JP2014010047A - Program for outputting stress/strain curve equation and its device and method for evaluating physical property of elastic material - Google Patents
Program for outputting stress/strain curve equation and its device and method for evaluating physical property of elastic material Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、粘弾性とゴム弾性(超弾性)とを併せ持つ物性を示す弾性材料の大変形挙動をシミュレーション上で定量性よく表現するために必要となる応力−ひずみ曲線式を出力するためのプログラム及びその装置並びに弾性材料の物性評価方法に関する。 The present invention is a program for outputting a stress-strain curve equation necessary for expressing a large deformation behavior of an elastic material having physical properties having both viscoelasticity and rubber elasticity (superelasticity) with good quantitativeness on a simulation. The present invention also relates to a device for evaluating the physical properties of the elastic material.
従来より、弾性材料の物性を評価する指標として粘弾性があり、その粘弾性を表現するモデルとしては、弾性要素及び粘性要素を直列に配置した一般化Maxwellモデルが用いられる。一般化Maxwellモデルでは、応力及びひずみの相関式、すなわち、応力−ひずみ曲線式を求めることができる。 Conventionally, there is viscoelasticity as an index for evaluating the physical properties of elastic materials, and a generalized Maxwell model in which elastic elements and viscous elements are arranged in series is used as a model for expressing the viscoelasticity. In the generalized Maxwell model, a correlation equation between stress and strain, that is, a stress-strain curve equation can be obtained.
しかしながら、近年は、弾性材料(例えば粘着剤)の高品質化乃至高付加価値化に伴い、粘弾性だけでは弾性材料の物性を十分に評価できなくなってきている。具体的に言えば、非線形で且つ大変形を起こすような弾性材料であれば、その物性を評価するためには、粘弾性だけでなく、超弾性を指標に加える必要がある。 However, in recent years, with the improvement in quality and added value of elastic materials (for example, pressure-sensitive adhesives), it has become impossible to sufficiently evaluate the physical properties of elastic materials only with viscoelasticity. Specifically, if the elastic material is nonlinear and causes large deformation, it is necessary to add not only viscoelasticity but also superelasticity to the index in order to evaluate the physical properties.
そこで、本願出願人は、粘弾性モデルである一般化Maxwellモデルを発展させ、粘弾性−超弾性両方の物性を評価できるモデル(一般化Maxwell発展モデル)を作成し、その定式化を行った上で、それを活用できるツールを提案した(特許文献1)。 Therefore, the applicant of the present application developed a generalized Maxwell model that is a viscoelastic model, created a model (generalized Maxwell development model) that can evaluate both physical properties of viscoelasticity and superelasticity, and formulated it. Then, the tool which can utilize it was proposed (patent document 1).
本願出願人は、上記特許文献1に記載されたものとは別のアプローチで、新たに粘弾性−超弾性両方の物性を評価できるモデルを作成し、その定式化を行った上で、それを活用できるツールを提案する。 The applicant of the present application creates a new model that can evaluate the physical properties of both viscoelasticity and superelasticity by an approach different from that described in Patent Document 1, and formulates the model. Suggest tools that can be used.
ツールとしての本発明に係るプログラムは、
弾性要素及び粘性要素を直列に配置したMaxwellモデルに基づいて求められる応力及びひずみの相関式であって、弾性に関する項として、ひずみの不変量の高次項を導入したひずみエネルギー密度関数を含む、応力及びひずみの相関式を、応力−ひずみ曲線式として出力するためのプログラムであって、
コンピュータを、
前記応力及びひずみの相関式におけるパラメータを入力する入力手段、
該入力されたパラメータによって前記応力及びひずみの相関式を特定する特定手段、
及び、該特定された応力及びひずみの相関式を、応力−ひずみ曲線式として出力する出力手段、
として機能させることを特徴とする。
The program according to the present invention as a tool is:
A stress-strain correlation equation obtained based on the Maxwell model in which an elastic element and a viscous element are arranged in series, and includes a strain energy density function in which a high-order term of strain invariant is introduced as a term related to elasticity. And a program for outputting a correlation equation of a strain as a stress-strain curve equation,
Computer
Input means for inputting parameters in the correlation equation of stress and strain;
A specifying means for specifying a correlation equation of the stress and strain according to the input parameters;
And an output means for outputting the identified stress-strain correlation equation as a stress-strain curve equation,
It is made to function as.
かかる構成によれば、物性に応じて異なるパラメータ(必要に応じてその他のパラメータも含む)を入力することで、弾性材料の物性に応じた応力−ひずみ曲線式が出力される。例えば、適宜、パラメータを変更して入力することで、所望の応力−ひずみ曲線式を追求し、また、それに合うような材料設計を行うといったアプリケーションが期待できる。 According to this configuration, by inputting different parameters according to physical properties (including other parameters as necessary), a stress-strain curve formula corresponding to the physical properties of the elastic material is output. For example, it is possible to expect an application in which a desired stress-strain curve equation is pursued by appropriately changing and inputting parameters, and a material design is performed so as to match it.
また、本発明に係るプログラムにおいては、一例として、
前記応力及びひずみの相関式は、Cauchy応力を太字σ、固体の圧力をps、2階の単位テンソルを太字I、体積変化率をJ、左Cauchy-Green変形テンソルの第一低減不変量(ひずみの第一不変量)を上線付きIB、左Cauchy-Green変形テンソルの第二低減不変量(ひずみの第二不変量)を上線付きIIB、左Cauchy-Green変形テンソルの低減不変量を上線付きB、実験により定められる定数をc1,c2,c3、実験により定められる定数をp,q(p>0,q>0)、時間増分をΔt、実験により定められる緩和時間をτα(τα>0)、実験により定められる定数をβα∞(βα∞>0)で表した場合、以下の式で規定される。
The correlation between stress and strain is as follows: Cauchy stress is bold σ, solid pressure is p s , second-order unit tensor is bold I, volume change rate is J, first Cauchy-Green deformation tensor first invariant ( The first invariant of strain) is overlined I B , the second reduced invariant of the left Cauchy-Green deformation tensor (the second invariant of strain) is overlined II B , and the reduced invariant of the left Cauchy-Green deformation tensor B with an overline, c 1 , c 2 , c 3 constants determined by experiment, p, q (p> 0, q> 0) determined by experiment, Δt time increment, relaxation time determined by experiment When τα (τα> 0) and a constant determined by experiment are expressed by βα∞ (βα∞> 0), they are defined by the following equations.
また、本発明に係るプログラムにおいては、温度依存性を含めた例として、
前記応力及びひずみの相関式は、Cauchy応力を太字σ、固体の圧力をps、2階の単位テンソルを太字I、体積変化率をJ、左Cauchy-Green変形テンソルの第一低減不変量(ひずみの第一不変量)を上線付きIB、左Cauchy-Green変形テンソルの第二低減不変量(ひずみの第二不変量)を上線付きIIB、左Cauchy-Green変形テンソルの低減不変量を上線付きB、実験により定められる定数をc1,c2,c3、実験により定められる定数をp,q(p>0,q>0)、時間増分をΔt、実験により定められる緩和時間をτα(τα>0)、実験により定められる定数をβα∞(βα∞>0)、弾性材料の温度をθ、基準温度(20℃)をθS、ガラス転移温度であって、材料固有の温度をθg、実験により定められる定数をd1,d2で表した場合、以下の式で規定される。
The correlation between stress and strain is as follows: Cauchy stress is bold σ, solid pressure is p s , second-order unit tensor is bold I, volume change rate is J, first Cauchy-Green deformation tensor first invariant ( The first invariant of strain) is overlined I B , the second reduced invariant of the left Cauchy-Green deformation tensor (the second invariant of strain) is overlined II B , and the reduced invariant of the left Cauchy-Green deformation tensor B with an overline, c 1 , c 2 , c 3 constants determined by experiment, p, q (p> 0, q> 0) determined by experiment, Δt time increment, relaxation time determined by experiment τα (τα> 0), the constant determined by experiment is βα∞ (βα∞> 0), the temperature of the elastic material is θ, the reference temperature (20 ° C.) is θ S , the glass transition temperature, and the temperature inherent to the material the theta g, when expressed a constant determined by experiment d 1, d 2, defined by the following formula .
また、他のツールとしての本発明に係る装置は、
弾性要素及び粘性要素を直列に配置したMaxwellモデルに基づいて求められる応力及びひずみの相関式であって、弾性に関する項として、ひずみの不変量の高次項を導入したひずみエネルギー密度関数を含む、応力及びひずみの相関式を、応力−ひずみ曲線式として出力する装置であって、
前記応力及びひずみの相関式におけるパラメータを入力する入力手段と、
該入力されたパラメータによって前記応力及びひずみの相関式を特定する特定手段と、
及び、該特定された応力及びひずみの相関式を、応力−ひずみ曲線式として出力する出力手段と
を含むことを特徴とする。
The device according to the present invention as another tool is
A stress-strain correlation equation obtained based on the Maxwell model in which an elastic element and a viscous element are arranged in series, and includes a strain energy density function in which a high-order term of strain invariant is introduced as a term related to elasticity. And a strain correlation equation as a stress-strain curve equation,
Input means for inputting parameters in the correlation equation of stress and strain;
A specifying means for specifying a correlation equation of the stress and strain according to the input parameters;
And an output means for outputting the specified correlation equation of stress and strain as a stress-strain curve equation.
また、別のツールとしての弾性材料の物性評価方法は、
弾性要素及び粘性要素を直列に配置したMaxwellモデルに基づいて求められる応力及びひずみの相関式であって、弾性に関する項として、ひずみの不変量の高次項を導入したひずみエネルギー密度関数を含む、応力及びひずみの相関式を用い、弾性材料の物性を評価することを特徴とする。
In addition, the physical property evaluation method of the elastic material as another tool is
A stress-strain correlation equation obtained based on the Maxwell model in which an elastic element and a viscous element are arranged in series, and includes a strain energy density function in which a high-order term of strain invariant is introduced as a term related to elasticity. And the physical property of the elastic material is evaluated using a correlation equation of strain and strain.
以上の如く、本発明によれば、粘弾性−超弾性両方の物性を評価できるモデルを作成し、その定式化を行った上で、それを活用できるツールを提供することができる。また、そのツールを用いて、粘弾性と超弾性とを併せ持つ物性を示す弾性材料の大変形挙動をシミュレーション上で定量性よく表現することができるようになる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a tool capable of creating a model that can evaluate both physical properties of viscoelasticity and superelasticity, formulating the model, and using the model. In addition, by using the tool, large deformation behavior of an elastic material exhibiting physical properties having both viscoelasticity and superelasticity can be expressed on a simulation with good quantitativeness.
以下、本発明の一実施形態について説明する。まず、応力及びひずみの相関式を導出するまでの流れを説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. First, the flow until the correlation formula between stress and strain is derived will be described.
応力(Cauchy応力)は、以下の式(1)で表される。
また、式(1)の右辺の第1項は、Cauchy応力の体積変化項であり、以下の式(2)で表される。
また、式(1)の右辺の第2項は、Cauchy応力の等積変化項であり、図1に示す一般化Maxwellモデルを有限変形理論に拡張し、弾性部分が超弾性体として表わされるSimoの粘弾性モデルに基づき、定式化され、以下の式(3)で表される。
また、式(3)の右辺の第1項は、弾性ユニットの平衡応力であり(図1参照)、以下の式(4)で表される。
ひずみエネルギー密度関数Ψiso∞として、本発明者は、「山下義裕, 川端季雄: 補強ゴムのひずみエネルギー密度関数の近似式, 日本ゴム協会誌, 65(9), 517-528, 1992.」に開示されたひずみエネルギー密度関数(以下の式(5)’)を検討した。
しかし、このひずみエネルギー密度関数では、後述する図3(a)や図4(a)に示されるように、実測の値との相関性は必ずしも良くない。というのも、超弾性材料(例えば粘着剤)の応力−ひずみ曲線は、上記非特許文献が対象とするカーボンブラック補強ゴムの応力−ひずみ曲線に比べ、非線形性が強いからである。
この非線形性は、過去の運動履歴に依存する等積変化項で生じる。従って、等積変化を表す左Cauchy-Green変形テンソルの第二不変量の高次項を追加し、独立な係数を設定することで、超弾性材料の応力−ひずみ曲線をより高精度に記述することができる。そこで、ひずみエネルギー密度関数Ψiso∞として、以下の式(5)を考え出した。
This non-linearity is caused by an equal product change term that depends on the past motion history. Therefore, the stress-strain curve of the superelastic material can be described with higher accuracy by adding the second invariant high-order term of the left Cauchy-Green deformation tensor that represents the change in equal volume and setting an independent coefficient. Can do. Therefore, the following equation (5) was devised as the strain energy density function Ψ iso ∞.
また、式(3)の右辺の第2項は、α番目の粘弾性ユニットの非平衡応力であり(図1参照)、以下の式(6)で表される。
一般に超弾性材料(例えば粘着剤)は、公称ひずみで数千パーセント以上の極めて大きな変形を生じる。その際の応力−ひずみ曲線は超弾性によりS字型に立ち上がり、粘性により速度依存性を示す。また、これらの粘性-超弾性挙動には温度依存性がある。なお、時間−温度換算則は粘弾性材料において一般に成立し、時間と温度を等価に扱えることが知られている。すなわち、粘弾性材料の温度変化を時間変化に変換することにより、温度依存性を表現することができる。本実施形態では、代表的な時間−温度換算則であるWLF(Williams-Landel-Ferry)式(以下の式(7))を用いた。
ところで、弾性材料の数値解析について、従来はLagrange型有限要素法が用いられてきた。しかし、Lagrange型有限要素法では超弾性材料(例えば粘着剤)の大変形挙動や剥離現象・破壊現象を取り扱うのは難しい。一方、Euler型有限要素法では、空間に固定されたメッシュを超えて物質が変形するため、任意の大変形解析が可能である。また、新たな物質境界面を容易に生成できるため、破壊解析に有利である。そこで、本実施形態では、粘着剤の粘性−超弾性に着目し、その挙動をEuler型有限要素法で解析した。 By the way, the Lagrange type finite element method has been used for numerical analysis of elastic materials. However, the Lagrange finite element method is difficult to handle the large deformation behavior, exfoliation phenomenon and fracture phenomenon of superelastic materials (for example, adhesive). On the other hand, in the Euler type finite element method, since the material deforms beyond the mesh fixed in the space, arbitrary large deformation analysis is possible. In addition, since a new material interface can be easily generated, it is advantageous for fracture analysis. Therefore, in this embodiment, paying attention to the viscosity-superelasticity of the adhesive, its behavior was analyzed by the Euler type finite element method.
分子レベルの微視的スケールは考慮せず、連続体として超弾性材料をモデル化すると、連続体の運動方程式は、Euler記述では以下の式(8)で表される。
次に、Euler表示における固体変形の記述法を説明する。一般に固体力学において用いられるLagrange表示の場合、物質点の変位ベクトルから各種のひずみテンソルを求め、体変形を記述する。一方、Euler表示の場合、物質点を追跡しないため、変位ベクトルから固体変形を記述できない。そこで、速度ベクトル場から固体変形を記述できるように、左Cauchy-Green変形テンソルの定義式、すなわち、以下の式(9)
式(8)(運動方程式)と、式(10)(左Cauchy-Green変形テンソルの時間発展式)は、以下の式(11)のように一般化して表される。
式(11)を時間方向に前進差分近似すれば、以下の式(12)となる。
本手法では,式(12)のOperator Split法により計算する。Operator Split法の概念を図2に示す。Operator Split法では、式(12)を以下の式(13)と式(14)のように二つの式に分離する。
次に、式(1)〜(7)によって求められる応力及びひずみの相関式の妥当性を検証するため、温度及び引張速度の異なる試験条件において、アクリル系粘着剤の一軸引張試験シミュレーションを行った。図3(b)は、温度20℃の試験体を速度5mm/min、50mm/min及び500mm/minで一軸伸長させたときの応力−ひずみ曲線をそれぞれ示している。また、図4(b)は、温度0℃、20℃及び40℃の試験体を50mm/minで一軸伸長させたときの応力−ひずみ曲線をそれぞれ示している。 Next, in order to verify the validity of the correlation equation of stress and strain obtained by the equations (1) to (7), a uniaxial tensile test simulation of an acrylic adhesive was performed under test conditions with different temperatures and tensile speeds. . FIG. 3B shows stress-strain curves obtained when the test specimen at a temperature of 20 ° C. is uniaxially stretched at speeds of 5 mm / min, 50 mm / min, and 500 mm / min, respectively. Moreover, FIG.4 (b) has each shown the stress-strain curve when the test body of temperature 0 degreeC, 20 degreeC, and 40 degreeC is extended uniaxially at 50 mm / min.
式(5)の代わりに式(5)’を用い、温度20℃の試験体を速度5mm/min、50mm/min及び500mm/minで一軸伸長させた場合(図3(a))の応力−ひずみ曲線と実測の値との相関性は、
しかし、式(1)〜(7)を用い、温度20℃の試験体を速度5mm/min、50mm/min及び500mm/minで一軸伸長させた場合(図3(b))の応力−ひずみ曲線と実測の値との相関性は、
このように、本実施形態に係るモデルは、粘弾性−超弾性の物性を示す粘着剤(弾性材料)の変形を表現するモデルとして、妥当性があるモデルであることが確認できたわけである。そして、以上により、粘弾性については従来と同じようにして評価をし、超弾性については、今回提案する方法で評価をすることで、粘弾性と超弾性とを併せ持つ物性を示す弾性材料の大変形挙動をシミュレーション上で定量性よく表現することができるようになる。 Thus, it has been confirmed that the model according to the present embodiment is a valid model as a model expressing the deformation of an adhesive (elastic material) exhibiting viscoelastic-superelastic properties. As described above, viscoelasticity is evaluated in the same manner as in the past, and superelasticity is evaluated by the method proposed here, so that an elastic material having physical properties having both viscoelasticity and superelasticity is large. Deformation behavior can be expressed with high quantitativeness on simulation.
ここで、本実施形態に係るソフトウェアは、弾性要素及び粘性要素を直列に配置したMaxwellモデルに基づいて求められる応力及びひずみの相関式であって、弾性に関する項として、ひずみの不変量の高次項を導入したひずみエネルギー密度関数を含む、応力及びひずみの相関式を、応力−ひずみ曲線式として出力するためのプログラムであって、コンピュータを、応力及びひずみの相関式におけるパラメータを入力する入力手段、該入力されたパラメータによって応力及びひずみの相関式を特定する特定手段、及び、該特定された応力及びひずみの相関式を、応力−ひずみ曲線式として出力する出力手段、として機能させるものである。 Here, the software according to the present embodiment is a correlation equation of stress and strain obtained based on the Maxwell model in which an elastic element and a viscous element are arranged in series, and a high-order term of an invariant of strain as a term related to elasticity. A program for outputting a stress-strain correlation equation including a strain energy density function introduced as a stress-strain curve equation, and a computer for inputting parameters in the stress-strain correlation equation; A specifying means for specifying a correlation equation of stress and strain according to the input parameters, and an output means for outputting the specified correlation equation of stress and strain as a stress-strain curve equation.
本実施形態に係る装置は、コンピュータによって構成され、それぞれバスに接続されたCPU、ROM、ワーキングメモリ、フレームメモリ、データ入出力装置、ハードディスク及びディスプレイを備える。ROMは、上記プログラムや各種パラメータを記憶し、ワーキングメモリは、CPUが制御を行うために必要なメモリであり、バッファやレジスタ等を含む。CPUは、ROMに記憶されたコンピュータプログラムに従って各種演算や処理を行う。データ入出力装置が上記入力手段、CPU及びROMやメモリからなる制御部が上記特定手段を構成する。出力手段については、応力−ひずみ曲線式によって表現される応力−ひずみ曲線をディスプレイに表示させるならば、ディスプレイが出力手段を構成し、また、応力−ひずみ曲線式を外部に送信するならば、入出力装置が出力手段を構成し、また、応力−ひずみ曲線式を制御部内で保有しておくならば(それを用いるアプリケーションが制御部内にインストールされていて、当該パソコン内でアプリケーションを起動させるケースなど)、制御部自体が出力手段を構成する。 The device according to the present embodiment is configured by a computer, and includes a CPU, a ROM, a working memory, a frame memory, a data input / output device, a hard disk, and a display, each connected to a bus. The ROM stores the program and various parameters, and the working memory is a memory necessary for the CPU to perform control, and includes a buffer, a register, and the like. The CPU performs various calculations and processes according to the computer program stored in the ROM. A data input / output device is the input means, and a control unit comprising a CPU, ROM and memory constitutes the specifying means. For the output means, if the display displays the stress-strain curve expressed by the stress-strain curve formula, the display constitutes the output means, and if the stress-strain curve formula is transmitted to the outside, the input is entered. If the output device constitutes the output means and has the stress-strain curve equation in the control unit (such as a case where an application using the same is installed in the control unit and the application is activated in the personal computer) ), The control unit itself constitutes the output means.
また、粘弾性も一緒に評価する観点から、それに関するものもプログラミングされ、装置に保有させる(コンピュータにインストールする)ようにするのが好ましい。 Also, from the viewpoint of evaluating viscoelasticity together, it is preferable that the related one is programmed and held in the apparatus (installed in a computer).
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
例えば、応力−ひずみ曲線式並びにそれの前提となる各種の相関式は、以上に挙げられたものに限定されるものではなく、その他の適切な近似式に基づいて各種の相関式及びそれに基づいて導出される応力−ひずみ曲線式であってもよい。 For example, the stress-strain curve equation and the various correlation equations that serve as the premise thereof are not limited to those listed above, but are based on various correlation equations based on other appropriate approximation equations. It may be a derived stress-strain curve equation.
本発明は、粘弾性と超弾性とを併せ持つ性質を示す高品質乃至高付加価値な弾性材料を設計するために利用することができる。 The present invention can be used to design a high-quality or high-value-added elastic material exhibiting properties having both viscoelasticity and superelasticity.
Claims (5)
コンピュータを、
前記応力及びひずみの相関式におけるパラメータを入力する入力手段、
該入力されたパラメータによって前記応力及びひずみの相関式を特定する特定手段、
及び、該特定された応力及びひずみの相関式を、応力−ひずみ曲線式として出力する出力手段、
として機能させることを特徴とするプログラム。 A stress-strain correlation equation obtained based on the Maxwell model in which an elastic element and a viscous element are arranged in series, and includes a strain energy density function in which a high-order term of strain invariant is introduced as a term related to elasticity. And a program for outputting a correlation equation of a strain as a stress-strain curve equation,
Computer
Input means for inputting parameters in the correlation equation of stress and strain;
A specifying means for specifying a correlation equation of the stress and strain according to the input parameters;
And an output means for outputting the identified stress-strain correlation equation as a stress-strain curve equation,
A program characterized by functioning as
前記応力及びひずみの相関式におけるパラメータを入力する入力手段と、
該入力されたパラメータによって前記応力及びひずみの相関式を特定する特定手段と、
及び、該特定された応力及びひずみの相関式を、応力−ひずみ曲線式として出力する出力手段と
を含むことを特徴とする装置。 A stress-strain correlation equation obtained based on the Maxwell model in which an elastic element and a viscous element are arranged in series, and includes a strain energy density function in which a high-order term of strain invariant is introduced as a term related to elasticity. And a strain correlation equation as a stress-strain curve equation,
Input means for inputting parameters in the correlation equation of stress and strain;
A specifying means for specifying a correlation equation of the stress and strain according to the input parameters;
And an output means for outputting the specified correlation equation of stress and strain as a stress-strain curve equation.
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