フィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法
【課題】大規模シミュレーションを行うのに適した解析モデルの作成方法を提供する。
【解決手段】ゴムとフィラーとを含むフィラー充填ゴムの変形をコンピュータによりシミュレーションするための解析モデルを作成する方法であって、前記フィラーを有限個の要素で分割したフィラーモデルと、このフィラーモデルを囲むとともに前記ゴムを有限個の要素で分割したゴムモデルとを含む初期の解析モデルを設定するステップS1、初期の解析モデルの要素に新たな節点を設けて細分化する細分化ステップS2、及び前記フィラーモデルの輪郭上に定義された新たな節点を、前記初期の解析モデルの前記輪郭上にあった節点を滑らかに繋ぐことにより得られる仮想輪郭上に移動させて要素を変形させる変形ステップS6を含むことを特徴とする。
【解決手段】ゴムとフィラーとを含むフィラー充填ゴムの変形をコンピュータによりシミュレーションするための解析モデルを作成する方法であって、前記フィラーを有限個の要素で分割したフィラーモデルと、このフィラーモデルを囲むとともに前記ゴムを有限個の要素で分割したゴムモデルとを含む初期の解析モデルを設定するステップS1、初期の解析モデルの要素に新たな節点を設けて細分化する細分化ステップS2、及び前記フィラーモデルの輪郭上に定義された新たな節点を、前記初期の解析モデルの前記輪郭上にあった節点を滑らかに繋ぐことにより得られる仮想輪郭上に移動させて要素を変形させる変形ステップS6を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法に関し、詳しくは大規模シミュレーションを行うのに適した解析モデルの作成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ゴム中にカーボンやシリカ等のフィラーを充填したフィラー充填ゴムの変形をコンピュータによりシミュレーションすることが提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。これらのシミュレーションでは、フィラー充填ゴムを数値解析が可能な要素で分割した解析モデルを設定し、この解析モデルに条件を設定して変形計算を行い、その計算結果から必要な物理量を取得することが行われる。
【0003】
【特許文献1】特開2006−138810号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
フィラー充填ゴムの特性をシミュレーションする場合、フィラーの分散状態の影響を考慮するためには、できるだけ多くのフィラーを充填したモデルが望まれる。このようなモデルは、一般に要素数が増大する傾向がある。また、フィラーは、ゴムに比べて著しく剛性が大きい。このため、要素分割の解像度を十分に高めないとシミュレーションによる計算誤差が発生しやすい。つまり、フィラー充填ゴムのシミュレーションには、より細かく要素分割された大規模な解析モデルが必要である。例えば、フィラー粒子数個を含むモデル(ユニットセル)を10万要素で構成した場合、該セルを1000個含む大規模モデルでは1億個以上の要素が必要になる。
【0005】
さらに、計算精度を高めるためには、フィラーの輪郭形状に沿って不規則に要素の節点を配置する必要がある。しかしながら、上述のように要素数が大幅に増加すると、現在の汎用メッシュ化ソフトウエア等では上述のような解析モデルを作成することが難しい。
【0006】
本発明は、以上のような実情に鑑み案出なされたもので、フィラーモデルとゴムモデルとを含む初期の解析モデルを設定し、この初期の解析モデルの要素に新たな節点を設けて要素を細分化し、さらにフィラーモデルの輪郭上に定義された新たな節点を最適位置へと移動させて要素を変形させることを基本として、簡単な手順で大規模な解析モデルを能率良く作成しうるフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明のうち請求項1記載の発明は、ゴムとフィラーとを含むフィラー充填ゴムの変形をコンピュータによりシミュレーションするための解析モデルを作成する方法であって、前記フィラーを有限個の要素で分割したフィラーモデルと、このフィラーモデルを囲むとともに前記ゴムを有限個の要素で分割したゴムモデルとを含む初期の解析モデルを設定するステップ、前記初期の解析モデルの要素に新たな節点を設けて細分化する細分化ステップ、及び前記フィラーモデルの輪郭上に定義された新たな節点を、前記初期の解析モデルの前記輪郭上にあった節点を滑らかに繋ぐことにより得られる仮想輪郭上に移動させて要素を変形させる変形ステップを含むことを特徴とする。
【0008】
また請求項2記載の発明は、前記細分化ステップ及び/又は前記変形ステップの後、要素のねじれの有無を調べるステップと、ねじれた要素がある場合にねじれた要素の節点を元に戻すステップとを行う請求項1記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法である。
【0009】
また請求項3記載の発明は、前記細分化ステップは、初期の解析モデルの2つの節点をつなぐ全ての辺上に新たな節点を定義しかつ該新たな節点を用いて初期の解析モデルの各要素を細分化する処理を含む請求項1又は2記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法である。
【0010】
また請求項4記載の発明は、前記解析モデルの総要素数が1億個以上である請求項1又は2記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法である。
【発明の効果】
【0011】
本発明では、フィラーモデルと、このフィラーモデルを囲むゴムモデルとを含む初期の解析モデルに、新たな節点が定義される。そして、該新たな節点を用いて要素が細分化される。また、フィラーモデルの輪郭上に定義された新たな節点を、前記初期の解析モデルの前記輪郭上にあった節点を滑らかに繋ぐ仮想輪郭上に移動させて要素を変形させる。以上のような処理を含むことにより、本発明の解析モデルの作成方法では、フィラーモデルの輪郭を滑らかにしつつ解析モデルを容易に細分化できる。そして、必要な要素数になるまで前記細分化ステップを繰り返すことにより、簡単に大規模な解析モデルを作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態では、ゴムと、例えばカーボンやシリカなどの硬質のフィラーとを含むフィラー充填ゴムの変形をコンピュータによりシミュレーションするために用いられる解析モデル4が作成される。該解析モデルは、有限要素法のような数値解析法で計算可能な要素の集合体として定義される。
【0013】
本実施形態の作成方法は、図1に示されるようなコンピュータ装置1を用いて行われる。該コンピュータ装置1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含む。前記本体1aには、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリー、磁気ディスクなどの記憶装置及びディスクドライブ装置1a1、1a2などが設けられる。なお、記憶装置には、本実施形態の作成方法を実行するための処理手順(プログラム)が予め記憶される。
【0014】
図2には、解析モデル4を作成するためのフローチャートを示す。
先ず、本実施形態では、フィラー充填ゴムの初期の解析モデル4aが設定される(ステップS1)。
【0015】
図3(a)には、初期の解析モデル4aの一例を視覚化して示す。該初期の解析モデル4aは、ゴムモデル2と、フィラーモデル3とを含んで構成される。ただし、解析しようとするフィラー充填ゴムは、実在するか否かは問わない。
【0016】
前記フィラーモデル3は、理解しやすいように図3(a)において着色されて表示される。該フィラーモデル3は、フィラー充填ゴムに充填されているフィラーを有限個の要素e…で分割(離散化)することにより定義される。本実施形態において、フィラーモデル3は、直径数10ナノメータ程度の略球状のカーボンブラックをモデル化したものである。また、本実施形態では、フィラーモデル3の輪郭L(これは、フィラーモデル3とゴムモデル2との境界とも言える。)上の節点は、いずれも単一の円周上に並べられている。
【0017】
本実施形態において、前記ゴムモデル2は、フィラーモデル3の周囲を連続して取り囲むとともに、フィラー充填ゴムのゴム部分を有限個の要素e…で分割することにより定義される。なお、図3(a)の解析モデル4aは、全体の一部分のみを示す。
【0018】
また、本実施形態では、二次元の解析モデル4が示される。従って、前記各要素e…には、例えば三ないし四辺形の要素が好適に用いられる。本実施形態の解析モデル4では、図3(b)に示されるように、4つの節点aと、各節点a、a間を繋ぐ4つの直線からなる辺bとで一つの閉領域を形成する四辺形の要素e1だけで構成される。これらの要素は、種々の大きさ及び形状のものを含んでいる。従って、複雑な形状を正確に再現することができる。
【0019】
ただし、本発明は、三次元の解析モデルについても同様に適用しうる。この場合、前記各要素には、例えば4ないし6面体の要素(図示省略)が好適に用いられる。
【0020】
前記各要素eは、数値解析が可能に定義される。数値解析が可能とは、例えば有限要素法、有限体積法、差分法又は境界要素法といった数値解析法により各要素eないし系全体についての変形計算が可能なことを意味する。具体的には、各要素e…は、それを構成する節点の番号と該節点の座標値が少なくとも定義される。
【0021】
また、各要素eには、各々が代表する部分の材料特性(物性値)などが定義される。即ち、ゴムモデル3及びフィラーモデル2の各要素には、それぞれが代表するフィラー及びゴムの物性に応じた材料定数が定義される。そして、これらのデータは、前記コンピュータ装置1に記憶される。
【0022】
初期の解析モデル4aは、特に細かく要素分割する必要はない。従って、初期の解析モデル4aは、例えば、コンピュータ装置1と市販されている汎用メッシュ化ソフトウエア等とを使用して可能な範囲の解像度(要素分割数)で定義することができる。そして、このような場合には、作成された初期の解析モデル4aから、各要素eの節点番号や座標値などのデータを、テキスト情報として出力することが望ましい。これにより、他のソフトウエアでも初期の解析モデル4aのデータを利用することができる。
【0023】
次に、図3(a)のA部拡大図である図4に示されるように、初期の解析モデル4aの要素eに新たな節点を設けて細分化する細分化ステップが行われる(ステップS2、S3)。本実施形態では、先ず、初期の解析モデル4aの2つの節点a、a間をつなぐ全ての辺b上に1個の新たな節点cが定義される(ステップS2)。
【0024】
図4において、黒丸は初期の解析モデル4aで定義された初期の節点aを、白丸は新たに定義された節点(以下、「新たな節点」という。)cを示す。新たな節点cは、節点a,a間の辺b上であれば任意の位置に設けることができる。計算を簡単にするために、新たな節点cは、各辺bの中点に定義されるのが望ましい。この場合、新たな節点cの座標値は、各辺bの両端の初期の節点a、aの座標値を足し合わせて2で割ることにより計算される。また、この新たな節点cの座標値等は、前記コンピュータ装置1に記憶される。
【0025】
次に、図5に示されるように、新たな節点cを用いて初期の解析モデル4の要素を細分化する処理が行われる(ステップS3)。具体的には、図5(a)に示されるように、初期の解析モデル4aの要素e毎に、本実施形態では、対向する辺上の新たな節点c、c同士を鎖線で示す新たな辺dでつなぎ、かつ、同図(b)のように、互いに交差する新たな辺d、dの交点に新たな節点f(図において三角印で表示)がさらに定義される。この交点の節点fの座標は、新たな節点c、cを足し合わせて2で割ることにより逐次計算される。そして、この新たな節点fの座標値等も前記コンピュータ装置1に記憶される。
【0026】
このような処理により、初期の解析モデル4aの各要素ei(添字iは、整数で要素番号を意味する。)は、図6(a)に示されるように、一つの四辺形の要素eiが、4つの四辺形の要素eia〜eidに細分化される。また、初期の解析モデル4aの個々の要素eiのデータは、コンピュータ装置1によって次のように4つの要素eia〜eidのデータに書き換えられる。なお、細分化された要素には、元の要素の材料特性がそのまま引き継がれて定義される。
【0027】
書き換え前[初期の解析モデルの各要素eiのデータ]
・要素eiを構成する4つの節点番号(a1、a2、a3及びa4)
・要素eiを構成する4つの節点a1、a2、a3及びa4の各座標値
【0028】
書き換え後[細分化処理後の要素eiのデータ]
・要素eia
要素eiaを構成する節点番号(a1、a5、a9、a8)
要素eiaを構成する節点a1、a5、a9及びa8の各座標
・要素eib
要素eibを構成する節点番号(a5、a2、a6、a9)
要素eibを構成する節点a5、a2、a6及びa9の各座標
・要素eic
要素eicを構成する節点番号(a9、a6、a3、a7)
要素eicを構成する節点a9、a6、a3、a7の各座標
・要素eid
要素eidを構成する節点番号(a8、a9、a7、a4)
要素eidを構成する節点a8、a9、a7及びa4の各座標
【0029】
また、図6(b)に示されるように、三角形の要素eiにおいても同様の処理を行うことにより、4つの三角形の要素eia〜eidに細分化できるのは言うまでもない。
【0030】
以上の処理により、図3の初期の解析モデル4aは、図7に示されるように、元の4倍の要素数を持つ解析モデル4bへと細分化される。
【0031】
次に、本実施形態では、要素eのねじれの有無が調べられる(ステップS4)。
図9(a)に示されるように、例えばV字状の要素e(節点a1、a2、a3及びa4)では、前記細分化ステップにより、新たな節点fが元の要素eを外側に超えて生成される要素のねじれが生じる場合がある。要素のねじれは、計算エラーを引き起こすので、排除しなければならない。このような要素eのねじれの有無は、新たに生成された節点が、初期の要素eの内部に有るか否かを計算することによって判定しうる。
【0032】
そして、ねじれた要素eが有る場合(ステップS4でY)、ねじれた要素が無くなるまで新たに生成された節点を移動する処理が行われる(ステップS5)。例えば、図9(b)に示されるように、新たに生成された節点fを要素eの中に移動させることが行われる。移動させる位置は、任意に定めうるが、例えば要素eの重心や、節点a1と節点a3の中点などが好適である。
【0033】
他方、ねじれた要素が無いと判断された場合(ステップS4でN)、本実施形態では、図8(a)、(b)に示されるように、フィラーモデル3の輪郭L上の辺に定義された新たな節点cを、仮想輪郭LV上に移動させて要素を変形させる処理が行われる(変形ステップS6)。
【0034】
前記「仮想輪郭」は、図8(a)に示されるように、初期の解析モデル4において、フィラーモデル3の前記輪郭L上にあった初期の節点aを曲線、好ましくは円弧で滑らかに繋ぐことにより得られる。本実施形態において、前記仮想輪郭VLは、上で述べたように単一円になるので、この円周上に前記新たな節点cが移動され、要素が変形させられる。そして、移動された全ての節点cについて、その座標値がコンピュータ装置1によって書き換えられる。
【0035】
移動先の座標は、仮想輪郭VLの中心と半径を求め、幾何学的関係より求めることができる。仮想輪郭VLの中心は、フィラーモデル3の面積の重心から計算できる。また、仮想輪郭VLの半径は、前記中心と初期の節点aとの距離から計算できる。このような変形ステップS5を行うことにより、フィラーモデル3の輪郭Lをより滑らかとして円形に近づけ、計算精度を高めることができる。
【0036】
次に、本実施形態では、変形ステップS6の後、再度、要素eのねじれの有無が調べられる(ステップS7)。図9(c)に示されるように、変形ステップS6において、例えば節点a3をa3'に移動させた場合、要素eを構成している辺が、他の辺を横切るようなねじれが生じることが考えられる。このような要素のねじれは、例えば要素eの対向する辺b1、b2の交差の有無を調べることにより判定できる。
【0037】
そして、ねじれた要素eが有る場合(ステップS7でY)、ねじれた要素が無くなるまで(例えば、辺b1、b2の交差が無くなるまで)移動した節点を元に戻す方向に移動させる処理、即ち、書き換えられた節点の座標値を元の座標値に戻す処理が行われる(ステップS8)。
【0038】
他方、ねじれた要素が無いと判断された場合(ステップS7でN)、細分化終了条件を満たしているか否かが判断され(ステップS9)、終了条件を満たしているときには処理を終える。他方、細分化終了条件を満たしていない場合(ステップS9でN)、再度ステップS2以降が繰り返される。
【0039】
ここで、細分化終了の条件としては、任意に定めることができる。2次元の解析モデル4の場合、1回の細分化処理により、要素数は4倍になる。従って、初期の解析モデル4aの要素数と、作成したい解析モデル4の要素数とから、細分化処理を繰り返し行うループ数を予め設定し、それを細分化処理の終了条件と定めることができる。これにより、図10に示すような解析モデル4cを得ることができる。
【0040】
以上のように、本実施形態の解析モデルの作成方法では、きわめて簡単なステップを繰り返すことにより、比較的粗く作られた解析モデル4aであっても、細分化ステップを繰り返すことにより、要素数を増やしてより細かい要素分割を行うことができる。そして、解析モデル4の総要素数が、例えば1億個以上といった大規模モデルも容易に作成することができる。
【0041】
また、本実施形態の細分化ステップでは、要素eのつながりの連続性が途切れることがないので、計算精度が悪化するのも防止できる。
【0042】
図11には、本発明のさらに他の実施形態が示される。
この実施形態では、初期の解析モデル4aは、少なくとも2つのフィラーモデル3を含んで定義される。また、ゴムモデル2は、向き合う一方の辺がフィラーモデル3aと、他方の辺がフィラーモデル3bとそれぞれ共有され、2つのフィラーモデル3で直接挟まれる狭持要素ebを含んでモデル化される。換言すれば、狭持要素ebは、2つのフィラーモデル3a及び3bと、ともに辺を共有する。
【0043】
そして、このような初期の解析モデル4aに本発明方法を適用して細分化及び節点移動を行うことにより、図12の解析モデル4cを得ることができる。図12から明らかなように、細分化された解析モデル4cでは、前述の狭持要素ebを確実に無くすことができる。
【0044】
一般に、シミュレーションにおいて、ゴムは、実質的に体積変化が生じない非圧縮性が定義される。従って、体積変化が生じないとすると、フィラーモデル3、3間の狭持要素ebの変形は非常に限られてしまい、本来のゴムの動きを再現できないおそれがある。従来のソフトウエアでは、フィラー間距離を要素長さと同等かそれよりも小さくした場合、このような狭持要素ebが生じやすい。しかし、このような解析モデルは、シミュレーション結果に悪影響を与える。本発明方法の細分化ステップを解析モデル4aに適用した場合には、このような狭持要素ebを確実に無くすことができるという利点がある。
【0045】
以上、本発明の解析モデルの作成方法について詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されることなく種々の態様に変形して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】本実施形態の処理を行うコンピュータ装置の斜視図である。
【図2】本実施形態の処理手順を説明するフローチャートである。
【図3】初期の解析モデルを視覚化して示す平面図である。
【図4】そのA部拡大図である。
【図5】(a)、(b)は、細分化ステップを説明する図3のA部拡大図である。
【図6】(a)、(b)は、細分化ステップを説明する1要素の拡大図である。
【図7】細分化ステップ後の解析モデルを視覚化して示す平面図である。
【図8】(a)、(b)は、変形ステップを説明する解析モデルの部分拡大図である。
【図9】(a)〜(c)は、ねじれた要素を説明する線図である。
【図10】他の実施形態の解析モデルの平面図である。
【図11】他の実施形態の初期の解析モデルの平面図である。
【図12】他の実施形態の解析モデルの平面図である。
【符号の説明】
【0047】
1 コンピュータ装置
2 ゴムモデル
3 フィラーモデル
4 解析モデル
a 初期の節点
b 要素の辺
d 新たな辺
c、f 新たな節点
【技術分野】
【0001】
本発明は、フィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法に関し、詳しくは大規模シミュレーションを行うのに適した解析モデルの作成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ゴム中にカーボンやシリカ等のフィラーを充填したフィラー充填ゴムの変形をコンピュータによりシミュレーションすることが提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。これらのシミュレーションでは、フィラー充填ゴムを数値解析が可能な要素で分割した解析モデルを設定し、この解析モデルに条件を設定して変形計算を行い、その計算結果から必要な物理量を取得することが行われる。
【0003】
【特許文献1】特開2006−138810号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
フィラー充填ゴムの特性をシミュレーションする場合、フィラーの分散状態の影響を考慮するためには、できるだけ多くのフィラーを充填したモデルが望まれる。このようなモデルは、一般に要素数が増大する傾向がある。また、フィラーは、ゴムに比べて著しく剛性が大きい。このため、要素分割の解像度を十分に高めないとシミュレーションによる計算誤差が発生しやすい。つまり、フィラー充填ゴムのシミュレーションには、より細かく要素分割された大規模な解析モデルが必要である。例えば、フィラー粒子数個を含むモデル(ユニットセル)を10万要素で構成した場合、該セルを1000個含む大規模モデルでは1億個以上の要素が必要になる。
【0005】
さらに、計算精度を高めるためには、フィラーの輪郭形状に沿って不規則に要素の節点を配置する必要がある。しかしながら、上述のように要素数が大幅に増加すると、現在の汎用メッシュ化ソフトウエア等では上述のような解析モデルを作成することが難しい。
【0006】
本発明は、以上のような実情に鑑み案出なされたもので、フィラーモデルとゴムモデルとを含む初期の解析モデルを設定し、この初期の解析モデルの要素に新たな節点を設けて要素を細分化し、さらにフィラーモデルの輪郭上に定義された新たな節点を最適位置へと移動させて要素を変形させることを基本として、簡単な手順で大規模な解析モデルを能率良く作成しうるフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明のうち請求項1記載の発明は、ゴムとフィラーとを含むフィラー充填ゴムの変形をコンピュータによりシミュレーションするための解析モデルを作成する方法であって、前記フィラーを有限個の要素で分割したフィラーモデルと、このフィラーモデルを囲むとともに前記ゴムを有限個の要素で分割したゴムモデルとを含む初期の解析モデルを設定するステップ、前記初期の解析モデルの要素に新たな節点を設けて細分化する細分化ステップ、及び前記フィラーモデルの輪郭上に定義された新たな節点を、前記初期の解析モデルの前記輪郭上にあった節点を滑らかに繋ぐことにより得られる仮想輪郭上に移動させて要素を変形させる変形ステップを含むことを特徴とする。
【0008】
また請求項2記載の発明は、前記細分化ステップ及び/又は前記変形ステップの後、要素のねじれの有無を調べるステップと、ねじれた要素がある場合にねじれた要素の節点を元に戻すステップとを行う請求項1記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法である。
【0009】
また請求項3記載の発明は、前記細分化ステップは、初期の解析モデルの2つの節点をつなぐ全ての辺上に新たな節点を定義しかつ該新たな節点を用いて初期の解析モデルの各要素を細分化する処理を含む請求項1又は2記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法である。
【0010】
また請求項4記載の発明は、前記解析モデルの総要素数が1億個以上である請求項1又は2記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法である。
【発明の効果】
【0011】
本発明では、フィラーモデルと、このフィラーモデルを囲むゴムモデルとを含む初期の解析モデルに、新たな節点が定義される。そして、該新たな節点を用いて要素が細分化される。また、フィラーモデルの輪郭上に定義された新たな節点を、前記初期の解析モデルの前記輪郭上にあった節点を滑らかに繋ぐ仮想輪郭上に移動させて要素を変形させる。以上のような処理を含むことにより、本発明の解析モデルの作成方法では、フィラーモデルの輪郭を滑らかにしつつ解析モデルを容易に細分化できる。そして、必要な要素数になるまで前記細分化ステップを繰り返すことにより、簡単に大規模な解析モデルを作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態では、ゴムと、例えばカーボンやシリカなどの硬質のフィラーとを含むフィラー充填ゴムの変形をコンピュータによりシミュレーションするために用いられる解析モデル4が作成される。該解析モデルは、有限要素法のような数値解析法で計算可能な要素の集合体として定義される。
【0013】
本実施形態の作成方法は、図1に示されるようなコンピュータ装置1を用いて行われる。該コンピュータ装置1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含む。前記本体1aには、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリー、磁気ディスクなどの記憶装置及びディスクドライブ装置1a1、1a2などが設けられる。なお、記憶装置には、本実施形態の作成方法を実行するための処理手順(プログラム)が予め記憶される。
【0014】
図2には、解析モデル4を作成するためのフローチャートを示す。
先ず、本実施形態では、フィラー充填ゴムの初期の解析モデル4aが設定される(ステップS1)。
【0015】
図3(a)には、初期の解析モデル4aの一例を視覚化して示す。該初期の解析モデル4aは、ゴムモデル2と、フィラーモデル3とを含んで構成される。ただし、解析しようとするフィラー充填ゴムは、実在するか否かは問わない。
【0016】
前記フィラーモデル3は、理解しやすいように図3(a)において着色されて表示される。該フィラーモデル3は、フィラー充填ゴムに充填されているフィラーを有限個の要素e…で分割(離散化)することにより定義される。本実施形態において、フィラーモデル3は、直径数10ナノメータ程度の略球状のカーボンブラックをモデル化したものである。また、本実施形態では、フィラーモデル3の輪郭L(これは、フィラーモデル3とゴムモデル2との境界とも言える。)上の節点は、いずれも単一の円周上に並べられている。
【0017】
本実施形態において、前記ゴムモデル2は、フィラーモデル3の周囲を連続して取り囲むとともに、フィラー充填ゴムのゴム部分を有限個の要素e…で分割することにより定義される。なお、図3(a)の解析モデル4aは、全体の一部分のみを示す。
【0018】
また、本実施形態では、二次元の解析モデル4が示される。従って、前記各要素e…には、例えば三ないし四辺形の要素が好適に用いられる。本実施形態の解析モデル4では、図3(b)に示されるように、4つの節点aと、各節点a、a間を繋ぐ4つの直線からなる辺bとで一つの閉領域を形成する四辺形の要素e1だけで構成される。これらの要素は、種々の大きさ及び形状のものを含んでいる。従って、複雑な形状を正確に再現することができる。
【0019】
ただし、本発明は、三次元の解析モデルについても同様に適用しうる。この場合、前記各要素には、例えば4ないし6面体の要素(図示省略)が好適に用いられる。
【0020】
前記各要素eは、数値解析が可能に定義される。数値解析が可能とは、例えば有限要素法、有限体積法、差分法又は境界要素法といった数値解析法により各要素eないし系全体についての変形計算が可能なことを意味する。具体的には、各要素e…は、それを構成する節点の番号と該節点の座標値が少なくとも定義される。
【0021】
また、各要素eには、各々が代表する部分の材料特性(物性値)などが定義される。即ち、ゴムモデル3及びフィラーモデル2の各要素には、それぞれが代表するフィラー及びゴムの物性に応じた材料定数が定義される。そして、これらのデータは、前記コンピュータ装置1に記憶される。
【0022】
初期の解析モデル4aは、特に細かく要素分割する必要はない。従って、初期の解析モデル4aは、例えば、コンピュータ装置1と市販されている汎用メッシュ化ソフトウエア等とを使用して可能な範囲の解像度(要素分割数)で定義することができる。そして、このような場合には、作成された初期の解析モデル4aから、各要素eの節点番号や座標値などのデータを、テキスト情報として出力することが望ましい。これにより、他のソフトウエアでも初期の解析モデル4aのデータを利用することができる。
【0023】
次に、図3(a)のA部拡大図である図4に示されるように、初期の解析モデル4aの要素eに新たな節点を設けて細分化する細分化ステップが行われる(ステップS2、S3)。本実施形態では、先ず、初期の解析モデル4aの2つの節点a、a間をつなぐ全ての辺b上に1個の新たな節点cが定義される(ステップS2)。
【0024】
図4において、黒丸は初期の解析モデル4aで定義された初期の節点aを、白丸は新たに定義された節点(以下、「新たな節点」という。)cを示す。新たな節点cは、節点a,a間の辺b上であれば任意の位置に設けることができる。計算を簡単にするために、新たな節点cは、各辺bの中点に定義されるのが望ましい。この場合、新たな節点cの座標値は、各辺bの両端の初期の節点a、aの座標値を足し合わせて2で割ることにより計算される。また、この新たな節点cの座標値等は、前記コンピュータ装置1に記憶される。
【0025】
次に、図5に示されるように、新たな節点cを用いて初期の解析モデル4の要素を細分化する処理が行われる(ステップS3)。具体的には、図5(a)に示されるように、初期の解析モデル4aの要素e毎に、本実施形態では、対向する辺上の新たな節点c、c同士を鎖線で示す新たな辺dでつなぎ、かつ、同図(b)のように、互いに交差する新たな辺d、dの交点に新たな節点f(図において三角印で表示)がさらに定義される。この交点の節点fの座標は、新たな節点c、cを足し合わせて2で割ることにより逐次計算される。そして、この新たな節点fの座標値等も前記コンピュータ装置1に記憶される。
【0026】
このような処理により、初期の解析モデル4aの各要素ei(添字iは、整数で要素番号を意味する。)は、図6(a)に示されるように、一つの四辺形の要素eiが、4つの四辺形の要素eia〜eidに細分化される。また、初期の解析モデル4aの個々の要素eiのデータは、コンピュータ装置1によって次のように4つの要素eia〜eidのデータに書き換えられる。なお、細分化された要素には、元の要素の材料特性がそのまま引き継がれて定義される。
【0027】
書き換え前[初期の解析モデルの各要素eiのデータ]
・要素eiを構成する4つの節点番号(a1、a2、a3及びa4)
・要素eiを構成する4つの節点a1、a2、a3及びa4の各座標値
【0028】
書き換え後[細分化処理後の要素eiのデータ]
・要素eia
要素eiaを構成する節点番号(a1、a5、a9、a8)
要素eiaを構成する節点a1、a5、a9及びa8の各座標
・要素eib
要素eibを構成する節点番号(a5、a2、a6、a9)
要素eibを構成する節点a5、a2、a6及びa9の各座標
・要素eic
要素eicを構成する節点番号(a9、a6、a3、a7)
要素eicを構成する節点a9、a6、a3、a7の各座標
・要素eid
要素eidを構成する節点番号(a8、a9、a7、a4)
要素eidを構成する節点a8、a9、a7及びa4の各座標
【0029】
また、図6(b)に示されるように、三角形の要素eiにおいても同様の処理を行うことにより、4つの三角形の要素eia〜eidに細分化できるのは言うまでもない。
【0030】
以上の処理により、図3の初期の解析モデル4aは、図7に示されるように、元の4倍の要素数を持つ解析モデル4bへと細分化される。
【0031】
次に、本実施形態では、要素eのねじれの有無が調べられる(ステップS4)。
図9(a)に示されるように、例えばV字状の要素e(節点a1、a2、a3及びa4)では、前記細分化ステップにより、新たな節点fが元の要素eを外側に超えて生成される要素のねじれが生じる場合がある。要素のねじれは、計算エラーを引き起こすので、排除しなければならない。このような要素eのねじれの有無は、新たに生成された節点が、初期の要素eの内部に有るか否かを計算することによって判定しうる。
【0032】
そして、ねじれた要素eが有る場合(ステップS4でY)、ねじれた要素が無くなるまで新たに生成された節点を移動する処理が行われる(ステップS5)。例えば、図9(b)に示されるように、新たに生成された節点fを要素eの中に移動させることが行われる。移動させる位置は、任意に定めうるが、例えば要素eの重心や、節点a1と節点a3の中点などが好適である。
【0033】
他方、ねじれた要素が無いと判断された場合(ステップS4でN)、本実施形態では、図8(a)、(b)に示されるように、フィラーモデル3の輪郭L上の辺に定義された新たな節点cを、仮想輪郭LV上に移動させて要素を変形させる処理が行われる(変形ステップS6)。
【0034】
前記「仮想輪郭」は、図8(a)に示されるように、初期の解析モデル4において、フィラーモデル3の前記輪郭L上にあった初期の節点aを曲線、好ましくは円弧で滑らかに繋ぐことにより得られる。本実施形態において、前記仮想輪郭VLは、上で述べたように単一円になるので、この円周上に前記新たな節点cが移動され、要素が変形させられる。そして、移動された全ての節点cについて、その座標値がコンピュータ装置1によって書き換えられる。
【0035】
移動先の座標は、仮想輪郭VLの中心と半径を求め、幾何学的関係より求めることができる。仮想輪郭VLの中心は、フィラーモデル3の面積の重心から計算できる。また、仮想輪郭VLの半径は、前記中心と初期の節点aとの距離から計算できる。このような変形ステップS5を行うことにより、フィラーモデル3の輪郭Lをより滑らかとして円形に近づけ、計算精度を高めることができる。
【0036】
次に、本実施形態では、変形ステップS6の後、再度、要素eのねじれの有無が調べられる(ステップS7)。図9(c)に示されるように、変形ステップS6において、例えば節点a3をa3'に移動させた場合、要素eを構成している辺が、他の辺を横切るようなねじれが生じることが考えられる。このような要素のねじれは、例えば要素eの対向する辺b1、b2の交差の有無を調べることにより判定できる。
【0037】
そして、ねじれた要素eが有る場合(ステップS7でY)、ねじれた要素が無くなるまで(例えば、辺b1、b2の交差が無くなるまで)移動した節点を元に戻す方向に移動させる処理、即ち、書き換えられた節点の座標値を元の座標値に戻す処理が行われる(ステップS8)。
【0038】
他方、ねじれた要素が無いと判断された場合(ステップS7でN)、細分化終了条件を満たしているか否かが判断され(ステップS9)、終了条件を満たしているときには処理を終える。他方、細分化終了条件を満たしていない場合(ステップS9でN)、再度ステップS2以降が繰り返される。
【0039】
ここで、細分化終了の条件としては、任意に定めることができる。2次元の解析モデル4の場合、1回の細分化処理により、要素数は4倍になる。従って、初期の解析モデル4aの要素数と、作成したい解析モデル4の要素数とから、細分化処理を繰り返し行うループ数を予め設定し、それを細分化処理の終了条件と定めることができる。これにより、図10に示すような解析モデル4cを得ることができる。
【0040】
以上のように、本実施形態の解析モデルの作成方法では、きわめて簡単なステップを繰り返すことにより、比較的粗く作られた解析モデル4aであっても、細分化ステップを繰り返すことにより、要素数を増やしてより細かい要素分割を行うことができる。そして、解析モデル4の総要素数が、例えば1億個以上といった大規模モデルも容易に作成することができる。
【0041】
また、本実施形態の細分化ステップでは、要素eのつながりの連続性が途切れることがないので、計算精度が悪化するのも防止できる。
【0042】
図11には、本発明のさらに他の実施形態が示される。
この実施形態では、初期の解析モデル4aは、少なくとも2つのフィラーモデル3を含んで定義される。また、ゴムモデル2は、向き合う一方の辺がフィラーモデル3aと、他方の辺がフィラーモデル3bとそれぞれ共有され、2つのフィラーモデル3で直接挟まれる狭持要素ebを含んでモデル化される。換言すれば、狭持要素ebは、2つのフィラーモデル3a及び3bと、ともに辺を共有する。
【0043】
そして、このような初期の解析モデル4aに本発明方法を適用して細分化及び節点移動を行うことにより、図12の解析モデル4cを得ることができる。図12から明らかなように、細分化された解析モデル4cでは、前述の狭持要素ebを確実に無くすことができる。
【0044】
一般に、シミュレーションにおいて、ゴムは、実質的に体積変化が生じない非圧縮性が定義される。従って、体積変化が生じないとすると、フィラーモデル3、3間の狭持要素ebの変形は非常に限られてしまい、本来のゴムの動きを再現できないおそれがある。従来のソフトウエアでは、フィラー間距離を要素長さと同等かそれよりも小さくした場合、このような狭持要素ebが生じやすい。しかし、このような解析モデルは、シミュレーション結果に悪影響を与える。本発明方法の細分化ステップを解析モデル4aに適用した場合には、このような狭持要素ebを確実に無くすことができるという利点がある。
【0045】
以上、本発明の解析モデルの作成方法について詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されることなく種々の態様に変形して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】本実施形態の処理を行うコンピュータ装置の斜視図である。
【図2】本実施形態の処理手順を説明するフローチャートである。
【図3】初期の解析モデルを視覚化して示す平面図である。
【図4】そのA部拡大図である。
【図5】(a)、(b)は、細分化ステップを説明する図3のA部拡大図である。
【図6】(a)、(b)は、細分化ステップを説明する1要素の拡大図である。
【図7】細分化ステップ後の解析モデルを視覚化して示す平面図である。
【図8】(a)、(b)は、変形ステップを説明する解析モデルの部分拡大図である。
【図9】(a)〜(c)は、ねじれた要素を説明する線図である。
【図10】他の実施形態の解析モデルの平面図である。
【図11】他の実施形態の初期の解析モデルの平面図である。
【図12】他の実施形態の解析モデルの平面図である。
【符号の説明】
【0047】
1 コンピュータ装置
2 ゴムモデル
3 フィラーモデル
4 解析モデル
a 初期の節点
b 要素の辺
d 新たな辺
c、f 新たな節点
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ゴムとフィラーとを含むフィラー充填ゴムの変形をコンピュータによりシミュレーションするための解析モデルを作成する方法であって、
前記フィラーを有限個の要素で分割したフィラーモデルと、このフィラーモデルを囲むとともに前記ゴムを有限個の要素で分割したゴムモデルとを含む初期の解析モデルを設定するステップ、
前記初期の解析モデルの要素に新たな節点を設けて細分化する細分化ステップ、及び
前記フィラーモデルの輪郭上に定義された新たな節点を、前記初期の解析モデルの前記輪郭上にあった節点を滑らかに繋ぐことにより得られる仮想輪郭上に移動させて要素を変形させる変形ステップを含むことを特徴とするフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法。
【請求項2】
前記細分化ステップ及び/又は前記変形ステップの後、要素のねじれの有無を調べるステップと、ねじれた要素がある場合にねじれた要素の節点を元に戻すステップとを行う請求項1記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法。
【請求項3】
前記細分化ステップは、初期の解析モデルの2つの節点をつなぐ全ての辺上に新たな節点を定義しかつ該新たな節点を用いて初期の解析モデルの各要素を細分化する処理を含む請求項1又は2記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法。
【請求項4】
前記解析モデルの総要素数が1億個以上である請求項1乃至3のいずれかに記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法。
【請求項1】
ゴムとフィラーとを含むフィラー充填ゴムの変形をコンピュータによりシミュレーションするための解析モデルを作成する方法であって、
前記フィラーを有限個の要素で分割したフィラーモデルと、このフィラーモデルを囲むとともに前記ゴムを有限個の要素で分割したゴムモデルとを含む初期の解析モデルを設定するステップ、
前記初期の解析モデルの要素に新たな節点を設けて細分化する細分化ステップ、及び
前記フィラーモデルの輪郭上に定義された新たな節点を、前記初期の解析モデルの前記輪郭上にあった節点を滑らかに繋ぐことにより得られる仮想輪郭上に移動させて要素を変形させる変形ステップを含むことを特徴とするフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法。
【請求項2】
前記細分化ステップ及び/又は前記変形ステップの後、要素のねじれの有無を調べるステップと、ねじれた要素がある場合にねじれた要素の節点を元に戻すステップとを行う請求項1記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法。
【請求項3】
前記細分化ステップは、初期の解析モデルの2つの節点をつなぐ全ての辺上に新たな節点を定義しかつ該新たな節点を用いて初期の解析モデルの各要素を細分化する処理を含む請求項1又は2記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法。
【請求項4】
前記解析モデルの総要素数が1億個以上である請求項1乃至3のいずれかに記載のフィラー充填ゴムの解析モデルの作成方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2009−276147(P2009−276147A)
【公開日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−126258(P2008−126258)
【出願日】平成20年5月13日(2008.5.13)
【出願人】(000183233)住友ゴム工業株式会社 (3,458)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年5月13日(2008.5.13)
【出願人】(000183233)住友ゴム工業株式会社 (3,458)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]