Single Screw Simulator (Ver.11.0.0)
改良成果資料

2021/06
株式会社HASL
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○改良成果一覧① 解析機能の改良(1) 溶融可塑化領域／溶融体輸送領域の流量連成解析機能(2) バリアフライトの溶融可塑化モデル改良② モデリング機能の改良(1) バリアフライトのモデリング効率化(2) フライト部のR付け作業効率化

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① 解析機能の改良(1) 溶融可塑化領域／溶融体輸送領域の流量連成解析機能
Single Screw Simulator では, 溶融可塑化および溶融体輸送領域に Tadmorモデルを設定した場合,経路に沿ったソリッドベット幅の減少進行を定量化しますが, 溶融体の解析で考慮する押出流量
Qmelt は任意の流路断面内で一定として計算を行っています. 今回の改良では, ソリッドベットの可塑化状態に応じて, 各断面の押出流量を可変とする解析機能（流量連成解析）を実装しました.

ソリッドベッド分布（赤：固相、青：液相）
Qmelt

Qmelt

押出流量
Qsolid

押出流量
Qmelt(ゾーン1/圧縮部)
固体輸送領域(ブロック0)(ゾーン2/計量部)

溶融可塑化領域 & 溶融体輸送領域(ブロック1 / TadmorモデルOn)

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流量連成解析の考え方（基本）
任意のスクリュ軸垂直断面 i 内を通過する流量

Qi = Qm ,i + Qsb ,i = ( − S m ,i Pm ,i + Dm ,i ) + Qsb ,i
断面 i を通過する流量

溶融体流量寄与

ソリッドベッド流量寄与

溶融体の圧力勾配
流れによる流量寄与

Qm,i ＋Qsb,i

溶融体の牽引流れによる流量寄与

ソリッドベッド
流量寄与

Qm,k (Qsb,k = 0)

押出流量
Qsolid

押出流量Qmelt
断面 k断面 i

固体輸送領域(ブロック0)

溶融可塑化領域 & 溶融体輸送領域(ブロック1 / TadmorモデルOn)

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解析例: Φ38mm / フルフライトモデル L/D = 20【モデル形状／肉厚分布(mm) 】

解析条件: 押出流量規定 3.4 cm3/sec,スクリュ回転数 60 rpm

肉厚 5mmt, L/D = 5

固体輸送領域(ブロック0)

ゾーン1: 肉厚 5→ 2mmt, L/D = 7

ゾーン2: 肉厚 2mmt , L/D = 8

溶融可塑化領域 & 溶融体輸送領域(ブロック1 / TadmorモデルOn)

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4流量連成解析の影響確認: Φ38mm / フルフライトモデル L/D = 20
【軸方向ソリッドベッド(SB) 幅分布】
連成なし（一定流量）
SB幅

連成解析の溶融体流量は, SB幅の減少に伴い増加し,SBが完全に消失した位置において, 押出流量の 3.4cm3/sに一致します.

連成解析の溶融体流量曲線

ブロック1 →

ブロック0

【軸方向圧力分布】
連成なし（既存解析）

連成解析

ブロック0

連成解析の場合, 溶融可塑化領域での溶融体流量が,既存解析 (3.4cm3/s 一定) の流量よりも少ないため,牽引流量寄与および圧力流量寄与が小さくなり,結果として圧力勾配が小さくなります.
SB消失後は溶融体流量が既存解析と一致するため,圧力勾配は同じになります.

ブロック1 →

Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved5流量連成解析の考え方（改良） ソリッドベッドの流量寄与に補正係数 α を追加
任意のスクリュ軸垂直断面 i 内を通過する流量／ソリッドベット流量の一部 (α) が溶融体流量に寄与していると仮定した場合

Qi = Qm ,i + Qsb ,i = ( Qm ,i + α Qsb ,i ) + (1 − α ) Qsb ,i
断面 i を通過する流量= ( − S m +α Sb ,i Pm +α Sb ,i + Dm +α Sb ,i ) + (1 − α ) Qsb ,i
溶融体の圧力勾配
流れによる流量寄与

溶融体の牽引流れによる流量寄与

ソリッドベッド
流量寄与

Qm,k (Qsb,k = 0)

Qm,i ＋αQsb,i＋(1-α)Qsb,i
押出流量
Qsolid

押出流量
Qmelt
断面 k

断面 i

固体輸送領域(ブロック0)溶融可塑化領域 & 溶融体輸送領域(ブロック1 / TadmorモデルOn)

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6新規解析機能の使用方法

解析プログラム実行タブ内の流量連成解析ボタンをチェックし,寄与係数を0.0～1.0の範囲で設定します.
0.0の場合: ソリッドベッド流量の溶融体流量への寄与なし(0%)
1.0の場合: ソリッドベッド流量全て(100%)を溶融体流量として扱う（既存解析と同じ）チェックなし, または寄与係数1.0の場合は旧バージョンと同じ解析結果が得られます.

Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved7解析結果例: Φ38mm / フルフライトモデル L/D = 20
【軸方向圧力分布】(1)連成/α=1.0 （既存解）α大(2)連成/α=0.75(3)連成/α=0.50(4)連成/α=0.25

α小(5)連成/α=0.0

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8解析結果例: Φ38mm / フルフライトモデル L/D = 20
【解析結果／圧力分布(MPa) 】(1) 連成/α =1.0 （既存解）(2) 連成/α =0.75(3) 連成/α =0.50

Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved9① 解析機能の改良(2) バリアフライトの溶融可塑化モデル改良
溶融可塑化の進行予測に採用している Tadmorモデルでは, スクリュチャネルの経路に沿ったソリッドベッド幅を定量化していますが, その際にソリッドベッドの経路方向移動速度は一定という前提が課されています. 今回の改良では, Meijerが提案した, Tadmorモデルをバリアフライトに適用した改良モデル1) を用いた解析機能を実装しました.

1) 参考文献: “The Melting Performance of Single Screw Extruder”, J. F. INGEN HOUSZ and H. E. H. MEIJER,Polym. Eng. Sci. , 1981, Vol. 21, No. 6

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10Tadmorモデルの質量保存則（フルフライトスクリュ）
ρ s :ソリッドベッドの密度
vsz :ソリッドベッドのz方向移動速度
H :チャネル深さ（形状因子）d− ( ρ s vsz HX ( z ) ) = φ X ( z )dz

W:チャネル幅（形状因子）

φ:単位長さ当たりの溶融質量生成率

X ( z ) :ソリッドベッドの幅

ソリッドベッド領域
X(z)vsz

W（一定）x軸: チャネル幅方向
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11改良モデルの質量保存則（バリアフライトスクリュ）
ρ s :ソリッドベッドの密度
vsz :ソリッドベッドのz方向移動速度
H :チャネル深さ（形状因子）d− ( ρ s vsz ( z ) HW ( z ) ) = φ W ( z )dz
ソリッドベッドがメインチャネル領域のみに存在すると仮定すると, ソリッドベッド幅は形状因子となり, ソリッドベッドの移動速度が変化する.

W ( z ) :チャネル幅（形状因子）

φ:単位長さ当たりの溶融質量生成率

メインチャネル領域（ソリッドベッド領域）
W(z)z軸: チャネル経路方向
vsz (z)x軸: チャネル幅方向

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12Tadmorモデルの離散化スキーム
経路方向の区分 i におけるソリッドベッド幅 Xiの計算式

 Φ i −1 X i −1  Vbx ρ m Φi −1 X i −1
Xi
Xi =
Φ i X i + X i −1 1 −−( Zi − Zi −1 )

ρ
HiH2v
Hisz si

改良モデルの離散化スキーム
経路方向の区分 i におけるソリッドベッド移動速度 vszの計算式

vsz ( i ) = vsz ( i − 1)

Φ=H ( i − 1) W ( i − 1) Vbx ρ m Φ (i − 1) W ( i − 1)−( Zi − Zi −1 )ρs H ( i )W ( i )H ( i )W ( i )22κ m (Tb − Tm ) + ηV j2Vbx ρ m Cs (Tm − Ts ) + λ V ρ
φ = bx m Φ2

ρ m :溶融体の密度
Vbx :バレルのx方向分速度
Vj:ソリッドベッドから観察したバレルの相対速度

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Tb :バレル規定温度
Tm :溶融体の溶融温度
Ts :界面から十分離れた位置でのソリッドの規定温度

13η :溶融体の粘度
κ m :溶融体の熱伝導率
C s :ソリッドの比熱

λ :ソリッドの融解潜熱

新規解析機能の使用方法

解析プログラム実行タブ内のバリアフライト溶融可塑化モデル
ボタンにチェックして保存し解析実行する.
チェックしない場合は旧バージョンと同じ解析結果が得られます.

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14解析結果例: Φ38mm/バリアフライト領域【モデル形状／肉厚分布】【解析結果／ソリッドベッド分布】 解析条件: 流量規定 2.5 cm3/sec, スクリュ回転数 60 rpm(1) 既存溶融可塑化モデル(2) 新規バリアフライト溶融可塑化モデル

新規モデルでは, ソリッドベッド幅がメインチャネル幅に等しいため, 従来モデルよりも単位流路長当りの溶融質量が多くなり上流側で溶融が完了する.

メインチャネル内にTadmorモデルを適用してソリッドベッド幅を算出

Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved15解析結果例: Φ38mm/バリアフライト領域【解析結果／グラフプロット】

Vsz: ソリッドベッド移動速度, Qsb: 各位置でのソリッドベッドからの溶融流量の総量
押出流量 2.5 cm3/s

ソリッドベッド幅

ソリッドベッド溶融完了位置の理論解 (参考文献: “The Melting Performance of Single Screw Extruder”)
従来モデルおよび改良モデルのソリッドベッド溶融完了位置 Z0 およびZm, ソリッドベッド移動速度 vsz0 および vsz は,それぞれの質量保存則 (p.4,5) を解くことで以下の関係が成立します (チャネル肉厚 H が一定の場合).

Z0 = 2Zm =H

ψ0, ψ0 =Φ0ρ s vsz W

3 H 3 H  3=  2  = Z0 ,2 ψ0 4  ψ0  4vsz z = 1 −
vsz 0  Z m Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved

16

12

② モデリング機能の改良(1) バリアフライトのモデリング効率化
Single Screw Simulator では, バリアフライト部の両端を完全に閉じたメッシュ生成が許容できないため, 近似解析モデルとして, 複数ゾーン構成とし, 両端に開口部を設ける方法を推奨しております.
今回の改良では, バリアフライト近似解析モデルの作成を, パラメータ入力のみで簡便に実施できる機能を追加しました.

(解析NG) メインチャネルのメッシュが交錯

Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved(解析可能) サブフライトピッチを変更して開口部を設定

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新規モデリング機能の使用方法(1)バリアフライトを定義するブロック位置で,新規作成されたバリアフライト専用ボタンをクリックします.

(2) バリアフライト専用のパラメータ入力フォームが出現します.
Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved18バリアフライト専用フォームの基本構成

基本パラメータでは, 従来フォームと同様に, メインフライトとサブフライトの基本寸法を入力します.
軸方向の長さは, 従来の S長さ(L/D) による入力ではなく,バリアフライト領域の軸方向長さ(mm) を直接設定します.

要素分割情報では, 近似解析モデルの開口部の幅比率および1, 3ゾーンのストレート部の比率を直接指定することができます.
また, ○1ゾーン構成, ○3ゾーン構成のラジオボタンのチェックを切替えることで, 両者の展開モデルでのメッシュ構成の差異を簡便に確認することが可能です.

Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved19バリアフライト専用フォームの使用方法(手順1) 基本パラメータ入力および作業フォルダの設定
基本パラメータ入力後に作業フォルダ設定ボタンをクリック.

作業フォルダ内の任意のファイルを選択し, 開くボタンをクリック.
（メッシュファイルを保存するフォルダを指定するため）

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作業フォルダのアドレスが表示され,バリアフライトメッシュ生成ボタンがクリック可能になります.

バリアフライト専用フォームの使用方法(手順2) 要素分割情報の設定／1ゾーン構成の設定

要素分割情報を設定後,1ゾーン構成のラジオボタンをチェックして,バリアフライトメッシュ生成ボタンをクリックすると,メッシュ生成プログラムが自動起動して,展開メッシュが作成されます.

～メッシュ生成プログラム終了後Enterキーを押す
メッシュ数が表示されるのでOKをクリック

1ゾーン構成の展開メッシュが表示される

Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved21バリアフライト専用フォームの使用方法
1ゾーン構成の展開メッシュ確認例

終了端の開口比率は寸法パラメータから自動算出される（開始端開口比, ピッチ, 軸長）
1ゾーン構成では, 基本パラメータ寸法と, 上記青枠内4項目の情報を用いて展開メッシュを作成します.

開始端の開口比率はは(Ms)で調整する.

メインフライト幅
構成比： 90%

サブフライト幅
構成比： 10%

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要素分割情報および基本パラメータ寸法の入力情報を変更し,バリアフライトメッシュ生成ボタンをクリックすると, 設定変更した場合の展開メッシュ状態を（何度でも）確認することができます.

22バリアフライト専用フォームの使用方法
1ゾーン構成のメッシュ保存方法

1ゾーン構成で解析可能な展開メッシュが作成できた場合,メッシュ確定ボタンをクリックすると, 再度メッシュ作成プログラムが実施され, スクリュ形状タブの該当ブロックにパラメータ情報が転記されます. 問題なければバリアフライト専用フォームを閉じて,標準フォームから他のブロックのパラメータ設定を続けます.

情報
抽出&転記

S長さは (L)軸方向長さ÷バレル直径, べ―ス幅は(Ms)から自動算出されます.

メッシュ数が表示されるのでOKをクリック
メッシュ生成プログラム終了Enterキーを押す
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バリアフライト専用フォームの使用方法(手順3) 要素分割情報の設定／3ゾーン構成の設定
3ゾーン構成では, 要素分割情報の全ての項目を利用して展開メッシュが自動生成されます.
ただし, 開始端のチャネル開口比率 (Ms) と (Ss), および終了端のチャネル開口比率 (Me) と (Se)は,(Ms)+(Ss) = 100%, および (Me)+(Se) = 100%, の関係からどちらかの値を指定すると, 自動的に他方の値が変更されます.

要素分割情報を設定後,3ゾーン構成のラジオボタンをチェックして,バリアフライトメッシュ生成ボタンをクリックする.

各パラメータの定義図

Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved24バリアフライト専用フォームの使用方法
3ゾーン構成の展開メッシュ確認例（寸法パラメータは共通）
分割例1(Me)=10%, (Se)=90%

ゾーン3: (Le)=50%,
ピッチ38.1mm（ストレート）
メインフライトのピッチ38.1mm(Ms)=90%, (Ss)=10%

ゾーン2: ピッチ45.0 mm
軸長さは全体軸長さと開口比率から自動算出
ゾーン1: (Ls)=50%,ピッチ38.1mm（ストレート）

分割例2(Me)=20%, (Se)=80%
ゾーン3: (Le)=20%, ピッチ38.1mm（ストレート）
ゾーン2: ピッチ45.0 mm
軸長さは全体軸長さと開口比率から自動算出
ゾーン1: (Ls)=80%,ピッチ38.1mm（ストレート）(Ms)=80%, (Ss)=20%

Copyright© 2010 Hyper Advanced Simulation Laboratory Co., Ltd. All Rights Reserved25バリアフライト専用フォームの使用方法
3ゾーン構成のメッシュ保存方法

3ゾーン構成で作成した展開メッシュの情報を保存する場合,メッシュ確定ボタンをクリックすると, 再度メッシュ作成プログラムが実施され, スクリュ形状タブの該当ブロックにパラメータ情報が転記されます.

情報抽出&転記S長さ, べース幅は専用フォームの情報を用いて自動算出されます.

バリアフライト専用フォームからのメッシュ確定による情報抽出は,既存のスクリュ基本ファイル(.scrbas) を読込み後, 該当するブロックのみを変更, 修正することが可能です.
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26以上が バリアフライトのモデリング効率化 の操作説明になります.
本機能を利用して, 両端に開口部を設けたバリフライト近似解析モデルを作成することが可能ですが,開口比率については解析結果を確認しながら適切な設定値を見出す必要があります.
また開口比率が小さい場合, 解析結果の圧力分布において, バリアフライト出口近傍の圧力値が極端に低下する場合があります. この対策として, 両端部のサブフライトを一部削除することで圧力分布を改善することができます. サブフライトの両端削除方法については, p.39の新機能をご確認ください.
（事例）バリアフライトモデル / 終端開口比率 Me=90%【肉厚分布／対策前】【肉厚分布／対策後】
サブフライト一部削除(p.39)【圧力分布／対策前】【圧力分布／対策後】負圧が解消し連続した分布が得られる.

メインフライト
出口に負圧が発生

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② モデリング機能の改良(2) フライト部のR付け作業効率化
フライト部のR加工を解析モデルで表現する場合には, スクリュ作成タブから基本モデルを作成後,2Dスクリュ展開要素情報加工フォームを用い, 変更する要素を手動（フレーム）選択して肉厚情報を更新する必要がありました（手引書 p.66～73）.
今回の改良では, 本操作を効率良く実施するための新規フォームを実装致しましたので, 操作方法を以下に記載します.
参考図: フライトRのモデル化法, Single Screw Simulator 手引書 p.66～73

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新規モデリング機能の使用方法(手順1) 加工前スクリュモデルの作成
加工元となるスクリュモデルを, スクリュ作成タブから通常のパラメータ入力方法で作成, 保存します.
本事例では, 下図の0, 1ブロックからなるフルフライトモデルへのフライトR付けを行います.
加工前スクリュモデル例 basemodel.scrbas の構成 （0, 1ブロック）

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新規モデリング機能の使用方法(3)メイン画面に basemodel.expand の2D展開モデルが出現する.

(手順2) フライトR作成フォームの呼出し(1)修正/2Dスクリュ展開要素情報加工をクリックすると下図フォームが出現する.

(4)フライトR作成ボタンをクリックすると,新規フォームが出現する（次ページ）.
(2)データ入力ボタンをクリックし,加工前の2D展開メッシュデータ
basemodel.expandを選択する.

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新規モデリング機能の使用方法(手順3) 肉厚更新ブロックの選択【フライトR作成フォーム】(2) 選択ブロック位置表示ボタンをクリックすると,展開図の該当するブロックがハイライト表示される.
0ブロックのハイライト表示例:
展開図は, マウス操作（拡大および平行移動）により適宜確認しやすい位置に移動させます.

(1)ブロック番号選択プルダウンからR作成する領域をブロック単位で選択する.

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(手順4) 周方向の肉厚断面情報を表示(1) 周方向断面表示ボタンをクリックすると,選択ブロックの開始位置での周方向の断面肉厚情報がグラフ表示されます.

フォーム内グラフ表示点と展開図の対応関係

12(1)34 56789 10 11

120ブロックの断面肉厚情報の表示位置

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(手順5) 肉厚情報の変更（R付け）

ポイントドラック移動にチェックを入れると、マウスドラック操作にて, グラフ図の●位置を手動で移動できます.

(2)ハイライトされた要素に設定する肉厚を入力する(3)修正ボタンをクリックすると, 変更肉厚が設定され,数値およびグラフ図が更新される.
(1)肉厚を変更したい要素をクリックしてハイライトさせる

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(手順6) 肉厚情報の変更確定

0ブロックの肉厚変更要素がハイライト表示されます.

(1)変更確定ボタンをクリックすると,対象ブロックの軸方向に沿って肉厚変更要素が抽出されます.

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ブロック1についても(手順3)～ (手順6)の操作を行います.

1ブロックの肉厚変更要素

変更履歴は, 次ページのデータセーブ実施時に,ファイル名.frinf としてテキスト形式で自動保存されます.

0ブロックの変更要素

xnode

1ブロックの変更要素

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BlockNumber=1

BlockNumber=035

original thick

xnode

modified thick

00.1

0.1

10.46768

0.1

0.1

20.93537

5330.8113

54.5

40.68723

54.8

50.56316

5560.43909

5570.31502

5580.19095

5590.06688

5

4.8

99.9428154.5

109.8187

53

119.6946

0.1

0.1

original thickmodified thick598.4739

0.1

0.1

608.94160.1

0.1

619.4093

53629.2852

5

4.5

639.1611

54.8

649.03755658.913

55668.7889

55678.6648

55688.5407

5

4.8

698.41665

4.5

708.2925

53

718.1683

0.1

0.1

(手順7) 肉厚変更情報の保存／メッシュ確認
2Dスクリュ展開要素情報加工フォームに戻る.

(1)新規フォームで設定した情報が元フォームに転記されている.

(2)肉厚変更情報が含まれた
2D展開メッシュデータを保存する.

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36(3) 3D変換ボタンをクリックすると,2.5D または 3Dモデルのメッシュが作成される.

確認(1) 3Dモデルでの形状確認

3Dモデルの確認は,メニューバーのオプションから節点／要素情報をモデル表示に変更すると確認しやすくなります.

確認(2) 2.5Dモデルでのメッシュデータ作成＊解析前には必ず2.5Dモデルでメッシュを作成します.

確認(1) 3Dモデル／フライトR設定後(参考) 3Dモデル／フライトR設定前（ファイル名_ori.expandに自動保存）確認(2) 2.5Dモデル／フライトR設定後

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37以上が (2)フライト部のR付け作業効率化 の操作説明になります.
肉厚情報の詳細は, 解析実施後の肉厚分布で確認することができます.

3Dモデル／フライトR設定後3Dモデル／フライトR設定前

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（追加） バリアフライトモデルのサブフライト両端一部を削除する方法
新規実装した フライトR作成フォームを利用して, バリアフライトモデルのサブフライト両端を部分削除する機能を追加しましたので, 操作方法を以降に記載します.
（基本操作については (2)フライト部のR付け作業効率化(p.28～) を参照ください.）サブフライト一部削除

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(手順1) バリアフライトを有する解析モデルを読込み, サブフライトが定義されたブロックを選択する.

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(手順2) ブロック両端のサブフライト削除をチェックし, 削除する軸方向の分割数を設定する.

開始端から 5分割の場合の対象領域チェックボックスにチェックを入れると, 入力フォームが出現する.
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(手順3) 変更確定ボタンをクリックすると, 肉厚変更する要素情報が設定される.

終了端のハイライト領域

開始端のハイライト領域

変更確定ボタンをクリックすると変更要素の情報が設定される.

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(手順4) 肉厚変更情報の保存／メッシュ確認を行う. (p.36 の手順7 と同じ操作)○ 2.5Dモデル／サブフライト一部削除後（終端部）指定したサブフライト領域（赤色）がチャネル領域（青色）に変更され, 肉厚もチャネル肉厚に変更される.

○ 2D展開モデル／解析結果の肉厚分布（バリアフライト領域）

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