JP2006343876A - Particle behavior analysis device, particle behavior analysis method, program, and storage medium - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a particle behavior analysis method which computes the behavior of a particle in consideration of the influence of unevenness in shape, physical value or physical quantity of a particle on a surface. <P>SOLUTION: A particle 601 has a particle standard axis 605, and its surface is divided into two sites 603 and 604. When the site 603 contacts a structure 602, a contact force of tangential direction, which acts on the particle 601, is computed from a maximum static friction coefficient μ<SB>01</SB>, which is set to the site 603, and a kinetic friction coefficient μ<SB>f1</SB>. When the site 604 contacts the structure 602, a contact force of tangential direction, which acts on the particle 601, is computed from a maximum static friction coefficient μ<SB>02</SB>, which is set to the site 604, and a kinetic friction coefficient μ<SB>f2</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、粒子挙動解析装置、粒子挙動解析方法、プログラム及び記憶媒体に関し、特に、容器内の粒子を攪拌搬送する装置において粒子の挙動を解析するための粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法に関するものであり、より詳細には、粒子の物性値又は物理量、もしくはその両方が不均一な場合や、粒子が非球形等の不定形な形状である場合における、容器内の粒子の挙動を解析するための粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法に関する。   The present invention relates to a particle behavior analysis device, a particle behavior analysis method, a program, and a storage medium, and more particularly, to a particle behavior analysis device and a particle behavior analysis method for analyzing the behavior of particles in a device that stirs and conveys particles in a container. More specifically, the behavior of the particles in the container is analyzed when the physical property values and / or physical quantities of the particles are non-uniform or when the particles have an irregular shape such as a non-spherical shape. The present invention relates to a particle behavior analysis apparatus and a particle behavior analysis method.

例えば、電子写真技術を利用した複写機やプリンタ等では、現像器によって感光体の表面上にトナーからなる可視像が形成される。このとき、現像器内では微細なトナー粒子が適切に現像部位に供給されることによって現像が行われる。   For example, in a copying machine or a printer using electrophotographic technology, a visible image made of toner is formed on the surface of a photoreceptor by a developing device. At this time, in the developing device, development is performed by supplying fine toner particles appropriately to the development site.

ところで、近年、容器内の粒子の攪拌・搬送状態を解析する粒子挙動解析が行われつつあり、この解析結果が容器における攪拌・搬送部の構成の最適化等に活用されつつある。   By the way, in recent years, particle behavior analysis for analyzing the stirring / conveying state of the particles in the container is being performed, and the analysis result is being used for optimizing the configuration of the stirring / conveying unit in the container.

粒子の攪拌・搬送状態では、粒子同士は常に接触し、また、粒子及び容器壁も常に接触している。したがって、粒子挙動解析では粒子同士や粒子及び容器壁間の接触状態、特に接触力を求める必要があり、接触力が支配的な系をシミュレートできる離散要素法(DEM)が一般的に用いられている(例えば、非特許文献1参照。)。   In the state of stirring and transporting the particles, the particles are always in contact with each other, and the particles and the container wall are always in contact with each other. Therefore, in the particle behavior analysis, it is necessary to determine the contact state between particles and between the particle and the container wall, especially the contact force, and the discrete element method (DEM) that can simulate a system in which the contact force is dominant is generally used. (For example, refer nonpatent literature 1.).

このDEMでは、粉粒体を構成する個々の粒子間の接触力が、図16に示されるように、基本要素として法線方向の接触力と接線方向の接触力とに分解される。また、2粒子間の接触時に働く弾性力、粘性減衰力、及び滑り摩擦の和が接触力とされる。したがって、これら分解された2粒子間の接触力(法線方向の接触力、接線方向の接触力)はそれぞれ仮想のバネ1301、ダッシュポット1302及び摩擦スライダ1303を用いてモデル化される。具体的には、バネ1301は粒子間作用力のうちの弾性反発力をモデル化するものであり、ダッシュポット1302はエネルギー消散を伴う粘性減衰をモデル化するものであり、摩擦スライダ1303は滑り摩擦力をモデル化するものである。   In this DEM, as shown in FIG. 16, the contact force between individual particles constituting the granular material is decomposed into a normal contact force and a tangential contact force as basic elements. The sum of the elastic force, the viscous damping force, and the sliding friction acting when the two particles are in contact with each other is taken as the contact force. Therefore, the contact force (normal contact force, tangential contact force) between the two separated particles is modeled using the virtual spring 1301, the dashpot 1302, and the friction slider 1303, respectively. Specifically, the spring 1301 models an elastic repulsion force among the interparticle acting forces, the dashpot 1302 models viscous damping accompanied by energy dissipation, and the friction slider 1303 slides. It models force.

このDEMでは、一様な等方性弾性体からなる、半径の等しい2つの球が接触した場合における2球間に働く接触力を考える。以下、添え字nは接触面に対して法線方向の値を示し、添え字tは接線方向の値を示す。   In this DEM, a contact force acting between two spheres in the case where two spheres made of a uniform isotropic elastic body and having the same radius are in contact is considered. Hereinafter, the subscript n indicates a value in the normal direction with respect to the contact surface, and the subscript t indicates a value in the tangential direction.

例えば、粒子iが粒子jから受ける法線方向に働く接触力は、法線方向の弾性力と粘性減衰力の和で表され、粒子iから粒子jに対する相対速度を下記式(1)で示し、粒子iから粒子jに向かう法線方向の単位ベクトルを下記式(2)で示した場合、下記式(3)で示される。   For example, the contact force acting in the normal direction that the particle i receives from the particle j is represented by the sum of the elastic force in the normal direction and the viscous damping force, and the relative velocity from the particle i to the particle j is expressed by the following formula (1). When the unit vector in the normal direction from the particle i to the particle j is represented by the following formula (2), it is represented by the following formula (3).

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ここで、法線方向のバネ定数kn及び接触点における法線方向の粘性減係数ηnはそれぞれ下記式(4)及び(5)で表される。また、δnは接触点における法線方向の変形量、Esは各粒子のヤング率、σsは粒子のポアソン比、mは各粒子の質量、αは粒子同士の衝突における反発係数パラメータを示す。 Here, the spring constant k n in the normal direction and the viscosity reduction coefficient η n in the normal direction at the contact point are expressed by the following equations (4) and (5), respectively. Also, δ n is the deformation amount in the normal direction at the contact point, E s is the Young's modulus of each particle, σ s is the Poisson ratio of the particle, m is the mass of each particle, α is the coefficient of restitution coefficient in the collision between particles. Show.

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また、粒子iが粒子jから受ける接線方向に働く接触力は、接線方向の弾性力と粘性減衰力の和で表され、接線方向の変形量を下記式(6)で示し、接線方向の粒子iの粒子jに対する滑り速度ベクトルを下記式(7)で示した場合、下記式(8)で表される。   Further, the contact force acting in the tangential direction that the particle i receives from the particle j is represented by the sum of the elastic force in the tangential direction and the viscous damping force, and the amount of deformation in the tangential direction is expressed by the following equation (6). When the slip velocity vector for the particle j of i is represented by the following formula (7), it is represented by the following formula (8).

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ここで、接線方向のバネ定数k及び接線方向の粘性減衰係数ηはそれぞれ下記式(9)及び(10)で表される。また、Gsは横弾性係数を示している。 Here, the tangential spring constant k t and the tangential viscous damping coefficient η t are expressed by the following equations (9) and (10), respectively. G s indicates the transverse elastic modulus.

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但し、上記(8)式で求めた接線方向に働く接触力が、上記(3)式の法線方向に働く接触力と最大静止摩擦係数との積で表される最大静止摩擦力(下記式(11)参照。)より大きい時(下記式(12)参照。)には2つの粒子は互いに滑っているとみなされ、下記式(13)で表される動摩擦力が働いていると考える。ここで、μは最大静止摩擦係数、μfは動摩擦係数とする。 However, the contact force acting in the tangential direction determined by the above equation (8) is the maximum static friction force represented by the product of the contact force acting in the normal direction of the above equation (3) and the maximum static friction coefficient (the following equation) When larger than (see (11)) (see the following formula (12)), it is considered that the two particles are slipping each other, and the dynamic friction force represented by the following formula (13) is working. Here, μ 0 is the maximum static friction coefficient, and μ f is the dynamic friction coefficient.

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また、そのときの接線方向の変位は下記式(14)で表される。   Further, the displacement in the tangential direction at that time is represented by the following formula (14).

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上述したDEMでは、上述した粒子iが粒子jから受ける法線方向に働く接触力及び粒子iが粒子jから受ける接線方向に働く接触力に基づいて運動方程式を解き、微少時間経過後の各粒子の加速度、速度、及び位置を算出する。また、粒子及び容器壁等の接触においても、図16に示した粒子間接触と同様のモデルを適用することにより、粒子挙動解析を行うことができる。すなわち、DEMを用いることによって粒子の攪拌・搬送状態を解析できる。   In the DEM described above, the equation of motion is solved based on the contact force acting in the normal direction that the particle i receives from the particle j and the contact force acting in the tangential direction that the particle i receives from the particle j, and each particle after a minute time has passed. The acceleration, speed, and position of the are calculated. Also, in the contact between the particle and the container wall, the particle behavior analysis can be performed by applying the same model as the interparticle contact shown in FIG. That is, the stirring / conveying state of particles can be analyzed by using DEM.

また、2粒子間の接触判定では、接触判定を容易にするために、粒子は円、円柱又は球とみなし、2粒子間の接触距離δを設定する。そして、設定された距離を用いて2粒子間の接触判定を行う。   Further, in the contact determination between two particles, in order to facilitate the contact determination, the particles are regarded as a circle, a cylinder, or a sphere, and a contact distance δ between the two particles is set. Then, contact determination between two particles is performed using the set distance.

図17は、設定された接触距離を示す図であり、(A)は2粒子間の接触距離を示し、(B)は粒子及び構造物の接触距離を示す。ここで、2粒子間の接触距離は2つの粒子の中心を結ぶ直線上における粒子同士の重なった部分の長さであり、粒子及び構造物の接触距離は粒子の中心から構造物表面に垂直に交わる直線上における粒子と構造物の重なり長さである。ここで、粒子の中心は、通常、接触部分又は最近接部分の曲率半径を有する円や球の中心で規定される。   FIG. 17 is a diagram showing the set contact distance, where (A) shows the contact distance between the two particles, and (B) shows the contact distance between the particles and the structure. Here, the contact distance between the two particles is the length of the overlapping portion of the particles on a straight line connecting the centers of the two particles, and the contact distance between the particles and the structure is perpendicular to the structure surface from the center of the particles. It is the overlap length of particles and structures on the intersecting straight line. Here, the center of the particle is usually defined by the center of a circle or sphere having a radius of curvature of the contact portion or the closest portion.

また、帯電している粒子の挙動を計算する場合には、粒子に働く静電気力を考慮する必要があるが、粒子1401,1402の中心間ベクトルを下記式(15)で示し、一般に粒子は均一に帯電していると仮定し且つ粒子の電荷が粒子中心にあると仮定した場合の静電気力を求める下記式(16)を用いることが多い。   Further, when calculating the behavior of charged particles, it is necessary to consider the electrostatic force acting on the particles, but the center-to-center vector of the particles 1401 and 1402 is expressed by the following equation (15), and the particles are generally uniform. In many cases, the following equation (16) is used to obtain the electrostatic force when it is assumed that the particle is charged and the charge of the particle is at the center of the particle.

Figure 2006343876
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ここで、qは粒子1401の電荷量、qは粒子1402の電荷量、εは真空の誘電率である。 Here, q 1 is the charge amount of the particle 1401, q 2 is the charge amount of the particle 1402, and ε 0 is the dielectric constant of vacuum.

次に、粒子挙動解析の代表的な処理プログラムの構成と計算の考え方について説明する。   Next, the structure of a typical processing program for particle behavior analysis and the concept of calculation will be described.

図18は、粒子挙動解析の代表的な処理プログラムの構成を概略的に示すプログラム構成を示す図である。   FIG. 18 is a diagram showing a program configuration schematically showing the configuration of a typical processing program for particle behavior analysis.

図18において、プログラム10は、制御部100、初期条件設定部111、粒子物性値設定部1511、粒子・構造物間作用力計算部1512、粒子間作用力計算部1513、粒子外力計算部115、粒子変位計算部116及び粒子挙動表示部117からなる。   In FIG. 18, a program 10 includes a control unit 100, an initial condition setting unit 111, a particle property value setting unit 1511, a particle / structure acting force calculation unit 1512, an interparticle action force calculation unit 1513, a particle external force calculation unit 115, A particle displacement calculation unit 116 and a particle behavior display unit 117 are included.

制御部100は、プログラム2の全体を制御する。初期条件設定部111は、計算条件、例えば、粒子の初期配置及び半径、解析領域を構成する構造物の形状、寸法及び位置、時間ステップ、並びに、ヤング率等の物性値等の設定を行う。粒子物性値設定部1511は、粒子の物性値、例えば、ヤング率、ポアソン比、及び摩擦係数等を設定する。粒子・構造物間作用力計算部1512は、粒子及び粒子に関連して配された容器壁等の構造物間の作用力である、接触力、付着力、静電気力及び磁気力の計算を行う。粒子間作用力計算部1513は、2粒子間の作用力である、接触力、付着力、静電気力及び磁気力の計算を行う。粒子外力計算部115は粒子に作用する外力、例えば重力等の計算を行う。粒子変位計算部116は、粒子に働く力に基づいて運動方程式を解き、粒子の速度、並行変位及び回転変位の計算を行う。粒子挙動表示部117は、各時間ステップにおける粒子及び構造物の位置を表示する。   The control unit 100 controls the entire program 2. The initial condition setting unit 111 sets calculation conditions, for example, the initial arrangement and radius of particles, the shape, size and position of the structure constituting the analysis region, time step, and physical property values such as Young's modulus. The particle property value setting unit 1511 sets particle property values such as Young's modulus, Poisson's ratio, and friction coefficient. The particle-structure interaction force calculation unit 1512 calculates the contact force, adhesion force, electrostatic force, and magnetic force, which is the interaction force between the particle and the structure such as a container wall arranged in association with the particle. . The interparticle action force calculation unit 1513 calculates contact force, adhesion force, electrostatic force, and magnetic force, which are action forces between two particles. The particle external force calculation unit 115 calculates an external force acting on the particles, such as gravity. The particle displacement calculator 116 solves the equation of motion based on the force acting on the particle, and calculates the velocity, parallel displacement, and rotational displacement of the particle. The particle behavior display unit 117 displays the positions of particles and structures at each time step.

実際の計算では、粒子物性値設定部1511、粒子・構造物間作用力計算部1512、粒子間作用力計算部1513、粒子外力計算部115及び粒子変位計算部116が処理を繰り返すことにより、粒子の挙動を求める。
「水平管内粒状体プラグ流の直接数値シミュレーション(付着力がない場合)」(田中敏嗣, 石田俊哉, 辻裕、日本機械学会論文集(B編)、 Vol. 57, No. 534 B,1991年, pp. 456-463.)
In the actual calculation, the particle property value setting unit 1511, the particle / structure interaction force calculation unit 1512, the particle interaction force calculation unit 1513, the particle external force calculation unit 115, and the particle displacement calculation unit 116 repeat processing, Find the behavior of.
"Direct Numerical Simulation of Granular Plug Flow in a Horizontal Pipe (Without Adhesive Force)" (Toshiaki Tanaka, Toshiya Ishida, Hiroshi Tsuji, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (Part B), Vol. 57, No. 534 B, 1991 , pp. 456-463.)

通常、トナー粒子は、外添剤や決着樹脂等、様々な材料で構成されており、表面状態や物性が均一とは限らない。また、トナー粒子の形状は、球形であるとは限らず、表面に凹凸形状ある場合や非球形である場合等、不定形である場合が多い。   Normally, toner particles are made of various materials such as external additives and fixing resins, and the surface state and physical properties are not always uniform. Further, the shape of the toner particles is not necessarily spherical, but is often indefinite, such as when the surface is uneven or non-spherical.

また、トナー粒子の表面物性や形状がトナー粒子の流動性や凝集性に非常に大きく影響することが知られている。さらに、トナーは絶縁体のため、電荷が表面に分布していると考えられる。ここで、粒子表面における電荷量の分布はトナー粒子間又はトナー粒子及び構造物間における静電気力に非常に大きく影響すると考えられる。   Further, it is known that the surface physical properties and shape of toner particles have a great influence on the fluidity and aggregation properties of toner particles. Further, since the toner is an insulator, it is considered that electric charges are distributed on the surface. Here, it is considered that the distribution of the charge amount on the particle surface has a great influence on the electrostatic force between the toner particles or between the toner particles and the structure.

しかしながら、従来の粒子挙動解析方法では、粒子毎に物性値を設定しているため、粒子を均質物質とみなす必要があり、粒子の表面状態や、物性値又は物理量が不均一の場合を考慮に入れることができない。   However, in the conventional particle behavior analysis method, since the physical property value is set for each particle, it is necessary to regard the particle as a homogeneous material, and the case where the particle surface state, physical property value, or physical quantity is not uniform is taken into consideration. I can't put it in.

また、接触判定を容易にするために、粒子を円、円柱又は球で表しているため、凹凸形状や非球形等の不定形な形状による粒子の挙動の違いを計算することが難しい。   Further, since the particles are represented by a circle, a cylinder, or a sphere for easy contact determination, it is difficult to calculate the difference in the behavior of the particles due to irregular shapes such as irregular shapes and non-spherical shapes.

本発明は、粒子の表面における形状、物性値又は物理量の不均一性による影響を考慮した粒子挙動の計算を行うことができる粒子挙動解析装置、粒子挙動解析方法、プログラム及び記憶媒体を提供することにある。   The present invention provides a particle behavior analysis apparatus, a particle behavior analysis method, a program, and a storage medium capable of calculating particle behavior in consideration of the influence of the shape, physical property value, or physical quantity nonuniformity on the surface of the particle. It is in.

上記目的を達成するために、本発明の粒子挙動解析装置は、粒子及び構造物が存在する環境において前記粒子の挙動を解析する粒子挙動解析装置であって、前記粒子の表面を幾つかの粒子サイトに分割し、且つ該分割された各粒子サイトに物性値及び物理量の少なくとも一方を設定するサイト条件設定部と、前記サイト条件設定部により設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト及び前記構造物間の作用力を計算するサイト・構造物間作用力計算部と、前記サイト条件設定部により設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト間の作用力を計算するサイト間作用力計算部とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a particle behavior analysis apparatus according to the present invention is a particle behavior analysis apparatus for analyzing the behavior of particles in an environment where particles and structures exist, and the surface of the particles is divided into several particles. Based on at least one of the physical property value and the physical quantity set by the site condition setting unit that is divided into sites and sets at least one of the physical property value and the physical quantity at each divided particle site. Based on at least one of the physical property value and the physical quantity set by the site condition setting unit, the site-structure interaction force calculation unit that calculates the interaction force between the particle site and the structure, And an inter-site action force calculation unit for calculating an action force between the particle sites.

上記目的を達成するために、本発明の粒子挙動解析方法は、粒子及び構造物が存在する環境において前記粒子の挙動を解析する粒子挙動解析方法であって、前記粒子の表面を幾つかの粒子サイトに分割し、且つ該分割された各粒子サイトに前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方を設定する粒子サイト条件設定ステップと、前記サイト条件設定ステップにおいて設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト及び構造物間の作用力を計算する粒子サイト・構造物間作用力計算ステップと、前記サイト条件設定ステップにおいて設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト間の作用力を計算する粒子サイト間の作用力計算ステップとを有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the particle behavior analysis method of the present invention is a particle behavior analysis method for analyzing the behavior of the particle in an environment where the particle and the structure exist. A particle site condition setting step that divides into sites and sets at least one of the physical property value and the physical quantity at each of the divided particle sites; and at least the physical property value and the physical quantity set in the site condition setting step Based on at least one of the physical property value and the physical quantity set in the particle site / structure acting force calculating step for calculating the acting force between the particle site and the structure based on the one, and the site condition setting step And an action force calculation step between the particle sites for calculating an action force between the particle sites.

上記目的を達成するために、本発明のプログラムは、粒子及び構造物が存在する環境において前記粒子の挙動を解析する粒子挙動解析方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、前記粒子の表面を幾つかの粒子サイトに分割し、且つ該分割された各粒子サイトに前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方を設定する粒子サイト条件設定モジュールと、前記サイト条件設定モジュールにより設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト及び構造物間の作用力を計算する粒子サイト・構造物間作用力計算モジュールと、前記サイト条件設定モジュールにより設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト間の作用力を計算する粒子サイト間の作用力計算モジュールとを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a program according to the present invention is a program for causing a computer to execute a particle behavior analysis method for analyzing the behavior of the particles in an environment where the particles and structures exist. A particle site condition setting module that divides the particle site and sets at least one of the physical property value and the physical quantity at each of the divided particle sites; the physical property value set by the site condition setting module; and Based on at least one of the physical quantities, the particle site / structure acting force calculation module for calculating the acting force between the particle sites and the structure, and at least the physical property value and the physical quantity set by the site condition setting module. Based on one, the force calculation module between the particle sites is calculated. Characterized in that it comprises a Yuru.

上記目的を達成するために、本発明の記憶媒体は、上記プログラムを格納することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a storage medium of the present invention stores the above program.

本発明によれば、粒子の表面を幾つかの粒子サイトに分割し、各粒子サイトに物性値及び物理量の少なくとも一方を設定し、粒子サイトに設定された物性値及び物理量の少なくとも一方に基づいて作用力を計算するので、粒子の表面における形状、物性値又は物理量の不均一性による影響を考慮した粒子挙動の計算を行うことができる。   According to the present invention, the particle surface is divided into several particle sites, at least one of a physical property value and a physical quantity is set for each particle site, and based on at least one of the physical property value and the physical quantity set for the particle site. Since the acting force is calculated, the particle behavior can be calculated in consideration of the influence of the nonuniformity of the shape, physical property value, or physical quantity on the surface of the particle.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

まず、本発明の第1の実施の形態に係る粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法について説明する。本実施の形態に係る粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法は、複数の粒子同士や粒子及び構造物が接触する環境において、粒子表面をサイト分割し(以下、分割された粒子表面の各領域を「粒子サイト」という。)、互いに最近接の粒子サイト間、又は構造物に対して最近接の粒子サイト及び当該構造物間の作用力を求める。本実施の形態では、2次元断面内に粒子と構造物が配置された場合、すなわち、2次元モデルにおける粒子挙動計算を代表例として行うものとし、作用力としてDEMに基づく接触力を考慮し、物性値として滑り摩擦係数を考慮する。   First, the particle behavior analysis apparatus and the particle behavior analysis method according to the first embodiment of the present invention will be described. In the particle behavior analysis apparatus and the particle behavior analysis method according to the present embodiment, the particle surface is divided into sites (hereinafter, each region of the divided particle surface is divided) in an environment where a plurality of particles or particles and structures are in contact with each other. (Referred to as “particle site”), and the acting force between the closest particle sites or between the closest particle site and the structure with respect to the structure. In the present embodiment, when particles and structures are arranged in a two-dimensional cross section, that is, particle behavior calculation in a two-dimensional model is performed as a representative example, considering the contact force based on DEM as an acting force, The sliding friction coefficient is considered as a physical property value.

図1は、本実施の形態に係る粒子挙動解析装置の概略構成を示すブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the particle behavior analysis apparatus according to the present embodiment.

図1において、粒子挙動解析装置1は、CPU400、RAM401、表示装置402、入力部403、外部記憶装置404及びバス405を備える。   In FIG. 1, the particle behavior analysis apparatus 1 includes a CPU 400, a RAM 401, a display device 402, an input unit 403, an external storage device 404, and a bus 405.

また、RAM401は、プログラム格納部401a、初期条件データ格納部401b、粒子データ格納部401c、サイトデータ格納部401d、構造物データ格納部401e、粒子に働く外力、例えば、重力のデータを格納する粒子外力データ格納部401f、粒子の接触位置を格納する粒子接触位置データ格納部401g、2物体間の接触距離を格納する2物体間接触距離データ格納部401h、粒子に働く作用力を格納する粒子作用力データ格納部401i、及び粒子の基準軸を格納する粒子基準軸データ格納部401jを備えている。   The RAM 401 includes a program storage unit 401a, an initial condition data storage unit 401b, a particle data storage unit 401c, a site data storage unit 401d, a structure data storage unit 401e, and particles that store external force acting on the particles, for example, gravity data. External force data storage unit 401f, particle contact position data storage unit 401g for storing the contact position of particles, two-object contact distance data storage unit 401h for storing the contact distance between two objects, particle action for storing the acting force acting on the particles A force data storage unit 401i and a particle reference axis data storage unit 401j that stores a reference axis of particles are provided.

CPU400は、中央処理装置であり、バス405を介して接続された各部を制御する。RAM401の各格納部401a〜401jには、後述する図2のプログラム、初期条件データ、粒子データ、サイトデータ、構造物データ、粒子外力データ、粒子接触位置データ、2物体間接触距離データ、粒子作用力データ、粒子基準軸データがそれぞれ格納される。   The CPU 400 is a central processing unit and controls each unit connected via the bus 405. Each storage unit 401a to 401j of the RAM 401 includes a program shown in FIG. 2 described later, initial condition data, particle data, site data, structure data, particle external force data, particle contact position data, two-object contact distance data, and particle action. Force data and particle reference axis data are stored.

表示装置402は、ディスプレイやプリンタ等から構成され、CPU400の制御によって表示すべきデータを表示する。入力部403は、キーボードやマウス等から構成され、外部からの入力データを粒子挙動解析装置1内に入力する。外部記憶装置404は、ハードディスク等で構成されており、各種データを記憶する。   The display device 402 includes a display, a printer, and the like, and displays data to be displayed under the control of the CPU 400. The input unit 403 includes a keyboard, a mouse, and the like, and inputs externally input data into the particle behavior analysis apparatus 1. The external storage device 404 is composed of a hard disk or the like and stores various data.

以下、RAM401の各格納部401a〜401jに格納される各データについて説明する。初期条件データは、時間ステップや計算実時間等、計算条件に関する値である。粒子データは、各粒子の並行変位、回転変位、位置座標、速度、半径等の物性値である。サイトデータは、粒子サイト分割数、各粒子サイトに設定されるヤング率、ポアソン比、摩擦係数及び比重等の物性値、各粒子サイトの電荷量、磁化量、磁気モーメント、電気双極子モーメント及び吸着水分量等の物理量、各粒子サイトに対する角度、すわなち、各粒子サイト及び粒子の基準軸がなす角度の情報、並びに、各粒子サイトの代表点情報等である。構造物データは、容器壁等の構造物の位置、形状、寸法、構造物が移動する場合の速度情報、構造物のヤング率や摩擦係数等の物性値等である。粒子外力データは、粒子に働く外力である重力等の情報である。粒子接触位置データは粒子が構造物に接触した時の粒子の基準軸から接触位置までの接触角度θc、すなわち、粒子中心から接触位置に向かう線分が、粒子の基準軸に対して成す角度θcの値である。2物体間接触距離データは、粒子同士や、粒子及び構造物の接触距離であり、2物体の重複部分の長さで定義される値である。粒子作用力データは、各粒子サイトに働く作用力である接触力を合力した値である。粒子基準軸データは、粒子の回転変位を表す軸であり、粒子に固定されて粒子とともに回転する粒子の基準軸に関するデータである。   Hereinafter, each data stored in each of the storage units 401a to 401j of the RAM 401 will be described. The initial condition data is a value related to calculation conditions such as a time step and a calculation actual time. The particle data is a physical property value such as a parallel displacement, a rotational displacement, a position coordinate, a velocity, and a radius of each particle. Site data includes the number of particle sites divided, Young's modulus set at each particle site, physical properties such as Poisson's ratio, friction coefficient and specific gravity, charge amount of each particle site, magnetization, magnetic moment, electric dipole moment and adsorption. It is a physical quantity such as a moisture content, an angle with respect to each particle site, that is, information on an angle formed by each particle site and the reference axis of each particle, and representative point information of each particle site. The structure data includes the position, shape, and dimensions of the structure such as the container wall, speed information when the structure moves, and physical property values such as the Young's modulus and friction coefficient of the structure. The particle external force data is information such as gravity that is an external force acting on the particle. The particle contact position data includes the contact angle θc from the particle reference axis to the contact position when the particle contacts the structure, that is, the angle θc formed by the line segment from the particle center to the contact position with respect to the particle reference axis. Is the value of The contact distance data between two objects is a contact distance between particles or between a particle and a structure, and is a value defined by the length of an overlapping portion of two objects. The particle acting force data is a value obtained by combining the contact forces, which are acting forces acting on each particle site. The particle reference axis data is an axis representing the rotational displacement of the particle, and is data relating to the reference axis of the particle fixed to the particle and rotating together with the particle.

図2は、本実施の形態における、粒子表面を粒子サイトに分割し、且つ粒子の表面における物性値及び物理量の少なくとも一方の不均一性を考慮した粒子挙動の計算に対応するプログラムの構成を示す図である。   FIG. 2 shows the configuration of a program corresponding to the calculation of particle behavior in which the particle surface is divided into particle sites and the non-uniformity of at least one of the physical property value and physical quantity on the particle surface is taken into account in the present embodiment. FIG.

図2において、プログラム2は、制御部100、初期条件設定部111、サイト条件設定部112、サイト・構造物間作用力計算部113、サイト間作用力計算部114、粒子外力計算部115、粒子変位計算部116及び粒子挙動表示部117からなる。これらのうち、制御部100、初期条件設定部111、粒子外力計算部115、粒子変位計算部116及び粒子挙動表示部117は、上述した図18のプログラムにおける構成要素と同じであるため、これらの構成要素についての説明を省略する。   In FIG. 2, the program 2 includes a control unit 100, an initial condition setting unit 111, a site condition setting unit 112, a site / structure acting force calculation unit 113, an intersite action force calculation unit 114, a particle external force calculation unit 115, a particle A displacement calculation unit 116 and a particle behavior display unit 117 are included. Among these, the control unit 100, the initial condition setting unit 111, the particle external force calculation unit 115, the particle displacement calculation unit 116, and the particle behavior display unit 117 are the same as the components in the program of FIG. A description of the components is omitted.

粒子サイト条件設定部112は、粒子サイト分割数、ヤング率、ポアソン比、滑り摩擦係数、転がり摩擦係数、比重等の各粒子サイトの物性値、各粒子サイトに対する角度情報、並びに、各粒子サイトの代表点等の粒子サイトに関する初期条件の設定を行う。また、物性値は各粒子サイトに個別に設定される。サイト・構造物間作用力計算部113は、互いに接触する粒子サイトと構造物の接触力の計算を行う。サイト間作用力計算部114は、互いに接触する粒子サイト同士の接触力の計算を行う。   The particle site condition setting unit 112 includes the particle site division number, Young's modulus, Poisson's ratio, sliding friction coefficient, rolling friction coefficient, specific gravity and other physical property values of each particle site, angle information for each particle site, and each particle site. Set initial conditions for particle sites such as representative points. The physical property values are individually set for each particle site. The site / structure interaction force calculator 113 calculates the contact force between the particle site and the structure that are in contact with each other. The inter-site action force calculation unit 114 calculates the contact force between the particle sites that are in contact with each other.

実際の計算では、初期条件設定部111、サイト条件設定部112、サイト・構造物間作用力計算部113、サイト間作用力計算部114、粒子外力計算部115、及び粒子変位計算部116が処理を繰り返すことにより、粒子表面を粒子サイトに分割して粒子表面における物性(物性値及び物理量)の不均一性を考慮した各タイミングにおける粒子挙動の計算を行うことができる。   In the actual calculation, the initial condition setting unit 111, the site condition setting unit 112, the site / structure interaction force calculation unit 113, the site interaction force calculation unit 114, the particle external force calculation unit 115, and the particle displacement calculation unit 116 are processed. By repeating the above, it is possible to calculate the particle behavior at each timing in consideration of the non-uniformity of physical properties (physical property values and physical quantities) on the particle surface by dividing the particle surface into particle sites.

以下、サイト・構造物間作用力計算部113及びサイト間作用力計算部114について詳細に説明する。   Hereinafter, the site-structure interaction force calculator 113 and the site interaction force calculator 114 will be described in detail.

図3は、図2におけるサイト・構造物間作用力計算部に対応するプログラムの構成を示す図である。   FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a program corresponding to the site-structure acting force calculation unit in FIG.

図3において、サイト・構造物間作用力計算部113は、粒子・構造物間接触判定部201、粒子基準軸計算部202、粒子・構造物接触位置計算部203、接触サイト特定部204及び接触サイト・構造物間作用力計算部205からなる。   In FIG. 3, the site / structure interaction force calculation unit 113 includes a particle / structure contact determination unit 201, a particle reference axis calculation unit 202, a particle / structure contact position calculation unit 203, a contact site identification unit 204, and a contact. It comprises a site-structure interaction force calculation unit 205.

粒子・構造物間接触判定部201は、粒子と構造物間の接触距離δを求め、該接触距離δに基づいて粒子と構造物間の接触/非接触の判定を行う。接触/非接触の判定は、上述した従来の方法と同様にDEMを用いる。粒子基準軸計算部202は、粒子の回転変位に基づいて粒子の基準軸を計算する。粒子・構造物接触位置計算部203は、粒子の基準軸から接触位置までの接触角度θcを計算する。接触サイト特定部204は、粒子・構造物接触位置計算部203が計算した接触角度θc、及び粒子のサイト情報に基づいて接触している粒子サイトを特定する。接触サイト・構造物間作用力計算部205は、粒子及び構造物間の接触距離δ、並びに粒子サイトの物性値に基づいて、互いに接触している粒子サイト及び構造物間の接触力を計算する。具体的には、上述した式(1)〜(14)に、接触している粒子サイトの物性値を代入して接触力を求める。 Particles and structures between the contact determination unit 201 determines the contact distance [delta] 1 between the particles and the structure, a determination of the contact / non-contact between the particles and the structure based on the contact distance [delta] 1. The contact / non-contact determination uses DEM as in the conventional method described above. The particle reference axis calculation unit 202 calculates the particle reference axis based on the rotational displacement of the particles. The particle / structure contact position calculation unit 203 calculates a contact angle θc from the reference axis of the particle to the contact position. The contact site specifying unit 204 specifies the contacted particle site based on the contact angle θc calculated by the particle / structure contact position calculating unit 203 and the particle site information. The contact site / structure interaction force calculation unit 205 calculates the contact force between the particle site and the structure that are in contact with each other based on the contact distance δ 1 between the particle and the structure and the physical property value of the particle site. To do. Specifically, the contact force is obtained by substituting the physical property value of the particle site in contact with the above-described formulas (1) to (14).

図4は、図2におけるサイト間作用力計算部に対応するプログラムの構成を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a program corresponding to the inter-site action force calculation unit in FIG.

図4において、サイト間作用力計算部114は、粒子間接触判定部301、粒子基準軸計算部302、粒子接触位置計算部303、接触サイト特定部304及び接触サイト間作用力計算部305からなる。   In FIG. 4, the intersite action force calculation unit 114 includes an interparticle contact determination unit 301, a particle reference axis calculation unit 302, a particle contact position calculation unit 303, a contact site specifying unit 304, and a contact site interacting force calculation unit 305. .

粒子間接触判定部301は、粒子間の接触距離δを求め、該接触距離δに基づいて粒子間の接触/非接触の判定を行う。接触/非接触の判定は、上述した従来の方法と同様にDEMを用いる。粒子基準軸計算部302は、各粒子において、粒子の回転変位に基づいて粒子の基準軸を計算する。粒子接触位置計算部303は、各粒子において、粒子の基準軸から接触位置までの接触角度θcを計算する。接触サイト特定部304は、粒子接触位置計算部303が計算した接触角度θc、及び粒子のサイト情報に基づいて接触している粒子サイトを特定する。接触サイト作用力計算部305は、粒子間の接触距離δ、並びに粒子サイトの物性値に基づいて、互いに接触している粒子サイト間の接触力を計算する。具体的には、上述した式(1)〜(14)に、接触している粒子サイトの物性値を代入して接触力を求める。 The interparticle contact determination unit 301 determines the contact distance [delta] 2 between the particles, determination of the contact / non-contact between the particles based on the contact distance [delta] 2. The contact / non-contact determination uses DEM as in the conventional method described above. The particle reference axis calculation unit 302 calculates the reference axis of the particle based on the rotational displacement of the particle in each particle. The particle contact position calculation unit 303 calculates the contact angle θc from the reference axis of the particle to the contact position for each particle. The contact site specifying unit 304 specifies the contacted particle site based on the contact angle θc calculated by the particle contact position calculation unit 303 and the particle site information. The contact site acting force calculation unit 305 calculates the contact force between the particle sites in contact with each other based on the contact distance δ 2 between the particles and the physical property value of the particle site. Specifically, the contact force is obtained by substituting the physical property value of the particle site in contact with the above-described formulas (1) to (14).

図5は、本実施の形態に係る粒子挙動解析方法としてのサイト・構造物間作用力計算処理のフローチャートである。図5の処理はサイト・構造物間作用力計算部113が実行する。   FIG. 5 is a flowchart of site-structure interaction force calculation processing as a particle behavior analysis method according to the present embodiment. 5 is executed by the site-structure acting force calculator 113.

まず、粒子・構造物間接触判定部201が着目粒子及び構造物の接触を判定する(ステップS501、S502)。具体的には、接触/非接触の判定を上述した従来の粒子挙動解析方法と同様にDEMによって行う。   First, the particle / structure contact determination unit 201 determines the contact between the target particle and the structure (steps S501 and S502). Specifically, the contact / non-contact determination is performed by DEM as in the conventional particle behavior analysis method described above.

着目粒子と構造物が接触していない場合は、ステップS507に進み、着目粒子と構造物が接触している場合は、粒子基準軸計算部202が粒子データ格納部401cに格納されている粒子の回転変位に基づいて粒子の基準軸を計算し、該計算された粒子の基準軸を粒子基準軸データ格納部401jに格納し(ステップS503)、粒子・構造物間接触位置計算部203が、粒子の基準軸から接触位置までの接触角度θcを計算し、該計算された接触角度θcを粒子接触位置データ格納部401gに格納する(ステップS504)。   If the target particle and the structure are not in contact with each other, the process proceeds to step S507. If the target particle and the structure are in contact with each other, the particle reference axis calculation unit 202 stores the particle stored in the particle data storage unit 401c. The particle reference axis is calculated based on the rotational displacement, the calculated particle reference axis is stored in the particle reference axis data storage unit 401j (step S503), and the particle-structure contact position calculation unit 203 stores the particle The contact angle θc from the reference axis to the contact position is calculated, and the calculated contact angle θc is stored in the particle contact position data storage unit 401g (step S504).

次いで、接触サイト特定部204が、ステップS504において粒子接触位置データ格納部401gに格納された接触角度θc、粒子データ格納部401cに格納されている粒子データ、及びサイトデータ格納部401dに格納されているサイトデータに基づいて、どの粒子サイトが構造物に接触しているかを特定する(ステップS505)。具体的には、粒子サイトの角度情報及び接触角度θcを比較し、接触部位がどの粒子サイトに属するかを特定する。   Next, the contact site specifying unit 204 is stored in the contact angle θc stored in the particle contact position data storage unit 401g in step S504, the particle data stored in the particle data storage unit 401c, and the site data storage unit 401d. It is specified which particle site is in contact with the structure based on the existing site data (step S505). Specifically, the angle information of the particle site and the contact angle θc are compared, and the particle site to which the contact site belongs is specified.

次いで、接触サイト・構造物間作用力計算部205が、粒子データ格納部401cに格納されている粒子データ、サイトデータ格納部401dに格納されているサイトデータ、構造物データ格納部401eに格納されている構造物データ、及び2物体間接触距離データ格納部401hに格納されている2物体間接触距離データに基づいて、接触力を計算し、該計算された接触力を粒子作用力データ格納部401iに格納する(ステップS506)。具体的には、従来例で示した(1)〜(14)式に、接触している粒子の物性値、粒子サイトの物性値、及び構造物の物性値を、サイトデータ格納部401d、粒子データ格納部401c及び構造物データ格納部401eを参照して代入することによって接触力を計算する。   Next, the contact site / structure acting force calculation unit 205 stores the particle data stored in the particle data storage unit 401c, the site data stored in the site data storage unit 401d, and the structure data storage unit 401e. The contact force is calculated based on the structure data being stored and the contact distance data between the two objects stored in the contact distance data storage unit 401h between the two objects, and the calculated contact force is stored in the particle action force data storage unit. 401i is stored (step S506). Specifically, in the formulas (1) to (14) shown in the conventional example, the physical property value of the contacting particle, the physical property value of the particle site, and the physical property value of the structure are represented by the site data storage unit 401d, the particle The contact force is calculated by substituting with reference to the data storage unit 401c and the structure data storage unit 401e.

その後、対象となる全ての構造物及び粒子について接触力を計算したか否かを判定し(ステップS507,S508)、全ての構造物又は粒子について接触力を計算していない場合は、ステップS501に戻り、全ての構造物及び粒子について接触力を計算していた場合は、本処理を終了する。   Thereafter, it is determined whether or not the contact force has been calculated for all target structures and particles (steps S507 and S508). If the contact force has not been calculated for all structures or particles, the process proceeds to step S501. Returning, when the contact force has been calculated for all the structures and particles, this process is terminated.

図6は、本実施の形態に係る粒子挙動解析方法としての粒子サイト間作用力計算処理のフローチャートである。図6の処理は粒子サイト間作用力計算部114が実行する。   FIG. 6 is a flowchart of the inter-particle site force calculation process as the particle behavior analysis method according to the present embodiment. The processing of FIG. 6 is executed by the inter-particle site force calculation unit 114.

まず、粒子間接触判定部301が着目粒子及び他粒子の接触を判定する(ステップS509、S510)。具体的には、接触/非接触の判定を上述した従来の粒子挙動解析方法と同様にDEMによって行う。   First, the interparticle contact determination unit 301 determines contact between the target particle and other particles (steps S509 and S510). Specifically, the contact / non-contact determination is performed by DEM as in the conventional particle behavior analysis method described above.

着目粒子と他粒子が接触していない場合は、ステップS515に進み、着目粒子と他粒子が接触している場合は、粒子基準軸計算部302が、各粒子について、粒子データ格納部401cに格納されている粒子の回転変位に基づいて粒子の基準軸を計算し、該計算された粒子の基準軸を粒子基準軸データ格納部401jに格納し(ステップS511)、粒子接触位置計算部303が、粒子の基準軸から接触位置までの接触角度θcを計算し、該計算された接触角度θcを粒子接触位置データ格納部401gに格納する(ステップS512)。   If the target particle and other particles are not in contact, the process proceeds to step S515. If the target particle and other particles are in contact, the particle reference axis calculation unit 302 stores each particle in the particle data storage unit 401c. The particle reference axis is calculated based on the rotational displacement of the particles being stored, the calculated particle reference axis is stored in the particle reference axis data storage unit 401j (step S511), and the particle contact position calculation unit 303 The contact angle θc from the particle reference axis to the contact position is calculated, and the calculated contact angle θc is stored in the particle contact position data storage unit 401g (step S512).

次いで、接触サイト特定部304が、ステップS512において粒子接触位置データ格納部401gに格納された接触角度θc、粒子データ格納部401cに格納されている粒子データ、及びサイトデータ格納部401dに格納されているサイトデータに基づいて、着目粒子において、どの粒子サイトが他粒子に接触しているかを特定する(ステップS513)。具体的には、各粒子サイトの角度情報及び接触角度θcを比較し、接触部位がどの粒子サイトに属するかを特定する。   Next, the contact site identification unit 304 is stored in the contact angle θc stored in the particle contact position data storage unit 401g in step S512, the particle data stored in the particle data storage unit 401c, and the site data storage unit 401d. Based on the existing site data, which particle site is in contact with other particles in the target particle is specified (step S513). Specifically, the angle information and contact angle θc of each particle site are compared, and the particle site to which the contact site belongs is specified.

次いで、接触サイト間作用力計算部305が、粒子データ格納部401cに格納されている粒子データ、サイトデータ格納部401dに格納されているサイトデータ、及び2物体間接触距離データ格納部401hに格納されている2物体間接触距離データに基づいて、接触力を計算し、該計算された接触力を粒子作用力データ格納部401iに格納する(ステップS514)。具体的には、従来例で示した(1)〜(14)式に、接触している各粒子の物性値及び各粒子サイトの物性値を、サイトデータ格納部401d及び粒子データ格納部401cを参照して代入することによって接触力を計算する。   Next, the contact site interaction force calculation unit 305 stores the particle data stored in the particle data storage unit 401c, the site data stored in the site data storage unit 401d, and the contact distance data storage unit 401h between the two objects. Based on the contact distance data between the two objects, the contact force is calculated, and the calculated contact force is stored in the particle action force data storage unit 401i (step S514). Specifically, in the equations (1) to (14) shown in the conventional example, the physical property value of each particle in contact and the physical property value of each particle site are stored in the site data storage unit 401d and the particle data storage unit 401c. The contact force is calculated by reference and substitution.

その後、対象となる全ての着目粒子及び他粒子について接触力を計算したか否かを判定し(ステップS515,S516)、全ての着目粒子又は他粒子について接触力を計算していない場合は、ステップS509に戻り、全ての着目粒子及び他粒子について接触力を計算していた場合は、本処理を終了する。   Thereafter, it is determined whether or not the contact force has been calculated for all target particles and other particles of interest (steps S515 and S516). If the contact force has not been calculated for all target particles or other particles, step Returning to S509, if the contact force has been calculated for all the particles of interest and other particles, this process ends.

図7は、本実施の形態における、2つにサイト分割された粒子及び構造物の接触時における滑り摩擦力の計算を時間ステップ毎に示す図であり、(A)はt=t [sec]における滑り摩擦力の計算を示す図であり、(B)はt=t[sec]における滑り摩擦力の計算を示す図である。なお、図7では、説明を容易にするために1つの粒子と構造物とが接触する場合を考慮する。 FIG. 7 is a diagram showing calculation of sliding frictional force at the time step in contact with the particle and structure divided into two sites in this embodiment, and (A) shows t = t 1 [sec. Is a diagram showing the calculation of the sliding frictional force in FIG. 7, and (B) is a diagram showing the calculation of the sliding frictional force at t = t 2 [sec]. In FIG. 7, the case where one particle and a structure are in contact with each other is considered for ease of explanation.

図7(A),(B)において、粒子601は粒子基準軸605を有し、その表面が2つのサイト603,604に分割されている。この粒子601は構造物602に接触している。また、図中における矢印606は粒子601に働く法線方向の接触力を示し、矢印607は粒子601に働く接線方向の接触力を示す。   7A and 7B, a particle 601 has a particle reference axis 605 and its surface is divided into two sites 603 and 604. The particles 601 are in contact with the structure 602. In the figure, an arrow 606 indicates a normal direction contact force acting on the particle 601, and an arrow 607 indicates a tangential contact force acting on the particle 601.

ここで、サイト603は粒子601の粒子基準軸605に対して時計回りで0°から180°までの範囲であり、サイト604は粒子601の粒子基準軸605に対して時計回りで180°から360°までの範囲である。なお、粒子基準軸605に対する時計回りの接触角度とは、粒子601の中心から接触位置に向かう線分が、粒子基準軸605に対して成す角度を意味し、以下、これを単に「接触角度」という。   Here, the site 603 is in the range from 0 ° to 180 ° clockwise with respect to the particle reference axis 605 of the particle 601, and the site 604 is 180 ° to 360 clockwise with respect to the particle reference axis 605 of the particle 601. Range up to °. The clockwise contact angle with respect to the particle reference axis 605 means an angle formed by a line segment from the center of the particle 601 toward the contact position with respect to the particle reference axis 605. Hereinafter, this is simply referred to as “contact angle”. That's it.

また、サイト603の最大静止摩擦係数μ01及び動摩擦係数μf1をμ01f1=0.5に設定し、サイト604の最大静止摩擦係数μ02及び動摩擦係数μf2をμ02f2=1.0に設定する。さらに、t=t,t [sec]において、粒子601は構造物602に接触し、上述した式(1)〜(10)で計算される粒子に働く力は不変であるとして、上記式(3)に基づいて計算される粒子601に働く法線方向の接触力606を1.0 [N]とし、上記式(8)に基づいて計算される粒子601に働く接線方向の接触力607を0.75 [N]とする。 Further, the maximum static friction coefficient μ 01 and the dynamic friction coefficient μ f1 of the site 603 are set to μ 01 = μ f1 = 0.5, and the maximum static friction coefficient μ 02 and the dynamic friction coefficient μ f2 of the site 604 are set to μ 02 = μ f2 Set to = 1.0. Further, at t = t 1 , t 2 [sec], the particle 601 comes into contact with the structure 602, and the force acting on the particle calculated by the above-described equations (1) to (10) is assumed to be unchanged. The contact force 606 in the normal direction acting on the particle 601 calculated based on (3) is 1.0 [N], and the contact force 607 in the tangential direction acting on the particle 601 calculated based on the above equation (8). Is 0.75 [N].

図7(A)において、粒子601と構造物602は接触し、粒子601の接触角度が135°であり、サイト603が構造物602に接触している。ここで、最大静止摩擦力は上記式(11)より0.5 [N]となり、粒子601に働く接線方向の接触力607が最大静止摩擦力より大きくなるため、粒子601は滑っているとみなされる。このとき、動摩擦力は上記式(13)より0.5 [N]となる。   In FIG. 7A, the particle 601 and the structure 602 are in contact with each other, the contact angle of the particle 601 is 135 °, and the site 603 is in contact with the structure 602. Here, the maximum static frictional force is 0.5 [N] from the above equation (11), and the tangential contact force 607 acting on the particle 601 is larger than the maximum static frictional force, so that the particle 601 is regarded as slipping. It is. At this time, the dynamic friction force is 0.5 [N] from the above equation (13).

図7(B)において、粒子601と構造物602は接触し、粒子601の接触角度が225°であり、サイト604が構造物602に接触している。ここで、最大静止摩擦力は上記式(11)より1.0 [N]となり、粒子601に働く接線方向の接触力607が最大静止摩擦力より小さくなるため、粒子601は滑らないとみなされる。このとき、動摩擦力は上記式(13)より0.75 [N]となる。   In FIG. 7B, the particle 601 and the structure 602 are in contact with each other, the contact angle of the particle 601 is 225 °, and the site 604 is in contact with the structure 602. Here, the maximum static frictional force is 1.0 [N] from the above formula (11), and the tangential contact force 607 acting on the particle 601 is smaller than the maximum static frictional force, so that the particle 601 is regarded as not slipping. . At this time, the dynamic friction force is 0.75 [N] from the above equation (13).

すなわち、上記式(1)〜(10)から計算された粒子601に働く接線方向の接触力が同じであっても、サイト603が構造物602と接触している場合では摩擦係数が小さいため、粒子601は滑り、サイト604が構造物602と接触している場合では摩擦係数が大きいため、粒子601は滑らない。   That is, even if the tangential contact force acting on the particle 601 calculated from the above formulas (1) to (10) is the same, the friction coefficient is small when the site 603 is in contact with the structure 602. The particles 601 slide, and when the site 604 is in contact with the structure 602, the friction coefficient is large, so the particles 601 do not slip.

以上説明したように、本実施の形態によれば、粒子挙動解析において、粒子の表面を幾つかの粒子サイトに分割し、分割した粒子サイト毎に物性値(滑り摩擦係数)を設定し、該設定された物性値を用いて、上記式(1)〜(10)に基づいて作用力(接線方向の接触力)を求めるので、粒子の表面における物性値(滑り摩擦係数)の不均一性による影響を考慮した粒子の挙動を計算することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the particle behavior analysis, the particle surface is divided into several particle sites, and a physical property value (sliding friction coefficient) is set for each divided particle site. Since the acting force (contact force in the tangential direction) is obtained based on the above formulas (1) to (10) using the set physical property value, it depends on the nonuniformity of the physical property value (sliding friction coefficient) on the particle surface. It is possible to calculate the behavior of particles considering the influence.

上述した本実施の形態では、粒子表面の物性値として、粒子における滑り摩擦係数を設定したが、設定される物性値は滑り摩擦係数に限られるものではなく、例えば、DEMで用いられる物性値、具体的には、ヤング率、ポアソン比、曲率半径、反発係数、比重、転がり摩擦係数等を粒子表面の物性値として設定してもよい。   In the present embodiment described above, the sliding friction coefficient in the particle is set as the physical property value of the particle surface, but the set physical property value is not limited to the sliding friction coefficient, for example, a physical property value used in DEM, Specifically, Young's modulus, Poisson's ratio, radius of curvature, coefficient of restitution, specific gravity, rolling friction coefficient, etc. may be set as the physical property values on the particle surface.

また、上述した本実施の形態では、作用力として接触力を計算したが、計算される作用力は接触力に限られるものではなく、例えば、van der Waals力や液架橋力等の付着力等も計算可能である。特に、van der Waals力を計算する場合には、Hamaker定数、表面粗さ、及びヤング率等を物性値として設定すればよい。また、付着力は非接触でも働くが、非接触の場合には、最近接の粒子サイト間、又は構造物及び最近接粒子サイト間における作用力としての付着力を計算する。着目粒子サイトと最近接の粒子サイトとの距離は、上述した方法や、着目粒子サイトの代表点との距離が最も短くなる他の粒子サイトを最近接粒子サイトとする方法等によって計算することができる。   Further, in the present embodiment described above, the contact force is calculated as the acting force, but the calculated acting force is not limited to the contact force, for example, an adhesive force such as a van der Waals force or a liquid crosslinking force. Can also be calculated. In particular, when calculating the van der Waals force, the Hamaker constant, surface roughness, Young's modulus, and the like may be set as physical property values. In addition, although the adhesion force works even without contact, in the case of non-contact, the adhesion force is calculated as an action force between the closest particle sites or between the structure and the closest particle site. The distance between the target particle site and the nearest particle site can be calculated by the method described above, or by using another particle site with the shortest distance from the representative point of the target particle site as the closest particle site. it can.

また、本実施の形態では、分割した粒子サイト毎に、物性値の代わりに粒子の表面の形状や物理量(例えば、液架橋力の計算に必要な吸着水分量等)を示す指標を設定し、上述した方法と同様の方法によって作用力を計算することによって、粒子挙動解析において、粒子の表面における形状や物理量の不均一性による影響を考慮した粒子の挙動を計算することができる。   Further, in the present embodiment, for each divided particle site, an index indicating the shape and physical quantity of the surface of the particle (for example, the amount of adsorbed water necessary for calculating the liquid crosslinking force) is set instead of the physical property value, By calculating the acting force by the same method as described above, in the particle behavior analysis, the behavior of the particles can be calculated in consideration of the influence of the shape and physical quantity non-uniformity on the surface of the particles.

なお、本実施の形態では、粒子を同じ大きさの粒子サイトに分割しているが、分割される粒子サイトの大きさはこれに限られず、粒子を異なる大きさの粒子サイトに分割してもよい。また、その際、粒子及び構造物の接触位置、並びに粒子サイトの座標情報を用いて接触している粒子サイトを特定することが可能である。   In the present embodiment, the particles are divided into particle sites of the same size. However, the size of the particle sites to be divided is not limited to this, and the particles may be divided into particle sites of different sizes. Good. At that time, it is possible to specify the particle site in contact using the contact position of the particle and the structure, and the coordinate information of the particle site.

なお、本実施の形態では、粒子のサイト分割数を2として説明しているが、サイト分割数はこれに限られず、例えば、16分割、32分割、100分割等、任意の分割数を本発明において適用可能である。   In this embodiment, the number of particle site divisions is described as 2, but the number of site divisions is not limited to this. For example, any number of divisions such as 16 divisions, 32 divisions, 100 divisions, etc. may be used in the present invention. Is applicable.

なお、サイト分割数は全ての粒子で同じ分割数でなくてもよく、粒子毎に異なってもよい。例えば、粒径に依存して分割数を変えるという方法を用いてもよく、このとき、粒子サイトの大きさを均一に設定することが可能である。   Note that the number of site divisions does not have to be the same for all particles, and may be different for each particle. For example, a method of changing the number of divisions depending on the particle size may be used, and at this time, the size of the particle site can be set uniformly.

また、本実施の形態では、物性値は各粒子サイトに個別に設定されたが、物性値の設定方法はこれに限られず、例えば、粒子表面における物性値又は物理量の平均値及びばらつきを示す値に基づいて、乱数を用いて各粒子における各粒子サイトの物性値及び物理量の少なくとも一方を設定してもよい。   Further, in this embodiment, the physical property values are individually set for each particle site, but the method for setting the physical property values is not limited to this, for example, a value indicating an average value and variation of the physical property value or physical quantity on the particle surface. Based on the above, at least one of the physical property value and physical quantity of each particle site in each particle may be set using a random number.

また、本実施の形態では、全ての粒子サイトに物性値を設定したが、全ての粒子サイトに物性値を設定する必要はなく、例えば、物性値又は物理量が粒子の表面の一部領域において異なる場合、これらの領域に対応する粒子サイトにのみ物性値又は物理量を設定すればよく、これにより、粒子挙動解析装置1が備えるメモリ(図示しない)の容量を節約することができる。   In this embodiment, the physical property values are set for all the particle sites. However, it is not necessary to set the physical property values for all the particle sites. For example, the physical property values or physical quantities are different in a partial region of the particle surface. In this case, it is only necessary to set physical property values or physical quantities only at the particle sites corresponding to these regions, thereby saving the capacity of a memory (not shown) included in the particle behavior analysis apparatus 1.

また、本実施の形態では、本発明を2次元モデルに適用した例について説明しているが、本発明は3次元モデルに適用してもよい。この場合、3次元モデルにおける各粒子サイトの物性値に基づく作用力を上述した方法と同様の方法によって計算することができ、これにより、3次元モデルにおける粒子挙動をシミュレートすることができる。また、この場合において、粒子における接触位置の判定方法として、立体角を用いた方法や、xyz方向の回転角度を用いる方法等、3次元的な位置を求める方法を適用することができる。また、3次元モデルにおいて、3次元の球を分割する方法として、正多面体を用いる方法や、準正多面体を用いる方法等、3次元的に球を分割する方法を適用することができる。   In this embodiment, an example in which the present invention is applied to a two-dimensional model is described. However, the present invention may be applied to a three-dimensional model. In this case, the acting force based on the physical property value of each particle site in the three-dimensional model can be calculated by a method similar to the method described above, and thereby the particle behavior in the three-dimensional model can be simulated. In this case, as a method for determining the contact position in the particle, a method for obtaining a three-dimensional position such as a method using a solid angle or a method using a rotation angle in the xyz direction can be applied. In the three-dimensional model, as a method of dividing a three-dimensional sphere, a method of dividing a sphere in three dimensions, such as a method using a regular polyhedron or a method using a quasi-regular polyhedron, can be applied.

以下、本実施の形態に係る粒子挙動解析方法を適用する電子写真装置の現像装置における粒子挙動及び帯電量解析について説明する。   Hereinafter, particle behavior and charge amount analysis in the developing device of the electrophotographic apparatus to which the particle behavior analysis method according to the present embodiment is applied will be described.

図8は、本実施の形態に係る粒子挙動解析方法を適用する電子写真装置における画像形成装置の概略構成を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of an image forming apparatus in an electrophotographic apparatus to which the particle behavior analysis method according to the present embodiment is applied.

図8において、画像形成装置700は、感光ドラム701、帯電部材702、現像装置703、現像ローラ704、弾性ローラ705、弾性ブレード706、現像容器707、転写ローラ708、クリーニングブレード709、廃トナー容器710、トナー711及び紙712を備える。   In FIG. 8, an image forming apparatus 700 includes a photosensitive drum 701, a charging member 702, a developing device 703, a developing roller 704, an elastic roller 705, an elastic blade 706, a developing container 707, a transfer roller 708, a cleaning blade 709, and a waste toner container 710. , Toner 711 and paper 712.

現像装置703は、一成分現像剤としてのトナー711を収容する現像容器707と、該現像容器707の長手方向(図中奥行き方向)に延在する開口部に位置し、且つ感光ドラム701と対向設置された現像剤担持体としての現像ローラ704とを備え、感光ドラム701上の静電潜像を現像して可視化する。   The developing device 703 is located in a developing container 707 that stores toner 711 as a one-component developer, and an opening extending in the longitudinal direction (depth direction in the drawing) of the developing container 707, and faces the photosensitive drum 701. A developing roller 704 serving as a developer carrying member is provided, and the electrostatic latent image on the photosensitive drum 701 is developed and visualized.

現像容器707内において、現像剤規制部材である弾性ブレード706が現像ローラ704に当接して搬出されるトナー711の量を規制し、トナー711の薄層を形成する。   In the developing container 707, an elastic blade 706 that is a developer regulating member abuts against the developing roller 704 to regulate the amount of the toner 711 that is carried out, thereby forming a thin layer of the toner 711.

近年、現像装置703ではトナー粒子の安定な攪拌・搬送を実現するために、トナー構成材料や形状を積極的に設計するが、この現像装置703に対して本実施の形態に係る粒子挙動解析方法を適用することにより、表面物性が不均一なトナーや、表面形状が凹凸形状や非球形等の不定形を呈するトナーを用いた場合における、現像ローラ及び弾性ブレードの形状、寸法及び相対位置等を変更したときのトナーの攪拌・搬送状態をコンピュータ等で予測することができる。   In recent years, in the developing device 703, in order to realize stable agitation / conveyance of toner particles, toner constituent materials and shapes are positively designed, and the particle behavior analysis method according to the present embodiment is applied to the developing device 703. By using the toner, the shape, dimensions, relative position, etc. of the developing roller and the elastic blade when the toner having non-uniform surface physical properties or the toner having an irregular shape such as an irregular shape or a non-spherical surface shape is used. The toner agitation / conveyance state at the time of the change can be predicted by a computer or the like.

次に、本発明の第2の実施の形態に係る粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法について説明する。   Next, a particle behavior analysis apparatus and a particle behavior analysis method according to the second embodiment of the present invention will be described.

本実施の形態は、その構成、作用が上述した第1の実施の形態と基本的に同じであり、
粒子サイトの近傍だけでなく遠方にも働く作用力を考慮する点で異なるのみである。したがって、重複した構成、作用については説明を省略し、以下に異なる構成、作用についての説明を行う。
This embodiment is basically the same in configuration and operation as the first embodiment described above,
The only difference is that the acting force acting not only in the vicinity of the particle site but also in the distance is considered. Therefore, the description of the duplicated configuration and operation is omitted, and the description of the different configuration and operation is given below.

また、本実施の形態に係る粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法は、複数の粒子同士や粒子及び構造物が接触する環境において、粒子表面をサイト分割し、粒子サイト間又は粒子サイト及び当該構造物間の作用力を求める。本実施の形態では、2次元断面内に粒子と構造物が配置された場合、すなわち、2次元モデルにおける粒子挙動計算を代表例として行うものとし、作用力として粒子サイト間の静電気力を考慮し、物理量として電荷量を考慮する。   Further, the particle behavior analysis apparatus and the particle behavior analysis method according to the present embodiment divide the particle surface into sites in an environment where a plurality of particles or particles and structures are in contact with each other, and between the particle sites or between the particle sites and the structure. Find the working force between objects. In this embodiment, when particles and structures are arranged in a two-dimensional section, that is, particle behavior calculation in a two-dimensional model is performed as a representative example, and electrostatic force between particle sites is taken into consideration as an acting force. Consider the amount of charge as a physical quantity.

図9は、本実施の形態に係る粒子挙動解析装置の概略構成を示すブロック図である。   FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of the particle behavior analysis apparatus according to the present embodiment.

図9において、粒子挙動解析装置3は、CPU400、RAM401、表示装置402、入力部403、外部記憶装置404及びバス405を備える。   In FIG. 9, the particle behavior analysis device 3 includes a CPU 400, a RAM 401, a display device 402, an input unit 403, an external storage device 404, and a bus 405.

また、RAM401は、プログラム格納部401a、初期条件データ格納部401b、粒子データ格納部401c、サイトデータ格納部401d、構造物データ格納部401e、粒子外力データ格納部401f、粒子作用力データ格納部401i、粒子サイト代表点・構造物間ベクトルデータ格納部1001a、及び粒子サイト代表点間ベクトルデータ格納部1001bを備えている。   The RAM 401 includes a program storage unit 401a, an initial condition data storage unit 401b, a particle data storage unit 401c, a site data storage unit 401d, a structure data storage unit 401e, a particle external force data storage unit 401f, and a particle action force data storage unit 401i. , A particle site representative point / structure vector data storage unit 1001a and a particle site representative point vector data storage unit 1001b.

ここで、CPU400、表示装置402、入力部403、外部記憶装置404及びバス405、さらに、RAM401におけるプログラム格納部401a、初期条件データ格納部401b、粒子データ格納部401c、サイトデータ格納部401d、構造物データ格納部401e、粒子外力データ格納部401f、及び粒子作用力データ格納部401iは、上述した図1の粒子挙動解析装置1における構成要素と同じであるため、これらの構成要素についての説明を省略する。   Here, the CPU 400, display device 402, input unit 403, external storage device 404 and bus 405, program storage unit 401a in the RAM 401, initial condition data storage unit 401b, particle data storage unit 401c, site data storage unit 401d, structure Since the object data storage unit 401e, the particle external force data storage unit 401f, and the particle action force data storage unit 401i are the same as the components in the particle behavior analysis apparatus 1 of FIG. 1 described above, explanations of these components will be given. Omitted.

以下、RAM401の粒子サイト代表点・構造物間ベクトルデータ格納部1001a、及び粒子サイト代表点間ベクトルデータ格納部1001bに格納される各データについて説明する。粒子サイト代表点・構造物間ベクトルデータは、粒子サイトの代表点から構造物に対するベクトルの値である。粒子サイト代表点間ベクトルデータは、粒子サイトの代表点から他の粒子サイトの代表点に対するベクトルの値である。   Hereinafter, each data stored in the particle site representative point / structure vector data storage unit 1001a and the particle site representative point vector data storage unit 1001b of the RAM 401 will be described. The particle site representative point / structure vector data is a vector value from the particle site representative point to the structure. The particle site representative point vector data is a vector value from the representative point of the particle site to the representative point of another particle site.

図10は、本実施の形態における、粒子表面を粒子サイトに分割し、且つ粒子の表面における物性値及び物理量の少なくとも一方の不均一性を考慮した粒子挙動の計算に対応するプログラムの構成を示す図である。   FIG. 10 shows the configuration of a program corresponding to the calculation of particle behavior in which the particle surface is divided into particle sites and the non-uniformity of at least one of the physical property value and the physical quantity on the particle surface is considered in the present embodiment. FIG.

図10において、プログラム4は図2のプログラム2と構成が基本的に同じであり、サイト・構造物間作用力計算部113及びサイト間作用力計算部114の代わりにサイト・構造物間作用力計算部501及びサイト間作用力計算部502を備える点のみ異なる。したがって、以下、サイト・構造物間作用力計算部501とサイト間作用力計算部502についてのみ詳細に説明する。   10, the program 4 has basically the same configuration as the program 2 of FIG. 2, and instead of the site-structure acting force calculator 113 and the site-site acting force calculator 114, the site-structure acting force is used. The only difference is that the calculation unit 501 and the inter-site action force calculation unit 502 are provided. Therefore, only the site-structure interaction force calculator 501 and the site interaction force calculator 502 will be described in detail below.

図11は、図10におけるサイト・構造物間作用力計算部に対応するプログラムの構成を示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a program corresponding to the site-structure acting force calculation unit in FIG.

図11において、サイト・構造物間作用力計算部501は、サイト代表点計算部801、サイト・構造物間ベクトル計算部802及び接触サイト・構造物間作用力計算部803からなる。   In FIG. 11, the site / structure interaction force calculation unit 501 includes a site representative point calculation unit 801, a site / structure vector calculation unit 802, and a contact site / structure interaction force calculation unit 803.

サイト代表点計算部801は、粒子の回転変位及び並行変位に基づいて各粒子サイトの代表点を計算する。具体的には、粒子の回転変位及び並行変位に基づいて、粒子サイト代表点の前の時間ステップから現在の時間ステップまでの移動量を求めて現在の時間ステップにおける粒子サイトの代表点の位置を求める。サイト・構造物間ベクトル計算部802は、下記式(17)に示す、粒子サイト代表点・構造物間ベクトルを計算する。   The site representative point calculation unit 801 calculates a representative point of each particle site based on the rotational displacement and parallel displacement of the particles. Specifically, based on the rotational displacement and parallel displacement of the particle, the amount of movement from the time step before the particle site representative point to the current time step is obtained, and the position of the representative point of the particle site at the current time step is determined. Ask. The site / structure vector calculator 802 calculates a particle site representative point / structure vector represented by the following equation (17).

Figure 2006343876
Figure 2006343876

接触サイト・構造物間作用力計算部803は、粒子サイト代表点・構造物間ベクトル(上記式(17))、各粒子サイトの物理量、及び構造物の物理量に基づいて、粒子サイト及び構造物間の作用力として静電気力を計算する。具体的には、鏡像法を用いて、各粒子サイトに設定された電荷に対する反対極性の鏡像電荷が構造物内に存在すると仮定し、各粒子サイトに働く静電気力(鏡像力)を求める。例えば、平面の導体に対する鏡像力は下記式(18)によって計算される。   The contact site / structure interaction force calculation unit 803 calculates the particle site and the structure based on the particle site representative point / structure vector (the above formula (17)), the physical quantity of each particle site, and the physical quantity of the structure. The electrostatic force is calculated as the acting force between. Specifically, using a mirror image method, it is assumed that a mirror image charge having an opposite polarity to the charge set at each particle site exists in the structure, and an electrostatic force (mirror force) acting on each particle site is obtained. For example, the image force for a planar conductor is calculated by the following equation (18).

Figure 2006343876
Figure 2006343876

ここで、qは粒子サイトの持つ電荷量であり、qは鏡像電荷である。 Here, q i is the charge amount of the particle site, and q m is the mirror image charge.

また、粒子サイト及び構造物間の鏡像力に起因して粒子に対してトルクが働くが、この粒子に働くトルクは、粒子中心から粒子サイト代表点までのベクトルを下記式(19)によって、さらに、粒子サイト代表点に働く鏡像力を下記式(20)によって定義すると、下記式(21)によって計算される。   In addition, torque acts on the particle due to the mirror image force between the particle site and the structure. The torque acting on the particle is further expressed by a vector from the particle center to the particle site representative point by the following equation (19). When the mirror image force acting on the particle site representative point is defined by the following equation (20), it is calculated by the following equation (21).

Figure 2006343876
Figure 2006343876

Figure 2006343876
Figure 2006343876

Figure 2006343876
Figure 2006343876

図12は、図10におけるサイト間作用力計算部に対応するプログラムの構成を示す図である。   FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a program corresponding to the inter-site acting force calculation unit in FIG.

図12において、サイト間作用力計算部502は、サイト代表点計算部901、サイト間ベクトル計算部902及び接触サイト間作用力計算部903からなる。   In FIG. 12, the intersite action force calculation unit 502 includes a site representative point calculation unit 901, an intersite vector calculation unit 902, and a contact site interacting force calculation unit 903.

サイト代表点計算部901は、各粒子において、粒子の回転変位及び並行変位に基づいて各粒子サイトの代表点を計算する。具体的には、各粒子において、粒子の回転変位及び並行変位に基づいて、粒子サイト代表点の前の時間ステップから現在の時間ステップまでの移動量を求めて現在の時間ステップにおける粒子サイトの代表点の位置を求める。サイト間ベクトル計算部902は、下記式(22)に示す、粒子サイト代表点間ベクトルを計算する。   The site representative point calculation unit 901 calculates, for each particle, a representative point of each particle site based on the rotational displacement and parallel displacement of the particle. Specifically, in each particle, based on the rotational displacement and parallel displacement of the particle, the amount of movement from the time step before the particle site representative point to the current time step is obtained to represent the particle site at the current time step. Find the position of a point. The inter-site vector calculation unit 902 calculates a particle site representative point vector represented by the following formula (22).

Figure 2006343876
Figure 2006343876

接触サイト間作用力計算部903は、粒子サイト代表点間ベクトル(上記式(22))、各粒子サイトの物理量、及び各粒子サイトの代表点の位置に基づいて、粒子サイト間の作用力として静電気力を計算する。計算される静電気力は、具体的には、粒子サイトの代表点間ベクトル(上記式(22))、及び粒子サイトの電荷量を用いて下記式(23)により計算される。   The interaction force calculation unit 903 between the contact sites is based on the vector between the particle site representative points (the above formula (22)), the physical quantity of each particle site, and the position of the representative point of each particle site. Calculate the electrostatic force. Specifically, the calculated electrostatic force is calculated by the following equation (23) using the vector between the representative points of the particle sites (the above equation (22)) and the charge amount of the particle sites.

Figure 2006343876
Figure 2006343876

ここで、qd1及びqd2は粒子サイトの持つ電荷量である。 Here, q d1 and q d2 are the charge amounts of the particle sites.

また、粒子サイト間の静電気力に起因して粒子に対してトルクが働くが、この粒子に働くトルクは、粒子サイト間の静電気力を下記式(24)によって定義すると、下記式(25)によって計算される。   Further, torque acts on the particles due to electrostatic force between the particle sites. The torque acting on the particles is defined by the following equation (25) when the electrostatic force between the particle sites is defined by the following equation (24). Calculated.

Figure 2006343876
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Figure 2006343876
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図13は、本実施の形態に係る粒子挙動解析方法としてのサイト・構造物間作用力計算処理のフローチャートである。図13の処理はサイト・構造物間作用力計算部501が実行する。   FIG. 13 is a flowchart of the site-structure interaction force calculation process as the particle behavior analysis method according to the present embodiment. The site / structure interaction force calculation unit 501 executes the process of FIG.

サイト代表点計算部801が、粒子データ格納部401cに格納されている粒子の回転変位及び並行変位に基づいて、粒子サイトの代表点の位置データを計算し、該計算された位置データをサイトデータ格納部401dに格納する(ステップS1101)。具体的には、粒子の回転変位及び並行変位に基づいて、粒子サイト代表点の前の時間ステップから現在の時間ステップまでの移動量を求めて現在の時間ステップにおける粒子サイトの代表点の位置データを計算し、該計算された位置データをサイトデータ格納部401dに格納する。   The site representative point calculation unit 801 calculates the position data of the representative point of the particle site based on the rotational displacement and parallel displacement of the particle stored in the particle data storage unit 401c, and the calculated position data is used as the site data. The data is stored in the storage unit 401d (step S1101). Specifically, based on the rotational displacement and parallel displacement of the particle, the movement amount from the time step before the particle site representative point to the current time step is obtained, and the position data of the representative point of the particle site at the current time step And the calculated position data is stored in the site data storage unit 401d.

次いで、サイト・構造物間ベクトル計算部802が、ステップS1101で計算されてサイトデータ格納部401dに格納されている粒子サイトの代表点の位置データ、及び構造物データ格納部401eに格納されている構造物の位置データに基づいて、粒子サイト代表点・構造物間ベクトルを求め、該求められた粒子サイト代表点・構造物間ベクトルを粒子サイト代表点・構造物間ベクトルデータ格納部1001aに格納する(ステップS1102)。   Next, the site-structure vector calculation unit 802 is stored in the position data of the representative points of the particle sites calculated in step S1101 and stored in the site data storage unit 401d, and the structure data storage unit 401e. Based on the position data of the structure, the particle site representative point / inter-structure vector is obtained, and the obtained particle site representative point / inter-structure vector is stored in the particle site representative point / inter-structure vector data storage unit 1001a. (Step S1102).

次いで、接触サイト・構造物間作用力計算部803が、ステップS1102で求められて粒子サイト代表点・構造物間ベクトルデータ格納部1001aに格納されている粒子サイト代表点・構造物間ベクトルに基づいて、粒子サイト及び構造物間の作用力として鏡像力を計算する(ステップS1103)。具体的には、鏡像法を用いて、導体構造物内に鏡像電荷が存在すると仮定して、上記式(18)に従って鏡像力を求める。   Next, the contact site / structure interaction force calculation unit 803 is based on the particle site representative point / structure vector calculated in step S1102 and stored in the particle site representative point / structure vector data storage unit 1001a. Then, the mirror image force is calculated as the acting force between the particle site and the structure (step S1103). Specifically, using the mirror image method, assuming that a mirror image charge exists in the conductor structure, the mirror image force is obtained according to the above equation (18).

その後、対象となる全ての粒子サイト、構造物及び粒子について鏡像力を計算したか否かを判定し(ステップS1104,S1105,S1106)、全ての粒子サイト、構造物又は粒子について鏡像力を計算していない場合は、ステップS1101に戻り、全ての粒子サイト、構造物及び粒子について鏡像力を計算していた場合は、本処理を終了する。   Thereafter, it is determined whether or not the image force has been calculated for all target particle sites, structures and particles (steps S1104, S1105 and S1106), and the image force is calculated for all particle sites, structures and particles. If not, the process returns to step S1101, and if the image force has been calculated for all the particle sites, structures, and particles, this process ends.

図14は、本実施の形態に係る粒子挙動解析方法としてのサイト間作用力計算処理のフローチャートである。図14の処理はサイト間作用力計算部502が実行する。   FIG. 14 is a flowchart of the inter-site acting force calculation process as the particle behavior analysis method according to the present embodiment. The process of FIG. 14 is executed by the inter-site action force calculation unit 502.

サイト代表点計算部901が、粒子データ格納部401cに格納されている粒子の回転変位及び並行変位に基づいて、各粒子において、粒子サイトの代表点の位置データを計算し、該計算された位置データをサイトデータ格納部401dに格納する(ステップS1107)。具体的には、各粒子において、粒子の回転変位及び並行変位に基づいて、粒子サイト代表点の前の時間ステップから現在の時間ステップまでの移動量を求めて現在の時間ステップにおける粒子サイトの代表点の位置データを計算し、該計算された位置データをサイトデータ格納部401dに格納する。   The site representative point calculation unit 901 calculates the position data of the representative point of the particle site in each particle based on the rotational displacement and parallel displacement of the particle stored in the particle data storage unit 401c, and the calculated position Data is stored in the site data storage unit 401d (step S1107). Specifically, in each particle, based on the rotational displacement and parallel displacement of the particle, the amount of movement from the time step before the particle site representative point to the current time step is obtained to represent the particle site at the current time step. The point position data is calculated, and the calculated position data is stored in the site data storage unit 401d.

次いで、サイト間ベクトル計算部902が、ステップS1107で計算されてサイトデータ格納部401dに格納されている粒子サイトの代表点の位置データに基づいて、粒子サイト代表点間ベクトルを求め、該求められた粒子サイト代表点間ベクトルを粒子サイト代表点間ベクトルデータ格納部1001bに格納する(ステップS1108)。   Next, the inter-site vector calculation unit 902 obtains a particle site representative point vector based on the position data of the representative point of the particle site calculated in step S1107 and stored in the site data storage unit 401d. The particle site representative point vector is stored in the particle site representative point vector data storage unit 1001b (step S1108).

次いで、接触サイト間作用力計算部903が、ステップS1108で求められて粒子サイト代表点間ベクトルデータ格納部1001bに格納されている粒子サイト代表点間ベクトルに基づいて、作用力として粒子サイト間の静電気力を計算する(ステップS1109)。具体的には、サイトデータ格納部401dに格納されている着目粒子及び他粒子の各粒子サイトの物理量を上記式(23)に代入して静電気力を計算する。   Next, the interaction force between contact sites is calculated by the contact site interaction force calculation unit 903 based on the particle site representative point vector stored in the particle site representative point vector data storage unit 1001b in step S1108. The electrostatic force is calculated (step S1109). Specifically, the electrostatic force is calculated by substituting the physical quantity of each particle site of the target particle and other particles stored in the site data storage unit 401d into the above equation (23).

その後、対象となる全ての粒子サイト、着目粒子及び他粒子について静電気力を計算したか否かを判定し(ステップS1110,S1111,S1112,S1113)、全ての粒子サイト、着目粒子又は他粒子について静電気力を計算していない場合は、ステップS1107に戻り、全ての粒子サイト、着目粒子及び他粒子について静電気力を計算していた場合は、本処理を終了する。   Thereafter, it is determined whether or not the electrostatic force has been calculated for all target particle sites, target particles, and other particles (steps S1110, S1111, S1112, and S1113), and all the particle sites, target particles, and other particles are charged with static electricity. If the force has not been calculated, the process returns to step S1107. If the electrostatic force has been calculated for all the particle sites, the target particle, and other particles, this process ends.

図15は、本実施の形態における、2つにサイト分割された2つの粒子の接触時における静電気力の計算方法を示す図である。なお、図15では、各粒子における各粒子サイトに物理量として電荷量が設定されている。   FIG. 15 is a diagram illustrating a method for calculating electrostatic force when two particles divided into two sites are contacted in the present embodiment. In FIG. 15, a charge amount is set as a physical quantity at each particle site in each particle.

図15において、粒子iは粒子サイトmを有し、該粒子サイトmは代表点1205を有する。粒子jは粒子サイトnを有し、該粒子サイトnは代表点1206を有する。粒子iと粒子jとは接触していない。   In FIG. 15, the particle i has a particle site m, and the particle site m has a representative point 1205. The particle j has a particle site n, and the particle site n has a representative point 1206. The particle i and the particle j are not in contact.

また、図中における矢印1207は、下記式(26)で示される、代表点1205から代表点1206までの粒子サイト代表点間ベクトルを示し、矢印1208は、下記式(27)で示される、粒子iの中心から代表点1205までの粒子中心・代表点間ベクトルを示す。   In addition, an arrow 1207 in the figure indicates a particle site representative point vector from the representative point 1205 to the representative point 1206 represented by the following formula (26), and an arrow 1208 indicates a particle represented by the following formula (27). The particle center / representative point vector from the center of i to the representative point 1205 is shown.

Figure 2006343876
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Figure 2006343876
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また、粒子サイトmの電荷量をq(i,m)と設定し、粒子サイトNの電荷量をq (j,n)と設定すると、代表点1205が代表点1206から受ける静電気力は下記式(28)によって計算され、さらに、粒子iが受ける静電気力は下記式(29)によって計算される。 When the charge amount at the particle site m is set as q d (i, m) and the charge amount at the particle site N is set as q d (j, n), the electrostatic force that the representative point 1205 receives from the representative point 1206 is It is calculated by the following equation (28), and the electrostatic force applied to the particles i is calculated by the following equation (29).

Figure 2006343876
Figure 2006343876

Figure 2006343876
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上記式(29)によって計算される静電気力は、上述した従来の粒子挙動解析方法における上記式(16)によって計算される静電気力と異なる。すなわち、本実施の形態では粒子表面における電荷量分布を考慮した静電気力の計算を行うことができる。   The electrostatic force calculated by the above equation (29) is different from the electrostatic force calculated by the above equation (16) in the conventional particle behavior analysis method described above. That is, in this embodiment, the electrostatic force can be calculated in consideration of the charge amount distribution on the particle surface.

また、粒子iにかかる粒子サイト間の静電気力によるトルクは下記式(30)によって計算される。   Moreover, the torque by the electrostatic force between the particle sites concerning the particle | grain i is calculated by following formula (30).

Figure 2006343876
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上記式(30)によって計算されるトルクは、粒子jが電荷を持っていない場合や、各粒子サイトm,nが全く同量の電荷量を持つ場合等の特別な場合を除いて、0とならないため、粒子にトルクが負荷されて該粒子は回転する。一方、上述した従来の粒子挙動解析方法のように粒子の電荷が粒子中心にあると仮定すると、粒子中心に力が負荷されるので、トルクは発生しない。すなわち、本実施の形態では、粒子表面をサイトに分割することによって静電気力によるトルクの発生も考慮することができる。   The torque calculated by the above equation (30) is 0 except for special cases such as when the particle j has no charge or when the particle sites m and n have the same amount of charge. As a result, torque is applied to the particles and the particles rotate. On the other hand, assuming that the charge of the particle is at the center of the particle as in the conventional particle behavior analysis method described above, torque is not generated because a force is applied to the center of the particle. That is, in the present embodiment, generation of torque due to electrostatic force can be considered by dividing the particle surface into sites.

以上説明したように、本実施の形態によれば、粒子挙動解析において、粒子の表面を幾つかの粒子サイトに分割し、分割した粒子サイト毎に電荷量を設定し、該設定された物電荷量を用いて、上記式(17)〜(29)に基づいて作用力(粒子が受ける静電気力)を求めるので、粒子の表面における物理量(電荷量)の不均一性による影響を考慮した粒子の挙動を計算することができる。具体的には、粒子の挙動解析において、粒子の表面における電荷量分布の不均一性による影響を考慮した粒子に作用する静電気力や該静電気力に起因するトルクを考慮することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the particle behavior analysis, the particle surface is divided into several particle sites, the charge amount is set for each divided particle site, and the set object charge is set. Since the acting force (electrostatic force applied to the particle) is obtained based on the above formulas (17) to (29) using the amount, the effect of nonuniformity of the physical quantity (charge amount) on the surface of the particle is considered. Behavior can be calculated. Specifically, in the behavioral analysis of particles, it is possible to consider the electrostatic force acting on the particles and the torque resulting from the electrostatic force in consideration of the influence due to the nonuniformity of the charge amount distribution on the particle surface.

また、2つの粒子の総電荷量が同じ符号(正又は負)である場合、上述した従来の粒子挙動解析方法のように粒子の電荷が粒子中心にあると仮定すると、2つの粒子間において反力が必ず発生するため、2つの粒子間に引力は発生しない。ところが、2つの粒子の総電荷量が同じ符号(正又は負)である場合、粒子表面において異符号の電荷が分布していると、他粒子の同符号電荷と自粒子の異符号電荷との間の距離によっては2つの粒子間に引力が発生することも考えられる。上述した本実施の形態では、粒子表面をサイト分割して各サイトの静電気力を考慮することにより、粒子表面において異符号の電荷が分布している場合であっても、電荷量分布を的確に再現することができ、これにより、2つの粒子間に引力が発生する場合にも対応することができる。   When the total charge amount of two particles has the same sign (positive or negative), it is assumed that the particle charge is at the center of the particle as in the conventional particle behavior analysis method described above. Since force always occurs, no attractive force is generated between the two particles. However, when the total charge amount of the two particles has the same sign (positive or negative), if charges with different signs are distributed on the particle surface, the same sign charge of other particles and the different sign charge of the own particle Depending on the distance between them, an attractive force may be generated between the two particles. In the present embodiment described above, by dividing the particle surface into sites and considering the electrostatic force at each site, the charge amount distribution can be accurately determined even when charges with different signs are distributed on the particle surface. It can be reproduced, and this can cope with the case where an attractive force is generated between two particles.

上述した本実施の形態では、各粒子サイトの代表点は粒子表面に存在するとしたが、粒子サイトの存在場所はこれに限られず、例えば、粒子サイトの代表点が粒子内部に存在するとしてもよい。   In the present embodiment described above, the representative point of each particle site is present on the particle surface. However, the location of the particle site is not limited to this, and for example, the representative point of the particle site may exist inside the particle. .

上述した本実施の形態では、各粒子サイトの代表部を点として設定したが、各粒子サイトの代表部の存在場所はこれに限られず、例えば、面や体積を用いてもよい。   In the present embodiment described above, the representative portion of each particle site is set as a point. However, the location of the representative portion of each particle site is not limited to this, and for example, a surface or a volume may be used.

また、上述した本実施の形態では、作用力として静電気力を計算したが、計算される作用力は静電気力に限られるものではなく、例えば、磁気力等も計算可能である。特に、磁気力を計算する場合には、磁化等を物理量として設定すればよい。   In the above-described embodiment, the electrostatic force is calculated as the acting force. However, the calculated acting force is not limited to the electrostatic force, and for example, a magnetic force can be calculated. In particular, when the magnetic force is calculated, magnetization or the like may be set as a physical quantity.

上述した本実施の形態では、粒子表面の物理量として、粒子における電荷量を設定したが、設定される物理量は電荷量に限られるものではなく、例えば、作用力として静電気力を考慮する場合には電気双極子モーメント、また、作用力として磁気力を考慮する場合には磁化量、磁気モーメント等を粒子表面の物理量として設定してもよい。   In the present embodiment described above, the amount of charge in the particle is set as the physical quantity of the particle surface. However, the set physical quantity is not limited to the amount of charge. For example, when electrostatic force is considered as the acting force When considering an electric dipole moment and a magnetic force as an acting force, a magnetization amount, a magnetic moment, etc. may be set as a physical quantity of the particle surface.

また、本実施の形態では、各粒子サイトに物理量を設定したが、各粒子サイトに物性値を設定してもよく、例えば、作用力として静電気力を考慮する場合には比誘電率を設定し、作用力として磁気力を考慮する場合には比透磁率等を設定してもよい。   In this embodiment, the physical quantity is set for each particle site, but the physical property value may be set for each particle site. For example, when the electrostatic force is considered as the acting force, the relative dielectric constant is set. When magnetic force is considered as the acting force, relative permeability or the like may be set.

なお、本実施の形態では、粒子を同じ大きさの粒子サイトに分割しているが、分割される粒子サイトの大きさはこれに限られず、粒子を異なる大きさの粒子サイトに分割してもよい。また、その際、粒子及び構造物の接触位置、並びに粒子サイトの座標情報を用いて接触している粒子サイトを特定することが可能である。   In the present embodiment, the particles are divided into particle sites of the same size. However, the size of the particle sites to be divided is not limited to this, and the particles may be divided into particle sites of different sizes. Good. At that time, it is possible to specify the particle site in contact using the contact position of the particle and the structure, and the coordinate information of the particle site.

なお、本実施の形態では、粒子のサイト分割数を2として説明しているが、サイト分割数はこれに限られず、例えば、16分割、32分割、100分割等、任意の分割数を本発明において適用可能である。   In this embodiment, the number of particle site divisions is described as 2, but the number of site divisions is not limited to this. For example, any number of divisions such as 16 divisions, 32 divisions, 100 divisions, etc. may be used in the present invention. Is applicable.

なお、サイト分割数は全ての粒子で同じ分割数でなくてもよく、粒子毎に異なってもよい。例えば、粒径に依存して分割数を変えるという方法を用いてもよく、このとき、粒子サイトの大きさを均一に設定することが可能である。   Note that the number of site divisions does not have to be the same for all particles, and may be different for each particle. For example, a method of changing the number of divisions depending on the particle size may be used, and at this time, the size of the particle site can be set uniformly.

また、本実施の形態では、物理量は各粒子サイトに個別に設定されたが、物理量の設定方法はこれに限られず、例えば、粒子表面における物理量又は物性値の平均値及びばらつきを示す値に基づいて、乱数を用いて各粒子における各粒子サイトの物理量及び物性値の少なくとも一方を設定してもよい。   In this embodiment, the physical quantity is individually set for each particle site. However, the physical quantity setting method is not limited to this. For example, the physical quantity is based on the average value of physical quantity or physical property value on the particle surface and a value indicating variation. Thus, at least one of a physical quantity and a physical property value of each particle site in each particle may be set using a random number.

また、本実施の形態では、本発明を2次元モデルに適用した例について説明しているが、本発明は3次元モデルに適用してもよい。この場合、3次元モデルにおける各粒子サイトの物理量に基づく作用力を上述した方法と同様の方法によって計算することができ、これにより、3次元モデルにおける粒子挙動をシミュレートすることができる。また、この場合において、粒子における代表点の計算方法として、立体角を用いた方法や、xyz方向の回転角度を用いる方法等、3次元的な位置を求める方法を適用することができる。また、3次元モデルにおいて、3次元の球を分割する方法として、正多面体を用いる方法や、準正多面体を用いる方法等、3次元的に球を分割する方法を適用することができる。   In this embodiment, an example in which the present invention is applied to a two-dimensional model is described. However, the present invention may be applied to a three-dimensional model. In this case, the acting force based on the physical quantity of each particle site in the three-dimensional model can be calculated by a method similar to the above-described method, whereby the particle behavior in the three-dimensional model can be simulated. In this case, as a method for calculating the representative point in the particle, a method for obtaining a three-dimensional position such as a method using a solid angle or a method using a rotation angle in the xyz direction can be applied. In the three-dimensional model, as a method of dividing a three-dimensional sphere, a method of dividing a sphere in three dimensions, such as a method using a regular polyhedron or a method using a quasi-regular polyhedron, can be applied.

また、本実施の形態では、全ての粒子サイトに物理量を設定したが、全ての粒子サイトに物理量を設定する必要はなく、例えば、物理量又は物性値が粒子の表面の一部領域において異なる場合、これらの領域に対応する粒子サイトにのみ物理量又は物性値を設定すればよく、これにより、粒子挙動解析装置3が備えるメモリ(図示しない)の容量を節約することができる。   In the present embodiment, the physical quantity is set for all the particle sites, but it is not necessary to set the physical quantity for all the particle sites.For example, when the physical quantity or the physical property value is different in a partial region of the particle surface, It is only necessary to set a physical quantity or a physical property value at the particle sites corresponding to these regions, thereby saving the capacity of a memory (not shown) included in the particle behavior analysis device 3.

また、本実施の形態では、各粒子サイトに初期条件として物理量を設定しているが、各粒子サイトに各種計算の結果を設定してもよく、例えば、各時間ステップにおいて、各粒子サイトと構造物の接触による帯電現象をシミュレーションした結果としての電荷量を各粒子サイトに設定してもよい。   In this embodiment, physical quantities are set as initial conditions for each particle site. However, various calculation results may be set for each particle site. For example, in each time step, each particle site and structure A charge amount as a result of simulating a charging phenomenon due to contact of an object may be set at each particle site.

また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、RAM、NV−RAM、フロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスク、光ディスク、CD−ROM、MO、CD−R、CD−RW、DVD(DVD−ROM、DVD−RAM、DVD−RW、DVD+RW)、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、他のROM等の上記プログラムコードを記憶できるものであればよい。或いは、上記プログラムコードは、インターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等に接続される不図示の他のコンピュータやデータベース等からダウンロードすることにより供給されてもよい。   Examples of the storage medium for supplying the program code include RAM, NV-RAM, floppy (registered trademark) disk, hard disk, optical disk, CD-ROM, MO, CD-R, CD-RW, DVD (DVD). -ROM, DVD-RAM, DVD-RW, DVD + RW), magnetic tape, nonvolatile memory card, other ROM, etc., as long as they can store the program code. Alternatively, the program code may be supplied by downloading from another computer or database (not shown) connected to the Internet, a commercial network, a local area network, or the like.

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているOS(オペレーティングシステム)等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。   Further, by executing the program code read by the computer, not only the functions of the above-described embodiments are realized, but also an OS (operating system) running on the computer based on the instruction of the program code. A case where part or all of the actual processing is performed and the functions of the above-described embodiments are realized by the processing is also included.

更に、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPU等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。   Further, after the program code read from the storage medium is written in a memory provided in a function expansion board inserted into the computer or a function expansion unit connected to the computer, the function expansion is performed based on the instruction of the program code. This includes the case where the CPU or the like provided in the board or the function expansion unit performs part or all of the actual processing, and the functions of the above-described embodiments are realized by the processing.

上記プログラムコードの形態は、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード、OS(オペレーティングシステム)に供給されるスクリプトデータ等の形態から成ってもよい。   The form of the program code may be in the form of object code, program code executed by an interpreter, script data supplied to an OS (operating system), and the like.

本発明の第1の実施の形態に係る粒子挙動解析装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram showing a schematic structure of a particle behavior analysis device concerning a 1st embodiment of the present invention. 本実施の形態における、粒子表面を粒子サイトに分割し、且つ粒子の表面における物性値及び物理量の少なくとも一方の不均一性を考慮した粒子挙動の計算に対応するプログラムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the program corresponding to the calculation of the particle | grain behavior in consideration of the nonuniformity of the physical property value and physical quantity in the particle | grain surface in this Embodiment in consideration of at least one of the physical property value and the physical quantity. 図2におけるサイト・構造物間作用力計算部に対応するプログラムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the program corresponding to the site-structure interaction force calculation part in FIG. 図2におけるサイト間作用力計算部に対応するプログラムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the program corresponding to the site force calculation part in FIG. 本実施の形態に係る粒子挙動解析方法としてのサイト・構造物間作用力計算処理のフローチャートである。It is a flowchart of the site-structure interaction force calculation process as a particle behavior analysis method according to the present embodiment. 本実施の形態に係る粒子挙動解析方法としての粒子サイト間作用力計算処理のフローチャートである。It is a flowchart of the interaction force calculation process between particle sites as a particle behavior analysis method according to the present embodiment. 本実施の形態における、2つにサイト分割された粒子及び構造物の接触時における滑り摩擦力の計算を時間ステップ毎に示す図であり、(A)はt=t [sec]における滑り摩擦力の計算を示す図であり、(B)はt=t[sec]における滑り摩擦力の計算を示す図である。In this embodiment, a diagram showing per time step to calculate the sliding friction force when the contact sites divided particles and structures to the two, sliding friction in the (A) is t = t 1 [sec] It is a figure which shows calculation of force, (B) is a figure which shows calculation of the sliding frictional force in t = t < 2 > [sec]. 本実施の形態に係る粒子挙動解析方法を適用する電子写真装置における画像形成装置の概略構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an image forming apparatus in an electrophotographic apparatus to which a particle behavior analysis method according to an embodiment is applied. 本発明の第2の実施の形態に係る粒子挙動解析装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the particle behavior analyzer which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本実施の形態における、粒子表面を粒子サイトに分割し、且つ粒子の表面における物性値及び物理量の少なくとも一方の不均一性を考慮した粒子挙動の計算に対応するプログラムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the program corresponding to the calculation of the particle | grain behavior in consideration of the nonuniformity of the physical property value and physical quantity in the particle | grain surface in this Embodiment in consideration of at least one of the physical property value and the physical quantity. 図10におけるサイト・構造物間作用力計算部に対応するプログラムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the program corresponding to the site-structure interaction force calculation part in FIG. 図10におけるサイト間作用力計算部に対応するプログラムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the program corresponding to the site force calculation part in FIG. 本実施の形態に係る粒子挙動解析方法としてのサイト・構造物間作用力計算処理のフローチャートである。It is a flowchart of the site-structure interaction force calculation process as a particle behavior analysis method according to the present embodiment. 本実施の形態に係る粒子挙動解析方法としてのサイト間作用力計算処理のフローチャートである。It is a flowchart of an inter-site action force calculation process as a particle behavior analysis method according to the present embodiment. 本実施の形態における、2つにサイト分割された2つの粒子の接触時における静電気力の計算方法を示す図である。It is a figure which shows the calculation method of the electrostatic force at the time of the contact of the two particle | grains divided into two in this Embodiment. DEMにおける個々の粒子間の接触力を示す図である。It is a figure which shows the contact force between each particle | grains in DEM. 設定された接触距離を示す図であり、(A)は2粒子間の接触距離を示し、(B)は粒子及び構造物の接触距離を示す。It is a figure which shows the set contact distance, (A) shows the contact distance between 2 particle | grains, (B) shows the contact distance of particle | grains and a structure. 粒子挙動解析の代表的な処理プログラムの構成を概略的に示すプログラム構成を示す図である。It is a figure which shows the program structure which shows roughly the structure of the typical processing program of particle behavior analysis.

符号の説明Explanation of symbols

1 粒子挙動解析装置
2,4 プログラム
100 制御部
111 初期条件設定部
112 サイト条件設定部
113 サイト・構造物間作用力計算部
114 サイト間作用力計算部
115 粒子外力計算部
116 粒子変位計算部
117 粒子挙動表示部
201 粒子・構造物間接触判定部
202 粒子基準軸計算部
203 粒子・構造物接触位置計算部
204 接触サイト特定部
205 接触サイト・構造物間作用力計算部
301 粒子間接触判定部
302 粒子基準軸計算部
303 粒子接触位置計算部
304 接触サイト特定部
305 接触サイト間作用力計算部
400 CPU
401 RAM
402 表示装置
403 入力部
404 外部記憶装置
405 バス
401a プログラム格納部
401b 初期条件データ格納部
401c 粒子データ格納部
401d サイトデータ格納部
401e 構造物データ格納部
401f 粒子外力データ格納部
401g 粒子接触位置データ格納部
401h 2物体間接触距離データ格納部
401i 粒子作用力データ格納部
401j 粒子基準軸データ格納部
501 サイト・構造物間作用力計算部
502 サイト間作用力計算部
601 粒子
602 構造物
603,604 サイト
605 粒子基準軸
606 法線方向の接触力
607 接線方向の接触力
700 画像形成装置
701 感光ドラム
702 帯電部材
703 現像装置
704 現像ローラ
705 弾性ローラ
706 弾性ブレード
707 現像容器
708 転写ローラ
709 クリーニングブレード
710 廃トナー容器
711 トナー
712 紙
801,901 サイト代表点計算部
802 サイト・構造物間ベクトル計算部
803 接触サイト・構造物間作用力計算部
902 サイト間ベクトル計算部
903 接触サイト間作用力計算部
1001a 粒子サイト代表点・構造物間ベクトルデータ格納部
1001b 粒子サイト代表点間ベクトルデータ格納部
1205,1206 代表点
1207 粒子サイト代表点間ベクトル
1208 粒子中心代表点間
i,j 粒子
m,n 粒子サイト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Particle behavior analyzer 2, 4 Program 100 Control part 111 Initial condition setting part 112 Site condition setting part 113 Site-structure action force calculation part 114 Intersite action force calculation part 115 Particle external force calculation part 116 Particle displacement calculation part 117 Particle behavior display unit 201 Particle / structure contact determination unit 202 Particle reference axis calculation unit 203 Particle / structure contact position calculation unit 204 Contact site identification unit 205 Contact site / structure interaction force calculation unit 301 Interparticle contact determination unit 302 Particle Reference Axis Calculation Unit 303 Particle Contact Position Calculation Unit 304 Contact Site Identification Unit 305 Contact Site Interacting Force Calculation Unit 400 CPU
401 RAM
402 Display device 403 Input unit 404 External storage device 405 Bus 401a Program storage unit 401b Initial condition data storage unit 401c Particle data storage unit 401d Site data storage unit 401e Structure data storage unit 401f Particle external force data storage unit 401g Particle contact position data storage Unit 401h two-object contact distance data storage unit 401i particle action force data storage unit 401j particle reference axis data storage unit 501 site / structure interaction force calculation unit 502 site interaction force calculation unit 601 particle 602 structure 603, 604 site 605 Particle reference axis 606 Normal contact force 607 Tangential contact force 700 Image forming device 701 Photoconductive drum 702 Charging member 703 Developing device 704 Developing roller 705 Elastic roller 706 Elastic blade 707 Developing container 708 Transfer roller 70 9 Cleaning blade 710 Waste toner container 711 Toner 712 Paper 801, 901 Site representative point calculation unit 802 Site / structure vector calculation unit 803 Contact site / structure interaction force calculation unit 902 Site-site vector calculation unit 903 Contact site interaction Force calculation unit 1001a Particle site representative point / inter-structure vector data storage unit 1001b Particle site representative point vector data storage unit 1205, 1206 Representative point 1207 Particle site representative point vector 1208 Particle center representative point i, j Particle m, n Particle site

Claims (18)

粒子及び構造物が存在する環境において前記粒子の挙動を解析する粒子挙動解析装置であって、
前記粒子の表面を幾つかの粒子サイトに分割し、且つ該分割された各粒子サイトに物性値及び物理量の少なくとも一方を設定するサイト条件設定部と、
前記サイト条件設定部により設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト及び前記構造物間の作用力を計算するサイト・構造物間作用力計算部と、
前記サイト条件設定部により設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト間の作用力を計算するサイト間作用力計算部とを備えることを特徴とする粒子挙動解析装置。
A particle behavior analyzer for analyzing the behavior of particles in an environment where particles and structures exist,
A site condition setting unit that divides the surface of the particle into several particle sites, and sets at least one of a physical property value and a physical quantity at each of the divided particle sites;
Based on at least one of the physical property value and the physical quantity set by the site condition setting unit, a site-structure interaction force calculation unit that calculates an interaction force between the particle site and the structure,
A particle behavior analysis apparatus comprising: an inter-site action force calculation unit that calculates an action force between the particle sites based on at least one of the physical property value and the physical quantity set by the site condition setting unit .
前記構造物又は他の粒子に最近接の前記粒子サイトを特定し、該特定された粒子サイトに設定されている前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方を用いて前記作用力を計算することを特徴とする請求項1記載の粒子挙動解析装置。   The particle site closest to the structure or other particle is specified, and the acting force is calculated using at least one of the physical property value and the physical quantity set in the specified particle site. The particle behavior analysis apparatus according to claim 1. 前記構造物又は他粒子の粒子サイトの代表点と、前記粒子サイトの代表点との相対位置を求め、該求められた相対位置と前記粒子サイトの前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方とを用いて前記作用力を計算することを特徴とする請求項1記載の粒子挙動解析装置。   A relative position between a representative point of the particle site of the structure or another particle and a representative point of the particle site is obtained, and the obtained relative position and at least one of the physical property value and the physical quantity of the particle site are used. The particle behavior analyzing apparatus according to claim 1, wherein the acting force is calculated. 前記サイト条件設定部は、前記粒子サイトの前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方の平均値及びばらつきを示す値に基づいて、前記粒子サイトに前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方を設定することを特徴とする請求項1記載の粒子挙動解析装置。   The site condition setting unit sets at least one of the physical property value and the physical quantity at the particle site based on a value indicating an average value and variation of at least one of the physical property value and the physical quantity of the particle site. 2. The particle behavior analysis apparatus according to claim 1, wherein 前記作用力は、接触力、付着力、静電気力及び磁気力からなるパラメータ群から選択された少なくとも1つのパラメータによって表されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の粒子解析挙動装置。   The said acting force is represented by at least 1 parameter selected from the parameter group which consists of contact force, adhesion force, electrostatic force, and magnetic force, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Particle analysis behavior device. 前記物性値は、ヤング率、ポアソン比、滑り摩擦係数、転がり摩擦係数、反発係数、曲率半径、比重、比誘電率、Hamaker定数、表面粗さ及び比透磁率からなるパラメータ群から選択された少なくとも1つのパラメータによって表されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の粒子挙動解析装置。   The physical property value is at least selected from a parameter group consisting of Young's modulus, Poisson's ratio, sliding friction coefficient, rolling friction coefficient, restitution coefficient, radius of curvature, specific gravity, relative permittivity, Hamaker constant, surface roughness, and relative permeability. The particle behavior analysis device according to any one of claims 1 to 5, wherein the particle behavior analysis device is represented by one parameter. 前記物理量は、電荷量、磁化量、磁気モーメント、電気双極子モーメント及び吸着水分量からなるパラメータ群から選択された少なくとも1つのパラメータによって表されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の粒子挙動解析装置。   The physical quantity is represented by at least one parameter selected from a parameter group consisting of a charge amount, a magnetization amount, a magnetic moment, an electric dipole moment, and an adsorbed moisture amount. 2. The particle behavior analysis apparatus according to item 1. 容器内に内包される、潜像が形成された担持体表面上に可視像を形成するための現像剤としての粒子及び構造物、現像剤担持体に圧接されて前記現像剤担持体上の前記現像剤の量を規制する現像剤規制部材を備えた現像装置に存在する粒子及び構造物、並びに、前記現像剤を攪拌混合している攪拌部又は現像部に存在する粒子及び構造物の少なくとも1つの挙動を解析することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の粒子挙動解析装置。   Particles and structures as a developer for forming a visible image on the surface of a carrier on which a latent image is formed, contained in a container, and pressed on the developer carrier to be on the developer carrier At least particles and structures existing in a developing device provided with a developer regulating member that regulates the amount of the developer, and particles and structures present in the stirring unit or the developing unit in which the developer is stirred and mixed. The particle behavior analysis apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein one behavior is analyzed. 粒子及び構造物が存在する環境において前記粒子の挙動を解析する粒子挙動解析方法であって、
前記粒子の表面を幾つかの粒子サイトに分割し、且つ該分割された各粒子サイトに前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方を設定する粒子サイト条件設定ステップと、
前記サイト条件設定ステップにおいて設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト及び構造物間の作用力を計算する粒子サイト・構造物間作用力計算ステップと、
前記サイト条件設定ステップにおいて設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト間の作用力を計算する粒子サイト間の作用力計算ステップとを有することを特徴とする粒子挙動解析方法。
A particle behavior analysis method for analyzing the behavior of particles in an environment where particles and structures exist,
A particle site condition setting step of dividing the particle surface into several particle sites, and setting at least one of the physical property value and the physical quantity at each of the divided particle sites;
A particle site / structure interaction force calculation step for calculating an interaction force between the particle site and the structure based on at least one of the physical property value and the physical quantity set in the site condition setting step;
A particle behavior comprising: a step of calculating an action force between the particle sites based on at least one of the physical property value and the physical quantity set in the site condition setting step. analysis method.
前記構造物又は他の粒子に最近接の前記粒子サイトを特定し、該特定された粒子サイトに設定されている前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方を用いて前記作用力を計算することを特徴とする請求項9記載の粒子挙動解析方法。   The particle site closest to the structure or other particle is specified, and the acting force is calculated using at least one of the physical property value and the physical quantity set in the specified particle site. The particle behavior analysis method according to claim 9. 前記構造物又は他粒子の粒子サイトの代表点と、前記粒子サイトの代表点との相対位置を求め、該求められた相対位置と前記粒子サイトの前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方とを用いて前記作用力を計算することを特徴とする請求項9記載の粒子挙動解析方法。   A relative position between a representative point of the particle site of the structure or another particle and a representative point of the particle site is obtained, and the obtained relative position and at least one of the physical property value and the physical quantity of the particle site are used. The particle behavior analysis method according to claim 9, wherein the acting force is calculated. 前記粒子サイト条件設定ステップは、前記粒子サイトの前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方の平均値及びばらつきを示す値に基づいて、前記粒子サイトに前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方を設定することを特徴とする請求項9記載の粒子挙動解析方法。   The particle site condition setting step includes setting at least one of the physical property value and the physical quantity at the particle site based on an average value and a value indicating variation of at least one of the physical property value and the physical quantity of the particle site. The particle behavior analysis method according to claim 9. 前記作用力は、接触力、付着力、静電気力及び磁気力からなるパラメータ群から選択された少なくとも1つのパラメータによって表されることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか1項に記載の粒子解析挙動方法。   The said acting force is represented by at least 1 parameter selected from the parameter group which consists of contact force, adhesion force, electrostatic force, and magnetic force, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Particle analysis behavior method. 前記物性値は、ヤング率、ポアソン比、滑り摩擦係数、転がり摩擦係数、反発係数、曲率半径、比重、比誘電率、Hamaker定数、表面粗さ及び比透磁率からなるパラメータ群から選択された少なくとも1つのパラメータによって表されることを特徴とする請求項9乃至13のいずれか1項に記載の粒子挙動解析方法。   The physical property value is at least selected from a parameter group consisting of Young's modulus, Poisson's ratio, sliding friction coefficient, rolling friction coefficient, restitution coefficient, radius of curvature, specific gravity, relative permittivity, Hamaker constant, surface roughness, and relative permeability. The particle behavior analysis method according to any one of claims 9 to 13, wherein the particle behavior analysis method is represented by one parameter. 前記物理量は、電荷量、磁化量、磁気モーメント、電気双極子モーメント及び吸着水分量からなるパラメータ群から選択された少なくとも1つのパラメータによって表されることを特徴とする請求項9乃至14のいずれか1項に記載の粒子挙動解析方法。   The physical quantity is represented by at least one parameter selected from a parameter group consisting of a charge amount, a magnetization amount, a magnetic moment, an electric dipole moment, and an adsorbed moisture amount. 2. The particle behavior analysis method according to item 1. 容器内に内包される、潜像が形成された担持体表面上に可視像を形成するための現像剤としての粒子及び構造物、現像剤担持体に圧接されて前記現像剤担持体上の前記現像剤の量を規制する現像剤規制部材を備えた現像装置に存在する粒子及び構造物、並びに、前記現像剤を攪拌混合している攪拌部又は現像部に存在する粒子及び構造物の少なくとも1つの挙動を解析することを特徴とする請求項9乃至15のいずれか1項に記載の粒子挙動解析方法。   Particles and structures as a developer for forming a visible image on the surface of a carrier on which a latent image is formed, contained in a container, and pressed on the developer carrier to be on the developer carrier At least particles and structures existing in a developing device provided with a developer regulating member that regulates the amount of the developer, and particles and structures present in the stirring unit or the developing unit in which the developer is stirred and mixed. 16. The particle behavior analysis method according to claim 9, wherein one behavior is analyzed. 粒子及び構造物が存在する環境において前記粒子の挙動を解析する粒子挙動解析方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記粒子の表面を幾つかの粒子サイトに分割し、且つ該分割された各粒子サイトに前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方を設定する粒子サイト条件設定モジュールと、
前記サイト条件設定モジュールにより設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト及び構造物間の作用力を計算する粒子サイト・構造物間作用力計算モジュールと、
前記サイト条件設定モジュールにより設定された前記物性値及び前記物理量の少なくとも一方に基づいて、前記粒子サイト間の作用力を計算する粒子サイト間の作用力計算モジュールとを備えることを特徴とするプログラム。
A program for causing a computer to execute a particle behavior analysis method for analyzing the behavior of the particles in an environment where particles and structures exist,
A particle site condition setting module that divides the surface of the particle into several particle sites and sets at least one of the physical property value and the physical quantity at each of the divided particle sites;
A particle site / structure interaction force calculation module that calculates an interaction force between the particle site and the structure based on at least one of the physical property value and the physical quantity set by the site condition setting module;
A program comprising: an action force calculation module between particle sites for calculating an action force between the particle sites based on at least one of the physical property value and the physical quantity set by the site condition setting module.
請求項17項に記載のプログラムを格納することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。   A computer-readable storage medium storing the program according to claim 17.
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