ゴム製品のCAE解析を高精度に行うためには、ゴム材料の変形特性を正確に把握することが重要です。

特に、ゴムは金属などの一般的な材料と異なり、大きな変形を伴う非線形な力学特性を持っています。そのため、単軸引張試験だけでは、実際の製品で発生する複雑な変形状態を十分に再現できない場合があります。

そこで重要になるのが、ゴムの二軸引張試験です。

この記事では、二軸引張試験の基本的な仕組みから、試験方法、取得できる材料データ、超弾性材料モデルの構築、CAE解析への活用まで、技術者向けに分かりやすく解説します。

目次 [ close ]
  1. 1. ゴムの二軸引張試験とは？
  2. 2. 二軸引張試験の主な試験方法
    1. ① 一様二軸引張試験
    2. ② 一軸拘束二軸引張試験（純せん断試験）
    3. ③ 任意の二軸引張試験
  3. 3. 二軸引張試験で取得できるデータ
  4. 4. 二軸引張試験と超弾性材料モデル
    1. Mooney-Rivlinモデル
    2. Ogdenモデル
    3. 材料モデルの構築に二軸引張試験が重要な理由
  5. 5. 二軸引張試験データをCAE解析に活用するメリット
    1. ① 材料特性をより正確に把握できる
    2. ② 超弾性材料モデルの精度向上につながる
    3. ③ CAE解析の信頼性向上につながる
  6. 6. ものづくりコラボのゴム二軸引張試験
    1. 対応内容
  7. 7. まとめ
    1. 関連サービス
    2. お問い合わせ

1. ゴムの二軸引張試験とは？

二軸引張試験とは、ゴム材料に対して直交する2方向の引張変形を与え、そのときの荷重や変形量を測定する試験方法です。

一般的な単軸引張試験では、試験片を一方向に引っ張ります。一方、二軸引張試験では、縦方向と横方向の変形を組み合わせることで、より複雑な変形状態におけるゴムの力学特性を評価できます。

ゴム製品は、実際の使用環境において一方向だけでなく、複数方向から力を受けることがあります。

例えば、次のような製品です。

  • 自動車用ゴム部品
  • 防振ゴム・免震ゴム
  • ゴムパッキン・シール材
  • ゴムホース
  • ゴム膜・ダイヤフラム
  • クッション・緩衝材

このような製品の変形挙動をCAE解析で再現するためには、複数の変形状態における材料特性を取得することが重要です。

2. 二軸引張試験の主な試験方法

ゴムの二軸引張試験には、代表的な変形状態として以下の方法があります。

① 一様二軸引張試験

縦方向と横方向の両方に、同時に引張変形を与える試験方法です。
2方向に同程度の変形を与える場合は、等方二軸引張試験とも呼ばれます。
ゴム材料が複数方向から同時に引っ張られる状態を評価することができます。

② 一軸拘束二軸引張試験（純せん断試験）

一方向に引張変形を与えながら、それと直交する方向の変形を拘束する試験方法です。
ゴム材料の一方向の伸びと、直交方向の拘束によって生じる力学特性を評価できます。
この試験は、超弾性材料モデルの材料定数を同定するための重要な試験データとして利用されます。

③ 任意の二軸引張試験

縦方向と横方向の引張変形の比率を変えながら試験を行う方法です。
実際の製品で想定される変形状態に近い条件を設定することで、材料特性をより幅広く評価できます。
※二軸引張試験機の構造や治具によって、対応できる試験方法は異なります。

3. 二軸引張試験で取得できるデータ

二軸引張試験では、試験条件に応じて荷重と変位、応力とひずみなどのデータを取得します。
主な取得項目は以下のとおりです。

  • 引張荷重
  • 変位
  • 伸長比
  • 応力－ひずみ関係
  • 変形特性

これらのデータを整理・分析することで、ゴム材料の非線形な変形挙動を把握できます。
特にCAE解析では、実測データをもとに超弾性材料モデルの材料定数を決定することが重要です。

4. 二軸引張試験と超弾性材料モデル

ゴム材料のCAE解析では、一般的に超弾性材料モデルが使用されます。
超弾性材料モデルとは、ゴムの大きな変形と非線形な応力－ひずみ関係を表現するための材料モデルです。
代表的なモデルには、以下があります。

Mooney-Rivlinモデル

Mooney-Rivlinモデルは、ゴム材料の変形特性を表現するために広く利用されている超弾性材料モデルです。
材料試験によって得られた応力－ひずみデータから、材料定数を決定します。
モデルの次数によって表現できる変形挙動が異なります。

Ogdenモデル

Ogdenモデルは、ゴム材料の大きな変形や複雑な非線形挙動を表現するために利用される材料モデルです。
複数のパラメータを使用することで、幅広い変形領域の特性を表現できます。

材料モデルの構築に二軸引張試験が重要な理由

超弾性材料モデルの材料定数を決定する際、単軸引張試験のデータだけでは、複数の変形状態に対する材料特性を十分に評価できない場合があります。

二軸引張試験のデータを組み合わせることで、材料モデルの同定に使用できる情報が増え、実際の製品の変形状態に対する再現性の向上が期待できます。

なお、必要な試験の種類やデータ数は、材料モデル、対象とする変形範囲、解析条件によって異なります。

5. 二軸引張試験データをCAE解析に活用するメリット

二軸引張試験によって取得したデータは、ゴム製品のCAE解析に活用できます。
主なメリットは次の3つです。

① 材料特性をより正確に把握できる

単軸引張試験とは異なる変形状態のデータを取得できるため、ゴム材料の力学特性を多角的に評価できます。

② 超弾性材料モデルの精度向上につながる

複数の変形状態の試験データを使用することで、Mooney-RivlinモデルやOgdenモデルなどの材料定数をより適切に同定できる可能性があります。

③ CAE解析の信頼性向上につながる

適切な材料データを使用することで、実際の製品の変形挙動に近い解析結果が得られることが期待できます。
その結果、試作回数の削減や設計期間の短縮、製品品質の向上に貢献します。

6. ものづくりコラボのゴム二軸引張試験

ものづくりコラボでは、ゴム材料の力学特性を把握するための二軸引張試験を承っています。
一軸拘束二軸引張試験に対応し、ゴム材料の試験データ取得から超弾性材料モデルの構築まで支援しています。

対応内容

  • ゴム材料の二軸引張試験
  • 荷重－変位データの取得
  • Mooney-Rivlinモデルの材料定数算出
  • Ogdenモデルなどの超弾性材料モデル構築に関するご相談
  • CAE解析に使用する材料データの提供

材料試験データだけでなく、CAE解析への活用を考慮した材料モデルの構築についてもご相談いただけます。

7. まとめ

ゴムの二軸引張試験は、単軸引張試験だけでは十分に把握できない複数方向の変形特性を評価するための重要な試験方法です。

二軸引張試験によって取得したデータは、Mooney-RivlinモデルやOgdenモデルなどの超弾性材料モデルの構築に活用でき、ゴム製品のCAE解析精度向上に役立ちます。

ゴム材料の試験方法や材料データの取得、CAE解析にお困りの場合は、ぜひものづくりコラボにご相談ください。

ゴム材料試験から材料モデルの構築、CAE解析まで、一貫してサポートいたします。

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