はじめてのゴム材料解析〜ANSYS Workbenchで効率よく〜

目次

はじめに

工業製品では様々な箇所にゴム材料が使用されており、解析を行なう場面も増えているものと思います。ゴム材料の構造解析は高度な非線形性を有し、難易度が高い部類に属します。今回はゴム材料の解析をはじめて実施される方向けに、ANSYS Workbench Mechanicalにおけるゴム材料特有の解析テクニックや注意点をご紹介します。

ゴム材料の解析の特徴

ゴム材料の解析は非線形性が強く、構造解析の中でも難易度が高い部類に属します。次の3つの特徴があります。

(1)幾何学的非線形
ゴム材料は優れた柔軟性を持ち、時には数百%のひずみが発生する大きな変形を伴います。

(2)材料非線形
ゴム材料は応力-ひずみの関係が非線形です。また、静水圧応力に対してほとんど変形しない非圧縮性を持ちます。


ゴムの荷重と変位

(3) 境界条件非線形(接触)
ゴム材料は他の部品と部品の間に入って機能することが多く、解析において接触を伴います。

ゴムの材料モデル

ゴム材料は前述の非圧縮性という特徴があるため、金属材料のようにヤング率とポアソン比では計算できません。
そのため、ゴム材料の解析においては“ひずみエネルギ密度関数”という特殊な材料モデルを使用します。ANSYSで利用できる代表的な関数をご紹介します。

(1) Neo-Hookean
最も単純な関数で、挙動がシンプルなためテスト計算に向いています。

(2) Mooney-Rivlin
最もポピュラーな関数です。特に下式の2パラメータモデルは頻繁に利用されています。

(3) Yeoh
変数の数を減らすことにより、実験データが少ない場合でもよりよい推定が可能です。

(4) Ogden
計算コストが高いという弱点がありますが、かなり大きなひずみまで対応できます。

その他、ArrudaBoyce 、Gent 、多項式などがご利用いただけます。ゴム材料の損傷を表現するMullins効果も入力できます。

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