專(zhuān)利名稱(chēng)：橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置和橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于預(yù)測(cè)通過(guò)向橡膠添加諸如炭黑和二氧化硅等的填料所形成的橡膠材料的變形行為的裝置和方法，尤其涉及即使從微觀(guān)層面也能夠精確地分析橡膠材料的變形行為的變形行為預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
已知可以通過(guò)向橡膠添加諸如炭黑和二氧化硅等的填料來(lái)獲得補(bǔ)強(qiáng)效果，并且通過(guò)向橡膠添加填料所形成的橡膠材料適用于諸如車(chē)輛用輪胎等的橡膠制品。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量這種橡膠材料在被施力時(shí)的變形行為，并且對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)以設(shè)計(jì)該橡膠材料中所包含的填料量。近來(lái)，隨著諸如有限元方法(FEM)等的數(shù)值分析方法和與計(jì)算器有關(guān)的環(huán)境的發(fā)展，已提出了通過(guò)創(chuàng)建橡膠材料的填料部分和橡膠部分的三維模型來(lái)分析變形行為的各種方法。此外，作為能夠在縮短分析所需的時(shí)間的情況下精確地分析橡膠材料的變形行為的方法，有包括以下步驟的一種方法利用透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)實(shí)際的橡膠材料中填料的配置攝像；通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層成像法(CT法)將由此獲得的數(shù)據(jù)重建為三維基本模型；并且通過(guò)有限元方法(FEM)來(lái)預(yù)測(cè)橡膠材料的變形行為(參見(jiàn)日本特開(kāi)2006-200937(專(zhuān)利文獻(xiàn)1))。順便提及，作為在橡膠材料包含橡膠和填料的情況下通過(guò)FEM進(jìn)行計(jì)算的最簡(jiǎn)單模型，已知有將通過(guò)對(duì)橡膠和填料單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量所獲得的機(jī)械特性應(yīng)用于三維模型的方法。然而，認(rèn)為存在于填料周?chē)木酆衔镂接刑盍喜⑶揖哂信c從聚合物本身所獲得的機(jī)械特性不同的機(jī)械特性，并且隨著近來(lái)測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，這種現(xiàn)象已被確認(rèn)。例如，通過(guò)利用原子力顯微鏡(AFM)測(cè)量彈性模量，可以得知存在于填料周?chē)木酆衔锱c該聚合物本身相比較具有較大的彈性模量?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)2006-200937

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問(wèn)題因此，為了提高對(duì)橡膠材料的變形行為的分析準(zhǔn)確度，需要對(duì)存在于填料周?chē)南鹉z部分、即吸附有填料的橡膠層部分應(yīng)用與從單體橡膠獲得的材料常數(shù)不同的常數(shù)。然而，在諸如橡膠等的展現(xiàn)非線(xiàn)性的材料中，難以對(duì)吸附有填料的橡膠層部分應(yīng)用適當(dāng)?shù)牟牧铣?shù)。此外，盡管可以通過(guò)使用AFM來(lái)測(cè)量吸附有填料的橡膠層部分的彈性模量和粘彈性，但隨著橡膠材料的變形量越大越難以測(cè)量這兩者。此外，盡管可以使用通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法來(lái)對(duì)填料和橡膠建模并且使其變形以獲
3得機(jī)械特性的方法，但利用分子動(dòng)力學(xué)方法的可測(cè)量的時(shí)間量程為幾納秒。根據(jù)與高分子材料的粘彈性有關(guān)的溫度-時(shí)間轉(zhuǎn)換法則，這與極低溫度范圍內(nèi)的粘彈性相對(duì)應(yīng)，因而難以準(zhǔn)確地獲得機(jī)械特性。如上所述，在準(zhǔn)確地分析包括吸附有填料的橡膠層部分的橡膠材料的變形行為方面，仍然存在問(wèn)題?？紤]到上述事實(shí)，本發(fā)明的目的在于解決上述傳統(tǒng)技術(shù)的問(wèn)題，并且提供即使從微觀(guān)層面也能夠準(zhǔn)確地分析橡膠材料的變形行為的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法。此外，本發(fā)明的另一目的在于提供可以應(yīng)用上述方法的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置。用于解決問(wèn)題的方案本發(fā)明人為了實(shí)現(xiàn)上述目的而進(jìn)行了深刻的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了通過(guò)使用以下的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法，即使從微觀(guān)層面也可以準(zhǔn)確地分析橡膠材料的變形行為，在該橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法中使用各自用于構(gòu)成橡膠材料的橡膠和填料的二值轉(zhuǎn)換圖像來(lái)生成三維模型；基于分子動(dòng)力學(xué)方法將該三維模型轉(zhuǎn)換成包括橡膠部分、填料部分和吸附有填料的橡膠層部分的三層形式；并且對(duì)該橡膠層部分應(yīng)用用于根據(jù)基于分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的厚度信息和溫度信息來(lái)指定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件。結(jié)果，本發(fā)明人做出了本發(fā)明。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的一種橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法包括生成通過(guò)向橡膠添加填料所形成的橡膠材料的三維模型；對(duì)構(gòu)成所述三維模型的橡膠層部分應(yīng)用用于根據(jù)基于分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的厚度信息和溫度信息來(lái)指定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件；以及分析所述橡膠材料的變形行為。根據(jù)基于本發(fā)明的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法的優(yōu)選示例，通過(guò)對(duì)應(yīng)用了所述結(jié)構(gòu)條件的三維模型應(yīng)用有限元方法來(lái)分析所述橡膠材料的變形行為。此外，根據(jù)本發(fā)明的一種橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置包括用于獲得各自示出通過(guò)向橡膠添加填料所形成的橡膠材料的截面形狀的多個(gè)切片圖像的部件；用于將各個(gè)所述切片圖像轉(zhuǎn)換成二值轉(zhuǎn)換圖像以區(qū)別所述橡膠材料中所包含的橡膠部分和填料部分的部件；用于在所述二值轉(zhuǎn)換圖像中設(shè)置吸附有填料的橡膠層部分并且將所述二值轉(zhuǎn)換圖像轉(zhuǎn)換成三層圖像的部件；用于層疊所述三層圖像以生成所述橡膠材料的三維模型的部件；用于對(duì)所述三維模型應(yīng)用基于分子動(dòng)力學(xué)方法所指定的結(jié)構(gòu)條件的部件；用于使用應(yīng)用了所述結(jié)構(gòu)條件的三維模型來(lái)分析所述橡膠材料的變形行為的部件；以及用于呈現(xiàn)對(duì)所述橡膠材料的變形行為的分析結(jié)果的部件。根據(jù)基于本發(fā)明的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置的優(yōu)選示例，所述基于分子動(dòng)力學(xué)方法所指定的結(jié)構(gòu)條件是用于根據(jù)三層值來(lái)指定所述橡膠部分、所述填料部分以及所述橡膠層部分中的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件。根據(jù)基于本發(fā)明的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置的另一優(yōu)選示例，所述基于分子動(dòng)力學(xué)方法所指定的結(jié)構(gòu)條件是用于根據(jù)基于分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的所述橡膠層部分的厚度信息和溫度信息來(lái)指定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件。根據(jù)基于本發(fā)明的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置的另一優(yōu)選示例，用于分析所述橡膠材料的變形行為的部件通過(guò)對(duì)應(yīng)用了所述結(jié)構(gòu)條件的三維模型應(yīng)用有限元方法來(lái)進(jìn)行分析。
根據(jù)基于本發(fā)明的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置的另一優(yōu)選示例，用于呈現(xiàn)對(duì)所述橡膠材料的變形行為的分析結(jié)果的部件基于所述分析結(jié)果計(jì)算應(yīng)變分布或應(yīng)力分布，區(qū)別應(yīng)變分布區(qū)域或應(yīng)力分布區(qū)域，并且指定各個(gè)區(qū)域的位置。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，可以通過(guò)使用以下的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法來(lái)從微觀(guān)層面準(zhǔn)確地分析橡膠材料的變形行為，在該橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法中使用各自用于構(gòu)成橡膠材料的橡膠和填料的二值轉(zhuǎn)換圖像來(lái)生成三維模型；基于分子動(dòng)力學(xué)方法將該三維模型轉(zhuǎn)換成包括橡膠部分、填料部分和吸附有填料的橡膠層部分的三層形式；并且對(duì)該橡膠層部分應(yīng)用用于根據(jù)基于分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的厚度信息和溫度信息來(lái)指定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件。利用該結(jié)構(gòu)，可以預(yù)測(cè)由于橡膠材料的應(yīng)變所引起的材料特性的變化，并且控制諸如橡膠材料的斷裂強(qiáng)度和損耗等的材料特性。


圖1是示出表示根據(jù)本發(fā)明的變形行為預(yù)測(cè)裝置的一個(gè)示例的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。圖2是用于解釋構(gòu)成圖1所示的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的主要部分的圖。圖3是示出通過(guò)將切片圖像轉(zhuǎn)換成二值形式所獲得的二值轉(zhuǎn)換圖像的圖。圖4是示出通過(guò)將二值轉(zhuǎn)換圖像轉(zhuǎn)換成三值形式所獲得的三層圖像的圖。圖5是示出由基于分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的由填料和聚合物所形成的體系的示意圖。圖6是示出相對(duì)于填料表面的距離和擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系的圖。圖7是示出橡膠的擴(kuò)散系數(shù)和溫度之間的關(guān)系的圖。圖8是示出對(duì)橡膠材料的變形行為的分析結(jié)果的截面圖像圖。圖9是示出通過(guò)FEM計(jì)算所獲得的橡膠材料的應(yīng)力_應(yīng)變曲線(xiàn)的圖。圖10是通過(guò)將圖9所示的關(guān)系轉(zhuǎn)換成楊氏aoung’ s)模量和應(yīng)變之間的關(guān)系所獲得的圖。
具體實(shí)施例方式以下將參考附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的變形行為預(yù)測(cè)方法和變形行為預(yù)測(cè)裝置。圖1是示出用作根據(jù)本發(fā)明的變形行為預(yù)測(cè)裝置的一個(gè)示例的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。圖2是用于解釋構(gòu)成圖1所示的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的主要部分的圖。圖1所示的變形行為預(yù)測(cè)裝置1包括CT掃描器(計(jì)算機(jī)斷層成像掃描器)2和計(jì)算機(jī)3。CT掃描器2和計(jì)算機(jī)3經(jīng)由線(xiàn)纜4相互連接。CT掃描器2具有透射電子顯微鏡(TEM)和試樣臺(tái)。CT掃描器2通過(guò)透射電子顯微鏡對(duì)放置在試樣臺(tái)上的要分析的橡膠材料攝像，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層成像法(CT法)將通過(guò)攝像所獲得的數(shù)據(jù)重建為三維基本模型。此外，CT掃描器2相對(duì)于預(yù)定平面按預(yù)定間隔對(duì)重建得到的三維基本模型進(jìn)行切片，以生成多個(gè)切片圖像數(shù)據(jù)。注意，在本發(fā)明中，盡管沒(méi)有示出，但可以通過(guò)利用聚焦離子束(FIB)對(duì)橡膠材料的表面進(jìn)行處理(例如，蝕刻)、 并且利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察處理后的表面來(lái)獲得多個(gè)切片圖像。在這種情況下， 代替CT掃描器2，本發(fā)明具有能夠發(fā)出聚焦離子束的掃描電子顯微鏡系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)3具有鍵盤(pán)5，用于輸入與分析有關(guān)的各種條件；計(jì)算機(jī)本體6，用于根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的各處理程序來(lái)分析橡膠材料的變形行為；和顯示器7，用于顯示計(jì)算機(jī)本體6的計(jì)算結(jié)果等。計(jì)算機(jī)3使用CT掃描器2所生成的切片圖像數(shù)據(jù)來(lái)分析橡膠材料的變形行為等。計(jì)算機(jī)本體6包括軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)單元(以下稱(chēng)為FDU) 9，其中用作記錄介質(zhì)的軟盤(pán)(以下稱(chēng)為FD) 8可以插入FDU 9中或者從FDU 9移除。如圖2所示，計(jì)算機(jī)3包括中央處理單元(CPU) 10，用于管理整個(gè)裝置的操作； ROM 11，用于預(yù)先存儲(chǔ)包括用于控制計(jì)算機(jī)3的控制程序的各種程序和各種參數(shù)等；RAM 12，用于暫時(shí)存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)；外部I/O控制單元14，其連接至與線(xiàn)纜4相連接的連接器13， 用于經(jīng)由連接器13從CT掃描器2獲得切片圖像數(shù)據(jù)；硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(HDD) 15，用于存儲(chǔ)所獲得的切片圖像數(shù)據(jù)；軟盤(pán)I/F單元16，用于與FDU 9所配置的FD 8進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入/輸出； 顯示器驅(qū)動(dòng)器17，用于控制在顯示器7上顯示各種信息；和操作輸入檢測(cè)單元18，用于檢測(cè)對(duì)鍵盤(pán)5的鍵操作。CPU 10,RAM 12,ROM IUHDD 15、外部 I/O 控制單元 14、軟盤(pán) I/F 單元 16、顯示器驅(qū)動(dòng)器17和操作輸入檢測(cè)單元18經(jīng)由系統(tǒng)總線(xiàn)BUS相互連接。利用該結(jié)構(gòu)，CPU 10可以對(duì)RAM 12、ROM 11和HDD 15進(jìn)行存??；經(jīng)由軟盤(pán)I/F單元16對(duì)FDU 9所設(shè)置的FD 8進(jìn)行存取；控制經(jīng)由外部I/O控制單元14進(jìn)行的數(shù)據(jù)發(fā)送/接收；并且經(jīng)由顯示器驅(qū)動(dòng)器17 將各種信息顯示在顯示器7上。此外，CPU 10可以隨時(shí)掌握對(duì)鍵盤(pán)5的鍵操作。應(yīng)當(dāng)注意，可以使用FDU 9來(lái)從FD 8讀取處理程序和數(shù)據(jù)等或者向FD 8寫(xiě)入處理程序和數(shù)據(jù)等。因此，可以預(yù)先將處理程序和數(shù)據(jù)等記錄在FD 8中，并且經(jīng)由FDU 9執(zhí)行記錄在FD 8中的處理程序。此外，可以將記錄在FD 8中的處理程序安裝到HDD 15并且執(zhí)行所安裝的處理程序。此外，作為記錄介質(zhì)，可以采用磁帶、諸如⑶-ROM和DVD等的光盤(pán)以及諸如MD和MO等的磁光盤(pán)。在采用這些記錄介質(zhì)的情況下，代替FDU 9而使用讀/寫(xiě)單元，或者使用與FDU 9兼容的讀/寫(xiě)單元。此外，圖1所示的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)僅是例子，并且根據(jù)應(yīng)用，可以按照需要修改已知的結(jié)構(gòu)。以下將詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法。根據(jù)本發(fā)明的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法提供了以下的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法獲得各自示出通過(guò)向橡膠添加填料所形成的橡膠材料的截面形狀的多個(gè)切片圖像；將各個(gè)切片圖像轉(zhuǎn)換成二值轉(zhuǎn)換圖像以區(qū)別該橡膠材料中所包含的橡膠部分和填料部分，由此生成三維模型；并且，在該變形行為預(yù)測(cè)方法中，基于分子動(dòng)力學(xué)方法將該三維模型形成為具有橡膠部分、填料部分和吸附有填料的橡膠層部分的三層形式，并且對(duì)該橡膠層部分應(yīng)用用于根據(jù)基于分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的厚度信息和溫度信息來(lái)指定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件。通過(guò)對(duì)橡膠層部分應(yīng)用根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的特定結(jié)構(gòu)條件，可以在預(yù)測(cè)橡膠材料的變形行為時(shí)考慮到該橡膠層部分，由此可以準(zhǔn)確地分析該橡膠材料的變形行為。在根據(jù)本發(fā)明的變形行為預(yù)測(cè)方法中，首先獲得各自示出通過(guò)向橡膠添加填料所形成的橡膠材料的截面形狀的多個(gè)切片圖像，以了解該橡膠材料的內(nèi)部構(gòu)造。在圖1所示
6的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)中，用戶(hù)對(duì)要分析的橡膠材料應(yīng)用膠體金標(biāo)記，并且將該橡膠材料放置在CT掃描器2所配置的試樣臺(tái)上。然后，對(duì)CT掃描器2進(jìn)行用于開(kāi)始處理的操作以拍攝切片圖像。注意，CT掃描器2由具有使用透射電子顯微鏡法(TEMT)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置構(gòu)成。CT掃描器2在使透射電子顯微鏡和放置有橡膠材料的試樣臺(tái)相對(duì)于彼此以在預(yù)定角度范圍內(nèi)(例如，-60度到+60度的范圍內(nèi))的各預(yù)定角度(例如，每2 度)轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)的情況下進(jìn)行掃描，以拍攝橡膠材料的連續(xù)傾斜的圖像。CT掃描器2通過(guò)使用拍攝到的多個(gè)角度圖像(例如，61個(gè)圖像)的圖像數(shù)據(jù)來(lái)獲得這些圖像之間的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層成像法將這些圖像重建為三維基本模型。然后，CT掃描器2生成切片圖像，其中這些切片圖像是通過(guò)在與重建得到的三維基本模型的各個(gè)平面平行的平面處按預(yù)定間隔(例如，4nm間隔)對(duì)該三維基本模型進(jìn)行切片所獲得的。應(yīng)當(dāng)注意，橡膠材料是通過(guò)向橡膠添加填料所獲得的，并且根據(jù)應(yīng)用，可以從橡膠工業(yè)領(lǐng)域通常使用的橡膠和填料中選擇上述的橡膠和填料。此外，沒(méi)有特別限制橡膠材料的形狀，但優(yōu)選地，使橡膠材料形成為利用CT掃描器2可以容易地獲得切片圖像的形狀，并且更具體地，使橡膠材料形成為諸如立方體和平行六面體等的六面體形狀。接著，在根據(jù)本發(fā)明的變形行為預(yù)測(cè)方法中，將通過(guò)以上處理所獲得的各自示出橡膠材料的截面形狀的多個(gè)切片圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像，以判斷該橡膠材料中所包含的橡膠部分和填料部分。在上述切片圖像中，由于在各自用于構(gòu)成橡膠材料的橡膠部分和填料部分之間透射率實(shí)質(zhì)上不同，通常為填料部分深(濃度值大)并且橡膠部分淺(濃度值小)。 因此，可以基于切片圖像中各像素的密集度來(lái)判斷切片圖像中的橡膠部分和填料部分?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)等預(yù)先指定用于判斷切片圖像中的橡膠部分和填料部分的濃度值。在圖1所示的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)中，將通過(guò)實(shí)驗(yàn)等預(yù)先指定的用于判斷切片圖像中的橡膠部分和填料部分的濃度值設(shè)置為閾值h;將切片圖像中的各像素的濃度值分別與閾值h進(jìn)行比較；將各個(gè)像素轉(zhuǎn)換成二值數(shù)字以獲得二值轉(zhuǎn)換圖像，由此生成二值轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)。圖3是示出通過(guò)將切片圖像轉(zhuǎn)換成二值形式所獲得的二值轉(zhuǎn)換圖像的圖。應(yīng)當(dāng)注意，為了進(jìn)一步精確地提取橡膠材料內(nèi)的填料部分，用于轉(zhuǎn)換成二值圖像的處理包括將切片圖像中的各個(gè)像素的濃度值與閾值h進(jìn)行比較；并且使位于預(yù)定數(shù)量 (例如，5個(gè)以上)的濃度值大于或等于閾值h的像素沿著垂直方向和水平方向連續(xù)配置的部分處的像素變黑并且使其它的像素變白以獲得二值轉(zhuǎn)換圖像，由此生成二值轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)。此外，可以將有色的二值轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換成變黑部分中的各個(gè)像素的值為“1” 并且變白部分中的各個(gè)像素的值為“0”的二值轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)。在根據(jù)本發(fā)明的變形行為預(yù)測(cè)方法中，通過(guò)指定吸附有填料的橡膠層部分來(lái)將二值轉(zhuǎn)換圖像轉(zhuǎn)換成三層圖像。如后面所述，通過(guò)轉(zhuǎn)換成三層圖像，可以基于分子動(dòng)力學(xué)方法來(lái)將橡膠材料的三維模型轉(zhuǎn)換成三層模型。在圖1所示的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)中， 通過(guò)進(jìn)行將值為“0”且相鄰像素的值為“1”的像素的值變?yōu)椤?”的這種轉(zhuǎn)換，將格式已轉(zhuǎn)換為如上所述的二值轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)進(jìn)一步格式轉(zhuǎn)換成三層圖像。更具體地，吸附有填料的橡膠層部分的像素的值為“2”。圖4是示出通過(guò)將二值轉(zhuǎn)換圖像轉(zhuǎn)換成三值轉(zhuǎn)換圖像所獲得的三層圖像，其中填料部分、橡膠部分和吸附有填料的橡膠層部分分別為黑色、白色和灰色。應(yīng)當(dāng)注意，如上所述的用于確定橡膠層部分的方法僅是一個(gè)例子，并且可以根據(jù)應(yīng)用基于像素的大小來(lái)確定橡膠層部分。例如，通過(guò)代替將橡膠層部分限制為與填料部分的像素鄰接的橡膠部分的像素而將其它的橡膠部分設(shè)置為橡膠層部分以使得橡膠層部分具有特定厚度，或者通過(guò)將橡膠層部分轉(zhuǎn)換成更多個(gè)部分，可以進(jìn)一步精確地分析變形行為。接著，在根據(jù)本發(fā)明的變形行為預(yù)測(cè)方法中，層疊三層圖像以生成橡膠材料的三維模型。在圖1所示的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)中，將格式轉(zhuǎn)換得到的三層圖像以符合諸如獲得了相應(yīng)切片圖像的位置等的條件的方式層疊，并且形成了橡膠材料的三維結(jié)構(gòu)， 由此可以生成將三層圖像中的各像素設(shè)置為格子單元的三維模型。更具體地，在如上所述的三維模型的格式轉(zhuǎn)換得到的三層圖像中，像素值為“0”的部分表示橡膠部分；像素值為 “1”的部分表示填料部分；并且像素值為“2”的部分表示吸附有填料的橡膠層部分。注意， 對(duì)于所生成的橡膠材料的三維模型，通過(guò)在三層圖像之間進(jìn)行能夠通過(guò)將具有同一值的像素放置在同一格子區(qū)域內(nèi)來(lái)合并這些三層圖像的圖像處理，可以生成橡膠材料的計(jì)算用立體圖像以產(chǎn)生顯示器7上的立體圖像。在根據(jù)本發(fā)明的變形行為預(yù)測(cè)方法中，由于基于分子動(dòng)力學(xué)方法將上述的三維模型形成為包括橡膠部分、填料部分和吸附有填料的橡膠層部分的三層，因此需要對(duì)通過(guò)層疊三層圖像所生成的三維模型應(yīng)用基于分子動(dòng)力學(xué)方法所指定的結(jié)構(gòu)條件。更具體地，基于分子動(dòng)力學(xué)方法來(lái)指定結(jié)構(gòu)條件，以使得對(duì)吸附有填料的橡膠層部分應(yīng)用與應(yīng)用于橡膠部分的結(jié)構(gòu)條件不同的結(jié)構(gòu)條件。以下將說(shuō)明用于確定應(yīng)用于橡膠材料的吸附有填料的橡膠層部分的結(jié)構(gòu)條件的方法的一個(gè)例子。首先，基于分子動(dòng)力學(xué)方法來(lái)構(gòu)造由填料表面和橡膠(聚合物)所形成的體系。圖5是示出基于分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的由填料和聚合物所形成的體系的示意圖。 然后，計(jì)算該體系內(nèi)橡膠的均方位移，以基于該計(jì)算結(jié)果獲得擴(kuò)散系數(shù)。圖6是示出相對(duì)于填料表面的距離和擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系的圖，其中，y軸表示擴(kuò)散系數(shù)并且χ軸表示相對(duì)于填料表面的距離。注意χ軸與圖5相對(duì)應(yīng)；χ軸的兩端表示各個(gè)填料表面的位置；并且χ軸的標(biāo)度分別表示相對(duì)于一側(cè)的填料表面的距離。根據(jù)圖6可以理解以下吸附有填料的橡膠層部分由于填料的鍵合而與橡膠部分相比具有較小的擴(kuò)散系數(shù)。此外，與該計(jì)算平行地， 計(jì)算聚合物本身的均方位移相對(duì)于溫度的變化率，以獲得該聚合物的擴(kuò)散系數(shù)的溫度依賴(lài)性。圖7是示出橡膠的擴(kuò)散系數(shù)和溫度之間的關(guān)系的圖，其中，y軸表示擴(kuò)散系數(shù)并且χ軸表示溫度。根據(jù)圖7可以理解以下橡膠的擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度上升而增大，并且特別地，從玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近(_52°C附近)開(kāi)始急劇增大。更具體地，這表示，在擴(kuò)散系數(shù)較小的橡膠層部分中，橡膠處于低溫狀態(tài)。該事實(shí)證實(shí)了存在于填料附近的聚合物相為玻璃態(tài)的一般觀(guān)念。如通過(guò)這些結(jié)果可以明確理解，通過(guò)將結(jié)構(gòu)條件從傳統(tǒng)上應(yīng)用于橡膠部分的溫度不變的結(jié)構(gòu)條件變?yōu)闇囟茸兓慕Y(jié)構(gòu)條件，使得可以輸入與相對(duì)于填料的距離相對(duì)應(yīng)的材料特性變化，由此可以從微觀(guān)層面精確地分析實(shí)際的橡膠材料的變形行為。應(yīng)當(dāng)注意，優(yōu)選對(duì)三維模型的橡膠層部分應(yīng)用用于指定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件，并且如上所述，還優(yōu)選應(yīng)用用于根據(jù)基于分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的厚度信息和溫度信息來(lái)指定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件。更具體地，對(duì)與三維模型的橡膠層部分相對(duì)應(yīng)的格子區(qū)域應(yīng)用在與橡膠層部分的擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)應(yīng)的溫度下實(shí)際測(cè)量出的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，作為結(jié)構(gòu)條件。注意，用于指定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件包括如日本特開(kāi)2006-200937所述的廣義門(mén)尼-里夫林(Mooney-Rivlin)方程式和廣義奧格登(Ogden)方程式以及日本特開(kāi)2005-345413所公開(kāi)的以下方程式(1)
權(quán)利要求
1.一種橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法，包括生成通過(guò)向橡膠添加填料所形成的橡膠材料的三維模型；對(duì)構(gòu)成所述三維模型的橡膠層部分應(yīng)用用于根據(jù)基于分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的厚度信息和溫度信息來(lái)指定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件；以及分析所述橡膠材料的變形行為。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法，其特征在于，通過(guò)對(duì)應(yīng)用了所述結(jié)構(gòu)條件的三維模型應(yīng)用有限元方法來(lái)分析所述橡膠材料的變形行為。
3.一種橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置，包括用于獲得各自示出通過(guò)向橡膠添加填料所形成的橡膠材料的截面形狀的多個(gè)切片圖像的部件；用于將各個(gè)所述切片圖像轉(zhuǎn)換成二值轉(zhuǎn)換圖像以區(qū)別所述橡膠材料中所包含的橡膠部分和填料部分的部件；用于在所述二值轉(zhuǎn)換圖像中設(shè)置吸附有填料的橡膠層部分并且將所述二值轉(zhuǎn)換圖像轉(zhuǎn)換成三層圖像的部件；用于層疊所述三層圖像以生成所述橡膠材料的三維模型的部件；用于對(duì)所述三維模型應(yīng)用基于分子動(dòng)力學(xué)方法所指定的結(jié)構(gòu)條件的部件；用于使用應(yīng)用了所述結(jié)構(gòu)條件的三維模型來(lái)分析所述橡膠材料的變形行為的部件；以及用于呈現(xiàn)對(duì)所述橡膠材料的變形行為的分析結(jié)果的部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置，其特征在于，所述基于分子動(dòng)力學(xué)方法所指定的結(jié)構(gòu)條件是用于根據(jù)三層值來(lái)指定所述橡膠部分、 所述填料部分以及所述橡膠層部分中的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置，其特征在于， 所述基于分子動(dòng)力學(xué)方法所指定的結(jié)構(gòu)條件是用于根據(jù)基于分子動(dòng)力學(xué)方法所獲得的所述橡膠層部分的厚度信息和溫度信息來(lái)指定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置，其特征在于，用于分析所述橡膠材料的變形行為的部件通過(guò)對(duì)應(yīng)用了所述結(jié)構(gòu)條件的三維模型應(yīng)用有限元方法來(lái)進(jìn)行分析。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)裝置，其特征在于，用于呈現(xiàn)對(duì)所述橡膠材料的變形行為的分析結(jié)果的部件基于所述分析結(jié)果計(jì)算應(yīng)變分布或應(yīng)力分布，區(qū)別應(yīng)變分布區(qū)域或應(yīng)力分布區(qū)域，并且指定各個(gè)區(qū)域的位置。
全文摘要
所公開(kāi)的橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法即使從微觀(guān)層面也可以以良好的精度對(duì)橡膠材料變形行為進(jìn)行分析。更具體地，該橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法創(chuàng)建橡膠內(nèi)已混入有填料的橡膠材料的三維模型，對(duì)構(gòu)成所述三維模型的橡膠層部分提供已基于根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)得到的厚度信息和溫度信息確定了應(yīng)變和應(yīng)力之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)條件，并且分析橡膠材料變形行為。在所述橡膠材料變形行為預(yù)測(cè)方法中，優(yōu)選地，對(duì)于應(yīng)用了所述結(jié)構(gòu)條件的三維模型使用有限元方法來(lái)分析橡膠材料變形行為。
文檔編號(hào)G01N3/00GK102308195SQ20108000655
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月3日
發(fā)明者島廣志, 浜谷悟司, 芥川惠造 申請(qǐng)人:株式會(huì)社普利司通