JP2009301437A - Simulation system and program thereof - Google Patents

Simulation system and program thereof Download PDF

Info

Publication number
JP2009301437A
JP2009301437A JP2008157178A JP2008157178A JP2009301437A JP 2009301437 A JP2009301437 A JP 2009301437A JP 2008157178 A JP2008157178 A JP 2008157178A JP 2008157178 A JP2008157178 A JP 2008157178A JP 2009301437 A JP2009301437 A JP 2009301437A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fluid
molecular
relaxation process
simulation
shear
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2008157178A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Washizu
仁志 鷲津
Shunei Omori
俊英 大森
Shuzo Mita
修三 三田
Mamoru Toyama
護 遠山
Shiaki Hyodo
志明 兵頭
Atsushi Suzuki
厚 鈴木
Noriaki Nishino
典明 西野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2008157178A priority Critical patent/JP2009301437A/en
Publication of JP2009301437A publication Critical patent/JP2009301437A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simulation system accurately obtaining the dynamic property of fluid. <P>SOLUTION: By simulation, a pressure and shear are applied to a molecule group held between two solid atom layers, and the dynamic response of shear stress or the like is obtained, thereby the structural design of the fluid which is molecular fluid is performed. The simulation includes a structural relaxation process (S4) for performing energy relaxation calculation for a molecule group or a molecule included in the molecule group and obtaining a stable structure. Then, the dynamic response is obtained (S11) using the stable structure obtained by the structural relaxation process (S4). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、2つの固体原子層に挟まれた分子集団に対して圧力およびせん断を印加し、せん断応力等の力学的応答を得ることにより分子性流体(フルード)の構造設計を行うシミュレーションに関する。   The present invention relates to a simulation for designing the structure of a molecular fluid (fluid) by applying pressure and shear to a molecular group sandwiched between two solid atomic layers to obtain a mechanical response such as shear stress.

トロイダル式無段変速機(CVT)は、入力側と出力側の2つのディスクの間に強い力で挟まれたパワーローラーの傾斜を変化させることによって可変変速比を得る。このCVTに用いられるフルードのトラクション特性は、CVTの特性に大きな影響を及ぼす。従って、変速機の小型化・高容量化、それに伴う燃費向上・環境負荷低減の観点から、高トラクション係数を発現するフルードの開発が望まれている。   The toroidal continuously variable transmission (CVT) obtains a variable gear ratio by changing the inclination of a power roller sandwiched between two disks on the input side and the output side with a strong force. The traction characteristics of the fluid used in the CVT have a great influence on the characteristics of the CVT. Therefore, it is desired to develop a fluid that exhibits a high traction coefficient from the viewpoint of downsizing and increasing the capacity of the transmission, improving the fuel efficiency and reducing the environmental load associated therewith.

ここで、フルードのトラクション特性は、フルードを構成する分子の分子構造に大きく依存する。そこで、フルードの分子構造などについて各種の研究がなされている。   Here, the traction characteristics of the fluid largely depend on the molecular structure of the molecules constituting the fluid. Therefore, various studies have been conducted on the molecular structure of fluid.

特開2002−150203号公報JP 2002-150203 A 特開平8−35831号公報JP-A-8-35831 特開平10−232860号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-232860 鷲津仁志・三田修三・大森俊英・鈴木厚、"分子動力学法によるフルードのトラクション特性解析(第1報)−適正計算条件の選定−"、トライボロジスト 51 (12)、885-891、(2006)Hitoshi Awazu, Shuzo Mita, Toshihide Omori, Atsushi Suzuki, "Analysis of Fluid Traction Characteristics by Molecular Dynamics Method (1st Report)-Selection of Appropriate Calculation Conditions", Tribologist 51 (12), 885-891, (2006 ) 鷲津仁志、三田修三、大森俊英、鈴木厚、"分子動力学法によるフルードのトラクション特性解析(第2報)−分子内・分子間相互作用に着目したトラクション発現機構解析−"、トライボロジスト 51 (12)、892-899、(2006).Hitoshi Awazu, Shuzo Mita, Toshihide Omori, Atsushi Suzuki, “Analysis of Fluid Traction Characteristics by Molecular Dynamics Method (2nd Report) -Analysis of Traction Expression Focusing on Intramolecular and Intermolecular Interactions-”, Tribologist 51 ( 12), 892-899, (2006). H. Washizu, S. Sanda, S. Hyodo and T. Ohmori, N. Nishino and A. Suzuki, "A Molecular Dynamics Analysis of the Traction Fluids", SAE Paper, Transaction,2007-01-1016,(2007).H. Washizu, S. Sanda, S. Hyodo and T. Ohmori, N. Nishino and A. Suzuki, "A Molecular Dynamics Analysis of the Traction Fluids", SAE Paper, Transaction, 2007-01-1016, (2007). H. Washizu, S. Sanda, T. Ohmori and S. Hyodo, "Submicron thickness molecular dynamics simulation of lubricating oil film",1st NAREGI International Nanoscience Conference, pp. 115, Nara, Japan, (2005.6.14-18).H. Washizu, S. Sanda, T. Ohmori and S. Hyodo, "Submicron thickness molecular dynamics simulation of lubricating oil film", 1st NAREGI International Nanoscience Conference, pp. 115, Nara, Japan, (2005.6.14-18).

ここで、非特許文献1〜4は、システム全体を明示しているわけではなく、新規分子探索についての記載はない。また、分子動力学などの分子シミュレーションによってフルード分子集団のマクロなレオロジー特性を計算する際には、扱うことのできる分子数、物理時間が限られている。また、シミュレーションの対象となる分子について、初期値の偏り(たとえば初期構造の均一さ)に起因する規則性が生じるため、本来は熱的な乱雑性を有する実現象を再現できないという問題であった。   Here, Non-Patent Documents 1 to 4 do not clearly indicate the entire system, and there is no description about a novel molecule search. In addition, when calculating macro rheological properties of fluid molecular groups by molecular simulation such as molecular dynamics, the number of molecules that can be handled and physical time are limited. In addition, since the regularity caused by the bias of the initial value (for example, the uniformity of the initial structure) occurs for the molecule to be simulated, it was originally a problem that the actual phenomenon having thermal randomness could not be reproduced. .

また、特許文献1においては、一定圧力下におけるフルードの潤滑特性(トラクション係数など)についてせん断応力を考慮したフルードのトラクション係数をある程度は算出できる。しかし、固体壁面間の距離を一定にし、潤滑剤分子の数を一定にすることにより圧力を擬似的に加えているため、一定圧力におけるトラクション係数を求める用途には適さない。さらに、フルード層内部における粘弾性的挙動について、固体壁-フルード間の界面すべり制御を行っていないため、フルードそのものの潤滑特性を測る際に固体壁-フルード間の界面すべりの影響を切り離して測定することができない。また、分子数の制限の観点から、弾性流体潤滑における実現象に即した膜厚を与えているとは言いがたく、現象を十分に再現できない。   Further, in Patent Document 1, a fluid traction coefficient can be calculated to some extent in consideration of shear stress with respect to fluid lubrication characteristics (such as a traction coefficient) under a constant pressure. However, since the pressure is artificially applied by making the distance between the solid wall surfaces constant and the number of lubricant molecules constant, it is not suitable for an application for obtaining a traction coefficient at a constant pressure. Furthermore, since the interfacial slip control between the solid wall and the fluid is not controlled for the viscoelastic behavior inside the fluid layer, the influence of the interfacial slip between the solid wall and the fluid is measured separately when measuring the lubrication characteristics of the fluid itself. Can not do it. In addition, from the viewpoint of limiting the number of molecules, it is difficult to say that the film thickness conforms to the actual phenomenon in elastohydrodynamic lubrication, and the phenomenon cannot be sufficiently reproduced.

また、フルード分子集団の初期配置は潤滑特性に大きな影響をもたらす。たとえば、分子集団が人為的な結晶性を有していた場合、弾性流体潤滑における実現象を再現できない。したがって、シミュレーション上のせん断特性は分子構造による違いを適切に反映できない場合があるという問題があった。   In addition, the initial arrangement of fluid molecular groups has a great influence on the lubrication characteristics. For example, when the molecular group has an artificial crystallinity, the actual phenomenon in elastohydrodynamic lubrication cannot be reproduced. Therefore, there is a problem that the shear characteristics in the simulation may not appropriately reflect the difference due to the molecular structure.

なお、特許文献2は、固体間摩擦について開示するものであり、特許文献3は、界面・吸着についての記載があるが、圧力、せん断についての記載はない。   Patent Document 2 discloses friction between solids, and Patent Document 3 describes interface / adsorption, but does not describe pressure and shear.

本発明は、2つの固体原子層に挟まれた分子集団に対して圧力およびせん断を印加し、せん断応力等の力学的応答を得ることにより分子性流体であるフルードの構造設計を行うシミュレーションシステムであって、分子集団またはこの分子集団に含まれる分子について系のエネルギー緩和計算を行い安定構造を求める構造緩和プロセスを含み、この構造緩和プロセスによって得られた安定構造を利用して力学的応答を得ることを特徴とする。   The present invention is a simulation system for designing the structure of fluid, which is a molecular fluid, by applying pressure and shear to a molecular group sandwiched between two solid atomic layers and obtaining a mechanical response such as shear stress. In addition, a structural relaxation process is performed to obtain a stable structure by calculating the energy relaxation of the system for a molecular group or molecules contained in this molecular group, and a mechanical response is obtained using the stable structure obtained by this structural relaxation process. It is characterized by that.

また、前記前記構造緩和プロセスは、1フルード分子の構造緩和プロセスを含むことが好適である。   The structure relaxation process preferably includes a structure relaxation process of one fluid molecule.

また、前記構造緩和プロセスは、1フルード分子の末端間距離を極小とする構造緩和プロセスを含むことが好適である。   The structural relaxation process preferably includes a structural relaxation process that minimizes the distance between the ends of one fluid molecule.

また、フルード分子集団を固体原子層間に配置する際に、複数のフルード分子集団に異なる初期速度を与えるプロセスを含むことが好適である。   In addition, it is preferable to include a process of giving different initial velocities to a plurality of fluid molecule groups when the fluid molecule groups are arranged between solid atomic layers.

また、本発明は、2つの固体原子層に挟まれた分子集団に対して圧力およびせん断を印加し、せん断応力等の力学的応答を得ることにより分子性流体であるフルードの構造設計を行うシミュレーションプログラムであって、コンピュータに、分子集団またはこの分子集団に含まれる分子について系のエネルギー緩和計算を行い安定構造を求める構造緩和プロセスを含み、この構造緩和プロセスによって得られた安定構造を利用して力学的応答を得させることを特徴とする。   In addition, the present invention is a simulation for designing the structure of fluid, which is a molecular fluid, by applying pressure and shear to a molecular group sandwiched between two solid atomic layers and obtaining a mechanical response such as shear stress. A program that includes a structure relaxation process that calculates the energy relaxation of a system for a molecular group or molecules contained in this molecular group to obtain a stable structure, and uses the stable structure obtained by this structural relaxation process. It is characterized by giving a mechanical response.

本発明によれば、分子または分子集団の構造緩和のプロセスを導入することにより、原子や分子を現実的な位置に配置し、初期値の偏りを解消することで、実現象における油膜のせん断挙動を質的に再現できる。   According to the present invention, by introducing a structure relaxation process of molecules or molecular groups, atoms and molecules are placed at realistic positions, and the bias of the initial value is eliminated. Can be qualitatively reproduced.

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図1は、実施形態におけるシミュレーションの全体構成を示すフローチャートである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart showing the overall configuration of simulation in the embodiment.

はじめに、対象とするフルード分子の分子式を入力する(S1)。ここで、入力する構造式の書式は用いるソフトウェアに適した形とする。   First, the molecular formula of the target fluid molecule is input (S1). Here, the format of the structural formula to be input is in a form suitable for the software used.

分子内の原子間相互作用を計算するため、データベース等により分子内相互作用パラメータのテーブルを作成する(S2)。たとえば、フルード分子の分子内相互作用のデータには、Amber力場のような全原子の分子動力学用の力場を用いる(非特許文献1の2章参照)。   In order to calculate the interatomic interaction in the molecule, a table of intramolecular interaction parameters is created from a database or the like (S2). For example, a force field for molecular dynamics of all atoms such as an Amber force field is used for intramolecular interaction data of fluid molecules (see Chapter 2 of Non-Patent Document 1).

1フルード分子の初期構造を作成する(S3)。初期構造とは、原子座標、原子速度などの組である。図2に、ベンゼンについての初期構造の一例を示す。   An initial structure of one fluid molecule is created (S3). The initial structure is a set of atomic coordinates, atomic velocities, and the like. FIG. 2 shows an example of the initial structure for benzene.

以下、S4の詳細については、基本的に非特許文献1の4章に記載がある。そこで、本実施形態に特徴的な事項を主として説明する。   Hereinafter, details of S4 are basically described in Chapter 4 of Non-Patent Document 1. Therefore, the characteristic features of this embodiment will be mainly described.

複数個のフルード分子を格子状に配置する(S4)。この際に分子動力学法やモンテカルロ法などの方法により1フルード分子の構造緩和プロセスを事前に実行し、これによって安定構造を求める。   A plurality of fluid molecules are arranged in a lattice pattern (S4). At this time, a structure relaxation process of one fluid molecule is executed in advance by a method such as a molecular dynamics method or a Monte Carlo method, thereby obtaining a stable structure.

このような構造緩和計算(構造緩和プロセス)を行った結果の安定構造の例について、図3(A),図3(B),図3(C)に示す。図3(A)はベンゼン、図3(B)は末端間距離が大きい構造の例(n−ヘキサデカン:距離R=1.34nm)、図3(C)は末端距離が小さい構造の例(n−ヘキサデカン:距離R=0.74nm)である。   3A, 3B, and 3C show examples of a stable structure as a result of performing such structure relaxation calculation (structure relaxation process). 3A is an example of benzene, FIG. 3B is an example of a structure with a large end-to-end distance (n-hexadecane: distance R = 1.34 nm), and FIG. 3C is an example of a structure with a small end-to-end distance (n -Hexadecane: distance R = 0.74 nm).

このような安定構造は、系の全エネルギーの緩和によって求められる。ここで、図3(B)のような長鎖の分子については、図3(C)のように末端原子間(この場合は炭素、一般には全原子モデルの場合は水素を除く末端原子、United−Atomモデルなど粗視化モデルの場合は末端残基)の距離が極小となる現実的な安定構造を求める。   Such a stable structure is required by relaxation of the total energy of the system. Here, for a long-chain molecule as shown in FIG. 3B, as shown in FIG. 3C, the inter-terminal atoms (in this case, carbon, in general, the terminal atom excluding hydrogen in the case of the all-atom model, In the case of a coarse-grained model such as the Atom model, a realistic stable structure in which the distance of the terminal residue) is minimized.

また、分子の格子状の初期配置の例を図4に示す。この図4は、フルード分子としてシクロヘキサンを用い、格子状にフルード分子を配置した初期構造の例である。そして、この格子状の初期配置について、分子動力学などによって構造緩和プロセスを実行し、液体状態の分子集団の構造を求める。   An example of the initial arrangement of molecular lattices is shown in FIG. FIG. 4 shows an example of an initial structure in which fluid molecules are arranged in a lattice form using cyclohexane as the fluid molecules. Then, a structural relaxation process is executed on the lattice-like initial arrangement by molecular dynamics or the like to obtain the structure of the molecular group in the liquid state.

ここで、構造緩和の方法としては、たとえば、昇温、降温過程によりアニーリングを行い、図5に示す3次元の分子分布から液体状態であることを判断する。このとき、系全体の温度を一定に保つ方法としては、たとえばNose−Hover法により熱浴に接続する。分子間の相互作用に関しては、van der Waals力としてLennard−Jones型の相互作用、および原子上の部分電荷間のCoulomb力を計算する。また、原子の移動における時間積分は、たとえば速度Verlet法に基づくrRESPA(Reversible Reference System Propagator Algorithm)法により計算する。なお、境界条件は、(x,y,z)方向の周期的境界条件とする。   Here, as a structure relaxation method, for example, annealing is performed by a temperature rising / falling process, and the liquid state is determined from the three-dimensional molecular distribution shown in FIG. At this time, as a method of keeping the temperature of the entire system constant, for example, the heat bath is connected by a Nose-Hover method. As for the interaction between molecules, a Lennard-Jones type interaction as a van der Waals force and a Coulomb force between partial charges on an atom are calculated. Further, the time integration in the movement of atoms is calculated by, for example, an rRESPA (Reversible Reference System Propagator Algorithm) method based on the velocity Verlet method. The boundary condition is a periodic boundary condition in the (x, y, z) direction.

このように、本実施形態では、フルード分子を格子状に配置する際に、1フルード分子毎に構造緩和計算を行うとともに、フルード分子を格子状に配置した後に分子集団についての構造緩和プロセスを実行する。これによって、初期値依存性を解消することができる。   As described above, in this embodiment, when the fluid molecules are arranged in a lattice shape, the structure relaxation calculation is performed for each fluid molecule, and the structure relaxation process for the molecular group is performed after the fluid molecules are arranged in the lattice shape. To do. Thereby, the initial value dependency can be eliminated.

このようにして、構造緩和プロセスを実行して初期配置を得た場合には、二組の固体原子層を作成する(S5)。ここで、固体原子層は、たとえばα−鉄の単結晶を模して、(x,y,z)方向に、10×10×3原子とし、格子間隔は2.87Åとする。   In this way, when the structure relaxation process is executed and the initial arrangement is obtained, two sets of solid atomic layers are created (S5). Here, the solid atomic layer is, for example, a single crystal of α-iron, 10 × 10 × 3 atoms in the (x, y, z) direction, and the lattice spacing is 2.87 cm.

この固体原子層間に、液体状態のフルード分子集団を1組あるいは数組に分けて配置する(S6)。シミュレーションの対象とするフルードのシミュレーションセルは直方体とし、境界条件として直交座標系において(x,y)方向に周期的条件を課す。   Between the solid atomic layers, the fluid molecular group in the liquid state is arranged in one or several groups (S6). The fluid simulation cell to be simulated is a rectangular parallelepiped, and a periodic condition is imposed as a boundary condition in the (x, y) direction in the orthogonal coordinate system.

以下、xはしゅう動方向、zは油膜厚さの方向とする。図6に、シミュレーションセルの一例を示す。この例は、圧縮課程の初期配列の例である。   Hereinafter, x is the sliding direction, and z is the direction of the oil film thickness. FIG. 6 shows an example of the simulation cell. This example is an example of the initial arrangement of the compression process.

ここで、配置されたフルード分子集団が複数組の場合は、原子ごと、分子ごと、あるいは分子集団ごとに異なる初期速度を与えることによって、本来は熱的な乱雑性を有する実現象を再現できる。これによって、初期値依存性を解消できる。   Here, in the case where a plurality of fluid molecule groups are arranged, by providing different initial velocities for each atom, each molecule, or each molecule group, it is possible to reproduce an actual phenomenon that originally has thermal randomness. Thereby, the initial value dependency can be eliminated.

固体原子層がフルードに接するしゅう動面、たとえば、先のα−鉄の場合は、(100)面とする。また、シミュレーションの効率化のため、各層の鉄原子の振動は凍結させてもよい。   In the case of the sliding surface where the solid atomic layer is in contact with the fluid, for example, α-iron, the (100) plane is used. In addition, the vibration of iron atoms in each layer may be frozen for efficient simulation.

配置する分子数は、油膜厚さに関して、弾性流体潤滑における実現象を再現するだけの量とする。図7では、n−ヘキサンにおけるトラクション係数の膜厚・せん断速度依存性を示している。このように、せん断速度が小さくなるとそれだけトラクション係数μが小さくなる。また、膜厚の増加とともにトラクション係数μは減少する。この系では、膜厚が少なくとも5.0nm以上必要であることを示している(非特許文献1の4.1.2−4.1.4章を参照)。したがって、油膜厚さについて、実現象に即した5nm以上にすることが、超薄膜におけるスティック−スリップ運動のような固体的挙動ではなく、フルードの粘弾性-弾塑性的なせん断挙動を観測するには好ましいといえる。   The number of molecules to be arranged is an amount that reproduces the actual phenomenon in elastohydrodynamic lubrication with respect to the oil film thickness. FIG. 7 shows the film thickness / shear rate dependence of the traction coefficient in n-hexane. Thus, as the shear rate decreases, the traction coefficient μ decreases accordingly. Further, the traction coefficient μ decreases as the film thickness increases. This system indicates that the film thickness is required to be at least 5.0 nm or more (see Chapter 4.1.2-4.1.4 of Non-Patent Document 1). Therefore, when the oil film thickness is set to 5 nm or more in accordance with the actual phenomenon, the viscoelastic-elasto-plastic shear behavior of the fluid is observed, not the solid behavior like the stick-slip motion in the ultrathin film. Is preferable.

固体原子層-フルード間の相互作用について、EHL(弾性流体潤滑)条件下においてはフルード層内の相互作用がトラクション発現の主要因子であるとの考えから、固体原子層−フルード間の界面すべりが生じない程度に大きな相互作用を与える(S7)。たとえば、固体原子がα−鉄の場合に、大きな相互作用力を与えるには、Lennard−Jonesパラメータをσ=12kcal/mol程度とする。一方、σが小さい場合(σ<0.1σM)には、図8に示すように界面すべりを生じる(非特許文献1の4.1.5章を参照)。このように、フルード層内部における粘弾性的挙動について、界面すべりの生じない固体−フルード間の相互作用を設定することで、界面すべりの影響を受けずにフルードそのものの潤滑特性を測ることができる。   Regarding the interaction between the solid atomic layer and the fluid, the interaction between the solid atomic layer and the fluid is considered to be the main factor in the expression of traction under EHL (elastohydrodynamic lubrication) conditions. A large interaction that does not occur is given (S7). For example, when the solid atom is α-iron, to provide a large interaction force, the Lennard-Jones parameter is set to approximately σ = 12 kcal / mol. On the other hand, when σ is small (σ <0.1σM), an interface slip occurs as shown in FIG. 8 (see Chapter 4.1.5 of Non-Patent Document 1). Thus, by setting the solid-fluid interaction that does not cause interfacial slip for the viscoelastic behavior inside the fluid layer, the lubrication characteristics of the fluid itself can be measured without being affected by interfacial slip. .

ここで、図8において、固体原子のLennard−Jonesパラメータについてσij=12.14kcal/mol≡σMとしている。図8は、膜厚z0=5.0nmの系において、σij=σM,0:5σM,0:1σM,0:05σM,0:01σMであるときの速度プロファイルを示している。σij=1.0,0:5σMであるときは、固体原子層−フルード間の界面すべりは生じない。σij=0:1σMのときに、若干の界面すべりが見られ、σij=0.1σM以下では、σijの減少とともに、すべりが大きくなっている。 Here, in FIG. 8, σ ij = 12.14 kcal / mol≡σ M for the Lennard-Jones parameter of the solid atom. FIG. 8 shows a velocity profile when σ ij = σ M , 0: 5σ M , 0: 1σ M , 0: 05σ M , 0: 01σ M in a system with a film thickness z 0 = 5.0 nm. Yes. When σ ij = 1.0, 0: 5σ M , no interface slip between the solid atomic layer and the fluid occurs. When σ ij = 0: 1σ M , some interface slip is observed, and when σ ij = 0.1σ M or less, the slip increases as σ ij decreases.

次に、(x,y)の水平方向にのみ周期境界条件を与え、垂直方向には一定圧力を与えることによりフルードを圧縮し定圧状態を求める(S8)。たとえば、固体原子層に対してz方向に1GPaの外部圧力を印加し、フルードを圧縮する。圧力は、上の固体原子層に対してz軸方向にかかる圧力として与える。内圧と外圧が一定となり膜厚が概ね一定となった段階で定圧状態とする。ここで、必要に応じて温度制御により系の温度を、実しゅう動条件を想定した条件に設定する。ここから先は温度一定とする。図9にフルード分子集団の定圧状態を求めた一例を示す。   Next, a periodic boundary condition is given only in the horizontal direction (x, y) and a constant pressure is given in the vertical direction to compress the fluid and obtain a constant pressure state (S8). For example, an external pressure of 1 GPa is applied to the solid atomic layer in the z direction to compress the fluid. The pressure is given as a pressure applied to the upper solid atomic layer in the z-axis direction. The constant pressure state is set when the internal pressure and the external pressure become constant and the film thickness becomes substantially constant. Here, if necessary, the temperature of the system is set to a condition that assumes an actual sliding condition by temperature control. From here on, the temperature is constant. FIG. 9 shows an example in which the constant pressure state of the fluid molecular group is obtained.

図10に、n−ヘキサンのトラクション係数の圧力依存性を示す(非特許文献4参照)。弾性流体潤滑の特徴である限界せん断応力下のシミュレーションを行うためには、1GPa以上の外部圧力を印加する必要があることが分かる。   In FIG. 10, the pressure dependence of the traction coefficient of n-hexane is shown (refer nonpatent literature 4). It can be seen that it is necessary to apply an external pressure of 1 GPa or more in order to perform a simulation under the limit shear stress, which is a characteristic of elastohydrodynamic lubrication.

上下の固体原子層をx方向に相対速度差v0の定速で水平に移動することによりせん断場を印加する(S9)。   A shear field is applied by horizontally moving the upper and lower solid atomic layers in the x direction at a constant speed with a relative speed difference v0 (S9).

トラクション係数の経時変化を図11に示すように観測し、値の収束した状態を系の定常状態とみなす判定を行う(S10)。図12に定圧・定せん断状態における分子分布の一例を示す。なお、S9とS10のプロセスは同時進行でも良い。   The change with time of the traction coefficient is observed as shown in FIG. 11, and a determination is made that the state in which the values converge is regarded as the steady state of the system (S10). FIG. 12 shows an example of molecular distribution in a constant pressure / constant shear state. Note that the processes of S9 and S10 may proceed simultaneously.

定常状態におけるトラクション係数の時間平均を求めて、それを出力する(S11)。目的とする物理量が、トラクション係数(摩擦係数)μ以外であった場合は、その係数を求めて、それを出力する。   The time average of the traction coefficient in the steady state is obtained and output (S11). If the target physical quantity is other than the traction coefficient (friction coefficient) μ, the coefficient is obtained and output.

目的の物理特性を発現する分子であるかどうかを判定し(S12)、適切ならば処理を終了し、不適切ならばS1に戻り、別の分子構造によって再度計算を行う。   It is determined whether or not the molecule expresses the target physical property (S12). If appropriate, the process ends. If inappropriate, the process returns to S1, and the calculation is performed again with another molecular structure.

このように、本実施形態に係るシミュレーションでは、固体原子層に挟まれたフルード分子集団に対して、固体原子層に対して垂直方向に一定圧力の外場を印加し、水平移動によりせん断場を印加することによって、定圧・定せん断状態のフルード分子集団の挙動をシミュレートし、その物理量(たとえばトラクション係数)を求めることができる。   As described above, in the simulation according to the present embodiment, an external field having a constant pressure is applied to the fluid molecule group sandwiched between the solid atomic layers in a direction perpendicular to the solid atomic layers, and the shear field is generated by horizontal movement. By applying it, it is possible to simulate the behavior of a fluid molecular group in a constant pressure / constant shear state and to determine its physical quantity (for example, traction coefficient).

分子動力学などの分子シミュレーションによってフルード分子集団のマクロなレオロジー特性を計算には、扱うことのできる分子数、物理時間が限られている。このような手法においては、初期値の偏り(たとえば初期構造の均一さ)に起因する不自然な規則性が生じ実現象を再現できない。本実施形態では、分子または分子集団の構造緩和のプロセスを導入することにより、原子や分子を現実的な位置に配置し、初期値の偏りを解消することで、実現象における油膜のせん断挙動を質的に再現できるようになった。   The number of molecules and physical time that can be handled are limited to the calculation of macro rheological properties of fluid molecular populations by molecular simulation such as molecular dynamics. In such a method, an unnatural regularity due to the deviation of the initial value (for example, the uniformity of the initial structure) occurs, and the actual phenomenon cannot be reproduced. In this embodiment, by introducing a structure relaxation process of molecules or molecular groups, atoms and molecules are placed at realistic positions, and the bias of the initial value is eliminated, so that the shear behavior of the oil film in the actual phenomenon is reduced. It became possible to reproduce qualitatively.

具体的には、構造緩和のプロセスとして、1フルード分子上の原子の任意の初期空間配置から全エネルギーを最小化する計算を行う、さらにこの際に1フルード分子の末端間距離の極小化させること、またフルード分子集団を固体原子層間に配置する際に複数のフルード分子集団に異なる初期速度を与えることで、実現象におけるフルード分子集団の構造を再現し、この初期値問題を解決している。   Specifically, as a process of structural relaxation, calculation is performed to minimize the total energy from an arbitrary initial spatial arrangement of atoms on one fluid molecule, and at this time, the end-to-end distance of one fluid molecule is minimized. Moreover, by arranging different initial velocities to a plurality of fluid molecular groups when the fluid molecular groups are arranged between solid atomic layers, the structure of the fluid molecular group in an actual phenomenon is reproduced to solve this initial value problem.

図13に、分子構造の異なる8種類の炭化水素(A〜H)における計算値の実験値との比較の例を示す。本実施形態により、分子構造ごとのトラクション係数の序列を予測することが可能であることを示している。   FIG. 13 shows an example of comparison of the calculated values with the experimental values for eight types of hydrocarbons (A to H) having different molecular structures. This embodiment shows that it is possible to predict the order of traction coefficients for each molecular structure.

実施形態に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the simulation which concerns on embodiment. 初期構造の例を示す図である。It is a figure which shows the example of an initial structure. フルード分子の安定構造の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the stable structure of a fluid molecule | numerator. 格子状にフルード分子を配置した初期構造の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the initial structure which has arrange | positioned the fluid molecule | numerator in the grid | lattice form. 液体構造のフルード分子集団の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the fluid molecule | numerator group of a liquid structure. 圧縮過程の初期配列の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the initial stage arrangement | sequence of a compression process. トラクション係数の膜厚・せん断速度依存性を示す図である。It is a figure which shows the film thickness and shear rate dependence of a traction coefficient. 固体原子層−フルード間相互作用の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of a solid atomic layer-fluid interaction. 定圧状態の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a constant pressure state. トラクション係数の圧力依存性を示す図である。It is a figure which shows the pressure dependence of a traction coefficient. トラクション係数の計算結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the calculation result of a traction coefficient. 定圧・定せん断状態の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a constant pressure and a constant shear state. 分子構造の異なるフルードにおけるトラクション係数の実験値との比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison with the experimental value of the traction coefficient in the fluid from which molecular structure differs.

Claims (5)

2つの固体原子層に挟まれた分子集団に対して圧力およびせん断を印加し、せん断応力等の力学的応答を得ることにより分子性流体であるフルードの構造設計を行うシミュレーションシステムであって、
分子集団またはこの分子集団に含まれる分子について系のエネルギー緩和計算を行い安定構造を求める構造緩和プロセスを含み、この構造緩和プロセスによって得られた安定構造を利用して力学的応答を得ることを特徴とするシミュレーションシステム。
A simulation system for structural design of fluid, which is a molecular fluid, by applying pressure and shear to a molecular group sandwiched between two solid atomic layers and obtaining a mechanical response such as shear stress,
It includes a structural relaxation process that calculates the energy relaxation of a system for a molecular group or molecules contained in this molecular group to obtain a stable structure, and obtains a mechanical response using the stable structure obtained by this structural relaxation process A simulation system.
請求項1に記載のシミュレーションシステムにおいて、
前記構造緩和プロセスは、1フルード分子の構造緩和プロセスを含むことを特徴とするシミュレーションシステム。
In the simulation system according to claim 1,
The structure relaxation process includes a structure relaxation process of one fluid molecule.
請求項1に記載のシミュレーションシステムにおいて、
前記構造緩和プロセスは、1フルード分子の末端間距離を極小とする構造緩和プロセスを含むことを特徴とするシミュレーションシステム。
In the simulation system according to claim 1,
The structural relaxation process includes a structural relaxation process that minimizes a distance between terminals of one fluid molecule.
請求項1に記載のシミュレーションシステムにおいて、
フルード分子集団を固体原子層間に配置する際に、複数のフルード分子集団に異なる初期速度を与えるプロセスを含むことを特徴とするシミュレーションシステム。
In the simulation system according to claim 1,
A simulation system comprising a process of giving different initial velocities to a plurality of fluid molecular groups when the fluid molecular groups are arranged between solid atomic layers.
2つの固体原子層に挟まれた分子集団に対して圧力およびせん断を印加し、せん断応力等の力学的応答を得ることにより分子性流体であるフルードの構造設計を行うシミュレーションプログラムであって、
コンピュータに、
分子集団またはこの分子集団に含まれる分子について系のエネルギー緩和計算を行い安定構造を求める構造緩和プロセスを含み、この構造緩和プロセスによって得られた安定構造を利用して力学的応答を得させることを特徴とするシミュレーションプログラム。
A simulation program for designing the structure of fluid as a molecular fluid by applying pressure and shear to a molecular group sandwiched between two solid atomic layers and obtaining a mechanical response such as shear stress,
On the computer,
It includes a structure relaxation process that calculates the energy relaxation of a system for a molecular group or molecules contained in this molecular group to obtain a stable structure, and obtains a mechanical response using the stable structure obtained by this structural relaxation process. A characteristic simulation program.
JP2008157178A 2008-06-16 2008-06-16 Simulation system and program thereof Pending JP2009301437A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008157178A JP2009301437A (en) 2008-06-16 2008-06-16 Simulation system and program thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008157178A JP2009301437A (en) 2008-06-16 2008-06-16 Simulation system and program thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009301437A true JP2009301437A (en) 2009-12-24

Family

ID=41548243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008157178A Pending JP2009301437A (en) 2008-06-16 2008-06-16 Simulation system and program thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009301437A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020066682A (en) * 2018-10-25 2020-04-30 出光興産株式会社 Lubricating base oil and lubricating oil composition and method of using lubricating oil composition
JP7420040B2 (en) 2020-09-30 2024-01-23 住友金属鉱山株式会社 Interface structure search method

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004301535A (en) * 2003-03-28 2004-10-28 Kurimoto Ltd Method for analyzing bonding state of organic film on surface of metal

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004301535A (en) * 2003-03-28 2004-10-28 Kurimoto Ltd Method for analyzing bonding state of organic film on surface of metal

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020066682A (en) * 2018-10-25 2020-04-30 出光興産株式会社 Lubricating base oil and lubricating oil composition and method of using lubricating oil composition
JP7420040B2 (en) 2020-09-30 2024-01-23 住友金属鉱山株式会社 Interface structure search method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nélias et al. A three-dimensional semianalytical model for elastic-plastic sliding contacts
Jalalahmadi et al. A Voronoi finite element study of fatigue life scatter in rolling contacts
Chandrasekar et al. An improved model of asperity interaction in normal contact of rough surfaces
Chaise et al. Contact pressure and residual strain in 3D elasto-plastic rolling contact for a circular or elliptical point contact
Wang et al. Theoretical and finite element analysis of static friction between multi-scale rough surfaces
Jackson et al. A multiscale model of thermal contact resistance between rough surfaces
Ibrahim Dickey et al. Measurements of the static friction coefficient between tin surfaces and comparison to a theoretical model
Martini et al. Molecular dynamics characterization of thin film viscosity for EHL simulation
Kumar et al. Sintering and mud cracking in EB-PVD thermal barrier coatings
Zheng et al. Roughness and lubricant effect on 3D atomic asperity contact
Feng et al. Prediction of dynamic characteristics of a bump-type foil bearing structure with consideration of dynamic friction
Horsch et al. Contact Angle Dependence on the Fluid− Wall Dispersive Energy
Hulikal et al. Static and sliding contact of rough surfaces: effect of asperity-scale properties and long-range elastic interactions
Chinyoka et al. Unsteady and porous media flow of reactive non-Newtonian fluids subjected to buoyancy and suction/injection
Savio et al. A multiscale study on the wall slip effect in a ceramic–steel contact with nanometer-thick lubricant film by a nano-to-elastohydrodynamic lubrication approach
Loizou et al. A fundamental study on the heat partition ratio of vehicle disk brakes
Bosman et al. Transient thermal effects and heat partition in sliding contacts
JP2009301437A (en) Simulation system and program thereof
Gong et al. Adhesion mechanics between nanoscale silicon oxide tips and few-layer graphene
Lv et al. Modeling and experimental validation of a linear ultrasonic motor considering rough surface contact
Yu et al. Extracting summit roughness parameters from random Gaussian surfaces accounting for asymmetry of the summit heights
Motchongom-Tingue et al. Stick–slip motion and static friction in a nonlinear deformable substrate potential
He et al. Simulation of plasto-elastohydrodynamic lubrication in a rolling contact
Wu et al. Normal contact analysis between two self-affine fractal surfaces at the nanoscale by molecular dynamics simulations
Slack et al. EHL modeling for nonhomogeneous materials: the effect of material inclusions

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100810

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120221

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120423

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120619