JP6950477B2 - Simulation method of viscoelastic material - Google Patents
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Description
本発明は、コンピュータを用いて、粘弾性を有する材料、例えば、未加硫ゴム等の可塑性材料の流れを計算するためのシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a simulation method for calculating the flow of a viscoelastic material, such as a plastic material such as unvulcanized rubber, using a computer.
従来、粘弾性を有する可塑性材料の流れを計算するためのシミュレーション方法が提案されている。この種のシミュレーションでは、可塑性材料が数値計算可能な要素にモデル化され、それに流動条件を適用して、各要素の流動が時々刻々と計算される。 Conventionally, a simulation method for calculating the flow of a plastic material having viscoelasticity has been proposed. In this type of simulation, the plastic material is modeled into numerically computable elements and flow conditions are applied to it to calculate the flow of each element from moment to moment.
上記材料モデルには、例えば、可塑性材料の粘性及び弾性の双方を定義することが考えられる。しかしながら、このような材料モデルを用いたシミュレーションでは、流動計算を集束させることが難しいという課題があった。このため、下記特許文献1のシミュレーション方法では、可塑性材料の粘性のみを定義した材料モデルが用いられている。 In the material model, for example, it is conceivable to define both the viscosity and elasticity of the plastic material. However, in the simulation using such a material model, there is a problem that it is difficult to focus the flow calculation. Therefore, in the simulation method of Patent Document 1 below, a material model in which only the viscosity of the plastic material is defined is used.
しかしながら、上記特許文献1のシミュレーション方法は、可塑性材料の弾性を考慮できないため、流動計算の精度向上には、さらなる改善の余地があった。 However, since the simulation method of Patent Document 1 cannot consider the elasticity of the plastic material, there is room for further improvement in improving the accuracy of the flow calculation.
発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、材料モデルに定義される粘性において、ひずみ速度が予め定められた閾値よりも大きい場合に、ひずみ速度が大きくなるにつれて粘度が大きくなる粘度領域を含めることで、弾性の特徴である急激な力の上昇を、粘性のみで表現できることを知見した。 As a result of intensive research, the inventors include a viscosity region in which the viscosity defined in the material model increases as the strain rate increases when the strain rate is larger than a predetermined threshold. Therefore, it was found that the rapid increase in force, which is a characteristic of elasticity, can be expressed only by viscosity.
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、粘弾性を有する材料の流れを、高い精度で計算することができるシミュレーション方法を提供することを主たる目的としている。 The present invention has been devised in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a simulation method capable of calculating the flow of a material having viscoelasticity with high accuracy.
本発明は、コンピュータを用いて、粘弾性を有する材料の流れを計算するためのシミュレーション方法であって、前記コンピュータに、前記材料を、弾性を考慮しない粘性モデルを用いて定義する工程と、前記粘性モデルを予め定められた流動条件に適応し、前記粘性モデルの流動状態を計算する工程とを含み、前記粘性モデルを定義する工程は、前記粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係を定義する工程を含み、前記関係が、前記ひずみ速度が零から予め定められた閾値までの間では、前記ひずみ速度が大きくなるにつれて前記粘度が一定及び/又は小さくなる第1粘度領域と、前記ひずみ速度が前記閾値よりも大きい場合に、前記ひずみ速度が大きくなるにつれて前記粘度が大きくなる第2粘度領域とを有することを特徴とする。 The present invention is a simulation method for calculating the flow of a material having viscoelasticity using a computer, wherein the material is defined in the computer by using a viscosity model that does not consider elasticity, and the above. The step of defining the viscosity model includes the step of adapting the viscosity model to predetermined flow conditions and calculating the flow state of the viscosity model, and the step of defining the viscosity model defines the relationship between the viscosity of the viscosity model and the strain rate. Including the step, the relationship is that, when the strain rate is from zero to a predetermined threshold, the first viscosity region in which the viscosity becomes constant and / or decreases as the strain rate increases, and the strain rate When it is larger than the threshold value, it has a second viscosity region in which the viscosity increases as the strain rate increases.
本発明に係る前記粘弾性材料のシミュレーション方法において、関係を定義する工程は、前記材料に対して、ひずみ速度を零から徐々に大きくして測定された複数の粘度の値に基づいて、前記関係を特定してもよい。 In the method for simulating a viscoelastic material according to the present invention, the step of defining a relationship is based on a plurality of viscosity values measured by gradually increasing the strain rate from zero with respect to the material. May be specified.
本発明に係る前記粘弾性材料のシミュレーション方法において、前記関係を定義する工程は、前記材料の伸長粘度を測定する工程を含んでもよい。 In the method for simulating a viscoelastic material according to the present invention, the step of defining the relationship may include a step of measuring the extensional viscosity of the material.
本発明に係る前記粘弾性材料のシミュレーション方法において、前記関係を定義する工程は、前記粘度の測定結果のうち、前記ひずみ速度が大きくなるにつれて前記粘度が小さくなる部分に近似させた第1近似直線と、前記ひずみ速度が大きくなるにつれて前記粘度が大きくなる部分に近似させた第2近似直線との交点での前記ひずみ速度を、前記閾値として定義してもよい。 In the method for simulating the viscoelastic material according to the present invention, the step of defining the relationship is a first approximate straight line approximated to a portion of the viscosity measurement result in which the viscosity decreases as the strain rate increases. And, the strain rate at the intersection with the second approximate straight line approximated to the portion where the viscosity increases as the strain rate increases may be defined as the threshold value.
本発明に係る前記粘弾性材料のシミュレーション方法において、前記第1近似直線及び前記第2近似直線は、下記式(1)で定義されてもよい。
η:材料の粘度
γ:材料のひずみ速度
n:0より大きい実数
In the method for simulating a viscoelastic material according to the present invention, the first approximate straight line and the second approximate straight line may be defined by the following equation (1).
η: Material viscosity γ: Material strain rate n: Real number greater than 0
本発明の粘弾性材料のシミュレーション方法は、コンピュータに、粘弾性を有する材料を、弾性を考慮しない粘性モデルを用いて定義する工程と、前記粘性モデルを予め定められた流動条件に適応し、前記粘性モデルの流動状態を計算する工程とを含んでいる。このようなシミュレーション方法は、前記弾性を考慮しない前記粘性モデルが用いられるため、前記流動状態の計算が発散するのを防ぐことができる。従って、本発明のシミュレーション方法は、前記粘性モデルの流動状態を、安定して計算することができる。 The method for simulating a viscoelastic material of the present invention is a step of defining a material having viscoelasticity in a computer using a viscous model that does not consider elasticity, and adapting the viscous model to predetermined flow conditions. It includes a step of calculating the flow state of the viscosity model. In such a simulation method, since the viscosity model that does not consider the elasticity is used, it is possible to prevent the calculation of the flow state from diverging. Therefore, the simulation method of the present invention can stably calculate the flow state of the viscosity model.
前記粘性モデルを定義する工程は、前記粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係を定義する工程を含んでいる。前記関係が、前記ひずみ速度が零から予め定められた閾値までの間では、前記ひずみ速度が大きくなるにつれて前記粘度が一定及び/又は小さくなる第1粘度領域と、前記ひずみ速度が前記閾値よりも大きい場合に、前記ひずみ速度が大きくなるにつれて前記粘度が大きくなる第2粘度領域とを有している。このような第2粘度領域により、前記粘性モデルは、前記弾性の特徴である急激な力の上昇を表現することができる。従って、本発明のシミュレーション方法は、前記弾性を考慮しない前記粘性モデルを用いていても、前記粘弾性を有する前記材料の流れを、高い精度で計算することができる。 The step of defining the viscosity model includes a step of defining the relationship between the viscosity of the viscosity model and the strain rate. The relationship is that when the strain rate is from zero to a predetermined threshold, the first viscosity region where the viscosity becomes constant and / or decreases as the strain rate increases, and the strain rate becomes higher than the threshold. When it is large, it has a second viscosity region in which the viscosity increases as the strain rate increases. With such a second viscosity region, the viscosity model can express a sharp increase in force, which is a characteristic of the elasticity. Therefore, in the simulation method of the present invention, the flow of the material having viscoelasticity can be calculated with high accuracy even if the viscosity model that does not consider the elasticity is used.
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態の粘弾性材料のシミュレーション方法(以下、単に「シミュレーション方法」ということがある。)では、コンピュータを用いて、粘弾性を有する材料の流れが計算される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the method for simulating a viscoelastic material of the present embodiment (hereinafter, may be simply referred to as a "simulation method"), a flow of a material having viscoelasticity is calculated using a computer.
図1は、本実施形態のシミュレーション方法を実行するためのコンピュータの一例を示す斜視図である。コンピュータ1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含んでいる。この本体1aには、例えば、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリ、磁気ディスクなどの記憶装置、及び、ディスクドライブ装置1a1、1a2が設けられている。また、記憶装置には、本実施形態のシミュレーション方法を実行するためのソフトウェア等が予め記憶されている。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a computer for executing the simulation method of the present embodiment. The computer 1 includes a
本実施形態の材料は、十分に練られた架橋前のゴム材料である。ただし、このようなゴム材料以外にも、樹脂材料やエラストマー等の粘弾性を有するものであってもよい。また、本発明において、材料は、十分に練られて安定的な流動状態(流体)とみなすことができる状態のものが前提とされる。例えば、未加硫のゴム材料の場合、十分に練られて約80℃程度まで昇温した状態が、この状態に相当する。 The material of this embodiment is a well-kneaded rubber material before cross-linking. However, in addition to such a rubber material, a resin material, an elastomer, or the like may have viscoelasticity. Further, in the present invention, it is premised that the material is in a state where it is sufficiently kneaded and can be regarded as a stable flow state (fluid). For example, in the case of an unvulcanized rubber material, a state in which the material is sufficiently kneaded and the temperature is raised to about 80 ° C. corresponds to this state.
図2は、材料が流れる流路の一例を示す断面図である。図3は、流路の一例を示す斜視図である。本実施形態の流路2は、筒状に形成されており、スクリュー式の押出機3の下流側に接続されている。流路2の一端には、押出機3に接続される供給口5が設けられている。この供給口5に、押出機3から材料が供給される。図3に示されるように、供給口5は、正面視円形状に形成されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a flow path through which a material flows. FIG. 3 is a perspective view showing an example of the flow path. The
一方、流路2の他端には、材料が押し出される吐出口6が設けられている。本実施形態の吐出口6は、正面視三角形状に形成されている。従って、流路2の断面は、上流側から下流側に向かって(即ち、供給口5側から吐出口9側に向かって)断面積が漸減している。
On the other hand, at the other end of the
本実施形態のシミュレーション方法は、流路2を流れる材料(図示省略)が、吐出口6から押し出される様子が、コンピュータ1によってシミュレートされる。図4は、粘弾性材料のシミュレーション方法の一例を示すフローチャートである。
In the simulation method of the present embodiment, a computer 1 simulates how a material (not shown) flowing through the
本実施形態のシミュレーション方法では、先ず、コンピュータ1に、材料を、弾性を考慮しない粘性モデルを用いて定義する(粘性モデル定義工程S1)。粘性モデルは、流路2(図2及び図3に示す)内を流れる材料を、コンピュータ1での数値計算に取り込むためのものである。粘性モデルは、後述の流路モデル7の要素e(図10に示す)に配置される。図5は、粘性モデル定義工程S1の一例を示すフローチャートである。 In the simulation method of the present embodiment, first, the material is defined in the computer 1 by using a viscosity model that does not consider elasticity (viscosity model definition step S1). The viscosity model is for incorporating the material flowing in the flow path 2 (shown in FIGS. 2 and 3) into the numerical calculation by the computer 1. The viscosity model is arranged on the element e (shown in FIG. 10) of the flow path model 7 described later. FIG. 5 is a flowchart showing an example of the viscosity model definition step S1.
本実施形態の粘性モデル定義工程S1では、先ず、材料の比熱及び熱伝導率が定義される(工程S11)。比熱は、解析対象となる材料から、例えば断熱型連続法(@25℃)にて測定される。また、熱伝導率は、解析対象となる材料から、例えば熱線法(@25℃)にて測定される。比熱及び熱伝導率は、コンピュータ1に記憶される。 In the viscosity model definition step S1 of the present embodiment, first, the specific heat and thermal conductivity of the material are defined (step S11). The specific heat is measured from the material to be analyzed by, for example, an adiabatic continuous method (@ 25 ° C.). The thermal conductivity is measured from the material to be analyzed by, for example, the hot wire method (@ 25 ° C.). The specific heat and thermal conductivity are stored in the computer 1.
次に、本実施形態の粘性モデル定義工程S1では、粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係が定義される(関係定義工程S12)。図6は、粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係の一例を示すグラフである。図6では、粘度の対数と、ひずみ速度の対数との関係10が示される。粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係(以下、単に「関係」ということがある。)10は、材料に対して、ひずみ速度を零から徐々に大きくして測定された複数の粘度ηの値に基づいて特定される。本実施形態の関係10は、第1粘度領域11、及び、第2粘度領域12を含んでいる。
Next, in the viscosity model definition step S1 of the present embodiment, the relationship between the viscosity of the viscosity model and the strain rate is defined (relationship definition step S12). FIG. 6 is a graph showing an example of the relationship between the viscosity of the viscosity model and the strain rate. FIG. 6 shows the
第1粘度領域11は、ひずみ速度が零から予め定められた閾値Tまでの間において、ひずみ速度γが大きくなるにつれて粘度ηが一定及び/又は小さくなる傾向(本実施形態では、小さくなる傾向)がある。このような第1粘度領域11の粘度ηは、材料のせん断粘度に基づいている。
In the
一方、第2粘度領域12は、ひずみ速度が閾値Tよりも大きい場合に、ひずみ速度γが大きくなるにつれて粘度ηが大きくなっている。この第2粘度領域12の粘度ηは、材料の伸長粘度に基づいている。このような伸長粘度は、ひずみ速度γが大きくなるにつれて、材料を構成する分子鎖が伸び切るため、粘度ηが大きくなる傾向がある。
On the other hand, in the
本実施形態の関係10は、第1粘度領域11により、応力緩和の緩和時間が小さい粘性の特徴を表現することができる。一方、関係10は、第2粘度領域12により、弾性の特徴である急激な力の上昇を表現することができる。従って、関係10は、第1粘度領域11及び第2粘度領域12により、材料の粘弾性の特徴を、粘性のみで表現することができる。図7は、本実施形態の関係定義工程S12の処理手順の一例を示すフローチャートである。
The
本実施形態の関係定義工程S12では、先ず、材料のせん断粘度が測定される(工程S16)。せん断粘度の測定には、例えば、ARES式の回転型レオメータが用いられる。工程S16では、十分に練られた材料(図示省略)に対して、ひずみ速度を零から徐々に大きくして、複数のせん断粘度の値が測定される。図8は、せん断粘度及び伸長粘度と、ひずみ速度との関係の一例を示すグラフである。 In the relationship definition step S12 of the present embodiment, first, the shear viscosity of the material is measured (step S16). For the measurement of shear viscosity, for example, an ARES rotary rheometer is used. In step S16, a plurality of shear viscosity values are measured by gradually increasing the strain rate from zero for a sufficiently kneaded material (not shown). FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between the shear viscosity and the extensional viscosity and the strain rate.
図8に示されるように、工程S16の測定結果では、ひずみ速度γが大きくなるにつれて、粘度η(せん断粘度)が小さくなっている。せん断粘度の測定条件については、適宜設定することができる。せん断粘度の測定結果は、コンピュータ1に記憶される。 As shown in FIG. 8, in the measurement result of step S16, the viscosity η (shear viscosity) decreases as the strain rate γ increases. The measurement conditions for shear viscosity can be set as appropriate. The measurement result of the shear viscosity is stored in the computer 1.
次に、本実施形態の関係定義工程S12では、材料の伸長粘度が測定される(工程S17)。伸長粘度の測定には、例えば、キャピラリーレオメータが用いられる。工程S17では、十分に練られた材料(図示省略)に対して、ひずみ速度を零から徐々に大きくして、複数の伸長粘度の値が測定される。 Next, in the relationship definition step S12 of the present embodiment, the extensional viscosity of the material is measured (step S17). For example, a capillary rheometer is used to measure the extensional viscosity. In step S17, a plurality of extensional viscosity values are measured by gradually increasing the strain rate from zero with respect to a sufficiently kneaded material (not shown).
図8に示されるように、工程S17の測定結果では、ひずみ速度γが大きくなるにつれて、粘度η(伸長粘度)が大きくなっている。伸長粘度の測定条件については、適宜設定することができる。伸長粘度の測定結果は、コンピュータ1に記憶される。 As shown in FIG. 8, in the measurement result of step S17, the viscosity η (extensional viscosity) increases as the strain rate γ increases. The measurement conditions for the extensional viscosity can be set as appropriate. The measurement result of the extensional viscosity is stored in the computer 1.
次に、本実施形態の関係定義工程S12では、粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係を定義される(工程S18)。工程S18では、工程S16で測定された材料のせん断粘度(図8に示す)、及び、工程S17で測定された材料の伸長粘度(図8に示す)に基づいて、図6に示した関係10が定義される。
Next, in the relationship definition step S12 of the present embodiment, the relationship between the viscosity of the viscosity model and the strain rate is defined (step S18). In step S18, the
上述したように、工程S16で測定された材料のせん断粘度(図8に示す)は、第1粘度領域11の粘度の値(図6に示す)に対応している。一方、工程S17で測定された材料の伸長粘度(図8に示す)は、第2粘度領域12の粘度に対応している。これらの複数の粘度の値(即ち、材料のせん断粘度の測定結果、及び、材料の伸長粘度の測定結果)をプロットすることで、図6に示した関係10を示すグラフを求めることができる。
As described above, the shear viscosity of the material (shown in FIG. 8) measured in step S16 corresponds to the value of the viscosity in the first viscosity region 11 (shown in FIG. 6). On the other hand, the extensional viscosity of the material (shown in FIG. 8) measured in step S17 corresponds to the viscosity of the
本実施形態の工程S18では、粘度の測定結果のうち、ひずみ速度が大きくなるにつれて粘度が小さくなる部分(即ち、第1粘度領域11)に近似させた第1近似直線17が求められる。次に、工程S18では、ひずみ速度が大きくなるにつれて粘度が大きくなる部分(即ち、第2粘度領域12)に近似させた第2近似直線18が求められる。本実施形態の第1近似直線17及び第2近似直線18は、下記式(1)で定義される。
In step S18 of the present embodiment, a first approximate
η:材料の粘度
γ:材料のひずみ速度
n:0より大きい実数
η: Material viscosity γ: Material strain rate n: Real number greater than 0
上記式(1)は、べき乗則に基づいている。上記式(1)の実数(べき乗)nは、材料の粘度ηの対数と、材料のひずみ速度γの対数との傾きを示している。第1近似直線17の実数nは、負の値である。一方、第2近似直線18の実数nは、正の値である。このような直線近似は、例えば、最小二乗法に基づいて行うことができる。
The above equation (1) is based on the power law. The real number (power) n in the above equation (1) indicates the slope between the logarithm of the viscosity η of the material and the logarithm of the strain rate γ of the material. The real number n of the first approximate
次に、本実施形態の工程S18では、第1近似直線17及び第2近似直線18の交点14でのひずみ速度γが求められる。この交点14でのひずみ速度γは、第1粘度領域11と、第2粘度領域12との閾値Tとして特定される。このような閾値Tにより、第1粘度領域11と第2粘度領域12とを区分することができる。
Next, in step S18 of the present embodiment, the strain rate γ at the
本実施形態の関係定義工程S12では、第1近似直線17、第2近似直線18、及び、閾値Tにより、第1粘度領域11と第2粘度領域12とを有する関係10を定義することができる。
In the relationship definition step S12 of the present embodiment, the
上記の関係10において、例えば、材料に対するひずみ速度γが閾値T以下である場合、そのひずみ速度γが第1近似直線17に代入される。これにより、ひずみ速度γに対応する第1粘度領域11での粘度ηを求めることができる。この粘度ηは、せん断粘度に基づくものである。
In the
一方、材料に対するひずみ速度γが閾値Tより大きい場合、そのひずみ速度γが第2近似直線18に代入される。これにより、ひずみ速度γに対応する第2粘度領域12での粘度ηを求めることができる。この粘度ηは、伸長粘度に基づくものである。
On the other hand, when the strain rate γ with respect to the material is larger than the threshold value T, the strain rate γ is substituted into the second approximate
このような関係10により、粘性モデルは、材料の粘弾性の特徴を、粘性のみで表現することができる。関係10は、コンピュータ1に記憶される。本実施形態では、図8に示したように、べき乗則に基づく第1近似直線17及び第2近似直線18を用いて、粘度の測定結果に近似させたが、このような態様に限定されない。粘度の測定結果に近似させることができれば、べき乗則に限定されない。
With such a
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、粘性モデルの予め定められた流動条件が、コンピュータ1に入力される(流動条件定義工程S2)。流動条件については、計算される材料の流れに応じて、適宜設定することができる。本実施形態の流動条件は、流路2内に材料を流すための条件が設定される。図9は、流動条件定義工程S2の処理手順の一例を示すフローチャートである。
Next, in the simulation method of the present embodiment, the predetermined flow conditions of the viscosity model are input to the computer 1 (flow condition definition step S2). The flow conditions can be appropriately set according to the calculated material flow. As the flow conditions of the present embodiment, conditions for flowing the material into the
本実施形態の流動条件定義工程S2では、先ず、流路2をモデル化した流路モデル7が設定される(工程S21)。図10は、流路モデル7の一例を示す概念図である。
In the flow condition definition step S2 of the present embodiment, first, a flow path model 7 that models the
流路モデル7は、流路2(図2及び図3に示す)の三次元空間が、有限個の要素eでモデル化(離散化)されたものである。流路モデル7の一端には、粘性モデルが供給される供給口8を有している。供給口8は、図3に示した流路2の供給口5に基づいて、正面視円形状に設定されている。
The flow path model 7 is a model (discretized) of the three-dimensional space of the flow path 2 (shown in FIGS. 2 and 3) with a finite number of elements e. At one end of the flow path model 7, there is a
一方、流路モデル7の他端には、粘性モデルが押し出される吐出口9を有している。吐出口9は、図3に示した流路2の吐出口6に基づいて、正面視三角形状に設定されている。従って、流路モデル7の断面は、流路2と同様に、上流側から下流側に向かって(即ち、供給口8側から吐出口9側に向かって)断面積が漸減している。
On the other hand, the other end of the flow path model 7 has a discharge port 9 from which the viscosity model is extruded. The discharge port 9 is set in a triangular shape in front view based on the discharge port 6 of the
流路モデル7は、図10の一部拡大図に示されるように、粘性モデルが流れる空間が複数個の要素eで分割(離散化)されている。要素分割は、四面体、六面体などの他、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、本実施形態では、オイラー要素でモデル化される。各要素eでは、粘性モデルの圧力、温度及び速度等の物理量が計算される。流路モデル7は、コンピュータ1に記憶される。 In the flow path model 7, as shown in a partially enlarged view of FIG. 10, the space through which the viscosity model flows is divided (discretized) by a plurality of elements e. The element division is performed by a three-dimensional element such as a polyhedron cell (polyhedral grid) in addition to a tetrahedron and a hexahedron, and in the present embodiment, it is modeled by an Euler element. In each element e, physical quantities such as pressure, temperature and velocity of the viscosity model are calculated. The flow path model 7 is stored in the computer 1.
次に、本実施形態の流動条件定義工程S2では、粘性モデルの流動を計算するための境界条件が、コンピュータ1に入力される(工程S22)。本実施形態の境界条件としては、流路モデル7の供給口8にそれぞれ供給される粘性モデルの流速、温度、及び、流路モデル7の吐出口9の圧力(=0)が与えられる。粘性モデルの流速や温度としては、例えば、解析対象となる流路2で適宜実測を行い、その値を参考に設定することができる。また、流路モデル7の壁面には、温度が与えられる。本実施形態では一定の温度が与えられる。
Next, in the flow condition definition step S2 of the present embodiment, the boundary conditions for calculating the flow of the viscosity model are input to the computer 1 (step S22). As the boundary conditions of the present embodiment, the flow velocity and temperature of the viscosity model supplied to the
また、流路モデル7の壁面7wには、流速境界条件が設定される。流速境界条件としては、上記特許文献1と同様に、壁面ノースリップ条件、又は、壁面スリップ条件が設定可能であり、シミュレーションの用途や求められる計算精度等に応じて、いずれかが採用される。本実施形態では、上記特許文献1と同様に、壁面ノースリップ条件が設定される。 Further, a flow velocity boundary condition is set on the wall surface 7w of the flow path model 7. As the flow velocity boundary condition, the wall surface no-slip condition or the wall surface slip condition can be set as in Patent Document 1, and either of them is adopted depending on the application of the simulation, the required calculation accuracy, and the like. In the present embodiment, the wall surface no-slip condition is set as in Patent Document 1.
他の境界条件としては、流動計算(シミュレーション)のタイムステップ、内部処理でのイタレーションの反復回数、及び、計算終了時刻などがある。これらの条件は、シミュレーションの目的等に応じて任意に定められる。境界条件は、コンピュータ1に記憶される。 Other boundary conditions include a time step of flow calculation (simulation), the number of iterations of iteration in internal processing, and a calculation end time. These conditions are arbitrarily determined according to the purpose of the simulation and the like. The boundary conditions are stored in the computer 1.
次に、本実施形態のシミュレーション方法は、コンピュータ1が、粘性モデルの流動状態を計算する(工程S3)。工程S3では、粘性モデルを予め定められた流動条件に適応し、粘性モデルの流動状態を計算する。本実施形態の工程S3では、流路モデル7に粘性モデルを配置して、供給口8から吐出口9まで流動させる流動計算が行われる。
Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 calculates the flow state of the viscosity model (step S3). In step S3, the viscosity model is applied to predetermined flow conditions, and the flow state of the viscosity model is calculated. In step S3 of the present embodiment, the viscosity model is arranged in the flow path model 7, and the flow calculation is performed so that the viscosity model flows from the
工程S3では、粘性モデルの流動計算により、流路モデル7の各要素eの位置において、粘性モデルの運動状態を特定する3方向(x,y,z)の速度成分と、粘性モデルの内部状態を特定する未知量である圧力及び温度が計算される。つまり、解くべき未知数はこの5つである。なお、本実施形態の流動計算は、非圧縮性流れの場合のNavier-Stoks方程式が用いられ、粘性モデルの密度は一定とされる。 In step S3, at the position of each element e of the flow path model 7, the velocity components in the three directions (x, y, z) that specify the motion state of the viscosity model and the internal state of the viscosity model are calculated by the flow calculation of the viscosity model. Pressure and temperature, which are unknown quantities that identify, are calculated. In other words, these five unknowns should be solved. In the flow calculation of this embodiment, the Navier-Stoks equation in the case of an incompressible flow is used, and the density of the viscosity model is constant.
本実施形態において、粘性モデルは、全温度領域で流体として扱われる。このため、流体の方程式(Navier-Stoks 方程式、質量保存式、エネルギー方程式の連立)を解くことになる。また、本実施形態では、せん断粘度が異なる複数種類の粘性モデルの混相を扱う必要があるため、自由界面の流れの計算で用いられるVOF(Volume of Fluid)法が用いられる。VOF法では、せん断粘度等が異なる2つの流体(粘性モデル)の界面の移動を直接計算するのではなく、各要素(「セル」ということもある。)の体積中の粘性モデルの充填率(即ち、体積分率)を定義して自由界面を平均化して表現する。支配方程式等の詳細については、上記特許文献1のとおりである。 In this embodiment, the viscosity model is treated as a fluid over the entire temperature range. Therefore, the fluid equations (Navier-Stoks equations, mass conservation equations, and energy equations) will be solved. Further, in the present embodiment, since it is necessary to handle a mixed phase of a plurality of types of viscosity models having different shear viscosities, the VOF (Volume of Fluid) method used in the calculation of the flow at the free interface is used. In the VOF method, instead of directly calculating the movement of the interface between two fluids (viscosity models) with different shear viscosities, etc., the filling rate of the viscosity model in the volume of each element (sometimes called a "cell") ( That is, the body integration rate) is defined and the free interface is averaged and expressed. Details of the governing equation and the like are as described in Patent Document 1 above.
本実施形態の工程S3では、粘性モデルの流れが安定状態になるまで(即ち、集束するまで)計算が行われる。流動計算は、上記特許文献1の明細書の段落「0041」〜「0051」及び図7に記載のステップS100〜S110と同様の処理手順で行われる。これにより、粘性モデルの安定状態を求めることができる。 In step S3 of the present embodiment, the calculation is performed until the flow of the viscosity model becomes stable (that is, until it is focused). The flow calculation is performed in the same processing procedure as in steps S100 to S110 described in paragraphs "0041" to "0051" of the specification of Patent Document 1 and FIG. 7. This makes it possible to obtain the stable state of the viscosity model.
本実施形態のシミュレーション方法では、弾性を考慮しない粘性モデルが用いられるため、流動状態の計算が発散するのを防ぐことができる。従って、本実施形態のシミュレーション方法は、粘性モデルの流動状態を、安定して計算することができる。 In the simulation method of the present embodiment, since a viscosity model that does not consider elasticity is used, it is possible to prevent the calculation of the flow state from diverging. Therefore, the simulation method of the present embodiment can stably calculate the flow state of the viscosity model.
粘性モデルの粘度は、図6に示した関係10に基づいて計算される。関係10は、ひずみ速度γが閾値Tよりも大きい場合に、ひずみ速度γが大きくなるにつれて粘度ηが大きくなる第2粘度領域12を有している。この第2粘度領域12により、粘性モデルは、弾性の特徴である急激な力の上昇を表現することができる。従って、本実施形態のシミュレーション方法は、弾性を考慮しない粘性モデルを用いていても、粘弾性を有する材料の流れを、高い精度で計算することができる。
The viscosity of the viscosity model is calculated based on the
関係10は、第1近似直線17、第2近似直線18、及び、閾値Tで定義されるため、材料に対するひずみ速度γに対応する材料の粘度ηを、容易かつ一意に特定することができる。従って、本実施形態のシミュレーション方法では、計算コストの増大を防ぐことができる。
Since the
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、粘性モデルの物理量を取得する(工程S4)。工程S4では、安定状態の流れを持った粘性モデルの物理量が取得される。物理量としては、流動計算で得られた粘性モデルの速度、圧力及び温度が挙げられる。本実施形態では、図10に示した流路モデル7の吐出口9において、粘性モデルの物理量が取得されている。 Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 acquires the physical quantity of the viscosity model (step S4). In step S4, the physical quantity of the viscosity model having a flow in a stable state is acquired. Examples of the physical quantity include the velocity, pressure and temperature of the viscosity model obtained by the flow calculation. In the present embodiment, the physical quantity of the viscosity model is acquired at the discharge port 9 of the flow path model 7 shown in FIG.
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、粘性モデルの物理量が、良好か否かが判断される(工程S5)。工程S5では、吐出口9から押し出された粘性モデルの物理量が良好であるか否かが判断される。粘性モデルの良否は、例えば、吐出口9での流速分布や、粘性モデルの温度分布等に基づいて、適宜判断される。 Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the physical quantity of the viscosity model is good (step S5). In step S5, it is determined whether or not the physical quantity of the viscosity model extruded from the discharge port 9 is good. The quality of the viscosity model is appropriately determined based on, for example, the flow velocity distribution at the discharge port 9, the temperature distribution of the viscosity model, and the like.
工程S5において、物理量が良好であると判断された場合(工程S5において、「Y」)、流路モデル7(図10に示す)に基づいて、流路2(図2に示す)が設計される(工程S6)。他方、物理量が良好でないと判断された場合(工程S5において、「N」)、流路モデル7を再設定し(工程S7)、工程S1〜工程S5が再度実施される。これにより、材料の流動が良好な流路2を確実に設計することができる。
When it is determined in step S5 that the physical quantity is good (“Y” in step S5), the flow path 2 (shown in FIG. 2) is designed based on the flow path model 7 (shown in FIG. 10). (Step S6). On the other hand, when it is determined that the physical quantity is not good (“N” in step S5), the flow path model 7 is reset (step S7), and steps S1 to S5 are performed again. As a result, it is possible to reliably design the
図6に示したように、本実施形態の第1粘度領域11は、ひずみ速度が零から予め定められた閾値Tまでの間において、ひずみ速度が大きくなるにつれて粘度が小さくなるものが例示されたが、このような態様に限定されない。第1粘度領域11は、ひずみ速度が大きくなるにつれて粘度が一定になる部分が含まれてもよい。図11は、本発明の他の実施形態の粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係を示すグラフである。なお、この実施形態において、これまでの実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省略することがある。
As shown in FIG. 6, the
この実施形態の関係10は、第1粘度領域11において、零から予め定められた第2閾値T2までの間では、ひずみ速度γが大きくなっても粘度ηが一定となる部分(以下、単に「一定部分」ということがある。)21と、ひずみ速度が第2閾値T2から閾値Tまでの間では、ひずみ速度γが大きくなるにつれて粘度ηが小さくなる部分(以下、単に「漸減部分」ということがある。)22とを含んでいる。本実施形態の一定部分21は、関係10において、粘性モデルの粘度ηの上限値を示している。
The
このような一定部分21により、関係10は、粘性モデルのひずみ速度γが零に近づいても、粘性モデルの粘度ηが、一定部分21の粘度η(即ち、粘度ηの上限値)以上に増加するのを防ぐことができる。これにより、この実施形態のシミュレーション方法では、粘性モデルの流動状態の計算が発散するのを確実に防ぐことができる。
Due to such a
第2閾値T2、及び、粘度ηの上限値(即ち、一定部分21の粘度η)については、適宜設定することができる。第2閾値T2及び粘度ηの上限値は、例えば、粘性モデルの流動状態を事前に計算した結果等に基づいて、計算の安定性を考慮して設定されるのが望ましい。 The second threshold value T2 and the upper limit value of the viscosity η (that is, the viscosity η of the fixed portion 21) can be appropriately set. It is desirable that the second threshold value T2 and the upper limit of the viscosity η are set in consideration of the stability of the calculation based on, for example, the result of calculating the flow state of the viscosity model in advance.
以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。 Although the particularly preferable embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the illustrated embodiments and can be modified into various embodiments.
粘弾性を有する材料の流れが、コンピュータを用いて計算するシミュレーションが実施された(実施例、比較例)。実施例及び比較例では、図4に示した処理手順にしたがって、材料が、弾性を考慮しない粘性モデルを用いて定義された。 A simulation was carried out in which the flow of the material having viscoelasticity was calculated using a computer (Example, Comparative Example). In the examples and comparative examples, the materials were defined using a viscosity model that did not consider elasticity according to the processing procedure shown in FIG.
実施例の粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係は、図6に示されるように、ひずみ速度が零から予め定められた閾値までの間では、ひずみ速度が大きくなるにつれて粘度が小さくなる第1粘度領域と、ひずみ速度が閾値よりも大きい場合に、ひずみ速度が大きくなるにつれて粘度が大きくなる第2粘度領域とを有している。 As shown in FIG. 6, the relationship between the viscosity of the viscosity model of the example and the strain rate is as follows:, when the strain rate is between zero and a predetermined threshold, the viscosity decreases as the strain rate increases. It has a viscosity region and a second viscosity region in which the viscosity increases as the strain rate increases when the strain rate is larger than the threshold value.
図12は、比較例の粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係を示すグラフである。比較例の粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係は、ひずみ速度が大きくなるにつれて、粘度が一定又は小さくなっている。 FIG. 12 is a graph showing the relationship between the viscosity of the viscosity model of the comparative example and the strain rate. The relationship between the viscosity of the viscosity model of the comparative example and the strain rate is that the viscosity becomes constant or decreases as the strain rate increases.
そして、実施例及び比較例の粘性モデルを、予め定められた流動条件に適応し、粘性モデルの流動状態を計算する工程が実施され、流路モデルの吐出口の幅方向の各位置において、粘性モデルの流速がそれぞれ計算された。共通仕様は、次のとおりであり、流動条件等は、明細書に記載のとおりである。
材料:架橋前のゴム材料
実施例:
第1粘度領域の実数n:−0.86
第2粘度領域の実数n:0.86
閾値のひずみ速度:10(sec−1)
比較例:
実数n:−0.86
Then, a step of applying the viscosity models of Examples and Comparative Examples to predetermined flow conditions and calculating the flow state of the viscosity model is carried out, and the viscosity is carried out at each position in the width direction of the discharge port of the flow path model. The flow velocities of each model were calculated. The common specifications are as follows, and the flow conditions, etc. are as described in the specification.
Material: Rubber material before cross-linking Example:
Real number n in the first viscosity region: −0.86
Real number n in the second viscosity region: 0.86
Threshold strain rate: 10 (sec -1 )
Comparative example:
Real number n: -0.86
図13は、粘性モデルの流速と、吐出口の幅方向の位置との関係を示すグラフである。なお、吐出口の幅方向の位置は、吐出口の高さが最も大きい一端t(図3に示す)を基準(即ち、吐出口の幅方向の距離が0)として、吐出口の幅方向の距離として特定される。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between the flow velocity of the viscosity model and the position of the discharge port in the width direction. The position in the width direction of the discharge port is in the width direction of the discharge port with reference to one end t (shown in FIG. 3) where the height of the discharge port is the largest (that is, the distance in the width direction of the discharge port is 0). Specified as a distance.
図13に示されるように、実施例は、吐出口の高さが小さくなるほど(即ち、幅方向の位置が大きくなるほど)、粘性モデルの流速が小さくなっている。これは、吐出口の高さ(断面積)が減少する部分において、粘性モデルのひずみ速度の増加によって、粘性モデルの力(粘度)が大きくなり、流速が低下したことによる。これは、粘弾性を有する実際の材料の流速の傾向に近似する。 As shown in FIG. 13, in the embodiment, the smaller the height of the discharge port (that is, the larger the position in the width direction), the smaller the flow velocity of the viscosity model. This is because the force (viscosity) of the viscous model increases and the flow velocity decreases due to the increase in the strain rate of the viscous model in the portion where the height (cross-sectional area) of the discharge port decreases. This approximates the tendency of the flow velocity of the actual material with viscoelasticity.
一方、比較例は、吐出口の高さが小さくなるほど(即ち、幅方向の位置が大きくなるほど)、粘性モデルの流速が大きくなっている。これは、これは、吐出口の高さ(断面積)が減少する部分において、粘性モデルのひずみ速度の増加により、粘性モデルの力(粘度)が小さくなり、流速が増加したことによる。これは、粘弾性を有する実際の材料の流速の傾向と乖離する。 On the other hand, in the comparative example, the smaller the height of the discharge port (that is, the larger the position in the width direction), the larger the flow velocity of the viscosity model. This is because the force (viscosity) of the viscous model decreased and the flow velocity increased due to the increase in the strain rate of the viscous model in the portion where the height (cross-sectional area) of the discharge port decreased. This deviates from the tendency of the flow velocity of the actual material having viscoelasticity.
従って、実施例は、弾性を考慮しない粘性モデルを用いていても、比較例に比べて、粘弾性を有する材料の流れを、高い精度で計算することができた。 Therefore, in the examples, even if a viscosity model that does not consider elasticity was used, the flow of the material having viscoelasticity could be calculated with high accuracy as compared with the comparative example.
10 粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係
11 第1粘度領域
12 第2粘度領域
10 Relationship between viscosity and strain rate of
Claims (5)
前記コンピュータに、前記材料を、弾性を考慮しない粘性モデルを用いて定義する工程と、
前記粘性モデルを予め定められた流動条件に適応し、前記粘性モデルの流動状態を計算する工程とを含み、
前記粘性モデルを定義する工程は、前記粘性モデルの粘度とひずみ速度との関係を定義する工程を含み、
前記関係が、前記ひずみ速度が零から予め定められた閾値までの間では、前記ひずみ速度が大きくなるにつれて前記粘度が一定及び/又は小さくなる第1粘度領域と、
前記ひずみ速度が前記閾値よりも大きい場合に、前記ひずみ速度が大きくなるにつれて前記粘度が大きくなる第2粘度領域とを有する、
粘弾性材料のシミュレーション方法。 A simulation method for calculating the flow of viscoelastic material using a computer.
A process of defining the material in the computer using a viscosity model that does not consider elasticity.
Including a step of adapting the viscosity model to predetermined flow conditions and calculating the flow state of the viscosity model.
The step of defining the viscosity model includes a step of defining the relationship between the viscosity of the viscosity model and the strain rate.
The relationship is that when the strain rate is from zero to a predetermined threshold, the first viscosity region where the viscosity becomes constant and / or decreases as the strain rate increases.
When the strain rate is larger than the threshold value, it has a second viscosity region in which the viscosity increases as the strain rate increases.
Simulation method for viscoelastic materials.
η:材料の粘度
γ:材料のひずみ速度
n:0より大きい実数 The method for simulating a viscoelastic material according to claim 4, wherein the first approximate straight line and the second approximate straight line are defined by the following formula (1).
η: Material viscosity γ: Material strain rate n: Real number greater than 0
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