JP6930392B2 - Viscoelastic conduit design method, design program, and evaluation method - Google Patents
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Description
本発明は、粘弾性体の管路の設計方法、設計プログラム、及び評価方法に関する。 The present invention relates to a method for designing a viscoelastic body conduit, a design program, and an evaluation method.
従来より、粘弾性体の挙動をシミュレーションし、その結果に基づいて粘弾性体の管路を評価することが行われている。このようなシミュレーションに基づく評価は、主として、粘弾性体の管路を有する産業機械の設計に役立てられる。粘弾性体とは、弾性体と粘性体との性質を兼ね備えている物体いい、高分子材料が代表的である。より具体的な例として加硫前のゴム等が挙げられる。 Conventionally, the behavior of a viscoelastic body has been simulated, and the conduit of the viscoelastic body has been evaluated based on the result. Evaluation based on such a simulation is mainly useful for the design of an industrial machine having a viscoelastic body conduit. A viscoelastic body is an object having both properties of an elastic body and a viscous body, and a polymer material is typical. A more specific example is rubber before vulcanization.
例えば、特許文献1には、粘弾性体の流動シミュレーション結果に基づき、未加硫のゴムの押出成型に用いられる口金等の流路断面形状を効率的に設計することが開示されている。より具体的には、この特許文献1には、流路内における粘弾性体の速度勾配を小さくするように設計することが開示されている。また、特許文献2には、架橋前のゴムや樹脂といった可塑性を有する材料が、バンバリーミキサー等で混錬される際の挙動の解析について開示されている。
For example,
しかしながら、上記特許文献1のように、速度勾配を小さくするアプローチのみでは、押出成型等の加工精度が十分に向上しない可能性がある。このため、粘弾性体の管路をより定量的に解析し、所望の形状に粘弾性材料を成形することができる、管路の設計方法が要望されていた。
However, as in
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、より精度よく、所望の形状に粘弾性体を成形するための、粘弾性体の管路の設計方法、設計プログラム及び管路の評価方法を提供する。 The present invention has been made to solve the above problems, and is used to design a viscoelastic body conduit, a design program, and a conduit for forming a viscoelastic body into a desired shape with higher accuracy. An evaluation method is provided.
本発明の第1観点に係る管路の設計方法は、粘弾性体が流動する管路の設計方法であって、以下のステップを備える。
(1)前記管路の内壁面の初期形状を設定するステップ
(2)前記粘弾性体を流体としてモデル化するステップ
(3)前記内壁面によって規定される流路を所定の要素に分割するステップ
(4)前記内壁面、前記内壁面によって規定される入口断面及び出口断面における境界条件を設定するステップ
(5)前記各要素における前記流体の速度、圧力を含む物理量の初期値を設定するステップ
(6)前記各要素における前記流体の前記物理量を算出するステップ
(7)前記流路において、複数の流線又は流跡線を生成するステップ
(8)前記各流線又は流跡線に沿って、前記入口断面から流入した前記粘弾性体が前記出口断面から流出するまでの間に受ける伸長変形の度合いを示す累積伸長ひずみΕを前記算出された物理量に基づいて算出するステップ
(9)前記出口断面又は前記出口断面付近における前記累積伸長ひずみΕの分布を算出するステップ
(10)前記累積伸長ひずみΕの分布が変化するように前記内壁面の少なくとも一部の初期形状を変更するステップ
The method for designing a pipeline according to the first aspect of the present invention is a method for designing a pipeline through which a viscoelastic body flows, and includes the following steps.
(1) Step of setting the initial shape of the inner wall surface of the pipeline (2) Step of modeling the viscoelastic body as a fluid (3) Step of dividing the flow path defined by the inner wall surface into predetermined elements (4) Steps for setting boundary conditions in the inner wall surface, the inlet cross section and the outlet cross section defined by the inner wall surface (5) Steps for setting initial values of physical quantities including the velocity and pressure of the fluid in each element (5) 6) Step of calculating the physical quantity of the fluid in each of the elements (7) Step of generating a plurality of streamlines or trace lines in the flow path (8) Along each of the streamlines or trace lines Step to calculate the cumulative extension strain Ε, which indicates the degree of elongation deformation received by the viscoelastic body flowing in from the inlet cross section until it flows out from the outlet cross section, based on the calculated physical quantity (9). Alternatively, a step of calculating the distribution of the cumulative viscoelastic strain Ε in the vicinity of the outlet cross section (10) a step of changing the initial shape of at least a part of the inner wall surface so that the distribution of the cumulative viscoelastic strain Ε changes.
本発明の第2観点に係る管路の設計方法は、第1観点に係る管路の設計方法であって、前記累積伸長ひずみΕを算出するステップは、以下のステップを含む。
前記各流線又は流跡線上に、複数の点Qk(1≦k≦N、N≧2)を、順に設定するステップ
前記流体が点Qkから前記点Qkの隣の点まで移動するのに要する時間tkを算出するステップ
前記時間tk及び前記算出された物理量に基づいて、前記粘弾性体が前記点Qkから前記点Qkの隣の点に移動するまでの間に受ける伸長変形の度合いを示す伸長ひずみεkを算出するステップ
前記伸長ひずみεkを用いて前記累積伸長ひずみΕを算出するステップ
なお、点Q1又は点QNのうちいずれか一方は前記入口断面上又は前記入口断面付近に設定され、前記点Q1又は前記点QNの他方は前記出口断面上又は前記出口断面付近に設定される。
なお、ここいう時間tkを算出するステップには、単位時間tを設定することも含まれるものとする。また、複数の点Qkを順に設定するステップ及び時間tkを算出するステップの順序は、上記の順序に限定されるものではない。
The pipeline design method according to the second aspect of the present invention is the pipeline design method according to the first aspect, and the step of calculating the cumulative elongation strain Ε includes the following steps.
Wherein on each streamline or trajectories, a plurality of points Q k (1 ≦ k ≦ N , N ≧ 2) a step wherein the fluid to be set in order to move from the point Q k to a point next to the point Q k based on the step the time t k and the calculated physical quantity for calculating the time t k required to undergo during the viscoelastic body from the point Q k until you reach the point next to the point Q k Step to calculate extension strain ε k indicating the degree of elongation deformation Step to calculate the cumulative extension strain Ε using the extension strain ε k Note that either point Q 1 or point Q N is on the entrance cross section. Alternatively, it is set near the entrance cross section, and the other point Q 1 or the other point Q N is set on the exit cross section or near the exit cross section.
It should be noted that the step of calculating the time t k here also includes setting the unit time t. Further, the order of the steps for setting the plurality of points Q k in order and the steps for calculating the time t k is not limited to the above order.
本発明の第3観点に係る管路の設計方法は、第2観点に係る管路の設計方法であって、前記粘弾性体の緩和時間はτであり、前記累積伸長ひずみΕは、以下の式(1)により算出される。
本発明の第4観点に係る管路の設計方法は、第2観点に係る管路の設計方法であって、前記累積伸長ひずみΕは、以下の式(2)により算出される。
本発明の第5観点に係る管路の設計方法は、第2観点から第4観点のいずれかに係る管路の設計方法であって、以下のステップをさらに備える。
前記伸長ひずみεkの分布を算出するステップ
前記伸長ひずみεkの分布に基づいて、前記内壁面のうち、初期形状を変更する範囲を決定するステップ
The method for designing a pipeline according to a fifth aspect of the present invention is a method for designing a pipeline according to any one of the second to fourth aspects, and further includes the following steps.
Based on the distribution of the step the elongation strain epsilon k to calculate the distribution of the elongation strain epsilon k, among the inner wall surface, determining a range of changing the initial shape
本発明の第6観点に係る管路の設計方法は、第1観点から第5観点のいずれかに係る管路の設計方法であって、前記内壁面の少なくとも一部の初期形状を変更するステップは、前記累積伸長ひずみΕの分布が均一になるように前記内壁面の少なくとも一部の初期形状を変更するステップであり、前記累積伸長ひずみΕを増加させたい前記流線又は流跡線の近傍においては、前記流路の断面形状の変化が大きくなるように前記内壁面の初期形状を変更すること、及び前記累積伸長ひずみΕを減少させたい前記流線又は流跡線の近傍においては、前記流路の断面形状の変化が小さくなるように前記内壁面の初期形状を変更すること、の少なくとも一方を含む。 The method for designing a pipeline according to a sixth aspect of the present invention is a method for designing a pipeline according to any one of the first to fifth aspects, and is a step of changing the initial shape of at least a part of the inner wall surface. Is a step of changing the initial shape of at least a part of the inner wall surface so that the distribution of the cumulative elongation strain Ε becomes uniform, and is in the vicinity of the streamline or the streamline for which the cumulative elongation strain Ε is desired to be increased. In the case where the initial shape of the inner wall surface is changed so that the change in the cross-sectional shape of the flow path becomes large, and the streamline or the trace line where the cumulative elongation strain Ε is to be reduced is desired. It includes at least one of changing the initial shape of the inner wall surface so that the change in the cross-sectional shape of the flow path is small.
本発明の第7観点に係る管路の設計方法は、第6観点に係る管路の設計方法であって、前記初期形状が変更された後の内壁面によって規定される流路の断面は、前記初期形状の流路の断面よりも面積が小さい。 The pipeline design method according to the seventh aspect of the present invention is the pipeline design method according to the sixth aspect, and the cross section of the flow path defined by the inner wall surface after the initial shape is changed is The area is smaller than the cross section of the flow path of the initial shape.
本発明の第8観点に係る管路の設計方法は、第1観点から第7観点のいずれかに係る管路の設計方法であって、以下のステップをさらに備える。
前記出口断面又は前記出口断面付近における速度分布を算出するステップ
前記速度分布が均一になるように、前記内壁面の少なくとも一部において、前記入口断面と前記出口断面との間の距離を変更するステップ
The method for designing a pipeline according to the eighth aspect of the present invention is a method for designing a pipeline according to any one of the first to seventh aspects, and further includes the following steps.
Step of calculating the velocity distribution in the exit cross section or in the vicinity of the exit cross section A step of changing the distance between the inlet cross section and the exit cross section in at least a part of the inner wall surface so that the velocity distribution becomes uniform.
本発明の第9観点に係る管路の設計方法は、第1観点から第5観点のいずれかに係る管路の設計方法であって、以下のステップをさらに備える。
前記出口断面又は前記出口断面付近における前記流体の速度分布を算出するステップ
前記出口断面又は前記出口断面付近における速度に対する前記累積伸長ひずみΕの相対指標値の分布を算出するステップ
前記速度分布が変化するように、前記内壁面の少なくとも一部において、前記入口断面と前記出口断面との間の距離を変更するステップ
なお、前記累積伸長ひずみΕの分布が変化するように前記内壁面の少なくとも一部の初期形状を変更するステップは、前記相対指標値分布が変化するように前記内壁面の少なくとも一部の初期形状を変更するステップであり、前記初期形状が変更された後の流路の断面は、前記初期形状の流路の断面よりも面積が小さい。
The method for designing a pipeline according to a ninth aspect of the present invention is a method for designing a pipeline according to any one of the first to fifth aspects, and further includes the following steps.
Step to calculate the velocity distribution of the fluid in or near the outlet cross section Step to calculate the distribution of the relative index value of the cumulative elongation strain Ε with respect to the velocity in the outlet cross section or near the outlet cross section The velocity distribution changes. As described above, in at least a part of the inner wall surface, a step of changing the distance between the inlet cross section and the exit cross section. The step of changing the initial shape is a step of changing the initial shape of at least a part of the inner wall surface so that the relative index value distribution changes, and the cross section of the flow path after the initial shape is changed is The area is smaller than the cross section of the flow path of the initial shape.
本発明の第10観点に係る管路の設計方法は、第9観点に係る管路の設計方法であって、前記相対指標値は、以下の式(3)により算出される。
本発明の第11観点に係る管路の設計方法は、第1観点から第10観点のいずれかに係る管路の設計方法であって、前記管路は、押出機の吐出口に設けられる金型であり、前記粘弾性体は、架橋前のゴム又は樹脂材料である。 The method for designing a pipeline according to the eleventh aspect of the present invention is a method for designing a pipeline according to any one of the first to tenth aspects, and the conduit is a gold provided at a discharge port of an extruder. It is a mold, and the viscoelastic body is a rubber or resin material before cross-linking.
本発明の第12観点に係る管路の設計プログラムは、粘弾性体が流動する管路の設計プログラムであって、以下のステップをコンピュータに実行させる。
(1)前記管路の内壁面の初期形状を設定するステップ
(2)前記粘弾性体を流体としてモデル化するステップ
(3)前記内壁面によって規定される流路を所定の要素に分割するステップ
(4)前記内壁面、前記内壁面によって規定される入口断面及び出口断面における境界条件を設定するステップ
(5)前記各要素における前記粘弾性体の速度、圧力を含む物理量の初期値を設定するステップ
(6)前記各要素における前記流体の前記物理量を算出するステップ
(7)前記流路において、複数の流線又は流跡線を生成するステップ
(8)前記各流線又は流跡線に沿って、前記入口断面から流入した前記粘弾性体が前記出口断面から流出するまでの間に受けた伸長変形の度合いを示す累積伸長ひずみΕを前記算出された物理量に基づいて算出するステップ
(9)前記出口断面又は前記出口断面付近における前記累積伸長ひずみΕの分布を算出するステップ
(10)前記累積伸長ひずみΕの分布が変化するように前記内壁面の少なくとも一部の初期形状を変更するステップ
The pipeline design program according to the twelfth aspect of the present invention is a pipeline design program in which a viscoelastic body flows, and causes a computer to perform the following steps.
(1) Step of setting the initial shape of the inner wall surface of the pipeline (2) Step of modeling the viscoelastic body as a fluid (3) Step of dividing the flow path defined by the inner wall surface into predetermined elements (4) Steps for setting boundary conditions in the inner wall surface, the inlet cross section and the outlet cross section defined by the inner wall surface (5) Setting initial values of physical quantities including the velocity and pressure of the viscoelastic body in each element. Step (6) Calculate the physical quantity of the fluid in each of the elements (7) Generate a plurality of streamlines or trace lines in the flow path (8) Along each stream line or trace line The step (9) of calculating the cumulative elongation strain Ε, which indicates the degree of elongation deformation received by the viscoelastic body flowing in from the inlet cross section until it flows out from the outlet cross section, based on the calculated physical quantity (9). Step of calculating the distribution of the cumulative viscoelasticity Ε in or near the outlet cross section (10) A step of changing the initial shape of at least a part of the inner wall surface so that the distribution of the cumulative viscoelasticity Ε changes.
本発明の第13観点に係る管路の評価方法は、粘弾性体が流動する管路の評価方法であって、以下のステップを備える。
(1)前記管路の内壁面の形状をモデル化するステップ
(2)前記粘弾性体を流体としてモデル化するステップ
(3)前記内壁面によって規定される流路を所定の要素に分割するステップ
(4)前記内壁面、前記内壁面によって規定される入口断面及び出口断面における境界条件を設定するステップ
(5)前記各要素における前記流体の速度、圧力を含む物理量の初期値を設定するステップ
(6)前記各要素における前記流体の前記物理量を算出するステップ
(7)前記流路において、複数の流線又は流跡線を生成するステップ
(8)前記各流線又は流跡線に沿って、前記入口断面から流入した前記粘弾性体が前記出口断面から流出するまでの間に受ける伸長変形の度合いを示す累積伸長ひずみΕを前記算出された物理量に基づいて算出するステップ
(9)前記出口断面又は前記出口断面付近における前記累積伸長ひずみΕの分布を算出するステップ
(10)前記累積伸長ひずみΕの分布のバラツキを所定の閾値に基づいて評価するステップ
The method for evaluating a pipeline according to the thirteenth aspect of the present invention is a method for evaluating a pipeline through which a viscoelastic body flows, and includes the following steps.
(1) Step of modeling the shape of the inner wall surface of the pipeline (2) Step of modeling the viscoelastic body as a fluid (3) Step of dividing the flow path defined by the inner wall surface into predetermined elements (4) Steps for setting boundary conditions in the inner wall surface, the inlet cross section and the outlet cross section defined by the inner wall surface (5) Steps for setting initial values of physical quantities including the velocity and pressure of the fluid in each element (5) 6) Step of calculating the physical quantity of the fluid in each of the elements (7) Step of generating a plurality of streamlines or trace lines in the flow path (8) Along each of the streamlines or trace lines Step to calculate the cumulative extension strain Ε, which indicates the degree of elongation deformation received by the viscoelastic body flowing in from the inlet cross section until it flows out from the outlet cross section, based on the calculated physical quantity (9). Alternatively, a step of calculating the distribution of the cumulative viscoelasticity Ε in the vicinity of the outlet cross section (10) a step of evaluating the variation in the distribution of the cumulative viscoelasticity Ε based on a predetermined threshold value.
本発明によれば、より精度よく、所望の形状に粘弾性体を成形することができる、粘弾性体の管路の設計方法、設計プログラム及び管路の評価方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a method for designing a viscoelastic body pipeline, a design program, and a method for evaluating a viscoelastic body, which can form a viscoelastic body into a desired shape with higher accuracy.
以下、本発明に係る粘弾性体の管路の設計方法の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, an embodiment of a method for designing a viscoelastic body conduit according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[本実施形態に係る管路設計方法の原理]
本実施形態に係る設計方法の説明をする前に、本実施形態が対象とする原理ないし論理的背景について説明する。材料を押出機等により押出成形する場合、材料の仕上げ断面形状は、押出機の吐出口に設置された金型の出口断面形状により決定される。しかしながら、材料が粘弾性を示すゴムや樹脂など粘弾性体である場合、この材料は、金型から吐出された後、部分的に収縮を起こすことがある。その結果、材料が全体として湾曲したり、断面形状が、意図した形状にならない場合がある。そこで、本発明者は、この問題を解決するために、管路内で流動する粘弾性体の流線又は流跡線(以下、「流線等」と称することとする)方向の伸長変形と、伸長ひずみの累積量に着目した。すなわち、流動方向の伸長変形を解析するために、粘弾性体をモデル化したモデル流体を設定し、管路内におけるモデル流体の流体解析を行い、流線等を生成する。そして、この流線に沿って、粘弾性体が圧力を受けて元の長さから伸長変形した度合いを表す伸長ひずみを算出する。さらに、粘弾性体が金型に注入されてから吐出される間の伸長ひずみの累積量を算出する。その結果、流線等ごとに、伸長ひずみのばらつきが発生し、伸長ひずみの累積量(以下、「累積伸長ひずみ」と称する)が金型出口において不均一になることに起因して、金型離脱後に材料が収縮することを見出した。この知見のもと、鋭意研究・検討を重ねた結果、本発明に係る管路設計方法を完成するに至った。
[Principle of pipeline design method according to this embodiment]
Before explaining the design method according to the present embodiment, the principle or the logical background targeted by the present embodiment will be described. When the material is extruded by an extruder or the like, the finished cross-sectional shape of the material is determined by the outlet cross-sectional shape of the mold installed at the discharge port of the extruder. However, when the material is a viscoelastic body such as rubber or resin exhibiting viscoelasticity, this material may partially shrink after being discharged from the mold. As a result, the material may be curved as a whole, or the cross-sectional shape may not be the intended shape. Therefore, in order to solve this problem, the present inventor describes the extension deformation in the streamline or trace line (hereinafter, referred to as “streamline or the like”) direction of the viscoelastic body flowing in the pipeline. , Focused on the cumulative amount of elongation strain. That is, in order to analyze the elongation deformation in the flow direction, a model fluid that models a viscoelastic body is set, the fluid analysis of the model fluid in the pipeline is performed, and a streamline or the like is generated. Then, along this streamline, the elongation strain representing the degree of elongation and deformation of the viscoelastic body under pressure from the original length is calculated. Further, the cumulative amount of elongation strain between the time when the viscoelastic body is injected into the mold and the time when the viscoelastic body is discharged is calculated. As a result, the elongation strain varies for each streamline, etc., and the cumulative amount of elongation strain (hereinafter referred to as "cumulative elongation strain") becomes non-uniform at the mold outlet. It was found that the material shrinks after withdrawal. As a result of intensive research and study based on this knowledge, the pipeline design method according to the present invention has been completed.
より具体的には、例えば、粘弾性体の流れる(流動する)流路に急激に縮小する部分が存在すると、当該縮小部分付近において、粘弾性体の速度が大きくなり、伸長変形が発生し、伸長ひずみが生じる。さらに、伸長変形を受けてから金型の出口に達するまでの間に、伸長変形による応力が緩和されなければ、その分の伸長ひずみが累積していく。そして、材料が金型から吐出された後、累積伸長ひずみが比較的大きい部分はより収縮し、累積伸長ひずみが比較的小さい部分はそれよりも収縮しないことを見出した。このため、押出成形の仕上げ精度を向上させるためには、金型出口又は出口付近における材料の速度分布を均一にするだけでなく、累積伸長ひずみ分布も均一にすることが必要であるという知見が得られた。また、仕上げ寸法の精度を向上させる以外にも、押出成形後の材料を特定の方向へと曲げたい場合には、特定の累積伸長ひずみ分布が発生するように金型を設計すると、材料を所望の方向へと曲げさせることができることも確認された。 More specifically, for example, if there is a rapidly shrinking portion in the flow path through which the viscoelastic body flows (flows), the velocity of the viscoelastic body increases in the vicinity of the shrinking portion, and elongation deformation occurs. Elongation strain occurs. Further, if the stress due to the elongation deformation is not relaxed between the time when the elongation deformation is received and the time when the mold reaches the outlet, the elongation strain is accumulated by that amount. Then, they found that after the material was discharged from the mold, the portion having a relatively large cumulative elongation strain contracted more, and the portion having a relatively small cumulative elongation strain did not shrink more than that. Therefore, in order to improve the finishing accuracy of extrusion molding, it has been found that it is necessary not only to make the velocity distribution of the material at or near the outlet of the mold uniform, but also to make the cumulative elongation strain distribution uniform. Obtained. In addition to improving the accuracy of finish dimensions, if you want to bend the material after extrusion molding in a specific direction, design the mold so that a specific cumulative elongation strain distribution occurs, and the material is desired. It was also confirmed that it can be bent in the direction of.
以下、上記知見に基づいて、本実施形態に係る管路の設計方法の具体的な方法について説明する。以下では、本実施形態に係る管路の設計方法の対象として、押出機を例として説明する。 Hereinafter, a specific method of the pipeline design method according to the present embodiment will be described based on the above findings. In the following, an extruder will be described as an example as a target of the pipeline design method according to the present embodiment.
<1.押出機の概要>
図1は、押出機100全体の概略図である。図1に示すように、この押出機は、円筒状の本体部101と、この本体部101の内部に配置されたスクリュー102と、本体部101の外周面に配置されたホッパー103と、を備えている。本体部101の軸方向の端部には吐出口104が形成されており、これとは反対側の端部の外周面に上述したホッパー103が配置されている。そして、ホッパー103からゴム組成物1が、本体部101に投入されると、スクリュー102によってゴム組成物1は混練されながら、吐出口104へと移動する。また、吐出口104の周辺のヘッド部分100aには、プリフォーマー及びダイプレート(以下、金型2と称することとする)が取付けられている。金型2の入口21は吐出口104と連通しており、吐出口104から吐出されたゴム組成物1が、入口21から金型2内へと移動し、所定の形状に成形されつつ金型2の出口22から排出される。以下では、この金型2の設計方法について説明する。
<1. Overview of extruder>
FIG. 1 is a schematic view of the
<2.管路設計方法>
以下では、2通りの方法、すなわち、A)ゴム組成物1の仕上げ断面形状が、金型2の出口断面Oの形状と一致するように金型2の形状を設計する方法(設計方法1)、及び、B)吐出後のゴム組成物1を、所望の方向に曲げさせる方法(設計方法2)について説明する。まず、A)の方法について説明する。
<2. Pipeline design method>
In the following, there are two methods, that is, A) a method of designing the shape of the
<A.設計方法1>
<A−1.初期形状の設定>
本実施形態に係る管路の設計方法には、コンピュータによるシミュレーションを用いることができる。従って、対象となる管路(金型2)をモデル化する。まず、入口21及び出口22を有する金型2の内壁面20の形状を設定する。入口21は、内壁面20の周縁によって規定される開口であり、押出機100の吐出口104と連通する。一方、出口22は、内壁面20の別の周縁によって規定される開口であり、ゴム組成物1が成形されて吐出される。従って、出口22の形状(スクリュー102の軸方向から見た形状)は、ゴム組成物1の仕上げ形状である。モデル化した形状の設定には、従来用いられている金型2の寸法データ等を利用することができる。ここで設定した内壁面20の形状、及び内壁面20によって規定されるゴム組成物1の流路を、初期形状及び初期流路D1とそれぞれ称する。また、入口21を規定する内壁面20の周縁によって囲まれる面を入口断面I、出口22を規定する内壁面20の周縁によって囲まれる面を出口断面Oと称する(図2参照)。初期流路D1において、入口断面Iと出口断面Oとは平行である。なお、初期流路D1は、金型2で規定される管路をモデル化したものであるが、説明の便宜上、内壁面20、入口21、出口22等の符号を金型2と共通で用いることとする。
<
<A-1. Initial shape setting>
A computer simulation can be used as a method for designing a pipeline according to the present embodiment. Therefore, the target pipeline (mold 2) is modeled. First, the shape of the
図2(a)に、初期流路D1の一例の概略斜視図を示す。そして、後述する計算の結果に基づいて、この初期流路D1の形状を変更した変更流路D2を設計し、ゴム組成物1が所望の形状で吐出されるようにする。初期流路D1の入口断面Iは矩形状であり、入口21は、押出機100の吐出口104と連通する。出口断面Oは、左右方向に延びる、左側が最も鋭角となる三角形状であり、出口22から成形されたゴム組成物1が吐出される。
FIG. 2A shows a schematic perspective view of an example of the initial flow path D1. Then, based on the result of the calculation described later, the modified flow path D2 in which the shape of the initial flow path D1 is changed is designed so that the
図2(b)は初期流路D1を左方向から見たときの端面図である。図2(b)に示すように、左端面では、流れ方向に向かって上面20aが水平に連続する水平部分23a、水平部分23aから上面20aが上方向に急拡大する急拡大部分23bを有する。そして、急拡大部分23bから出口22に向かって上面20aが一定の勾配で傾斜し、初期流路D1が上下方向に縮小する。一方、図2(c)は初期流路D1を右方向から見たときの端面図である。図2(c)に示すように、右端面では、流れ方向に向かって上面20aが一定の勾配で傾斜することで初期流路D1が上下方向に縮小する。上面20aが曲折部分24まで達すると、より緩やかな勾配で傾斜して、初期流路D1がさらに上下方向に縮小する。曲折部分24の付近には、上面20aが階段状に形成されることで、初期流路D1が局所的に縮小する急縮小部分20bが存在する(図2(a)参照)。以下、特に断らない限り、「流れ方向」は入口断面Iから出口断面Oに向かって金型2が伸びる方向をいうものとする。また、流れ方向に概ね直交する方向かつ上下方向に直交する方向から見た面を金型2の「側面」といい、「上」「下」「左」「右」というときは、図2(a)に示す方向をいうものとする。なお、金型2内に存在するゴム組成物1についても同様とする。
FIG. 2B is an end view of the initial flow path D1 when viewed from the left. As shown in FIG. 2B, the left end surface has a horizontal portion 23a in which the
<A−2.メッシュの生成>
次に、初期流路D1を所定の三次元空間からなる複数の要素(オイラー要素)に分割する。要素の分割態様は特に限定されず、四面体、六面体等の他、多面体セル(ポリヘドラルグリッド)といった三次元要素で行われる。また、要素の体積(サイズ)も適宜設定することができる。この要素の集合をメッシュと称する。図3は、初期流路D1について生成されたメッシュの一例である。本実施形態では、図3のようなポリヘドラルメッシュを生成する。解析の対象となる領域をこのような要素に分割して、流体の基礎方程式の離散化を行うことで、流体の速度や圧力等の物理量を算出することが可能になる。離散化の方法は、有限要素法、有限差分法、有限体積法、境界要素法等の公知の方法を適宜用いることができる。
<A-2. Mesh generation>
Next, the initial flow path D1 is divided into a plurality of elements (Euler elements) composed of a predetermined three-dimensional space. The mode of dividing the elements is not particularly limited, and the elements are divided into three-dimensional elements such as a tetrahedron, a hexahedron, and a polyhedron cell (polyhedral grid). In addition, the volume (size) of the element can be set as appropriate. This set of elements is called a mesh. FIG. 3 is an example of a mesh generated for the initial flow path D1. In this embodiment, a polyhedral mesh as shown in FIG. 3 is generated. By dividing the area to be analyzed into such elements and discretizing the basic equations of the fluid, it becomes possible to calculate physical quantities such as the velocity and pressure of the fluid. As the discretization method, a known method such as a finite element method, a finite difference method, a finite volume method, or a boundary element method can be appropriately used.
<A−3.ゴム組成物のモデル化>
続いて、解析のためにゴム組成物1をモデル化する。後述する解析では、ゴム組成物1を非圧縮性の粘性流体として扱う。そのために、ゴム組成物1の密度、粘性係数といった物性値を必要に応じて設定する。本実施形態では、ゴム組成物1の密度、粘性係数、比熱、熱伝導率を設定する。以下では、粘性流体としてモデル化したゴム組成物1を流体モデル1と称するが、説明の便宜上、符号は共通とする。
<A-3. Modeling of rubber composition>
Subsequently, the
ゴム組成物1の比熱や熱伝導率の測定方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、比熱については断熱型連続法を、熱伝導率については熱線法を用いることができる。
The method for measuring the specific heat and thermal conductivity of the
本実施形態で設定する粘性係数μは、ゴム組成物1の温度F及びゴム組成物1のひずみ速度Vを含む関数として設定される。なお、本明細書中で「ひずみ速度」とは、粘弾性体が引っ張られたときのひずみが時間変化する割合をいい、一定の割合でひずみを増加させ続けるとき、ひずみ速度は定数となる。具体的には、粘性係数μは以下の式により定義される。
<A−4.シミュレーション条件の設定>
続いて、シミュレーション・解析を行う上で必要な条件の設定を行う。具体的には、入口断面I、出口断面O、及び初期流路D1の内壁面20における境界条件、各要素における初期条件を設定する。本実施形態では、入口断面Iにおける境界条件として流体モデル1の圧力、質量流量、温度を設定するまた、出口断面Oにおける境界条件として、流体モデル1の圧力を設定する(大気圧開放)。内壁面20における境界条件としては、内壁面20の壁面温度及び流体モデル1の速度を設定する。特に、流体モデル1の粘性係数が大きく、内壁面20における流れ方向の速度を考慮する必要がある場合は、流体モデル1のスリップ速度を設定する。スリップ速度の設定方法については、特には限定されないが、本実施形態では、本出願人の特許第5564074号明細書に記載の方法を用い、以下のようにスリップ速度vslipを設定する。
vslip=αvt+(1−α)・vwall
ただし、vslipはスリップ速度、vtは内壁面20から法線方向に距離dwallを隔てた位置での流体モデル1の内壁面20と平行な速度成分、vwallは0、αはスリップ率で、下式を満たす。
α/(1−α)=μ/{(dwall・Fslip)|vslip−vwall|eslip-1}(0≦α≦1)
ただし、μは流体モデル1の粘性係数、Fslip及びeslipは材料に固有の定数である。
<A-4. Setting simulation conditions>
Subsequently, the conditions necessary for performing simulation / analysis are set. Specifically, the boundary conditions on the inlet cross section I, the exit cross section O, the
v slip = α v t + (1-α) ・ v wall
However, v slip is the slip velocity, v t is the velocity component parallel to the
α / (1-α) = μ / {(d wall / F slip ) | v slip −v wall | eslip-1 } (0 ≦ α ≦ 1)
However, μ is the viscosity coefficient of the
各要素における初期条件としては、流体モデル1の物理量の初期値を設定する。本実施形態では、物理量は、速度、圧力及び温度である。
As the initial condition for each element, the initial value of the physical quantity of the
<A−5.解析計算の実行>
上述した金型2のモデルである初期流路D1、境界条件、初期条件を用いて、シミュレーションによる流体解析を行う。解析の結果、算出される物理量は、設定した条件や使用する方程式にもよるが、各要素における流体モデル1の速度、圧力、温度等である。本実施形態では、方程式として特許文献2に開示されている非圧縮性流れの場合のナビエ―ストークス方程式、質量保存の式(連続の式)、エネルギー方程式を用い、初期流路D1内における流体モデル1の速度分布及び圧力分布を算出している。なお、特許文献2では、VOF法を用いており、気相モデル(空気)と材料モデル(可塑性材料)とを混合した混相流モデルを1つの流体として扱っている。本実施形態では、単相流、すなわち初期流路D1の各要素における流体モデル1の体積分率が100%の場合について解析を行う。しかしながら、初期流路D1内にゴム組成物1及び空気等が混在するような混相流モデルを別途設定し、特許文献2に開示される方法で解析を行ってもよい。以下に具体的な方程式を示す。
<A-5. Execution of analysis calculation>
A fluid analysis by simulation is performed using the initial flow path D1, the boundary condition, and the initial condition, which are the models of the
[ナビエ―ストークス方程式]
3次元(x,y,z)方向のそれぞれについて設定される運動方程式である。
It is an equation of motion set for each of the three-dimensional (x, y, z) directions.
[質量保存の式]
本実施形態では、流体モデル1の密度を一定とする。そのため、非圧縮性流体の連続の式を用いる。
In this embodiment, the density of the
[エネルギー方程式]
流体モデル1の熱の移動を支配する方程式であり、本実施形態では、この式により流体モデル1の温度を算出する。
It is an equation that governs the heat transfer of the
<A−6.流線の生成>
次に、解析で算出された速度分布に基づき、初期流路D1に所定の数の流線を生成する。流線の始点を入口断面I上に設定し、各要素における速度ベクトルの方向が接線の方向となるような線を作成する。このような流線は、様々なプログラム等を用いて作成することができる。流線の数は、初期流路D1の寸法等に応じて、適宜設定することができる。図4はその一例である。流線とは、ある瞬間における各点の速度ベクトルを結んだ線である。初期流路D1内のゴム組成物1は、各点における速度ベクトルの向きに伸長変形すると考えることができる。すなわち、ゴム組成物1は、入口断面Iから流入して出口断面Oから流出するまでに、流線に沿った方向の伸長変形を受ける。従って、累積的な伸長変形の分布を評価するために流線を生成する。
<A-6. Streamline generation>
Next, a predetermined number of streamlines are generated in the initial flow path D1 based on the velocity distribution calculated by the analysis. The start point of the streamline is set on the entrance cross section I, and a line is created so that the direction of the velocity vector in each element is the direction of the tangent line. Such streamlines can be created using various programs and the like. The number of streamlines can be appropriately set according to the dimensions of the initial flow path D1 and the like. FIG. 4 is an example thereof. A streamline is a line connecting the velocity vectors of each point at a certain moment. The
なお、一般に、流線とは、ある瞬間における各点の速度ベクトルを結んだ線をいう。一方、流跡線とは、特定の粒子が流れた軌跡をいう。流れに時間変化のない場合、すなわち流体の流れが定常流である場合には、流線と流跡線とは一致する。これに対して、流れに時間変化のある場合、すなわち非定常流である場合には流線と流跡線とは一致しない。本実施形態では、流体モデル1の流れを定常であると仮定し、流線(流跡線)を生成する。しかしながら、これに限定されるものではなく、流線又は流跡線のいずれを生成してもよい。以下では、説明の便宜上、流線を生成する場合について説明する。
In general, the streamline is a line connecting the velocity vectors of each point at a certain moment. On the other hand, the track line is a locus through which a specific particle has flowed. When the flow does not change with time, that is, when the fluid flow is a steady flow, the streamline and the trace line coincide with each other. On the other hand, when the flow changes with time, that is, when it is an unsteady flow, the streamline and the trace line do not match. In this embodiment, it is assumed that the flow of the
続いて、上述した各々の流線上に複数の点Q1、…、QN(N≧2)を順に設定する。具体的には、図5に示すように、点Q1を流線上の入口断面I上又は入口断面I付近の位置に設定し、同一の流線上に、点Q1から出口断面Оに向かって順次点Q2、…、QNを配置し、点QNが出口断面O上又は出口断面O付近に位置するように設定する。なお、図5では一本の流線について示しているが、実際は生成した各流線に対して同様の操作を行う。この操作によって、流線はそれぞれ(N―1)個の区間に分割される。なお、Nは流線ごとに異なっていてもよい。隣り合う点Q同士の距離Lは、点Qの位置によって異なり、本実施形態では、距離Lを要素のサイズに概ね対応する程度に設定する。距離Lが要素のサイズに対して大きすぎる場合、後述する伸長ひずみの計算精度が低下し、小さすぎる場合は有意な伸長ひずみの計算が阻害されるためである。ある流線上における点QKから点QK+1間の距離をLKとすれば、距離LKは、ゴム組成物1が点QKから点QK+1まで移動する間に受ける伸長変形に対する基準長さとすることができる。なお、後述する通り、出口断面Oにおける累積伸長ひずみΕの分布を評価するため、点QNの位置は出口断面Oに近い程望ましい。
Subsequently, a plurality of points Q 1 , ..., Q N (N ≧ 2) are set in order on each of the above-mentioned streamlines. Specifically, as shown in FIG. 5, the point Q 1 is set at a position on the inlet cross section I on the streamline or near the inlet cross section I, and on the same streamline, from the point Q 1 toward the exit cross section О. Points Q 2 , ..., Q N are sequentially arranged, and the points Q N are set so as to be located on the exit cross section O or near the exit cross section O. Although one streamline is shown in FIG. 5, the same operation is actually performed for each of the generated streamlines. By this operation, each streamline is divided into (N-1) sections. Note that N may be different for each streamline. The distance L between adjacent points Q differs depending on the position of the points Q, and in the present embodiment, the distance L is set to a degree that roughly corresponds to the size of the element. This is because if the distance L is too large with respect to the size of the element, the calculation accuracy of the extension strain described later is lowered, and if it is too small, the calculation of the significant extension strain is hindered. From a point Q K on certain streamlines the distance between the points Q K + 1 and L K, the distance L K is extended deformation encountered during the
上述した点Qの設定は、まず点Q1を流線上の出口断面О上又は出口断面О付近の位置に設定し、同一の流線上に、点Q1から入口断面Iに向かって順次点Q2、…、QNを配置し、点QNが入口断面I上又は入口断面I付近に位置するようにすることも可能である。この場合はゴム組成物1が点QK+1から点QKまで移動する間に受ける伸長変形を算出することにより、後述する出口断面O上又は出口断面O付近における累積伸長ひずみΕを算出することができる。 In the setting of the above-mentioned point Q, first, the point Q 1 is set at a position on the outlet cross section О on the streamline or near the exit cross section О, and then the point Q is sequentially set from the point Q 1 toward the inlet cross section I on the same streamline. It is also possible to arrange 2 , ..., Q N so that the point Q N is located on the entrance cross section I or near the entrance cross section I. In this case, the cumulative elongation strain Ε on the outlet cross section O or near the outlet cross section O, which will be described later, is calculated by calculating the elongation deformation that the rubber composition 1 receives while moving from the point Q K + 1 to the point Q K. be able to.
また、点Qの設定方法としては、単位時間を設定し、ゴム組成物1が単位時間に点Qkから流線上を移動する距離だけ離れた点を点Qk+1に設定していく方法も可能である。 Further, as a method of setting the point Q, a unit time is set, and a point separated by the distance that the rubber composition 1 moves on the streamline from the point Q k in the unit time is set as the point Q k + 1. Is also possible.
<A−7.伸長ひずみの算出>
流体解析の段階では、ゴム組成物1は粘性流体として扱われるが、ここでは、ゴム組成物1を粘弾性体として扱う。上述したように、初期流路D1内におけるゴム組成物1は、速度ベクトルの方向と同じ方向の伸長変形を受け、また、その度合いはモデル流体の速度の大きさの変化率に対応する。すなわち、速度が急激に増加する箇所では、ゴム組成物1はより大きな伸長変形を受け、その部分の吐出後の収縮度合いがより大きくなる。初期流路D1のどの部分でどの程度の伸長ひずみが生じているか、また、その伸長ひずみが出口断面Oにおける累積伸長ひずみにどの程度影響を与えるかに注目することで、吐出後のゴム組成物1の収縮を効率的に制御することができる。
<A-7. Calculation of elongation strain>
At the stage of fluid analysis, the
点Qの設定に続いて、上述の点Qkから点Qk+1へと移動する間にゴム組成物1が受ける伸長変形の度合いを示す伸長ひずみεkを、各流線の区間ごとに算出する。つまり、伸長ひずみεkは、ゴム組成物1の局所的な流線方向の伸長変形の度合いを示す。よって、初期流路D1内の伸長ひずみεkの分布を算出することで、初期流路D1内でゴム組成物1が受ける伸長変形の履歴を、初期流路D1内の位置と関連して把握することが可能になる。同一の流線上で、ゴム組成物1が点Qkから点Qk+1まで移動する時間tkの間に、速度がvkからvk+1へと変化したとすると、ゴム組成物1の伸びは(vk+1−vk)×tkと表すことができ、これを基準長さである距離LKに対して評価するのが伸長ひずみεkである。従って、伸長ひずみεkは、次の式で表される。なお、速度vkは点Qkが存在する要素における粘性流体の速度vkであり、時間tkはLK/vkで計算される。
このようにして初期流路D1内の伸長ひずみεkの分布を算出すると、伸長ひずみεkが他の部分と比較して大きい領域や、反対に小さい領域を特定することができる。図6に、初期流路D1で特定される領域の例を示す。破線で囲われた領域R1は、伸長ひずみεkが比較的大きな領域である。領域R1は、上面20aが階段状に形成されており(図8(b)参照)、初期流路D1が局所的に縮小する急縮小部分20bの付近に存在する。急縮小部分20b付近における内壁面20では、流体モデル1の速度が急増することから、ゴム組成物1は急縮小部分20bの付近で大きな伸長変形を受ける。これにより、領域R1は伸長ひずみεkが比較的大きな領域となる。
By calculating the distribution of the elongation strain ε k in the initial flow path D1 in this way, it is possible to identify a region in which the elongation strain ε k is larger than the other portions, or conversely, a region in which the elongation strain ε k is smaller. FIG. 6 shows an example of a region specified by the initial flow path D1. The region R1 surrounded by the broken line is a region in which the elongation strain ε k is relatively large. The
これに対して、一点鎖線で囲われた領域R2は、伸長ひずみεkが比較的小さい領域である。領域R2は、上面20aが水平に連続する、水平部分23aの付近に存在する。水平部分23aを有することにより、初期流路D1の内壁面20の形状が上下方向に変化していないため、領域R2における流体モデル1の速度変化は比較的小さい。従って、ゴム組成物1の受ける伸長変形は比較的小さく、領域R2は伸長ひずみεkが比較的小さな領域となる。こうして特定された領域と、その領域における伸長ひずみεkの大きさに基づいて、初期流路D1の形状を変更する箇所を決定し、変更流路D2を設計することができる。
On the other hand, the region R2 surrounded by the alternate long and short dash line is a region in which the extension strain ε k is relatively small. The region R2 exists in the vicinity of the horizontal portion 23a where the
<A−8.累積伸長ひずみの算出>
続いて、伸長ひずみεkの累積量である累積伸長ひずみΕを流線ごとに算出する。累積伸長ひずみΕは、入口断面Iから流入するゴム組成物1が、最終的に出口断面Oから流出する間に伸長変形する度合いを示す量である。吐出後のゴム組成物1の収縮は、累積伸長ひずみΕが残留することによって起こり、収縮の程度は、累積伸長ひずみΕが大きい程大きくなる。また、出口断面Oにおける累積伸長ひずみΕの分布のバラツキが大きい程、吐出後のゴム組成物1の収縮度合いも部分によってばらつくため、ゴム組成物1全体の曲げが生じるおそれがある。
<A-8. Calculation of cumulative elongation strain>
Subsequently, the cumulative extension strain Ε, which is the cumulative amount of the extension strain ε k, is calculated for each streamline. The cumulative elongation strain Ε is an amount indicating the degree of elongation and deformation of the
ところで、ゴム組成物1は、固有の緩和時間τを持つ。緩和時間τとは、ゴム組成物1に引張力を与えたときに生じた応力が、時間の経過とともに減少して、ある閾値以下(初期応力の約1/e、ただしeは自然対数)までに緩和されるまでの時間をいう。つまり、緩和時間τが短ければ短い程、伸長変形したゴム組成物1の応力が短時間で緩和されて、ゴム組成物1が受けた伸長変形が累積伸長ひずみΕに及ぼす影響が減少しやすい。これに対して、緩和時間τが長ければ長い程、伸長変形したゴム組成物1の応力が残留しやすく、ゴム組成物1が受けた伸長変形が累積伸長ひずみΕに及ぼす影響が大きくなる。よって、後述するように、ゴム組成物1が金型2の入口21から入って出口22から出るまでの時間Tの、緩和時間τに対する長さに応じて、伸長変形が累積伸長ひずみΕに及ぼす影響を考慮することが望ましい。なお、緩和時間τを規定する方法は、特に限定されない。例えば、ムーニー粘度計による応力緩和測定による方法、NMR緩和測定による方法、シミュレーションによる方法等を使用することができる。
By the way, the
時間Tに対して緩和時間τが比較的短く、伸長変形により生じた応力が、ゴム組成物1が出口22から吐出されるまでに一部緩和されると考えられる場合、累積伸長ひずみΕは、次の式(1)で表すことができる。
“TO”は流体モデル1が点Q1から点QNまで流れる時間(Σtk)とすることができる。また、“Tk”は、流体モデル1が点Q1から点Qkまで流れる時間(t1+・・・+tk-1)とすることができる。式(1)は、例えば、(Tk−TO)がτと等しい場合、ゴム組成物1が点Qk-1と点Qkとの間で受ける伸長ひずみεk-1は、出口22から吐出される時点で、概ね1/e倍に緩和されることを表している。
When the relaxation time τ is relatively short with respect to the time T and it is considered that the stress generated by the elongation deformation is partially relaxed by the time the
“ TO ” can be the time (Σt k ) that the
これに対して、時間Tに対して緩和時間τが十分長く、伸長変形により生じた応力が概ね出口22から吐出されるゴム組成物1に残留すると考えられる場合、累積伸長ひずみΕは、次の式(2)で表すことができる。
本実施形態では、上記式(2)を用いて累積伸長ひずみΕ及び累積伸長ひずみΕの出口断面Oにおける分布を算出する。この分布によって、部分的に生じる伸長ひずみεkが結果的にゴム組成物1の仕上げ形状にどのように影響を及ぼすかを検討することができる。初期流路D1について算出される出口断面Oにおける累積伸長ひずみΕの分布の一例を図7に示す。領域S1は累積伸長ひずみΕが比較的大きい領域であり、図7では斜線部分で示す。領域S2は累積伸長ひずみΕが比較的小さい領域であり、図7では示す網掛部分で示す。領域S1は、出口断面Oの右よりの上面20a、内壁面20の右側面及び下面の一部に生じ、中でも上面20aに生じるものが顕著である。領域S2は、出口断面Oの左端に、内壁面20に囲まれるように生じる。前述した図6に示す伸長ひずみεkの分布と合わせて確認すると、領域R1で生じた大きな伸長ひずみεkが、その下流に該当する領域S1において累積伸長ひずみΕに影響を及ぼしていることが分かる。また、伸長ひずみεkが比較的生じていない領域R2の下流に該当する領域S2では、累積伸長ひずみΕも小さくなることが分かる。
In the present embodiment, the distribution of the cumulative elongation strain Ε and the cumulative elongation strain Ε in the outlet cross section O is calculated using the above equation (2). From this distribution, it is possible to examine how the partially generated elongation strain ε k eventually affects the finished shape of the
なお、本実施形態では、出口断面Oにおけるすべての累積伸長ひずみΕの値のバラツキが±5%以下の範囲であれば概ね均一と判断する。ゴム組成物1の仕上げ断面形状が、金型2の出口断面Oの形状と一致するように金型2の形状を設計する方法(設計方法1)において、累積伸長ひずみΕの分布が均一であると判断された場合は、累積伸長ひずみΕの分布を均一化させるための初期流路D1の形状変更は行わない。一方、バラツキが±5%を超える場合は累積伸長ひずみΕの分布が均一でなく、初期流路D1の形状変更が必要であると判断する。従って、累積伸長ひずみΕの分布を算出し、そのバラツキを所定の閾値や、他の管路におけるバラツキと比較することは、加工精度という観点から管路の評価をすることであると言える。なお、バラツキの閾値はこれに限られるものではなく、ゴム組成物1の性質等に応じて、適宜変更することが可能である。また、具体的な閾値を設定せず、累積伸長ひずみΕの分布がより均一になるように初期流路D1の形状変更を行うこととしてもよい。以下では、初期流路D1を変更して、変更流路D2を設計する具体的な手順について説明する。
In the present embodiment, if the variation in the values of all the cumulative elongation strains Ε in the outlet cross section O is within ± 5%, it is judged to be substantially uniform. In the method of designing the shape of the
<A−9.流路形状の設計>
累積伸長ひずみΕの分布を均一にするには、領域S1の累積伸長ひずみΕがより小さくなる一方で、領域S2の累積伸長ひずみΕがより大きくなるようにする。あるいは、累積伸長ひずみΕのバラツキの程度によっては、いずれかの領域の累積伸長ひずみΕのみを調整して分布を均一にすることとしてもよい。そして、そのためには終端が領域S1及び領域S2に含まれる流線の近傍で内壁面20の形状を変更する。流線の近傍としては色々な部分が考えられるが、望ましくは、累積伸長ひずみΕに影響を及ぼしている領域R1及び領域R2の近傍の内壁面20の形状を変更する。なお、ゴム組成物1の緩和時間τによっては、結果的に累積伸長ひずみΕにほとんど影響を及ぼさないと考えられる伸長ひずみεkが生じている領域の形状変更を省略することができる。
<A-9. Channel shape design>
In order to make the distribution of the cumulative elongation strain Ε uniform, the cumulative elongation strain Ε in the region S1 is made smaller, while the cumulative elongation strain Ε in the region S2 is made larger. Alternatively, depending on the degree of variation in the cumulative elongation strain Ε, only the cumulative elongation strain Ε in any region may be adjusted to make the distribution uniform. Then, for that purpose, the shape of the
図8(a)は、初期流路D1を右側面から見た概略斜視図である。上述したように、領域R1は、初期流路D1が流れ方向に急激に縮小する急縮小部分20bの付近に存在する。本実施形態では、領域R1付近の伸長ひずみεkを減少させるため、領域R1付近の形状を速度の急激な増加が生じにくい形状に変更する。すなわち、領域Rの形状を、図8(c)に示すように、急縮小部分20bをなくし、流れ方向に緩やかに縮小する形状に変更する。このようにすれば、領域R1における伸長ひずみεkが小さくなり、結果的に領域R1の下流に存在する領域S1における累積伸長ひずみΕを減少させることになる。 FIG. 8A is a schematic perspective view of the initial flow path D1 as viewed from the right side. As described above, the region R1 exists in the vicinity of the sharp reduction portion 20b in which the initial flow path D1 sharply shrinks in the flow direction. In the present embodiment, in order to reduce the elongation strain ε k in the vicinity of the region R1, the shape in the vicinity of the region R1 is changed to a shape in which a rapid increase in velocity is unlikely to occur. That is, as shown in FIG. 8C, the shape of the region R is changed to a shape that gradually shrinks in the flow direction by eliminating the suddenly shrinking portion 20b. By doing so, the elongation strain ε k in the region R1 becomes small, and as a result, the cumulative elongation strain Ε in the region S1 existing downstream of the region R1 is reduced.
また、累積伸長ひずみΕが相対的に小さい領域R2付近の初期流路D1の形状を変更することによっても累積伸長ひずみΕの分布を調整する。領域R2では、伸長ひずみεkがほとんど生じておらず、領域R2の下流域に存在する領域S2においても累積伸長ひずみΕが比較的小さい。そこで、水平部分23aの形状を、初期流路D1が流れ方向に向かって緩やかに縮小するような形状に変更する。このようにすると、領域R2における流体モデル1の速度が元よりも大きくなるので、伸長ひずみεkが生じるようになり、出口断面Oの左側の領域S2における累積伸長ひずみΕを増加させることができる。あるいは、初期流路D1の内壁面20に、流れに対する抵抗となるような少なくとも1つの突部を形成することで、より大きな伸長ひずみεkを生じさせてもよい。こうして、累積伸長ひずみΕの分布が均一(例えば、上述した5%以内のバラツキ)になるように変更した流路を流路D1′と称する(図10(a)参照)。
The distribution of the cumulative elongation strain Ε is also adjusted by changing the shape of the initial flow path D1 near the region R2 where the cumulative elongation strain Ε is relatively small. In the region R2, almost no elongation strain ε k is generated, and the cumulative elongation strain Ε is relatively small also in the region S2 existing in the downstream region of the region R2. Therefore, the shape of the horizontal portion 23a is changed to a shape in which the initial flow path D1 gradually shrinks in the flow direction. In this way, since the velocity of the
なお、初期流路D1の断面形状に変更を加える場合は、流路D1′の流路断面積が、初期流路D1の流路断面積よりも小さくなるようにすることが望ましく、また、流れ方向に向かって縮小していくように変更を加えることが望ましい。なお、本実施形態では、累積伸長ひずみΕの分布を変化させることを目的として内壁面20の形状を変更する際には、入口断面Iに対する出口断面Oの距離又は位置関係が変更されるような内壁面20の形状変更は行わないものとする。内壁面20の一部又は全部を流れ方向に延長したり、短縮して入口断面Iに対する出口断面Oの距離又は位置関係を変更すると、初期流路D1の流路長が変更される。このような変更は、累積伸長ひずみΕの分布を若干変化させるものの、出口断面Oにおける流体モデル1の速度分布に与える影響の方が遥かに大きい。このため、速度分布を変化させることを目的とした形状変更(後述する)により適しているからである。
When changing the cross-sectional shape of the initial flow path D1, it is desirable that the flow path cross-sectional area of the flow path D1'is smaller than the flow path cross-sectional area of the initial flow path D1. It is desirable to make changes so that it shrinks in the direction. In the present embodiment, when the shape of the
さらに、吐出後のゴム組成物1の仕上げ寸法を精度よく成形するためには、出口断面Oでの流体モデル1の速度分布が均一になるように流路D1′の形状に変更を加える。なお、均一とみなす速度分布のバラツキの閾値は、適宜設定することができるため、ここでは説明を省略する。本実施形態では、初期流路D1における出口断面Oの速度のバラツキがより小さくなるように流路D1′の内壁面20の形状を変更する。具体的には、入口断面Iから出口断面Oまでの距離、すなわち流路D1′の流路長を変更する。例えば、図7に示すように、出口断面Oは、左側が狭く右側が広い形状となっている。このため、出口22付近の内壁面20の左側においては流体モデル1の壁面摩擦による圧力損失が大きく、右側においては比較的圧力損失が少ない。そのため、流体モデル1の速度は、出口断面Oの左側で小さく、右側で大きくなる。実際に解析を行って出口断面Oにおける速度分布を算出すると、概ね左側から右側に向かって速度が大きくなり、やや右側よりの部分が最も速度が大きい分布となる(図9参照)。そこで、流路D1′の左側の内壁面20を流れ方向に短縮する、及び/又は右側の内壁面20を流れ方向に延長する、ことで、速度分布をより均一にすることができる。図10(b)には、右側の内壁面20を延長して設計した変更流路D2を示す。初期流路D1及び流路D1′において、入口断面Iと出口断面Oは平行であったが、変更流路D2では入口断面Iに対し、出口断面Oが一定の角度を為すような位置関係に変更されている。また、左側面を除き、入口断面Oを規定する内壁面20の周縁上の点Iaから、出口断面Oを規定する内壁面20の周縁上の点Oaまでの、内壁面20上における距離KIOが、流路D1′と変更流路D2とで変更されている。
Further, in order to accurately form the finished dimension of the
なお、累積伸長ひずみΕの増加を抑制するように初期流路D1の形状を変更することによっても、速度分布が変化するものと考えられる。従って、流路D1′について、再度出口断面Oにおける速度分布を求め、この速度分布を均一にするように流路D1′の流路長を変更することとしてもよい。 It is considered that the velocity distribution also changes by changing the shape of the initial flow path D1 so as to suppress the increase in the cumulative elongation strain Ε. Therefore, for the flow path D1', the velocity distribution in the exit cross section O may be obtained again, and the flow path length of the flow path D1'may be changed so as to make the velocity distribution uniform.
このように、伸長ひずみεkの分布と、累積伸長ひずみΕの分布とを算出することによって、どの流線上のどの部分でゴム組成物1がより多く伸長変形を受けたのかを確認することができる。その結果、初期流路D1において内壁面20の形状を変更する部分と、内壁面20の形状をどのように変更するかを決定することができる。これにより、経験等に頼って管路を設計し、テスト実験を繰り返す必要がなくなるため、効率的な管路の設計が可能になる。また、単に管路の出口断面における速度分布を均一にするよりも精度の良い押出成形加工を行うことができる。さらに、この方法では、管路とは別異の構造体を管路の内壁面に設置する必要がないため、粘弾性体が構造体に付着することによるコンタミネーションを発生させる虞がない。
In this way, by calculating the distribution of the elongation strain ε k and the distribution of the cumulative elongation strain Ε, it is possible to confirm in which part on which streamline the
<B.設計方法2>
次に、設計方法2として、吐出後の材料を所定の方向に曲げる場合について説明する。設計方法2においても、ゴム組成物1をモデル化し、流体モデル1について流体解析を行い、出口断面Oにおける累積伸長ひずみΕの分布を算出する処理は設計方法1と共通である。以下では、一例として、図2の金型2(初期流路D1)を用いて、押出後のゴム組成物1を右側方向へと曲げる場合について説明する。図11は、金型2から吐出されるゴム組成物1が所定の方向へと曲がる様子を金型2の下方向から見たときの図である。この場合、図11に示すように、押出後のゴム組成物1の右側が左側より大きな収縮を起こし、なおかつ左側が右側よりも早く押し出されるようにする必要がある。よって、出口断面Oにおける累積伸長ひずみΕの分布は、概ね左側から右側に向かって累積伸長ひずみΕが大きくなるような分布とする必要がある。さらに、出口断面Oにおける速度vの分布は、概ね左側から右側に向かって速度vが小さくなるような分布とする必要がある(図12参照)。
<
Next, as a
しかしながら、一般に、流体モデル1の速度が急激に増加すると、ゴム組成物1において大きな伸長ひずみεkが生じやすくなる。そして、出口断面Oにおける速度vが大きくなるようにすると、それに伴い、伸長ひずみεkが大きくなる傾向がある。つまり、速度vが大きくなるようにすることと、累積伸長ひずみΕが小さくなるようにすることはトレードオフの関係にある。
However, in general, when the velocity of the
そこで、出口断面Oにおける速度vに対する累積伸長ひずみΕの相対指標値αによって出口断面Oにおける速度v及び累積伸長ひずみΕの分布を扱うものとする。指標値α[s/m]は、次の式(3)で定義される。
図13に、流路の形状の変更の例を示す。図13(a)は初期流路D1である。図13(b)〜(h)は、それぞれ変更流路D2b〜変更流路D2hであり、変更流路D2の7通りの例である。内壁面20の主要な形状変更となる部分を、それぞれ点線で囲んで示す。変更流路D2b〜変更流路D2hの特徴は、以下の表1に示す通りである。
このように、相対指標値αという指標を導入することにより、速度に対する累積伸長ひずみΕの大小を判断することが可能になる。その結果、出口断面Oの同じ位置において実質的にモデル流体の速度vを大きくしつつ累積伸長ひずみΕを小さくすること、及び実質的にモデル流体の速度vを小さくしつつ累積伸長ひずみΕを大きくすることができる。これによって、吐出後のゴム組成物1を所望の方向に曲げることができる。この設計方法2によれば、例えば、吐出後のゴム組成物1をリング状に巻き取る工程等がある場合に、巻き取る方向と同一の方向にゴム組成物1を曲げておくことができるので、巻き取り作業が効率化される。
In this way, by introducing an index called the relative index value α, it becomes possible to determine the magnitude of the cumulative elongation strain Ε with respect to the velocity. As a result, at the same position of the outlet cross section O, the cumulative elongation strain Ε is decreased while substantially increasing the velocity v of the model fluid, and the cumulative elongation strain Ε is increased while substantially decreasing the velocity v of the model fluid. can do. Thereby, the
<変形例>
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の態様に変更して実施することができる。
<Modification example>
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be changed to various embodiments.
例えば、累積伸長ひずみΕを算出する式は、式(1)及び式(2)に限られるものではない。流体モデルの流体解析により算出される速度、圧力、温度等の物理量に基づいて累積伸長ひずみΕが算出されるのであれば、式(1)及び式(2)を適宜変形した式を用いることも可能である。 For example, the formula for calculating the cumulative elongation strain Ε is not limited to the formulas (1) and (2). If the cumulative elongation strain Ε is calculated based on physical quantities such as velocity, pressure, and temperature calculated by fluid analysis of the fluid model, equations (1) and (2) may be appropriately modified. It is possible.
本実施形態では、ゴム組成物1の局所的な伸長ひずみεkを算出する式として、式(5)を用いた。式(5)は流体モデル1の解析結果を用いて、点Qkにおける速度vk及び点Qkから点Qk+1まで移動する時間tkからゴム組成物1の伸長ひずみεkを算出する式である。しかしながら、伸長ひずみεkの算出方法は式(5)による方法に限定されない。例えば、流線又は流跡線上の点におけるひずみテンソルの流線方向の成分(速度方向の成分)を算出することにより、伸長ひずみεkを算出することも可能である。
In the present embodiment, the formula (5) is used as a formula for calculating the local elongation strain ε k of the rubber composition 1. Using an analysis result of Equation (5) is
上記実施形態では、管路の設計方法について説明した。しかしながら、本発明は、管路の設計方法のみならず、既存の管路又は設計中の管路等の評価方法としても用いることが可能である。上述したように、出口断面Oにおける累積伸長ひずみΕの分布のバラツキを算出し、閾値と比較することで、管路の性能を評価することができる。また、管路ごとに累積伸長ひずみΕの分布のバラツキを比較し、バラツキが小さいものを加工精度の高い管路と評価すること等も可能である。 In the above embodiment, the method of designing the pipeline has been described. However, the present invention can be used not only as a method for designing a pipeline but also as a method for evaluating an existing pipeline or a pipeline under design. As described above, the performance of the pipeline can be evaluated by calculating the variation in the distribution of the cumulative elongation strain Ε in the outlet cross section O and comparing it with the threshold value. It is also possible to compare the variation in the distribution of the cumulative elongation strain Ε for each pipeline, and evaluate the one with a small variation as a pipeline with high processing accuracy.
以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1.ゴム組成物の加工精度を向上させる場合の例)
本発明に係る実施例として、図14のような金型モデルを初期流路D1とし、上述した解析に基づいて、変更流路D2を設計した。以下、詳細に説明する。
(Example 1. Example of improving the processing accuracy of the rubber composition)
As an example according to the present invention, the mold model as shown in FIG. 14 was used as the initial flow path D1, and the modified flow path D2 was designed based on the above analysis. Hereinafter, a detailed description will be given.
解析の主な条件は、次のとおりである。
ゴム組成物の密度[kg/m3]:1121
ゴム組成物の比熱[J/(kg・K)]:1430
ゴム組成物の熱伝導率[W/mK]:0.32
ゴム組成物の粘性係数:10.797×exp(4220.2/Temperature)×Strainrate-0.833
ただし、Temperatureはゴム組成物の温度、Strainrateはひずみ速度である。
ゴム組成物の初期温度[K]:356
初期流路D1の壁面温度[K]:353
入口温度[K]:356
入口流量[Kg/s]:0.0227
壁面でのスリップ速度を与える定数Fslip:496342
壁面でのスリップ速度を与える定数eslip:0.121105
メッシュの要素の大きさ[mm]:0.2〜4
流線[本]:1306
また、解析プログラムはstar ccm+を使用している。
The main conditions of the analysis are as follows.
Rubber composition density [kg / m 3 ]: 1121
Specific heat of rubber composition [J / (kg ・ K)]: 1430
Thermal conductivity of rubber composition [W / mK]: 0.32
Viscosity coefficient of rubber composition: 10.797 × exp (4220.2 / Temperature) × Strain rate -0.833
However, Temperature is the temperature of the rubber composition, and Strain rate is the strain rate.
Initial temperature of rubber composition [K]: 356
Wall surface temperature of initial flow path D1 [K]: 353
Inlet temperature [K]: 356
Inlet flow rate [Kg / s]: 0.0227
Constant F slip that gives the slip speed on the wall surface: 496342
Constant e slip that gives the slip speed on the wall surface: 0.121105
Mesh element size [mm]: 0.2-4
Streamline [book]: 1306
The analysis program uses star ccm +.
本実施例のゴム組成物1が入口21から金型2内に入り込み、出口2から吐出されるまでの時間は、十数秒程度である。これに対して、加硫前のゴム材料の緩和時間は、その種類にもよるが、数分〜数十分程度のものが大半である。このため、ゴム組成物1の緩和時間τが累積伸長ひずみΕに与える影響は限定的であるものと考えられる。このような理由により、本実施例では、累積伸長ひずみΕの算出には上述の式(2)を用いている。
The time from the
上記のような条件において設定された初期流路D1及び初期流路D1に生成されたメッシュの一例を図14に示す。ただし、本実施例では、初期流路D1は押出機100のヘッド部分100a(図1参照)を含んでいる。そして、上記解析に基づいて、初期流路D1における累積伸長ひずみΕと、流体モデル1の速度を算出した。結果は、図15及び図16に示すとおりである。ここで、図15(a)はヘッド部分100aの一部と、金型2に相当する管路内における各流線の伸長ひずみεの分布を示す斜視図、図15(b)は出口断面での累積伸長ひずみΕの分布、図15(c)は出口断面での速度vの分布を示す。図15(a)に示すように、流路の急縮小部分20b付近には伸長ひずみεが0.12〜0.2程度と、比較的大きい領域G1が形成されている。これに対し、流路の水平部分23aの付近では伸長ひずみεが0.0000〜0.0267程度と、比較的小さい領域G2が形成されている。そして、図15(b)に示すように、出口断面Oの右側の内壁面において、累積伸長ひずみΕが約4.0000と極端に大きい領域H1が複数生じている。一方、出口断面Oの左側では、累積伸長ひずみΕが3.0000〜3.2000程度と、相対的に小さくなっている。また、図15(c)に示すように、出口断面Oの右側の領域J1では、速度vが0.12〜0.15(m/s)程度と相対的に大きいのに対し、左側の領域J2では、速度vが0.030〜0.060程度と相対的に小さい。つまり、出口断面における速度v及び累積伸長ひずみΕにバラツキが生じている。その結果、初期流路D1の金型では、押出後のゴム組成物に収縮が発生し、仕上げ断面形状が出口断面Oの形状と異なる。
FIG. 14 shows an example of the initial flow path D1 set under the above conditions and the mesh generated in the initial flow path D1. However, in this embodiment, the initial flow path D1 includes the head portion 100a (see FIG. 1) of the
そこで、図10(b)に示すような変更流路D2を設計した。ここでは、初期流路D1の右側の内壁面Fを長くし、領域G1(急縮小部分20b)付近の流路の断面を緩やかに縮小し、流体モデル1の速度の急激な増加を緩和する。さらに、領域G2(水平部分23a)付近の流路の断面を初期流路D1よりも縮小し、領域G2付近では速度及び伸長ひずみΕが増加するようにする。変更流路D2について、初期流路D1と同様の解析を行い、変更流路D2における伸長ひずみεの分布、出口断面Oにおける累積伸長ひずみΕ及び速度vの分布を算出した。その結果、伸長ひずみεの分布は図16(a)のようになった。領域G2の伸長ひずみεは0.04000〜0.0533程度、領域G1の伸長ひずみεは0.02000〜0.04667程度であり、領域G1と領域G2との伸長ひずみεの差が概ね解消している。出口断面Oにおける累積伸長ひずみΕの分布は、図16(b)に示すように、金型の左側の領域で累積伸長ひずみΕが3.8000〜3.95000程度に増加し、その他の領域では3.6000〜3.8000程度の範囲に収束している。また、金型の右側の内壁面で累積伸長ひずみΕが大きい領域H1が概ね消失した。これにより、金型の出口断面における累積伸長ひずみΕが概ね均一な分布となった(なお、図16(b)では、説明の便宜上、累積伸長ひずみΕを示す線図の1目盛りを大きくして示している。従って、実際は累積伸長ひずみΕのバラツキは図16(b)に示すよりもさらに小さくなっている)。また、図16(c)に示すように、出口断面の右側における速度vが減少し、左側における速度vが増加した結果、全体として速度vが0.090〜0.15(m/s)程度となり、初期流路D1に比較して、バラツキが減少しているのが分かる。したがって、変更流路D2の金型では、押出後のゴム組成物の収縮のバラツキは概ね解消され、仕上げ断面形状が出口断面の形状と一致する。
Therefore, the modified flow path D2 as shown in FIG. 10B was designed. Here, the inner wall surface F on the right side of the initial flow path D1 is lengthened, the cross section of the flow path near the region G1 (rapid reduction portion 20b) is gradually reduced, and the rapid increase in the velocity of the
(実施例2.ゴム組成物を所定の方向に曲げる場合)
次に、設計方法2の実施例について説明する。実施例2では、吐出後のゴム組成物1に均一でない収縮を発生させて、ゴム組成物1が図11に示す方向に曲がるように金型2を設計する。ここで、初期流路D1、ゴム組成物1(モデル流体1)、境界条件及び初期条件は実施例1と共通である。また、出口断面Oにおける流体モデル1の速度分布及び累積伸長ひずみΕの分布を算出する手順までは実施例1と共通である。なお、本実施例では実施例1と同様の理由により、累積伸長ひずみΕの算出には上述の式(2)を用いている。
(Example 2. When the rubber composition is bent in a predetermined direction)
Next, an embodiment of the
実施例2では、図12に示すような出口断面Oを上下方向に概ね二分する直線mにおける速度分布及び相対指標値αの分布を評価する。図11に示す方向にゴム組成物1が曲がるためには、図12に示すように、速度vが出口断面Oの左から右に向かう程小さくなり、相対指標値αが出口断面Oの左から右に向かう程大きくなるように変更流路D2を設計する。
In the second embodiment, the velocity distribution and the distribution of the relative index value α on the straight line m that roughly divides the exit cross section O in the vertical direction as shown in FIG. 12 are evaluated. In order for the
初期流路D1について、速度v及び相対指標値αの分布を算出したところ、図18(a)のようになった。図18(a)の横軸は規格化された出口断面Oの左右方向の位置を示し、左端が0、右端が1である。縦軸は速度v及び相対指標値αであり、共に0から1までの値に規格化している。速度vを2点鎖線、相対指標値αを実線で示す。このように、初期流路D1では出口断面Oの左から右に行くほど速度vが大きくなるのに対して、相対指標値αが小さくなっているため、吐出後のゴム組成物1の収縮部分や収縮度合いを予測し難い。
When the distribution of the velocity v and the relative index value α was calculated for the initial flow path D1, it was as shown in FIG. 18 (a). The horizontal axis of FIG. 18A indicates the position of the standardized exit cross section O in the left-right direction, and the left end is 0 and the right end is 1. The vertical axis represents the velocity v and the relative index value α, both of which are standardized to values from 0 to 1. The velocity v is indicated by a chain double-dashed line, and the relative index value α is indicated by a solid line. As described above, in the initial flow path D1, the velocity v increases from the left to the right of the outlet cross section O, whereas the relative index value α becomes smaller, so that the contracted portion of the
次に、図18(a)の結果を基に、変更流路D2を7通り作成し、初期流路D1の結果と比較した。ただし、7通りの変更流路D2はあくまで一例である。図17の一番上の列に初期流路D1、以下作成した変更流路D2b〜D2hの形状を示す。ただし、押出機100のヘッド部分100aに相当する部分の形状は変更されず、全て初期流路D1と共通である。変更流路D2b〜D2hの金型部分の形状は、それぞれ図13(b)〜(h)に示す形状であり、初期流路D1からの変更箇所は実施形態で説明した通りである。変更流路D2b〜D2hについて、それぞれ初期流路D1と同様の解析を行って速度v及び相対指標値αの分布を比較した。その結果、それぞれ図18(b)〜(h)に示す通りの分布となった。変更流路D2bは、初期流路D1における急拡大部分23bをなくした形状であるが、図18(b)に示すように、速度v及び相対指標値αの分布は初期流路D1のものと比較して顕著な変化に乏しい。一方、図18(h)に示すように、変更流路D2hにおける速度v及び相対指標値αの分布は図12に示す分布に近いものとなった。変更流路D2hは、初期流路D1から急拡大部分23bをなくし、両側の内壁面20を最も短縮した形状であり、初期流路D1に比べて全体的に流路が短い。また、急縮小部分25を有する。このように、速度v及び相対指標値αの分布を合わせて評価することで、急縮小部分の付加や、流路長の増減といった金型の形状変更がどの程度吐出後のゴム組成物1の形状に影響を及ぼすかを知ることができる。その結果、ゴム組成物1に発生する伸長ひずみを制御し、吐出後のゴム組成物1を特定の方向に曲げさせるような金型を効率的に設計することが可能になる。
Next, based on the result of FIG. 18A, seven modified flow paths D2 were created and compared with the results of the initial flow path D1. However, the seven types of change flow paths D2 are merely examples. The top row of FIG. 17 shows the shapes of the initial flow path D1 and the modified flow paths D2b to D2h created below. However, the shape of the portion corresponding to the head portion 100a of the
1 ゴム組成物(モデル流体)
2 金型
20 内壁面
20a 上面
20b 急縮小部分
21 入口
22 出口
23a 水平部分
23b 急拡大部分
100 押出機
100a 押出機ヘッド
102 スクリュー
103 供給口
104 吐出口
D1 初期流路
D2 変更流路
L 距離
I 入口断面
O 出口断面
vk 速度
v 出口断面Oにおける速度
ε 伸長ひずみ
Ε 累積伸長ひずみ
α 指標値
τ 緩和時間
1 Rubber composition (model fluid)
2
Claims (13)
前記管路の内壁面の初期形状を設定するステップと、
前記粘弾性体を流体としてモデル化するステップと、
前記内壁面によって規定される流路を所定の要素に分割するステップと、
前記内壁面、前記内壁面によって規定される入口断面及び出口断面における境界条件を設定するステップと、
前記各要素における前記流体の速度、圧力を含む物理量の初期値を設定するステップと、
前記各要素における前記流体の前記物理量を算出するステップと、
前記流路において、複数の流線又は流跡線を生成するステップと、
前記各流線又は流跡線に沿って、前記入口断面から流入した前記粘弾性体が前記出口断面から流出するまでの間に受ける伸長変形の度合いの累積量を示す累積伸長ひずみΕを前記算出された物理量に基づいて算出するステップと、
前記出口断面又は前記出口断面付近における前記累積伸長ひずみΕの分布を算出するステップと、
前記累積伸長ひずみΕの分布が変化するように前記内壁面の少なくとも一部の初期形状を変更するステップと、
を備える、管路の設計方法。 It is a method of designing a conduit through which a viscoelastic body flows.
The step of setting the initial shape of the inner wall surface of the pipeline and
The step of modeling the viscoelastic body as a fluid and
A step of dividing the flow path defined by the inner wall surface into predetermined elements,
A step of setting boundary conditions in the inner wall surface, the entrance cross section and the exit cross section defined by the inner wall surface, and
A step of setting an initial value of a physical quantity including the velocity and pressure of the fluid in each of the elements, and
A step of calculating the physical quantity of the fluid in each of the elements, and
A step of generating a plurality of streamlines or trace lines in the flow path,
The calculation of the cumulative elongation strain Ε indicating the cumulative amount of the degree of elongation deformation that the viscoelastic body flowing in from the inlet cross section receives from the outlet cross section along each streamline or trace line. Steps to calculate based on the physical quantity and
A step of calculating the distribution of the cumulative elongation strain Ε in or near the exit cross section, and
A step of changing the initial shape of at least a part of the inner wall surface so that the distribution of the cumulative elongation strain Ε changes, and
A method of designing a pipeline.
前記各流線又は流跡線上に、複数の点Qk(1≦k≦N、N≧2)を、順に設定するステップと、
前記流体が点Qkから前記点Qkの隣の点まで移動するのに要する時間tkを算出するステップと、
前記時間tk及び前記算出された物理量に基づいて、前記粘弾性体が前記点Qkから前記点Qkの隣の点に移動するまでの間に受ける伸長変形の度合いを示す伸長ひずみεkを算出するステップと、
前記伸長ひずみεkを用いて前記累積伸長ひずみΕを算出するステップと、
を含み、
点Q1又は点QNのうちいずれか一方は前記入口断面上又は前記入口断面付近に設定され、
前記点Q1又は前記点QNの他方は前記出口断面上又は前記出口断面付近に設定される、
請求項1に記載の管路の設計方法。 The step of calculating the cumulative elongation strain Ε is
A step of sequentially setting a plurality of points Q k (1 ≦ k ≦ N, N ≧ 2) on each of the streamlines or trace lines, and
A step of said fluid to calculate the time t k required to move from point Q k to a point next to the point Q k,
Based on the time t k and the calculated physical quantity, elongation strain epsilon k the viscoelastic body indicates the degree of elongation deformation experienced between the said point Q k until you reach the point next to the point Q k And the steps to calculate
The step of calculating the cumulative extension strain Ε using the extension strain ε k, and
Including
Either point Q 1 or point Q N is set on or near the entrance cross section.
The other point Q 1 or the other point Q N is set on or near the exit cross section.
The method for designing a pipeline according to claim 1.
前記累積伸長ひずみΕは、以下の式(1)により算出される、請求項2に記載の管路の設計方法。
ただし、式(1)中の“TO”は前記流体が前記各流線又は流跡線に沿って前記点Q1と前記点QNとの間を移動するのに要する時間を表し、“Tk”は前記流体が前記各流線又は流跡線に沿って前記点Q1又は前記点QNから前記点Qkまで移動するのに要する時間を表す。 The relaxation time of the viscoelastic body is τ,
The method for designing a pipeline according to claim 2, wherein the cumulative elongation strain Ε is calculated by the following formula (1).
However, equation (1) "T O" in represents the time required to move between the point Q N and the point Q 1 along said fluid each streamline or trajectories, ""T k " represents the time required for the fluid to move from the point Q 1 or the point Q N to the point Q k along each of the streamlines or trace lines.
前記伸長ひずみεkの分布に基づいて、前記内壁面のうち、初期形状を変更する範囲を決定するステップと、
をさらに備える、
請求項2から4のいずれかに記載の管路の設計方法。 The step of calculating the distribution of the elongation strain ε k and
A step of determining the range in which the initial shape is changed in the inner wall surface based on the distribution of the elongation strain ε k, and
Further prepare,
The method for designing a pipeline according to any one of claims 2 to 4.
前記累積伸長ひずみΕを増加させたい前記流線又は流跡線の近傍においては、前記流路の断面形状の変化が大きくなるように前記内壁面の初期形状を変更すること、及び
前記累積伸長ひずみΕを減少させたい前記流線又は流跡線の近傍においては、前記流路の断面形状の変化が小さくなるように前記内壁面の初期形状を変更すること、の少なくとも一方を含む、
請求項1から5のいずれかに記載の設計方法。 The step of changing the initial shape of at least a part of the inner wall surface is a step of changing the initial shape of at least a part of the inner wall surface so that the distribution of the cumulative elongation strain Ε becomes uniform.
In the vicinity of the streamline or trace line for which the cumulative elongation strain Ε is desired to be increased, the initial shape of the inner wall surface is changed so that the change in the cross-sectional shape of the flow path becomes large, and the cumulative elongation strain Ε is changed. In the vicinity of the streamline or trace line for which Ε is desired to be reduced, at least one of changing the initial shape of the inner wall surface so as to reduce the change in the cross-sectional shape of the flow path is included.
The design method according to any one of claims 1 to 5.
前記速度分布が均一になるように、前記内壁面の少なくとも一部において、前記入口断面と前記出口断面との間の距離を変更するステップと、
をさらに備える、
請求項1から7のいずれかに記載の設計方法。 A step of calculating the velocity distribution of the fluid in or near the outlet cross section, and
A step of changing the distance between the inlet cross section and the outlet cross section on at least a part of the inner wall surface so that the velocity distribution becomes uniform.
Further prepare,
The design method according to any one of claims 1 to 7.
前記出口断面又は前記出口断面付近における速度に対する前記累積伸長ひずみΕの相対指標値の分布を算出するステップと、
前記速度分布が変化するように、前記内壁面の少なくとも一部において、前記入口断面と前記出口断面との間の距離を変更するステップと、
をさらに備え、
前記累積伸長ひずみΕの分布が変化するように前記内壁面の少なくとも一部の初期形状を変更するステップは、前記相対指標値分布が変化するように前記内壁面の少なくとも一部の初期形状を変更するステップであり、
前記初期形状が変更された後の流路の断面は、前記初期形状の流路の断面よりも面積が小さい、
請求項1から5のいずれかに記載の管路の設計方法。 A step of calculating the velocity distribution of the fluid in or near the outlet cross section, and
A step of calculating the distribution of the relative index value of the cumulative elongation strain Ε with respect to the velocity at or near the exit cross section, and
A step of changing the distance between the inlet cross section and the exit cross section on at least a part of the inner wall surface so that the velocity distribution changes.
With more
The step of changing the initial shape of at least a part of the inner wall surface so that the distribution of the cumulative elongation strain Ε changes changes the initial shape of at least a part of the inner wall surface so that the relative index value distribution changes. Is a step to do
The cross section of the flow path after the initial shape is changed has a smaller area than the cross section of the flow path of the initial shape.
The method for designing a pipeline according to any one of claims 1 to 5.
前記粘弾性体は、架橋前のゴム又は樹脂材料である、
請求項1から10のいずれかに記載の管路の設計方法。 The pipeline is a mold provided at the discharge port of the extruder.
The viscoelastic body is a rubber or resin material before cross-linking.
The method for designing a pipeline according to any one of claims 1 to 10.
コンピュータに、
前記管路の内壁面の初期形状を設定するステップと、
前記粘弾性体を流体としてモデル化するステップと、
前記内壁面によって規定される流路を所定の要素に分割するステップと、
前記内壁面、前記内壁面によって規定される入口断面及び出口断面における境界条件を設定するステップと、
前記各要素における前記流体の速度、圧力を含む物理量の初期値を設定するステップと、
前記各要素における前記流体の前記物理量を算出するステップと、
前記流路において、複数の流線又は流跡線を生成するステップと、
前記各流線又は流跡線に沿って、前記入口断面から流入した前記粘弾性体が前記出口断面から流出するまでの間に受けた伸長変形の度合いの累積量を示す累積伸長ひずみΕを前記算出された物理量に基づいて算出するステップと、
前記出口断面又は前記出口断面付近における前記累積伸長ひずみΕの分布を算出するステップと、
前記累積伸長ひずみΕの分布が変化するように前記内壁面の少なくとも一部の初期形状を変更するステップと、
を実行させる、管路の設計プログラム。 It is a design program of a conduit through which a viscoelastic body flows.
On the computer
The step of setting the initial shape of the inner wall surface of the pipeline and
The step of modeling the viscoelastic body as a fluid and
A step of dividing the flow path defined by the inner wall surface into predetermined elements,
A step of setting boundary conditions in the inner wall surface, the entrance cross section and the exit cross section defined by the inner wall surface, and
A step of setting an initial value of a physical quantity including the velocity and pressure of the fluid in each of the elements, and
A step of calculating the physical quantity of the fluid in each of the elements, and
A step of generating a plurality of streamlines or trace lines in the flow path,
A cumulative elongation strain Ε indicating the cumulative amount of elongation deformation received by the viscoelastic body flowing in from the inlet cross section and flowing out from the outlet cross section along each streamline or trace line is described above. Steps to calculate based on the calculated physical quantity,
A step of calculating the distribution of the cumulative elongation strain Ε in or near the exit cross section, and
A step of changing the initial shape of at least a part of the inner wall surface so that the distribution of the cumulative elongation strain Ε changes, and
A pipeline design program to execute.
前記管路の内壁面の形状をモデル化するステップと、
前記粘弾性体を流体としてモデル化するステップと、
前記内壁面によって規定される流路を所定の要素に分割するステップと、
前記内壁面、前記内壁面によって規定される入口断面及び出口断面における境界条件を設定するステップと、
前記各要素における前記流体の速度、圧力を含む物理量の初期値を設定するステップと、
前記各要素における前記流体の前記物理量を算出するステップと、
前記流路において、複数の流線又は流跡線を生成するステップと、
前記各流線又は流跡線に沿って、前記入口断面から流入した前記粘弾性体が前記出口断面から流出するまでの間に受ける伸長変形の度合いの累積量を示す累積伸長ひずみΕを前記算出された物理量に基づいて算出するステップと、
前記出口断面又は前記出口断面付近における前記累積伸長ひずみΕの分布を算出するステップと、
前記累積伸長ひずみΕの分布のバラツキを所定の閾値に基づいて評価するステップと、
を備える、管路の評価方法。
It is an evaluation method of the conduit through which the viscoelastic body flows.
Steps to model the shape of the inner wall surface of the pipeline,
The step of modeling the viscoelastic body as a fluid and
A step of dividing the flow path defined by the inner wall surface into predetermined elements,
A step of setting boundary conditions in the inner wall surface, the entrance cross section and the exit cross section defined by the inner wall surface, and
A step of setting an initial value of a physical quantity including the velocity and pressure of the fluid in each of the elements, and
A step of calculating the physical quantity of the fluid in each of the elements, and
A step of generating a plurality of streamlines or trace lines in the flow path,
The calculation of the cumulative elongation strain Ε indicating the cumulative amount of the degree of elongation deformation that the viscoelastic body flowing in from the inlet cross section receives from the outlet cross section along each streamline or trace line. Steps to calculate based on the physical quantity and
A step of calculating the distribution of the cumulative elongation strain Ε in or near the exit cross section, and
A step of evaluating the variation in the distribution of the cumulative elongation strain Ε based on a predetermined threshold value, and
A method for evaluating a pipeline.
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