JPH1011613A - 複合材料の微視的構造の3次元有限要素モデル作成方法 - Google Patents
複合材料の微視的構造の3次元有限要素モデル作成方法Info
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- JPH1011613A JPH1011613A JP8164936A JP16493696A JPH1011613A JP H1011613 A JPH1011613 A JP H1011613A JP 8164936 A JP8164936 A JP 8164936A JP 16493696 A JP16493696 A JP 16493696A JP H1011613 A JPH1011613 A JP H1011613A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】複合材料中の繊維やフィラー等の第2相材料の
分散性を定量化し、これを考慮した3次元有限要素モデ
ルの簡便な作成方法を提供する。 【解決手段】観察した複合材料内部の微視的画像の長方
形を整数nで縦n×横nの領域に分割し、奥行き方向に
n回同様の観察を行い、分割された各領域において第2
相材料が占める面積比率の標準偏差を求め、何種類かの
整数nで同様にnに依存する標準偏差を求めることによ
り、材料中の繊維やフィラー等の第2相材料の分散性を
定量化し、この標準偏差の算出式より、各領域における
第2相材料の配置を決定することにより、第2相材料の
不均質分散を考慮した複合材料の微視的構造の3次元有
限要素モデルを作成する。
分散性を定量化し、これを考慮した3次元有限要素モデ
ルの簡便な作成方法を提供する。 【解決手段】観察した複合材料内部の微視的画像の長方
形を整数nで縦n×横nの領域に分割し、奥行き方向に
n回同様の観察を行い、分割された各領域において第2
相材料が占める面積比率の標準偏差を求め、何種類かの
整数nで同様にnに依存する標準偏差を求めることによ
り、材料中の繊維やフィラー等の第2相材料の分散性を
定量化し、この標準偏差の算出式より、各領域における
第2相材料の配置を決定することにより、第2相材料の
不均質分散を考慮した複合材料の微視的構造の3次元有
限要素モデルを作成する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合材料の微視的
構造の3次元有限要素モデル作成方法に関するものであ
り、複合材料内部の微視的熱応力の解析、巨視的弾性係
数、ポアソン比の予測を行ったり、複合材料内部の微視
的熱応力の解析、線膨張係数の予測を行う、あるいは、
複合材料内部の非定常熱伝導時の過渡的温度分布、熱衝
撃応力の解析、熱伝導率の予測を行う用途に利用される
ものである。
構造の3次元有限要素モデル作成方法に関するものであ
り、複合材料内部の微視的熱応力の解析、巨視的弾性係
数、ポアソン比の予測を行ったり、複合材料内部の微視
的熱応力の解析、線膨張係数の予測を行う、あるいは、
複合材料内部の非定常熱伝導時の過渡的温度分布、熱衝
撃応力の解析、熱伝導率の予測を行う用途に利用される
ものである。
【0002】
【従来の技術】従来の複合材料の微視的構造の有限要素
モデル作成方法としては、例えば”Advances
in Electronic Packaging 1
992”における文献”Mechanical Pro
perty Estimation of Encap
sulants by Microstructura
l Analysis using F.E.M.”に
見られるように、マトリックス材料に対し、第2相材料
の粒子等が均一に分散していることを仮定し、その均一
化された単位構造に対し、要素分割を行うものが一般的
である。また、第2相材料の分散不均質性を考慮した2
次元有限要素モデルの作成方法としては、特願平7−3
37437号に見られるものがある。
モデル作成方法としては、例えば”Advances
in Electronic Packaging 1
992”における文献”Mechanical Pro
perty Estimation of Encap
sulants by Microstructura
l Analysis using F.E.M.”に
見られるように、マトリックス材料に対し、第2相材料
の粒子等が均一に分散していることを仮定し、その均一
化された単位構造に対し、要素分割を行うものが一般的
である。また、第2相材料の分散不均質性を考慮した2
次元有限要素モデルの作成方法としては、特願平7−3
37437号に見られるものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、実際の材料
における第2相材料の分散形態は、上記従来の有限要素
モデルで表されるような理想的な均質分散では有り得な
い。また、材料の各種物性や破壊等の現象は分散性の良
否により大きく影響を受ける。すなわち、複合材料の各
種物性・現象予測には第2相材料の分散不均質性を考慮
した解析モデルが必要である。
における第2相材料の分散形態は、上記従来の有限要素
モデルで表されるような理想的な均質分散では有り得な
い。また、材料の各種物性や破壊等の現象は分散性の良
否により大きく影響を受ける。すなわち、複合材料の各
種物性・現象予測には第2相材料の分散不均質性を考慮
した解析モデルが必要である。
【0004】一方、電子顕微鏡等により観察した複合材
料内部の微視的な画像を忠実にモデル化することは非常
に骨の折れる作業である。また、観察位置により全く違
う画像が観察されるため、微視的観察画像の忠実なモデ
ル化は無意味である。つまり、均一化された単位構造で
は、実際の現象等をとらえることができず、また、実際
の材料の部分的な観察画像の忠実なモデル化は無意味で
あるという、矛盾した問題がある。また、2次元モデル
では、第2相材料の3次元形状や分散形態を表すことは
できない。
料内部の微視的な画像を忠実にモデル化することは非常
に骨の折れる作業である。また、観察位置により全く違
う画像が観察されるため、微視的観察画像の忠実なモデ
ル化は無意味である。つまり、均一化された単位構造で
は、実際の現象等をとらえることができず、また、実際
の材料の部分的な観察画像の忠実なモデル化は無意味で
あるという、矛盾した問題がある。また、2次元モデル
では、第2相材料の3次元形状や分散形態を表すことは
できない。
【0005】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、複合材料中の
繊維やフィラー等の第2相材料の3次元形状および分散
性を定量化し、これを考慮した3次元有限要素モデルの
簡便な作成方法を提供することにある。
たものであり、その目的とするところは、複合材料中の
繊維やフィラー等の第2相材料の3次元形状および分散
性を定量化し、これを考慮した3次元有限要素モデルの
簡便な作成方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の3次元有限要素モデル作成方法は、観察
した複合材料内部の微視的画像の長方形を整数nで縦n
×横nの領域に分割し、奥行き方向にn回同様の観察を
行い、分割された各領域の第2相材料の面積比率の標準
偏差を求め、さらに何種類かの整数nで同様にnに依存
する標準偏差を求めることにより、第2相材料の分散性
を定量化し、これに依存する3次元有限要素モデルを生
成するものである。
めに、本発明の3次元有限要素モデル作成方法は、観察
した複合材料内部の微視的画像の長方形を整数nで縦n
×横nの領域に分割し、奥行き方向にn回同様の観察を
行い、分割された各領域の第2相材料の面積比率の標準
偏差を求め、さらに何種類かの整数nで同様にnに依存
する標準偏差を求めることにより、第2相材料の分散性
を定量化し、これに依存する3次元有限要素モデルを生
成するものである。
【0007】本来、3次元的に考える場合、第2相材料
の体積比率で考えるべきであるが、断面における観察画
像より求められるのは面積比率であること、また、これ
を多点にわたり観察することで平均的には面積でもって
体積の評価ができるため、本発明においては、以下、第
2相材料の面積により検討を進める。
の体積比率で考えるべきであるが、断面における観察画
像より求められるのは面積比率であること、また、これ
を多点にわたり観察することで平均的には面積でもって
体積の評価ができるため、本発明においては、以下、第
2相材料の面積により検討を進める。
【0008】本発明の方法により、複合材料中の繊維や
フィラー等の第2相材料の分散性を考慮した簡便な3次
元モデル化および解析が可能となる。また、その解析結
果から、弾性係数、線膨張係数、熱伝導率等の各種物性
の予測や、材料中の微視的な応力分布を、第2相材料の
面積比率と分散性との関係として求めることができる。
フィラー等の第2相材料の分散性を考慮した簡便な3次
元モデル化および解析が可能となる。また、その解析結
果から、弾性係数、線膨張係数、熱伝導率等の各種物性
の予測や、材料中の微視的な応力分布を、第2相材料の
面積比率と分散性との関係として求めることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図1乃至図7に基
づいて説明する。図1は、電子顕微鏡等により観察した
複合材料内部の微視的な画像の概念図である。図中、1
はマトリックス材料、2は繊維やフィラー等の第2相材
料を示す。図2は、例えば、”Advances in
Electronic Packaging 199
2”における文献”Mechanical Prope
rty Estimationof Encapsul
ants by MicrostructuralAn
alysis using F.E.M.”に見られる
ような、従来の複合材料の微視的構造のモデル化のため
の概念図であり、1のマトリックス材料に対し、2の第
2相材料の粒子等が均一に分散していることを仮定し、
その均一化された単位構造に対し、要素分割を行う。
づいて説明する。図1は、電子顕微鏡等により観察した
複合材料内部の微視的な画像の概念図である。図中、1
はマトリックス材料、2は繊維やフィラー等の第2相材
料を示す。図2は、例えば、”Advances in
Electronic Packaging 199
2”における文献”Mechanical Prope
rty Estimationof Encapsul
ants by MicrostructuralAn
alysis using F.E.M.”に見られる
ような、従来の複合材料の微視的構造のモデル化のため
の概念図であり、1のマトリックス材料に対し、2の第
2相材料の粒子等が均一に分散していることを仮定し、
その均一化された単位構造に対し、要素分割を行う。
【0010】ところが、図1に示したように、一般の複
合材料において、マトリックス材料に対する、第2相材
料の分散状態は、図2のような規則的な均一分散では有
り得ない。一方、電子顕微鏡等により観察した複合材料
内部の微視的な画像を忠実にモデル化することは非常に
骨の折れる作業である。また、観察位置により全く違う
画像が観察されるため、微視的観察画像の忠実なモデル
化は無意味である。よって、第2相材料の分散状態を定
量化し、この定量指標を用いて簡便に代用的な有限要素
モデル化を行う。
合材料において、マトリックス材料に対する、第2相材
料の分散状態は、図2のような規則的な均一分散では有
り得ない。一方、電子顕微鏡等により観察した複合材料
内部の微視的な画像を忠実にモデル化することは非常に
骨の折れる作業である。また、観察位置により全く違う
画像が観察されるため、微視的観察画像の忠実なモデル
化は無意味である。よって、第2相材料の分散状態を定
量化し、この定量指標を用いて簡便に代用的な有限要素
モデル化を行う。
【0011】図1および図3により、文献「複合材料内
部のフィラー分散状態評価へのフラクタル次元の応用
(材料Vol.42、No.478、pp.836−8
42)」に見られる、複合材料における、マトリックス
材料1に対する、第2相材料2の分散状態を定量化する
方法の一例を示す。
部のフィラー分散状態評価へのフラクタル次元の応用
(材料Vol.42、No.478、pp.836−8
42)」に見られる、複合材料における、マトリックス
材料1に対する、第2相材料2の分散状態を定量化する
方法の一例を示す。
【0012】1)図1の、電子顕微鏡等により観察した
複合材料内部の微視的な画像を、図3に示すように、各
辺をn分割した合計n×n個の領域に分割する。 2)分割された各領域において、領域全体の面積に対す
る第2相材料が占める面積の割合を求め、これをA
(i,j,1);i=1〜n、j=1〜nとする。 3)図4に示すように、奥行き方向の他の観察断面k
(k=2〜n)に対し、1),2)の観察及び定量化を
繰り返し、A(i,j,k);i=1〜n,j=1〜
n,k=1〜nを得る。
複合材料内部の微視的な画像を、図3に示すように、各
辺をn分割した合計n×n個の領域に分割する。 2)分割された各領域において、領域全体の面積に対す
る第2相材料が占める面積の割合を求め、これをA
(i,j,1);i=1〜n、j=1〜nとする。 3)図4に示すように、奥行き方向の他の観察断面k
(k=2〜n)に対し、1),2)の観察及び定量化を
繰り返し、A(i,j,k);i=1〜n,j=1〜
n,k=1〜nを得る。
【0013】4)A(i,j,k)の平均値をAm、標
準偏差をσ(A)とし、各辺を分割するnの値をパラメ
ータとし、各n分割ごとのσ(A)を求める。
準偏差をσ(A)とし、各辺を分割するnの値をパラメ
ータとし、各n分割ごとのσ(A)を求める。
【0014】複合材料断面での第2相材料の面積比率お
よび分散性は、第2相材料2の単位構造の、マトリック
ス材料1に対する配置によって表される。有限要素法解
析モデルにおける第2相材料の配置を、画像の一辺の分
割数nと、分割された各領域における、領域全体の面積
に対する第2相材料が占める面積割合A(i,j,
k);i=1〜n,j=1〜n,k=1〜nの標準偏差
値σ(A)を用いて決定する。
よび分散性は、第2相材料2の単位構造の、マトリック
ス材料1に対する配置によって表される。有限要素法解
析モデルにおける第2相材料の配置を、画像の一辺の分
割数nと、分割された各領域における、領域全体の面積
に対する第2相材料が占める面積割合A(i,j,
k);i=1〜n,j=1〜n,k=1〜nの標準偏差
値σ(A)を用いて決定する。
【0015】A(i,j,k)の平均値Amは、下の式
で表される。 Am=ΣA(i,j,k)/n3 =Vf ・・・式1 Amは、nに依存せず、Am=Vf(Vf:観測領域全
体に占める第2相材料の体積比率)により求めることが
できる。
で表される。 Am=ΣA(i,j,k)/n3 =Vf ・・・式1 Amは、nに依存せず、Am=Vf(Vf:観測領域全
体に占める第2相材料の体積比率)により求めることが
できる。
【0016】一方、標準偏差σ(A)は、下の式で表さ
れる。 σ(A)=√(A2 m−Am2 ) ・・・式2 (A2 mはA(i,j,k)2 の平均値) また、分散V(A)は、下の式で表される。 V(A)=σ(A)2 =A2 m−Am2 =(ΣA(i,j,k)2 /n3 )−Am2 ・・・式3
れる。 σ(A)=√(A2 m−Am2 ) ・・・式2 (A2 mはA(i,j,k)2 の平均値) また、分散V(A)は、下の式で表される。 V(A)=σ(A)2 =A2 m−Am2 =(ΣA(i,j,k)2 /n3 )−Am2 ・・・式3
【0017】n=2として、それぞれの分割された領域
における第2相材料が占める面積率をA(i,j,
k);i=1〜2,j=1〜2,k=1〜2とする。各
領域におけるA(i,j,k)を簡単に求めるため、例
えば、図5に示すように、 A111=A221=A122=A212=Am ・・・式4 また、 A121=A211=(1−α)Am ・・・式5 A112=A222=(1+α)Am ・・・式6 とする。ただし、α≧0とする。
における第2相材料が占める面積率をA(i,j,
k);i=1〜2,j=1〜2,k=1〜2とする。各
領域におけるA(i,j,k)を簡単に求めるため、例
えば、図5に示すように、 A111=A221=A122=A212=Am ・・・式4 また、 A121=A211=(1−α)Am ・・・式5 A112=A222=(1+α)Am ・・・式6 とする。ただし、α≧0とする。
【0018】n=2のときのA(i,j,k)の分散お
よび標準偏差をV(A2 )、σ(A 2 )とする。これら
を式3に代入すると、 V(A2 )={4Am2 +2(1+α)2 Am2 +2(1−α)2 Am2 }/8−Am2 =α2 Am2 /2 故に、 σ(A2 )=α・Am/√2 α=(√2)・σ(A2 )/Am ・・・式7 観察した複合材料内部の微視的画像より、Amおよびσ
(A2 )は既知であるから、αが求められ、式4、式
5、式6より、それぞれの分割された領域における第2
相材料が占める面積率A(i,j,k);i=1〜2,
j=1〜2,k=1〜2を求めることができる。
よび標準偏差をV(A2 )、σ(A 2 )とする。これら
を式3に代入すると、 V(A2 )={4Am2 +2(1+α)2 Am2 +2(1−α)2 Am2 }/8−Am2 =α2 Am2 /2 故に、 σ(A2 )=α・Am/√2 α=(√2)・σ(A2 )/Am ・・・式7 観察した複合材料内部の微視的画像より、Amおよびσ
(A2 )は既知であるから、αが求められ、式4、式
5、式6より、それぞれの分割された領域における第2
相材料が占める面積率A(i,j,k);i=1〜2,
j=1〜2,k=1〜2を求めることができる。
【0019】次に、n=4として分割された各領域を更
に8分割し、同様の手順で、各領域における第2相材料
が占める面積率を決定する。細分化された各領域の第2
相材料が占める面積率は、図6〜図9に示すようにな
る。図中のβ≧0である。n=4のときのA(i,j,
k)の分散および標準偏差をV(A4 )、σ(A 4 )と
する。n=2のときと同様に、n=4として、これらを
式3に代入すると、 V(A4 )={8(1+α)2 Am2 +8(1−α)2 Am2 +8(1+β)2 Am2 +8(1−β)2 Am2 +4(1+β)2 (1−α)2 Am2 +4(1−β)2 (1−α)2 Am2 +4(1+β)2 (1+α)2 Am2 +4(1−β)2 (1+α)2 Am2 +16Am2 }/64−Am2 =[2Am2 {(1+α)2 +(1−α)2 } +2Am2 {(1+β)2 +(1−β)2 } +Am2 {(1+β)2 +(1−β)2 }(1−α)2 +Am2 {(1+β)2 +(1−β)2 }(1+α)2 +4Am2 ]/16−Am2 ={4Am2 (1+α2 ) +4Am2 (1+β2 ) +2Am2 (1+β2 )(1−α)2 +2Am2 (1+β2 )(1+α)2 +4Am2 }/16−Am2 ={4Am2 (2+α2 +β2 ) +4Am2 (1+β2 )(1+α2 ) +4Am2 }/16−Am2 ={4Am2 (2+α2 +β2 ) +4Am2 (1+β2 +α2 +β2 α2 ) +4Am2 }/16−Am2 ={4Am2 (α2 +β2 ) +4Am2 (β2 +α2 +β2 α2 )}/16 =Am2 {2α2 +β2 (α2 +2)}/4 故に、β2 =(4V(A4 )/Am2 −2α2 )/(α
2 +2) 式7を代入して、 β2 ={4(σ(A4 )/Am)2 −4(σ(A2 )/Am)2 } /{2(σ(A2 )/Am)2 +2} =2{(σ(A4 )/Am)2 −(σ(A2 )/Am)2 } /{(σ(A2 )/Am)2 +1} ・・・式8 観察した複合材料内部の微視的画像より、σ(A4 )、
σ(A2 )、Amは既知であるから、式8によりβが求
められ、図6に示す分割された領域における第2相材料
が占める面積率A(i,j,k);i=1〜4,j=1
〜4,k=1〜4を求めることができる。必要に応じ、
更に細分割された領域に対し同様の手順を繰り返す。
に8分割し、同様の手順で、各領域における第2相材料
が占める面積率を決定する。細分化された各領域の第2
相材料が占める面積率は、図6〜図9に示すようにな
る。図中のβ≧0である。n=4のときのA(i,j,
k)の分散および標準偏差をV(A4 )、σ(A 4 )と
する。n=2のときと同様に、n=4として、これらを
式3に代入すると、 V(A4 )={8(1+α)2 Am2 +8(1−α)2 Am2 +8(1+β)2 Am2 +8(1−β)2 Am2 +4(1+β)2 (1−α)2 Am2 +4(1−β)2 (1−α)2 Am2 +4(1+β)2 (1+α)2 Am2 +4(1−β)2 (1+α)2 Am2 +16Am2 }/64−Am2 =[2Am2 {(1+α)2 +(1−α)2 } +2Am2 {(1+β)2 +(1−β)2 } +Am2 {(1+β)2 +(1−β)2 }(1−α)2 +Am2 {(1+β)2 +(1−β)2 }(1+α)2 +4Am2 ]/16−Am2 ={4Am2 (1+α2 ) +4Am2 (1+β2 ) +2Am2 (1+β2 )(1−α)2 +2Am2 (1+β2 )(1+α)2 +4Am2 }/16−Am2 ={4Am2 (2+α2 +β2 ) +4Am2 (1+β2 )(1+α2 ) +4Am2 }/16−Am2 ={4Am2 (2+α2 +β2 ) +4Am2 (1+β2 +α2 +β2 α2 ) +4Am2 }/16−Am2 ={4Am2 (α2 +β2 ) +4Am2 (β2 +α2 +β2 α2 )}/16 =Am2 {2α2 +β2 (α2 +2)}/4 故に、β2 =(4V(A4 )/Am2 −2α2 )/(α
2 +2) 式7を代入して、 β2 ={4(σ(A4 )/Am)2 −4(σ(A2 )/Am)2 } /{2(σ(A2 )/Am)2 +2} =2{(σ(A4 )/Am)2 −(σ(A2 )/Am)2 } /{(σ(A2 )/Am)2 +1} ・・・式8 観察した複合材料内部の微視的画像より、σ(A4 )、
σ(A2 )、Amは既知であるから、式8によりβが求
められ、図6に示す分割された領域における第2相材料
が占める面積率A(i,j,k);i=1〜4,j=1
〜4,k=1〜4を求めることができる。必要に応じ、
更に細分割された領域に対し同様の手順を繰り返す。
【0020】以上のようにして決定した各分割領域にお
けるA(i,j,k)に対応させて第2相材料を配置
し、要素分割を行った後、対応する各要素に対し材料物
性を定義する。すなわち、観察した複合材料内部の微視
的画像の長方形を整数nで縦n×横nの領域に分割し、
奥行き方向にn回同様の観察を行い、分割された各領域
の第2相材料の標準偏差を求め、さらに何種類かの整数
nで同様にnに依存する標準偏差を求めることにより、
複合材料中の第2相材料の分散性を定量化し、上記の数
式を通してその代用的な配置を決定することにより、こ
れと等価な第2相材料分散性を有する3次元有限要素モ
デルの簡便な作成が可能である。
けるA(i,j,k)に対応させて第2相材料を配置
し、要素分割を行った後、対応する各要素に対し材料物
性を定義する。すなわち、観察した複合材料内部の微視
的画像の長方形を整数nで縦n×横nの領域に分割し、
奥行き方向にn回同様の観察を行い、分割された各領域
の第2相材料の標準偏差を求め、さらに何種類かの整数
nで同様にnに依存する標準偏差を求めることにより、
複合材料中の第2相材料の分散性を定量化し、上記の数
式を通してその代用的な配置を決定することにより、こ
れと等価な第2相材料分散性を有する3次元有限要素モ
デルの簡便な作成が可能である。
【0021】この複合材料内部の第2相材料の不均質分
散を考慮した有限要素モデルに対する各種解析の境界条
件の例を図10に基づいて説明する。弾性範囲における
複合材料内部の微視的応力解析および弾性係数の予測を
行う場合、モデル内の各要素には、対応する箇所に複合
材料を構成する各材料の物性(弾性係数、ポアソン比)
を定義する。
散を考慮した有限要素モデルに対する各種解析の境界条
件の例を図10に基づいて説明する。弾性範囲における
複合材料内部の微視的応力解析および弾性係数の予測を
行う場合、モデル内の各要素には、対応する箇所に複合
材料を構成する各材料の物性(弾性係数、ポアソン比)
を定義する。
【0022】また、下記各節点に対し以下の境界条件を
与える。 XY平面上の節点はZ方向の変位dZ=0 YZ平面上の節点はX方向の変位dX=0 ZX平面上の節点はY方向の変位dY=0 初期座標X=aの平面上の全節点はX方向の変位dX同
一 初期座標Y=bの平面上の全節点はY方向の変位dY同
一 初期座標Z=cの平面上の全節点はZ方向の変位dZ同
一 X方向の一軸方向の荷重に対する弾性係数を求めるため
には、この境界条件の下に、初期座標X=aである全節
点に対し、所望のX方向ひずみεXに対応した同一のX
方向変位dXを与える。このときの初期座標X=aであ
る全節点の反力の総和をΣRxとすると、X方向の巨視
的弾性係数Exおよび各方向のポアソン比は以下の式に
より求められる。
与える。 XY平面上の節点はZ方向の変位dZ=0 YZ平面上の節点はX方向の変位dX=0 ZX平面上の節点はY方向の変位dY=0 初期座標X=aの平面上の全節点はX方向の変位dX同
一 初期座標Y=bの平面上の全節点はY方向の変位dY同
一 初期座標Z=cの平面上の全節点はZ方向の変位dZ同
一 X方向の一軸方向の荷重に対する弾性係数を求めるため
には、この境界条件の下に、初期座標X=aである全節
点に対し、所望のX方向ひずみεXに対応した同一のX
方向変位dXを与える。このときの初期座標X=aであ
る全節点の反力の総和をΣRxとすると、X方向の巨視
的弾性係数Exおよび各方向のポアソン比は以下の式に
より求められる。
【0023】Ex=(ΣRx/bc)/(dX/a) νxy=−(dY/b)/(dX/a) νxz=−(dZ/c)/(dX/a) Y方向、Z方向の一軸方向の荷重に対する弾性係数に対
しても同様の方法により求める。また、これらのときの
各部の応力分布から複合材料内部の微視的応力分布を求
めることができる。
しても同様の方法により求める。また、これらのときの
各部の応力分布から複合材料内部の微視的応力分布を求
めることができる。
【0024】複合材料の線膨張係数の予測、および内部
の微視的熱応力解析を行う場合、モデル内の各要素に
は、対応する箇所に複合材料を構成する各材料の物性
(弾性係数、ポアソン比、線膨張係数)を定義する。ま
た、下記各節点に対し以下の境界条件を与える。 XY平面上の節点はZ方向の変位dZ=0 YZ平面上の節点はX方向の変位dX=0 ZX平面上の節点はY方向の変位dY=0 初期座標X=aの平面上の全節点はX方向の変位dX同
一 初期座標Y=bの平面上の全節点はY方向の変位dY同
一 初期座標Z=cの平面上の全節点はZ方向の変位dZ同
一 この境界条件のもとに、モデル全体に対し初期温度T0
を与え、温度変化量dTを与える。
の微視的熱応力解析を行う場合、モデル内の各要素に
は、対応する箇所に複合材料を構成する各材料の物性
(弾性係数、ポアソン比、線膨張係数)を定義する。ま
た、下記各節点に対し以下の境界条件を与える。 XY平面上の節点はZ方向の変位dZ=0 YZ平面上の節点はX方向の変位dX=0 ZX平面上の節点はY方向の変位dY=0 初期座標X=aの平面上の全節点はX方向の変位dX同
一 初期座標Y=bの平面上の全節点はY方向の変位dY同
一 初期座標Z=cの平面上の全節点はZ方向の変位dZ同
一 この境界条件のもとに、モデル全体に対し初期温度T0
を与え、温度変化量dTを与える。
【0025】以上により、温度変化に対する複合材料内
部での物性ミスマッチに起因する微視的な熱応力解析が
可能となる。また、解析結果を用いた下の式により、複
合材料の巨視的線膨張係数の予測が可能となる。 αx=dx/a/dT αy=dy/b/dT αz=dz/c/dT αx:複合材料のX方向の巨視的線膨張係数(/℃) αy:複合材料のY方向の巨視的線膨張係数(/℃) αz:複合材料のZ方向の巨視的線膨張係数(/℃) dx:解析モデルのX方向変位量 dy:解析モデルのY方向変位量 dz:解析モデルのZ方向変位量 a:解析モデルの初期X方向寸法 b:解析モデルの初期Y方向寸法 c:解析モデルの初期Z方向寸法 dT:温度変化量(℃) 複合材料の巨視的な熱伝導率の予測を行う場合、モデル
内の各要素には、対応する箇所に複合材料を構成する各
材料の物性(熱伝導率)を定義し、モデル全体に対し初
期温度T0 を与える。X方向についての熱伝導率を予測
する際には、各節点に以下のような境界条件を与える。
まず、X平面上の全節点に温度変化量dTを与える。X
=aの平面上の全節点は初期温度T0 に拘束する。Y=
0,Y=b,Z=0,Z=cの平面上の全節点はモデル
の外部に対し断熱状態とする。以上の条件の下に定常熱
伝導解析を行う。このときの、X=aの平面上の全節点
における熱流束の値の総和より複合材料のX方向の巨視
的熱伝導率の予測が可能となる。Y方向,Z方向につい
ての熱伝導率についても同様の方法で求めることができ
る。
部での物性ミスマッチに起因する微視的な熱応力解析が
可能となる。また、解析結果を用いた下の式により、複
合材料の巨視的線膨張係数の予測が可能となる。 αx=dx/a/dT αy=dy/b/dT αz=dz/c/dT αx:複合材料のX方向の巨視的線膨張係数(/℃) αy:複合材料のY方向の巨視的線膨張係数(/℃) αz:複合材料のZ方向の巨視的線膨張係数(/℃) dx:解析モデルのX方向変位量 dy:解析モデルのY方向変位量 dz:解析モデルのZ方向変位量 a:解析モデルの初期X方向寸法 b:解析モデルの初期Y方向寸法 c:解析モデルの初期Z方向寸法 dT:温度変化量(℃) 複合材料の巨視的な熱伝導率の予測を行う場合、モデル
内の各要素には、対応する箇所に複合材料を構成する各
材料の物性(熱伝導率)を定義し、モデル全体に対し初
期温度T0 を与える。X方向についての熱伝導率を予測
する際には、各節点に以下のような境界条件を与える。
まず、X平面上の全節点に温度変化量dTを与える。X
=aの平面上の全節点は初期温度T0 に拘束する。Y=
0,Y=b,Z=0,Z=cの平面上の全節点はモデル
の外部に対し断熱状態とする。以上の条件の下に定常熱
伝導解析を行う。このときの、X=aの平面上の全節点
における熱流束の値の総和より複合材料のX方向の巨視
的熱伝導率の予測が可能となる。Y方向,Z方向につい
ての熱伝導率についても同様の方法で求めることができ
る。
【0026】
【発明の効果】本発明は、上記のように構成したから、
複合材料中の繊維やフィラー等の第2相材料の分散性を
定量化し、これと等価な分散性を有する3次元有限要素
モデルを簡便に作成することができる。よって、実際の
複合材料の各種物性予測や、微視的な応力分布等の解析
精度を向上させることができる。
複合材料中の繊維やフィラー等の第2相材料の分散性を
定量化し、これと等価な分散性を有する3次元有限要素
モデルを簡便に作成することができる。よって、実際の
複合材料の各種物性予測や、微視的な応力分布等の解析
精度を向上させることができる。
【図1】電子顕微鏡等により観察した複合材料内部の微
視的な画像の概念図である。
視的な画像の概念図である。
【図2】第2相材料の均一分散を仮定した、従来の複合
材料の微視的構造の概念図である。
材料の微視的構造の概念図である。
【図3】第2相材料の面積比率の標準偏差算出のため図
1の各辺をn分割した図である。
1の各辺をn分割した図である。
【図4】第2相材料の面積比率の標準偏差算出のため図
1の奥行き方向のn個の断面について、縦横各辺をn分
割した図である。
1の奥行き方向のn個の断面について、縦横各辺をn分
割した図である。
【図5】n=2としたときの分割された各領域における
第2相材料が占める面積率を示す説明図である。
第2相材料が占める面積率を示す説明図である。
【図6】n=4としたときの分割された各領域における
第2相材料が占める面積率を示す説明図である。
第2相材料が占める面積率を示す説明図である。
【図7】図6のA部の詳細を示す説明図である。
【図8】図6のB部の詳細を示す説明図である。
【図9】図6のC部の詳細を示す説明図である。
【図10】複合材料内部の微視的な各種解析方法の境界
条件の一例を示す説明図である。
条件の一例を示す説明図である。
1 マトリックス材料 2 第2相材料
Claims (4)
- 【請求項1】 観察した複合材料内部の微視的画像の
長方形を整数nで縦n×横nの領域に分割し、奥行き方
向にn回同様の観察を行い、分割された各領域において
第2相材料が占める面積比率の標準偏差を求め、何種類
かの整数nで同様にnに依存する標準偏差を求めること
により、材料中の繊維やフィラー等の第2相材料の分散
性を定量化し、この標準偏差の算出式より、各領域にお
ける第2相材料の配置を決定することによる、第2相材
料の不均質分散を考慮した複合材料の微視的構造の3次
元有限要素モデル作成方法。 - 【請求項2】 請求項1の解析モデルを用いて、複合
材料内部の微視的応力の解析、巨視的弾性係数、ポアソ
ン比の予測を行うことを特徴とする複合材料の微視的構
造の3次元有限要素モデル作成方法。 - 【請求項3】 請求項1の解析モデルを用いて、複合
材料内部の微視的熱応力の解析、線膨張係数の予測を行
うことを特徴とする複合材料の微視的構造の3次元有限
要素モデル作成方法。 - 【請求項4】 請求項1の解析モデルを用いて、複合
材料内部の熱伝導率の予測を行うことを特徴とする複合
材料の微視的構造の3次元有限要素モデル作成方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8164936A JPH1011613A (ja) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | 複合材料の微視的構造の3次元有限要素モデル作成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8164936A JPH1011613A (ja) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | 複合材料の微視的構造の3次元有限要素モデル作成方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1011613A true JPH1011613A (ja) | 1998-01-16 |
Family
ID=15802663
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8164936A Pending JPH1011613A (ja) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | 複合材料の微視的構造の3次元有限要素モデル作成方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1011613A (ja) |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005250767A (ja) * | 2004-03-03 | 2005-09-15 | Yokohama Rubber Co Ltd:The | 複合材の力学特性シミュレーション方法および複合材の力学挙動シミュレーション装置 |
JP2005352818A (ja) * | 2004-06-11 | 2005-12-22 | Yokohama Rubber Co Ltd:The | 不均質材料のシミュレーションモデル作成方法 |
JP2006072578A (ja) * | 2004-08-31 | 2006-03-16 | Japan Science & Technology Agency | 実験装置と連動させる仮想実験インタフェース |
JP2006200937A (ja) * | 2005-01-18 | 2006-08-03 | Bridgestone Corp | ゴム材料の変形挙動予測方法及びゴム材料の変形挙動予測装置 |
JP2007271369A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Bridgestone Corp | ゴム材料の変形挙動予測装置及びゴム材料の変形挙動予測方法 |
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WO2013073360A1 (ja) * | 2011-11-18 | 2013-05-23 | 住友ゴム工業株式会社 | ゴム材料のシミュレーション方法 |
JP2014013228A (ja) * | 2011-11-28 | 2014-01-23 | Ricoh Co Ltd | フィラー微粒子分散性評価装置及びフィラー微粒子分散性評価方法 |
CN103559390A (zh) * | 2013-10-22 | 2014-02-05 | 北京航空航天大学 | 一种基于平均失效指数的复合材料π形胶接连接结构拉伸强度预测方法 |
KR102360081B1 (ko) * | 2020-08-11 | 2022-02-07 | 재단법인 자동차융합기술원 | 섬유의 대표체적요소 선정 방법 |
CN116523414A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-08-01 | 深圳市鑫冠亚科技有限公司 | 一种复合镍铜散热底板的生产管理方法及系统 |
-
1996
- 1996-06-25 JP JP8164936A patent/JPH1011613A/ja active Pending
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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JP4602776B2 (ja) * | 2005-01-18 | 2010-12-22 | 株式会社ブリヂストン | ゴム材料の変形挙動予測方法及びゴム材料の変形挙動予測装置 |
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