专利名称：橡胶材料变形行为预测装置和橡胶材料变形行为预测方法
技术领域：
本发明涉及用于预测通过向橡胶添加诸如炭黑和二氧化硅等的填料所形成的橡胶材料的变形行为的装置和方法，尤其涉及即使从微观层面也能够精确地分析橡胶材料的变形行为的变形行为预测方法。
背景技术：
已知可以通过向橡胶添加诸如炭黑和二氧化硅等的填料来获得补强效果，并且通过向橡胶添加填料所形成的橡胶材料适用于诸如车辆用轮胎等的橡胶制品。通过实验来测量这种橡胶材料在被施力时的变形行为，并且对测量结果进行评价以设计该橡胶材料中所包含的填料量。近来，随着诸如有限元方法(FEM)等的数值分析方法和与计算器有关的环境的发展，已提出了通过创建橡胶材料的填料部分和橡胶部分的三维模型来分析变形行为的各种方法。此外，作为能够在缩短分析所需的时间的情况下精确地分析橡胶材料的变形行为的方法，有包括以下步骤的一种方法利用透射电子显微镜(TEM)对实际的橡胶材料中填料的配置摄像；通过计算机断层成像法(CT法)将由此获得的数据重建为三维基本模型；并且通过有限元方法(FEM)来预测橡胶材料的变形行为(参见日本特开2006-200937(专利文献1))。顺便提及，作为在橡胶材料包含橡胶和填料的情况下通过FEM进行计算的最简单模型，已知有将通过对橡胶和填料单独进行测量所获得的机械特性应用于三维模型的方法。然而，认为存在于填料周围的聚合物吸附有填料并且具有与从聚合物本身所获得的机械特性不同的机械特性，并且随着近来测量技术的进步，这种现象已被确认。例如，通过利用原子力显微镜(AFM)测量弹性模量，可以得知存在于填料周围的聚合物与该聚合物本身相比较具有较大的弹性模量。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开2006-200937
发明内容
发明要解决的问题因此，为了提高对橡胶材料的变形行为的分析准确度，需要对存在于填料周围的橡胶部分、即吸附有填料的橡胶层部分应用与从单体橡胶获得的材料常数不同的常数。然而，在诸如橡胶等的展现非线性的材料中，难以对吸附有填料的橡胶层部分应用适当的材料常数。此外，尽管可以通过使用AFM来测量吸附有填料的橡胶层部分的弹性模量和粘弹性，但随着橡胶材料的变形量越大越难以测量这两者。此外，尽管可以使用通过分子动力学方法来对填料和橡胶建模并且使其变形以获
3得机械特性的方法，但利用分子动力学方法的可测量的时间量程为几纳秒。根据与高分子材料的粘弹性有关的温度-时间转换法则，这与极低温度范围内的粘弹性相对应，因而难以准确地获得机械特性。如上所述，在准确地分析包括吸附有填料的橡胶层部分的橡胶材料的变形行为方面，仍然存在问题。考虑到上述事实，本发明的目的在于解决上述传统技术的问题，并且提供即使从微观层面也能够准确地分析橡胶材料的变形行为的橡胶材料变形行为预测方法。此外，本发明的另一目的在于提供可以应用上述方法的橡胶材料变形行为预测装置。用于解决问题的方案本发明人为了实现上述目的而进行了深刻的研究，结果发现了通过使用以下的橡胶材料变形行为预测方法，即使从微观层面也可以准确地分析橡胶材料的变形行为，在该橡胶材料变形行为预测方法中使用各自用于构成橡胶材料的橡胶和填料的二值转换图像来生成三维模型；基于分子动力学方法将该三维模型转换成包括橡胶部分、填料部分和吸附有填料的橡胶层部分的三层形式；并且对该橡胶层部分应用用于根据基于分子动力学方法所获得的厚度信息和温度信息来指定应力和应变之间的关系的结构条件。结果，本发明人做出了本发明。更具体地，根据本发明的一种橡胶材料变形行为预测方法包括生成通过向橡胶添加填料所形成的橡胶材料的三维模型；对构成所述三维模型的橡胶层部分应用用于根据基于分子动力学方法所获得的厚度信息和温度信息来指定应力和应变之间的关系的结构条件；以及分析所述橡胶材料的变形行为。根据基于本发明的橡胶材料变形行为预测方法的优选示例，通过对应用了所述结构条件的三维模型应用有限元方法来分析所述橡胶材料的变形行为。此外，根据本发明的一种橡胶材料变形行为预测装置包括用于获得各自示出通过向橡胶添加填料所形成的橡胶材料的截面形状的多个切片图像的部件；用于将各个所述切片图像转换成二值转换图像以区别所述橡胶材料中所包含的橡胶部分和填料部分的部件；用于在所述二值转换图像中设置吸附有填料的橡胶层部分并且将所述二值转换图像转换成三层图像的部件；用于层叠所述三层图像以生成所述橡胶材料的三维模型的部件；用于对所述三维模型应用基于分子动力学方法所指定的结构条件的部件；用于使用应用了所述结构条件的三维模型来分析所述橡胶材料的变形行为的部件；以及用于呈现对所述橡胶材料的变形行为的分析结果的部件。根据基于本发明的橡胶材料变形行为预测装置的优选示例，所述基于分子动力学方法所指定的结构条件是用于根据三层值来指定所述橡胶部分、所述填料部分以及所述橡胶层部分中的应力和应变之间的关系的结构条件。根据基于本发明的橡胶材料变形行为预测装置的另一优选示例，所述基于分子动力学方法所指定的结构条件是用于根据基于分子动力学方法所获得的所述橡胶层部分的厚度信息和温度信息来指定应力和应变之间的关系的结构条件。根据基于本发明的橡胶材料变形行为预测装置的另一优选示例，用于分析所述橡胶材料的变形行为的部件通过对应用了所述结构条件的三维模型应用有限元方法来进行分析。
根据基于本发明的橡胶材料变形行为预测装置的另一优选示例，用于呈现对所述橡胶材料的变形行为的分析结果的部件基于所述分析结果计算应变分布或应力分布，区别应变分布区域或应力分布区域，并且指定各个区域的位置。发明的效果根据本发明，可以通过使用以下的橡胶材料变形行为预测方法来从微观层面准确地分析橡胶材料的变形行为，在该橡胶材料变形行为预测方法中使用各自用于构成橡胶材料的橡胶和填料的二值转换图像来生成三维模型；基于分子动力学方法将该三维模型转换成包括橡胶部分、填料部分和吸附有填料的橡胶层部分的三层形式；并且对该橡胶层部分应用用于根据基于分子动力学方法所获得的厚度信息和温度信息来指定应力和应变之间的关系的结构条件。利用该结构，可以预测由于橡胶材料的应变所引起的材料特性的变化，并且控制诸如橡胶材料的断裂强度和损耗等的材料特性。
图1是示出表示根据本发明的变形行为预测装置的一个示例的橡胶材料变形行为预测系统的结构的图。图2是用于解释构成图1所示的橡胶材料变形行为预测系统的计算机的电气系统的结构的主要部分的图。图3是示出通过将切片图像转换成二值形式所获得的二值转换图像的图。图4是示出通过将二值转换图像转换成三值形式所获得的三层图像的图。图5是示出由基于分子动力学方法所获得的由填料和聚合物所形成的体系的示意图。图6是示出相对于填料表面的距离和扩散系数之间的关系的图。图7是示出橡胶的扩散系数和温度之间的关系的图。图8是示出对橡胶材料的变形行为的分析结果的截面图像图。图9是示出通过FEM计算所获得的橡胶材料的应力_应变曲线的图。图10是通过将图9所示的关系转换成杨氏aoung’ s)模量和应变之间的关系所获得的图。
具体实施例方式以下将参考附图来详细说明根据本发明的变形行为预测方法和变形行为预测装置。图1是示出用作根据本发明的变形行为预测装置的一个示例的橡胶材料变形行为预测系统的结构的图。图2是用于解释构成图1所示的橡胶材料变形行为预测系统的计算机的电气系统的结构的主要部分的图。图1所示的变形行为预测装置1包括CT扫描器(计算机断层成像扫描器)2和计算机3。CT扫描器2和计算机3经由线缆4相互连接。CT扫描器2具有透射电子显微镜(TEM)和试样台。CT扫描器2通过透射电子显微镜对放置在试样台上的要分析的橡胶材料摄像，并且通过计算机断层成像法(CT法)将通过摄像所获得的数据重建为三维基本模型。此外，CT扫描器2相对于预定平面按预定间隔对重建得到的三维基本模型进行切片，以生成多个切片图像数据。注意，在本发明中，尽管没有示出，但可以通过利用聚焦离子束(FIB)对橡胶材料的表面进行处理(例如，蚀刻)、 并且利用扫描电子显微镜(SEM)观察处理后的表面来获得多个切片图像。在这种情况下， 代替CT扫描器2，本发明具有能够发出聚焦离子束的扫描电子显微镜系统。计算机3具有键盘5，用于输入与分析有关的各种条件；计算机本体6，用于根据预先存储的各处理程序来分析橡胶材料的变形行为；和显示器7，用于显示计算机本体6的计算结果等。计算机3使用CT扫描器2所生成的切片图像数据来分析橡胶材料的变形行为等。计算机本体6包括软盘驱动单元(以下称为FDU) 9，其中用作记录介质的软盘(以下称为FD) 8可以插入FDU 9中或者从FDU 9移除。如图2所示，计算机3包括中央处理单元(CPU) 10，用于管理整个装置的操作； ROM 11，用于预先存储包括用于控制计算机3的控制程序的各种程序和各种参数等；RAM 12，用于暂时存储各种数据；外部I/O控制单元14，其连接至与线缆4相连接的连接器13， 用于经由连接器13从CT扫描器2获得切片图像数据；硬盘驱动器(HDD) 15，用于存储所获得的切片图像数据；软盘I/F单元16，用于与FDU 9所配置的FD 8进行数据输入/输出； 显示器驱动器17，用于控制在显示器7上显示各种信息；和操作输入检测单元18，用于检测对键盘5的键操作。CPU 10,RAM 12,ROM IUHDD 15、外部 I/O 控制单元 14、软盘 I/F 单元 16、显示器驱动器17和操作输入检测单元18经由系统总线BUS相互连接。利用该结构，CPU 10可以对RAM 12、ROM 11和HDD 15进行存取；经由软盘I/F单元16对FDU 9所设置的FD 8进行存取；控制经由外部I/O控制单元14进行的数据发送/接收；并且经由显示器驱动器17 将各种信息显示在显示器7上。此外，CPU 10可以随时掌握对键盘5的键操作。应当注意，可以使用FDU 9来从FD 8读取处理程序和数据等或者向FD 8写入处理程序和数据等。因此，可以预先将处理程序和数据等记录在FD 8中，并且经由FDU 9执行记录在FD 8中的处理程序。此外，可以将记录在FD 8中的处理程序安装到HDD 15并且执行所安装的处理程序。此外，作为记录介质，可以采用磁带、诸如⑶-ROM和DVD等的光盘以及诸如MD和MO等的磁光盘。在采用这些记录介质的情况下，代替FDU 9而使用读/写单元，或者使用与FDU 9兼容的读/写单元。此外，图1所示的橡胶材料变形行为预测系统的结构仅是例子，并且根据应用，可以按照需要修改已知的结构。以下将详细说明根据本发明的橡胶材料变形行为预测方法。根据本发明的橡胶材料变形行为预测方法提供了以下的橡胶材料变形行为预测方法获得各自示出通过向橡胶添加填料所形成的橡胶材料的截面形状的多个切片图像；将各个切片图像转换成二值转换图像以区别该橡胶材料中所包含的橡胶部分和填料部分，由此生成三维模型；并且，在该变形行为预测方法中，基于分子动力学方法将该三维模型形成为具有橡胶部分、填料部分和吸附有填料的橡胶层部分的三层形式，并且对该橡胶层部分应用用于根据基于分子动力学方法所获得的厚度信息和温度信息来指定应力和应变之间的关系的结构条件。通过对橡胶层部分应用根据分子动力学方法所获得的特定结构条件，可以在预测橡胶材料的变形行为时考虑到该橡胶层部分，由此可以准确地分析该橡胶材料的变形行为。在根据本发明的变形行为预测方法中，首先获得各自示出通过向橡胶添加填料所形成的橡胶材料的截面形状的多个切片图像，以了解该橡胶材料的内部构造。在图1所示
6的橡胶材料变形行为预测系统中，用户对要分析的橡胶材料应用胶体金标记，并且将该橡胶材料放置在CT扫描器2所配置的试样台上。然后，对CT扫描器2进行用于开始处理的操作以拍摄切片图像。注意，CT扫描器2由具有使用透射电子显微镜法(TEMT)的计算机结构的测量装置构成。CT扫描器2在使透射电子显微镜和放置有橡胶材料的试样台相对于彼此以在预定角度范围内(例如，-60度到+60度的范围内)的各预定角度(例如，每2 度)转动移动的情况下进行扫描，以拍摄橡胶材料的连续倾斜的图像。CT扫描器2通过使用拍摄到的多个角度图像(例如，61个图像)的图像数据来获得这些图像之间的转动轴，并且通过计算机断层成像法将这些图像重建为三维基本模型。然后，CT扫描器2生成切片图像，其中这些切片图像是通过在与重建得到的三维基本模型的各个平面平行的平面处按预定间隔(例如，4nm间隔)对该三维基本模型进行切片所获得的。应当注意，橡胶材料是通过向橡胶添加填料所获得的，并且根据应用，可以从橡胶工业领域通常使用的橡胶和填料中选择上述的橡胶和填料。此外，没有特别限制橡胶材料的形状，但优选地，使橡胶材料形成为利用CT扫描器2可以容易地获得切片图像的形状，并且更具体地，使橡胶材料形成为诸如立方体和平行六面体等的六面体形状。接着，在根据本发明的变形行为预测方法中，将通过以上处理所获得的各自示出橡胶材料的截面形状的多个切片图像转换成二值图像，以判断该橡胶材料中所包含的橡胶部分和填料部分。在上述切片图像中，由于在各自用于构成橡胶材料的橡胶部分和填料部分之间透射率实质上不同，通常为填料部分深(浓度值大)并且橡胶部分浅(浓度值小)。 因此，可以基于切片图像中各像素的密集度来判断切片图像中的橡胶部分和填料部分。可以通过实验等预先指定用于判断切片图像中的橡胶部分和填料部分的浓度值。在图1所示的橡胶材料变形行为预测系统中，将通过实验等预先指定的用于判断切片图像中的橡胶部分和填料部分的浓度值设置为阈值h;将切片图像中的各像素的浓度值分别与阈值h进行比较；将各个像素转换成二值数字以获得二值转换图像，由此生成二值转换图像数据。图3是示出通过将切片图像转换成二值形式所获得的二值转换图像的图。应当注意，为了进一步精确地提取橡胶材料内的填料部分，用于转换成二值图像的处理包括将切片图像中的各个像素的浓度值与阈值h进行比较；并且使位于预定数量 (例如，5个以上)的浓度值大于或等于阈值h的像素沿着垂直方向和水平方向连续配置的部分处的像素变黑并且使其它的像素变白以获得二值转换图像，由此生成二值转换图像数据。此外，可以将有色的二值转换图像数据的格式转换成变黑部分中的各个像素的值为“1” 并且变白部分中的各个像素的值为“0”的二值转换图像数据。在根据本发明的变形行为预测方法中，通过指定吸附有填料的橡胶层部分来将二值转换图像转换成三层图像。如后面所述，通过转换成三层图像，可以基于分子动力学方法来将橡胶材料的三维模型转换成三层模型。在图1所示的橡胶材料变形行为预测系统中， 通过进行将值为“0”且相邻像素的值为“1”的像素的值变为“2”的这种转换，将格式已转换为如上所述的二值转换图像数据进一步格式转换成三层图像。更具体地，吸附有填料的橡胶层部分的像素的值为“2”。图4是示出通过将二值转换图像转换成三值转换图像所获得的三层图像，其中填料部分、橡胶部分和吸附有填料的橡胶层部分分别为黑色、白色和灰色。应当注意，如上所述的用于确定橡胶层部分的方法仅是一个例子，并且可以根据应用基于像素的大小来确定橡胶层部分。例如，通过代替将橡胶层部分限制为与填料部分的像素邻接的橡胶部分的像素而将其它的橡胶部分设置为橡胶层部分以使得橡胶层部分具有特定厚度，或者通过将橡胶层部分转换成更多个部分，可以进一步精确地分析变形行为。接着，在根据本发明的变形行为预测方法中，层叠三层图像以生成橡胶材料的三维模型。在图1所示的橡胶材料变形行为预测系统中，将格式转换得到的三层图像以符合诸如获得了相应切片图像的位置等的条件的方式层叠，并且形成了橡胶材料的三维结构， 由此可以生成将三层图像中的各像素设置为格子单元的三维模型。更具体地，在如上所述的三维模型的格式转换得到的三层图像中，像素值为“0”的部分表示橡胶部分；像素值为 “1”的部分表示填料部分；并且像素值为“2”的部分表示吸附有填料的橡胶层部分。注意， 对于所生成的橡胶材料的三维模型，通过在三层图像之间进行能够通过将具有同一值的像素放置在同一格子区域内来合并这些三层图像的图像处理，可以生成橡胶材料的计算用立体图像以产生显示器7上的立体图像。在根据本发明的变形行为预测方法中，由于基于分子动力学方法将上述的三维模型形成为包括橡胶部分、填料部分和吸附有填料的橡胶层部分的三层，因此需要对通过层叠三层图像所生成的三维模型应用基于分子动力学方法所指定的结构条件。更具体地，基于分子动力学方法来指定结构条件，以使得对吸附有填料的橡胶层部分应用与应用于橡胶部分的结构条件不同的结构条件。以下将说明用于确定应用于橡胶材料的吸附有填料的橡胶层部分的结构条件的方法的一个例子。首先，基于分子动力学方法来构造由填料表面和橡胶(聚合物)所形成的体系。图5是示出基于分子动力学方法所获得的由填料和聚合物所形成的体系的示意图。 然后，计算该体系内橡胶的均方位移，以基于该计算结果获得扩散系数。图6是示出相对于填料表面的距离和扩散系数之间的关系的图，其中，y轴表示扩散系数并且χ轴表示相对于填料表面的距离。注意χ轴与图5相对应；χ轴的两端表示各个填料表面的位置；并且χ轴的标度分别表示相对于一侧的填料表面的距离。根据图6可以理解以下吸附有填料的橡胶层部分由于填料的键合而与橡胶部分相比具有较小的扩散系数。此外，与该计算平行地， 计算聚合物本身的均方位移相对于温度的变化率，以获得该聚合物的扩散系数的温度依赖性。图7是示出橡胶的扩散系数和温度之间的关系的图，其中，y轴表示扩散系数并且χ轴表示温度。根据图7可以理解以下橡胶的扩散系数随着温度上升而增大，并且特别地，从玻璃化转变点附近(_52°C附近)开始急剧增大。更具体地，这表示，在扩散系数较小的橡胶层部分中，橡胶处于低温状态。该事实证实了存在于填料附近的聚合物相为玻璃态的一般观念。如通过这些结果可以明确理解，通过将结构条件从传统上应用于橡胶部分的温度不变的结构条件变为温度变化的结构条件，使得可以输入与相对于填料的距离相对应的材料特性变化，由此可以从微观层面精确地分析实际的橡胶材料的变形行为。应当注意，优选对三维模型的橡胶层部分应用用于指定应力和应变之间的关系的结构条件，并且如上所述，还优选应用用于根据基于分子动力学方法所获得的厚度信息和温度信息来指定应力和应变之间的关系的结构条件。更具体地，对与三维模型的橡胶层部分相对应的格子区域应用在与橡胶层部分的扩散系数相对应的温度下实际测量出的应力和应变之间的关系，作为结构条件。注意，用于指定应力和应变之间的关系的结构条件包括如日本特开2006-200937所述的广义门尼-里夫林(Mooney-Rivlin)方程式和广义奥格登(Ogden)方程式以及日本特开2005-345413所公开的以下方程式(1)
权利要求
1.一种橡胶材料变形行为预测方法，包括生成通过向橡胶添加填料所形成的橡胶材料的三维模型；对构成所述三维模型的橡胶层部分应用用于根据基于分子动力学方法所获得的厚度信息和温度信息来指定应力和应变之间的关系的结构条件；以及分析所述橡胶材料的变形行为。
2.根据权利要求1所述的橡胶材料变形行为预测方法，其特征在于，通过对应用了所述结构条件的三维模型应用有限元方法来分析所述橡胶材料的变形行为。
3.一种橡胶材料变形行为预测装置，包括用于获得各自示出通过向橡胶添加填料所形成的橡胶材料的截面形状的多个切片图像的部件；用于将各个所述切片图像转换成二值转换图像以区别所述橡胶材料中所包含的橡胶部分和填料部分的部件；用于在所述二值转换图像中设置吸附有填料的橡胶层部分并且将所述二值转换图像转换成三层图像的部件；用于层叠所述三层图像以生成所述橡胶材料的三维模型的部件；用于对所述三维模型应用基于分子动力学方法所指定的结构条件的部件；用于使用应用了所述结构条件的三维模型来分析所述橡胶材料的变形行为的部件；以及用于呈现对所述橡胶材料的变形行为的分析结果的部件。
4.根据权利要求3所述的橡胶材料变形行为预测装置，其特征在于，所述基于分子动力学方法所指定的结构条件是用于根据三层值来指定所述橡胶部分、 所述填料部分以及所述橡胶层部分中的应力和应变之间的关系的结构条件。
5.根据权利要求3所述的橡胶材料变形行为预测装置，其特征在于， 所述基于分子动力学方法所指定的结构条件是用于根据基于分子动力学方法所获得的所述橡胶层部分的厚度信息和温度信息来指定应力和应变之间的关系的结构条件。
6.根据权利要求3所述的橡胶材料变形行为预测装置，其特征在于，用于分析所述橡胶材料的变形行为的部件通过对应用了所述结构条件的三维模型应用有限元方法来进行分析。
7.根据权利要求3所述的橡胶材料变形行为预测装置，其特征在于，用于呈现对所述橡胶材料的变形行为的分析结果的部件基于所述分析结果计算应变分布或应力分布，区别应变分布区域或应力分布区域，并且指定各个区域的位置。
全文摘要
所公开的橡胶材料变形行为预测方法即使从微观层面也可以以良好的精度对橡胶材料变形行为进行分析。更具体地，该橡胶材料变形行为预测方法创建橡胶内已混入有填料的橡胶材料的三维模型，对构成所述三维模型的橡胶层部分提供已基于根据分子动力学得到的厚度信息和温度信息确定了应变和应力之间关系的结构条件，并且分析橡胶材料变形行为。在所述橡胶材料变形行为预测方法中，优选地，对于应用了所述结构条件的三维模型使用有限元方法来分析橡胶材料变形行为。
文档编号G01N3/00GK102308195SQ20108000655
公开日2012年1月4日 申请日期2010年2月2日 优先权日2009年2月3日
发明者岛广志, 浜谷悟司, 芥川惠造 申请人:株式会社普利司通