JP6048358B2 - Analysis device - Google Patents
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本発明は、解析装置に関し、特に、有限要素法により粘弾性材料の特性を解析する装置に関する。 The present invention relates to an analysis apparatus, and more particularly to an apparatus for analyzing viscoelastic material characteristics by a finite element method.
ゴム材料などの粘弾性材料の特性を解析するためのモデルとして、弾性要素と粘弾性要素を並列配置した粘弾性材料構成則が用いられる。例えば、特許文献1や非特許文献1では、粘弾性要素の減衰特性を示す緩和時間を定数とすることにより、ゴム弾性および粘弾性を加味した応力とひずみの相関関係を解析する方法が示されている。
A viscoelastic material constitutive law in which an elastic element and a viscoelastic element are arranged in parallel is used as a model for analyzing the characteristics of a viscoelastic material such as a rubber material. For example,
一般に、ゴム材料に対する調和振動試験では加振する振幅の大きさによって応力とひずみの相関関係が変化することとなるため、振幅依存性を再現することのできる解析モデルを用いることが望ましい。 In general, in a harmonic vibration test for a rubber material, the correlation between stress and strain changes depending on the magnitude of the amplitude to be excited. Therefore, it is desirable to use an analytical model that can reproduce the amplitude dependence.
本発明は、こうした状況に鑑みなされたものであり、振幅依存性に対する再現性を高めた粘弾性材料の解析技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these circumstances, and an object thereof is to provide a viscoelastic material analysis technique with improved reproducibility with respect to amplitude dependency.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の解析装置は、弾性要素と粘弾性要素とが並列配置された非線形粘弾性材料構成則に基づいて、粘弾性材料の応力−ひずみ特性を解析する装置であって、節点を境界とする有限数の要素に分割された粘弾性材料モデルに条件を設定して節点の変位量を計算する第1計算部と、変位量を用いて節点におけるひずみ速度を計算する第2計算部と、ひずみ速度を底とする冪乗の値に比例する値を粘弾性要素の緩和時間として計算する第3計算部と、ひずみ速度より計算された緩和時間を用いて節点における応力を計算する第4計算部と、を備える。 In order to solve the above problems, an analysis apparatus according to an aspect of the present invention analyzes stress-strain characteristics of a viscoelastic material based on a nonlinear viscoelastic material constitutive law in which an elastic element and a viscoelastic element are arranged in parallel. A first calculation unit configured to calculate a displacement amount of a node by setting a condition in a viscoelastic material model divided into a finite number of elements having a node as a boundary, and a strain at the node using the displacement amount Using the second calculation unit for calculating the velocity, the third calculation unit for calculating the value proportional to the power of the strain rate as the base, as the relaxation time of the viscoelastic element, and the relaxation time calculated from the strain rate And a fourth calculator for calculating the stress at the nodes.
この態様によると、解析装置は、ひずみ速度の冪関数として表される緩和時間を用いて粘弾性材料の応力−ひずみ特性を解析することができる。これにより、粘弾性材料に加振される振幅量に応じた応力−ひずみ特性の再現性を高めることができる。 According to this aspect, the analysis apparatus can analyze the stress-strain characteristic of the viscoelastic material using the relaxation time expressed as a function of the strain rate. Thereby, the reproducibility of the stress-strain characteristic according to the amplitude amount vibrated by the viscoelastic material can be enhanced.
本発明によれば、粘弾性要素の緩和時間として、ひずみ速度を底とする冪乗の値を用いることにより、振幅依存性に対する再現性を高めた解析技術を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the analysis technique which improved the reproducibility with respect to an amplitude dependence can be provided by using the value of the power which makes a strain rate the base as relaxation time of a viscoelastic element.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態に係る粘弾性材料構成則を模式的に示す図である。本図に示す粘弾性材料モデルでは、弾性率G0の弾性要素と、弾性率Gi(i=1〜N、Nは自然数)の弾性要素と粘性係数ηiの粘性要素とが直列接続された複数の粘弾性要素とが並列接続される。弾性要素と粘弾性要素とを組み合わせた本モデルは、タイヤやゴムブッシュなどのゴム部品の動特性を表すためのモデルとして用いられる。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a viscoelastic material constitutive law according to an embodiment of the present invention. In the viscoelastic material model shown in the figure, an elastic element having an elastic modulus G0, an elastic element having an elastic modulus Gi (i = 1 to N, N is a natural number) and a viscous element having a viscosity coefficient ηi are connected in series. A viscoelastic element is connected in parallel. This model combining an elastic element and a viscoelastic element is used as a model for representing the dynamic characteristics of rubber parts such as tires and rubber bushes.
ここで、並列接続される弾性要素および粘弾性要素における剛性割合をγi(i=0〜N)、粘弾性要素における緩和時間をτi=ηi/Giとすると、この粘弾性材料モデルにおける時刻tでの応力Sは、下記の式(1)、(2)により表される。 Here, when the rigidity ratio in the elastic element and the viscoelastic element connected in parallel is γi (i = 0 to N) and the relaxation time in the viscoelastic element is τi = ηi / Gi, at the time t in this viscoelastic material model The stress S is expressed by the following formulas (1) and (2).
式(1)において、Sは、第2Piola−Kirchhoff応力を示し、上付き記号を有するS○は、粘性力成分を除去した弾性成分のみの応力であることを示す。Jは、粘弾性材料の体積変化率を示す。体積変化率Jは、ある物質点における変形前と変形後の位置の線形変換の関係を示す変形勾配テンソルFのデターミナント(det)を用いて、J=det[F]により表される。演算子DEVは、右Cauchy−GreenテンソルC=FT・Fを用いて、下記式(3)で表される。なお、式(3)における[・]は、演算子DEVの演算対象となる変数を表す。 In the formula (1), S indicates the second Piola-Kirchhoff stress, and S ○ having a superscript sign indicates that the stress is only the elastic component from which the viscous force component is removed. J represents the volume change rate of the viscoelastic material. The volume change rate J is expressed by J = det [F] using a determinant (det) of the deformation gradient tensor F indicating the relationship between the linear transformation of the position before and after deformation at a certain material point. The operator DEV is represented by the following equation (3) using the right Cauchy-Green tensor C = FT · F. In Expression (3), [•] represents a variable to be operated by the operator DEV.
また、Qiは、それぞれの粘弾性要素における粘性力を示し、式(1)におけるQiは式(2)に示す発展方程式により表される。式(2)において、 Qi indicates the viscous force in each viscoelastic element, and Qi in the equation (1) is expressed by the development equation shown in the equation (2). In equation (2),
は、超弾性体におけるひずみポテンシャルエネルギーの偏差成分を表す。また、 Represents a deviation component of strain potential energy in a superelastic body. Also,
は、体積成分を除去した修正右Cauchy−Greenテンソルであり、式(4)で表される。 Is a modified right Cauchy-Green tensor from which the volume component is removed, and is represented by equation (4).
上記の式(1)、(2)により表される第2Piola−Kirchhoff応力Sは、積分因子exp(t/τi)を用いた畳み込み積分形式を積分することで、下記の式(5)に示す積分形で表すことができる。 The second Piola-Kirchoff stress S expressed by the above equations (1) and (2) is expressed by the following equation (5) by integrating the convolution integral form using the integration factor exp (t / τi). It can be expressed in integral form.
なお、式(5)における In addition, in Formula (5)
は、ひずみポテンシャルエネルギーの体積成分である。また、g(t)は、緩和関数であり、上記の式(6)により表される。 Is a volume component of strain potential energy. Further, g (t) is a relaxation function and is represented by the above equation (6).
ここで、時間tの関数として表される式(5)を下記の式(7)に変形することで、時刻tn+1における第2Piola−Kirchhoff応力Sn+1を得ることができる。なお、計算ステップnにおける関数を(・)n、計算ステップn+1における関数を(・)n+1と表記している。 Here, the second Piola-Kirchoff stress Sn + 1 at the time tn + 1 can be obtained by transforming the expression (5) expressed as a function of the time t into the following expression (7). The function at the calculation step n is expressed as (•) n, and the function at the calculation step n + 1 is expressed as (•) n + 1.
式(7)における In equation (7)
は、中点定理を用いて[tn,tn+1]の時間間隔で積分した近似解として得られる中間関数であり、下記式(8)で表される。 Is an intermediate function obtained as an approximate solution obtained by integrating at a time interval of [tn, tn + 1] using the midpoint theorem, and is expressed by the following equation (8).
ここで、 here,
は、下記式(9)、(10)で定義される。 Is defined by the following formulas (9) and (10).
なお、式(9)は、Kirchhoff弾性応力 Equation (9) is Kirchhoff elastic stress.
を、下記式(11) With the following formula (11)
により定義することにより、下記式(12)により表すこともできる。 Can be expressed by the following formula (12).
また、Kirchhoff応力テンソル Kirchoff stress tensor
は、第2Piola−Kirchhoff応力Sn+1を用いて下記の式(13)により表すことができる。 Can be expressed by the following equation (13) using the second Piola-Kirchoff stress Sn + 1.
したがって、式(7)、(13)より、Kirchhoff応力テンソルを下記の式(14)により表すことができる。 Therefore, the Kirchoff stress tensor can be expressed by the following equation (14) from the equations (7) and (13).
なお、式(14)における演算子devは、下記の式(15)により定義される。なお、式(15)における(・)は、演算子DEVの演算対象となる変数を表す。 Note that the operator dev in the equation (14) is defined by the following equation (15). In formula (15), (•) represents a variable to be operated by the operator DEV.
また、式(14)における緩和関数g*は、下記の式(16)により定義される。 Further, the relaxation function g * in the equation (14) is defined by the following equation (16).
以上より、中間関数として From the above, as an intermediate function
を計算ステップ毎に保持することにより、Kirchhoff応力テンソルの値を数値解析により得ることができる。なお、上述の式変形の詳細については、例えば、非特許文献1に記載される。
Is maintained for each calculation step, the Kirchoff stress tensor value can be obtained by numerical analysis. The details of the above-described formula modification are described in
本実施の形態では、図1に示す粘弾性モデルにおいて、粘弾性要素の減衰特性を表す緩和時間τiをひずみ速度に依存した変数とすることにより、振幅依存性の再現性を高めた粘弾性材料の解析方法を示す。一方、非特許文献1などに示される粘弾性モデル(Simoモデル)では、緩和時間τiを定数として計算することにより、ゴム材料における様々な動特性を表すことができるものの、調和振動試験などで見られる振幅依存性の予測精度が高くないという課題があった。本発明者は、振幅依存性の精度を高める手法として、緩和時間τiをひずみ速度の冪関数とすることが有効であることを見出した。本実施の形態では、下記式(17)に示す関係式を満たす緩和時間τiを用いることにより、振幅依存性の再現性を高めた解析手法を提案する。
In the present embodiment, in the viscoelastic model shown in FIG. 1, the relaxation time τi representing the damping characteristic of the viscoelastic element is used as a variable depending on the strain rate, thereby improving the reproducibility of the amplitude dependence. The analysis method is shown. On the other hand, in the viscoelastic model (Simo model) shown in
式(17)において、 In equation (17),
は、偏差成分を除去したGreen−Lagrangeひずみテンソルであり、修正右Cauchy−Greenテンソル Is a Green-Language strain tensor with the deviation component removed, and a modified right Cauchy-Green tensor.
を用いて下記の式(18)で表される。 Is represented by the following formula (18).
また、 Also,
は、ひずみ速度であり、ひずみテンソルの時間微分値を表す。また、 Is the strain rate and represents the time derivative of the strain tensor. Also,
は、ひずみ速度の大きさを表し、3次元のひずみテンソルを用いる場合には、下記式(19)により表される。 Represents the magnitude of the strain rate, and is expressed by the following equation (19) when a three-dimensional strain tensor is used.
なお、冪数miおよび比例定数1/Aiは、本実施の形態で導入する値であり、調和振動試験の試験結果を用いて後述する関係式により導出される。 The power factor mi and the proportionality constant 1 / Ai are values introduced in the present embodiment, and are derived from the relational expression described later using the test result of the harmonic vibration test.
つづいて、式(17)に示す緩和時間τiの導入に際し、数値解析上必要となる式の変形について述べる。上述の式(14)を用いてKirchhoff応力を算出するためには、緩和時間τiを含む式を変形する必要がある。具体的には、式(8)を下記の式(18)に、式(9)を下記の式(19)に変形すればよい。 Next, a description will be given of a modification of the expression necessary for numerical analysis when introducing the relaxation time τi shown in Expression (17). In order to calculate Kirchhoff stress using the above equation (14), it is necessary to modify the equation including the relaxation time τi. Specifically, the equation (8) may be transformed into the following equation (18) and the equation (9) may be transformed into the following equation (19).
ここで、緩和時間τiの関数は、下記の式(20)、(21)により定義される。
なお、式(18)の右辺第2項および式(19)における緩和時間τiとして式(21)を用いるのは、中点定理を用いて[tn,tn+1]の時間間隔で積分した近似解を用いたためである。 Note that the equation (21) is used as the relaxation term τi in the second term on the right side of the equation (18) and the equation (19) because the approximate solution obtained by integrating at the time interval of [tn, tn + 1] using the midpoint theorem is used. This is because it was used.
次に、本実施の形態に示す粘弾性材料モデルにおける材料定数の同定方法について述べる。まず、冪数miおよび比例定数1/Aiの同定方法について示した後に、並列配置される弾性要素の剛性割合γ0および弾性率G0の同定方法を示し、最後に粘弾性要素の剛性割合γiの同定方法を示す。 Next, a method for identifying a material constant in the viscoelastic material model shown in this embodiment will be described. First, after identifying the identification method of the power factor mi and the proportionality constant 1 / Ai, the identification method of the stiffness ratio γ0 and the elasticity modulus G0 of the elastic elements arranged in parallel is shown, and finally the stiffness ratio γi of the viscoelastic element is identified. The method is shown.
図2は、調和振動試験における試験条件を示す図である。本図は、横軸を時間tとして、予ひずみEpre、振幅ε、周波数ωのとした場合における粘弾性材料の試験体に加振されるひずみE=Epre+εsin(ωt)のグラフを示す。このようなひずみEを加振した場合における試験体の動的弾性率Gを測定することにより、下記式(22)の関係を用いて冪数miを導出することができる。 FIG. 2 is a diagram showing test conditions in the harmonic vibration test. This figure shows a graph of strain E = Epre + εsin (ωt) applied to a viscoelastic material specimen when the horizontal axis is time t and the prestrain Epre, the amplitude ε, and the frequency ω. By measuring the dynamic elastic modulus G of the specimen when such strain E is vibrated, the power mi can be derived using the relationship of the following formula (22).
なお、式(22)は、図2に示す調和振動試験の入力に対して、式(2)に式(17)を代入した発展方程式である下記式(23)を解くことにより得られる。 Equation (22) is obtained by solving the following equation (23), which is an evolution equation obtained by substituting equation (17) into equation (2) for the input of the harmonic vibration test shown in FIG.
図3は、冪数miの算出方法を模式的に示すグラフである。本図は、調和振動試験において加振する振幅εの対数値log(ε)を横軸として、予ひずみEpreおよび周波数ωを変化させたときの試験結果値である動的弾性率Gの対数値log(G)をプロットしたものである。グラフ上の近似線L1は、予ひずみEpre1と周波数ω1に対して、振幅の値ε1〜ε3を変化させたときのプロット値に対応する傾きl1の近似線である。同様に、近似線L2、L3は、予ひずみEpre2、Epre3と周波数ω2、ω3に対して、振幅の値ε1〜ε3を変化させたときのプロット値に対応する傾きl2、l3の近似線である。式(22)の両辺に対数をとることにより、下記式(24)を得ることができることから、この傾きliから冪数miを得ることができる。 FIG. 3 is a graph schematically showing a method for calculating the power mi. This figure shows the logarithmic value of the dynamic elastic modulus G, which is the test result value when the prestrain Epre and the frequency ω are changed with the logarithm log (ε) of the amplitude ε to be excited in the harmonic vibration test as the horizontal axis. log (G) is plotted. The approximate line L1 on the graph is an approximate line having a slope l1 corresponding to the plot value when the amplitude values ε1 to ε3 are changed with respect to the pre-strain Epre1 and the frequency ω1. Similarly, the approximate lines L2 and L3 are approximate lines having inclinations l2 and l3 corresponding to plot values when the amplitude values ε1 to ε3 are changed with respect to the pre-strains Epre2 and Epre3 and the frequencies ω2 and ω3. . Since the following equation (24) can be obtained by taking logarithms on both sides of the equation (22), the power mi can be obtained from the slope li.
式(24)より、冪数はmi=−1−liの関係式により得ることができる。なお、式(24)におけるαは、図3に示す近似線の切片を示す。これにより、調和振動試験における加振周波数ωiに対応する冪数miを得ることができる。なお、図3に示す振幅εの値は例示であり、冪数miを得るために4以上の振幅εの値を用いてもよいし、振幅εの値を2としてよい。 From equation (24), the power can be obtained from the relational expression mi = −1−li. In the equation (24), α represents an intercept of the approximate line shown in FIG. Thereby, the power mi corresponding to the excitation frequency ωi in the harmonic vibration test can be obtained. Note that the value of the amplitude ε shown in FIG. 3 is an example, and a value of the amplitude ε of 4 or more may be used to obtain the power mi, or the value of the amplitude ε may be 2.
なお、冪数miの値が加振周波数ωiによってそれほど変化しない場合には、それぞれの周波数に対応するmiを得る代わりに、それぞれのmiの平均値として得られる共通の冪数mを用いることとしてもよい。共通の冪数mを用いることにより、周波数ごとに異なる冪数miを用いる場合と比べて、計算負荷を減らすことができる。 When the value of the power mi does not change so much with the excitation frequency ωi, instead of obtaining the mi corresponding to each frequency, the common power m obtained as the average value of each mi is used. Also good. By using the common power m, the calculation load can be reduced as compared with the case where a different power mi is used for each frequency.
また、比例定数1/Aiは、上記方法で得られた冪数miを用いて、下記式(25)の関係から得ることができる。上述の冪数miにおける導出方法と同様、式(25)における周波数ωiは、調和振動試験における加振周波数であり、この周波数を変化させることにより周波数成分ωiが異なるそれぞれの粘弾性要素に対応する比例定数1/Aiを得ることができる。 Further, the proportionality constant 1 / Ai can be obtained from the relationship of the following equation (25) using the power mi obtained by the above method. Similar to the derivation method for the power mi, the frequency ωi in the equation (25) is the excitation frequency in the harmonic vibration test, and by changing this frequency, the frequency component ωi corresponds to each different viscoelastic element. The proportionality constant 1 / Ai can be obtained.
つづいて、弾性要素の剛性割合をγ0の算出方法について述べる。図4は、応力緩和試験における応力緩和曲線を模式的に示す図である。本図は、入力ひずみEpreを一定にした場合における応力Qの時間変化を測定した試験結果を示している。この試験結果に示す時刻t=0の瞬間応力Q0と、時刻t=∞における緩和応力Q∞とから、弾性要素の剛性割合をγ0=Q∞/Q0により得ることができる。 Next, a method for calculating the stiffness ratio of the elastic element γ0 will be described. FIG. 4 is a diagram schematically showing a stress relaxation curve in the stress relaxation test. This figure has shown the test result which measured the time change of the stress Q when input strain Epre is made constant. From the instantaneous stress Q0 at time t = 0 shown in this test result and the relaxation stress Q∞ at time t = ∞, the stiffness ratio of the elastic element can be obtained by γ0 = Q∞ / Q0.
つづいて、弾性要素の弾性率G0の算出方法について述べる。本実施の形態では、超弾性の材料モデルであるYeoh材料モデルに定められる超弾性係数C10、C20、C30を定めることにより弾性要素の弾性率を決定する。これらの超弾性係数は、図4に示した応力緩和試験において、複数の入力ひずみEpreに対して緩和応力Q∞を得ることにより導出することができる。 Next, a method for calculating the elastic modulus G0 of the elastic element will be described. In the present embodiment, the elastic modulus of the elastic element is determined by determining the superelastic coefficients C10, C20, and C30 defined in the Yeoh material model, which is a superelastic material model. These superelastic coefficients can be derived by obtaining a relaxation stress Q∞ for a plurality of input strains Epre in the stress relaxation test shown in FIG.
図5は、入力ひずみEkを変化させた場合における応力緩和曲線を示す図である。図6は、ひずみEと応力Qの静特性曲線QRを示す図である。図5に示すように、値の異なる複数の負荷ひずみE1〜ENに対して応力緩和試験を実施し、各負荷ひずみEkに対応する緩和応力QR(E1)〜QR(EN)を得る。この関係式をひずみ−応力曲線としてグラフ化することにより、図6に示す静特性曲線QRが得られる。この静特性曲線を近似することのできる超弾性係数C10、C20、C30を公知の技術を用いて定めることにより、弾性要素の弾性率を決定することができる。 FIG. 5 is a diagram showing a stress relaxation curve when the input strain Ek is changed. FIG. 6 is a diagram showing a static characteristic curve QR of strain E and stress Q. As shown in FIG. 5, a stress relaxation test is performed on a plurality of load strains E1 to EN having different values to obtain relaxation stresses QR (E1) to QR (EN) corresponding to each load strain Ek. By graphing this relational expression as a strain-stress curve, a static characteristic curve QR shown in FIG. 6 is obtained. The elastic modulus of the elastic element can be determined by determining the superelastic coefficients C10, C20, and C30 that can approximate the static characteristic curve using a known technique.
最後に、粘弾性要素の剛性割合γiの算出方法について述べる。図7は、一定ひずみ速度試験におけるひずみEと応力Qの関係曲線Qiおよび静特性曲線QRを示す図である。静特性曲線QRは、図6に示す静特性曲線と同じである。関係曲線Q1〜QNは、一定ひずみ速度試験においてひずみ速度ViをV1〜VNに変化させた場合に対応するひずみEと応力Qの試験結果を示す。ここで、i番目の関係曲線Qiは、i番目の粘弾性要素の動特性に対応し、加振周波数ωiから算出した比例定数1/Aiの粘弾性要素に対応する。このような対応関係とするためには、調和振動試験における加振周波数ωiと振幅εを用いて、ひずみ速度Vi=ωiεの関係を満たす値を定めればよい。 Finally, a method for calculating the rigidity ratio γi of the viscoelastic element will be described. FIG. 7 is a diagram showing a relation curve Qi and a static characteristic curve QR between the strain E and the stress Q in the constant strain rate test. The static characteristic curve QR is the same as the static characteristic curve shown in FIG. Relationship curves Q1 to QN show the test results of strain E and stress Q corresponding to the case where the strain rate Vi is changed to V1 to VN in the constant strain rate test. Here, the i-th relationship curve Qi corresponds to the dynamic characteristic of the i-th viscoelastic element, and corresponds to the viscoelastic element having a proportional constant 1 / Ai calculated from the excitation frequency ωi. In order to obtain such a correspondence relationship, a value satisfying the relationship of strain rate Vi = ωiε may be determined using the excitation frequency ωi and the amplitude ε in the harmonic vibration test.
このとき、各粘弾性要素の剛性割合γiは、図6に示すひずみEと応力Qの関係曲線Qiにより囲まれる面積Ziから得ることができる。静特性曲線QRにより囲まれる面積をZ0とし、i−1番目からi番目にひずみ速度が増加することによる面積の増加分をZiとすると、剛性割合はγi=γ0×Zi/Z0により同定される。 At this time, the rigidity ratio γi of each viscoelastic element can be obtained from the area Zi surrounded by the relationship curve Qi between the strain E and the stress Q shown in FIG. If the area surrounded by the static characteristic curve QR is Z0 and the increase in area due to the increase in strain rate from i-1 to i-th is Zi, the rigidity ratio is identified by γi = γ0 × Zi / Z0. .
以上の方法により、本実施の形態の粘弾性材料モデルにおける材料定数mi、Ai、γ0、G0、γiを同定することができる。つまり、本実施の形態においては、材料試験の結果から材料定数を一意に決めることができる。 By the above method, the material constants mi, Ai, γ0, G0, γi in the viscoelastic material model of the present embodiment can be identified. That is, in the present embodiment, the material constant can be uniquely determined from the result of the material test.
なお、その他の材料定数の同定方法として、最適化計算による同定方法が挙げられるが、最適化計算による同定方法では計算が収束せず解が得られない、得られた最適解が局所解であるために再現精度が低下するなどの課題があった。一方、本実施の形態では、最適化計算を必要としないため、解が得られないという課題を解消することができる。また、材料試験の結果から材料定数を同定するため、解析の再現精度を高めることができる。 Other material constant identification methods include an identification method based on optimization calculation, but the optimization method does not converge and the solution cannot be obtained. The obtained optimum solution is a local solution. For this reason, there are problems such as a decrease in reproduction accuracy. On the other hand, in this embodiment, since optimization calculation is not required, the problem that a solution cannot be obtained can be solved. Moreover, since the material constant is identified from the result of the material test, the reproducibility of the analysis can be improved.
次に、上述の式(23)に示す発展方程式を利用した有限要素解析法について述べる。図8は、実施の形態に係る解析装置100の機能構成を示すブロック図である。解析装置100は、構築部10と、計算部20と、記憶部30と、出力部40を備える。
Next, a finite element analysis method using the evolution equation shown in the above equation (23) will be described. FIG. 8 is a block diagram illustrating a functional configuration of the
本明細書のブロック図において示される各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのCPUをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組み合わせによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者に理解されるところである。 Each block shown in the block diagram of the present specification can be realized in terms of hardware by an element such as a CPU of a computer or a mechanical device, and in terms of software, it can be realized by a computer program or the like. The functional block realized by those cooperation is drawn. Therefore, those skilled in the art will understand that these functional blocks can be realized in various forms by a combination of hardware and software.
構築部10は、解析しようとする粘弾性材料を有限個の小さな要素に置き換えて、計算部20の計算対象となる粘弾性材料モデルを構築する。粘弾性材料モデルを構成する各要素は数値解析が可能に定義され、具体的には、各要素について、座標系における節点座標値、要素形状、材料特性などが定義される。2次元モデルを対象とする場合には、各要素として三角形状を有する3節点要素や、四角形状を有する4節点要素を用いればよい。また、3次元モデルを対象とする場合には、四面体形状を有する4節点要素や、六面体形状を有する6節点要素などを用いればよい。構築部10は、例えば、プリプロセッサと呼ばれる公知の技術に基づいた汎用ソフトウェアを用いることにより実現することができる。
The
記憶部30は、計算部20による処理に必要な入力値を記憶するとともに、計算部20より計算された各計算ステップにおける出力値を記憶する。記憶部30は、入力値として粘弾性材料モデルの材料定数である冪数mi、比例定数1/Ai、剛性割合γ0、γi、弾性要素における超弾性係数C10、C20、C30を少なくとも記憶する。これらの材料定数は、解析対象とする粘弾性材料の特性に応じて、上述の材料定数同定方法により設定される値である。記憶部30には、例えば、複数種類の粘弾性材料の解析を可能とするために複数種類の材料定数が記憶されており、解析対象とする粘弾性材料の種類に応じて、対応する材料定数が計算部20により読み出される。
The
計算部20は、構築部10により構築された粘弾性材料モデルを用いて、各要素の節点における変位量、ひずみ量、応力などの値を計算ステップ毎に算出する。計算部20は、所定の計算終了条件を満たすまで計算処理を繰り返し実行し、得られた値を記憶部30に記憶させる。計算部20は、第1計算部21と、第2計算部22と、第3計算部23と、第4計算部24を有する。
The
第1計算部21は、有限数の要素に分割された粘弾性材料モデルに境界条件を設定し、計算ステップ毎の入力条件から各要素における節点の変位量Uを計算する。第1計算部21は、各要素における剛性方程式を解くための剛性マトリックスを作成した後、粘弾性材料モデルの全体構造を表す全体構成マトリックスを作成する。全体剛性マトリックスに対して、入力条件となる既知節点の変位量および節点力を導入して解析処理を施すことにより、未知節点の変位量Uが計算される。なお、第1計算部21は、例えば、ソルバーと呼ばれる公知の技術に基づいた汎用ソフトウェアを用いることにより実現することができる。
The
第2計算部22は、第1計算部21により得られた変位量Uを入力値として各要素の節点におけるひずみ速度を計算する。なお、第2計算部22は、計算ステップnにおいて得られたひずみ量を用いることにより、次の計算ステップであるステップn+1におけるひずみ速度を算出する。
The
第2計算部22は、計算ステップnにおける節点の全変位量ψnと、第1計算部21により得られた変位量Uから、計算ステップn+1における全変位量をψn+1=ψn+Uにより算出する。この全変位量ψn+1を用いて、下記の式(26)−(31)の関係により、計算ステップn+1における変形勾配テンソルFn+1、体積変化率(ヤコビアン)Jn+1、右Cauchy−GreenテンソルCn+1、偏差成分を除去した修正変形勾配テンソル
The
及び修正右Cauchy−Greenテンソル And modified right Cauchy-Green tensor
を計算する。 Calculate
なお、式(27)におけるDは、変形勾配テンソルFを得るための微分演算子である。 Note that D in Equation (27) is a differential operator for obtaining the deformation gradient tensor F.
式(31)により得られた修正右Cauchy−Greenテンソルと、計算ステップnにおけるひずみ量から、下記の式(32)、(33)により計算ステップn+1におけるひずみ量とひずみ速度を得ることができる。なお、式(18)におけるΔtnは、各計算ステップに対応して離散化された時間ステップである。 From the corrected right Cauchy-Green tensor obtained by equation (31) and the strain amount at calculation step n, the strain amount and strain rate at calculation step n + 1 can be obtained by the following equations (32) and (33). Note that Δtn in Equation (18) is a time step discretized corresponding to each calculation step.
第3計算部23は、第2計算部22により得られたひずみ速度から、応力の計算に必要となる緩和時間τiを算出する。第3計算部23は、記憶部30に記憶される冪数miおよび比例定数1/Aiを読み出し、上述の式(20)、(21)により緩和時間τiを計算する。
The
第4計算部24は、ひずみ速度より計算された緩和時間τiを用いて節点におけるKirchhoff応力を求める。第4計算部24は、まず、式(11)を用いて計算ステップn+1におけるKirchhoff弾性応力を求める。次に、式(12)、(18)を用いて中間変数を求める。最後に、式(14)、(19)を用いてKirchhoff応力を得る。なお、第4計算部24は、各計算ステップで得られた中間変数および応力の値を記憶部30に記憶する。
The
出力部40は、計算部20により得られた計算結果を出力する。出力部40は、計算結果として、粘弾性材料モデルにおける応力−ひずみ曲線や応力緩和曲線などを得るための数値データを出力する。
The
図9は、解析装置100により得られる応力−ひずみ曲線の一例を示すグラフであり、一定ひずみ速度試験の試験結果に対応する。なお、本図では、出力部40からの出力結果である「計算値」とともに、対応する一定ひずみ速度試験で得られた「試験値」を示している。計算値C1〜C4は、それぞれ異なるひずみ速度に対応する計算結果であり、試験値T1〜T4は、計算の条件と同じひずみ速度にて一定ひずみ速度試験を行った場合の試験結果である。本実施の形態の解析装置を用いることにより、図示されるように、一定ひずみ速度試験の結果を精度良く再現する計算結果を得ることができる。
FIG. 9 is a graph showing an example of a stress-strain curve obtained by the
図10は、解析装置100により得られる応力緩和曲線の一例を示すグラフである。なお、本図においても、出力部40からの出力結果である「計算値」を示す実線とともに、応力緩和試験で得られた「試験値」を破線で示している。それぞれの応力緩和曲線は、異なる瞬間応力を加えた場合における計算値および試験値を示している。本実施の形態の解析装置を用いることにより、図示されるように、応力緩和試験の結果を精度良く再現する計算結果を得ることができる。
FIG. 10 is a graph illustrating an example of a stress relaxation curve obtained by the
図11は、解析装置100により得られる周波数特性の一例を示すグラフである。本図は、調和振動試験において加振周波数ωと振幅εを変化させた場合における絶対弾性率の値を求めた結果を示す。本図では、調和振動試験における振幅εの大きさを予ひずみに対して0.2%とした場合と、2.0%とした場合の計算結果を示している。本図に示すように、加振周波数の変化による絶対弾性率の変化を表すとともに、振幅の増大に伴う絶対弾性率の減少を表すことができた。一般に、ゴム材料などの粘弾性材料では、振幅が大きくなると絶対弾性率が減少することが知られていることから、本実施の形態における解析装置100によれば、粘弾性材料における振幅依存性を再現できる。
FIG. 11 is a graph illustrating an example of frequency characteristics obtained by the
以上の構成による解析装置100の動作を説明する。
図12は、監視装置2の動作を示すフローチャートである。まず、解析対象とする粘弾性材料モデルを構築し(S10)、解析対象の粘弾性材料モデルに対応した材料定数を設定する(S12)。次に、入力条件に基づいて粘弾性材料モデルを構成する各要素の節点変位量を計算ステップ毎に算出する(S14)。得られた設定変位量からひずみ速度を算出するとともに(S16)、ひずみ速度から緩和時間を算出し(S18)、ひずみ速度から得られる緩和時間を用いて応力を算出する(S20)。計算の終了条件を満たしていない場合には、S14〜S20のステップを繰り返して計算ステップ毎の応力を算出する(S22のN)。終了条件を満たした場合には(S22のY)、得られた計算結果を出力する(S24)。
The operation of the
FIG. 12 is a flowchart showing the operation of the
以上、本発明を実施形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。 In the above, this invention was demonstrated based on embodiment. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. By the way.
上述の実施の形態では、調和振動試験の結果から式(25)の関係式を用いて比例定数1/Aiを同定する方法を述べた。変形例においては、一定ひずみ速度試験の結果から比例定数1/Aiを同定することとしてもよい。以下、変形例における比例定数1/Aiの同定方法について述べる。 In the above-described embodiment, the method for identifying the proportionality constant 1 / Ai using the relational expression (25) from the result of the harmonic vibration test has been described. In the modification, the proportionality constant 1 / Ai may be identified from the result of the constant strain rate test. Hereinafter, a method for identifying the proportionality constant 1 / Ai in the modification will be described.
上述の式(25)の左辺を変形することにより、下記式(34)が得られる。 The following formula (34) is obtained by modifying the left side of the above formula (25).
ここで、分母のωiεは調和振動試験における最大ひずみ速度であることから、一定ひずみ速度試験におけるひずみ速度Vnomに対応付けることができる。また、分子の振幅εは調和振動試験における最大ひずみ量であることから、一定ひずみ速度試験における測定ひずみE*に対応付けることができる。したがって、一定ひずみ速度試験におけるひずみ速度Vnomと測定ひずみE*を用いて、式(34)は、下記式(35)のように書き換えることができる。 Here, since ωiε of the denominator is the maximum strain rate in the harmonic vibration test, it can be associated with the strain rate Vnom in the constant strain rate test. Moreover, since the amplitude ε of the molecule is the maximum strain amount in the harmonic vibration test, it can be associated with the measured strain E * in the constant strain rate test. Therefore, using the strain rate Vnom in the constant strain rate test and the measured strain E *, the equation (34) can be rewritten as the following equation (35).
したがって、変形例においては、式(35)を用いて一定ひずみ速度試験における試験結果より比例定数1/Aiを同定することができる。 Therefore, in the modification, the proportionality constant 1 / Ai can be identified from the test result in the constant strain rate test using the equation (35).
10…構築部、20…計算部、21…第1計算部、22…第2計算部、23…第3計算部、24…第4計算部、30…記憶部、100…解析装置。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
節点を境界とする有限数の要素に分割された粘弾性材料モデルに条件を設定して前記節点の変位量を計算する第1計算部と、
前記変位量を用いて前記節点におけるひずみ速度を計算する第2計算部と、
前記ひずみ速度を底とする冪乗の値に比例する値を前記粘弾性要素の緩和時間として計算する第3計算部と、
前記ひずみ速度より計算された緩和時間を用いて前記節点における応力を計算する第4計算部と、
を備えることを特徴とする解析装置。 An apparatus for analyzing stress-strain characteristics of a viscoelastic material based on a nonlinear viscoelastic material constitutive law in which an elastic element and a viscoelastic element are arranged in parallel,
A first calculation unit configured to calculate a displacement amount of the node by setting a condition in a viscoelastic material model divided into a finite number of elements having a node as a boundary;
A second calculator for calculating a strain rate at the node using the displacement;
A third calculation unit that calculates a value proportional to a power value based on the strain rate as a relaxation time of the viscoelastic element;
A fourth calculation unit for calculating stress at the node using a relaxation time calculated from the strain rate;
An analysis device comprising:
前記第3計算部は、前記記憶部に記憶される冪数mi及び比例定数1/Aiを読み出して前記緩和時間を計算することを特徴とする請求項1に記載の解析装置。 As a constant determined according to the viscoelastic material to be analyzed in order to obtain the relaxation time, a power factor mi having the strain rate as a base, and a proportionality constant 1 / Ai multiplied by the power value, Further comprising a storage unit for storing
The analysis apparatus according to claim 1, wherein the third calculation unit reads the power mi and the proportionality constant 1 / Ai stored in the storage unit and calculates the relaxation time.
解析対象とする粘弾性材料を用いた調和振動試験における絶対弾性率Gと振幅εの測定結果を入力として以下の(1)式により得られる冪数miを記憶し、
前記調和振動試験における加振周波数ωと振幅εの測定結果および前記冪数miの値を入力として以下の(2)式により得られる比例定数1/Aiを記憶することを特徴とする請求項2に記載の解析装置。
Store the power mi obtained by the following equation (1) with the measurement results of the absolute elastic modulus G and amplitude ε in the harmonic vibration test using the viscoelastic material to be analyzed as input,
3. The proportionality constant 1 / Ai obtained by the following equation (2) is stored with the measurement result of the excitation frequency ω and amplitude ε in the harmonic vibration test and the value of the power mi as input. The analysis device described in 1.
コンピュータに、
節点を境界とする有限数の要素に分割された粘弾性材料モデルに条件を設定して前記節点の変位量を計算する機能と、
前記変位量を用いて前記節点におけるひずみ速度を計算する機能と、
前記ひずみ速度を底とする冪乗の値に比例する値を前記粘弾性要素の緩和時間として計算する機能と、
前記ひずみ速度より計算された緩和時間を用いて前記節点における応力を計算する機能と、
を実現させるためのプログラム。 A program for obtaining stress-strain characteristics of a viscoelastic material based on a nonlinear viscoelastic material constitutive law in which an elastic element and a viscoelastic element are arranged in parallel,
On the computer,
A function for calculating a displacement amount of the node by setting a condition in a viscoelastic material model divided into a finite number of elements having a node as a boundary;
A function of calculating a strain rate at the node using the displacement;
A function of calculating a value proportional to a power value with the strain rate as a base as a relaxation time of the viscoelastic element;
A function of calculating stress at the node using a relaxation time calculated from the strain rate;
A program to realize
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