界面の物性を考慮した均質化解析

2021年6月

複合材料の物性は、構成材料間の界面の影響を受けることが知られています。たとえば、樹脂材料の熱伝導率を向上させる方法として、高い熱伝導率を有するフィラーを充填する方法がありますが、その複合材料の熱伝導率はフィラーの熱伝導率や充填率だけでなく、界面の状態(フィラーとマトリクスの密着状態や二次生成物の介在など)によっても左右されます。そのため、界面の影響を考慮して複合材料の物性を評価することが重要となります。 解析において界面を考慮する方法として、界面をソリッドボディにより表現する方法が考えられますが、界面の厚みは構成材料のサイズに対して極端に薄いことが多く、たとえ界面の形状が表現できたとしても、メッシュ規模が膨大となるため計算コストの増大が問題となります。
そこで本稿では、界面の影響を考慮し、かつメッシュ規模や計算コストの課題を解消する方法として、接触要素によって界面の物性を表現する方法をご紹介します。

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<界面の物性を考慮した均質化解析>の目次
解析の目的と概要
解析手法
解析結果
使用ソフトウェア

均質化物性の算出

均質化手法を用いたマルチスケール解析ソフトであるMultiscale.Simの線形均質化機能を用いて、界面の物性を考慮しない場合と、界面の物性を考慮する場合の均質化物性を算出し、それらの結果を比較します。尚、界面の物性を考慮するAnsys解析事例 方法として、界面をソリッドボディにより表現した場合と、接触要素により表現した場合の2通りを実施してメッシュ規模の比較も行います。

ソリッドボティ/接触要素による界面物性の考慮

界面をソリッドボディにより表現した場合と接触要素により表現した場合のいずれも、界面を考慮しない場合と比較して熱伝導率の低下が認められました。これにより、いずれの方法でも界面の影響の考慮が可能であることが示されました。また、界面をソリッドボディで表現した場合は、接触要素で界面を表現した場合と比較して節点数、要素数ともに多いことがわかりました。さらに、計算時間が3倍程度に増大していることがわかります。今回ご紹介した接触要素により界面を表現する方法であれば、メッシュ規模や計算時間の軽減に対して有効な方法であると言えます。

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