動したフィラーストラクチャーモデル76と、他のフィラーストラクチャーモデル76との重なりの調整を行なう(ステップS440)。フィラーストラクチャーモデル76の重なりの調整は、フィラーストラクチャーモデル76の縁形状を形状関数で表現し、仮移動したフィラーストラクチャーモデル76と、仮移動していないフィラーストラクチャーモデル76との形状関数の重なりの有無を計算し、重なりが無い場合この仮移動を採用する。重なりが有る場合、この仮移動を取り消し、形状関数の重なりが発生しなくなるまで、フィラーストラクチャーモデル76の仮移動を繰り返す。これにより、コンパウンドモデル78内の全フィラーの量を一定に保つことが、容易にできる。
Next, the initial / corrected
また、フィラーストラクチャーモデル76の重なりの調整は、コンパウンドモデルが2次元モデルの場合、コンパウンドモデル78内でフィラーストラクチャーモデル76が占有する面積の和を合計し、面積が一致する場合、この仮移動を採用する。面積が一致しない場合、この仮移動を取り消し、面積が一致するまで、フィラーストラクチャーモデル76の仮移動を繰り返す。これによって、コンパウンドモデル78内の全フィラーの量を一定に保つことができる。コンパウンドモデルが3次元モデルの場合、フィラーストラクチャーモデルの重なりの調整は、コンパウンドモデル内でフィラーストラクチャーモデルが占有する体積を用いればよい。
また、フィラーストラクチャーモデル76の重なりの調整は、コンパウンドモデル78内でフィラーストラクチャーモデル76が占有する面積の和について、仮移動前後の変化代が一定値以下の場合、この仮移動を採用してもよい。フィラーストラクチャーモデル76の重なりの調整は、フィラーストラクチャーモデル76が占有する面積の和の上記変化代が一定値より大きい場合、0〜1の乱数を発生させ、乱数の値が例えば0.5以上の場合、この仮移動を採用してもよい。さらに、この重なりの調整は、すべての仮移動の際に行なってもよく、例えば後述する終了条件を満足したときのような任意のタイミングのみで行なってもよい。あるいは、全く行なわなくてもよい。
Further, when the compound model is a two-dimensional model, the overlap of the
Further, the adjustment of the overlap of the
次に、全ポテンシャルエネルギー算出部20において、採用された仮移動後の全ポテンシャルエネルギーUnewが、第1のコンパウンドモデルと同様に計算される(ステップS450)。
次に、データ処理部制御部30において、仮移動前の全ポテンシャルエネルギーUcurと、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーUnewとが、第1のコンパウンドモデルと同様に比較される(ステップS460)。全ポテンシャルエネルギーが第1のコンパウンドモデルと同様の条件をみたすとき、第1のコンパウンドモデルと同様に仮移動前のフィラーストラクチャーモデル76の位置ベクトルXcurは、仮移動後の位置ベクトルXnewに置換される(ステップS470)。これに伴って、仮移動前の全ポテンシャルエネルギーUcurも、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーUnewに置換される(ステップS480)。置換された位置ベクトルXcur、全ポテンシャルエネルギーUcurはメモリ14に記憶される。このとき勿論、フィラーストラクチャーモデル76の向きの情報も置換されてメモリ14に記憶される。
Next, the total potential
Next, in the data processing
次に、データ処理制御部30において、フィラーストラクチャーモデル76を配置したコンパウンドモデル78が終了判定条件を満足するか否かが、第1のコンパウンドモデルと同様に判別される(ステップS490)。
終了判定条件を満足しない場合、ステップS430に戻り、再度、フィラーストラクチャーモデル76が1つ選択されて仮移動情報が設定され、以下、ステップS440,450・・・が繰り返される。一方、終了判定条件を満足する場合、図10(c)に示すように、コンパウンドモデル78中のすべてのフィラーストラクチャーモデル76の位置が決定される(ステップS510)。
次に、初期/修正モデル生成部24において、位置が決定され、配置の修正が終了した複数のフィラーストラクチャーモデル76のそれぞれに対して、フィラーストラクチャーモデル76の位置情報および向き情報を用いて、フィラーストラクチャーモデルからフィラーが凝集した複数の粒子の集合体のモデルへの置換が行なわれ(ステップS520)、最終のコンパウンドモデルが決定される。
次に、データ処理制御部30において、置き換えられた粒子のモデルの位置情報はメモリ14に記憶され、有限要素法を用いたモデルの作成に用いられる。
Next, the data
If the end determination condition is not satisfied, the process returns to step S430, and one
Next, the initial / corrected
Next, in the data
一方、ステップS460において、仮移動が否定された場合、すなわち、Unewの値がUcurの値に比べて低くないとき、データ処理制御部30において、第1のコンパウンドモデルと同様に、0〜1の間の範囲で一様乱数を発生させ、このときの乱数の値Rと、設定された遷移確率Vとの大小関係が調べられる(ステップS500)。この遷移確率Vと乱数の値Rとの大小関係を比較し、乱数の値Rが大きいとき、仮移動が現実に起こり得るとして、仮移動を本移動とするステップS470、ステップS480へ進む。乱数の値Rが遷移確率Vより大きくないとき、仮移動は発生しないとして、仮移動は本移動とされず、ステップS470、ステップS480へ進まず、ステップS430に戻る。
On the other hand, when the temporary movement is denied in step S460, that is, when the value of U new is not lower than the value of U cur , the data
図10(c)は、図10(a)に示すフィラーストラクチャーモデル76のゴムモデル70への配置に対して図8に示す方法を用いたきの最終の配置結果を示す図である。図10(c)の例では、コンパウンドモデル78の形状は、ゴムモデル70を長さが1の正方形形状としたとき、フィラーストラクチャーモデルの長径(直径)を0.2としている。又、仮想ポテンシャルは上述した式(1)を用い、このときのλは14である。図10(c)に示すように、フィラーストラクチャーモデル76がクラスターを生成していることがわかる。
FIG. 10C is a diagram showing a final arrangement result when the method shown in FIG. 8 is used for the arrangement of the
本実施形態では、フィラーストラクチャーモデルは、3つの直線状に凝集したフィラーの集合体をモデル化したものであるが、これには限られず、いずれの凝集状態のフィラーの集合体をモデル化したものであってもよい。例えば、図11にそれぞれ例示する、方向性を有する一定形状をした一定数のフィラーの集合体をモデル化したものであってもよい。また、同時に用いるフィラーストラクチャーモデルの種類は1つに限定されず、複数種を同時に用いてもよい。
また、本実施形態では、フィラーストラクチャーモデルの形状は楕円形状としたが、これには限られず、フィラーストラクチャーモデル76の持つ位置と向きと面積との情報を有するいずれの形状であってもよい。例えば、長方形、ひし形であってもよい。
また、本実施形態では、フィラーストラクチャーモデルを特徴付ける向きは、凝集した3つのフィラーを貫く軸の方向としたが、これには限られず、仮想ポテンシャルを計算できるいずれの向きであってもよい。例えば、フィラーの集合体の最大または最小長さを有する方向や2次断面モーメントが最大または最小となる方向であってもよい。
In the present embodiment, the filler structure model is obtained by modeling an aggregate of three linearly aggregated fillers. However, the filler structure model is not limited to this, and an aggregate of filler aggregates in any aggregated state is modeled. It may be. For example, an assembly of a certain number of fillers having a certain shape with directionality, each illustrated in FIG. 11, may be modeled. Moreover, the kind of filler structure model used simultaneously is not limited to one, You may use multiple types simultaneously.
In the present embodiment, the shape of the filler structure model is an elliptical shape, but is not limited to this, and may be any shape having information on the position, orientation, and area of the
In this embodiment, the direction characterizing the filler structure model is the direction of the axis passing through the three aggregated fillers. However, the direction is not limited to this, and may be any direction in which a virtual potential can be calculated. For example, the direction having the maximum or minimum length of the aggregate of fillers or the direction in which the secondary cross-section moment is maximum or minimum may be used.
第2のコンパウンドモデルの作成方法、すなわち、フィラーストラクチャーモデルの配置方法は以上のように行われる。 The method for creating the second compound model, that is, the method for arranging the filler structure model is performed as described above.
このようにマトリックス材料に、凝集した複数のフィラーが分散した複合材料のシミュレーションモデルを作成する第2のコンパウンドモデル作成方法は、コンピュータにおいて、第1のコンパウンドモデルと同様の手順を有するプログラムを用いて、フィラーストラクチャーモデルの配置を修正した修正コンパウンドモデルを作成することができる。 In this way, a second compound model creation method for creating a simulation model of a composite material in which a plurality of aggregated fillers are dispersed in a matrix material uses a program having the same procedure as that of the first compound model in a computer. In addition, a modified compound model in which the arrangement of the filler structure model is corrected can be created.
この際、フィラーストラクチャーモデルは向きを有し、仮想ポテンシャルは、2つのフィラーストラクチャーモデルの位置と向きとに依存して作られるポテンシャルであり、フィラーストラクチャーモデルは、複数のフィラーの集合体を1つのモデルとして表したものであり、この複数のフィラーの集合体は所定の方向に特徴付けられる方向性を有し、この方向がフィラーストラクチャーモデルの向きとして用いられることが好ましい。また、フィラーストラクチャーモデルの仮移動は、フィラーストラクチャーモデルの位置の仮移動の他に、フィラーストラクチャーモデルの向きも仮変更させることが好ましい。 At this time, the filler structure model has an orientation, and the virtual potential is a potential that is created depending on the position and orientation of the two filler structure models. The filler structure model is a collection of a plurality of fillers. The model is expressed as a model, and the aggregate of the plurality of fillers has a directionality characterized in a predetermined direction, and this direction is preferably used as the direction of the filler structure model. In addition, the temporary movement of the filler structure model preferably temporarily changes the orientation of the filler structure model in addition to the temporary movement of the position of the filler structure model.
第2のコンパウンドモデルにおいても、第1のコンパウンドモデルと同様に、凝集した複数のフィラー部分の位置が設定され、ゴム部材に凝集した複数のフィラーが分散配置したコンパウンドを再現したシミュレーションモデルが作成され、このシミュレーションモデルに境界条件等が付与され、力学的挙動を再現するシミュレーションが行われ、シミュレーションにより得られた結果がディスプレイ50やプリンタ60に出力される。
In the second compound model, as in the first compound model, the positions of a plurality of aggregated filler portions are set, and a simulation model is created that reproduces a compound in which a plurality of aggregated fillers are dispersedly arranged on a rubber member. A boundary condition or the like is given to the simulation model, a simulation for reproducing the mechanical behavior is performed, and a result obtained by the simulation is output to the
第2のコンパウンドモデルの作成方法では、複数のフィラーが凝集した集合体をモデル化したフィラーストラクチャーモデルを用いることにより、コンパウンドモデルを短時間で(計算負荷を少なくして)作成することができる。これは、採用された仮移動後に行なう、全ポテンシャルエネルギーを計算するステップ毎の計算回数が、第1のコンパウンドモデルにおける略フィラーモデル数の2乗回から、第2のコンパウンドモデルでは略フィラーストラクチャーモデル数の2乗回に減少すること、および、採用された仮移動後に行なう、全ポテンシャルエネルギーを計算するステップ数自体が減少することによる。第2のコンパウンドモデルにおいて、フィラーストラクチャーモデルを用いることにより、モデル作成に要する計算時間は、一例として凝集したフィラー数が3つの場合、約1/27に減少する。
なお、フィラーストラクチャーモデルをモデル化する集合体に凝集するフィラー数は、実際のフィラーの凝集を模擬できる範囲であれば、特に制限されない。フィラーストラクチャーモデルを形成するフィラー数が増えれば、同じフィラー数を含むコンパウンドモデルにおいて扱うフィラーストラクチャーモデル数が減るので、計算時間がより短縮できる。
In the second method for creating a compound model, a compound model can be created in a short time (with a reduced calculation load) by using a filler structure model obtained by modeling an aggregate in which a plurality of fillers are aggregated. This is because, after the adopted temporary movement, the number of calculations for each step of calculating the total potential energy is approximately the square of the number of filler models in the first compound model, and in the second compound model, it is approximately the filler structure model. This is because the number of steps is reduced to the square of the number, and the number of steps for calculating the total potential energy itself after the adopted temporary movement is reduced. By using the filler structure model in the second compound model, the calculation time required for model creation is reduced to about 1/27 when the number of aggregated fillers is three as an example.
Note that the number of fillers that aggregate in the aggregate that models the filler structure model is not particularly limited as long as the aggregation of the actual filler can be simulated. If the number of fillers forming the filler structure model increases, the number of filler structure models handled in the compound model including the same number of fillers decreases, so that the calculation time can be further shortened.
以上、本発明の複合材料モデルの作成装置、シミュレーション装置、複合材料モデルの作成プログラム及び複合材料モデルの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。 The composite material model creation device, simulation device, composite material model creation program, and composite material model creation method of the present invention have been described above in detail, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the gist of the present invention. It goes without saying that various improvements and changes may be made without departing from the scope of the invention.
10 複合材料モデルの作成装置
12 CPU
14 メモリ
16 I/Oインターフェース
18 条件設定部
20 全ポテンシャルエネルギー算出部
22 仮移動情報設定部
24 初期/修正モデル生成部
26 有限要素モデル作成部
28 シミュレーション演算部
30 データ処理制御部
40 入力操作系
50 ディスプレイ
60 プリンタ
70 ゴムモデル
72 フィラーモデル
74、78 コンパウンドモデル
76 フィラーストラクチャーモデル
10 Composite Material
14 Memory 16 I /
Claims (22)
マトリックス材料モデルに2つの粒子モデルを配したとき、この2つの粒子モデルによって作られる仮想ポテンシャルを設定し、さらに、複数の粒子モデルをマトリックス材料モデル中に配した複合材料モデルを作成する第1の手段と、
前記複数の粒子モデル間に作用する仮想ポテンシャルの値を合計して全ポテンシャルエネルギーの値を算出する第2の手段と、
前記複数の粒子モデルの中の少なくとも1つの粒子モデルを仮移動し、この仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値を算出する第3の手段と、
前記粒子モデルの仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値と、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値とを比較し、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低いとき、前記仮移動を粒子モデルの本移動として定めて粒子モデルの配置を修正した修正複合材料モデルを生成する第4の手段と、
前記第1〜第4の手段を制御する制御手段と、を有し、
前記第3の手段及び第4の手段が、さらに、前記第4の手段で生成された前記修正複合材料モデルに対して、前記仮移動前、前記仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値の算出及び前記比較を行って前記修正複合材料モデルをさらに修正するように、前記制御手段は前記第3の手段及び前記第4の手段を制御し、
前記第4の手段は、前記粒子モデルの仮移動を本移動として定めたとき、粒子モデルのモデル間距離が所定距離以下になることでクラスターと判断されたときのクラスターの大きさを求め、この大きさが予め定めた条件を満たすとき、前記複合材料モデルにおける前記粒子モデルの配置の修正を終了して最終の複合材料モデルとして出力することを特徴とする複合材料モデルの作成装置。 A composite material model creation device for creating a composite material model in which particles are dispersed in a matrix material,
When two particle models are arranged in the matrix material model, a virtual potential created by the two particle models is set, and a composite material model in which a plurality of particle models are arranged in the matrix material model is created. Means,
A second means for calculating a value of total potential energy by summing values of virtual potentials acting between the plurality of particle models;
A third means for temporarily moving at least one particle model of the plurality of particle models and calculating a value of total potential energy after the temporary movement;
Compare the value of the total potential energy before temporary movement of the particle model with the value of the total potential energy after temporary movement, and compare the value of the total potential energy after temporary movement to the value of the total potential energy before temporary movement. And a fourth means for generating a modified composite material model in which the provisional movement is defined as a main movement of the particle model and the arrangement of the particle model is corrected,
Have a, and control means for controlling said first to fourth means,
The third means and the fourth means further calculate the value of the total potential energy before the temporary movement and after the temporary movement, with respect to the modified composite material model generated by the fourth means, and The control means controls the third means and the fourth means to perform the comparison to further modify the modified composite material model;
The fourth means obtains the size of the cluster when it is determined as a cluster when the inter-model distance of the particle model is equal to or less than a predetermined distance when the temporary movement of the particle model is determined as the main movement. An apparatus for creating a composite material model , wherein when the size satisfies a predetermined condition, the modification of the arrangement of the particle model in the composite material model is terminated and output as a final composite material model .
前記仮想ポテンシャルは、2つの粒子モデルの位置と向きとに依存して作られるポテンシャルであり、
前記粒子モデルは、複数の粒子の集合体を1つのモデルとして表したものであり、この複数の粒子の集合体は所定の方向に特徴付けられる方向性を有し、この方向が前記粒子モデルの向きとして用いられる請求項1に記載の複合材料モデルの作成装置。 The particle model has an orientation;
The virtual potential is a potential created depending on the position and orientation of two particle models,
The particle model represents an aggregate of a plurality of particles as one model, and the aggregate of the plurality of particles has a direction characteristic of a predetermined direction, and this direction is the direction of the particle model. The composite material model creating apparatus according to claim 1, wherein the composite material model creating apparatus is used as an orientation.
前記第4の手段において生成された前記修正複合材料モデルが予め定められた条件を満たすとき、このときの修正複合材料モデルを最終の複合材料モデルとして決定し、この最終の複合材料モデルにおける粒子モデルの位置を前記粒子の分散位置として定め、この分散位置に前記粒子を配置した複合材料を再現するモデルであって、計算可能な複数の要素で分割して構成された複合材料シミュレーションモデルを作成する第5の手段と、を有することを特徴とするシミュレーション装置。 The first means, the second means, the third means, the fourth means, and the control means in the composite material model creating apparatus according to any one of claims 1 to 10 ,
When the modified composite material model generated in the fourth means satisfies a predetermined condition, the modified composite material model at this time is determined as the final composite material model, and the particle model in the final composite material model is determined. Is a model that reproduces the composite material in which the particles are arranged at the dispersion position and is divided by a plurality of computable elements to create a composite material simulation model. And a fifth means.
マトリックス材料モデルに2つの粒子モデルを配したとき、この2つの粒子モデルによって作られる仮想ポテンシャルをコンピュータに設定させるとともに、マトリックス材料モデルに複数の粒子モデルを配した複合材料モデルを、コンピュータの演算手段に作成させ、コンピュータの記憶手段に記憶させる第1の手順と、
前記複数の粒子モデル間に作用する仮想ポテンシャルの値を合計して全ポテンシャルエネルギーの値を前記演算手段に算出させる第2の手順と、
コンピュータの記憶手段に記憶されている複合材料モデルに対して、前記複数の粒子モデルの中の少なくとも1つの粒子モデルを前記演算手段に仮移動させ、この仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値を前記演算手段に算出させる第3の手順と、
前記粒子モデルの仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値と、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値とを前記演算手段に比較させ、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低いとき、前記仮移動を粒子モデルの本移動として前記演算手段に定めさせて粒子モデルの配置を修正した修正複合材料モデルを前記記憶手段に記憶させる第4の手順と、を有し、
前記配置の修正された複合材料モデルに対して、前記仮移動、前記仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの算出及び前記比較を行い、前記修正複合材料モデルの生成を行うように、前記第3の手順及び第4の手順をコンピュータの制御手段に制御させ、
前記第4の手順では、前記粒子モデルの仮移動を本移動として定めたとき、粒子モデルのモデル間距離が所定距離以下になることでクラスターと判断されたときのクラスターの大きさを前記演算手段に求めさせ、この大きさが予め定めた条件を満たすとき、前記複合材料モデルにおける前記粒子モデルの配置の修正を前記演算手段に終了させて最終の複合材料モデルとして決定させることを特徴とする複合材料モデルの作成プログラム。 A simulation model creation program for causing a computer to create a simulation model of a composite material in which particles are dispersed in a matrix material,
When two particle models are arranged in the matrix material model, the virtual potential created by the two particle models is set by the computer, and a composite material model in which a plurality of particle models are arranged in the matrix material model is calculated by a computer computing means. A first procedure to be created and stored in a storage means of a computer;
A second procedure in which the values of virtual potentials acting between the plurality of particle models are summed to cause the calculation means to calculate a value of total potential energy;
With respect to the composite material model stored in the storage means of the computer, at least one particle model of the plurality of particle models is temporarily moved to the computing means, and the value of the total potential energy after the temporary movement is A third procedure for causing the computing means to calculate;
The calculation means compares the value of the total potential energy before temporary movement of the particle model with the value of the total potential energy after temporary movement, and the value of the total potential energy after temporary movement is the total potential energy before temporary movement. A fourth procedure for causing the storage means to store a modified composite material model in which the calculation means is determined as the primary movement of the particle model and the arrangement of the particle model is corrected when the temporary movement is lower than the value of Yes, and
The third procedure is performed to generate the corrected composite material model by performing the temporary movement, calculating the total potential energy after the temporary movement, and performing the comparison with respect to the composite material model with the corrected arrangement. And the fourth procedure is controlled by the control means of the computer,
In the fourth procedure, when the temporary movement of the particle model is determined as the main movement, the size of the cluster when the inter-model distance of the particle model is determined to be a cluster by being equal to or less than a predetermined distance is calculated as the computing unit. And when the size satisfies a predetermined condition, the calculation means ends the correction of the arrangement of the particle model in the composite material model and is determined as a final composite material model. Material model creation program.
前記仮想ポテンシャルは、2つの粒子モデルの位置と向きとに依存して作られるポテンシャルであり、
前記粒子モデルは、複数の粒子の集合体を1つのモデルとして表したものであり、この複数の粒子の集合体は所定の方向に特徴付けられる方向性を有し、この方向が前記粒子モデルの向きとして用いられる請求項14に記載の複合材料モデルの作成プログラム。 The particle model has an orientation;
The virtual potential is a potential created depending on the position and orientation of two particle models,
The particle model represents an aggregate of a plurality of particles as one model, and the aggregate of the plurality of particles has a direction characteristic of a predetermined direction, and this direction is the direction of the particle model. 15. The composite material model creation program according to claim 14, which is used as an orientation.
メモリと、
入力操作系と、
を備えた、マトリックス材料に粒子が分散した複合材料のモデルを作成する複合材料モデルの作成装置の動作方法であって、
前記CPUが、
前記入力操作系を介してオペレータにより入力された条件に基づいてマトリックス材料モデルに2つの粒子モデルを配したとき、この2つの粒子モデルによって作られる仮想ポテンシャルを設定するとともに、マトリックス材料モデルに複数の粒子モデルを配した複合材料モデルを作成する第1のステップと、
前記粒子モデル間に作用する仮想ポテンシャルの値を合計して全ポテンシャルエネルギーの値を算出する第2のステップと、
前記複数の粒子モデルの中の少なくとも1つの粒子モデルを仮移動し、この仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値を算出する第3のステップと、
前記粒子モデルの仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値と、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値とを比較し、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低いとき、前記仮移動を粒子モデルの本移動として定めて粒子モデルの配置を修正した修正複合材料モデルを生成して前記メモリに記憶する第4のステップと、を有し、
前記第4のステップで生成された前記修正複合材料モデルに対して、前記仮移動前、前記仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値の算出及び前記比較を行って前記修正複合材料モデルをさらに修正するように、前記第3のステップ及び前記第4のステップを繰り返し、
前記第4のステップは、前記粒子モデルの仮移動を本移動として定めたとき、粒子モデルのモデル間距離が所定距離以下になることでクラスターと判断されたときのクラスターの大きさを求め、この大きさが予め定めた条件を満たすとき、前記複合材料モデルにおける前記粒子モデルの配置の修正を終了して最終の複合材料モデルとして出力し、
前記仮想ポテンシャルは、前記粒子モデルに、電荷の値又は磁気双極子モーメントの値を付与した双極子ポテンシャルを含むことを特徴とする複合材料モデルの作成装置の動作方法。 CPU,
Memory,
Input operation system,
A method for operating a composite material model creating apparatus for creating a composite material model in which particles are dispersed in a matrix material, comprising:
The CPU is
When two particle models are arranged in the matrix material model based on conditions input by the operator via the input operation system, a virtual potential created by the two particle models is set, and a plurality of matrix material models are set in the matrix material model. A first step of creating a composite material model with a particle model;
A second step of calculating a value of total potential energy by summing values of virtual potentials acting between the particle models;
A third step of temporarily moving at least one particle model of the plurality of particle models and calculating a value of total potential energy after the temporary movement;
Compare the value of the total potential energy before temporary movement of the particle model with the value of the total potential energy after temporary movement, and compare the value of the total potential energy after temporary movement to the value of the total potential energy before temporary movement. And a fourth step of generating a modified composite material model in which the provisional movement is defined as a main movement of the particle model and the arrangement of the particle model is corrected and stored in the memory ,
The corrected composite material model generated in the fourth step is further corrected by calculating and comparing the value of the total potential energy before and after the temporary movement, and the comparison. As described above, the third step and the fourth step are repeated,
In the fourth step, when the temporary movement of the particle model is determined as the main movement, the size of the cluster when it is determined as a cluster when the inter-model distance of the particle model is equal to or less than a predetermined distance is obtained, When the size satisfies a predetermined condition, the arrangement of the particle model in the composite material model is corrected and output as the final composite material model,
The virtual potential, the particle model, the operation method of the producing apparatus of the composite model which comprises the dipole potential imparted with the values of the charge values or magnetic dipole moment.
前記仮想ポテンシャルは、2つの粒子モデルの位置と向きとに依存して作られるポテンシャルであり、
前記粒子モデルは、複数の粒子の集合体を1つのモデルとして表したものであり、この複数の粒子の集合体は所定の方向に特徴付けられる方向性を有し、この方向が前記粒子モデルの向きとして用いられる請求項19または20に記載の複合材料モデルの作成装置の動作方法。 The particle model has an orientation;
The virtual potential is a potential created depending on the position and orientation of two particle models,
The particle model represents an aggregate of a plurality of particles as one model, and the aggregate of the plurality of particles has a direction characteristic of a predetermined direction, and this direction is the direction of the particle model. The operation method of the composite material model creating apparatus according to claim 19 or 20, which is used as an orientation.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008001035A JP5169225B2 (en) | 2007-05-25 | 2008-01-08 | COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE, SIMULATION DEVICE, COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION PROGRAM, AND COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE OPERATION METHOD |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007138896 | 2007-05-25 | ||
JP2007138896 | 2007-05-25 | ||
JP2008001035A JP5169225B2 (en) | 2007-05-25 | 2008-01-08 | COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE, SIMULATION DEVICE, COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION PROGRAM, AND COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE OPERATION METHOD |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009009543A JP2009009543A (en) | 2009-01-15 |
JP5169225B2 true JP5169225B2 (en) | 2013-03-27 |
Family
ID=40324521
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008001035A Expired - Fee Related JP5169225B2 (en) | 2007-05-25 | 2008-01-08 | COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE, SIMULATION DEVICE, COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION PROGRAM, AND COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE OPERATION METHOD |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5169225B2 (en) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8126659B2 (en) * | 2009-03-02 | 2012-02-28 | 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 |
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 |
JP5466727B2 (en) * | 2012-05-16 | 2014-04-09 | 住友ゴム工業株式会社 | Method for simulating polymer materials |
JP5602190B2 (en) * | 2012-06-08 | 2014-10-08 | 住友ゴム工業株式会社 | Method for simulating polymer materials |
JP6294613B2 (en) * | 2013-09-11 | 2018-03-14 | 住友ゴム工業株式会社 | Method for simulating polymer materials |
JP6244773B2 (en) * | 2013-09-24 | 2017-12-13 | 横浜ゴム株式会社 | Composite material analysis model creation method, composite material analysis computer program, composite material simulation method, and composite material simulation computer program |
JP5854067B2 (en) * | 2014-02-28 | 2016-02-09 | 横浜ゴム株式会社 | Method for creating simulation model of heterogeneous material, simulation method for heterogeneous material, and program |
KR102372280B1 (en) * | 2020-11-18 | 2022-03-07 | 한국세라믹기술원 | Apparatus and method for predicting surface movement of impurity in metal-ceramic composite and record media recorded program for realizing the same |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3664806B2 (en) * | 1996-05-21 | 2005-06-29 | 旭化成ケミカルズ株式会社 | Apparatus and method for measuring impact strength of polymer multiphase material |
JP3892167B2 (en) * | 1999-03-19 | 2007-03-14 | 富士通株式会社 | Generation apparatus and method for generating arrangement of particle population |
JP3660932B2 (en) * | 2003-11-17 | 2005-06-15 | 住友ゴム工業株式会社 | Rubber material simulation method |
JP4093994B2 (en) * | 2004-07-01 | 2008-06-04 | 横浜ゴム株式会社 | Simulation method for heterogeneous materials |
JP4533045B2 (en) * | 2004-08-30 | 2010-08-25 | 住友ゴム工業株式会社 | Evaluation method of rubber materials |
JP2006259910A (en) * | 2005-03-15 | 2006-09-28 | Fuji Xerox Co Ltd | Particle packing simulation device and method, and computer program |
JP2006285926A (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Hiroyoshi Kougami | Method and device for engineering particle calculation |
-
2008
- 2008-01-08 JP JP2008001035A patent/JP5169225B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009009543A (en) | 2009-01-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5169225B2 (en) | COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE, SIMULATION DEVICE, COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION PROGRAM, AND COMPOSITE MATERIAL MODEL CREATION DEVICE OPERATION METHOD | |
San-Vicente et al. | Cubical mass-spring model design based on a tensile deformation test and nonlinear material model | |
JP2021073623A (en) | Interactive 3d experience based on data | |
EP3038060B1 (en) | 3D modeled object defined by a grid of control points | |
JP5441422B2 (en) | Simulation method and program | |
JP2009193339A (en) | Method for creating heterogeneous material model, simulation method for heterogeneous material using same method, creation device for heterogeneous material model and simulation device for heterogeneous material | |
WO2016013641A1 (en) | Method for creating analysis model for specific substances, computer program for creating analysis model for specific substances, simulation method for specific substances, and computer program for simulation of specific substances | |
US9129075B2 (en) | Mesh generation system | |
US20140309975A1 (en) | Analysis device and simulation method | |
CN111353211A (en) | Multi-instantiation simulation for large environments | |
US10496784B2 (en) | Designing a physical system constrained by equations | |
JP5854067B2 (en) | Method for creating simulation model of heterogeneous material, simulation method for heterogeneous material, and program | |
WO2016013631A1 (en) | Method for creating analysis model for specific substances, computer program for creating analysis model for specific substances, simulation method for specific substances, and computer program for simulation of specific substances | |
JP6166639B2 (en) | How to create a composite simulation model | |
JP5241469B2 (en) | Simulation method and program | |
JP2009193290A (en) | Creation method for composite material model, simulation method for deforming behavior of composite material and composite material simulation device | |
US7065477B2 (en) | Device and method for generating an arrangement of a set of particles | |
US9348955B2 (en) | Method for simulating deformation of rubber compound with filler particles | |
JP5771935B2 (en) | Simulation model creation method and computer program thereof, simulation method and computer program thereof, and simulation model creation device | |
JP2012198610A (en) | Thermal fluid simulation program, thermal fluid simulation device and thermal fluid simulation method | |
JP2008276468A (en) | Lattice generation device for fluid analysis and lattice generation program for fluid analysis | |
US8855982B2 (en) | Analysis device and simulation method | |
US20140303946A1 (en) | Analysis device and simulation method | |
TWI819989B (en) | Modeling device and modeling method for 3d object | |
Perles et al. | Interactive virtual tools for manipulating NURBS surfaces in a virtual environment |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20101224 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120508 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120709 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20121204 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20121217 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |