Ansysでゴムの解析をしてみよう

ゴムの解析は難しいの?

ゴム製品はタイヤや防舷材をはじめ、構造物の免震装置や電子機器の防振装置など、数多くの製品に応用されています。特にさまざまな箇所にゴム材料が使用されている工業製品では、ゴム材料の力学特性と使用範囲を把握し、適切な構成モデルとその材料選定が求められるため、解析が必要となる場面も増えています。

しかし、ゴムの構造解析は高度な非線形性を有しており、難易度が高い部類に属します。今回、ゴム材料の解析を初めて実施される方向けに、Ansys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。

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ゴムの解析の特徴

ゴムの解析における非線形には幾何学的非線形、材料非線形、境界非線形(接触)があります。ゴム材料の解析ではこの三つの非線形現象を複合して計算する必要があります。

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。

材料非線形

ゴム材料は応力-ひずみの関係が非線形となります。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。

境界非線形(接触)

ゴム材料は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"ひずみエネルギー密度関数"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。

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。
Mooney-Rivlin最もポピュラーな関数です。2パラメーターモデルは頻繁に利用されています。
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。
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。

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はじめてのゴム材料解析

主な内容

  • ゴム材料の解析の特徴
  • ゴムの材料モデル
  • カーブフィッティング