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材料設計ソリューション【Solution】材料設計ソリューション

材料設計のためのマルチスケールシミュレーション

材料のマルチスケール特性と物性発現の複雑さ

材料の多層(マルチスケール)構造と物性発現の複雑さ

樹脂やゴムに代表される高分子材料は、マルチスケール特性を有していることが知られています。
材料設計では、分子構造(ナノメートル)から繊維を含めたフィラーや相分離構造(マイクロメートル)まで、どのスケールの現象が最終的な材料物性に強く影響を及ぼすかを考える必要があります。設計段階で必要となる実験量は結果として膨大になるため、シミュレーション技術の活用が期待されています。

ひとつのシミュレーション技術(ソフトウェア)で広範囲のスケールや現象をカバーすることは不可能なため、JSOLでは複数のソフトウェアを組み合わせた「材料設計ソリューション」をご提案しています。

マルチスケールに対応したシミュレーションソフト群と連携ソリューション

JSOLで取扱う製品には、マルチスケールに対応したソフトウェア(J-OCTA、Digimat、Simpleware)や汎用非線形構造解析ソフトウェア(LS-DYNA)があります。
これらのソフトウェアは、「ナノコンポジット材料の熱伝導特性」や「FRP(繊維強化樹脂)の界面剥離特性」など、高分子材料の広範囲なマルチスケール特性解析に必要なシミュレーション技術をカバーします。

JSOLではお客様の課題に最適なソリューションをソフトウェアに習熟したエンジニアがご提案いたします。材料設計へのシミュレーション活用についてお気軽にご相談ください。

マルチスケールに対応したシミュレーションソフト群と連携ソリューション

ナノコンポジット材料の熱伝導特性

樹脂中にカーボンナノチューブなどのナノフィラーを分散させたナノコンポジット材料は、材料物性を大幅に向上できるため大きな期待を集めています。一方で、ナノフィラーの分散構造の制御と材料物性の予測は難しい課題です。

フィラー樹脂間の相互作用を考慮したJ-OCTAの散逸粒子動力学シミュレーションにより得られたカーボンナノチューブの分散構造をDigimat-FEに引継げます。また、有限要素解析を実施することで、分子レベルの特性を考慮したマクロ物性の評価につなげることも可能です。

樹脂中カーボンナノチューブの分散構造[J-OCTA] 樹脂中カーボンナノチューブの分散構造
[J-OCTA]

熱伝導解析(温度分布)[Digimat] 熱伝導解析(温度分布)
[Digimat]

FRP(繊維強化樹脂)の界面剥離特性

CFRP(炭素繊維強化樹脂)の強度特性は、樹脂と炭素繊維間の界面剥離が影響を及ぼすと考えられています。LS-DYNAは界面領域に剥離特性を設定できますが、パラメータの決定方法は難しい課題です。

J-OCTAの粗視化MDでは、熱可塑性樹脂を炭素繊維から引き剥がす際に界面改質(化学結合)が剥離応力に及ぼす影響を定性的に評価できます。さらに、得られた傾向をLS-DYNAの材料モデルに反映して非線形構造解析を行うことで、界面の状態がマクロな物性に及ぼす影響も解析できます。

解析事例:界面特性を考慮したCFRTPの破壊挙動の解析

樹脂/炭素繊維の界面剥離計算[J-OCTA] 樹脂/炭素繊維の界面剥離計算(灰色の面が繊維表面)
[J-OCTA]

CFRP(断面)の破壊計算[LS-DYNA] CFRP(断面)の破壊計算
[LS-DYNA]

FRP(繊維強化樹脂)繊維配向情報の実測とシミュレーションへの活用

FRP成形品の局所的な繊維配向情報を用いて物性向上に最適な内部構造を判断するには、シミュレーション技術が有効です。

Simplewareは、CTスキャン画像などから3次元の繊維配向構造(配向テンソル)を取得できます。また、Digimat-FEではミクロ構造の作成や機械・熱/電気伝導特性の有限要素解析が可能です。これらのソフトウェアを用いることでミクロ構造モデルを任意に編集でき、メカニズム解析や数値実験が可能となります。

実材料からCTスキャンで取得した繊維の構造[Simpleware,Digimat] 実材料からCTスキャンで取得した繊維の構造
[Simpleware]

実材料の配向情報をもとに作成した繊維強化樹脂の有限要素解析メッシュ[Digimat] 実材料の配向情報をもとに作成した
繊維強化樹脂の有限要素解析メッシュ
[Simpleware, Digimat]

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