JP5406749B2 - Pneumatic tire simulation method - Google Patents

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Description

本発明は、高精度かつ効率的に空気入りタイヤの寿命を予測する空気入りタイヤのシミュレーション方法に関するものである。   The present invention relates to a pneumatic tire simulation method for predicting the life of a pneumatic tire with high accuracy and efficiency.

空気入りタイヤ(以下、タイヤとも称する)の寿命は、このタイヤのゴム部材に発生する亀裂に影響される。また、この亀裂の進展は、タイヤのゴム部材の酸化劣化に大きく影響される。そこで、タイヤのゴム部材に含まれる酸素濃度を予測するシミュレーション方法として、本出願人は、特願2009−010690号明細書において、タイヤの形状、タイヤの内部構造、タイヤを構成する部材の材質、およびタイヤのトレッドパターンを要素として、ゴムの酸化による反応項を加えた拡散方程式を用いて、酸素濃度分布のシミュレーションを3次元で行うことを提案している。   The life of a pneumatic tire (hereinafter also referred to as a tire) is affected by cracks generated in the rubber member of the tire. The progress of this crack is greatly influenced by the oxidative deterioration of the rubber member of the tire. Therefore, as a simulation method for predicting the oxygen concentration contained in the rubber member of the tire, the applicant of the present application described in Japanese Patent Application No. 2009-010690, the shape of the tire, the internal structure of the tire, the material of the member constituting the tire, It has been proposed to simulate the oxygen concentration distribution in three dimensions using a diffusion equation with a reaction term due to oxidation of rubber, using the tread pattern of the tire as an element.

ところで、タイヤに発生する亀裂の進展部分を予測するシミュレーション方法として、本出願人は、グローバルモデルおよびローカルモデルの重複部分の変位をそれぞれのモデルの変位の和とするステップと、ローカルモデルの境界部分の該ローカルモデルの変位をゼロとするステップと、グローバルモデルおよびローカルモデルに基づいて有限要素法解析により、タイヤの寿命を予測するステップとを具える方法を提案している(特許文献1)。   By the way, as a simulation method for predicting a progressing portion of a crack generated in a tire, the applicant of the present invention includes a step of setting the displacement of the overlapping portion of the global model and the local model as the sum of the displacement of each model, and a boundary portion of the local model. Has proposed a method comprising a step of setting the displacement of the local model to zero and a step of predicting the life of the tire by a finite element analysis based on the global model and the local model (Patent Document 1).

特開2006−113979号公報JP 2006-113799 A

タイヤのある特定の部分、例えば、タイヤの亀裂が進展しやすい部材端部付近における酸素濃度を高精度に予測するためには、この部分の分割要素(メッシュ)を細分化する必要がある。ところが、上述した特許文献1に記載の3次元の酸素濃度シミュレーション方法を用いてメッシュの細分化を行うと、要素数が膨大になるため多大な計算時間がかかり、効率的ではないという問題があった。   In order to predict the oxygen concentration in a specific part of the tire, for example, in the vicinity of the end of the member where the crack of the tire is likely to progress, with high accuracy, it is necessary to subdivide the dividing element (mesh) of this part. However, when the mesh is subdivided by using the three-dimensional oxygen concentration simulation method described in Patent Document 1 described above, the number of elements becomes enormous, which requires a lot of calculation time and is not efficient. It was.

そこで、本発明の目的は、上述した問題点を解消し、高精度かつ効率的な空気入りタイヤのシミュレーション方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a highly accurate and efficient pneumatic tire simulation method.

本発明の要旨は、以下のとおりである。
<1>空気入りタイヤのゴムに含まれる酸素濃度分布のシミュレーション方法において、
前記タイヤの形状、前記タイヤの内部構造、前記タイヤを構成する部材の材質、および前記タイヤのトレッドパターンを要素として、前記ゴムの酸化による反応項を加えた拡散方程式を用いて、酸素濃度分布を3次元で予測し、
詳細な予測が必要な部分を選定し、
前記選定した部分の酸素濃度分布を1次元で予測する、
ことを特徴とするシミュレーション方法。
The gist of the present invention is as follows.
<1> In a simulation method of oxygen concentration distribution contained in rubber of a pneumatic tire,
Using the diffusion equation with the reaction term due to oxidation of the rubber, using the shape of the tire, the internal structure of the tire, the material of the members constituting the tire, and the tread pattern of the tire as elements, the oxygen concentration distribution is determined. Predict in 3 dimensions,
Select the parts that require detailed forecasts,
Predicting the oxygen concentration distribution of the selected portion in one dimension;
A simulation method characterized by that.

<2>前記詳細な予測が必要な部分の選定が、前記酸素濃度分布の3次元予測結果と、3次元亀裂発展シミュレーションの結果と、実験データベースと、から選択される少なくとも1つを使用し、
前記3次元亀裂発展シミュレーションが、
数値解析が可能な要素の集合体によりタイヤをモデル化したグローバルモデルを設定するとともに、数値解析が可能な要素の集合体により前記タイヤに発生する亀裂をモデル化したローカルモデルを設定する第1ステップと、
前記第1ステップにより設定されたグローバルモデルおよびローカルモデルの重複部分の変位をそれぞれのモデルの変位の和とする第2ステップと、
前記第1ステップにより設定されたローカルモデルの境界部分の該ローカルモデルの変位をゼロとする第3ステップと、
前記第1ステップ乃至前記第3ステップにより設定されたグローバルモデルおよびローカルモデルに基づいて有限要素法解析により、前記タイヤの寿命を予測する第4ステップと、
を具えることを特徴とする上記<1>に記載のシミュレーション方法。
<2> The selection of the portion requiring detailed prediction uses at least one selected from a three-dimensional prediction result of the oxygen concentration distribution, a three-dimensional crack growth simulation result, and an experimental database.
The three-dimensional crack growth simulation
A first step of setting a global model in which a tire is modeled by an assembly of elements capable of numerical analysis and a local model in which a crack generated in the tire is modeled by an assembly of elements capable of numerical analysis When,
A second step in which the displacement of overlapping portions of the global model and the local model set in the first step is a sum of displacements of the respective models;
A third step of setting the displacement of the local model at the boundary portion of the local model set in the first step to zero.
A fourth step of predicting the life of the tire by a finite element method analysis based on the global model and the local model set in the first step to the third step;
The simulation method according to <1>, further comprising:

<3>空間の離散化に有限要素法を用いることを特徴とする上記<1>または<2>に記載のシミュレーション方法。 <3> The simulation method according to <1> or <2>, wherein the finite element method is used for discretizing the space.

<4>時間積分に陰解法を用いることを特徴とする上記<1>〜<3>のいずれかに記載のシミュレーション方法。 <4> The simulation method according to any one of <1> to <3>, wherein an implicit method is used for time integration.

<5>タイヤに用いられている繊維材料を、均質化法によってモデル化することを特徴とする上記<1>〜<4>のいずれかに記載のシミュレーション方法。 <5> The simulation method according to any one of <1> to <4>, wherein the fiber material used in the tire is modeled by a homogenization method.

<6>タイヤをタイヤ周方向に所定の長さで切断したカットセクションモデルを用い、前記カットセクションモデルの両方の切断面に周期境界条件を与えることを特徴とする上記<1>〜<5>のいずれかに記載のシミュレーション方法。 <6> The above-mentioned <1> to <5>, wherein a cut boundary model obtained by cutting a tire with a predetermined length in a tire circumferential direction is used, and periodic boundary conditions are given to both cut surfaces of the cut section model. The simulation method according to any one of the above.

タイヤの3次元酸素濃度シミュレーション結果のうち、亀裂発生が予想される部分を特定し、その部分を1次元酸素濃度シミュレーション方法で詳細に解析することにより、高精度かつ効率的にタイヤの寿命を予測することができる。   Of the three-dimensional oxygen concentration simulation results of a tire, the portion where cracks are expected to occur is identified, and the portion is analyzed in detail by the one-dimensional oxygen concentration simulation method, thereby predicting the tire life with high accuracy and efficiency. can do.

本発明のシミュレーション方法のフローチャートである。It is a flowchart of the simulation method of this invention. 本発明のシミュレーション方法に用いる空気入りタイヤの幅方向断面図である。It is sectional drawing of the width direction of the pneumatic tire used for the simulation method of this invention. 本発明のシミュレーション方法に用いる空気入りタイヤの幅方向断面の一部拡大図である。It is a partially expanded view of the cross section in the width direction of the pneumatic tire used in the simulation method of the present invention. (a)は詳細モデル、(b)は均質化法による簡易モデルを示す図である。(A) is a detailed model, (b) is a figure which shows the simple model by the homogenization method. 周期的なトレッドパターンを示す図である。It is a figure which shows a periodic tread pattern. タイヤのゴム部材中の酸素濃度分布の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of oxygen concentration distribution in the rubber member of a tire.

本発明のシミュレーション方法のフローチャートを図1に示す。
ステップS1において、タイヤのゴムに含まれる酸素濃度分布を3次元で予測し、ステップS2において、詳細な予測が必要なタイヤの部分を選定し、ステップS3において、ステップS2で選定した部分の酸素濃度分布を1次元で予測する。以下、各ステップS1〜S3を詳細に説明する。
A flowchart of the simulation method of the present invention is shown in FIG.
In step S1, the distribution of oxygen concentration contained in the rubber of the tire is predicted three-dimensionally. In step S2, the portion of the tire that requires detailed prediction is selected. In step S3, the oxygen concentration of the portion selected in step S2 is selected. Predict the distribution in one dimension. Hereinafter, each step S1-S3 is demonstrated in detail.

(ステップS1)
タイヤの形状、タイヤの内部構造、タイヤを構成する部材の材質、およびタイヤのトレッドパターンを要素として、ゴムの酸化による反応項を加えた拡散方程式を用いて、酸素濃度分布を3次元で予測する。
まず、本発明のシミュレーション方法に用いるタイヤの一例を図2および図3を用いて説明する。
(Step S1)
The oxygen concentration distribution is predicted three-dimensionally using a diffusion equation that includes a reaction term due to oxidation of rubber using the tire shape, the tire internal structure, the material of the tire constituting the tire, and the tire tread pattern as elements. .
First, an example of the tire used for the simulation method of this invention is demonstrated using FIG. 2 and FIG.

図2は、本発明のシミュレーション方法に用いるタイヤの幅方向断面である。タイヤ1は、1対のビードコア2間でトロイド状に延びるカーカス3を骨格とし、このカーカス3のタイヤ径方向外側に、2層のゴム被覆スチールコードのベルト層4a、4bからなるベルト4およびトレッド5を具える。ベルト層4a、4bは、いわゆる交差層を構成し、各ベルト層のコード相互がタイヤ赤道面CLを挟み異なる方向に配列され、互いに交差するコード配列を有する傾斜ベルト層である。   FIG. 2 is a cross section in the width direction of a tire used in the simulation method of the present invention. The tire 1 has a carcass 3 extending in a toroidal shape between a pair of bead cores 2 as a skeleton, and on the outer side in the tire radial direction of the carcass 3, a belt 4 including belt layers 4a and 4b of two layers of rubber-coated steel cords and a tread. 5 The belt layers 4a and 4b are so-called intersecting layers, and are inclined belt layers having cord arrangements in which the cords of the belt layers are arranged in different directions across the tire equatorial plane CL and intersect each other.

図3は、本発明のシミュレーション方法に用いるタイヤの幅方向断面の一部拡大図である。タイヤ1の内部の空気室10は、内圧がかかっているため、タイヤ外側に比べて空気の濃度が高い。タイヤ1を構成するゴム(トレッドゴム、サイドゴム、ベルト4を被覆するゴム等)は、タイヤ1の内部の空気が抜けにくい材質ではあるが、空気室10を完全に密閉することはできない。それゆえ、図3に示すように、空気20がタイヤ外側に透過する。空気20がゴムを透過する際、空気20はゴム内部で拡散し、空気20に含まれる酸素がゴムを酸化する。
特に、車両の走行中はタイヤの温度が非常に高くなる。それゆえ、タイヤのゴムも高温になることにより、拡散、特に化学反応である酸化は、反応が起こりやすくなる。ゴムの酸化反応が起こると、ゴムが劣化して、タイヤの劣化が早く進行する、性能が低下する、ひいてはタイヤの寿命が短くなるといった問題につながる。
それゆえ、空気室10からタイヤ外部に向かって、酸素濃度が拡散・酸化していく様子を数値シミュレーションによって解析し、酸素濃度分布およびその時間変化を推定することにより、タイヤの劣化(寿命)を精度良く評価する必要がある。
FIG. 3 is a partially enlarged view of a cross section in the width direction of a tire used in the simulation method of the present invention. Since the internal pressure is applied to the air chamber 10 inside the tire 1, the air concentration is higher than that on the outside of the tire. The rubber constituting the tire 1 (tread rubber, side rubber, rubber covering the belt 4 and the like) is a material in which the air inside the tire 1 is difficult to escape, but the air chamber 10 cannot be completely sealed. Therefore, as shown in FIG. 3, the air 20 permeates to the outside of the tire. When the air 20 permeates the rubber, the air 20 diffuses inside the rubber, and oxygen contained in the air 20 oxidizes the rubber.
In particular, the tire temperature becomes very high while the vehicle is running. Therefore, when the rubber of the tire becomes high in temperature, diffusion, particularly oxidation, which is a chemical reaction, easily occurs. When the oxidation reaction of rubber occurs, the rubber deteriorates, leading to problems such as deterioration of the tire progressing quickly, performance deterioration, and eventually the life of the tire.
Therefore, by analyzing the state of oxygen concentration diffusing and oxidizing from the air chamber 10 to the outside of the tire by numerical simulation, and estimating the oxygen concentration distribution and its change over time, tire deterioration (life) can be reduced. It is necessary to evaluate with high accuracy.

そこで、本出願人は、タイヤ1のゴムに含まれる酸素濃度を、ゴムの酸化による反応項を加えた拡散方程式を用いて、シミュレーションを行うことことに想到した。さらに、精度の高いシミュレーションを実現するために、シミュレーションを行う際、タイヤ1の形状、タイヤ1の内部構造、タイヤ1を構成する部材の材質、およびタイヤ1のトレッドパターンを要素として3次元で解析する。   Accordingly, the present applicant has conceived that the oxygen concentration contained in the rubber of the tire 1 is simulated using a diffusion equation in which a reaction term due to oxidation of the rubber is added. Furthermore, in order to realize a highly accurate simulation, when the simulation is performed, the shape of the tire 1, the internal structure of the tire 1, the material of the member constituting the tire 1, and the tread pattern of the tire 1 are analyzed in three dimensions. To do.

拡散現象については、次式(1)で示す拡散方程式が一般的に知られている。

Figure 0005406749
ここで、Cは酸素濃度、tは時間、xは空間配置、Dは拡散係数(材料物性)、iは次元(1〜3)を表す。 As for the diffusion phenomenon, a diffusion equation represented by the following equation (1) is generally known.
Figure 0005406749
Here, C is oxygen concentration, t is time, x is spatial arrangement, D is a diffusion coefficient (material physical property), and i is a dimension (1 to 3).

酸化によって、酸素がゴムと結合し、酸素が消費される。物理モデル(数式)については、特定されないものとし、単にωとするが、ω=kCを用いることもできる。ここで、ωは単位時間当たりの消費酸素量、k、nは材料物性を表す。
よって、ある時刻tから、時刻t+Δtの間に消費された酸素量Xは、次式(2)によって求めることができる。

Figure 0005406749
Oxidation combines oxygen with the rubber and consumes oxygen. The physical model (formula) is not specified and is simply ω, but ω = kC n can also be used. Here, ω represents the amount of oxygen consumed per unit time, and k and n represent material properties.
Therefore, the oxygen amount X consumed from a certain time t to the time t + Δt can be obtained by the following equation (2).
Figure 0005406749

拡散(式(1))に酸化による項ωを組み合わせた次式(3)を本発明で用いる支配方程式とし、有限要素法によって解析する。

Figure 0005406749
The following equation (3), which combines diffusion (equation (1)) with the term ω due to oxidation, is used as the governing equation used in the present invention, and is analyzed by the finite element method.
Figure 0005406749

次に、3次元のシミュレーションを行う際に考慮すべき要素に関して説明する。これらの要素を考慮することによって、実際のタイヤに相当するシミュレーションモデルを解析することができるので、精度の高いシミュレーション結果を得ることができる。
タイヤ1の形状とは、具体的には、タイヤ1の偏平比、トレッド幅、リム幅等、タイヤを構成する部材の寸法のことである。特に、タイヤ1の形状を決定するために、タイヤ1の骨格となるカーカス3の形状を考慮する必要がある。
タイヤ1の内部構造とは、カーカス3およびベルト4のコードの太さ、配置角度等のことである。
タイヤ1を構成する部材の材質とは、トレッド、サイド、インナーライナー等のゴムの材質、カーカス3およびベルト4のコードの材質(有機繊維、スチール等)のことである。
タイヤ1のトレッドパターンとは、各溝(周方向溝、幅方向溝、傾斜溝)の幅、深さ、長さ、配置角度等のことである。
Next, elements to be considered when performing a three-dimensional simulation will be described. By considering these factors, a simulation model corresponding to an actual tire can be analyzed, and a highly accurate simulation result can be obtained.
Specifically, the shape of the tire 1 is a dimension of a member constituting the tire, such as a flatness ratio, a tread width, and a rim width of the tire 1. In particular, in order to determine the shape of the tire 1, it is necessary to consider the shape of the carcass 3 that is the skeleton of the tire 1.
The internal structure of the tire 1 refers to the thickness of the cords of the carcass 3 and the belt 4, the arrangement angle, and the like.
The material of the member constituting the tire 1 is a rubber material such as a tread, a side, and an inner liner, and a cord material (organic fiber, steel, etc.) of the carcass 3 and the belt 4.
The tread pattern of the tire 1 refers to the width, depth, length, arrangement angle, and the like of each groove (circumferential groove, width direction groove, and inclined groove).

(ステップS2)
次に、タイヤ1のうち詳細な予測が必要な部分、例えば、ゴムの亀裂が発生しやすい部材端部付近を選定する。部材端部とは、例えば、カーカス3やベルト4の端部や、材質の異なるゴム材料の接合箇所のことである。なお、詳細な予測が必要な部分は、ゴムの亀裂が発生しやすい部材端部付近に限られず、断面内厚さが小さくなるトレッド溝底部やサイド部等も考えられる。
本発明において、詳細予測部分の選定とは、(A)酸素濃度分布の3次元予測結果と、(B)3次元亀裂発展シミュレーションの結果と、(C)実験データベースと、から選択される少なくとも1つを使用することが好適である。
以下、上述した(A)〜(C)について説明する。
(Step S2)
Next, a portion of the tire 1 that requires detailed prediction, for example, the vicinity of a member end portion where rubber cracks are likely to occur is selected. The member end portion is, for example, an end portion of the carcass 3 or the belt 4 or a joining portion of rubber materials having different materials. Note that the portion requiring detailed prediction is not limited to the vicinity of the end portion of the member where the crack of the rubber is likely to occur, and a tread groove bottom portion or a side portion where the thickness in the cross section is small can be considered.
In the present invention, the selection of the detailed prediction portion is at least one selected from (A) a three-dimensional prediction result of oxygen concentration distribution, (B) a result of three-dimensional crack growth simulation, and (C) an experimental database. It is preferred to use one.
Hereinafter, the above-described (A) to (C) will be described.

(A)酸素濃度分布の3次元予測結果
上述したステップS1における酸素濃度分布の3次元予測の結果を利用して、詳細予測部分を選定することができる。
3次元予測の結果とは、例えば、劣化の条件(時間・温度)を変えたときに濃度が大きく変化する(すなわち、感度が高い)箇所、あるいは、新規構造の場合、従来構造対比濃度が大きく増加しているような箇所のことである。
(A) Three-dimensional prediction result of oxygen concentration distribution Using the result of the three-dimensional prediction of the oxygen concentration distribution in step S1 described above, a detailed prediction portion can be selected.
The result of the three-dimensional prediction is, for example, a location where the concentration changes greatly (ie, the sensitivity is high) when the deterioration condition (time / temperature) is changed, or in the case of a new structure, the concentration compared with the conventional structure is large. It is a part that is increasing.

(B)3次元亀裂発展シミュレーション
上述した特許文献1に記載の手法を用いて、詳細予測部分を選定することができる。具体的には、数値解析が可能な要素の集合体によりタイヤをモデル化したグローバルモデルおよび数値解析が可能な要素の集合体によりタイヤの一部をモデル化したローカルモデルを設定する。ここで、ローカルモデルは、タイヤ内に埋設されたコードをモデル化したコードモデルと、タイヤに発生する亀裂をモデル化した亀裂モデルとを具えている。次に、グローバルモデルおよびローカルモデルの重複部分の変位をそれぞれのモデルの変位の和とするとともに、ローカルモデルの境界部分の該ローカルモデルの変位をゼロとする。そして、グローバルモデルおよびローカルモデルに基づいて有限要素法解析により、タイヤに発生する亀裂の発展やタイヤの寿命を予測する。
(B) Three-dimensional crack growth simulation A detailed prediction portion can be selected using the method described in Patent Document 1 described above. Specifically, a global model in which a tire is modeled by an assembly of elements capable of numerical analysis and a local model in which a part of the tire is modeled by an assembly of elements capable of numerical analysis are set. Here, the local model includes a code model obtained by modeling a cord embedded in a tire and a crack model obtained by modeling a crack generated in the tire. Next, the displacement of the overlapping portion of the global model and the local model is set as the sum of the displacements of the respective models, and the displacement of the local model at the boundary portion of the local model is set to zero. The development of cracks occurring in the tire and the life of the tire are predicted by finite element analysis based on the global model and the local model.

(C)実験データベース
本出願人が過去の実験から構築してきた実験データベースを使用して、詳細予測部分を選定することができる。実験データベースは、亀裂の発生したタイヤに関して、タイヤのサイズ、材料および構造、タイヤの使用環境(温度、荷重、使用時間など)の情報が格納され、これらの情報をもとにタイヤの亀裂の発生しやすい部分を予測することができる。
(C) Experimental database The detailed prediction part can be selected using the experimental database that the applicant has constructed from past experiments. The experimental database stores information on the tire size, material and structure, and tire usage environment (temperature, load, usage time, etc.), and the occurrence of cracks in the tire based on this information. It is possible to predict an easy-to-do part.

(ステップS3)
次に、上述したステップS2で選定した部分の酸素濃度分布を1次元で予測する。この選定部分を有限個の要素に分割(メッシュ分割)する際、各分割要素(メッシュ)を細分化することにより、この選定部分の酸素濃度を高精度に予測することができる。
仮に、上述した3次元の酸素濃度シミュレーション方法を用いて、この部分の酸素濃度を高精度に予測しようとする場合、分割要素数が膨大になるため、多大な計算時間がかかってしまう。
それゆえ、選定部分の酸素濃度分布を1次元で解析することにより、高精度かつ効率的な予測を実現することができる。
(Step S3)
Next, the oxygen concentration distribution of the portion selected in step S2 described above is predicted in one dimension. When this selected part is divided into a finite number of elements (mesh division), the oxygen concentration in this selected part can be predicted with high accuracy by subdividing each divided element (mesh).
If the above-described three-dimensional oxygen concentration simulation method is used to predict the oxygen concentration of this portion with high accuracy, the number of division elements becomes enormous, and a great amount of calculation time is required.
Therefore, highly accurate and efficient prediction can be realized by analyzing the oxygen concentration distribution of the selected portion in one dimension.

また、上述したステップS1において、空間の離散化に有限要素法を用いることにより、精度の高いシミュレーションを実現できるので、好適である。   Moreover, in step S1 mentioned above, since a finite element method is used for discretization of space, a highly accurate simulation can be realized, which is preferable.

上記式(3)左辺に時間微分があるので、時間積分が必要であるが、時間積分に陰解法を用いることにより、安定してシミュレーションを実現できるので、好適である。
陰解法では、時刻t+Δtにおいて、次式(4)を満たすような濃度を、繰り返し計算によって求める。

Figure 0005406749
陰解法では、反復計算を行うため、1ステップの計算時間は陽解法より時間がかかるが、Δtをある程度大きくしても支配方程式を満たすため、陽解法より少ないステップ数で解析することができる。
参考に、陽解法に関して説明する。陽解法では、時刻t+Δtにおける濃度を次式(5)から求める。
Figure 0005406749
式(5)の右辺には、時刻tでの値しか存在しないため、現在の値から次の時刻の値を予測する。時刻t+Δtにおいて、支配方程式を満たしているという保証はなく、Δtが大きいと、誤差が大きくなり、支配方程式を満たさないため、Δtを非常に小さい値にする必要がある。よって、陽解法は、通常、衝突解析等の短時間の減少を解析するために用いられる。 Since there is a time derivative on the left side of the above equation (3), time integration is necessary. However, using an implicit method for time integration is preferable because a stable simulation can be realized.
In the implicit method, at time t + Δt, a concentration that satisfies the following equation (4) is obtained by repeated calculation.
Figure 0005406749
In the implicit method, since iterative calculation is performed, the calculation time for one step is longer than that in the explicit method. However, even if Δt is increased to some extent, the governing equation is satisfied, and therefore analysis can be performed with a smaller number of steps than in the explicit method.
For reference, an explicit method will be described. In the explicit method, the concentration at time t + Δt is obtained from the following equation (5).
Figure 0005406749
Since only the value at time t exists on the right side of equation (5), the value at the next time is predicted from the current value. At time t + Δt, there is no guarantee that the governing equation is satisfied. If Δt is large, the error becomes large and the governing equation is not satisfied. Therefore, it is necessary to make Δt very small. Therefore, the explicit method is usually used to analyze a short time decrease such as collision analysis.

上述したステップS1において、タイヤに用いられている繊維材料を、均質化法(特に、解析的均質化法(analytical homogenization))によってモデル化することが好適である。
均質化法とは、解析領域を微視構造(ミクロ構造)と巨視構造(マクロ構造)に分けて考え、ミクロ構造の挙動や材料物性を求める事によって、マクロ構造の挙動や材料物性を近似的に求める手法のことである(L.Nasdala、Y.Wei、H.Rothert著、「Homogenisation techniques for the analysis of oxygen diffusion and reaction in fiber-reinforced elastomers」、Constitutive Models for Rubber III: Proceedings of the Third European Conference on Constitutive Models for Rubber. (Ed. Busfield J & Muhr A.) London, UK, 2003, p.85-91参照)。
上述した従来文献では、数値的実験手法としての均質化法を用いており、詳細モデルについて酸素濃度の解析を行い、簡易モデルに適当な材料物性を与えて、等価物性が見つかるまで解析を繰り返し行い、詳細モデルに近い結果を出す材料物性を実験により探索している。それゆえ、得られる材料物性は近似値であり、実験による合わせこみを行うため、モデル作成にかかる時間が長いという問題点が存在する。
一方、本発明で用いる均質化法は、数学的手法であって、詳細モデルの材料物性から、等価な簡易モデルの材料物性を計算する。よって、得られる材料物性は数学的に等価な物性であり、等価な材料物性を得られるまでの時間は上述した従来文献の手法に比べて短いという利点がある。
具体的には、図4(a)に示す、1本のコード6とゴム部材7とを示す詳細モデルに関して、均質化法を用いてモデル化すると、図4(b)に示す均質な簡易モデルとなる。この簡易モデルは、マクロに見た場合、図4(a)のモデルと等価であり、コード6とゴム部材7の材料物性を具えている。例えば、傾斜ベルト層のようにタイヤ幅方向断面に対してコードが斜めに延在している場合であっても、均質化法によって、解析する要素数を減らすことができるので、複雑なモデルを作成する時間を短縮することが可能となる。
In step S1 described above, it is preferable to model the fiber material used in the tire by a homogenization method (particularly, an analytical homogenization method).
The homogenization method is divided into a microscopic structure (microstructure) and a macroscopic structure (macrostructure), and the behavior of the macrostructure and material properties are approximated by obtaining the behavior of the microstructure and material properties. (L. Nasdala, Y. Wei, H. Rothert, “Homogenisation techniques for the analysis of oxygen diffusion and reaction in fiber-reinforced elastomers”, Constitutive Models for Rubber III: Proceedings of the Third European Conference on Constitutive Models for Rubber. (See Ed. Busfield J & Muhr A.) London, UK, 2003, p.85-91).
In the above-mentioned conventional literature, the homogenization method is used as a numerical experiment method. The oxygen concentration is analyzed for the detailed model, the appropriate material properties are given to the simple model, and the analysis is repeated until the equivalent properties are found. We are exploring material properties that give results close to a detailed model. Therefore, the physical properties of the obtained material are approximate values, and there is a problem that it takes a long time to create a model because the matching is performed through experiments.
On the other hand, the homogenization method used in the present invention is a mathematical method and calculates the material properties of an equivalent simple model from the material properties of a detailed model. Therefore, the obtained material physical properties are mathematically equivalent physical properties, and there is an advantage that the time until the equivalent material physical properties are obtained is shorter than that of the above-described conventional literature method.
Specifically, when the detailed model showing one cord 6 and the rubber member 7 shown in FIG. 4A is modeled using a homogenization method, a homogeneous simple model shown in FIG. 4B is obtained. It becomes. This simple model is equivalent to the model of FIG. 4A when viewed macroscopically, and has material properties of the cord 6 and the rubber member 7. For example, even if the cord extends obliquely with respect to the cross section in the tire width direction like an inclined belt layer, the number of elements to be analyzed can be reduced by the homogenization method. It is possible to shorten the creation time.

また、上述したステップS1において、タイヤをタイヤ周方向に所定の長さで切断したカットセクションモデルを用い、前記カットセクションモデルの両方の切断面に周期境界条件を与えることが好適である。
タイヤは、例えば図5に示すように、規則的なトレッドパターンを具えていることが多い。このような場合、1ピッチで切断したカットセクションモデルを用い、両切断面A、Bに周期境界条件を与えることによって、タイヤ全体を解析した場合に比べて、解析に要する時間を大きく短縮することができる。
Moreover, in step S1 mentioned above, it is preferable to use a cut section model obtained by cutting a tire with a predetermined length in the tire circumferential direction, and to give periodic boundary conditions to both cut surfaces of the cut section model.
A tire often has a regular tread pattern as shown in FIG. In such a case, by using a cut section model cut at one pitch and giving periodic boundary conditions to both cut surfaces A and B, the time required for the analysis can be greatly reduced as compared with the case where the entire tire is analyzed. Can do.

以下、本発明の実施例について説明する。
図1に示す空気入りタイヤ(タイヤサイズ:295/75R32.5)のカットセクションモデルを作成し、両断面に周期境界条件を与える。均質化法によって、カーカス3およびベルト4のコードの等価物性を算出する。陰解法有限要素法を用いて、酸化による反応項を加えた拡散方程式(上記式(3))を解く。
次に、タイヤ断面内の特定部分を選定し、この選定部分について、3次元モデルで計算した場合(ケースA)と1次元微細メッシュモデルで計算した場合(ケースB)の解析を行い、その解析結果を図6に示す。図6は、タイヤのゴム部材(部材1〜4の4種の部材が接合した部分をモデル化したもの)中の酸素濃度分布の概略を示す。
図6より、ケースAの結果とケースBの結果とが重なり、ほぼ同一の結果が得られていることが分かる。すなわち、1次元モデルで計算した場合であっても3次元モデルで計算した場合と同様に高精度の結果が得られることが分かった。
また、1次元の詳細解析を行うことにより、各部材1〜4内に濃度勾配が存在することが見られ、さらに、部材境界1〜3において酸素濃度が大きく変化していることが分かった。
さらにまた、ケースAの解析時間は50分であったが、ケースBの解析時間は1分であり、ケースB同等の詳細結果を3次元計算で得ようとすると1ヶ月以上の計算時間が必要となることが分かった。このように、1次元モデルで計算した場合は大幅に解析時間を短縮することができ、効率が向上していることが分かった。
以上の通り、本発明により、高精度かつ効率的に空気入りタイヤの寿命を予測することが可能である。
Examples of the present invention will be described below.
A cut section model of the pneumatic tire (tire size: 295 / 75R32.5) shown in FIG. 1 is created, and periodic boundary conditions are given to both cross sections. The equivalent properties of the cords of the carcass 3 and the belt 4 are calculated by a homogenization method. Using the implicit finite element method, the diffusion equation (the above equation (3)) with the reaction term due to oxidation is solved.
Next, a specific part in the tire cross section is selected, and the selected part is analyzed with a three-dimensional model (case A) and with a one-dimensional fine mesh model (case B). The results are shown in FIG. FIG. 6 shows an outline of an oxygen concentration distribution in a rubber member of a tire (modeled portion where four kinds of members 1 to 4 are joined).
From FIG. 6, it can be seen that the result of case A overlaps with the result of case B, and almost the same result is obtained. In other words, it was found that even when the calculation was performed with the one-dimensional model, a highly accurate result was obtained as in the case of the calculation with the three-dimensional model.
Further, by performing a one-dimensional detailed analysis, it was found that there was a concentration gradient in each of the members 1 to 4, and further, it was found that the oxygen concentration greatly changed at the member boundaries 1 to 3.
Furthermore, the analysis time for case A was 50 minutes, but the analysis time for case B was 1 minute, and it took more than one month to obtain detailed results equivalent to case B by three-dimensional calculation. I found out that Thus, it has been found that the calculation time can be greatly shortened when the calculation is performed with the one-dimensional model, and the efficiency is improved.
As described above, according to the present invention, it is possible to predict the life of a pneumatic tire with high accuracy and efficiency.

1 タイヤ
2 ビードコア
3 カーカス
4 ベルト
4a、4b ベルト層
5 トレッド
6 コード
7 ゴム部材
10 空気室
20 空気
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Tire 2 Bead core 3 Carcass 4 Belt 4a, 4b Belt layer 5 Tread 6 Cord 7 Rubber member 10 Air chamber 20 Air

Claims (6)

空気入りタイヤのゴムに含まれる酸素濃度分布のシミュレーション方法において、
前記タイヤの形状、前記タイヤの内部構造、前記タイヤを構成する部材の材質、および前記タイヤのトレッドパターンを要素として、前記ゴムの酸化による反応項を加えた拡散方程式を用いて、酸素濃度分布を3次元で予測し、
詳細な予測が必要な部分を選定し、
前記選定した部分の酸素濃度分布を1次元で予測する、
ことを特徴とするシミュレーション方法。
In the simulation method of the oxygen concentration distribution contained in the rubber of the pneumatic tire,
Using the diffusion equation with the reaction term due to oxidation of the rubber, using the shape of the tire, the internal structure of the tire, the material of the members constituting the tire, and the tread pattern of the tire as elements, the oxygen concentration distribution is determined. Predict in 3 dimensions,
Select the parts that require detailed forecasts,
Predicting the oxygen concentration distribution of the selected portion in one dimension;
A simulation method characterized by that.
前記詳細な予測が必要な部分の選定が、前記酸素濃度分布の3次元予測結果と、3次元亀裂発展シミュレーションの結果と、実験データベースと、から選択される少なくとも1つを使用し、
前記3次元亀裂発展シミュレーションが、
数値解析が可能な要素の集合体によりタイヤをモデル化したグローバルモデルを設定するとともに、数値解析が可能な要素の集合体により前記タイヤに発生する亀裂をモデル化したローカルモデルを設定する第1ステップと、
前記第1ステップにより設定されたグローバルモデルおよびローカルモデルの重複部分の変位をそれぞれのモデルの変位の和とする第2ステップと、
前記第1ステップにより設定されたローカルモデルの境界部分の該ローカルモデルの変位をゼロとする第3ステップと、
前記第1ステップ乃至前記第3ステップにより設定されたグローバルモデルおよびローカルモデルに基づいて有限要素法解析により、前記タイヤの寿命を予測する第4ステップと、
を具えることを特徴とする請求項1に記載のシミュレーション方法。
The selection of the portion requiring detailed prediction uses at least one selected from a three-dimensional prediction result of the oxygen concentration distribution, a three-dimensional crack growth simulation result, and an experimental database;
The three-dimensional crack growth simulation
A first step of setting a global model in which a tire is modeled by an assembly of elements capable of numerical analysis and a local model in which a crack generated in the tire is modeled by an assembly of elements capable of numerical analysis When,
A second step in which the displacement of overlapping portions of the global model and the local model set in the first step is a sum of displacements of the respective models;
A third step of setting the displacement of the local model at the boundary portion of the local model set in the first step to zero.
A fourth step of predicting the life of the tire by a finite element method analysis based on the global model and the local model set in the first step to the third step;
The simulation method according to claim 1, further comprising:
空間の離散化に有限要素法を用いることを特徴とする請求項1または2に記載のシミュレーション方法。   3. The simulation method according to claim 1, wherein a finite element method is used for discretizing the space. 時間積分に陰解法を用いることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のシミュレーション方法。   The simulation method according to claim 1, wherein an implicit method is used for time integration. タイヤに用いられている繊維材料を、均質化法によってモデル化することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のシミュレーション方法。   The simulation method according to claim 1, wherein the fiber material used in the tire is modeled by a homogenization method. タイヤをタイヤ周方向に所定の長さで切断したカットセクションモデルを用い、前記カットセクションモデルの両方の切断面に周期境界条件を与えることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のシミュレーション方法。   The cyclic boundary condition is given to both cut surfaces of the cut section model using a cut section model obtained by cutting the tire at a predetermined length in the tire circumferential direction. Simulation method.
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