JP6750274B2 - Heterogeneous material simulation method, heterogeneous material simulation device and program - Google Patents

Heterogeneous material simulation method, heterogeneous material simulation device and program Download PDF

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本発明は、少なくとも2相有する不均質材料のシミュレーション方法、不均質材料のシミュレーション装置およびプログラムに関し、特に、不均質材料の凝集塊の特徴量と力学特性とを比較する不均質材料のシミュレーション方法、不均質材料のシミュレーション装置およびプログラムに関する。 The present invention relates to a method for simulating a heterogeneous material having at least two phases, a simulation device and a program for the heterogeneous material, and in particular, a method for simulating a heterogeneous material that compares the characteristic amount and mechanical property of agglomerates of the heterogeneous material, The present invention relates to a heterogeneous material simulation device and program.

カーボンブラックおよびシリカ等の充填剤(フィラー)を配合したゴム材料では充填剤(フィラー)の分布形態(モロフォロジー)によって、ゴム材料の粘弾性特性が変化し、車の燃費性能が変化することが知られている。
よって、低燃費タイヤのゴム材料開発においては、ゴム材料の充填剤(フィラー)のモルフォロジーと、車の低燃費性能またはグリップ性能等に寄与するゴム材料の粘弾性特性等の力学特性との関係を理解することが非常に重要である。そのため、パラメトリックなモロフォロジーを有するシミュレーションモデル、すなわち、パラメーターの数値を変更することでモロフォロジーを変更できるシミュレーションモデルの作成およびそれを用いたシミュレーションが低燃費タイヤ開発にとって有効な手段となる。ゴム材料のモルフォロジーとゴム材料の粘弾性特性との関係を評価するためのシミュレーション方法として、これまで様々なモデル作成方法が提案されている。
It is known that in rubber materials containing fillers such as carbon black and silica, the viscoelastic properties of the rubber materials change due to the filler distribution (morphology), and the fuel efficiency of the car changes. Has been.
Therefore, in the development of rubber materials for fuel-efficient tires, the relationship between the morphology of the filler (filler) of the rubber material and the mechanical properties such as viscoelasticity of the rubber material that contributes to the fuel efficiency performance or grip performance of the vehicle should be considered. Understanding is very important. Therefore, the creation of a simulation model having parametric morphology, that is, the creation of a simulation model in which the morphology can be changed by changing the numerical values of the parameters, and the simulation using the simulation model are effective means for developing fuel-efficient tires. As a simulation method for evaluating the relationship between the morphology of rubber materials and the viscoelastic properties of rubber materials, various model creation methods have been proposed so far.

特許文献1には、ゴム材料を所定間隔でスライスした複数のスライス画像を取得し、取得したスライス画像を積層して3次元画像を生成し、3次元画像の充填剤領域内に充填剤のサイズに対応して予め定めたサイズの仮想粒子を仮想的に配置し、当該3次元画像において仮想粒子が未配置の領域をゴム領域として充填剤に相当するサイズよりも小さい所定サイズの格子領域で分割すると共に、仮想粒子が配置された粒子領域を充填剤領域として所定サイズよりも大きいサイズの格子領域で分割した3次元モデルを生成することが記載されている。 In Patent Document 1, a plurality of slice images obtained by slicing a rubber material at a predetermined interval are acquired, the acquired slice images are stacked to generate a three-dimensional image, and the size of the filler in the filler region of the three-dimensional image. Virtual particles of a predetermined size corresponding to the above are virtually arranged, and the area where virtual particles are not arranged in the three-dimensional image is divided as a rubber area into lattice areas of a predetermined size smaller than the size corresponding to the filler. In addition, it is described that a three-dimensional model in which a particle region in which virtual particles are arranged is divided into lattice regions having a size larger than a predetermined size as a filler region is generated.

特許文献2には、充填剤を含有するゴム材料のシミュレーション方法が記載されている。特許文献2では、ゴム材料のX線および/または中性子の散乱データを測定する測定工程と、散乱データからリバースモンテカルロ法によりゴム中の充填材の3次元構造を特定する可視化工程と、充填材の3次元構造に基づいてゴム材料モデルを設定するモデル設定工程と、ゴム材料モデルに基づいて変形シミュレーションを行う工程とを含む。測定工程において散乱ベクトル(散乱ベクトルq=4π・sinθ/λ(λは電磁波または粒子線の波長、θは、散乱角の1/2))が10−4nm−1よりも大かつ10nm−1よりも小の範囲の散乱データを得る。 Patent Document 2 describes a simulation method of a rubber material containing a filler. In Patent Document 2, a measurement step of measuring X-ray and/or neutron scattering data of a rubber material, a visualization step of specifying a three-dimensional structure of a filler in rubber by a reverse Monte Carlo method from the scattering data, and a filler It includes a model setting step of setting a rubber material model based on the three-dimensional structure, and a step of performing deformation simulation based on the rubber material model. In the measurement step, the scattering vector (scattering vector q=4π·sin θ/λ (λ is the wavelength of the electromagnetic wave or particle beam, θ is 1/2 of the scattering angle)) is larger than 10 −4 nm −1 and 10 nm −1. Scatter data in the smaller range is obtained.

特許第4602929号公報Japanese Patent No. 4602929 特開2013−10880号公報JP, 2013-10880, A

上述のように、特許文献1は、ゴム材料について複数のスライス画像を取得し、3次元モデルを生成している。特許文献2は、ゴム材料のX線および/または中性子の散乱データを測定し、散乱データからリバースモンテカルロ法によりゴム中の充填材の3次元構造を特定する可視化工程と、充填材の3次元構造に基づいてゴム材料モデルを設定してゴム材料モデルを設定している。
しかしながら、特許文献1の3次元モデル、特許文献2のゴム材料モデルは、いずれも凝集塊の数および大きさは定まっておらず、パラメーター等から凝集塊の特徴を取得できない。
As described above, Patent Document 1 acquires a plurality of slice images of a rubber material and generates a three-dimensional model. Patent Document 2 measures a X-ray and/or neutron scattering data of a rubber material, and visualizes the scattering data to identify the three-dimensional structure of the filler in the rubber by the reverse Monte Carlo method, and the three-dimensional structure of the filler. The rubber material model is set based on, and the rubber material model is set.
However, in both the three-dimensional model of Patent Document 1 and the rubber material model of Patent Document 2, the number and size of the agglomerates are not fixed, and the features of the agglomerates cannot be acquired from parameters and the like.

本発明の目的は、前述の従来技術に基づく問題点を解消し、不均質材料の凝集塊の特徴量と力学特性とを比較することができる不均質材料のシミュレーション方法、不均質材料のシミュレーション装置およびプログラムを提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems based on the prior art, and to compare the characteristic amount and the mechanical property of the agglomerates of the heterogeneous material with a simulation method for the heterogeneous material, and a simulation apparatus for the heterogeneous material. And to provide the program.

上述の目的を達成するために、本発明は、モデルパラメーターを設定する工程と、設定されたモデルパラメーターを基に、コンピュータで解析可能な不均質材料の材料モデルを作成する作成工程と、材料モデルにおける凝集塊を判別し、凝集塊の特徴量を取得する取得工程と、材料モデルの力学特性を計算する演算工程と、モデルパラメーターと凝集塊の特徴量と力学特性の計算結果をデータ構造情報として保存する保存工程とを有することを特徴とする不均質材料のシミュレーション方法を提供するものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a step of setting model parameters, a step of creating a material model of a heterogeneous material that can be analyzed by a computer based on the set model parameters, and a material model. In the acquisition process to determine the agglomerates and to obtain the feature amount of the agglomerates, the calculation process to calculate the mechanical properties of the material model, the model parameters and the calculation results of the agglomerate feature amounts and the mechanical properties as data structure information. The present invention provides a method for simulating a heterogeneous material, which comprises a storage step of storing.

取得工程で、凝集塊の特徴量を取得する際、材料モデルを仮想的な立方格子に分割し、凝集塊の特徴量を取得することが好ましい。
取得工程で、凝集塊を判別する際、周期境界同士で隣接している凝集塊をひとつの凝集塊とすることが好ましい。
さらに、材料モデル作成時のモデルパラメーターを設計変数に含み、不均質材料の力学特性を目的関数に含む最適化計算を行う最適化計算工程を有することが好ましい。
また、凝集塊の特徴量と、力学特性との因果関係を可視化する可視化工程を有することが好ましい。
When acquiring the characteristic amount of the agglomerate in the acquisition step, it is preferable to divide the material model into a virtual cubic lattice and acquire the characteristic amount of the agglomerate.
When discriminating the agglomerates in the acquisition step, it is preferable that the agglomerates adjacent to each other at the periodic boundaries are regarded as one agglomerate.
Furthermore, it is preferable to have an optimization calculation step that includes the model parameter at the time of creating the material model as the design variable and performs the optimization calculation that includes the mechanical properties of the heterogeneous material as the objective function.
Further, it is preferable to have a visualization step of visualizing a causal relationship between the characteristic amount of the aggregate and the mechanical property.

本発明は、モデルパラメーターを設定する条件設定部と、設定されたモデルパラメーターを基に、コンピュータで解析可能な不均質材料の材料モデルを作成するモデル作成部と、材料モデルにおける凝集塊を判別し、凝集塊の特徴量を取得する解析部と、材料モデルの力学特性を計算し、モデルパラメーターと凝集塊の特徴量と力学特性の計算結果をデータ構造情報として記憶部に保存させる演算部とを有することを特徴とする不均質材料のシミュレーション装置を提供するものである。 The present invention, a condition setting unit that sets model parameters, a model creating unit that creates a material model of a heterogeneous material that can be analyzed by a computer based on the set model parameters, and identifies agglomerates in the material model. An analysis unit that obtains the characteristic amount of the agglomerate, and a calculation unit that calculates the mechanical properties of the material model and stores the model parameters and the calculation results of the characteristic amount and the mechanical property of the agglomerate in the storage unit as data structure information. A simulation device for a heterogeneous material having the above-mentioned features.

解析部は、凝集塊の特徴量を取得する際、材料モデルを仮想的な立方格子に分割し、凝集塊の特徴量を取得することが好ましい。
解析部は、凝集塊を判別する際、周期境界同士で隣接している凝集塊をひとつの凝集塊とすることが好ましい。
さらに、条件設定部で、材料モデル作成時のモデルパラメーターに設計変数に含め、不均質材料の力学特性を目的関数とし、演算部は、設計変数と、目的関数を用いて最適化計算を行うことが好ましい。
また、演算部は、凝集塊の特徴量と、力学特性との因果関係を可視化することが好ましい。
When acquiring the characteristic amount of the agglomerate, the analysis unit preferably divides the material model into a virtual cubic lattice and acquires the characteristic amount of the agglomerate.
When discriminating the agglomerates, the analysis unit preferably sets the agglomerates adjacent to each other at the periodic boundaries to be one agglomerate.
Furthermore, in the condition setting part, the mechanical parameters of the heterogeneous material should be included in the design variables in the model parameters when creating the material model as the objective function, and the computing part should perform the optimization calculation using the design variables and the objective function. Is preferred.
Further, it is preferable that the calculation unit visualizes the causal relationship between the characteristic amount of the aggregate and the mechanical characteristics.

本発明は、本発明の不均質材料のシミュレーション方法の各工程を手順としてコンピュータに実行させるためのプログラムを提供するものである。 The present invention provides a program for causing a computer to execute each step of the heterogeneous material simulation method of the present invention as a procedure.

本発明によれば、不均質材料の凝集塊の特徴量と力学特性とを比較することができ、これにより、不均質材料のモロフォロジーと粘弾性特性との関係について有用な情報を発見でき、低燃費タイヤの新材料開発に役立てることができる。また材料モデル作成時のモデルパラメーターと凝集塊の特徴量を付き合せることにより材料モデル作成方法を評価することができる。 According to the present invention, it is possible to compare the characteristic amount and mechanical property of the agglomerate of the heterogeneous material, whereby it is possible to find useful information about the relationship between the morphology and the viscoelastic property of the heterogeneous material, and It can be used to develop new materials for fuel-efficient tires. In addition, the material model creation method can be evaluated by associating the model parameter at the time of creating the material model with the feature amount of the aggregate.

本発明の実施形態の不均質材料のシミュレーション方法に用いられるシミュレーション装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the simulation apparatus used for the simulation method of the heterogeneous material of embodiment of this invention. (a)は材料モデルの一例を示す模式図であり、(b)は凝集塊の第1の例を示す模式図であり、(c)は凝集塊の第2の例を示す模式図であり、(d)は凝集塊の第3の例を示す模式図である。(A) is a schematic diagram showing an example of a material model, (b) is a schematic diagram showing a first example of an aggregate, and (c) is a schematic diagram showing a second example of an aggregate. , (D) is a schematic diagram showing a third example of an aggregate. (a)は凝集塊の特徴量の一例を説明するための模式図であり、(b)は凝集塊の特徴量の他の例を説明するための模式図である。(A) is a schematic diagram for explaining an example of the feature amount of the aggregate, and (b) is a schematic diagram for explaining another example of the feature amount of the aggregate. 本発明の実施形態の不均質材料のシミュレーション方法の第1の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 1st example of the simulation method of the heterogeneous material of embodiment of this invention. (a)は材料モデルの一例を示す模式的斜視図であり、(b)は材料モデルの凝集塊を示す模式的斜視図であり、(c)は材料モデルの凝集塊の分布を示すグラフである。(A) is a schematic perspective view showing an example of a material model, (b) is a schematic perspective view showing agglomerates of a material model, and (c) is a graph showing a distribution of agglomerates of a material model. is there. (a)は凝集塊の判別基準の第1の例を示す模式的斜視図であり、(b)は凝集塊の判別基準の例を示す模式的斜視図であり、(c)は凝集塊の判別基準の第3の例を示す模式的斜視図である。(A) is a schematic perspective view showing a first example of an aggregation criterion, (b) is a schematic perspective view showing an example of an aggregation criterion, and (c) is an aggregation criterion. It is a typical perspective view showing the 3rd example of a discriminating standard. 凝集塊の周期境界を説明するための模式的斜視図である。It is a typical perspective view for explaining the periodic boundary of an aggregate. 本発明の実施形態の不均質材料のシミュレーション方法の第2の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 2nd example of the simulation method of the heterogeneous material of embodiment of this invention. (a)および(b)は設計変数の自己組織化マップであり、(c)および(d)は凝集塊の特徴量の自己組織化マップであり、(e)〜(h)は力学特性の自己組織化マップである。(A) and (b) are self-organizing maps of design variables, (c) and (d) are self-organizing maps of feature amounts of aggregates, and (e) to (h) are mechanical characteristics. It is a self-organizing map.

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の不均質材料のシミュレーション方法、不均質材料のシミュレーション装置およびプログラムを詳細に説明する。
図1は本発明の実施形態の不均質材料のシミュレーション方法に用いられるシミュレーション装置を示す模式図である。
Hereinafter, a heterogeneous material simulation method, a heterogeneous material simulation apparatus, and a program according to the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a simulation device used in a method for simulating a heterogeneous material according to an embodiment of the present invention.

図1に示すシミュレーション装置10(以下、単に処理装置10という)は、本発明の不均質材料のシミュレーション方法を実施する装置の一例である。処理装置10は、コンピュータ等のハードウェアを用いて構成される。本発明の不均質材料のシミュレーション方法には、図1に示す処理装置10が用いられるが、不均質材料のシミュレーション方法をコンピュータ等のハードウェアおよびソフトウェアを用いて実行することができれば処理装置10に限定されるものではない。
不均質材料は、第1の材料相と第2の材料相を有する少なくとも2相の材料である。不均質材料は、例えば、ゴムを母相(第1の材料相)とし、カーボンブラックまたはシリカ等のフィラー(第2の材料相)を含んだゴム材料である。
A simulation device 10 (hereinafter, simply referred to as a processing device 10) shown in FIG. 1 is an example of a device that implements the heterogeneous material simulation method of the present invention. The processing device 10 is configured using hardware such as a computer. The processing apparatus 10 shown in FIG. 1 is used for the method for simulating a heterogeneous material of the present invention. However, if the method for simulating a heterogeneous material can be executed by using hardware and software such as a computer, the processing apparatus 10 is executed. It is not limited.
Heterogeneous materials are at least two-phase materials that have a first material phase and a second material phase. The heterogeneous material is, for example, a rubber material containing rubber as a mother phase (first material phase) and containing a filler (second material phase) such as carbon black or silica.

処理装置10は、処理部12と、入力部14と、表示部16とを有する。処理部12は、条件設定部20、モデル作成部22、解析部24、演算部26、メモリ28(記憶部)、表示制御部30および制御部32を有する。この他に図示はしないがROM等を有する。
処理部12は、制御部32により制御される。また、処理部12において条件設定部20、モデル作成部22、解析部24、演算部26および表示制御部30はメモリ28に接続されており、条件設定部20、モデル作成部22、解析部24、および演算部26のデータがメモリ28に記憶される。
The processing device 10 includes a processing unit 12, an input unit 14, and a display unit 16. The processing unit 12 includes a condition setting unit 20, a model creation unit 22, an analysis unit 24, a calculation unit 26, a memory 28 (storage unit), a display control unit 30, and a control unit 32. In addition to this, a ROM and the like are provided although not shown.
The processing unit 12 is controlled by the control unit 32. Further, in the processing unit 12, the condition setting unit 20, the model creation unit 22, the analysis unit 24, the calculation unit 26, and the display control unit 30 are connected to the memory 28, and the condition setting unit 20, the model creation unit 22, and the analysis unit 24. , And the data of the calculation unit 26 are stored in the memory 28.

入力部14は、マウスおよびキーボード等の各種情報をオペレータの指示により入力するための各種の入力デバイスである。表示部16は、例えば、後述の材料モデル、凝集塊の特徴量、力学特性の計算結果、データ構造情報、最適化計算結果、凝集塊の特徴量と力学特性との因果関係を可視化した可視化結果、および不均質材料のシミュレーション方法で得られた結果等を表示するものであり、公知の各種のディスプレイが用いられる。また、表示部16には各種情報を出力媒体に表示するためのプリンタ等のデバイスも含まれる。 The input unit 14 is various input devices such as a mouse and a keyboard for inputting various information according to an operator's instruction. The display unit 16 visualizes, for example, a material model, a characteristic amount of aggregates, calculation results of mechanical properties, data structure information, optimization calculation results, and a causal relationship between aggregate characteristic amounts and mechanical properties, which will be described later. , And the results obtained by the simulation method of the heterogeneous material are displayed, and various known displays are used. The display unit 16 also includes a device such as a printer for displaying various information on an output medium.

処理装置10は、ROM等の記憶媒体に記憶されたプログラム(コンピュータソフトウェア)を、制御部32を用いて実行することにより、条件設定部20、モデル作成部22、解析部24および演算部26の各部を機能的に形成する。処理装置10は、上述のように、プログラムが実行されることで各部位が機能するコンピュータによって構成されてもよいし、各部位が専用回路で構成された専用装置であってもよい。 The processing device 10 executes a program (computer software) stored in a storage medium such as a ROM by using the control unit 32, so that the condition setting unit 20, the model creation unit 22, the analysis unit 24, and the calculation unit 26. Each part is functionally formed. As described above, the processing device 10 may be configured by a computer in which each part functions by executing a program, or may be a dedicated device in which each part is configured by a dedicated circuit.

条件設定部20は、本実施形態の不均質材料のシミュレーション方法において必要な、不均質材料のコンピュータで解析可能な材料モデルを作成するための不均質材料のモデルパラメーター、凝集塊の判別条件、材料モデルの力学特性の境界条件等の計算条件、データ構造情報の設定条件、最適化計算の計算条件、最適化計算の近似モデル、可視化計算の計算条件等の各種の条件および情報が入力され、設定するものである。各種の条件および情報は入力部14を介して入力される。条件設定部20で設定する各種の条件および情報はメモリ28に記憶される。 The condition setting unit 20 is a model parameter of a heterogeneous material, a discriminant condition of agglomerates, a material, which is necessary in the method for simulating a heterogeneous material according to the present embodiment and is used to create a computer-analyzed material model of the heterogeneous material Various conditions and information such as calculation conditions such as boundary conditions of model mechanical properties, data structure information setting conditions, optimization calculation calculation conditions, optimization calculation approximation models, and visualization calculation calculation conditions are input and set. To do. Various conditions and information are input via the input unit 14. Various conditions and information set by the condition setting unit 20 are stored in the memory 28.

不均質材料のモデルパラメーターは、例えば、母相に所定の材料相が分散した、2相構造の不均質材料の材料モデルを作成するために必要なパラメーターであり、モデルパラメーターは、作成した不均質材料の材料モデルをコンピュータで演算可能な複数の単位要素で構成したシミュレーションモデルにするために必要なパラメーターである。
不均質材料モデルパラメーターは、モデル化領域の大きさ、どの材料相を母相のモデルとするかに関する情報、どの材料相を母相のモデルに分散した粒子モデルとするかに関する情報、母相となるモデルの種類の数、粒子モデルの種類の数、境界層モデルの有無等の情報、第2の材料相のモデルを定める属性値の情報、粒子モデルの発生位置を制御するための、粒子モデルとの間の相対位置を定める制御パラメーターの情報、ならびに第1の材料相および第2の材料相等の各材料の材料パラメーターの少なくとも1つ以上を含む。例えば、第1の材料相を母相モデルとしてモデル化し、第2の材料相を粒子モデルでモデル化する。第2の材料相の粒子モデルを定める属性値は、第2の材料相を構成する粒子モデルの形状(球体モデルか、または楕円体モデルの情報)、作成する粒子モデルの大きさ(半径、または長径および短径)、およびモデル化領域における体積分率等の情報を含む。モデルパラメーターは、シミュレーションモデルのモデルの情報(有限要素法によるモデルの各情報またはメッシュフリー法によるモデルの各情報)および単位要素の大きさの情報を含む。
材料パラメーターは、材料の粘弾性特性を表す値、例えば、各材料の複素弾性率、またはヤング率およびせん断剛性等の弾性定数と正接損失tanδ等の粘性定数を含む。このような材料パラメーターの材料モデルへの付与は、材料の種類(材料パラメータ)を特定するための材料属性値と材料パラメーターとの対応表を予め定めておき、材料モデルにこの属性値を付与することを含む。
The model parameter of a heterogeneous material is, for example, a parameter necessary to create a material model of a heterogeneous material having a two-phase structure in which a predetermined material phase is dispersed in a matrix phase. It is a parameter necessary to make a material model of a material a simulation model composed of a plurality of unit elements that can be calculated by a computer.
The inhomogeneous material model parameters are the size of the modeling region, information about which material phase is to be the matrix model, information about which material phase is the particle model dispersed in the matrix model, and the matrix Information such as the number of model types, the number of particle model types, the presence/absence of a boundary layer model, the information of the attribute values that define the model of the second material phase, the particle model for controlling the generation position of the particle model. And at least one or more of the material parameters for each material, such as the first material phase and the second material phase, as well as information on control parameters defining relative positions between For example, the first material phase is modeled as a matrix model, and the second material phase is modeled as a particle model. The attribute value that defines the particle model of the second material phase is the shape of the particle model that constitutes the second material phase (information on a spherical model or an ellipsoidal model), the size of the particle model to be created (radius, or (Major axis and minor axis), and information such as volume fraction in the modeling region. The model parameter includes model information of the simulation model (each piece of information of the model by the finite element method or each piece of information of the model by the mesh-free method) and size information of the unit element.
The material parameter includes a value representing the viscoelastic property of the material, for example, a complex elastic modulus of each material, or elastic constants such as Young's modulus and shear rigidity and viscosity constants such as tangent loss tan δ. In assigning such material parameters to the material model, a correspondence table of material attribute values and material parameters for specifying the type of material (material parameter) is set in advance, and this attribute value is assigned to the material model. Including that.

また、条件設定部20には最適化計算の計算条件として、モデルパラメーターに設計変数が設定され、目的関数として不均質材料の力学特性が設定される。設計変数は、材料モデルを作成する際のモデルパラメーターである。設計変数は、例えば、フィラーに関する種々のパラメーターであり、フィラーの空間配置を制御するパラメーター等である。
各種のパラメーターとしては、不均質材料の材料モデルのモデルパラメーターについては、例えば、相構成、各相の大きさおよび配置密度、ならびに各相の構成等である。また、モデルパラメーターは、例えば、材料モデル作成における相構造の設定値、および凝集塊を含む不均質材料の画像情報が挙げられる。不均質材料の画像情報とは、例えば、CT(コンピュータートモグラフィ)法を用いて不均質材料の断面画像を取得し、断面画像を構成する各画素の位置情報と濃度情報の組み合わせた情報である。これ以外に、X線を用いて得られた不均質材料の画像の各画素の位置情報と濃度情報の組み合わせた情報を不均質材料の画像情報として用いることができる。なお。凝集塊の判別条件については、後に詳細に説明する。
Further, in the condition setting unit 20, design variables are set in model parameters as calculation conditions for optimization calculation, and mechanical characteristics of the heterogeneous material are set as an objective function. Design variables are model parameters when creating a material model. The design variables are, for example, various parameters regarding the filler, such as parameters that control the spatial arrangement of the filler.
As various parameters, model parameters of a material model of a heterogeneous material include, for example, phase constitution, size and arrangement density of each phase, constitution of each phase, and the like. In addition, the model parameters include, for example, the setting value of the phase structure in the material model creation, and the image information of the heterogeneous material including the agglomerates. The image information of the heterogeneous material is, for example, information obtained by acquiring a cross-sectional image of the heterogeneous material using a CT (Computer Tomography) method and combining position information and density information of each pixel forming the cross-sectional image. .. In addition to this, information obtained by combining the position information of each pixel and the density information of the image of the heterogeneous material obtained using X-rays can be used as the image information of the heterogeneous material. Incidentally. The conditions for determining the aggregate will be described in detail later.

モデル作成部22は、条件設定部20に設定された上述のモデルパラメーターに基づき、不均質材料のコンピュータで解析可能な材料モデル、および上述の各種のパラメーターに基づき最適化計算の近似モデルを作成するものである。 The model creating unit 22 creates a computer-analyzed material model of the inhomogeneous material based on the model parameters set in the condition setting unit 20, and an approximate model for optimization calculation based on the various parameters described above. It is a thing.

なお、モデル作成部22で作成される材料モデルおよび最適化計算の近似モデルは、条件設定部20で設定された各種類のパラメーターを用いて作成されるが、材料モデルおよび最適化計算の近似モデルの作成には公知の作成方法を用いることができる。材料モデルについては、例えば、特許第5854067号公報に記載の方法を用いて作成することができる。
材料モデルを構成する要素は、例えば、2次元平面では四辺形要素、3次元体では四面体ソリッド要素、五面体ソリッド要素、六面体ソリッド要素等のソリッド要素、三角形シェル要素、四角形シェル要素等のシェル要素、面要素等のコンピュータで解析可能な要素とする。このようにして分割された要素は、解析の過程においては、3次元モデルでは3次元座標を用いて、2次元モデルでは2次元座標を用いて逐一特定される。
The material model and the approximation model for the optimization calculation created by the model creation unit 22 are created using the parameters of each type set by the condition setting unit 20, but the material model and the approximation model for the optimization calculation are created. A publicly known creating method can be used for creating. The material model can be created using, for example, the method described in Japanese Patent No. 5854067.
The elements constituting the material model are, for example, a quadrilateral element in a two-dimensional plane, a solid element such as a tetrahedral solid element, a pentahedral solid element and a hexahedral solid element in a three-dimensional body, a shell such as a triangular shell element and a quadrangular shell element. Elements that can be analyzed by a computer, such as elements and surface elements. In the analysis process, the elements thus divided are specified one by one by using the three-dimensional coordinates in the three-dimensional model and the two-dimensional coordinates in the two-dimensional model.

解析部24は、材料モデルにおける凝集塊を判別し、凝集塊の特徴量を求めて、凝集塊の特徴量を取得するものである。解析部24では、凝集塊の判別を、例えば、上述の凝集塊の判別条件で実行する。解析部24で得られた凝集塊の判別の結果、凝集塊の特徴量は、メモリ28に記憶される。 The analysis unit 24 discriminates the aggregate in the material model, obtains the characteristic amount of the aggregate, and acquires the characteristic amount of the aggregate. The analysis unit 24 determines the agglomerate, for example, under the above-described agglomerate determination condition. As a result of the determination of the agglomerate obtained by the analysis unit 24, the feature amount of the agglomerate is stored in the memory 28.

ここで、図2(a)は材料モデルの一例を示す模式図であり、(b)は凝集塊の第1の例を示す模式図であり、(c)は凝集塊の第2の例を示す模式図であり、(d)は凝集塊の第3の例を示す模式図である。図3(a)は凝集塊の特徴量の一例を説明するための模式図であり、(b)は凝集塊の特徴量の他の例を説明するための模式図である。
図2(a)に示す材料モデル40は、ゴム等の母相に、フィラーが含まれるボリマー相が分散した不均質材料を示している。
材料モデル40では、母相モデル42にポリマーモデル44が分散している。母相モデル42は、例えば、ゴムで構成されるものである。ポリマーモデル44は、カーボンブラックおよびシリカ等のフィラーを表すフィラーモデル46を含み、ポリマーモデル44とフィラーモデル46の間に境界層を表す境界層モデル48がある。
Here, FIG. 2A is a schematic diagram showing an example of a material model, FIG. 2B is a schematic diagram showing a first example of aggregates, and FIG. 2C is a second example of aggregates. It is a schematic diagram which shows, (d) is a schematic diagram which shows the 3rd example of an aggregate. FIG. 3A is a schematic diagram for explaining an example of the feature amount of the aggregate, and FIG. 3B is a schematic diagram for explaining another example of the feature amount of the aggregate.
The material model 40 shown in FIG. 2A shows a heterogeneous material in which a polymer phase such as rubber is dispersed with a polymer phase containing filler.
In the material model 40, the polymer model 44 is dispersed in the matrix model 42. The mother phase model 42 is made of rubber, for example. The polymer model 44 includes a filler model 46 that represents a filler such as carbon black and silica, and between the polymer model 44 and the filler model 46 is a boundary layer model 48 that represents a boundary layer.

材料モデル40のように、少なくとも2相の複数の相構造で作成されている場合、少なくともフィラー等の粒子を含む材料相において凝集塊を定義することができる。例えば、ポリマー相のような島構造を凝集塊として定義できる。なお、凝集塊とは、上述のポリマー相のような島構造、およびフィラー等の粒子が複数重なったものを含むが、フィラー等の粒子が複数重なったものだけではなく、フィラー等の粒子がひとつでも凝集塊という。凝集塊は、例えば、フィラー等の粒子の重心位置とフィラー等の粒子半径から求めることができる。
上述のことから、凝集塊は、例えば、図2(b)に示すようにポリマーモデル44でも、図2(c)に示すように境界層モデル48でも、図2(d)に示すようにフィラーモデル46でもよい。凝集塊として上述のいずれかのモデルが選択されるが、各モデルで凝集塊の数が異なる。図2(b)に示すポリマーモデル44では凝集塊の数は2であり、図2(c)に示す境界層モデル48では凝集塊の数は11であり、図2(d)に示すフィラーモデル46では凝集塊の数は16である。
When the material model 40 is formed with a plurality of phase structures of at least two phases, an agglomerate can be defined in a material phase containing at least particles such as fillers. For example, island structures such as polymer phases can be defined as agglomerates. Note that the agglomerate includes an island structure such as the above-mentioned polymer phase, and a plurality of particles such as fillers overlapping, but not only a plurality of particles such as fillers overlapping, one particle such as a filler. But it's called an aggregate. The aggregate can be obtained, for example, from the position of the center of gravity of particles such as filler and the radius of particles such as filler.
From the above, the agglomerates are, for example, the polymer model 44 as shown in FIG. 2B, the boundary layer model 48 as shown in FIG. 2C, the filler as shown in FIG. The model 46 may be used. One of the above models is selected as the agglomerate, but the number of agglomerates is different in each model. The polymer model 44 shown in FIG. 2B has 2 aggregates, the boundary layer model 48 shown in FIG. 2C has 11 aggregates, and the filler model shown in FIG. 2D. At 46, the number of agglomerates is 16.

凝集塊の特徴量は、例えば、凝集塊の数、凝集塊の体積、凝集塊の表面積、凝集塊が含まれる最小球の直径または半径、凝集塊が含まれる楕円体のサイズ、およびフィラー等の粒子数である。これ以外に、凝集塊の特徴量として、上述の凝集塊の数、凝集塊の体積、凝集塊の表面積、凝集塊が含まれる最小球の直径もしくは半径、凝集塊が含まれる楕円体のサイズおよびフィラー等の粒子数の最大値、平均値または分散を用いることができる。
凝集塊が含まれる最小球の直径とは、図3(a)に示すように凝集塊50を外接して囲む円52の半径rの2倍の長さのことである。凝集塊が含まれる楕円体のサイズとは、図3(b)に示すように凝集塊50を外接して囲む楕円体54の長軸aまたは短軸bの長さのことである。
The feature amount of the agglomerate is, for example, the number of agglomerates, the volume of the agglomerates, the surface area of the agglomerates, the diameter or radius of the smallest sphere containing the agglomerates, the size of the ellipsoid containing the agglomerates, and the filler. The number of particles. In addition to this, as the feature amount of the agglomerate, the number of the agglomerates described above, the volume of the agglomerates, the surface area of the agglomerates, the diameter or radius of the smallest sphere containing the agglomerates, the size of the ellipsoid containing the agglomerates, and The maximum value, the average value or the dispersion of the number of particles of the filler or the like can be used.
The diameter of the smallest sphere containing the agglomerates is twice the radius r of the circle 52 that circumscribes the agglomerates 50 as shown in FIG. The size of the ellipsoid containing the aggregate is the length of the major axis a or the minor axis b of the ellipsoid 54 that circumscribes the aggregate 50 as shown in FIG. 3B.

演算部26は、材料モデルの力学特性を計算するものである。演算部26で得られた材料モデルの力学特性の計算結果は、メモリ28に記憶される。
演算部26での材料モデルの力学特性の計算方法は、特に限定されるものではなく、公知の方法が適宜利用可能である。例えば、材料モデルを所定のメッシュに分割し、母相モデルおよびポリマーモデルに応じた物性値を適用して、FEM(有限要素法)を用いて、力学特性が計算される。上述の力学特性は、例えば、剛性、最大応力、最大ひずみ、またはひずみ分布等である。これ以外に力学特性としては、例えば、不均質材料の剛性の最大値、不均質材料の剛性の平均値、不均質材料の剛性の分散、および不均質材料のエネルギ損失等がある。
The calculation unit 26 calculates the mechanical characteristics of the material model. The calculation result of the mechanical properties of the material model obtained by the calculation unit 26 is stored in the memory 28.
The calculation method of the mechanical characteristics of the material model in the calculation unit 26 is not particularly limited, and a known method can be appropriately used. For example, a material model is divided into a predetermined mesh, physical property values corresponding to a matrix model and a polymer model are applied, and mechanical properties are calculated using FEM (finite element method). The above-mentioned mechanical properties are, for example, rigidity, maximum stress, maximum strain, strain distribution, or the like. Other mechanical properties include, for example, the maximum value of the rigidity of the heterogeneous material, the average value of the rigidity of the heterogeneous material, the dispersion of the rigidity of the heterogeneous material, and the energy loss of the heterogeneous material.

また、演算部26は、モデルパラメーターと凝集塊の特徴量と力学特性の計算結果をデータ構造情報としてメモリ28に保存させる。データ構造情報とは、モデル作成時のモデルパラメーター、材料モデルの凝集塊の特徴量、および材料モデルの力学特性が対になったものである。 Further, the calculation unit 26 causes the memory 28 to store the calculation result of the model parameter, the feature amount of the agglomerate, and the mechanical property as data structure information. The data structure information is a combination of the model parameter at the time of model creation, the feature amount of the aggregate of the material model, and the mechanical characteristics of the material model.

演算部26は、上述の条件設定部20で設定された設計変数と力学特性(目的関数)を用いて最適化計算を行うものでもある。演算部26は、例えば、公知の有限要素ソルバーによるサブルーチンを実行することで機能するものである。
演算部26は、非線形応答関係を用いて、複数種の設計変数の値と力学特性(目的関数)で構成される力学特性値空間での力学特性の値を計算する。この場合、演算部26は、複数種の設計変数の値と力学特性(目的関数)とを用い、力学特性の値を目的関数として、近似モデルを作成する。演算部26は、作成した近似モデルを用いて多目的最適化計算を実施するものである。
上述の近似モデル(メタモデル)は、入出力の関係を近似する数学的モデルのことであり、パラメーターを調整することにより、様々な入出力関係を近似できるものである。上述の近似モデルには、例えば、多項式モデル、クリギング、ニューラルネットワークおよび動径基底関数等を用いることができる。
The calculation unit 26 also performs an optimization calculation using the design variables and the dynamic characteristics (objective function) set by the condition setting unit 20 described above. The calculation unit 26 functions by executing a subroutine using a known finite element solver, for example.
The calculation unit 26 uses the non-linear response relationship to calculate the value of the mechanical characteristic in the mechanical characteristic value space configured by the values of the plurality of types of design variables and the mechanical characteristic (objective function). In this case, the calculation unit 26 uses a plurality of types of design variable values and mechanical characteristics (objective function), and creates an approximate model using the value of the mechanical characteristics as an objective function. The calculation unit 26 performs multi-objective optimization calculation using the created approximation model.
The above-mentioned approximate model (meta model) is a mathematical model that approximates the input/output relationship, and various input/output relationships can be approximated by adjusting the parameters. As the above-mentioned approximate model, for example, a polynomial model, kriging, a neural network, a radial basis function or the like can be used.

これ以外にも、演算部26は、近似モデルを用いることなく、有限要素法を用いて、設計変数と力学特性の組合せで、力学特性の値を算出するものでもある。多目的最適化計算手法としては、例えば進化計算手法の一つである遺伝的アルゴリズム(GA)を用いる。遺伝的アルゴリズムとしては、例えば、解集合を目的関数に沿って複数の領域に分割し、この分割した解集合毎に多目的GAを行うDRMOGA(Divided Range Multi-Objective GA)、NCGA(Neighborhood Cultivation GA),DCMOGA(Distributed Cooperation model of MOGA and SOGA)、NSGA(Non-dominated Sorting GA)、NSGA2(Non-dominated Sorting GA-II)、SPEAII(Strength Pareto Evolutionary Algorithm-II)法等の公知の方法を用いることができる。 In addition to this, the calculation unit 26 also calculates the value of the mechanical characteristic by the combination of the design variable and the mechanical characteristic using the finite element method without using the approximate model. As the multi-objective optimization calculation method, for example, a genetic algorithm (GA) which is one of evolutionary calculation methods is used. Examples of the genetic algorithm include, for example, DRMOGA (Divided Range Multi-Objective GA) and NCGA (Neighborhood Cultivation GA) in which a solution set is divided into a plurality of regions along an objective function and a multi-objective GA is performed for each of the divided solution sets. , Known methods such as DCMOGA (Distributed Cooperation model of MOGA and SOGA), NSGA (Non-dominated Sorting GA), NSGA2 (Non-dominated Sorting GA-II), and SPEAII (Strength Pareto Evolutionary Algorithm-II) method. You can

また、近似モデルを用いた多目的最適化計算結果から、パレート解を探索し、パレート解を抽出してもよい。この場合、得られたパレート解はメモリ28に記憶される。
ここで、パレート解は、トレードオフの関係にある複数の特性値(目的関数)において、他の任意の解よりも優位にあるとはいえないが、より優れた解が他に存在しない解をいう。一般にパレート解は集合として複数個存在する。パレートランキング法を用いてパレート解を探索する。これ以外に、例えば、ベクトル評価遺伝的アルゴリズム(Vector Evaluated Generic Algorithms:VEGA)、パレートランキング法、またはトーナメント法を用いた選択が行われる。遺伝的アルゴリズム(GA)以外も、同じ進化計算手法として、例えば、焼きなまし法(SA)または粒子群最適化(PSO)を用いてもよい。
Further, the Pareto solution may be searched for from the multi-objective optimization calculation result using the approximate model, and the Pareto solution may be extracted. In this case, the obtained Pareto solution is stored in the memory 28.
Here, the Pareto solution cannot be said to be superior to any other solution in a plurality of characteristic values (objective function) having a trade-off relationship, but a solution that does not have a better solution cannot be found. Say. Generally, there are a plurality of Pareto solutions as a set. Search for Pareto solutions using Pareto ranking method. Other than this, for example, selection using a vector evaluated genetic algorithm (VEGA), a Pareto ranking method, or a tournament method is performed. Other than the genetic algorithm (GA), for example, the annealing method (SA) or particle swarm optimization (PSO) may be used as the same evolutionary calculation method.

演算部26は、上述の解析部24で取得された凝集塊の特徴量と、力学特性との因果関係を可視化するものでもある。可視化には、例えば、凝集塊の特徴量と力学特性の散布図、および凝集塊の特徴量と力学特性の自己組織化マップ等が用いられる。なお、自己組織化マップの作成は、例えば、特許第4339808号公報に記載された方法を用いて作成することができる。このため、自己組織化マップの作成について、その詳細な説明は省略する。 The calculation unit 26 also visualizes the causal relationship between the characteristic amount of the agglomerate acquired by the analysis unit 24 and the mechanical characteristic. For the visualization, for example, a scatter diagram of the characteristic amount and mechanical characteristics of the aggregate, a self-organizing map of the characteristic amount and mechanical characteristic of the aggregate, and the like are used. The self-organizing map can be created using the method described in Japanese Patent No. 4339808, for example. Therefore, the detailed description of creating the self-organizing map is omitted.

表示制御部30は、材料モデル、凝集塊の特徴量、力学特性の計算結果、データ構造情報、最適化計算結果、凝集塊の特徴量と力学特性との因果関係を可視化した可視化結果、および不均質材料のシミュレーション方法で得られた結果等を表示させるものである。表示制御部30は、例えば、材料モデル、凝集塊の特徴量、力学特性の計算結果、データ構造情報、最適化計算結果、凝集塊の特徴量と力学特性との因果関係を可視化した可視化結果をメモリ28から読み出し、表示部16に表示させる。 The display control unit 30 visualizes the material model, the agglomerate feature amount, the calculation result of the mechanical property, the data structure information, the optimization calculation result, the visualization result of the causal relationship between the agglomerate feature amount and the mechanical property, and the The results obtained by the simulation method for homogeneous materials are displayed. The display control unit 30 displays, for example, a visualization result that visualizes a causal relationship between the material model, the feature amount of the agglomerate, the calculation result of the mechanical property, the data structure information, the optimization calculation result, and the feature amount of the agglomerate and the mechanical property. It is read from the memory 28 and displayed on the display unit 16.

次に、本実施形態の不均質材料のシミュレーション方法について説明する。
図4は本発明の実施形態の不均質材料のシミュレーション方法の第1の例を示すフローチャートである。図5(a)は材料モデルの一例を示す模式的斜視図であり、(b)は材料モデルの凝集塊を示す模式的斜視図であり、(c)は材料モデルの凝集塊の分布を示すグラフである。
本実施形態では、ゴム等の母相にフィラー等の粒子の凝集塊が分散した2相構造の不均質材料を例にして説明する。材料モデル40は、図5(a)に示すように母相モデル42に、複数の凝集塊モデル43が分散されたものである。
Next, a method for simulating a heterogeneous material according to this embodiment will be described.
FIG. 4 is a flowchart showing a first example of the method for simulating a heterogeneous material according to the embodiment of the present invention. FIG. 5A is a schematic perspective view showing an example of the material model, FIG. 5B is a schematic perspective view showing an aggregate of the material model, and FIG. 5C is a distribution of the aggregate of the material model. It is a graph.
In the present embodiment, a heterogeneous material having a two-phase structure in which aggregates of particles such as filler are dispersed in a mother phase such as rubber will be described as an example. As shown in FIG. 5A, the material model 40 is a matrix model 42 in which a plurality of aggregate model 43 are dispersed.

まず、条件設定部20に、材料モデルのモデルパラメーターを設定する(ステップS10)。
次に、設定されたモデルパラメーターを基に、モデル作成部22で、不均質材料のコンピュータで解析可能な材料モデル40(図5(a)参照)を作成する(ステップS12)。
次に、解析部24で、材料モデル40における凝集塊モデル43(図5(a)参照)を判別し、凝集塊モデル43の特徴量を取得する(ステップS14)。凝集塊の特徴量は、メモリ28に記憶される。
First, the model parameters of the material model are set in the condition setting unit 20 (step S10).
Next, based on the set model parameters, the model creation unit 22 creates a material model 40 (see FIG. 5A) of the heterogeneous material that can be analyzed by a computer (step S12).
Next, the analysis unit 24 determines the aggregate model 43 (see FIG. 5A) in the material model 40, and acquires the feature amount of the aggregate model 43 (step S14). The feature amount of the aggregate is stored in the memory 28.

凝集塊モデル43の特徴量を取得する場合、まず、材料モデル40において、母相モデル42と凝集塊モデル43を区別し、凝集塊モデル43を母相モデル42から分離する。この場合、例えば、凝集塊モデル43を母相モデル42と色を変えることで、分離したことを示す。次に、凝集塊モデル43に対してグループ分けする。グループ分けについては、例えば、凝集塊の大きさと重心位置の関係を予め設定しておき、凝集塊モデル43をグループ分けする。このとき各凝集塊モデル43の体積も求める。図5(a)の材料モデル40には、10個の凝集塊モデル43があり、最大の凝集塊の体積は全体積比で3.87%であった。例えば、各凝集塊モデル43の色を変えることで区別することができる。これにより、視覚的に各凝集塊モデル43を認識できる。
なお、データ上は、例えば、凝集塊モデル43に番号を割りあてることで凝集塊を区別することができる。これにより、図5(c)に示す各凝集塊の体積比を得ることができ、凝集塊の特徴量を求めることができる。
When acquiring the feature amount of the agglomerate model 43, first, in the material model 40, the mother phase model 42 and the agglomerate model 43 are distinguished, and the agglomerate model 43 is separated from the mother phase model 42. In this case, for example, by changing the color of the aggregate model 43 and the matrix model 42, it is shown that they are separated. Next, the aggregate model 43 is divided into groups. Regarding grouping, for example, the relationship between the size of the agglomerate and the position of the center of gravity is set in advance, and the agglomerate model 43 is divided into groups. At this time, the volume of each aggregate model 43 is also obtained. The material model 40 of FIG. 5A includes 10 agglomerate models 43, and the volume of the largest agglomerate was 3.87% in terms of the total volume ratio. For example, it can be distinguished by changing the color of each aggregate model 43. Thereby, each aggregate model 43 can be visually recognized.
In addition, on the data, for example, by assigning a number to the aggregate model 43, the aggregate can be distinguished. Thereby, the volume ratio of each aggregate shown in FIG. 5C can be obtained, and the feature amount of the aggregate can be obtained.

図5(c)では、凝集塊の体積比は、最小の凝集塊の体積を1として規格化している。凝集塊の体積は、例えば、材料モデル40を、後述するように、予め大きさが設定された仮想的な立方格子で分割し、立方格子の数を数えることで求めることができる。
その後、条件設定部20に設定された計算条件で、演算部26にて材料モデル40に対して、例えば、FEMを用いて、力学特性として、例えば、最大応力を計算する(ステップS16)。計算された最大応力の値は、力学特性の値としてメモリ28に記憶される。
次に、演算部26が、メモリ28から、モデル作成時のモデルパラメーター、材料モデルの凝集塊の特徴量、および材料モデルの力学特性を読み出し、モデル作成時のモデルパラメーター、材料モデルの凝集塊の特徴量、および材料モデルの力学特性を対にし、データ構造情報を作成する。上述のデータ構造情報をメモリ28に保存する(ステップS18)。具体的には、データ構造情報は、例えば、下記表1に示す構造である。
In FIG. 5C, the volume ratio of the aggregates is normalized with the minimum aggregate volume being 1. The volume of the agglomerate can be obtained, for example, by dividing the material model 40 by a virtual cubic lattice whose size is set in advance and counting the number of cubic lattices.
After that, under the calculation condition set in the condition setting unit 20, the calculation unit 26 calculates, for example, the maximum stress as the mechanical property for the material model 40 by using, for example, FEM (step S16). The calculated maximum stress value is stored in the memory 28 as a mechanical property value.
Next, the calculation unit 26 reads out from the memory 28 the model parameters at the time of model creation, the characteristic quantities of the agglomerates of the material model, and the mechanical properties of the material model, and the model parameters at the time of the model creation Data structure information is created by pairing feature quantities and mechanical properties of material models. The above-mentioned data structure information is stored in the memory 28 (step S18). Specifically, the data structure information is, for example, the structure shown in Table 1 below.

このようにして、材料モデルの凝集塊と材料モデルの力学特性を関連付けることができる。これにより、材料モデル作成時のモデルパラメーターだけではなく、材料モデルから得られた凝集塊の特徴量と材料モデルの力学特性を付き合せることにより、不均質材料のモロフォロジーと不均質材料の粘弾性特性との関係について有用な情報を発見することができ、低燃費タイヤの新材料開発に役立てることができる。また、材料モデル作成時のモデルパラメーターと、不均質材料の凝集塊の特徴量を付き合せることにより、不均質材料の材料モデル作成方法を評価することもできる。 In this way, the agglomerates of the material model and the mechanical properties of the material model can be associated. As a result, the morphology of heterogeneous materials and the viscoelastic properties of heterogeneous materials can be obtained by associating not only the model parameters used when creating a material model, but also the feature quantities of aggregates obtained from the material model and the mechanical properties of the material model. It is possible to find useful information about the relationship with, and it can be useful for the development of new materials for fuel-efficient tires. In addition, the method of creating a material model of a heterogeneous material can be evaluated by associating the model parameter at the time of creating the material model with the feature amount of the aggregate of the heterogeneous material.

凝集塊モデル43の特徴量を取得する際(ステップS14)、例えば、図5(a)に示す材料モデル40を、仮想的な立方格子に分割する。この場合、立方格子に凝集塊モデル、または凝集塊モデルの一部が含まれる。立方格子の大きさを予め設定しておくことで、立方格子の数を数えることで、凝集塊の特徴量のうち、凝集塊の体積および凝集塊の表面積を容易に求めることができる。 When acquiring the feature amount of the aggregate model 43 (step S14), for example, the material model 40 shown in FIG. 5A is divided into virtual cubic lattices. In this case, the cubic lattice includes the agglomerate model or a part of the agglomerate model. By presetting the size of the cubic lattice, by counting the number of cubic lattices, the volume of the agglomerate and the surface area of the agglomerate can be easily obtained from the characteristic amount of the agglomerate.

立方格子において、同一凝集塊であるか否かの判定方法については様々な方法がある。例えば、図6(a)〜(c)に示すように立方格子60で分割された場合、各立方格子60は母相モデル42または凝集塊モデル43となる。図6(a)では凝集塊モデル43の立方格子60が面で接触している。このように凝集塊モデル43の立方格子60が面接触している場合には1つの凝集塊と判別する。また、図6(b)に示すように凝集塊モデル43の立方格子60が辺で接触しており、凝集塊モデル43の立方格子60が辺接触の場合には1つの凝集塊と判別する。図6(c)に示すように凝集塊モデル43の立方格子60が点で接触しており、凝集塊モデル43の立方格子60が点接触の場合には1つの凝集塊と判別する。立方格子60に分割することで、凝集塊モデル43の立方格子60の配置状態に基づき、1つの凝集塊であるか否かを容易に判別することができる。
この場合、条件設定部20に立方格子60のサイズと、上述の図6(a)〜(c)に示す判別条件を設定することで、解析部24で、材料モデル40を立方格子60に分割し、判別条件に基づき、凝集塊を判別することができる。
There are various methods for determining whether or not they are the same aggregate in a cubic lattice. For example, when the cubic lattice 60 is divided as shown in FIGS. 6A to 6C, each cubic lattice 60 becomes the matrix phase model 42 or the aggregate model 43. In FIG. 6A, the cubic lattice 60 of the aggregate model 43 is in surface contact. Thus, when the cubic lattice 60 of the agglomerate model 43 is in surface contact, it is determined as one agglomerate. Further, as shown in FIG. 6B, when the cubic lattice 60 of the agglomerate model 43 is in contact with the side and the cubic lattice 60 of the agglomerate model 43 is in side contact, it is determined as one agglomerate. As shown in FIG. 6C, when the cubic lattice 60 of the agglomerate model 43 is in point contact and the cubic lattice 60 of the agglomerate model 43 is in point contact, it is determined as one agglomerate. By dividing into the cubic lattices 60, it is possible to easily determine whether or not there is one aggregate based on the arrangement state of the cubic lattices 60 of the aggregate model 43.
In this case, by setting the size of the cubic lattice 60 and the determination conditions shown in FIGS. 6A to 6C in the condition setting unit 20, the analysis unit 24 divides the material model 40 into the cubic lattices 60. However, the agglomerate can be discriminated based on the discrimination condition.

また、凝集塊の判別に周期境界を考慮してもよい。これにより、周期境界を考慮したシミュレーションを行うことができる。具体的には、図7に示すように、母相モデル42と凝集塊モデル43を有する材料モデル40について、隣接する材料モデル40を仮想的に加える。これにより、凝集塊モデル43が隣接する仮想的な材料モデル40とともに構成される。周期境界同士で隣接している凝集塊をひとつの凝集塊とする。
凝集塊モデル43の体積は材料モデル40端同士隣接する凝集塊モデル43の体積を足し合わせるだけで求めることができる。凝集塊モデル43の表面積は隣接する凝集塊モデル43の表面積同士を足し合わせた後、隣接面積の2倍を差し引くことにより求めることができる。
Further, the cycle boundary may be taken into consideration in the determination of the aggregate. As a result, it is possible to perform a simulation considering the periodic boundary. Specifically, as shown in FIG. 7, the adjacent material model 40 is virtually added to the material model 40 having the matrix model 42 and the aggregate model 43. As a result, the agglomerate model 43 is configured with the adjacent virtual material model 40. Aggregates that are adjacent to each other at the periodic boundaries are treated as one aggregate.
The volume of the agglomerate model 43 can be obtained only by adding the volumes of the agglomerate models 43 adjacent to each other at the ends of the material model 40. The surface area of the agglomerate model 43 can be obtained by adding the surface areas of the agglomerate models 43 adjacent to each other and then subtracting twice the adjacent area.

なお、周期境界を考慮すると、図7に示す材料モデル40では凝集塊の数が2であり、最大凝集塊のサイズが材料モデルの全体積比で1.67%であり、最大凝集塊の表面積は材料モデルの全表面積比で12.79%である。これに対して、図7に示す材料モデル40で周期境界を考慮しない場合、凝集塊の数が10であり、最大凝集塊のサイズが材料モデルの全体積比で3.34%であり、最大凝集塊の表面積は材料モデルの全表面積比で8.53%である。 Considering the periodic boundary, in the material model 40 shown in FIG. 7, the number of agglomerates is 2, and the size of the largest agglomerates is 1.67% in terms of the total volume ratio of the material model. Is 12.79% in terms of the total surface area of the material model. In contrast, when the material model 40 shown in FIG. 7 does not consider the periodic boundaries, the number of agglomerates is 10, and the maximum agglomerate size is 3.34% in terms of the total volume of the material model. The surface area of the agglomerates is 8.53% based on the total surface area of the material model.

次に、不均質材料のシミュレーション方法の第2の例について説明する。
図8は、本発明の実施形態の不均質材料のシミュレーション方法の第2の例を示すフローチャートである。なお、図8に示す不均質材料のシミュレーション方法の第2の例において、図2に示す不均質材料のシミュレーション方法の第1の例と同一工程について、その詳細な説明は省略する。
Next, a second example of the simulation method of the heterogeneous material will be described.
FIG. 8: is a flowchart which shows the 2nd example of the simulation method of the heterogeneous material of embodiment of this invention. In the second example of the heterogeneous material simulation method shown in FIG. 8, the detailed description of the same steps as those of the first example of the heterogeneous material simulation method shown in FIG. 2 will be omitted.

図8に示す不均質材料のシミュレーション方法の第2の例では、最適化計算(ステップS20)、最適化計算の適否(ステップS22)、および可視化(ステップS24)を行う点が異なり、それ以外の工程は、上述の不均質材料のシミュレーション方法の第1の例と同じである。
最適化計算(ステップS20)を行う場合、条件設定部20に、最適化計算の計算条件として、モデルパラメーターに設計変数を設定し、目的関数として不均質材料の力学特性を設定しておく。
最適化計算(ステップS20)では、不均質材料の力学特性を目的関数(出力値)とし、設計変数(入力値)と目的関数(出力値)に対して近似モデルを用いた多目的最適化計算を実施する。最適化計算は、上述の方法でなされる。
最適化計算(ステップS20)に、実際の材料モデルの情報を利用することにより、最適化後の知見抽出が容易になる。また、材料モデルの最適化を行う際に近似式を作成する場合、考慮する設計変数が増大し、最適化計算に用いる近似式の精度を高くすることができる。
近似モデルを作成することにより、最適化計算(ステップS20)の計算時間を短縮することができる。また、材料モデルから得られたモルフォロジー特性を、最適化計算の入力値(設計変数)として利用することもできる。
The second example of the method for simulating a heterogeneous material shown in FIG. 8 is different in that optimization calculation (step S20), suitability of optimization calculation (step S22), and visualization (step S24) are performed. The steps are the same as in the first example of the method for simulating a heterogeneous material described above.
When performing the optimization calculation (step S20), the condition setting unit 20 sets design variables in the model parameters as calculation conditions for the optimization calculation, and sets the mechanical properties of the heterogeneous material as the objective function.
In the optimization calculation (step S20), the multi-objective optimization calculation using the approximation model for the design variable (input value) and the objective function (output value), with the mechanical properties of the heterogeneous material as the objective function (output value) carry out. The optimization calculation is done in the manner described above.
By utilizing the information of the actual material model in the optimization calculation (step S20), the knowledge extraction after the optimization becomes easy. Further, when an approximate expression is created when the material model is optimized, the design variables to be considered increase, and the accuracy of the approximate expression used for the optimization calculation can be increased.
By creating the approximate model, the calculation time of the optimization calculation (step S20) can be shortened. Also, the morphological characteristics obtained from the material model can be used as an input value (design variable) for the optimization calculation.

最適化計算(ステップS20)の結果、予め定められた判定条件を満たす場合(ステップS22)、可視化を行う(ステップS24)。可視化については、設計変数、凝集塊の特徴量および力学特性に関して行い、可視化の方法は、散布図でも自己組織化マップでもよく、例えば、図9(a)〜(h)に示す自己組織化マップを用いた可視化の結果を得ることができる。 As a result of the optimization calculation (step S20), if a predetermined determination condition is satisfied (step S22), visualization is performed (step S24). The visualization is performed with respect to design variables, feature quantities of aggregates, and mechanical properties, and the visualization method may be a scatter diagram or a self-organizing map. For example, the self-organizing map shown in FIGS. 9A to 9H. The result of visualization using can be obtained.

ここで、図9(a)および(b)は設計変数の自己組織化マップであり、(c)および(d)は凝集塊の特徴量の自己組織化マップであり、(e)〜(h)は力学特性の自己組織化マップである。
可視化することにより、凝集塊の特徴量、すなわち、モルフォロジー情報と、力学特性との因果関係が明確に認識することができ、材料開発において目標とする力学特性を発現し得るモルフォロジー(凝集塊の分布形態)を特定できる。また、自己組織化マップを用いることで、設計変数(入力値)が複数あり、力学特性(出力値)が複数ある場合において、入力値(設計変数)と力学特性(出力値)との因果関係を示すことができる。
例えば、図9(a)は設計変数としてフィラーの空間配置を制御する第1のパラメーターを示し、図9(b)は設計変数としてフィラーの空間配置を制御する第2のパラメーターを示している。図9(c)は凝集塊の特徴量として凝集塊の数を示し、図9(d)は凝集塊の特徴量として凝集塊のサイズを示している。図9(e)は不均質材料の力学特性として剛性の最大値を示し、図9(f)は力学特性として不均質材料の剛性の平均値を示し、図9(g)は力学特性として剛性の分散を示し、図9(h)は力学特性としてエネルギ損失を示している。
Here, FIGS. 9A and 9B are self-organizing maps of the design variables, FIGS. 9C and 9D are self-organizing maps of the characteristic amount of the aggregate, and FIGS. ) Is a self-organizing map of mechanical properties.
By visualizing, it is possible to clearly recognize the causal relationship between the characteristic amount of the agglomerate, that is, the morphological information and the mechanical property, and to express the mechanical property targeted in material development (the distribution of the agglomerate. Form) can be specified. Further, by using the self-organizing map, when there are multiple design variables (input values) and multiple dynamic characteristics (output values), the causal relationship between the input values (design variables) and the dynamic characteristics (output values) Can be shown.
For example, FIG. 9A shows a first parameter for controlling the spatial arrangement of fillers as a design variable, and FIG. 9B shows a second parameter for controlling the spatial arrangement of fillers as a design variable. FIG. 9C shows the number of aggregates as the characteristic amount of the aggregate, and FIG. 9D shows the size of the aggregate as the characteristic amount of the aggregate. 9(e) shows the maximum value of rigidity as the mechanical characteristic of the heterogeneous material, FIG. 9(f) shows the average value of the rigidity of the heterogeneous material as the mechanical characteristic, and FIG. 9(g) shows the rigidity as the mechanical characteristic. 9H, and FIG. 9H shows energy loss as a mechanical characteristic.

一方、最適化計算(ステップS20)の結果、予め定められた判定条件を満たさない場合(ステップS22)、モデルパラメーターの設定(ステップS10)に戻り、モデルパラメーターを再度設定する。その後、材料モデルの作成(ステップS12)、凝集塊の特徴量の取得(ステップS14)、力学特性の計算(ステップS16)、データ構造の保存(ステップS18)を繰り返し、再度最適化計算を行う(ステップS20)。最適化計算の結果が予め定められた判定条件を満たす迄(ステップS22)、上述の工程を繰り返し行う。
なお、可視化する工程(ステップS24)はなくてもよい。最適化計算(ステップS20)の後、判定(ステップS22)を経ることなく可視化してもよい。
On the other hand, as a result of the optimization calculation (step S20), when the predetermined determination condition is not satisfied (step S22), the process returns to the model parameter setting (step S10) and the model parameter is set again. After that, the creation of the material model (step S12), the acquisition of the characteristic amount of the agglomerate (step S14), the calculation of the mechanical properties (step S16), the saving of the data structure (step S18) are repeated, and the optimization calculation is performed again ( Step S20). The above process is repeated until the result of the optimization calculation satisfies the predetermined determination condition (step S22).
The visualization step (step S24) may be omitted. After the optimization calculation (step S20), the visualization may be performed without performing the determination (step S22).

本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の不均質材料のシミュレーション方法、不均質材料のシミュレーション装置およびプログラムについて詳細に説明したが、本発明は上述の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、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。 The present invention is basically constructed as described above. Although the heterogeneous material simulation method, the heterogeneous material simulation apparatus, and the program of the present invention have been described above in detail, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention. Of course, improvements or changes may be made.

10 シミュレーション装置(処理装置)
12 処理部
14 入力部
16 表示部
20 条件設定部
22 モデル作成部
24 解析部
26 演算部
28 メモリ
30 表示制御部
32 制御部
40 材料モデル
42 母相モデル
43 凝集塊モデル
44 ポリマーモデル
46 フィラーモデル
48 境界層モデル
50 凝集塊
60 立方格子
10 Simulation device (processing device)
12 processing unit 14 input unit 16 display unit 20 condition setting unit 22 model creating unit 24 analysis unit 26 computing unit 28 memory 30 display control unit 32 control unit 40 material model 42 mother phase model 43 aggregate model 44 polymer model 46 filler model 48 Boundary layer model 50 Aggregate 60 Cubic lattice

Claims (11)

コンピュータが、
モデルパラメーターを設定する工程と、
設定された前記モデルパラメーターを基に、コンピュータで解析可能な不均質材料の材料モデルを作成する作成工程と、
前記材料モデルにおける凝集塊を判別し、前記凝集塊の特徴量を取得する取得工程と、
前記材料モデルの力学特性を計算する演算工程と、
前記モデルパラメーターと前記凝集塊の特徴量と前記力学特性の計算結果をデータ構造情報として保存する保存工程とを実行することを特徴とする不均質材料のシミュレーション方法。
Computer
Setting model parameters,
A creation step of creating a material model of a heterogeneous material that can be analyzed by a computer based on the set model parameters,
An acquisition step of determining an agglomerate in the material model and acquiring a characteristic amount of the agglomerate,
An operation step of calculating mechanical properties of the material model,
A method for simulating a heterogeneous material, which comprises performing a saving step of saving the model parameter, the feature amount of the agglomerate, and the calculation result of the mechanical property as data structure information.
前記コンピュータが実行する前記取得工程で、前記コンピュータが前記凝集塊の特徴量を取得する際、前記材料モデルを仮想的な立方格子に分割し、前記凝集塊の特徴量を取得する請求項1に記載の不均質材料のシミュレーション方法。 In the acquisition step of the computer executes, when the computer acquires the characteristic quantity of said agglomerates in claim 1 which divides the material model to a virtual cubic lattice, it obtains a feature amount of the agglomerates A method for simulating a heterogeneous material as described. 前記コンピュータが実行する前記取得工程で、前記コンピュータが前記凝集塊を判別する際、周期境界同士で隣接している凝集塊をひとつの凝集塊とする請求項1または2に記載の不均質材料のシミュレーション方法。 The heterogeneous material according to claim 1 or 2, wherein, in the acquisition step executed by the computer, when the computer determines the agglomerates, the agglomerates adjacent to each other at periodic boundaries are regarded as one agglomerate. Simulation method. さらに、前記材料モデル作成時の前記モデルパラメーターを設計変数に含み、前記コンピュータが不均質材料の前記力学特性を目的関数に含む最適化計算を行う最適化計算工程を実行する請求項1〜3のいずれか1項に記載の不均質材のシミュレーション方法。 The method according to claim 1, further comprising: an optimization calculation step in which the model parameter at the time of creating the material model is included in a design variable, and the computer performs an optimization calculation including the mechanical property of the heterogeneous material in an objective function. The method for simulating a heterogeneous material according to any one of items. 前記コンピュータが、前記凝集塊の特徴量と、前記力学特性との因果関係を可視化する可視化工程を実行する請求項1〜4のいずれか1項に記載の不均質材料のシミュレーション方法。 The method for simulating a heterogeneous material according to any one of claims 1 to 4, wherein the computer executes a visualization step of visualizing a causal relationship between the characteristic amount of the aggregate and the mechanical property. モデルパラメーターを設定する条件設定部と、
設定された前記モデルパラメーターを基に、コンピュータで解析可能な不均質材料の材料モデルを作成するモデル作成部と、
前記材料モデルにおける凝集塊を判別し、前記凝集塊の特徴量を取得する解析部と、
前記材料モデルの力学特性を計算し、前記モデルパラメーターと前記凝集塊の特徴量と前記力学特性の計算結果をデータ構造情報として記憶部に保存させる演算部とを有することを特徴とする不均質材料のシミュレーション装置。
A condition setting part that sets model parameters,
Based on the set model parameters, a model creation unit that creates a material model of a heterogeneous material that can be analyzed by a computer,
An analysis unit that determines an aggregate in the material model and acquires a feature amount of the aggregate,
A heterogeneous material comprising: a calculation unit that calculates mechanical properties of the material model, and stores the model parameters, the feature amount of the agglomerate, and the calculation result of the mechanical properties in a storage unit as data structure information. Simulation device.
前記解析部は、前記凝集塊の特徴量を取得する際、前記材料モデルを仮想的な立方格子に分割し、前記凝集塊の特徴量を取得する請求項6に記載の不均質材料のシミュレーション装置。 The simulation device for a heterogeneous material according to claim 6, wherein, when acquiring the feature amount of the agglomerate, the analysis unit divides the material model into a virtual cubic lattice and acquires the feature amount of the agglomerate. .. 前記解析部は、前記凝集塊を判別する際、周期境界同士で隣接している凝集塊をひとつの凝集塊とする請求項6または7に記載の不均質材料のシミュレーション装置。 The heterogeneous material simulation apparatus according to claim 6 or 7, wherein the analysis unit, when determining the agglomerates, treats the agglomerates adjacent to each other at the periodic boundaries as one agglomerate. さらに、前記条件設定部で、前記材料モデル作成時の前記モデルパラメーターに設計変数に含め、不均質材料の前記力学特性を目的関数とし、前記演算部は、前記設計変数と、前記目的関数を用いて最適化計算を行う請求項6〜8のいずれか1項に記載の不均質材のシミュレーション装置。 Furthermore, in the condition setting unit, the model parameters at the time of creating the material model are included in the design variables, and the mechanical properties of the heterogeneous material are used as an objective function, and the arithmetic unit uses the design variables and the objective function. The simulation apparatus for a heterogeneous material according to any one of claims 6 to 8, wherein the optimization calculation is performed by using. 前記演算部は、前記凝集塊の特徴量と、前記力学特性との因果関係を可視化する請求項6〜9のいずれか1項に記載の不均質材料のシミュレーション装置。 The heterogeneous material simulation device according to any one of claims 6 to 9, wherein the calculation unit visualizes a causal relationship between the characteristic amount of the aggregate and the mechanical property. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の不均質材料のシミュレーション方法の各工程を手順としてコンピュータに実行させるためのプログラム。 A program for causing a computer to execute each step of the heterogeneous material simulation method according to any one of claims 1 to 5 as a procedure.
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