JP6711344B2 - Method and apparatus for analyzing motion state of fibrous substance in fluid - Google Patents
Method and apparatus for analyzing motion state of fibrous substance in fluid Download PDFInfo
- Publication number
- JP6711344B2 JP6711344B2 JP2017234625A JP2017234625A JP6711344B2 JP 6711344 B2 JP6711344 B2 JP 6711344B2 JP 2017234625 A JP2017234625 A JP 2017234625A JP 2017234625 A JP2017234625 A JP 2017234625A JP 6711344 B2 JP6711344 B2 JP 6711344B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fluid
- fibrous substance
- sphere
- fibrous
- calculation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Description
本発明は、流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法並びにその解析装置に関する。 The present invention relates to a method of analyzing a motion state of a fibrous substance in a fluid and an analyzing apparatus therefor.
従来より、流体中に含まれる粒子がほぼ球状である場合については、その流体情報(流れ場の分布、流体の粘度等)や粒子情報(粒子の径、初期位置等)に基づき、種々の計算方法でコンピュータ・シミュレーションによって粒子の移動や回転を、比較的精度よく解析することが可能であった。これに対して、流体中に含まれる物質が繊維状物質である場合、流体中における繊維状物質の複雑な形状変化や挙動等から、コンピュータ・シミュレーションにより繊維状物質の移動の状態、変形の状態、分布の状態、配向の状態等を精度良くかつ短時間で解析することが困難であった。そのため、近年では、流体中の繊維状物質の運動状態について精度の高いシミュレーションを行うために様々な方法が検討されてきた。 Conventionally, when particles contained in a fluid are almost spherical, various calculations are performed based on the fluid information (flow field distribution, fluid viscosity, etc.) and particle information (particle diameter, initial position, etc.). By the method, it was possible to analyze the movement and rotation of particles by computer simulation with relatively high accuracy. On the other hand, when the substance contained in the fluid is a fibrous substance, due to the complicated shape change and behavior of the fibrous substance in the fluid, the movement state and the deformation state of the fibrous substance are calculated by computer simulation. However, it has been difficult to analyze the distribution state, the orientation state, etc. accurately and in a short time. Therefore, in recent years, various methods have been studied in order to perform a highly accurate simulation of the motion state of the fibrous substance in the fluid.
例えば、特開平5−314091号公報(特許文献1)においては、流動性のある基質に含まれる粒子の移動及び/又は変形及び/又は配向を、前記基質及び粒子の諸特性、基質の流れ場の分布、及び基質の流れ場における粒子の初期の位置及び配向等の情報に基づきCAE/CAD/CAMシステムを用いて解析する方法であって、前記粒子の形状に擬似した全体形状となるように複数の球体を1次元、2次元又は3次元方向に相互に結合させた球体集合体を前記粒子の解析用モデルとして用い(球体集合体モデルを用い)、この球体集合体を構成する各球体には隣り合う球体との間に粒子の引張り弾性に相当する結合長の自由度及び/又は粒子の曲げ弾性に相当する結合角の自由度を設定したもとで、各球体の並進及び/又は回転を計算し、これら各球体の計算結果の総計である球体集合体全体の移動及び/又は変形及び/又は配向の計算結果から前記粒子の移動及び/又は変形及び/又は配向を解析する方法が開示されている。このような特許文献1に記載のような解析方法は、繊維状物質の運動状態をシミュレーションするための方法として採用可能であるが、解析結果の精度の点では必ずしも十分なものではなかった。 For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-314091 (Patent Document 1), the movement and/or deformation and/or orientation of particles contained in a fluid substrate is determined by the various characteristics of the substrate and particles, the flow field of the substrate. Of the particle size and the initial position and orientation of the particle in the flow field of the substrate, and the like, and a method of analyzing using a CAE/CAD/CAM system so as to obtain an overall shape simulating the shape of the particle. A sphere assembly in which a plurality of spheres are mutually connected in one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional directions is used as a model for analyzing the particles (using a sphere assembly model), and each sphere constituting this sphere assembly is Is the translation and/or rotation of each sphere, with the degree of freedom of the bond length corresponding to the tensile elasticity of the particles and/or the degree of freedom of the bond angle corresponding to the bending elasticity of the particles set between adjacent spheres. And a method of analyzing the movement and/or deformation and/or orientation of the particles from the calculation result of the movement and/or deformation and/or orientation of the entire sphere aggregate, which is the sum of the calculation results of these spheres, is disclosed. Has been done. The analysis method as described in Patent Document 1 can be adopted as a method for simulating the motion state of the fibrous substance, but it is not always sufficient in terms of the accuracy of the analysis result.
なお、このようなシミュレーションにより得られる流体中の繊維状物質の運動状態の解析結果は、例えば、繊維強化樹脂(FRP)や繊維強化金属(FRM)等の複合材料の成形条件、成形用金型等の重要な設計指針となり、また、電気粘性流体や磁性流体等における分散粒子の分布や配向の制御のための有効な資料とし得るため、流体中の繊維状物質の運動状態を解析する方法としては、より精度の高いシミュレーションが可能な方法の出現が望まれている。また、このような流体中の繊維状物質の運動状態を解析する方法としては、従来の方法と比較してより短い時間で、より効率よくシミュレーションすることが可能となるような方法の出現も望まれている。 In addition, the analysis result of the motion state of the fibrous substance in the fluid obtained by such a simulation shows, for example, molding conditions of a composite material such as fiber reinforced resin (FRP) or fiber reinforced metal (FRM), a molding die. Since it can be an important design guideline, etc., and can be an effective data for controlling the distribution and orientation of dispersed particles in electrorheological fluids, magnetic fluids, etc., it is used as a method for analyzing the motion state of fibrous substances in fluids. , It is desired to develop a method capable of more accurate simulation. In addition, as a method of analyzing the motion state of such fibrous substances in a fluid, it is desirable to develop a method that enables more efficient simulation in a shorter time than the conventional method. It is rare.
本発明は、前記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、流体中の繊維状物質の運動状態をより短時間でかつより精度高くシミュレーションすることを可能とする流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法及びそのような解析方法を実行することが可能な流体中の繊維状物質の運動状態の解析装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and a fibrous substance in a fluid capable of simulating a motion state of a fibrous substance in a fluid in a shorter time and with higher accuracy. It is an object of the present invention to provide a method for analyzing a motion state of the above and an apparatus for analyzing a motion state of a fibrous substance in a fluid capable of executing such an analysis method.
本発明者らは、前記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、下記ステップ(a)〜(c)を含み、流体の運動と繊維状物質の運動を連成解析して求められる解析結果を順次利用して、特定の時間が経過するまでの間の流体の運動と繊維状物質の運動を連成解析することにより、流体中の繊維状物質の運動状態をより短時間でかつより精度高くシミュレーションすることが可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned object, the present inventors have obtained the analysis results including the following steps (a) to (c) and performing a coupled analysis of the motion of the fluid and the motion of the fibrous substance. By sequentially analyzing the motion of the fluid and the motion of the fibrous material until a specific time elapses, the motion state of the fibrous material in the fluid can be calculated in a shorter time and more accurately. The inventors have found that it is possible to perform high simulation, and have completed the present invention.
すなわち、本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法は、流体の運動方程式と粒子の運動方程式を利用して繊維状物質及び流体の運動を計算する上で必要となる繊維状物質及び流体の情報に基づいて、流体中の繊維状物質の運動状態をシミュレーションするための解析方法であって、下記ステップ(a)〜(c):
ステップ(a):前記繊維状物質が複数の球体が結合した球体集合体からなるものと仮定する球体集合体モデルを用いる計算方法を用いて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の運動を解析するためのステップであり、
流体の速度の情報に基づいて、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力及び前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルクを計算し、
前記繊維状物質の各球体間の結合力及び前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクを計算し、
前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力、前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルク、前記繊維状物質の各球体間の結合力、及び、前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクの情報に基づいて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算する、繊維状物質の運動解析ステップ;
ステップ(b):前記ステップ(a)で計算した前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力の情報に基づいて、前記流体が前記繊維状物質から受ける力を計算し、前記流体が前記繊維状物質から受ける力と前記流体中の前記繊維状物質の体積分率とを考慮して、特定の時刻から微小時間経過後における流体の速度を計算する、流体の運動と繊維状物質の運動との連成解析ステップ;
ステップ(c):前記ステップ(a)及びステップ(b)で既に求められた過渡的な流体及び繊維状物質の運動状態の情報を利用して、新たに前記ステップ(a)〜(b)の計算を順次実行する処理を、所定条件を満たすまで繰り返し実行する反復演算ステップ;
を含み、前記反復演算ステップ中に流体の運動と繊維状物質の運動を解析して求められる微小時間経過後の過渡的な解析結果を順次利用して、流体の運動と繊維状物質の運動を連成解析し、流体中の繊維状物質の運動状態を解析することを特徴とする方法である。
That is, the method of analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention uses the equation of motion of the fluid and the equation of motion of the particles to calculate the movement of the fibrous substance and the fluid. And an analysis method for simulating the motion state of the fibrous substance in the fluid based on the information of the fluid, comprising the following steps (a) to (c):
Step (a): The fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time by using a calculation method using a sphere aggregation model assuming that the fibrous substance is composed of a sphere assembly in which a plurality of spheres are bonded. Is a step for analyzing the movement of
Based on the information of the velocity of the fluid, calculate the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance and the torque that each sphere of the fibrous substance receives from the fluid,
Calculate the binding force between each sphere of the fibrous material and the restoring torque for the bending deformation between each sphere of the fibrous material,
Fluid resistance of each sphere of the fibrous material, torque that each sphere of the fibrous material receives from the fluid, binding force between each sphere of the fibrous material, and bending between each sphere of the fibrous material. The position, velocity and angular velocity of each sphere of the fibrous substance and the bending angle between adjacent spheres forming the fibrous substance are calculated after a lapse of a minute time from a specific time based on the information of the restoring torque for the deformation. , Fibrous material motion analysis step;
Step (b): The force that the fluid receives from the fibrous substance is calculated based on the fluid resistance force information of each sphere of the fibrous substance calculated in step (a), and the fluid is the fibrous substance. Considering the force received from the substance and the volume fraction of the fibrous substance in the fluid, calculate the velocity of the fluid after a lapse of a minute time from a specific time, the movement of the fluid and the movement of the fibrous substance Coupled analysis step;
Step (c): Utilizing the information on the transient motion states of the fluid and the fibrous substance, which are already obtained in the steps (a) and (b), the steps (a) and (b) are newly added. An iterative operation step in which the process of sequentially executing the calculation is repeatedly executed until a predetermined condition is satisfied;
The motion of the fluid and the motion of the fibrous substance are sequentially used by sequentially using the transient analysis result after a lapse of a minute time obtained by analyzing the motion of the fluid and the motion of the fibrous substance during the iterative calculation step. This method is characterized by performing a coupled analysis and analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid.
また、上記本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法においては、前記繊維状物質の運動解析ステップにおいて、繊維状物質間の相互作用力に関する流体潤滑力と機械接触力を計算することなく、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算することが好ましい。 Further, in the above-described method of analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention, in the motion analysis step of the fibrous substance, the fluid lubricating force and the mechanical contact force related to the interaction force between the fibrous substances are calculated. Instead, it is preferable to calculate the position, velocity and angular velocity of each sphere of the fibrous substance and the bending angle between adjacent spheres that form the fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time.
また、本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析装置は、流体の運動方程式と粒子の運動方程式を利用して繊維状物質及び流体の運動を計算する上で必要となる繊維状物質及び流体の情報に基づいて、流体中の繊維状物質の運動状態をシミュレーションするための解析装置であって、
前記繊維状物質が複数の球体が結合した球体集合体からなるものと仮定する球体集合体モデルを用いる計算方法を用いて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の運動を解析するための演算手段であり、流体の速度の情報に基づいて、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力及び前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルクを計算し、前記繊維状物質の各球体間の結合力及び前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクを計算し、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力、前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルク、前記繊維状物質の各球体間の結合力、及び、前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクの情報に基づいて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算する第一の演算手段と;
前記第一の演算手段により計算された前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力の情報に基づいて、前記流体が前記繊維状物質から受ける力を計算し、前記流体が前記繊維状物質から受ける力と前記流体中の前記繊維状物質の体積分率とを考慮して、特定の時刻から微小時間経過後における流体の速度を計算する、第二の演算手段と;
前記第一の演算手段及び前記第二の演算手段で既に求められた過渡的な流体及び繊維状物質の運動状態の情報を利用して、新たに前記第一の演算手段及び前記第二の演算手段での計算を順次実行する処理を、所定条件を満たすまで繰り返す反復演算ステップを実行させるために、該条件を満たしたか否かを判定する、判定手段と;
を備え、前記反復演算ステップ中に流体の運動と繊維状物質の運動を解析して求められる微小時間経過後の過渡的な解析結果を順次利用して、流体の運動と繊維状物質の運動を連成解析し、流体中の繊維状物質の運動状態を解析することを特徴とするものである。
Further, the analysis apparatus of the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention uses the equation of motion of the fluid and the equation of motion of the particles to calculate the movement of the fibrous substance and the fluid. And an analysis device for simulating a motion state of a fibrous substance in a fluid based on information of the fluid,
Using a calculation method using a sphere assembly model assuming that the fibrous material is composed of a sphere assembly in which a plurality of spheres are bonded, the movement of the fibrous material after a lapse of a minute time from a specific time is analyzed. Is a calculation means for calculating the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance and the torque that each sphere of the fibrous substance receives from the fluid, based on the information of the velocity of the fluid, The binding force between the spheres and the restoring torque for bending deformation between the spheres of the fibrous substance are calculated, and the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance, the torque that each sphere of the fibrous substance receives from the fluid. , The binding force between the spheres of the fibrous substance, and based on the information of the restoring torque for the bending deformation between the spheres of the fibrous substance, each of the fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time First calculation means for calculating the position, velocity and angular velocity of the sphere, and the bending angle between adjacent spheres forming the fibrous substance;
The force received by the fluid from the fibrous substance is calculated based on the information on the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance calculated by the first computing means, and the fluid receives from the fibrous substance. Second computing means for calculating the velocity of the fluid after a lapse of a minute time from a specific time in consideration of the force and the volume fraction of the fibrous substance in the fluid;
Utilizing the information on the transitional motion states of the fluid and the fibrous substance already obtained by the first computing means and the second computing means, the first computing means and the second computing are newly added. Determination means for determining whether or not the condition is satisfied in order to execute an iterative operation step in which the process of sequentially executing the calculation by the means is repeated until a predetermined condition is satisfied;
The motion of the fluid and the motion of the fibrous material are sequentially used by sequentially using the transient analysis result after a lapse of a minute time obtained by analyzing the motion of the fluid and the motion of the fibrous material during the iterative calculation step. It is characterized by performing a coupled analysis and analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid.
さらに、上記本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析装置においては、前記第一の演算手段が、繊維状物質間の相互作用力に関する流体潤滑力と機械接触力を計算することなく、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算する演算手段であることが好ましい。 Furthermore, in the above-described device for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention, the first computing means does not calculate the fluid lubrication force and the mechanical contact force related to the interaction force between the fibrous substances. It is preferable that the arithmetic means is for calculating the position, velocity and angular velocity of each sphere of the fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time, and the bending angle between adjacent spheres constituting the fibrous substance.
本発明によれば、流体中の繊維状物質の運動状態をより短時間でかつより精度高くシミュレーションすることを可能とする流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法及びそのような解析方法を実行することが可能な流体中の繊維状物質の運動状態の解析装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, there is provided an analysis method of a motion state of a fibrous substance in a fluid and such an analysis method, which makes it possible to simulate a motion state of a fibrous substance in a fluid in a shorter time and with higher accuracy. It becomes possible to provide an apparatus for analyzing the motion state of fibrous substances in a fluid that can be executed.
以下、図面を参照しながら、本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法及び解析装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, with reference to the drawings, preferred embodiments of a method and an apparatus for analyzing a motion state of a fibrous substance in a fluid of the present invention will be described in detail. In the following description and drawings, the same or corresponding elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法及び本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析装置は上述の通りである。図1に本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析装置の好適な一実施形態のブロック図を示す。 The method for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention and the device for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention are as described above. FIG. 1 shows a block diagram of a preferred embodiment of the apparatus for analyzing the motion state of fibrous substances in a fluid according to the present invention.
図1に示す実施形態の解析装置は、初期条件等を入力するための入力部1と、入力部1によって入力されたデータに基づいて演算を実行するための演算処理部2と、解析結果を出力するための出力部3とを備えるものである。 The analysis apparatus of the embodiment shown in FIG. 1 includes an input unit 1 for inputting initial conditions and the like, an arithmetic processing unit 2 for executing an arithmetic operation based on data input by the input unit 1, and an analysis result. And an output unit 3 for outputting.
このような入力部1は、特に制限されず、所望の設定条件等を入力することが可能なものであればよく、例えば、キーボードやマウスなどの他、各種データが予め記憶されたハードディスクやROM(Read Only Memory)等の記憶媒体であってもよい。 The input unit 1 is not particularly limited as long as it can input desired setting conditions and the like. For example, in addition to a keyboard and a mouse, a hard disk or a ROM in which various data are stored in advance. A storage medium such as (Read Only Memory) may be used.
また、出力部3も特に制限されず、演算処理部2による演算結果(解析結果)をデータとして出力できるものであればよく、例えば、データを記憶させる記憶媒体、紙に印刷させるプリンタ、画面に表示させるモニタ等のいずれの形態のものであってもよい。 The output unit 3 is also not particularly limited as long as it can output the calculation result (analysis result) by the calculation processing unit 2 as data. For example, a storage medium for storing data, a printer for printing on paper, a screen It may be in any form such as a monitor for display.
演算処理部2は、後述する各ステップを実行させるコンピュータプログラムがインストールされたコンピュータによって主に構成される。すなわち、演算処理部2は、後述する各ステップの計算(演算)を実行するためのCPU(Central Processing Unit)及びメモリ等からなるハードと、各ステップ(かかるステップについては数式と共に後述する)を実行させるためにインストールされたコンピュータプログラム(ソフト)とを備えるものである。 The arithmetic processing unit 2 is mainly configured by a computer in which a computer program for executing each step described below is installed. That is, the arithmetic processing unit 2 executes hardware including a CPU (Central Processing Unit) and a memory for executing calculation (calculation) of each step to be described later, and each step (these steps will be described later together with mathematical expressions). And a computer program (software) installed for the purpose.
このようなCPUとしては、例えば、中央処理装置、処理装置、演算装置、プロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、DSP(Digital Signal Processor)等が挙げられる。 Examples of such a CPU include a central processing unit, a processing unit, an arithmetic unit, a processor, a microprocessor, a microcomputer, a DSP (Digital Signal Processor), and the like.
また、このようなメモリとしては、例えば、一時記憶領域としてのRAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(Electrically EPROM)等の不揮発性または揮発性の半導体メモリであってもよいし、ハードディスク、フレキシブルディスク等の磁気ディスクであってもよいし、ミニディスク、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)等の光ディスクであってもよい。なお、このような演算処理部2を構成するメモリには、入力部1により入力される初期条件(基礎情報:例えば、繊維状物質の球体集合体モデルの各球体の初期位置や各球体の初期回転角等の情報等)を記憶する領域が形成されていることが好ましい。 As such a memory, for example, a non-volatile memory such as a RAM (Random Access Memory) as a temporary storage area, a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable ROM), an EEPROM (Electrically EPROM), or the like. It may be a volatile semiconductor memory, a magnetic disk such as a hard disk or a flexible disk, or an optical disk such as a mini disk, a CD (Compact Disc), a DVD (Digital Versatile Disc), or the like. .. It should be noted that the memory configuring the arithmetic processing unit 2 has an initial condition (basic information: for example, an initial position of each sphere of a sphere assembly model of fibrous substances and an initial condition of each sphere). It is preferable that a region for storing information such as a rotation angle) is formed.
また、演算処理部2は、第一の演算手段21と、第二の演算手段22と、判定手段23とを備える。 Further, the arithmetic processing unit 2 includes a first arithmetic unit 21, a second arithmetic unit 22, and a determination unit 23.
このような第一の演算手段21は、前記繊維状物質が複数の球体が結合した球体集合体からなるものと仮定する球体集合体モデルを用いる計算方法を用いて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の運動を解析するための演算手段であり、流体の速度の情報に基づいて、前記繊維状物質の各球体(前記繊維状物質の球体集合体モデルの各球体)の流体抵抗力及び前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルクを計算し、前記繊維状物質の各球体間の結合力及び前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクを計算し、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力、前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルク、前記繊維状物質の各球体間の結合力、及び、前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクの情報に基づいて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角(角度)を計算するための演算手段(例えば、メモリに格納した、前記計算処理を実行するためのプログラムによりCPUに演算(計算)処理を実行させるための手段)である。 The first computing means 21 as described above uses a calculation method using a sphere assembly model in which the fibrous substance is assumed to be a sphere assembly in which a plurality of spheres are bonded, and a minute time elapses from a specific time. It is a calculating means for analyzing the movement of the fibrous substance afterwards, and based on the information of the velocity of the fluid, the fluid of each sphere of the fibrous substance (each sphere of the sphere aggregate model of the fibrous substance). Calculate the torque that each sphere of the fibrous material receives from the fluid, calculate the binding force between each sphere of the fibrous material and the restoring torque for bending deformation between each sphere of the fibrous material, Fluid resistance of each sphere of the fibrous material, torque that each sphere of the fibrous material receives from the fluid, binding force between each sphere of the fibrous material, and bending between each sphere of the fibrous material. Based on the information of the restoring torque for the deformation, the position, velocity and angular velocity of each sphere of the fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time, and the bending angle (angle) between adjacent spheres forming the fibrous substance Is a calculation means (for example, means for causing a CPU to execute calculation (calculation) processing by a program stored in a memory for executing the calculation processing).
なお、このような演算に利用する流体の速度の情報としては、既に第二の演算手段により計算された計算結果の情報(データ)がある場合にはその計算結果を利用し、また、未だ第二の演算手段により流体の速度を計算していない場合(1回目の計算時)においては、初期条件として入力された流体の速度の情報を利用してもよいし、あるいは、初期条件として入力された情報に基づいて計算して求めてもよい。また、このような球体集合体モデルを用いる計算方法により、流体の速度の情報に基づいて、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力及び前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルクを計算する方法、並びに、前記繊維状物質の各球体間の結合力及び前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクを計算する方法の具体的な方法は後述する。なお、このような繊維状物質の各球体間の結合力及び前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクを計算する方法としては公知の方法(例えば特開平5−314091号公報に記載のような方法)をそのまま応用してもよい。 As the information on the velocity of the fluid used for such calculation, if there is already information (data) on the calculation result calculated by the second calculation means, the calculation result is used, When the fluid velocity is not calculated by the second calculation means (during the first calculation), the fluid velocity information input as the initial condition may be used, or the fluid velocity information input as the initial condition may be used. It may be calculated based on the information obtained. Further, by the calculation method using such a sphere aggregate model, based on the information of the velocity of the fluid, the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance and the torque that each sphere of the fibrous substance receives from the fluid are calculated. A specific method of calculating and a method of calculating the binding force between the spheres of the fibrous substance and the restoring torque for the bending deformation between the spheres of the fibrous substance will be described later. Incidentally, as a method for calculating the binding force between the spheres of the fibrous substance and the restoring torque for the bending deformation between the spheres of the fibrous substance, a known method (for example, described in JP-A-5-314091). Method) may be applied as it is.
また、第一の演算手段21においては、特定の時刻から微小時間経過後(時刻:t+Δt)における前記繊維状物質の運動を解析する。本発明においては、このような解析において、上記計算により求められる前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力、前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルク、前記繊維状物質の各球体間の結合力、及び、前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクの情報をそのまま用いて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角(曲げ角度)を計算する。そして、このような計算の際には、繊維状物質間の相互作用力に関する流体潤滑力と機械接触力を計算することなく、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算することが好ましい。このように、第一の演算手段21は、繊維状物質間の相互作用力に関する流体潤滑力と機械接触力を計算することなく、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算する演算手段であることが好ましい。このように、本発明においては、第一の演算手段21において、繊維状物質同士の2体相互作用(繊維状物質間の相互作用力に関する流体潤滑力と機械接触力)を計算することなく、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体(前記繊維状物質の球体集合体モデルの各球体)の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体(前記繊維状物質の球体集合体モデルを構成する球体であって隣り合う球体)間の曲げ角を計算することができる。そのため、本発明によれば、より短時間で運動状態をシミュレーションすることが可能となる。なお、具体的な計算方法等については後述する。 Further, the first computing means 21 analyzes the movement of the fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time (time: t+Δt). In the present invention, in such an analysis, the fluid resistance of each sphere of the fibrous substance obtained by the above calculation, the torque that each sphere of the fibrous substance receives from the fluid, the inter-sphere of the fibrous substance Using the information on the binding force of the fibrous substance and the restoring torque for the bending deformation between the spheres of the fibrous substance as it is, the position, velocity and angular velocity of each sphere of the fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time and The bending angle (bending angle) between the adjacent spheres forming the fibrous substance is calculated. Then, in such a calculation, without calculating the fluid lubrication force and the mechanical contact force related to the interaction force between the fibrous substances, the sphere of each of the fibrous substances after a lapse of a minute time from a specific time is calculated. It is preferable to calculate the position, velocity and angular velocity, and the bending angle between adjacent spheres that make up the fibrous material. As described above, the first calculating means 21 does not calculate the fluid lubrication force and the mechanical contact force related to the interaction force between fibrous substances, and each sphere of the fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time. It is preferable that the arithmetic means is for calculating the position, velocity and angular velocity, and the bending angle between adjacent spheres constituting the fibrous substance. As described above, in the present invention, the first computing means 21 does not calculate the two-body interaction between fibrous substances (fluid lubricating force and mechanical contact force related to the interaction force between fibrous substances), Positions, velocities and angular velocities of the spheres of the fibrous substance (each sphere of the sphere aggregate model of the fibrous substance) after a lapse of a minute time from a specific time, and adjacent spheres (the fibers Bending angles between adjacent spheres, which are spheres that form a sphere aggregate model of a spherical substance, can be calculated. Therefore, according to the present invention, the motion state can be simulated in a shorter time. The specific calculation method and the like will be described later.
また、第二の演算手段22は、第一の演算手段21により、計算された前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力の情報に基づいて、前記流体が前記繊維状物質から受ける力を計算し、前記流体が前記繊維状物質から受ける力と前記流体中の前記繊維状物質の体積分率とを考慮して、特定の時刻から微小時間経過後における流体の速度を計算するための演算手段(例えば、メモリに格納した、前記計算処理を実行するためのプログラムによりCPUに演算(計算)処理を実行させるための手段)である。このような計算により、繊維状物質が流体から受ける力と、流体が前記繊維状物質から受ける力とを連成解析して、流体の速度を計算することが可能である。そして、本発明においては、後述の判定手段23により、所定条件を満たすものと判定されるまで、微小時間経過後の過渡的な解析結果を順次利用して、新たに第一の演算手段21による計算及び第二の演算手段22による計算を実行する処理を繰り返す。これにより、流体の運動と繊維状物質の運動を連成解析して求められる微小時間経過後の過渡的な解析結果(例えば、流体の速度、流体中の繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度、前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角等の変位の情報等)を順次利用して、流体中の繊維状物質の運動状態を解析することが可能となる。なお、このような解析方法においては、繊維状物質同士の相互作用を計算することがないため、より短時間で運動状態をシミュレーションすることが可能となる。また、このような解析方法によれば、流体の運動と繊維状物質の運動を連成解析しているため、より精度の高いシミュレーションを行うことが可能となる。 Further, the second calculation means 22 calculates the force that the fluid receives from the fibrous substance, based on the information on the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance calculated by the first calculation means 21. The calculation means for calculating the velocity of the fluid after a lapse of a minute time from a specific time in consideration of the force that the fluid receives from the fibrous substance and the volume fraction of the fibrous substance in the fluid. (For example, means for causing the CPU to execute the calculation (calculation) processing by the program for executing the calculation processing stored in the memory). By such a calculation, it is possible to calculate the velocity of the fluid by performing a coupled analysis of the force that the fibrous substance receives from the fluid and the force that the fluid receives from the fibrous substance. Then, in the present invention, until the determination means 23 described later determines that the predetermined condition is satisfied, the transient analysis results after a lapse of a minute time are sequentially used to newly use the first calculation means 21. The calculation and the process of executing the calculation by the second calculation means 22 are repeated. As a result, the transient analysis result after a lapse of a minute time obtained by coupled analysis of the motion of the fluid and the motion of the fibrous substance (for example, the velocity of the fluid, the position of each sphere of the fibrous substance in the fluid, the velocity It is possible to analyze the motion state of the fibrous substance in the fluid by sequentially utilizing the angular velocity, the displacement information such as the bending angle between the adjacent spheres forming the fibrous substance, and the like). In such an analysis method, since the interaction between fibrous substances is not calculated, it becomes possible to simulate the motion state in a shorter time. Further, according to such an analysis method, since the motion of the fluid and the motion of the fibrous substance are coupled and analyzed, it is possible to perform a more accurate simulation.
判定手段23は、前記第一の演算手段及び前記第二の演算手段で既に求められた過渡的な流体及び繊維状物質の運動状態の情報を用いて(例えば第一の演算手段21で用いる前記流体の速度として第二の演算手段で求められる流体の速度を用いて)、第一の演算手段21及び第二の演算手段22での計算を順次実行する処理を、所定条件を満たすまで繰り返し実行させるために、該条件を満たしたか否かを判定するための手段である。このような条件の判定方法としては、例えば、前記所定条件として繰り返し計算する回数を設定して、繰り返し計算する回数が設定した回数を満たしたか否かを判定してもよく、あるいは、第一の演算手段21及び第二の演算手段22での計算が、所定の時刻tから微小時間(Δt)追加した時間における計算結果を求めるものであるため、前記所定条件として最終的な時間(Tend)を設定して、第一の演算手段21及び第二の演算手段22での計算を順次実行する処理が終了する度に、計算結果を求めた時間(t+Δt)が設定時間(Tend)よりも小さいか否かを判断することで、所定条件を満たすか否かを判断してもよい。なお、このような判定は、例えば、メモリに格納した判定プログラムに条件を入力してCPUに実行させればよい。また、本発明においては、判定手段23で条件を判定した後に、所定条件を満たしていなかった場合には、第一の演算手段21及び第二の演算手段22での計算を順次実行する処理を、所定条件を満たすまで繰り返し実行させる。このような観点から、判定手段23は、条件に応じて反復演算を実行させるための手段としても機能させることが好ましい。なお、本実施形態における演算処理部2には、判定手段23において所定条件を満たさないものと判断した場合に、第一の演算手段21及び第二の演算手段22による計算結果を利用して、新たに第一の演算手段21及び第二の演算手段22での計算を順次実行させるためのコンピュータプログラム;判定手段23において所定条件を満たすものと判断した場合に、それまでの計算結果を出力するためのコンピュータプログラム;等をメモリに格納してもよい。 The determining means 23 uses the information on the transient motion states of the fluid and the fibrous substance, which have already been obtained by the first calculating means and the second calculating means (for example, the above-mentioned information used by the first calculating means 21). Using the fluid velocity obtained by the second computing means as the fluid velocity), the processing of sequentially executing the calculations in the first computing means 21 and the second computing means 22 is repeatedly executed until a predetermined condition is satisfied. In order to do so, it is a means for determining whether or not the condition is satisfied. As a method of determining such a condition, for example, it is possible to set the number of times of repeated calculation as the predetermined condition and determine whether the number of times of repeated calculation satisfies the set number of times, or Since the calculation by the calculating means 21 and the second calculating means 22 is to obtain the calculation result at the time when a minute time (Δt) is added from the predetermined time t, the final time (T end ) as the predetermined condition. Every time the processing of sequentially setting the values and setting the calculation by the first calculation means 21 and the second calculation means 22 is completed, the time (t+Δt) for obtaining the calculation result is shorter than the set time (T end ). You may judge whether a predetermined condition is satisfied by judging whether it is small. Note that such a determination may be performed by inputting conditions into a determination program stored in the memory and causing the CPU to execute the determination. Further, in the present invention, if the predetermined condition is not satisfied after the condition is judged by the judging means 23, a process of sequentially executing the calculation by the first calculating means 21 and the second calculating means 22 is performed. , Repeatedly executed until a predetermined condition is satisfied. From such a viewpoint, it is preferable that the determination unit 23 also function as a unit for executing the iterative calculation according to the condition. Note that the arithmetic processing unit 2 in the present embodiment uses the calculation results of the first arithmetic unit 21 and the second arithmetic unit 22 when the determining unit 23 determines that the predetermined condition is not satisfied, A computer program for newly executing the calculations in the first calculating means 21 and the second calculating means 22 in sequence; when the judging means 23 judges that a predetermined condition is satisfied, the calculation results up to that time are output. A computer program for storing the program may be stored in the memory.
以下、図2に示すフローチャート(本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法の好適な一実施形態)に基づいて、本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法の好適な実施形態、及び、上記演算手段による計算の具体的な計算方法を説明する。なお、このようなフローチャートに記載するような解析処理方法は、ユーザーが入力部1を介して解析処理を行うよう指示した時に、演算処理部2のメモリ中に記憶された解析処理プログラムを実行させることで開始させてもよい。また、以下に説明する本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法の好適な実施形態は、せん断力が加えられた場合(せん断場中)の流体中の繊維状物質の運動状態(例えば、流体中における繊維状物質の配向状態)を解析する方法である。 Hereinafter, based on the flowchart shown in FIG. 2 (a preferred embodiment of the method for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention), the method for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention will be described. A preferred embodiment and a specific calculation method of the calculation by the calculation means will be described. It should be noted that the analysis processing method as described in such a flowchart causes the analysis processing program stored in the memory of the arithmetic processing unit 2 to be executed when the user instructs via the input unit 1 to perform the analysis processing. You may start by doing that. Further, the preferred embodiment of the method for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention described below is a motion state of the fibrous substance in the fluid when a shearing force is applied (in a shear field). (For example, a method of analyzing the orientation state of fibrous substances in a fluid).
このような解析に際しては、先ず、ステップS1において、入力部1を介して演算処理部2に初期条件(基礎情報)を入力する。 In such an analysis, first, in step S1, initial conditions (basic information) are input to the arithmetic processing unit 2 via the input unit 1.
このような初期条件(基礎情報)としては、流体の運動方程式と粒子の運動方程式を利用して繊維状物質及び流体の運動を計算する上で必要となる繊維状物質及び流体の情報であり、例えば、流体の計算に必要となる計算メッシュ(計算格子:計算セル)の情報、繊維状物質を後述の球体集合体モデルにモデル化するために必要な繊維状物質の物性等の情報、流体の運動を解析するために必要な流体の物性等の流体の境界条件の情報、等が挙げられる。なお、このような「流体の運動方程式」は、連続の式(質量保存)およびナビエ・ストークス方程式(Navier-Stokes方程式)の他、流体の運動を計算するために、及び、繊維状物質の運動及び流体の運動を連成して計算するために、必要となる後述の各種計算式等を含む概念である。また、「粒子の運動方程式」は、式(7)又は式(7’)、及び、式(8)の方程式など、繊維状物質の運動を計算するために、及び、繊維状物質の運動及び流体の運動を連成して計算するために、必要となる後述の各種計算式等を含む概念である。 Such an initial condition (basic information) is information on the fibrous substance and the fluid necessary for calculating the motions of the fibrous substance and the fluid using the equation of motion of the fluid and the equation of motion of the particles, For example, information on the calculation mesh (calculation grid: calculation cell) necessary for calculating the fluid, information on the physical properties of the fibrous material necessary for modeling the fibrous material into the spherical aggregate model described below, Information on fluid boundary conditions such as physical properties of fluid necessary for analyzing motion, and the like. Such "fluid motion equations" include not only continuity equations (mass conservation) and Navier-Stokes equations (Navier-Stokes equations) but also for calculating fluid motions and fibrous material motions. Also, it is a concept including various calculation formulas and the like, which will be described later, which are necessary to calculate fluid motions in a coupled manner. Further, the “particle motion equation” is used to calculate the motion of the fibrous substance, such as the formula (7) or the formula (7′) and the formula (8), and This is a concept including various calculation formulas described later, which are necessary to calculate fluid motions in a coupled manner.
このような計算メッシュに関して、流体中に繊維状物質が分散された状態を解析するために、適切な範囲に解析領域を有限個に分割すればよく、そのような分割を行うための条件等は解析する対象に応じて公知の方法を採用して適宜設定すればよい。 With regard to such a calculation mesh, in order to analyze the state in which the fibrous substance is dispersed in the fluid, it is sufficient to divide the analysis region into a finite number in an appropriate range, and the conditions for performing such division are A known method may be adopted and appropriately set according to the object to be analyzed.
また、初期条件(基礎情報)として入力する前記繊維状物質の情報としては、例えば、繊維状物質の本数、繊維状物質の直径、繊維状物質のアスペクト比、繊維状物質の密度(ρp)、繊維状物質のヤング率の情報が挙げられる。 Further, as the information of the fibrous substance to be input as the initial condition (basic information), for example, the number of fibrous substances, the diameter of the fibrous substance, the aspect ratio of the fibrous substance, the density of the fibrous substance (ρ p ) , Information about the Young's modulus of the fibrous substance can be given.
また、初期条件(基礎情報)として入力する前記流体の情報としては、例えば、流体の密度(ρf)、粘度係数(μ)、流体中の圧力(p)、流体の速度(壁面速度や、uf i:初期条件としてのtn(n=0)の時の速度(繊維状物質は未考慮))等の境界条件、計算領域の大きさなどの情報が挙げられる。なお、流体中の圧力(P)等については、例えば、非圧縮性流体を仮定した計算法の場合は流体の質量が保存されるように圧力が決定されるため、特別な初期条件は必要としない。また、前記基礎情報として利用する流体の情報のうち、流体の運動に関する情報(速度や角速度)を入力する場合には、連続の式(質量保存)およびナビエ・ストークス方程式(Navier-Stokes方程式)に基づいて解析した値を利用してもよい。なお、流体の運動に関する情報(速度や角速度)は、流体の特性の情報や境界条件等の情報に基づいて、演算処理部2のCPUで計算させてもよい。ここで、例えば、図3に示すようなせん断流動場(単純せん断流中の繊維状物質の分散系:なお、図3中のU0は、移動するプレート(板)の速度を示し、2δは計算領域の1辺の長さを示す)を例に挙げると、流体の速度(uf i)は、そのU0やδ(delta)の情報(せん断速度(=U0/δ)の情報)に基づいて、連続の式(質量保存)およびナビエ・ストークス方程式(Navier-Stokes方程式)に基づいて解析できる。 Further, as the information of the fluid to be input as the initial condition (basic information), for example, the density (ρ f ) of the fluid, the viscosity coefficient (μ), the pressure (p) in the fluid, the velocity of the fluid (wall surface velocity, u f i: speed when the t n (n = 0) as the initial condition (fibrous material not yet considered) boundary conditions, etc.), information such as the size of the computational domain and the like. Regarding the pressure (P) in the fluid, for example, in the case of a calculation method assuming an incompressible fluid, the pressure is determined so that the mass of the fluid is preserved, so that a special initial condition is required. do not do. In addition, when inputting information (velocity and angular velocity) related to fluid motion among the fluid information used as the basic information, the continuous equation (mass conservation) and the Navier-Stokes equation (Navier-Stokes equation) are used. You may utilize the value analyzed based on it. The information about the motion of the fluid (velocity or angular velocity) may be calculated by the CPU of the arithmetic processing unit 2 based on the information about the characteristic of the fluid or the information about the boundary condition. Here, for example, a shear flow field as shown in FIG. 3 (a dispersion system of a fibrous substance in a simple shear flow: U 0 in FIG. 3 indicates the velocity of a moving plate (plate), and 2δ is Taking shown) the length of one side of the computational domain as an example, the velocity of the fluid (u f i), the information of the U 0 and [delta] (delta) (shear rate (= U 0 / [delta]) information) Based on the equation of continuity (conservation of mass) and Navier-Stokes equation (Navier-Stokes equation).
このような初期条件としては、少なくとも、繊維状物質の物性値の情報(繊維状物質を球体集合体モデルにモデル化するために必要な情報:繊維状物質の直径、アスペクト比、ヤング率など)、繊維状物質の初期位置及び速度の情報、流体の物性値及び境界条件(壁面上のすべりなし条件(非滑り境界条件)、周期境界条件(計算メッシュの情報)、流体の初期速度)を入力する必要がある。 As such an initial condition, at least information on the physical property value of the fibrous substance (information necessary for modeling the fibrous substance into a spherical aggregate model: diameter of fibrous substance, aspect ratio, Young's modulus, etc.) , Input information of initial position and velocity of fibrous material, physical properties of fluid and boundary conditions (slip-free condition on wall surface (non-slip boundary condition), periodic boundary condition (information of calculation mesh), initial velocity of fluid) There is a need to.
なお、このような初期条件の入力に際しては、例えば、繊維強化樹脂の射出成形を想定する場合には、ストークス数が、概ね1以下となる条件(1に近似した値(ほぼ1)か又はそれよりも小さな値となる条件)となるように、せん断速度や流体の粘度などを設定することが好ましい。このように設定した値を入力することにより繊維状物質に加わる慣性力よりも繊維状物質に加わる流体の粘性力の方が支配的になり、上記成形過程に即した解析を数値計算上、安定に計算することが可能となる。なお、このようなストークス数の条件は特に制限されず、想定する対象における繊維状物質に加わる慣性力と繊維状物質に加わる粘性力のバランスに応じて、その設定値を変更してもよい。 When inputting such initial conditions, for example, in the case of assuming injection molding of fiber reinforced resin, the Stokes number is generally 1 or less (a value close to 1 (nearly 1) or It is preferable to set the shear rate, the viscosity of the fluid, etc. so that the condition becomes a smaller value). By inputting the value set in this way, the viscous force of the fluid applied to the fibrous substance becomes more dominant than the inertial force applied to the fibrous substance, and the analysis according to the above molding process is numerically stable. It becomes possible to calculate. The condition of the Stokes number is not particularly limited, and the set value may be changed according to the balance between the inertial force applied to the fibrous substance and the viscous force applied to the fibrous substance in the assumed target.
このように、ステップS1は、初期条件(基礎情報)として、流体の運動方程式と粒子の運動方程式を利用して繊維状物質及び流体の運動を計算する上で必要となる繊維状物質及び流体の情報(前記繊維状物質の物性値の情報、前記繊維状物質の初期位置及び速度の情報、前記流体の物性値及び境界条件)を入力するステップである。すなわち、ステップS1は、後述の計算(球体集合体へのモデル化を含む)をするために必要となる繊維状物質及び流体の初期条件(基礎情報)を入力するステップである。 Thus, in step S1, as initial conditions (basic information), the motions of the fibrous substance and the fluid that are necessary to calculate the motions of the fibrous substance and the fluid using the motion equations of the fluid and the motion equations of the particles are used. This is a step of inputting information (information on physical property values of the fibrous substance, information on initial position and velocity of the fibrous substance, physical property values of the fluid and boundary conditions). That is, step S1 is a step of inputting initial conditions (basic information) of the fibrous substance and the fluid, which are necessary for the calculation (including modeling into a spherical body assembly) described later.
なお、このように入力部1により入力する初期条件(基礎情報)に関して、例えば、前述のように例示した情報のうちの一部の情報は、入力した他の情報に基づいて演算処理部2のCPUに別途計算させてもよいため、上記情報の中からその解析プログラムの種類等に応じて、後述の計算を行うために必要となる情報を適宜入力すればよい。なお、このような初期条件(基礎情報)及び/又はCPUに別途計算させた初期の状態は入力後、演算処理部2中のメモリの適切な領域に記憶させる等して、計算時に適宜その情報を利用できるようにすればよい。 Regarding the initial condition (basic information) input by the input unit 1 in this way, for example, some of the information exemplified above is based on other input information and is stored in the arithmetic processing unit 2. Since the CPU may separately calculate, the information necessary for performing the later-described calculation may be appropriately input from the above information according to the type of the analysis program. It should be noted that such initial conditions (basic information) and/or the initial state separately calculated by the CPU are stored in an appropriate area of the memory in the arithmetic processing unit 2 after input, and the information is appropriately calculated at the time of calculation. Should be available.
また、図2に示すフローチャートに記載のような解析方法を実行する際には、ステップS1において入力部1を介して入力された初期条件(基礎情報)を利用して、演算処理部2のCPUにおいて繊維状物質10の球体の集合体によるモデル化が行われる。以下、このような球体集合体モデルについて図面を参照しながら簡単に説明する。 Further, when executing the analysis method as described in the flowchart shown in FIG. 2, the CPU of the arithmetic processing unit 2 is used by using the initial condition (basic information) input via the input unit 1 in step S1. In, modeling is performed by an aggregate of spheres of the fibrous substance 10. Hereinafter, such a sphere assembly model will be briefly described with reference to the drawings.
図4は、繊維状物質の好適な一実施形態である細長い直線的な繊維状物質10と、その解析用モデルである球体集合体モデル10Aとを模式的に示す模式図である。このような図4に示す実施形態の球体集合体モデル10Aは、5個の直径dPの球体が直線状に連なった状態を示すものである。このような球体集合体モデル(Bead model)のモデル化を演算処理部2のCPUにより行う場合、例えば、初期条件(基礎情報)として入力された繊維状物質の直径やアスペクト比の情報等に基づいて、球体の直径や個数等を適宜計算してモデル化してもよく、或いは、予めサイズなどを設定した球体により球体集合体を形成するようにしてモデル化してもよい。なお、図4に示す実施形態では、繊維形状の物質10の直径dと、球体集合体モデル10Aの各球体の直径dPを同じ大きさとして、5個の直径dPの球体が直線状に連なった球体集合体モデルを繊維状物質10としてモデル化している。 FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing an elongated linear fibrous substance 10 which is a preferred embodiment of the fibrous substance and a spherical aggregate model 10A which is a model for analysis thereof. Such a sphere assembly model 10A of the embodiment shown in FIG. 4 shows a state in which five spheres having a diameter d P are linearly connected. When the CPU of the arithmetic processing unit 2 performs modeling of such a sphere aggregate model (Bead model), for example, based on information such as the diameter and aspect ratio of the fibrous substance input as the initial condition (basic information). Then, the diameter, the number, and the like of the spheres may be appropriately calculated and modeled, or the spheres may be modeled by forming sphere aggregates from spheres having sizes set in advance. In the embodiment shown in FIG. 4, the diameter d of the fibrous substance 10 and the diameter d P of each sphere of the sphere assembly model 10A are set to be the same size, and five spheres having a diameter d P are linearly formed. The continuous spherical aggregate model is modeled as the fibrous substance 10.
また、このようなモデル化の演算に際しては、例えば、図4に示すように繊維状物質10が直線的なものである場合、CPUにより、球体集合体モデルも複数の球体が直線的に結合された集合体10Aとしてモデル化する。そして、かかる球体集合体モデル10Aを用いて、初期の球体集合体モデルの各球体の中心O1〜O5の位置(x、y、z方向の位置情報等)や各球体間の結合角等といった初期の位置情報等は、シミュレーションする対象等応じて適宜設定できる。ここで、隣り合う球体の中心間距離の変化量、各球体の結合角(曲げ角)といった概念を説明するために、図5〜図6に、球体集合体モデル10A中(5つの球体中)の隣り合う2つの球体の状態を模式的に示す。 Further, in the calculation of such modeling, for example, when the fibrous substance 10 is linear as shown in FIG. 4, the CPU aggregates a plurality of spheres linearly in the sphere aggregate model. It is modeled as an aggregate 10A. Then, using the sphere assembly model 10A, initial positions such as the positions (positional information in the x, y, z directions, etc.) of the centers O1 to O5 of the spheres of the initial sphere assembly model, the bond angles between the spheres, etc. The position information and the like can be appropriately set according to the simulation target and the like. Here, in order to explain the concepts such as the amount of change in the distance between the centers of adjacent spheres and the bond angle (bending angle) of each sphere, FIGS. 5 to 6 show the sphere aggregate model 10A (in five spheres). 2 schematically shows the state of two adjacent spheres.
図5は、球体集合体モデル10A中の隣り合う2つの球体に引張り応力を加えた前後の状態を模式的に示すものであり、図5中の(a)は引張り応力を加える前の状態(図4に示すような直線状に並んだ5つの球体のうちの任意の2つの隣り合う球体の状態)を模式的に示し、図5中の(b)は引張り応力が加えられた後(微小時間経過後)の状態を模式的に示す。なお、このような球体集合体モデル10Aにおいては、引張り応力が加えれらて球体間の距離が伸びた場合に弾性的に元に戻ろうとする復元力(結合力)があるものと仮定して、繊維状物質の状態を解析する。そして、このような球体集合体モデル10Aの各球体間の結合力(球体間の距離が伸びた時に元に戻ろうとする力)としては、球体の中心間距離の変化量(σij)と、繊維状物質のヤング率(E)とに基づいて求められる値を採用する(具体的な計算方法は後述する)。ここにおいて、球体の中心間距離の変化量(σij)は、応力が加えられた後の球体の中心間距離r1から、応力が加えられる前の球体の中心間距離r0を引いた値(r1−r0)として求めることができる。 FIG. 5 schematically shows a state before and after a tensile stress is applied to two adjacent spheres in the sphere assembly model 10A, and (a) in FIG. 5 shows a state before the tensile stress is applied ( The state of any two adjacent spheres out of the five spheres arranged in a straight line as shown in FIG. 4 is schematically shown, and (b) in FIG. 5 shows that after tensile stress is applied (minute The state after the passage of time) is schematically shown. In addition, in such a sphere assembly model 10A, assuming that there is a restoring force (coupling force) that elastically returns to the original state when a tensile stress is applied and the distance between the spheres extends, Analyze the state of fibrous substances. Then, as the coupling force between the spheres of such a sphere assembly model 10A (the force that tries to return to the original state when the distance between the spheres is extended), the change amount (σ ij ) of the center-to-center distance of the spheres, A value calculated based on the Young's modulus (E) of the fibrous substance is adopted (a specific calculation method will be described later). Here, the amount of change in center-to-center distance of the sphere (σ ij ) is a value obtained by subtracting the center-to-center distance r 0 of the sphere before the stress is applied from the center-to-center distance r 1 of the sphere after the stress is applied. It can be obtained as (r 1 −r 0 ).
また、図6は繊維状物質を曲げる方向に力を加えた場合について、球体集合体モデル10A中(5つの球体中)の隣り合う2つの球体の力を加える前後の状態を模式的に示すものであり、図6中の(a)は繊維状物質を曲げる方向に力が加えられる前の状態(図4に示すような直線状に並んだ5つの球体のうちの任意の2つの隣り合う球体の状態)を模式的に示し、図6中の(b)は繊維状物質を曲げる方向に力が加えられた後の状態を模式的に示す。本発明においては、球体集合体モデル10Aを利用して、前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルク(繊維状物質を曲げた時に元に戻ろうとする力)を計算する際に、結合角(曲げ角:隣あう二つの球体間の角度)θijに基づいて計算を行う(具体的な計算方法は後述する)。 Further, FIG. 6 schematically shows a state before and after applying a force to two adjacent spheres in the sphere assembly model 10A (in five spheres) when a force is applied in the bending direction of the fibrous substance. 6A is a state before a force is applied in a bending direction of the fibrous substance (any two adjacent spheres among five spheres linearly arranged as shown in FIG. 4). 6), and (b) in FIG. 6 schematically shows a state after a force is applied in the bending direction of the fibrous substance. In the present invention, the spherical aggregate model 10A is used to calculate the restoring torque (force to return to the original state when the fibrous material is bent) for bending deformation between the spheres of the fibrous material, Calculation is performed based on the bond angle (bending angle: angle between two adjacent spheres) θ ij (a specific calculation method will be described later).
このように、本発明においては、初期情報として与えられた情報に基づいて、繊維状物質10をモデル化する。また、このようなモデル化に際しては、繊維状物質10を構成する各球体の中心O1〜O5の初期の位置(中心初期位置:中心のxyz座標)と、各球体ごとに初期の回転角θijを演算し、かつ、演算して求められた値をメモリの適切な領域に記憶して利用することができ、そのようなモデル化等の演算をするようにプログラミングしたプログラムを適宜利用してもよい。なお、このようなプログラムによる演算は、その演算を行うためのモデル化のための演算手段(図示せず)を更に備えるものとして演算処理部2を構成させて達成してもよいし、第一の演算手段21により、各種演算を行う前に併せて計算させてもよい。これにより、初期条件(基礎情報)の入力により、演算処理部2において初期の状態を演算させることが可能となる。なお、このような球体集合体モデルへのモデル化の方法としては、特開平5−314091号公報に記載の公知の方法で採用している方法を利用してもよい。 As described above, in the present invention, the fibrous substance 10 is modeled based on the information given as the initial information. Further, in such modeling, the initial positions (center initial position: center xyz coordinate) of the centers O1 to O5 of the spheres constituting the fibrous substance 10 and the initial rotation angle θij of each sphere are set. It is possible to operate and store the value obtained by the operation in an appropriate area of the memory for use, and a program programmed to perform the operation such as modeling may be appropriately used. .. The calculation by such a program may be achieved by configuring the calculation processing unit 2 as further including a calculation means (not shown) for modeling for performing the calculation. The calculation means 21 may also perform calculation before performing various calculations. This allows the arithmetic processing unit 2 to calculate the initial state by inputting the initial condition (basic information). As a method for modeling such a spherical body aggregate model, a method adopted by a known method described in JP-A-5-314091 may be used.
また、ステップS1において、入力部1を介して演算処理部2に初期条件(基礎情報)を入力した後においては、ステップS2において、時刻TをΔtだけ更新する。このようなステップにより、第一の演算手段21において前記繊維状物質の各球体(前記繊維状物質を構成する各球体)の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角の計算値の時刻Tをtn+Δt(なお、ここで、nは演算の反復回数であり、初回は0となる)とすることができる。 Further, after the initial condition (basic information) is input to the arithmetic processing unit 2 via the input unit 1 in step S1, the time T is updated by Δt in step S2. By such steps, the position, velocity, and angular velocity of each sphere of the fibrous substance (each sphere forming the fibrous substance) and the space between the adjacent spheres forming the fibrous substance in the first computing means 21. The time T of the calculated value of the bending angle can be set to t n +Δt (where n is the number of times the calculation is repeated, and the initial value is 0).
次に、ステップS3においては、第一の演算手段21を利用し、流体の速度(uf i)の情報に基づいて、特定の時刻tn(なお、時刻tnはT−Δtで表される時刻:Δt更新する前の時刻)における繊維状物質の流体抵抗力(fh i)及び特定の時刻tnにおける流体から受けるトルク(Th i)を計算する。そして、このような流体抵抗力(fh i)及び復元トルク(Th i)は、下記式(1)〜(2): Next, in step S3, by using the first arithmetic unit 21, based on the information of velocity of the fluid (u f i), a specific time t n (The time t n is represented by T-Delta] t Time: time before updating Δt), the fluid resistance force (f h i ) of the fibrous substance at a specific time t n and the torque (T h i ) received from the fluid at a specific time t n are calculated. Then, such a fluid resistance force (f h i) and restoring torque (T h i) is represented by the following formula (1) to (2):
[式(1)〜(2)中、fh iは球状集合体モデルの球体の流体抵抗力を示し、Th iは球状集合体モデルの球体の復元トルク(各球体にかかる流体からのトルク)を示し、μは流体の粘度を示し、dPは前記球状集合体モデルの球体の直径を示し、uf iは流体の速度を示し、uP iは前記球状集合体モデルの球体の速度を示し、ωf iは流体の角速度を示し、ωP iは球状集合体モデルの球体の角速度を示す。なお、球体に関する各記号に関して、下付きの文字iは各球体に付した番号であり、計算領域内にN個の球体が存在する場合、かかるiはi≦Nの条件を満たす整数となる。また、流体に関する各記号に関して、下付きの文字iは、デカルト座標の各方向の成分(例えばxyz等)であることを意味する。]
で表される計算式により求めることができる。かかる計算を行うステップS3は、前記ステップ(a)中の一ステップに相当し得るステップであり、流体の速度の情報に基づいて、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力(例えば、Stokes抵抗力など)及び前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルクを計算するステップである。このような計算は、特開平5−314091号公報の段落[0024]〜[0025]に記載の計算と基本的に同様のものである。
[In Formulas (1) and (2), f h i represents the fluid resistance force of the sphere of the spherical assembly model, and T h i is the restoring torque of the sphere of the spherical assembly model (torque from the fluid applied to each sphere. ), μ is the viscosity of the fluid, d P is the diameter of the sphere of the spherical assembly model, u f i is the velocity of the fluid, and u P i is the velocity of the sphere of the spherical assembly model. , Ω f i represents the angular velocity of the fluid, and ω P i represents the angular velocity of the sphere of the spherical assembly model. With respect to each symbol related to the sphere, the subscript i is a number given to each sphere, and when N spheres exist in the calculation area, such i becomes an integer satisfying the condition of i≦N. Further, regarding each symbol related to fluid, the subscript i means that it is a component (for example, xyz or the like) of Cartesian coordinates in each direction. ]
It can be obtained by the calculation formula represented by. The step S3 for performing such calculation is a step that can correspond to one step in the step (a), and based on the information of the velocity of the fluid, the fluid resistance force (eg, Stokes resistance) of each sphere of the fibrous substance is calculated. Force) and the torque each sphere of the fibrous material receives from the fluid. Such calculation is basically the same as the calculation described in paragraphs [0024] to [0025] of JP-A-5-314091.
なお、このような計算に利用する流体の速度(uf i)に関して、1回目の計算時(第二の演算手段22による計算結果が得られる前の段階)においては、前記初期条件として速度(予め別途計算した値)の情報が入力されている場合(例えば、予めナビエストークス方程式に基づいて計算した値などが入力されている場合)にはそれを利用してもよい。また、このような計算に利用する流体の速度としては、1回目の計算時(第二の演算手段22による計算結果がでる前の段階)において、前記初期条件として予め求めた速度(予め別途計算した値)の情報(データ)がない場合には、入力されている初期条件(流体に関する情報)に基づいて、流体中に前記繊維状物質が存在しないものと仮定して初期時刻(tn:n=0)における前記流体の速度を別途計算して利用してもよい。このような計算を行う場合、ナビエ・ストークス方程式に基づいて計算する方法を採用できる。なお、1回目の計算時(第二の演算手段22による計算結果が得られる前の段階)においては、後述の式(111)〜(112)を利用して計算した流体の速度を利用してもよい。 Regarding the velocity ( uf i ) of the fluid used for such calculation, at the time of the first calculation (the stage before the calculation result by the second calculation means 22 is obtained), the velocity ( When information of a value calculated separately in advance) is input (for example, a value calculated based on the Navier-Stokes equation in advance is input), it may be used. Further, as the velocity of the fluid used for such calculation, the velocity obtained in advance as the initial condition at the time of the first calculation (the stage before the calculation result by the second calculating means 22 is obtained) (preliminarily calculated separately) If there is no information (data) of the specified value), it is assumed that the fibrous substance does not exist in the fluid based on the input initial condition (information about the fluid) and the initial time (t n : The velocity of the fluid at n=0) may be separately calculated and used. When performing such a calculation, a method of calculating based on the Navier-Stokes equation can be adopted. At the time of the first calculation (before the calculation result by the second calculation means 22 is obtained), the velocity of the fluid calculated by using the equations (111) to (112) described below is used. Good.
また、このような計算に利用する球状集合体モデルの球体の速度(uP i)は、1回目の計算時(第二の演算手段22による計算結果が得られる前の段階)においては、uP i=0等の初期値を採用してもよく、または、上記のように流体中に繊維状物質が存在しないと仮定して別途計算した流体速度を用いて、その流体速度を各球体の位置において空間補正した値を採用してもよく、2回目以降の計算時(反復実行ステップにおける計算時)には、後述のステップS5において計算した値を利用できる。 Further, the velocity (u P i ) of the sphere of the spherical aggregate model used for such calculation is u at the time of the first calculation (the stage before the calculation result by the second calculation means 22 is obtained). An initial value such as P i =0 may be adopted, or the fluid velocity calculated separately assuming that fibrous substances do not exist in the fluid as described above is used to calculate the fluid velocity of each sphere. The value spatially corrected at the position may be adopted, and the value calculated in step S5 described later can be used at the time of the second and subsequent calculations (at the time of calculation in the repetitive execution step).
また、このような計算に利用する流体の角速度(ωf i)は、1回目の計算時(第一の演算手段21による計算結果がでる前の段階)においては、上述のようにして用いた1回目の計算時の流体の速度(uf i)の情報から計算できる値を利用でき、また、2回目以降の計算時(反復実行ステップにおける計算時)においては、後述のステップS5において計算した流体の速度の情報から計算できる値を利用できる。なお、このような角速度の具体的な算出方法としては、例えば、下記式(I): Further, the angular velocity (ω f i ) of the fluid used for such calculation is used as described above at the time of the first calculation (the stage before the calculation result by the first calculation means 21 is obtained). A value that can be calculated from the information of the fluid velocity (u f i ) at the time of the first calculation can be used, and at the time of the second and subsequent calculations (at the time of calculation in the repetitive execution step), calculation was performed in step S5 described later. A value that can be calculated from fluid velocity information can be used. In addition, as a specific calculation method of such an angular velocity, for example, the following formula (I):
[式(I)中、ωf iは角速度であり、xj及びxkはデカルト座標を示し、uf k及びuf jは、デカルト座標の各方向の速度であることを意味する。]
で表される計算式を計算する方法を挙げることができる。なお、上記式(I)を各方向の成分で検討すると、下記式:
[In Formula (I), ω f i is an angular velocity, x j and x k are Cartesian coordinates, and u f k and u f j are velocities in respective directions of Cartesian coordinates. ]
A method of calculating the calculation formula represented by When the above formula (I) is examined for components in each direction, the following formula:
で表される計算式となる。 The calculation formula is
また、このような計算に利用する球状集合体モデルの球体の角速度(ωP i)は、1回目の計算時においては、初期条件として入力した値又はその入力値から計算した値を採用する。なお、かかる角速度の値(ωP i)は、1回目の計算時においては、ωP i=0などの初期値を採用してもよく、あるいは、上記のように流体中に繊維状物質が存在しないと仮定して別途計算した流体速度から算出できる流体角速度を用いて、その流体角速度を各球体の位置において空間補正した値を利用してもよく、2回目以降の計算時(反復実行ステップにおける計算時)には、後述のステップS5において計算した値を利用できる。このような値を利用して計算することにより、繊維状物質の各球体の流体抵抗力(fh i)、繊維状物質の各球体が流体から受けるトルク(Th i)を求めることができる。 In addition, as the angular velocity (ω P i ) of the sphere of the spherical assembly model used for such calculation, the value input as the initial condition or the value calculated from the input value is adopted in the first calculation. It should be noted that the value of the angular velocity (ω P i ) may be an initial value such as ω P i =0 at the time of the first calculation, or the fibrous substance may be contained in the fluid as described above. It is also possible to use a fluid angular velocity that can be calculated from the fluid velocity calculated separately assuming that it does not exist, and use the value obtained by spatially correcting the fluid angular velocity at the position of each sphere. At the time of calculation), the value calculated in step S5 described later can be used. By calculating using such values, the fluid resistance force (f h i ) of each sphere of fibrous substance and the torque (T h i ) that each sphere of fibrous substance receives from the fluid can be obtained. ..
次に、ステップS4においては、第一の演算手段21を利用し、時刻tn(なお、時刻tnはT−Δtで表される時刻:Δt更新する前の時刻)における繊維状物質の各球体間の結合力(Fs i)及び時刻tnにおける繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルク(Tb i)を計算する。このような各球体間の結合力(Fs i)及び復元トルク(Tb i)は、下記式(3)〜(6): Next, in step S4, each of the fibrous substances at time t n (time t n is a time represented by T−Δt: a time before updating Δt) by using the first calculation means 21. The binding force between the spheres (F s i ) and the restoring torque (T b i ) for the bending deformation between the spheres of the fibrous material at time t n are calculated. The coupling force (F s i ) and the restoring torque (T b i ) between the spheres are expressed by the following equations (3) to (6):
[式(3)〜(6)中、Fs iは各球体間の結合力(球体集合体モデル中の隣り合う2つの球体間に生じる引張り変形や圧縮変形に対する復元力)を示し、ksは引張り・圧縮変形に対する定数を示し、Eはヤング率(縦弾性係数)を示し、dpは球体集合体モデル中の球体の直径を示し、Tb iは繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルク(球体集合体モデル中の隣り合う2つの球体間に生じる曲げ変形に対する復元トルク)を示し、kbは曲げ変形に対する定数を示し、σijは球体の中心間距離の変化量を示し(図5参照)、θijは曲げ角(結合角:球体集合体モデル中の隣り合う2つの球体間の角度)を示す(図6参照)。なお、各記号に関して、下付きの文字i、jは、例えば、図4に示すような球体集合体モデルで考慮すると、5個のうちのi番目の球体及びその隣のj番目の球体に関する値であることを意味する(図4に示すモデルを利用する場合にはi及びjはそれぞれ5以下の任意の整数となる)。]
で表される計算式により求めることができる。なお、このような計算式(3)〜(6)は、各球体について、縦弾性係数(E)を利用して、その変形量に応じた復元力及び復元トルクを求めるための方程式である。かかるステップは、前記ステップ(a)中の一ステップに相当し得るステップであり、前記繊維状物質の各球体間の結合力及び前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクを計算するステップである。
[In the formulas (3) to (6), F s i represents a binding force between the spheres (a restoring force against tensile deformation or compression deformation generated between two adjacent spheres in the sphere assembly model), and k s Is a constant for tensile/compressive deformation, E is a Young's modulus (longitudinal elastic modulus), d p is a diameter of a sphere in a sphere assembly model, and T b i is a bend between spheres of a fibrous material. shows the recovery to deformation torque (restoring torque against occurring between two spheres adjacent in spherical aggregate model bending deformation), k b represents a constant for bending deformation, sigma ij is the amount of change in the distance between the centers of the spheres (See FIG. 5), θ ij indicates a bending angle (bonding angle: angle between two adjacent spheres in the sphere assembly model) (see FIG. 6). For each symbol, the subscripts i and j are the values for the i-th sphere out of five and the j-th sphere next to it, for example, when considered in a sphere assembly model as shown in FIG. (When using the model shown in FIG. 4, i and j are each an arbitrary integer of 5 or less). ]
It can be obtained by the calculation formula represented by. In addition, such calculation formulas (3) to (6) are equations for obtaining the restoring force and the restoring torque according to the deformation amount of each spherical body by using the longitudinal elastic modulus (E). This step is a step that can correspond to one step in the step (a), and calculates a binding force between the spheres of the fibrous substance and a restoring torque for bending deformation between the spheres of the fibrous substance. It is a step.
また、σijとしては、時刻tnにおける各球体の位置情報(座標)から求められる値(1回目の計算時には初期条件と入力した値)を利用でき、θijとしては、時刻tnにおける各球体間の曲げ角の値(1回目の計算時には各球体の初期条件から求められる値を採用できる)を利用できる。 Further, as σ ij , a value obtained from the position information (coordinates) of each sphere at time t n (a value input as the initial condition at the time of the first calculation) can be used, and as θ ij , each at time t n can be used. The value of the bending angle between the spheres (the value obtained from the initial condition of each sphere can be adopted in the first calculation) can be used.
次いで、ステップS5において、第一の演算手段21を利用し、前記繊維状物質の各球体の位置(例えばxyz座標等)、速度(uP i)及び角速度(ωP i)、並びに、前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角(θij)を計算する。このようなステップS5における計算は、ステップS3〜4において計算した、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力、前記繊維状物質の各球体が流体から受けるトルク、前記繊維状物質の各球体間の結合力、及び、前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクの情報に基づいて行う。このような各球体の速度(uP i)及び角速度(ωP i)は、下記式(7)〜(10): Next, in step S5, the position of each sphere of the fibrous substance (for example, xyz coordinates, etc.), velocity (u P i ), angular velocity (ω P i ), and the fiber are used in step S5. The bending angle (θ ij ) between the adjacent spheres forming the substance is calculated. The calculation in step S5 is performed by calculating the fluid resistance force of each sphere of the fibrous material, the torque that each sphere of the fibrous material receives from the fluid, and the inter-sphere of the fibrous material calculated in steps S3 to S4. Of the fibrous material and the restoring torque for the bending deformation between the spheres of the fibrous substance. The velocities (u P i ) and angular velocities (ω P i ) of each sphere are expressed by the following equations (7) to (10):
[式(7)〜(10)中、mPは球体の質量を示し、uP iは球体iの速度を示し、uP jは球体jの速度を示し、fh iは球状集合体モデルの球体の流体抵抗力を示し、Fs iは繊維状物質の各球体間の結合力を示し、Tb iは繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクを示し、Th iは繊維状物質の各球体が流体から受けるトルクを示し、fijは隣り合う2つの粒子間に生じる摩擦力を示し、dpは球体集合体モデル中の球体の直径を示し、ωP iは球体iの角速度を示し、ωP jは球体jの角速度を示し、θijは球状集合体モデルの球体iと球体jの間の曲げ角(結合角)を示し、tは時間を示し、nijは球状集合体モデルの球体i及び球体jのそれぞれの中心間を結ぶ球体iから球体jに向かう方向の単位ベクトルを示し、njiは球状集合体モデルの球体i及び球体jのそれぞれの中心間を結ぶ球体jから球体iに向かう方向の単位ベクトルを示す。なお、ここにいう球体i及び球体jにおけるi及びjは、例えば、図4に示すような球体集合体モデルで考慮すると、5個の球体のうちのi番目の球体及びその隣のj番目の球体であることを意味する(図4に示すモデルを利用する場合にはi及びjはそれぞれ5以下の任意の整数となる)。]
で表される計算式により求めることができる。
[In Formulas (7) to (10), m P represents the mass of the sphere, u P i represents the velocity of the sphere i, u P j represents the velocity of the sphere j, and f h i represents the spherical aggregate model. Represents the fluid resistance of the sphere, F s i represents the binding force between the spheres of the fibrous material, T b i represents the restoring torque for bending deformation between the spheres of the fibrous material, and T h i represents Each sphere of the fibrous material represents a torque received from the fluid, f ij represents a frictional force generated between two adjacent particles, d p represents a diameter of the sphere in the sphere assembly model, and ω P i represents the sphere. i represents the angular velocity of i, ω P j represents the angular velocity of the sphere j, θ ij represents the bending angle (bond angle) between the sphere i and the sphere j of the spherical assembly model, t represents the time, and n ij Indicates a unit vector in the direction from the sphere i to the sphere j connecting the centers of the sphere i and the sphere j of the spherical aggregate model, and n ji indicates the center of the sphere i and the sphere j of the spherical aggregate model. A unit vector in the direction from the sphere j connecting the two to the sphere i is shown. Note that i and j in the sphere i and the sphere j referred to here are, for example, in the sphere aggregate model as shown in FIG. It means that it is a sphere (when the model shown in FIG. 4 is used, i and j are arbitrary integers of 5 or less). ]
It can be obtained by the calculation formula represented by.
ここで、隣り合う2つの球体間に生じる摩擦力(fij)の算出方法は、特に制限されず、公知の方法を適宜採用でき、例えば、上記式(10)の両辺を時間微分し、上記式(7)及び(8)を代入して摩擦力(fij)について整理した式を、SOR(Successive Over-Relaxation)法などの収束解法を用いて解くことにより算出する方法を採用してもよい。すなわち、このような球体間摩擦力(fij)の算出方法としては、特に制限されないが、例えば、上記式(10)の両辺を時間微分し、上記式(7)及び(8)を代入して求められる下記式(II): Here, the method of calculating the frictional force (f ij ) generated between two adjacent spheres is not particularly limited, and a known method can be adopted as appropriate. For example, both sides of the above formula (10) are time-differentiated, Even if a method of calculating by solving a formula in which the frictional force (f ij ) is arranged by substituting the formulas (7) and (8) by using a convergent solution method such as SOR (Successive Over-Relaxation) method is adopted. Good. That is, the method of calculating the frictional force between the spheres (f ij ) is not particularly limited, but for example, both sides of the equation (10) are time-differentiated and the equations (7) and (8) are substituted. The following formula (II) obtained by:
[なお、式(II)中の左辺及び右辺の各成分はそれぞれ下記式: [Note that each component on the left side and the right side in the formula (II) is represented by the following formula:
(式中のi、j、k、lは、繊維状物質を構成する隣り合う球体の番号を示す。)
で表されるものである。]
を、SOR(Successive Over-Relaxation)法などの収束解法を用いて解くことにより算出する方法を採用してもよい。なお、このような隣り合う2つの球体間に生じる摩擦力(fij)の算出方法は、上記した算出方法(例示した方法)に限定されるものではなく、公知の他の算出方法を適宜採用してもよい。
(I, j, k, and 1 in the formula represent the numbers of adjacent spheres that form the fibrous substance.)
It is represented by. ]
May be calculated by solving a value using a convergent solution method such as SOR (Successive Over-Relaxation) method. The method of calculating the frictional force (f ij ) generated between two adjacent spheres is not limited to the above-described calculation method (exemplified method), and other known calculation methods are appropriately adopted. You may.
このような計算式(7)及び(8)はそれぞれ球体集合体モデルの各球体の並進運動と回転運動の方程式であり、計算式(9)は繊維状物質を構成する隣り合う球体iと球体j間の曲げ角の方程式であり、計算式(10)は球体が連結点において滑らないことを示す条件(拘束条件)を与える方程式であり、これらを連立させて計算することで、各球体の速度(uP i)及び角速度(ωP i)を求めることができる。そして、このような各球体の速度(uP i)及び角速度(ωP i)に基づいて、球体集合体モデルの各球体の中心O1〜O5の移動する位置を算出できる。このようにして、特定の時刻(tn)から微小時間経過後(時刻:T=tn+Δt)における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度、並びに、特定の時刻(tn)から微小時間経過後(時刻:T=tn+Δt)における前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を求めることができる。また、このような球体集合体モデルの各球体の運動を求めることで、各球体の中心O1〜O5の初期の位置から移動する位置を求めることができ、これにより繊維状物質の配向状態を求めることができる。ただし、曲げ角に関する計算方法は、上記式(9)に示す計算式に限定されるものではなく、四元数などの演算を用いて算出してもよい。 The calculation formulas (7) and (8) are equations of the translational motion and the rotational motion of each sphere of the sphere assembly model, and the calculation formula (9) is the sphere i and the sphere which are adjacent to each other and constitute the fibrous substance. Equation (10) is a bending angle equation between j and equation (10) gives a condition (constraint condition) indicating that the sphere does not slip at the connecting point, and by calculating these by simultaneous equations, The velocity (u P i ) and the angular velocity (ω P i ) can be obtained. Then, based on the velocity (u P i ) and the angular velocity (ω P i ) of each sphere, the moving positions of the centers O1 to O5 of each sphere of the sphere assembly model can be calculated. In this way, after short time from a specific time (t n) (time: T = t n + Δt) at the position of each sphere of the fibrous material, velocity and angular velocity, as well as a particular time (t n) From the above, it is possible to obtain the bending angle between adjacent spheres constituting the fibrous substance after a lapse of a minute time (time: T=t n +Δt). Further, by determining the movement of each sphere of such a sphere assembly model, the position moved from the initial position of the centers O1 to O5 of each sphere can be determined, and thereby the orientation state of the fibrous substance is determined. be able to. However, the calculation method regarding the bending angle is not limited to the calculation formula shown in the above formula (9), and the calculation may be performed using a calculation such as a quaternion.
また、このような特定の時刻(tn)から微小時間経過後(時刻:T=tn+Δt)における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度、並びに、前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算する際には、上記式(7)〜(10)を採用して、繊維状物質間の相互作用力に関する流体潤滑力と機械接触力を計算することなく、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算することが好ましい。本発明においては、上述のように、繊維状物質間の相互作用力に関する流体潤滑力と機械接触力の計算を省略することが可能であり、これにより計算時間を大幅に短縮することが可能となる。なお、本発明において、計算を省略することが可能な前記繊維状物質間の相互作用力(流体潤滑力及び機械接触力)の計算式等については、後述の従来の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法と併せて説明する。 Further, after a lapse of a minute time (time: T=t n +Δt) from such a specific time (t n ), the position, velocity and angular velocity of each sphere of the fibrous substance and the fibrous substance are configured. When calculating the bending angle between the adjacent spheres, the above equations (7) to (10) are adopted, without calculating the fluid lubrication force and the mechanical contact force related to the interaction force between the fibrous substances, It is preferable to calculate the position, velocity and angular velocity of each sphere of the fibrous substance and a bending angle between adjacent spheres forming the fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time. In the present invention, as described above, it is possible to omit the calculation of the fluid lubrication force and the mechanical contact force related to the interaction force between fibrous substances, which can significantly reduce the calculation time. Become. In the present invention, for the calculation formula of the interaction force (fluid lubrication force and mechanical contact force) between the fibrous substances which can be omitted from calculation, the conventional fibrous substances in the fluid described later are described. It will be described together with a method of analyzing a motion state.
このようなステップS5は、前記ステップ(a)中の一ステップに相当し得るステップであり、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力、前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルク、前記繊維状物質の各球体間の結合力、及び、前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクの情報に基づいて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度、並びに、前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算するステップである。このように、式(7)〜(10)中のfh i、Fs i、Tb i、Th iの値としては、前記ステップS3及びS4で求められた値を利用する。 Such step S5 is a step that can correspond to one step in the step (a), and is the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance, the torque that each sphere of the fibrous substance receives from the fluid, Based on the binding force between the spheres of the fibrous substance, and the information of the restoring torque for the bending deformation between the spheres of the fibrous substance, each sphere of the fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time Is a step of calculating the position, the velocity and the angular velocity, and the bending angle between the adjacent spheres forming the fibrous substance. Thus, f h i in the formula (7) ~ (10), F s i, T b i, as a value of T h i utilizes the values obtained in the steps S3 and S4.
このように、ステップS2〜S5は、上記計算内容を考慮すれば、繊維状物質の運動解析を行うステップ(繊維状物質の運動解析ステップ)であるといえ、かかるステップにより、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置(座標)、速度、角速度、並びに、前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を解析することができる。 In this way, steps S2 to S5 can be said to be steps for performing a motion analysis of fibrous substances (fibrous substance motion analysis steps) in consideration of the above calculation contents. It is possible to analyze the position (coordinates) of each sphere of the fibrous substance after a lapse of time, the velocity, the angular velocity, and the bending angle between the adjacent spheres constituting the fibrous substance.
次に、ステップS6において、第二の演算手段22を利用し、前記流体が前記繊維状物質から受ける力(Ff i)を計算する。このような繊維状物質から受ける力(Ff i)の計算は、前記ステップS3で計算した前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力(fh i)の情報に基づいて行う。このような流体が前記繊維状物質から受ける力(Ff i)は、下記式(11): Next, in step S6, the force (F f i ) received by the fluid from the fibrous substance is calculated using the second calculation means 22. The calculation of the force (F f i ) received from such a fibrous substance is performed based on the information of the fluid resistance force (f h i ) of each sphere of the fibrous substance calculated in step S3. The force (F f i ) that such a fluid receives from the fibrous substance is represented by the following formula (11):
[式(11)中、Ff iは流体が前記繊維状物質から受ける力を示し、Vpは計算セル1つの体積を示し、fh iは繊維状物質の各球体の流体抵抗力(流体に対する抵抗力)を示し、式(11)中の下記部分: [In the formula (11), F f i represents the force that the fluid receives from the fibrous substance, V p represents the volume of one calculation cell, and f h i represents the fluid resistance force (fluid) of each sphere of the fibrous substance. Resistance) to the following part of the formula (11):
は、Vp内に存在する全球体について総和計算することを示す。]
で表される計算式により求めることができる。このような計算において利用するVpは計算セル1つの体積であり、計算領域の大きさと計算セルの分割数から求めることができる。また、このような計算式(11)は、流体が前記繊維状物質から受ける反力であり、1つの計算メッシュ(計算セル)中のfh iの総和を求める式である。このようにして求められる流体が前記繊維状物質から受ける力(Ff i)は、いわゆる繊維状物質が流体から受けるストークス抵抗力に対する反力であるといえる。このようなステップS6は、前記ステップ(b)中の一ステップに相当し得るステップであり、前記ステップ(a)で計算した前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力の情報(ステップS3で計算した繊維状物質の各球体の流体抵抗力(fh i)の情報)に基づいて、前記流体が前記繊維状物質から受ける力を計算するステップに相当し得る。
Indicates that the total sum is calculated for all the spheres existing within Vp. ]
It can be obtained by the calculation formula represented by. V p used in such a calculation is the volume of one calculation cell, and can be obtained from the size of the calculation region and the number of divisions of the calculation cell. Further, such a calculation formula (11) is a reaction force that the fluid receives from the fibrous substance, and is a formula for obtaining the sum of f h i in one calculation mesh (calculation cell). It can be said that the force (F f i ) that the fluid receives from the fibrous substance is a reaction force to the Stokes resistance force that the fibrous substance receives from the fluid. Such step S6 is a step that can correspond to one step in step (b), and is information on the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance calculated in step (a) (calculated in step S3). based on fluid resistance of each sphere fibrous material information (f h i)), said fluid may correspond to the step of calculating the force applied from the fibrous material.
次いで、ステップS7において、第二の演算手段22を利用し、特定の時刻から微小時間経過後における流体の速度(uf i)計算する。このような流体の速度(uf i)の計算は、前記流体が繊維状物質から受ける力(Ff i)と、前記流体中の前記繊維状物質の体積分率(ε)とを考慮した下記式(12)〜(13): Then, in step S7, by using the second calculating means 22, the velocity of the fluid after the lapse of short time from a specific time (u f i) is calculated. The calculation of the velocity (u f i ) of such a fluid takes into consideration the force (F f i ) that the fluid receives from the fibrous substance and the volume fraction (ε) of the fibrous substance in the fluid. Formulas (12) to (13) below:
[式(12)〜(13)中、uf iは時刻tnから微小時間(Δt)経過後(時刻:T=tn+Δt)における流体の速度を示し、uf jは時刻tnにおける流体の速度を示し、εは流体中の繊維状物質の体積分率を示し、tは時間を示し、xi及びxjはデカルト座標(x,y,z等)を示し、ρfは流体の密度(流体密度)を示し、Pは流体中の圧力を示し、Ff iは流体が繊維状物質から受ける力を示し、μは流体の粘性係数を示す。なお、下付きの文字i及びjはアインシュタインの総和規約にしたがうものとする。]
で表される計算式により求めることができる。このような計算式(12)及び(13)は、流体が繊維状物質から受ける力(反力)と、流体中の繊維状物質の体積分率とを考慮し、流体の運動と繊維状物質の運動の相互作用(繊維が流体から受ける力と流体が繊維状物質から受ける力(反力))を考慮した解析(連成解析)によって、流体の速度を求める計算式である。
In Expression (12) ~ (13), u f i at time t n minute time from (Delta] t) after (time: T = t n + Δt) in indicates the speed of the fluid in, u f j at time t n Indicates the velocity of the fluid, ε indicates the volume fraction of the fibrous substance in the fluid, t indicates the time, x i and x j indicate the Cartesian coordinates (x, y, z, etc.), and ρ f indicates the fluid. the indicated density (fluid density), P denotes the pressure in the fluid, F f i denotes the force applied fluid from the fibrous material, mu denotes a viscosity coefficient of the fluid. The subscript letters i and j follow Einstein's summation rules. ]
It can be obtained by the calculation formula represented by. The calculation formulas (12) and (13) consider the force (reaction force) that the fluid receives from the fibrous substance and the volume fraction of the fibrous substance in the fluid, and consider the motion of the fluid and the fibrous substance. Is a calculation formula for obtaining the velocity of the fluid by an analysis (coupling analysis) in consideration of the interaction of the movements of the fibers (the force that the fiber receives from the fluid and the force that the fluid receives from the fibrous substance (reaction force)).
なお、このような流体の体積分率(ε)は時刻tnにおける各計算セルの体積と、それぞれのセル内に存在する球体(繊維状物質を構成する各球体)の体積の総和の比([球体の体積の総和]/[計算セルの体積])から求めることができる。 The volume fraction (ε) of such a fluid is the ratio of the total volume of each calculation cell at time t n and the volume of each sphere (each sphere forming a fibrous substance) existing in each cell ( [Total volume of spheres]/[volume of calculation cell]).
このようなステップS7は、前記ステップ(b)中の一ステップに相当し得るステップであり、前記流体が前記繊維状物質から受ける力(ステップS6での計算値)と、前記流体中の前記繊維状物質の体積分率とを考慮して、特定の時刻から微小時間経過後における流体の速度を計算するステップに相当し得る。なお、このようなステップS6及びS7は、上記計算内容を考慮すれば、流体の運動と、繊維状物質の運動とを連成して解析するステップ(流体の運動と繊維状物質の運動との連成解析ステップ)であるといえ、これにより、繊維が流体から受ける力と流体が繊維状物質から受ける力(反力))を双方向(2way)から考慮した解析(連成解析)が可能となる。また、このような計算に際しては、前記流体中の前記繊維状物質の体積分率(ε)も考慮して解析を行うことから、本発明においては、様々な濃度の対象物(前記繊維状物質を含む流体)に対して、繊維状物質の運動状態(配向状態など)をシミュレーションできるものと本発明者らは考えている。 Such step S7 is a step that can correspond to one step in the step (b), and the force that the fluid receives from the fibrous substance (calculated value in step S6) and the fibers in the fluid. In consideration of the volume fraction of the particulate matter, it may correspond to the step of calculating the velocity of the fluid after a lapse of a minute time from a specific time. Note that, in consideration of the above calculation contents, such steps S6 and S7 are a step of analyzing the motion of the fluid and the motion of the fibrous material by coupling (the motion of the fluid and the motion of the fibrous material). Even though it is a coupled analysis step), this enables an analysis (coupled analysis) that considers the force that the fiber receives from the fluid and the force that the fluid receives from the fibrous substance (reaction force) from both directions (2 ways). Becomes In addition, since the volume fraction (ε) of the fibrous substance in the fluid is taken into consideration in such a calculation, in the present invention, objects of various concentrations (the fibrous substance The inventors believe that the motion state (orientation state, etc.) of the fibrous substance can be simulated with respect to the fluid containing ().
次に、ステップS8において、判定手段23により、時刻Tが計算の終了時間として設定した時間(Tend)よりも大きな値となっているか否かを判定する。そして、終了時間Tendよりも時刻Tが小さな値である場合には、時刻TをステップS2の時刻tnに変換して、新たにステップS2〜7を実行する。そして、ステップS8において、Tend<Tの条件を満たすまで、流体の運動と繊維状物質の運動を解析して求められる微小時間経過後の過渡的な解析結果(過渡的な流体及び繊維状物質の運動状態の情報)を順次利用して、新たにステップS2〜7を順次実行する処理を繰り返し行う。このようにしてステップS2〜7を順次繰り返し実行することによって、ステップS3〜7に記載の計算を所定条件を満たすまで繰り返し実行させること(反復演算させること)が可能となり、前記反復演算ステップ中に、流体の運動と繊維状物質の運動を解析して求められる微小時間経過後の過渡的な解析結果(過渡的な流体及び繊維状物質の運動状態の情報)を順次利用して、流体中の繊維状物質の運動を解析することができる。また、このような反復演算した解析は、流体の運動と繊維状物質の運動の相互作用(繊維が流体から受ける力と流体が繊維状物質から受ける力(反力))を双方向(2way)から考慮した解析(連成解析)であるため、これにより非常に精度の高いシミュレーションを行うことも可能となる。 Next, in step S8, the determination means 23 determines whether or not the time T is a value larger than the time (T end ) set as the calculation end time. If the time T is smaller than the end time T end , the time T is converted to the time t n in step S2, and steps S2 to 7 are newly executed. Then, in step S8, a transient analysis result (transient fluid and fibrous substance) after a lapse of a minute time obtained by analyzing the motion of the fluid and the motion of the fibrous substance until the condition of T end <T is satisfied. Information of the exercise state) is sequentially used, and the process of newly performing steps S2 to 7 is repeatedly performed. By sequentially repeating steps S2 to 7 in this manner, it becomes possible to repeatedly execute the calculations described in steps S3 to 7 until a predetermined condition is satisfied (iterative calculation). , The transient analysis result (transitional fluid and fibrous material motion state information) after a lapse of a minute time, which is obtained by analyzing the fluid motion and the fibrous material motion, is sequentially used to The motion of fibrous material can be analyzed. In addition, such an iteratively-calculated analysis is bidirectional (2 way) for the interaction between the motion of the fluid and the motion of the fibrous substance (the force that the fiber receives from the fluid and the force that the fluid receives from the fibrous substance (reaction force)). Since this is an analysis (coupling analysis) that takes into consideration the above, it is possible to perform a highly accurate simulation.
そして、ステップS8において、時刻Tが終了時間(Tend)よりも大きくなるという条件(Tend<Tという条件)を満たした場合には演算を終了し、ステップS9において演算結果を出力する。なお、このような演算により、初期の時刻から所定の時刻Tendまでの前記繊維状物質(球体集合体モデル)の各球体の速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角の情報とともに前記繊維状物質(球体集合体モデル)の各球体の中心の位置の情報を出力でき、これに基づいて、初期の時刻から所定の時刻Tendまでの間の流体中における前記繊維状物質の動き(移動位置)や前記繊維状物質の配向状態も出力できる。また、このような演算により、流体の速度の情報も併せて出力できる。このように、流体中の繊維状物質の運動状態を解析することで、繊維状物質及び流体の運動を解析でき、前記流体の速度、前記繊維状物質(球体集合体モデル)の各球体の速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角の情報の他、その解析情報に基づいて、前記繊維状物質の移動位置や配向状態をも演算して出力できる。なお、このような演算結果の出力は、外部記録媒体(出力部3の一態様)等にデータを記録することで行ってもよいし、ディスプレー(出力部3の一態様)等に解析結果を視覚的な情報(例えば、数値データ自体、数値データをグラフ化したもの、計算結果として求められる時間ごとの運動状態の情報に基づいて作成される3次元アニメーション等の画像、等といった視覚的な情報が挙げられる)として出力することで行ってもよい。 Then, in step S8, when the condition that the time T becomes longer than the end time (T end ) is satisfied (the condition T end <T), the calculation is ended, and the calculation result is output in step S9. Note that the velocity and angular velocity of each sphere of the fibrous substance (sphere aggregate model) from the initial time to the predetermined time T end and the bending between the adjacent spheres forming the fibrous substance are calculated by such calculation. Information on the position of the center of each sphere of the fibrous substance (sphere aggregate model) can be output together with the information on the angle, and based on this, the fibers in the fluid from the initial time to the predetermined time T end can be output. The movement (movement position) of the fibrous substance and the orientation state of the fibrous substance can also be output. Further, by such calculation, information on the velocity of the fluid can also be output. Thus, by analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid, the motions of the fibrous substance and the fluid can be analyzed, and the velocity of the fluid and the velocity of each sphere of the fibrous substance (sphere aggregate model) can be analyzed. In addition to the information on the angular velocity and the bending angle between the adjacent spheres forming the fibrous substance, the moving position and the orientation state of the fibrous substance can be calculated and output based on the analysis information. The output of such a calculation result may be performed by recording data on an external recording medium (one aspect of the output unit 3) or the like, or the analysis result may be displayed on the display (one aspect of the output unit 3) or the like. Visual information (for example, numerical data itself, a graph of numerical data, an image such as a three-dimensional animation created based on the time-dependent motion state information obtained as a calculation result, and the like) May be mentioned).
上述のように、フローチャート中のステップS2〜S5(特にS3〜S5)は、上記ステップ(a)として好適なステップであり、フローチャート中のステップS6〜S7は上記ステップ(b)として好適なステップであり、フローチャート中のステップS8の判定結果に基づいてステップS2〜S7を繰り返し実行させるステップは上記ステップ(c)として好適なステップである。そして、このようなステップ(a)〜(c)を備える本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法は、上述のように、コンピュータ(電子計算機)を利用した演算により、流体速度、繊維状物質の速度、位置情報、配向状態等を出力できる。このように、本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法は、流体及び繊維状物質の運動状態(繊維状物質の移動位置や配向状態を含む。)を解析する方法であるともいえる。 As described above, steps S2 to S5 (particularly S3 to S5) in the flowchart are steps suitable as the step (a), and steps S6 to S7 in the flowchart are steps suitable as the step (b). The step of repeatedly executing steps S2 to S7 based on the determination result of step S8 in the flowchart is a preferable step as step (c). Then, the method for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention including the steps (a) to (c) is, as described above, calculated by using a computer (electronic computer) to calculate the fluid velocity. The speed, position information, orientation state, etc. of the fibrous substance can be output. As described above, the method of analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention is also a method of analyzing the motion state of the fluid and the fibrous substance (including the moving position and the orientation state of the fibrous substance). I can say.
なお、このようなステップ(a)〜(c)を備える流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法において、前記繊維状物質の形態としては、いわゆる繊維のような状態のものであればよく、その繊維長、繊維径、材料、形状は特に制限されず、繊維状(短繊維状や長繊維状等)、針状、棒状、錐状、管状等を含む概念である。また、このようなステップ(a)〜(c)を備える流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法において、そのシミュレーションの精度の観点から、前記繊維状物質としては、直径dが約1μm以上(ブラウン運動が支配的とならない大きさ)で、かつ、長さLが計算領域を超えない程度である繊維状のものをシミュレーションの対象物とすることが好ましい。したがって、この範囲で定義されるアスペクト比(L/d)であれば、原理的に計算可能である。このような繊維状物質としては、例えば、繊維強化樹脂等で用いられる炭素繊維やガラス繊維等が挙げられる。また、このような運動解析を行う流体としては、流動性を有する液状の物質であることが好ましく、例えば、一般的な樹脂や水等が挙げられる。 In addition, in the method for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid including the steps (a) to (c), the form of the fibrous substance may be a so-called fiber-like state. The fiber length, fiber diameter, material, and shape are not particularly limited, and the concept includes fibrous (short fibrous, long fibrous, etc.), needle-shaped, rod-shaped, conical, and tubular shapes. Further, in the method of analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid including the steps (a) to (c), from the viewpoint of the accuracy of the simulation, the fibrous substance has a diameter d of about 1 μm or more. It is preferable that the simulation target is a fibrous material having a size (where the Brownian motion is not dominant) and having a length L not exceeding the calculation region. Therefore, if the aspect ratio (L/d) defined in this range can be calculated in principle. Examples of such fibrous substances include carbon fibers and glass fibers used in fiber-reinforced resins and the like. Further, the fluid used for such a motion analysis is preferably a liquid substance having fluidity, and examples thereof include general resins and water.
上述のような解析により、例えば、繊維強化樹脂(FRP)などの成形プロセスの理解や、モデル化のために重要な対象である、図3に模式的に示すような単純せん断中の繊維状物質の配向挙動の3次元数値シミュレーションを実施することが可能となる。なお、FRPでは成形後の繊維配向状態が成形品の強度や剛性に対して重要なパラメーターであるため、このような数値シミュレーションにより、プロセス中の配向挙動を、より精度高く予測することが可能となる。このように、本発明によれば、流体中の繊維状物質の配向状態をより高精度にかつ現実的な計算時間で予測できるシミュレーションでき、各種成形プロセス最適化への応用が見込まれる。 From the above-mentioned analysis, for example, the fibrous substance during simple shearing, which is an important target for understanding and modeling of the molding process of fiber reinforced resin (FRP), is schematically shown in FIG. It is possible to carry out a three-dimensional numerical simulation of the orientation behavior of the. In FRP, since the fiber orientation state after molding is an important parameter for the strength and rigidity of the molded product, it is possible to more accurately predict the orientation behavior during the process by such a numerical simulation. Become. As described above, according to the present invention, it is possible to perform a simulation in which the orientation state of the fibrous substance in the fluid can be predicted with higher accuracy and in a realistic calculation time, and it is expected to be applied to optimization of various molding processes.
以上、図1〜2等に基づいて本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法及び解析装置の好適な実施形態について説明したが、本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法及び本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においてはステップS8において時間を条件として、第一の演算手段21及び第二の演算手段22での計算を順次実行する処理(ステップS3〜7に記載の計算を順次実行する処理:上記ステップ(a)及び(b)に記載の計算を順次実行する処理)を繰り返し実行させているが、本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法及び解析装置においては、かかる演算処理を反復実行させるための条件は時間に限定されるものではなく、例えば、Δtの大きさを特定の大きさに設定しつつ繰り返し演算する回数を条件として設定して、上記ステップ(a)及び(b)に記載の計算(第一の演算手段21及び第二の演算手段22での計算)が所定の繰り返し回数実行されるまで反復実行させてもよい。 The preferred embodiment of the method and apparatus for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention has been described above with reference to FIGS. 1 and 2, but the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention has been described. The analysis method and the apparatus for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid according to the present invention are not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, in step S8, the process of sequentially executing the calculations in the first calculating means 21 and the second calculating means 22 under the condition of time (the process of sequentially executing the calculations described in steps S3 to 7). The process of sequentially executing the calculations described in steps (a) and (b) above is repeatedly executed, but in the method and apparatus for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention, The condition for repeatedly executing the calculation process is not limited to the time, and for example, the number of times of repeated calculation is set as the condition while setting the size of Δt to a specific size, and the above step (a) is performed. The calculation described in (b) (calculation by the first calculating means 21 and the second calculating means 22) may be repeatedly executed until it is executed a predetermined number of times.
なお、本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法及び解析装置によれば、せん断力を加えられた流体中の繊維状物質の運動状態をより短時間でかつより精度高くシミュレーションすることが可能となる。このように、本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法及び解析装置によって、流体中の繊維状物質の運動状態をより短時間でかつより精度高くシミュレーションすることが可能となる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。 According to the method and apparatus for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention, the motion state of the fibrous substance in the fluid to which the shearing force is applied can be simulated in a shorter time and with higher accuracy. It becomes possible. As described above, the method and apparatus for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention makes it possible to simulate the motion state of the fibrous substance in the fluid in a shorter time and with higher accuracy. Is not necessarily clear, but the present inventors speculate as follows.
ここで、先ず、本発明と対比するため、上述の特許文献1(特開平5−314091号公報)に記載のような、従来の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法について簡単に説明する。このような従来の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法においては、図7のフローチャートに示すようなステップS21〜S29の手順で解析が行われていた。このような解析について簡単に説明すると、先ず、ステップS21及びS22は、基本的に、上述の本発明の解析方法の好適な実施形態において説明したステップS1及びS2と同様のステップである。次いで、ステップS23においては、下記式(111)〜(112): Here, first, for comparison with the present invention, a brief description will be given of a conventional method for analyzing the motion state of a fibrous substance in a fluid, as described in the above-mentioned Patent Document 1 (JP-A-5-314091). To do. In such a conventional method of analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid, the analysis is performed in the procedure of steps S21 to S29 as shown in the flowchart of FIG. To briefly describe such analysis, first, steps S21 and S22 are basically the same steps as steps S1 and S2 described in the preferred embodiment of the analysis method of the present invention described above. Next, in step S23, the following equations (111) to (112):
[式(111)〜(112)中の記号は、式(12)及び(13)中の記号と同様のものである。]
により、最初に、繊維状物質の存在や運動を考慮せずに流体の速度を計算する。このように、従来の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法においては、繊維状物質の存在を無視して、流体の速度を計算する。そして、そのような流体の速度の計算値を利用して、ステップS24において繊維状物質の流体抵抗力及び繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルクを計算する。このようなステップS24における計算は、流体の速度(uf i)として、ステップS23で計算した値を利用する以外は、上述の本発明の解析方法の好適な実施形態において説明したステップS3で説明した計算と同様の計算方法を採用する。そして、ステップS25において繊維状物質の各球体間の結合力及び曲げ変形に対する復元トルクを計算する。このようなステップS25における計算は、上述の本発明の解析方法の好適な実施形態において説明したステップS4で説明した計算と同様の計算方法を採用する。次に、ステップS26において、相互に作用し合う繊維状物質を探索して、下記式(113)〜(115):
[The symbols in formulas (111) to (112) are the same as the symbols in formulas (12) and (13). ]
First, the velocity of the fluid is calculated without considering the presence or movement of the fibrous substance. As described above, in the conventional method of analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid, the velocity of the fluid is calculated by ignoring the presence of the fibrous substance. Then, using the calculated value of the velocity of the fluid, the fluid resistance of the fibrous substance and the torque received by each sphere of the fibrous substance from the fluid are calculated in step S24. Such calculation in step S24 is described in step S3 described in the preferred embodiment of the above-described analysis method of the present invention, except that the value calculated in step S23 is used as the fluid velocity (u f i ). Adopt the same calculation method as the calculation. Then, in step S25, the binding force between the spheres of the fibrous substance and the restoring torque for the bending deformation are calculated. Such calculation in step S25 adopts the same calculation method as the calculation described in step S4 described in the preferred embodiment of the analysis method of the present invention. Next, in step S26, the fibrous substances that interact with each other are searched for, and the following formulas (113) to (115):
[式(113)〜(115)中、flub ij及びfmec ijは繊維状物質間の相互作用力を示し、dpは球体集合体モデル中の球体の直径を示し、mPは球体の質量を示し、uP iは球状集合体モデルの球体iの速度を示し、uP jは球状集合体モデルの球体jの速度を示し、nijは球状集合体モデルの球体i及び球体jのそれぞれの中心間を結ぶ球体iから球体jに向かう方向の単位ベクトルを示し、riは球体iの重心の座標を示し、rjは球体jの重心の座標を示し、ksは引張り・圧縮変形に対する定数を示し、edは球体間の反発係数を示し、fP ijは隣り合う2つの粒子間に生じる摩擦力を示す。]
により、繊維状物質間の相互作用力(2体相互作用)を計算する。なお、このようなflub ij及びfmec ijの概念は、Yamamoto, s. et al.,J.Chem Phys., 102, 2254(1995)やTsuji, Y. et al., Powder Tech., 77, 79(1993)に記載されているものを利用できる。次いで、ステップ27において、このようなflub ij及びfmec ijの計算結果及びfP ijの計算結果を利用して、下記式(7’):
[In Formulas (113) to (115), f lub ij and f mec ij represent the interaction force between fibrous substances, d p represents the diameter of the sphere in the sphere assembly model, and m P represents the sphere's diameter. Mass, u P i represents the velocity of the sphere i of the spherical aggregate model, u P j represents the velocity of the sphere j of the spherical aggregate model, and n ij represents the sphere i and the sphere j of the spherical aggregate model. The unit vector in the direction from the sphere i connecting the centers to the sphere j is shown, r i is the coordinate of the center of gravity of the sphere i, r j is the coordinate of the center of gravity of the sphere j, and k s is the tension/compression. shows the constant for deformation, e d represents the coefficient of restitution between the spheres, f P ij denotes the frictional force generated between the two particles adjacent. ]
The interaction force (two-body interaction) between fibrous substances is calculated by. The concept of such f lub ij and f mec ij is described in Yamamoto, s. et al., J. Chem Phys., 102, 2254 (1995) and Tsuji, Y. et al., Powder Tech., 77. , 79 (1993) can be used. Then, in step 27, using the calculation results of f lub ij and f mec ij and the calculation result of f P ij , the following formula (7′):
[式(7’)中、flub ij及びfmec ijはステップS26において算出した繊維状物質間の相互作用力を示し、それ以外の記号の意味は上記式(7)中のものと同様である。]
で表される計算式と上記式(8)〜(10)で表される計算式とにより、各球体の速度(uP i)及び角速度(ωP i)等を求めて、繊維状物質の位置を求める。次に、ステップS28において、時刻Tが計算の終了時間として設定した時間(Tend)よりも大きな値となっているか否かを判定し、終了時間Tendよりも時刻Tが小さな値である場合には、時刻TをステップS2の時刻tnに変換して、ステップS22〜27を再度実行し、Tend<Tの条件を満たした場合には演算を終了し、ステップS29において演算結果を出力する。
[In the formula (7′), f lub ij and f mec ij represent the interaction force between the fibrous substances calculated in step S26, and other symbols have the same meanings as those in the above formula (7). is there. ]
The velocity (u P i ) and angular velocity (ω P i ) of each sphere are calculated by the calculation formula represented by the above formula and the calculation formulas represented by the above formulas (8) to (10), and Find the position. Next, in step S28, it is determined whether or not the time T is a value larger than the time (T end ) set as the end time of the calculation, and the time T is a value smaller than the end time T end. to converts the time T to the time t n in the step S2, perform the steps S22~27 again, terminates the operation when the condition is met the T end the <T, it outputs the result in step S29 To do.
このように、図7に示すような従来の解析方法では、初期条件を入力後(ステップS21)、時間を更新し(ステップS22)、繊維状物質の存在やその運動を考慮せずに流体の速度を計算し(ステップS23)、次に、繊維状物質の各球体の流体抵抗力及び繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルクを計算(ステップS24)し、維状物質の各球体間の結合力及び曲げ変形に対する復元トルクを計算する(ステップS25)。次いで、繊維状物質間の2体相互作用を計算するために相互作用し合う相手を探索し、その結果に基づいて繊維状物質間の2体相互作用を計算する(ステップS26)。なお、このようなステップS26において2体相互作用として考慮する力(繊維状物質間の相互作用力)は、前述の流体潤滑力flub ijと機械接触力fmec ijである。そして、このようなステップS23〜S27までの計算結果に基づいて、繊維の位置、速度及び角速度等を計算する(ステップS27)。その後、指定の条件に到達していない場合は,ステップS22に戻り同様の計算を繰り返す。 As described above, in the conventional analysis method as shown in FIG. 7, after the initial condition is input (step S21), the time is updated (step S22), and the presence of the fibrous substance and its motion are not taken into consideration. The velocity is calculated (step S23), and then the fluid resistance of each sphere of fibrous material and the torque that each sphere of fibrous material receives from the fluid are calculated (step S24) to calculate the distance between each sphere of fibrous material. A restoring torque for the binding force and the bending deformation is calculated (step S25). Next, in order to calculate the two-body interaction between the fibrous substances, a partner that interacts with each other is searched for, and the two-body interaction between the fibrous substances is calculated based on the result (step S26). The forces (interaction forces between fibrous substances) considered as the two-body interaction in step S26 are the fluid lubrication force f lub ij and the mechanical contact force f mec ij described above. Then, the position, velocity, angular velocity, and the like of the fiber are calculated based on the calculation results of steps S23 to S27 (step S27). After that, when the specified condition is not reached, the process returns to step S22 and the same calculation is repeated.
これに対して、図2に示す実施形態(本発明の解析方法の好適な一実施形態)では、初期条件を入力後(ステップS1)、時間を更新し(ステップS2)、繊維状物質の各球体の流体抵抗力及び繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルクを計算(ステップS3)し、繊維状物質の各球体間の結合力及び曲げ変形に対する復元トルクを計算(ステップS4)し、その計算結果に基づいて、繊維状物質の位置、速度及び角速度等を計算する(ステップS5)。次に、ステップS3の計算結果に基づいて流体が繊維状物質から受ける力(計算セル中に存在する各球体にかかる流体抵抗力fh iの反力を1つの計算セル内で総和した値)を計算し(ステップS6)、その計算結果に基づいて、繊維状物質から受ける反力を考慮して、流体の速度を計算する(ステップS7)。そして、指定の条件に到達していない場合は,ステップS2に戻り同様の計算を繰り返す。 On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 2 (a preferred embodiment of the analysis method of the present invention), after inputting the initial conditions (step S1), the time is updated (step S2) and each of the fibrous substances is updated. The fluid resistance of the sphere and the torque that each sphere of the fibrous substance receives from the fluid are calculated (step S3), the binding force between the spheres of the fibrous substance and the restoring torque for bending deformation are calculated (step S4), The position, velocity, angular velocity, etc. of the fibrous substance are calculated based on the calculation result (step S5). Next, the force that the fluid receives from the fibrous substance based on the calculation result of step S3 (a value obtained by summing the reaction forces of the fluid resistance force f h i applied to each sphere present in the calculation cell in one calculation cell) Is calculated (step S6), and the velocity of the fluid is calculated based on the calculation result in consideration of the reaction force received from the fibrous substance (step S7). Then, when the specified condition is not reached, the process returns to step S2 and the same calculation is repeated.
このように、フローチャートに記載した実施形態の対比や上記計算式等から、本発明と上記特許文献1に記載のような従来技術との相違点は、従来技術において計算する2体相互作用の計算(ステップS26)を本発明では省略している点、本発明では繊維状物質の位置、速度及び角速度等を計算する際に2体相互作用の計算結果(繊維状物質間の相互作用力:流体潤滑力flub ijと機械接触力fmec ijの値)を利用しない点(本発明で利用する計算式(7)は、式(7’)中の流体潤滑力flub ijと機械接触力fmec ijの値を0とした場合と同じ式である)、本発明では繊維状物質の存在やその運動を考慮して流体の速度を計算している点(ステップ6及び7:流体運動と繊維運動の相互作用(具体的には繊維が流体から受ける力およびその反力)を双方向(2way)に考慮する2way計算をしている点)にある。 As described above, the difference between the present invention and the conventional technique as described in Patent Document 1 is that the calculation of the two-body interaction calculated in the conventional technique is based on the comparison between the embodiments described in the flowchart and the above calculation formulas. (Step S26) is omitted in the present invention. In the present invention, the calculation result of the two-body interaction when calculating the position, velocity, angular velocity, etc. of the fibrous substance (interaction force between fibrous substances: fluid The point that the lubrication force f lub ij and the mechanical contact force f mec ij are not used (the calculation formula (7) used in the present invention is that the fluid lubrication force f lub ij and the mechanical contact force f in the formula (7′) are used. mec values of ij is the same formula as when a 0), the point in the present invention that taking into account the existence and the movement of the fibrous material to calculate the velocity of the fluid (step 6 and 7: fluid motion and fibers This is in the two-way calculation that considers the interaction of motions (specifically, the force that the fiber receives from the fluid and its reaction force) bidirectionally (2 ways).
ここで、従来技術において採用していた2体相互作用(粒子間相互作用:繊維状物質間の相互作用力)の計算について検討すると、流体潤滑や機械接触といった2体相互作用の計算では、繊維状物質のある粒子(粒子Aとする)と別の粒子(粒子Bとする)の位置情報や、速度情報を互いに参照し合う必要があり、粒子Aと粒子Bの情報が計算機のメモリ空間上において遠く離れた位置に格納されている場合、それらの通信時間に多くの時間を要することになる。特に、2体相互作用の計算において、並列計算を行う場合、このような通信時間はさらに長くなる傾向にある。このように、2体相互作用の計算は、上記従来の解析方法において最も計算負荷の大きい(計算時間のかかる)部分である。 Here, when the calculation of the two-body interaction (interaction between particles: interaction force between fibrous substances) adopted in the conventional technique is examined, the two-body interaction such as fluid lubrication or mechanical contact is It is necessary to refer to the positional information and the velocity information of a particle (as a particle A) and another particle (as a particle B) having a particulate matter, and the information of the particle A and the particle B is stored in the memory space of the computer. If they are stored at distant locations in, the communication time for them will take a lot of time. Especially, in the calculation of two-body interaction, when parallel calculation is performed, such communication time tends to be longer. As described above, the calculation of the two-body interaction is the portion with the largest calculation load (which requires a long calculation time) in the above conventional analysis method.
また、このような従来の解析方法では、流体の速度の計算に繊維状物質の存在やその運動が考慮されていないため、せん断中の繊維状物質の運動において繊維状物質の配向が初期状態から定常値に到達するような基本的な配向挙動をシミュレーションが困難であった。これに対して、本発明においては、このような2体相互作用(繊維状物質間に生じる流体潤滑や機械接触)の計算、すなわち、繊維状物質間の相互作用力(流体潤滑力flub ij及び機械接触力fmec ij)の計算を省略し、その代替として、流体運動と繊維運動の相互作用(具体的には繊維が流体から受ける力およびその反力)を双方向(2way)に考慮する2way計算をしている。そのため、本発明においては、計算精度を低下させることなく、計算速度が大幅に向上すること(計算速度を大幅に短くすること)が可能となるものと本発明者らは推察する。 Further, in such a conventional analysis method, since the existence and movement of the fibrous substance are not considered in the calculation of the velocity of the fluid, the orientation of the fibrous substance in the movement of the fibrous substance during shearing is changed from the initial state. It was difficult to simulate the basic orientation behavior that would reach a steady value. On the other hand, in the present invention, such two-body interaction (fluid lubrication or mechanical contact between fibrous substances) is calculated, that is, the interaction force between fibrous substances (fluid lubrication force f lub ij). And the mechanical contact force f mec ij ) is omitted, and as an alternative, the interaction between the fluid motion and the fiber motion (specifically, the force that the fiber receives from the fluid and its reaction force) is considered bidirectionally (2 ways). 2 way calculation is done. Therefore, in the present invention, the present inventors presume that the calculation speed can be significantly improved (the calculation speed can be significantly shortened) without lowering the calculation accuracy.
また、従来手法では、繊維が流体から受ける力のみを考慮する1方向(1way)の計算手法により、流体中の繊維状物質の運動状態を解析しているが、本発明では、上述のように、繊維状物質が流体から力を受けることによって生じる運動だけではなく、繊維の存在やその運動が流体の運動にも影響を与えることに着目して、繊維状物質と流体の相互作用を双方向(2way)に考慮して計算をしているため、せん断中の繊維状物質の運動において繊維状物質の配向が初期状態から定常値に到達するような基本的な配向挙動についてのシミュレーションを行うことも可能である。なお、このようなシミュレーションは、繊維強化樹脂(FRP)などの成形プロセスの理解やモデル化のために好適に利用することが可能である。また、このようなシミュレーションに際して、上述のように、流体と繊維状物質との間の相互作用を2wayで考慮するため、繊維状物質の配向の予測精度もより向上したものとなる。このように、本発明によれば、流体の運動と繊維状物質の運動の相互作用(具体的には、繊維が流体から受ける力およびその反力)を双方向(2way)に考慮するため、従来と比較して、せん断中の繊維状物質の配向状態の予測をより精度高く行うことが可能となるものと本発明者らは推察している。 Further, in the conventional method, the motion state of the fibrous substance in the fluid is analyzed by a one-way (1 way) calculation method in which only the force that the fiber receives from the fluid is considered, but in the present invention, as described above, , Bidirectional interaction between fibrous substance and fluid, focusing on not only the movement of fibrous substance caused by receiving force from fluid, but also the presence of fibers and the movement of fluid affects the movement of fluid. Since the calculation is performed in consideration of (2 ways), the simulation of the basic orientation behavior in which the orientation of the fibrous material reaches a steady value from the initial state in the movement of the fibrous material during shearing is performed. Is also possible. Such a simulation can be suitably used for understanding and modeling the molding process of fiber reinforced resin (FRP) or the like. Further, in such a simulation, since the interaction between the fluid and the fibrous substance is considered in 2 ways as described above, the prediction accuracy of the orientation of the fibrous substance is further improved. As described above, according to the present invention, the interaction between the motion of the fluid and the motion of the fibrous substance (specifically, the force that the fiber receives from the fluid and its reaction force) is considered bidirectionally (2 ways). The present inventors presume that it becomes possible to more accurately predict the orientation state of the fibrous substance during shearing as compared with the conventional method.
以上、説明したように、本発明では、繊維状物質間に生じる流体潤滑や機械接触といった2体相互作用は計算せずに、流体及び繊維状物質の基礎方程式において、流体の運動と繊維状物質の運動の相互作用を双方向に考慮する2way計算を行うため、従来技術と比較してせん断中の繊維配向をより高精度に予測することが可能となる。また、このような本発明の解析方法では、従来の解析方法において最も計算負荷の大きかった2体相互作用の計算を省略して、上述の双方向の相互作用の考慮により(流体の運動と繊維状物質の運動の相互作用の計算により)代替して流体中の繊維状物質の運動状態を解析するため、計算速度がより向上するものと本発明者らは推察する。 As described above, in the present invention, the fluid motion and the fibrous substance are not calculated in the basic equations of the fluid and the fibrous substance without calculating the two-body interaction such as fluid lubrication and mechanical contact that occur between the fibrous substances. Since the 2-way calculation that bidirectionally considers the interaction of the movements of 1 is performed, it becomes possible to more accurately predict the fiber orientation during shearing as compared with the conventional technique. Further, in such an analysis method of the present invention, the calculation of the two-body interaction, which has the largest calculation load in the conventional analysis method, is omitted, and the above-described bidirectional interaction is taken into consideration (fluid motion and fiber The present inventors speculate that the calculation speed is further improved because the motion state of the fibrous substance in the fluid is analyzed instead (by calculating the interaction of the motion of the substance).
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
(実施例1)
実施例1においては、ニュートン流体からなる流体中に下記式:
(Example 1)
In Example 1, the following formula was added to a fluid composed of Newtonian fluid:
[式中、dpは繊維状物質の直径(球体集合体モデルとした場合の球体の直径)を示し、γはせん断速度を示し、ρpは繊維状物質の密度を示し、μは流体の粘性係数を示し、Stはストークス数を示す]
で表されるストークス数(St)がほぼ1となるような繊維状物質の密度(ρp)と直径(dp)を有する繊維が分散した系について、図2に示すフローチャートに基づいて、上記式(1)〜(13)に記載の計算を行って、せん断力をかけ始めてから所定の時間までの流体の運動と繊維状物質の運動を解析して、流体中の繊維状物質の配向状態を解析した。
[In the formula, d p represents the diameter of the fibrous substance (the diameter of the sphere in the case of a sphere assembly model), γ represents the shear rate, ρ p represents the density of the fibrous substance, and μ represents the fluid Viscosity coefficient, St represents Stokes number]
Based on the flowchart shown in FIG. 2, a system in which fibers having a density (ρ p ) and a diameter (d p ) of a fibrous substance such that the Stokes number (St) represented by By performing the calculation described in the equations (1) to (13) and analyzing the motion of the fluid and the motion of the fibrous substance from the start of applying the shearing force, the orientation state of the fibrous substance in the fluid is analyzed. Was analyzed.
なお、このようにして解析(シミュレーション)する対象の実験は、文献“Cieslinski, M.J. et al., J. Non-Newtonian Fluid Mech., vol.222, 163頁〜170頁(2015年発行)”「以下、かかる文献を場合により単に「参考文献1」と称する)に記載されているスライディング型レオメータを用いた繊維状物質を体積濃度3.8vol%の割合(Vf=3.8%)で含む流体に対する実験を模したものであり、上記解析は、具体的には、該参考文献1に記載のスライディング型レオメータ(具体的には大変形、かつ、一様変形を発生させ、時系列データを取得できるスライディング型レオメータ)を用いて、ポリプロピレンからなる流体にガラス繊維を体積濃度(Vf)2.2vol%の割合で分散させた繊維含有流体(流体(ポリプロピレン)及び繊維状物質(ガラス繊維))に対してせん断力をかけた場合の実験についてのシミュレーションとして行った。 The experiment to be analyzed (simulated) in this manner is described in the document “Cieslinski, MJ et al., J. Non-Newtonian Fluid Mech., vol.222, pp. 163-170 (2015)”. A fluid containing a fibrous substance at a volume concentration of 3.8 vol% (Vf=3.8%) using a sliding type rheometer described below in some cases, simply referred to as “Reference 1”. Specifically, the above-mentioned analysis is performed by the sliding rheometer described in Reference 1 (specifically, large deformation and uniform deformation are generated, and time series data is acquired). Using a sliding type rheometer that can be used, a fiber-containing fluid (fluid (polypropylene) and fibrous substance (glass fiber)) in which glass fibers are dispersed in a fluid of polypropylene at a volume concentration (Vf) of 2.2 vol% is used. It was performed as a simulation of an experiment in which a shearing force was applied to it.
なお、このような解析に際しては、初期条件として、繊維状物質の密度(ρp)、繊維状物質の直径(dp)、繊維状物質の直径に対する繊維長Lの比(L/dp)であるアスペクト比(G=20)、繊維の本数(690本)、繊維状物質を体積濃度(Vf=2.2vol%)、流体の粘性係数(μ)、せん断速度(γ)といった情報を入力した。なお、上記参考文献1に記載の実験と同様に、粒子に働く慣性力が支配的とならない条件で、かつ数値的に安定に計算できる条件として、ストークス数がほぼ1(概ね1)以下となるような、dp、ρp、γ、μの組み合わせとして、dp=25[μm]、ρp=1×106[kg/m3]、γ=1000[1/秒]、μ=0.1[Pa・s]という値を入力した。また、計算上の初期の繊維配向が、Axx〜0.5,Ayy〜0,Azz〜0.5に設定されるように、繊維の初期条件を入力した。ここで、Axxはx方向(流れ方向)の配向テンソルを示し、Ayyはy方向(壁面垂直方向)の配向テンソルを示し、Azzはz方向(流路の奥行方向)の配向テンソルを示す。 In such an analysis, as initial conditions, the density of the fibrous substance (ρ p ), the diameter of the fibrous substance (d p ), and the ratio of the fiber length L to the diameter of the fibrous substance (L/d p ) Information such as aspect ratio (G=20), number of fibers (690), volume concentration of fibrous substance (Vf=2.2vol%), viscosity coefficient of fluid (μ), shear rate (γ) did. Similar to the experiment described in Reference 1, the Stokes number is approximately 1 (generally 1) or less as a condition under which the inertial force acting on the particles is not dominant and the numerically stable calculation is possible. As such a combination of d p , ρ p , γ, and μ, d p =25 [μm], ρ p =1×10 6 [kg/m 3 ], γ=1000 [1/sec], μ=0 The value of 1 [Pa·s] was input. Moreover, the initial condition of the fiber was input so that the initial fiber orientation in the calculation was set to Axx to 0.5, Ayy to 0, and Azz to 0.5. Here, Axx represents the orientation tensor in the x direction (flow direction), Ayy represents the orientation tensor in the y direction (wall surface vertical direction), and Azz represents the orientation tensor in the z direction (depth direction of the flow channel).
(実施例2)
繊維の本数を690本から4140本に変更して、初期条件の繊維状物質の体積濃度の値が2.2vol%(Vf=2.2%)から12.7vol%(Vf=12.7%)に変わった以外は、実施例1と同様にして、せん断応力をかけ始めてから所定の時間までの流体の運動と繊維状物質の運動を解析して、流体中の繊維状物質の配向状態を解析した。
(Example 2)
The number of fibers was changed from 690 to 4140, and the volume concentration value of the fibrous substance under the initial condition was 2.2 vol% (Vf=2.2%) to 12.7 vol% (Vf=12.7%). ) Was changed to analyze the motion of the fluid and the motion of the fibrous substance from the start of applying the shear stress to a predetermined time in the same manner as in Example 1 to determine the orientation state of the fibrous substance in the fluid. Analyzed.
なお、このようにして解析(シミュレーション)する対象の実験は、前記参考文献1[“Cieslinski, M.J. et al., J. Non-Newtonian Fluid Mech., vol.222, 163頁〜170頁(2015年発行)]に記載されているスライディング型レオメータを用いた繊維状物質を体積濃度13.3vol%の割合(Vf=13.3%)で含む流体に対する実験を模したものであり、上記解析は、具体的には、該参考文献1に記載のスライディング型レオメータを用いて、ポリプロピレンからなる流体にガラス繊維を体積濃度(Vf)12.7vol%の割合で分散させた繊維含有流体(流体(ポリプロピレン)及び繊維状物質(ガラス繊維))に対してせん断力をかけた場合の実験についてのシミュレーションとして行った。 The experiment to be analyzed (simulated) in this way is described in Reference 1 [“Cieslinski, MJ et al., J. Non-Newtonian Fluid Mech., vol.222, pp. 163-170 (2015). Published)] is a model of a fluid containing a fibrous substance at a volume concentration of 13.3 vol% (Vf=13.3%) using a sliding type rheometer described above. Specifically, using the sliding rheometer described in Reference 1, a fiber-containing fluid (fluid (polypropylene)) in which glass fibers are dispersed in a polypropylene fluid at a volume concentration (Vf) of 12.7 vol% is used. And a fibrous substance (glass fiber) was subjected to a shearing force as a simulation of an experiment.
(比較例1)
図2に示すフローチャートに基づいて上記式(1)〜(13)に記載の計算を行う代わりに、図7に示すフローチャートに基づいて式(1)〜(6)、式(7’)、式(8)〜(10)及び式(111)〜(115)に記載の計算を行う以外は、実施例1と同様にして、せん断応力をかけ始めてから所定の時間までの流体の運動と繊維状物質の運動を解析して、流体中の繊維状物質の配向状態を解析した。
(Comparative Example 1)
Instead of performing the calculations described in the above formulas (1) to (13) based on the flowchart shown in FIG. 2, formulas (1) to (6), formula (7′), and formulas based on the flowchart shown in FIG. In the same manner as in Example 1 except that the calculations described in (8) to (10) and formulas (111) to (115) are performed, the motion of the fluid and the fibrous state from the start of applying the shear stress to the predetermined time. The motion of the substance was analyzed to analyze the orientation state of the fibrous substance in the fluid.
(比較例2)
図2に示すフローチャートに基づいて上記式(1)〜(13)に記載の計算を行う代わりに、図7に示すフローチャートに基づいて式(1)〜(6)、式(7’)、式(8)〜(10)及び式(111)〜(115)に記載の計算を行う以外は、実施例2と同様にして、せん断応力をかけ始めてから所定の時間までの流体の運動と繊維状物質の運動を解析して、流体中の繊維状物質の配向状態を解析した。
(Comparative example 2)
Instead of performing the calculations described in the above formulas (1) to (13) based on the flowchart shown in FIG. 2, formulas (1) to (6), formula (7′), and formulas based on the flowchart shown in FIG. Except for performing the calculations described in (8) to (10) and equations (111) to (115), in the same manner as in Example 2, the motion of the fluid and the fibrous state from the start of applying the shear stress to the predetermined time. The motion of the substance was analyzed to analyze the orientation state of the fibrous substance in the fluid.
〈配向状態の解析結果について〉
実施例1及び比較例1の解析結果として、せん断応力をかけ始めてからの繊維配向テンソルAxxの時間変化(時間をせん断速度で無次元化した値,すなわち,ひずみ)に関するグラフを図8に示す。なお、図8には、繊維状物質の体積分縦率の値が近いことから、参考文献1[“Cieslinski, M.J. et al., J. Non-Newtonian Fluid Mech., vol.222, 163頁〜170頁(2015年発行)”]に記載されているスライディング型レオメータを用いた繊維状物質を体積分率(ε)3.8vol%の割合で含む流体に対する実験の結果も参考例1として併せて示す。
<Analysis result of orientation state>
As a result of the analysis of Example 1 and Comparative Example 1, a graph relating to a time change of the fiber orientation tensor Axx (a value obtained by making time dimensionless by a shear rate, that is, strain) after applying a shear stress is shown in FIG. 8. Note that, in FIG. 8, since the values of the volume fractions of fibrous substances are close to each other, reference 1 [“Cieslinski, MJ et al., J. Non-Newtonian Fluid Mech., vol. 222, p. Page 170 (published in 2015)”], the results of an experiment on a fluid containing a fibrous substance at a volume fraction (ε) of 3.8 vol% using a sliding rheometer are also shown as Reference Example 1. Show.
なお、このように、参考のために図8に記載する前記参考文献1に記載されているスライディング型レオメータを用いた実験の結果は、該参考文献1に記載のスライディング型レオメータを用い、直径dの平均値が13.3μmであり、かつ、アスペクト比Gが105であるガラス繊維(繊維状物質)を体積濃度(Vf)の条件が3.8vol%となる割合でポリプロピレン(流体)に分散させ、せん断速度(γ)が1.0[1/秒]となる条件でせん断を加える実験における測定結果である。 As described above, the result of the experiment using the sliding rheometer described in Reference 1 described in FIG. 8 for reference is as follows: Glass fiber (fibrous substance) having an average value of 13.3 μm and an aspect ratio G of 105 is dispersed in polypropylene (fluid) at a ratio of the volume concentration (Vf) condition of 3.8 vol %. Is a measurement result in an experiment in which shear is applied under the condition that the shear rate (γ) is 1.0 [1/sec].
また、実施例2及び比較例2の解析結果として、せん断応力をかけ始めてからの繊維配向テンソルAxxの時間変化(時間をせん断速度で無次元化した値,すなわち,ひずみ)に関するグラフを図9に示す。なお、図9には、繊維状物質の体積分立の値が近いことから、前記参考文献1に記載されているスライディング型レオメータを用いた繊維状物質を体積分率(ε):13.3vol%の割合で含む流体に対する実験の結果も参考例2として併せて示す。 In addition, as an analysis result of Example 2 and Comparative Example 2, a graph relating to the time change of the fiber orientation tensor Axx (a value obtained by making time dimensionless by shear rate, that is, strain) after applying the shear stress is shown in FIG. 9. Show. In FIG. 9, since the volume fraction values of the fibrous substance are close to each other, the volume fraction (ε) of the fibrous substance using the sliding rheometer described in Reference 1 is 13.3 vol%. The result of the experiment with respect to the fluid contained in the ratio of is also shown as Reference Example 2.
なお、このように参考のために図9に記載する前記参考文献1に記載されているスライディング型レオメータを用いた実験の結果は、該参考文献1に記載のスライディング型レオメータを用い、直径dの平均値が13.3μmであり、かつ、アスペクト比Gが105であるガラス繊維(繊維状物質)を体積濃度(Vf)の条件が13.3vol%となる割合でポリプロピレン(流体)に分散させ、せん断速度(γ)が1.0[1/秒]となる条件でせん断を加える実験における測定結果である。 In addition, the result of the experiment using the sliding rheometer described in the reference 1 described in FIG. 9 for reference as described above shows that the sliding rheometer described in the reference 1 is used and the diameter d Glass fibers (fibrous material) having an average value of 13.3 μm and an aspect ratio G of 105 are dispersed in polypropylene (fluid) at a ratio of 13.3 vol% as a volume concentration (Vf) condition, It is a measurement result in an experiment in which shear is applied under the condition that the shear rate (γ) is 1.0 [1/sec].
図8及び図9に示す結果からも明らかなように、比較例1及び2で採用している従来の解析方法(以下、場合により「Int1way」と称する)により得られたシミュレーション結果[体積濃度(Vf)が2.2%の場合のシミュレーション結果(比較例1:図8)及びVfが12.7%の場合(比較例2:図9)のシミュレーション結果]において、前記参考文献1に記載されている実験結果とは全く異なる挙動を示していることが明らかとなった。これに対して、実施例1及び2で採用している本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法(以下、場合により「Noint2way」と称する)により得られたシミュレーション結果[体積分率(濃度)がVfが2.2%の場合のシミュレーション結果(実施例1:図8)及びVfが12.7%のシミュレーション場合(実施例2:図9)の結果]は、初期値から徐々に定常値に達する挙動を示しており、上記参考文献1に記載されている実験結果とグラフの傾向がほぼ一致しており、配向状態の解析結果と実験による配向状態の観察結果がほぼ同様な結果となることが分かった。このような結果から、本発明で採用する解析方法(Noint2way)によれば、従来の解析方法(Int1way)と比較して、せん断応力を印加した場合の流体中の繊維状物質の運動状態(本実施例では配向挙動)を、より精度高くシミュレーションできることが確認された。 As is clear from the results shown in FIGS. 8 and 9, the simulation results obtained by the conventional analysis method used in Comparative Examples 1 and 2 (hereinafter, sometimes referred to as “Int1way”) [volume concentration ( The simulation result when Vf) is 2.2% (Comparative Example 1: FIG. 8) and the simulation result when Vf is 12.7% (Comparative Example 2: FIG. 9)] are described in Reference 1. It became clear that the behavior was completely different from the experimental results. On the other hand, simulation results obtained by the method of analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention (hereinafter, sometimes referred to as “Noint2way”) adopted in Examples 1 and 2 [volume integral From the initial values, the simulation result (Example 1: FIG. 8) when the rate (concentration) is Vf is 2.2% and the simulation result when Vf is 12.7% (Example 2: FIG. 9)] The behavior gradually reaches a steady value, and the tendency of the graph is almost the same as the experimental result described in Reference Document 1 above. The analysis result of the alignment state and the observation result of the alignment state by the experiment are almost the same. It turns out that it will be a result. From these results, according to the analysis method (Noint2way) adopted in the present invention, compared with the conventional analysis method (Int1way), the motion state of the fibrous substance in the fluid when shear stress is applied (the It was confirmed that the orientation behavior in the example) can be simulated with higher accuracy.
〈解析時間について〉
実施例1〜2及び比較例1〜2で行った解析に関して、64並列(4CPU、16コア/CPU)の環境下で、繰り返し演算する回数が5000となるような計算(時刻:tnのnが5000となるまでの計算:5000ステップの計算)を実施した場合の計算時間を測定した。このような計算結果として、体積濃度Vfが2.2%の場合、体積濃度Vfが12.7%の場合のそれぞれのケースにおけるNoint2way(実施例1又は実施例2)で採用している解析方法の計算時間を1とした場合の計算時間比を図10に示す。
<About analysis time>
With respect to the analyzes performed in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, in a 64 parallel (4 CPU, 16 cores/CPU) environment, a calculation is performed such that the number of repeated calculations is 5000 (time: n at tn: Calculation until reaching 5000: calculation of 5000 steps) was performed and the calculation time was measured. As a result of such calculation, the analysis method adopted in Noint2way (Example 1 or Example 2) in each of the cases where the volume concentration Vf is 2.2% and the volume concentration Vf is 12.7% FIG. 10 shows the calculation time ratio when the calculation time of 1 is 1.
図10に示す結果からも明らかなように、Vfが2.2%の場合では、Noint2wayによる計算方法(実施例1で採用している解析方法)は、Int1wayによる計算方法(比較例1で採用している解析方法)に比べて、計算時間が約4倍も速くなることが確認された。また、Vfが12.7%の場合では、Noint2wayによる計算方法(実施例2で採用している解析方法)は、Int1wayによる計算方法(比較例2で採用している解析方法)に比べて、計算時間が約12倍も速くなることが確認された。このような結果から、Noint2wayによる計算方法(本発明で採用する解析方法)によれば、より高精度のシミュレーション結果をより短時間で得ることが可能となることが分かった。 As is clear from the results shown in FIG. 10, when Vf is 2.2%, the calculation method by Noint2way (the analysis method used in Example 1) is the calculation method by Int1way (used in Comparative Example 1). It has been confirmed that the calculation time is about four times faster than that of the analysis method). Further, when Vf is 12.7%, the calculation method by Noint2way (analysis method adopted in Example 2) is larger than the calculation method by Int1way (analysis method adopted in Comparative Example 2). It was confirmed that the calculation time was about 12 times faster. From such results, it was found that the calculation method by Noint2way (the analysis method adopted in the present invention) makes it possible to obtain a simulation result with higher accuracy in a shorter time.
なお、体積濃度Vfをさらに増加させた場合(繊維の本数をさらに増加させた場合)、2体相互作用を計算する際に生じるメモリ空間上の離れた位置への通信が増大するため、前記Noint2wayによる計算方法(本発明で採用する解析方法)では、Int1wayによる計算方法(従来の解析方法)と比べて、高速化の効果が更に向上するものと考えられる。 Note that when the volume concentration Vf is further increased (when the number of fibers is further increased), communication to distant positions in the memory space that occurs when calculating the two-body interaction increases. It is considered that the calculation method according to (the analysis method adopted in the present invention) further improves the speed-up effect as compared with the calculation method according to Int1way (conventional analysis method).
〈考察〉
前記Noint2wayによる計算方法(本発明で採用する解析方法)の適用範囲について検討すると、一般に、粒子含有流体の計算において相互作用に関する議論を行う場合、粒子濃度が重要なパラメーターのひとつとなる。ここで、粒子濃度は、一般に、濃度が低い順で並べると、希薄系、準濃厚系、濃厚系の3つの系に分類されている。そして、実施例において解析したような繊維を含有する流体の場合には、上述のような3つの系は、下記条件式:
<Discussion>
When the range of application of the calculation method by Noint2way (analysis method adopted in the present invention) is examined, generally, the particle concentration is one of the important parameters when discussing the interaction in the calculation of a fluid containing particles. Here, the particle concentrations are generally classified into three systems of a dilute system, a semi-concentrated system, and a concentrated system when arranged in the order of increasing concentration. Then, in the case of a fluid containing fibers as analyzed in the examples, the above-mentioned three systems have the following conditional expressions:
で表されるような条件で分類できることが知られている(Doi, M. and Edwards, S.F., The Theory of Polymer Dynamics, Oxford Univ. Press, New York(1988))。なお、このような条件式においてnは単位体積当たりの繊維の本数である。そして、希薄系では、本発明において省略した機械接触等の2体相互作用はそれほど重要ではないが(無視できる程度であるが)、濃厚系では2体相互作用は支配的なパラメータとなる可能性がある。そこで、実施例においてシミュレーションしたアスペクト比L/d=20の繊維について、上記条件式にあてはめて分類すると、濃厚系となる条件は、体積濃度Vfが3.9%となる場合であることが分かる。一方で、上述の実施例2においては、図9に示す結果からも明らかなように、体積濃度Vfが12.7%の場合においても精度高くシミュレーションできることが確認されている。このような実施例1〜2の結果と、上記一般的な分類とを併せ勘案すれば、Noint2wayによる計算方法(本発明で採用する解析方法)は、希薄系〜濃厚系のいずれの濃度の分類の範囲(濃度分類の全範囲)において、十分に精度高く繊維状物質の運動状態(配向状態など)を解析できること明白であり、どのような濃度の系においても適用できるものといえる。 It is known that it can be classified under the conditions represented by (Doi, M. and Edwards, S.F., The Theory of Polymer Dynamics, Oxford Univ. Press, New York (1988)). In this conditional expression, n is the number of fibers per unit volume. In the lean system, the two-body interaction such as mechanical contact omitted in the present invention is not so important (although it can be ignored), but in the rich system, the two-body interaction may be a dominant parameter. There is. Therefore, when the fibers having the aspect ratio L/d=20 simulated in the examples are classified by applying the above-mentioned conditional expressions, it is found that the condition of the concentrated system is the case where the volume concentration Vf is 3.9%. . On the other hand, in Example 2 described above, as is clear from the results shown in FIG. 9, it is confirmed that the simulation can be performed with high accuracy even when the volume concentration Vf is 12.7%. Considering the results of Examples 1 and 2 and the general classification described above, the calculation method by Noint2way (the analysis method adopted in the present invention) can be applied to any concentration classification of diluted system to concentrated system. It is clear that the kinetic state (orientation state, etc.) of the fibrous substance can be analyzed with sufficient accuracy in the range (total range of concentration classification), and can be said to be applicable to any concentration system.
以上説明したように、本発明によれば、流体中の繊維状物質の運動状態をより短時間でかつより精度高くシミュレーションすることを可能とする流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法及びそのような解析方法を実行することが可能な流体中の繊維状物質の運動状態の解析装置を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, a method for analyzing a motion state of a fibrous substance in a fluid that enables a motion state of a fibrous substance in a fluid to be simulated in a shorter time and with higher accuracy, and It is possible to provide a device for analyzing the motion state of a fibrous substance in a fluid, which is capable of executing such an analysis method.
したがって、本発明の流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法は、繊維強化樹脂(FRP)や繊維強化金属(FRM)等の複合材料の成形条件や成形用金型等の設計指針を導き出すためのシミュレーションの方法等として特に有用である。 Therefore, the method for analyzing the motion state of the fibrous substance in the fluid of the present invention derives the molding conditions for the composite material such as the fiber reinforced resin (FRP) and the fiber reinforced metal (FRM) and the design guideline for the molding die and the like. It is particularly useful as a simulation method for
1…入力部、2…演算処理部、21…第一の演算手段、22…第二の演算手段、23…判定手段、3…出力部、10…繊維状物質、10A……繊維状物質の球体集合体モデル。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Input part, 2... Arithmetic processing part, 21... 1st arithmetic means, 22... 2nd arithmetic means, 23... Judgment means, 3... Output part, 10... Fibrous substance, 10A... Fibrous substance Sphere aggregate model.
Claims (4)
ステップ(a):前記繊維状物質が複数の球体が結合した球体集合体からなるものと仮定する球体集合体モデルを用いる計算方法を用いて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の運動を解析するためのステップであり、
流体の速度の情報に基づいて、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力及び前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルクを計算し、
前記繊維状物質の各球体間の結合力及び前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクを計算し、
前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力、前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルク、前記繊維状物質の各球体間の結合力、及び、前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクの情報に基づいて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算する、繊維状物質の運動解析ステップ;
ステップ(b):前記ステップ(a)で計算した前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力の情報に基づいて、前記流体が前記繊維状物質から受ける力を計算し、前記流体が前記繊維状物質から受ける力と前記流体中の前記繊維状物質の体積分率とを考慮して、特定の時刻から微小時間経過後における流体の速度を計算する、流体の運動と繊維状物質の運動との連成解析ステップ;
ステップ(c):前記ステップ(a)及びステップ(b)で既に求められた過渡的な流体及び繊維状物質の運動状態の情報を利用して、新たに前記ステップ(a)〜(b)の計算を順次実行する処理を、所定条件を満たすまで繰り返し実行する反復演算ステップ;
を含み、前記反復演算ステップ中に流体の運動と繊維状物質の運動を解析して求められる微小時間経過後の過渡的な解析結果を順次利用して、流体の運動と繊維状物質の運動を連成解析し、流体中の繊維状物質の運動状態を解析することを特徴とする流体中の繊維状物質の運動状態の解析方法。 Simulation of the motion state of fibrous substance in fluid based on the information of fibrous substance and fluid required to calculate the motion of fibrous substance and fluid using the equation of motion of fluid and that of particle An analysis method for performing the following steps (a) to (c):
Step (a): The fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time by using a calculation method using a sphere aggregation model assuming that the fibrous substance is composed of a sphere assembly in which a plurality of spheres are bonded. Is a step for analyzing the movement of
Based on the information of the velocity of the fluid, calculate the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance and the torque that each sphere of the fibrous substance receives from the fluid,
Calculate the binding force between each sphere of the fibrous material and the restoring torque for the bending deformation between each sphere of the fibrous material,
Fluid resistance of each sphere of the fibrous material, torque that each sphere of the fibrous material receives from the fluid, binding force between each sphere of the fibrous material, and bending between each sphere of the fibrous material. The position, velocity and angular velocity of each sphere of the fibrous substance and the bending angle between adjacent spheres forming the fibrous substance are calculated after a lapse of a minute time from a specific time based on the information of the restoring torque for the deformation. , Fibrous material motion analysis step;
Step (b): The force that the fluid receives from the fibrous substance is calculated based on the fluid resistance force information of each sphere of the fibrous substance calculated in step (a), and the fluid is the fibrous substance. Considering the force received from the substance and the volume fraction of the fibrous substance in the fluid, calculate the velocity of the fluid after a lapse of a minute time from a specific time, the movement of the fluid and the movement of the fibrous substance Coupled analysis step;
Step (c): Utilizing the information on the transient motion states of the fluid and the fibrous substance, which are already obtained in the steps (a) and (b), the steps (a) and (b) are newly added. An iterative operation step in which the process of sequentially executing the calculation is repeatedly executed until a predetermined condition is satisfied;
The motion of the fluid and the motion of the fibrous substance are sequentially used by sequentially using the transient analysis result after a lapse of a minute time obtained by analyzing the motion of the fluid and the motion of the fibrous substance during the iterative calculation step. A method for analyzing the motion state of a fibrous substance in a fluid, which comprises performing a coupled analysis to analyze the motion state of the fibrous substance in the fluid.
前記繊維状物質が複数の球体が結合した球体集合体からなるものと仮定する球体集合体モデルを用いる計算方法を用いて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の運動を解析するための演算手段であり、流体の速度の情報に基づいて、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力及び前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルクを計算し、前記繊維状物質の各球体間の結合力及び前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクを計算し、前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力、前記繊維状物質の各球体が前記流体から受けるトルク、前記繊維状物質の各球体間の結合力、及び、前記繊維状物質の各球体間の曲げ変形に対する復元トルクの情報に基づいて、特定の時刻から微小時間経過後における前記繊維状物質の各球体の位置、速度及び角速度並びに前記繊維状物質を構成する隣り合う球体間の曲げ角を計算する第一の演算手段と;
前記第一の演算手段により計算された前記繊維状物質の各球体の流体抵抗力の情報に基づいて、前記流体が前記繊維状物質から受ける力を計算し、前記流体が前記繊維状物質から受ける力と前記流体中の前記繊維状物質の体積分率とを考慮して、特定の時刻から微小時間経過後における流体の速度を計算する、第二の演算手段と;
前記第一の演算手段及び前記第二の演算手段で既に求められた過渡的な流体及び繊維状物質の運動状態の情報を利用して、新たに前記第一の演算手段及び前記第二の演算手段での計算を順次実行する処理を、所定条件を満たすまで繰り返す反復演算ステップを実行させるために、該条件を満たしたか否かを判定する、判定手段と;
を備え、前記反復演算ステップ中に流体の運動と繊維状物質の運動を解析して求められる微小時間経過後の過渡的な解析結果を順次利用して、流体の運動と繊維状物質の運動を連成解析し、流体中の繊維状物質の運動状態を解析することを特徴とする流体中の繊維状物質の運動状態の解析装置。 Simulation of the motion state of fibrous substance in fluid based on the information of fibrous substance and fluid required to calculate the motion of fibrous substance and fluid using the equation of motion of fluid and that of particle An analysis device for
Using a calculation method using a sphere assembly model assuming that the fibrous material is composed of a sphere assembly in which a plurality of spheres are bonded, the movement of the fibrous material after a lapse of a minute time from a specific time is analyzed. Is a calculation means for calculating the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance and the torque that each sphere of the fibrous substance receives from the fluid, based on the information of the velocity of the fluid, The binding force between the spheres and the restoring torque for bending deformation between the spheres of the fibrous substance are calculated, and the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance, the torque that each sphere of the fibrous substance receives from the fluid. , The binding force between the spheres of the fibrous substance, and based on the information of the restoring torque for the bending deformation between the spheres of the fibrous substance, each of the fibrous substance after a lapse of a minute time from a specific time First calculation means for calculating the position, velocity and angular velocity of the sphere, and the bending angle between adjacent spheres forming the fibrous substance;
The force received by the fluid from the fibrous substance is calculated based on the information on the fluid resistance force of each sphere of the fibrous substance calculated by the first computing means, and the fluid receives from the fibrous substance. Second computing means for calculating the velocity of the fluid after a lapse of a minute time from a specific time in consideration of the force and the volume fraction of the fibrous substance in the fluid;
Utilizing the information on the transitional motion states of the fluid and the fibrous substance already obtained by the first computing means and the second computing means, the first computing means and the second computing are newly added. Determination means for determining whether or not the condition is satisfied in order to execute an iterative operation step in which the process of sequentially executing the calculation by the means is repeated until a predetermined condition is satisfied;
The motion of the fluid and the motion of the fibrous material are sequentially used by sequentially using the transient analysis result after a lapse of a minute time obtained by analyzing the motion of the fluid and the motion of the fibrous material during the iterative calculation step. An apparatus for analyzing a motion state of a fibrous substance in a fluid, which performs a coupled analysis to analyze the motion state of the fibrous substance in the fluid.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017234625A JP6711344B2 (en) | 2017-12-06 | 2017-12-06 | Method and apparatus for analyzing motion state of fibrous substance in fluid |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017234625A JP6711344B2 (en) | 2017-12-06 | 2017-12-06 | Method and apparatus for analyzing motion state of fibrous substance in fluid |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019101939A JP2019101939A (en) | 2019-06-24 |
| JP6711344B2 true JP6711344B2 (en) | 2020-06-17 |
Family
ID=66976999
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017234625A Active JP6711344B2 (en) | 2017-12-06 | 2017-12-06 | Method and apparatus for analyzing motion state of fibrous substance in fluid |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6711344B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7469644B2 (en) | 2020-06-03 | 2024-04-17 | 横浜ゴム株式会社 | Parameter determination method |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05314091A (en) * | 1992-05-01 | 1993-11-26 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | A method for analyzing the motion of particles in a flowing substrate |
| JPH1125069A (en) * | 1997-06-27 | 1999-01-29 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Motion analysis method of body in fluid |
| JP2000322407A (en) * | 1999-05-12 | 2000-11-24 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Motion analysis method of medium in fluid |
-
2017
- 2017-12-06 JP JP2017234625A patent/JP6711344B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2019101939A (en) | 2019-06-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gazzola et al. | Forward and inverse problems in the mechanics of soft filaments | |
| Okereke et al. | Finite element applications | |
| JP7102741B2 (en) | Fluid analyzer, fluid analysis method, and fluid analysis program | |
| US20090228246A1 (en) | Methods and systems of engineering analysis using a hybrid approach with FEM and adaptive SPH | |
| US20190197211A1 (en) | Method for estimating stress intensity factors and method for calculating associated service life | |
| US9081921B2 (en) | Method for simulating rubber compound | |
| Peng | Discrete element method (DEM) contact models applied to pavement simulation | |
| KR102436658B1 (en) | Fluid analysis simulation method and fluid simulation apparatus | |
| Sprittles et al. | A parametric study of the coalescence of liquid drops in a viscous gas | |
| CN114357902B (en) | A method for simulating the fluidity of composite materials filled with multi-size fillers | |
| JP5704246B2 (en) | Object motion analysis apparatus, object motion analysis method, and object motion analysis program | |
| JP5432549B2 (en) | Rubber material simulation method | |
| EP2787457B1 (en) | Contact simulation method for rubber material | |
| JP6711344B2 (en) | Method and apparatus for analyzing motion state of fibrous substance in fluid | |
| WO2014045416A1 (en) | Simulation program, simulation method, and simulation device | |
| EP2899655A1 (en) | Analysis device | |
| Hu et al. | Dynamic fracture simulation of flexible multibody systems via coupled finite elements of ANCF and particles of SPH | |
| Dosta et al. | DEM analysis of breakage behavior of bicomponent agglomerates | |
| JP6746971B2 (en) | Composite material analysis method and computer program for composite material analysis | |
| JP5720551B2 (en) | Simulation program, simulation method, and simulation apparatus | |
| JP7395456B2 (en) | Simulation device and program | |
| JP6740879B2 (en) | Method, device, and program for simple motion analysis of structure in fluid | |
| Panneerselvam et al. | A constrained spline dynamics (CSD) method for interactive simulation of elastic rods | |
| JP2014164555A (en) | Simulation method of dynamic behavior of viscoelastic body/filler complex, simulation device and simulation program | |
| Huang et al. | Phase-field-based simulation of axisymmetric binary fluids by using vorticity-streamfunction formulation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190410 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200428 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200511 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6711344 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |