JP2010256300A - Method for creating polymer material model - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently create a polymer material model in a short period of time. <P>SOLUTION: A method includes the steps of: S1 connecting monomer models modeled from a polymer material, monomer, in numbers equal to a molecular weight between entanglement points of the polymer material and setting a unit models of a polymer chain wherein factitious reaction sites have been defined for the monomer models at both ends; S2 relaxing a structure of the unit model to set a random coil-like unit model; S3 arranging a plurality of unit models in a space to set a first polymer material model; S4 relaxing a structure of the first polymer material model and making adjacent two reaction sites combine the unit models getting closer to each other at a predetermined distance or below to grow into a polymer chain model; and S5 stopping the growth step in S4 when an average molecular weight of the polymer chain model contained in the polymer material model becomes almost equal to the average molecular weight of the analytical object polymer material. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、コンピュータシミュレーションで用いられる高分子材料モデルを短時間でかつ能率良く作成しうる高分子材料モデルの作成方法に関する。   The present invention relates to a polymer material model creation method capable of efficiently creating a polymer material model used in computer simulation in a short time.

近年、コンピュータを用いた高分子材料のシミュレーション(数値計算)が種々提案されている。この種のシミュレーションでは、主として分子動力学( Molecular Dynamics : MD)計算が行われる。   In recent years, various simulations (numerical calculations) of polymer materials using computers have been proposed. In this type of simulation, molecular dynamics (MD) calculation is mainly performed.

分子動力学計算は、解析対象となる高分子材料の分子構造に基づいて多数の原子又はその集合体(分子を含む)からなる粒子を配置した材料モデルを設定し、配置した全ての粒子が古典力学に従うものとしてニュートンの運動方程式が適用される。そして、各時刻における全ての粒子の動きが追跡される。   In molecular dynamics calculation, a material model in which particles consisting of many atoms or aggregates (including molecules) are arranged is set based on the molecular structure of the polymer material to be analyzed, and all the arranged particles are classical. Newton's equation of motion is applied as subject to dynamics. Then, the movement of all particles at each time is tracked.

このような分子動力学計算によれば、粒子の微視的な運動を正確に追跡することができる。従って、実験結果に頼らず、物質の性質や運動を明らかにすることができる。また、追跡時間等を調節することにより、粒子の初期配置に依存しない正確なシミュレーション結果が得られる。関連する技術としては、次のものがある。   According to such molecular dynamics calculation, it is possible to accurately track the microscopic motion of particles. Therefore, it is possible to clarify the nature and movement of a substance without depending on the experimental results. Further, by adjusting the tracking time and the like, an accurate simulation result independent of the initial arrangement of particles can be obtained. Related technologies include the following.

特開2007−107968号公報JP 2007-107968 A 特開2006−282929号公報JP 2006-282929 A

一般に、ゴムや高分子材料は、図14に示されるように、複雑に絡み合った長い分子鎖構造を持っている。絡み合っている部分、即ち絡み合い点K、Kの間の分子量は、各高分子材料においてほぼ決まった値を示す。これは、一般に、絡み合い点間分子量と呼ばれており、種々の実験によって下記式(1)から計算できることが分かっている。
絡み合い点間分子量Me=ρ・R・T/G0 …(1)
ただし、ρ:ポリマーの密度、R:気体定数、G0:プラトー弾性率、T:プラトー弾性率を示す絶対温度である。
Generally, rubber and polymer materials have a long molecular chain structure intertwined in a complicated manner as shown in FIG. The entangled portion, that is, the molecular weight between the entanglement points K and K shows a substantially fixed value in each polymer material. This is generally called the molecular weight between entanglement points, and it has been found that it can be calculated from the following formula (1) by various experiments.
Entanglement molecular weight Me = ρ · R · T / G 0 (1)
Where ρ is the density of the polymer, R is the gas constant, G 0 is the plateau elastic modulus, and T is the absolute temperature indicating the plateau elastic modulus.

従って、高分子材料の正確なシミュレーションを行うためには、このような分子鎖の絡み合いを正しく再現した高分子材料モデル、換言すれば、解析対象の高分子材料と同じ絡み合い点間分子量を持った高分子モデルを有する高分子材料モデルを作成する必要がある。   Therefore, in order to perform an accurate simulation of a polymer material, a polymer material model that correctly reproduces such entanglement of molecular chains, in other words, has the same molecular weight between the entanglement points as the polymer material to be analyzed. It is necessary to create a polymer material model having a polymer model.

しかしながら、従来の高分子材料モデルは、例えば、解析対象となる高分子材料の分子量(例えば約10万から30万)を有する高分子鎖モデルを、モンテカルロ法等を用いてそれぞれ異なる形状で作成して空間に配置するとともに、所定の密度になるまで構造緩和を行うことによって作成される。このような高分子材料モデルは、上述の絡み合い点間分子量を持っている保証はなく、むしろ絡み合い点間分子量を持っていないと考えられる。このような高分子材料モデルを用いたシミュレーションでは、計算精度においてさらなる改善の余地がある。   However, in the conventional polymer material model, for example, polymer chain models having a molecular weight (for example, about 100,000 to 300,000) of the polymer material to be analyzed are created in different shapes using the Monte Carlo method or the like. In addition, it is created by performing structural relaxation until it reaches a predetermined density. Such a polymer material model is not guaranteed to have the above-described molecular weight between entanglement points, but rather is considered not to have the molecular weight between entanglement points. In the simulation using such a polymer material model, there is room for further improvement in calculation accuracy.

また、解析対象となる高分子材料のモノマーモデルを設定し、これを構造緩和を用いてランダムに成長させる方法を採用した場合、上述の問題は解消されるかもしれない。しかしながら、この方法では、最新のコンピュータを使用しても数年〜数十年というオーダの計算時間が必要になる。   In addition, when a monomer model of a polymer material to be analyzed is set and a method of randomly growing the model using structural relaxation is used, the above problem may be solved. However, with this method, even if the latest computer is used, calculation time on the order of several years to several tens of years is required.

本発明は、以上のような問題点に鑑み案出なされたもので、絡み合い点間分子量を持った高分子鎖モデルを含む高分子材料モデルを能率良く作成し、精度の高いシミュレーションを実行するのに役立つ高分子材料モデルの作成方法を提供することを主たる目的としている。   The present invention has been devised in view of the above problems, and efficiently creates a polymer material model including a polymer chain model having a molecular weight between entangled points, and executes a highly accurate simulation. The main purpose is to provide a method for creating a polymer material model that is useful for the future.

本発明のうち請求項1記載の発明は、コンピュータで用いられる数値解析用の高分子材料モデルを作成する方法であって、解析対象となる高分子材料のモノマーをモデル化したモノマーモデルが該高分子材料の絡み合い点間分子量に等しい数で連結されるともに両端のモノマーモデルに架空の反応サイトが定義された高分子鎖の単位モデルを設定する工程と、前記単位モデルを分子動力学計算により構造緩和させてランダムコイル状の単位モデルを設定する工程と、前記ランダムコイル状の単位モデルの複数本を予め定めた空間にランダムに配置して第1の高分子材料モデルを設定する工程と、前記第1の高分子材料モデルを分子動力学計算により構造緩和させるとともに、隣り合う2つの反応サイトが予め定めた距離以下になったときに、該反応サイトを削除しかつボンドを生成させて結合することにより高分子鎖モデルに成長させる成長工程と、前記高分子材料モデルに含まれる高分子鎖モデルの平均分子量が、前記解析対象の高分子材料の平均分子量とほぼ等しくなったときに前記成長工程を停止させる工程とを含むことを特徴とする。   The invention described in claim 1 of the present invention is a method of creating a polymer material model for numerical analysis used in a computer, and a monomer model obtained by modeling a monomer of a polymer material to be analyzed is the high-level model. A step of setting a unit model of a polymer chain that is connected by a number equal to the molecular weight between the entanglement points of the molecular material and has fictitious reaction sites defined in the monomer models at both ends, and the unit model is structured by molecular dynamics calculation Relaxing and setting a random coil unit model; setting a first polymer material model by randomly arranging a plurality of the random coil unit models in a predetermined space; and When the structure of the first polymer material model is relaxed by molecular dynamics calculation and two adjacent reaction sites are less than or equal to a predetermined distance, The growth step of removing a reaction site and generating a bond to form a bond to grow it into a polymer chain model, and the average molecular weight of the polymer chain model included in the polymer material model is the polymer material to be analyzed And a step of stopping the growth step when the average molecular weight becomes substantially equal.

また請求項2記載の発明は、前記成長工程は、時間の経過とともに、前記空間の体積を小さくして前記成長工程を加速させる処理を含む請求項1記載の高分子材料の作成方法である。   The invention according to claim 2 is the method for producing a polymer material according to claim 1, wherein the growth step includes a process of reducing the volume of the space and accelerating the growth step with time.

また請求項3記載の発明は、前記モノマーモデルは、水素原子をモデル化した水素粒子モデルを含むとともに、前記成長工程を経た高分子材料モデルの前記空間内に、架橋剤をモデル化した架橋体モデルをランダムに配置して構造緩和する工程をさらに含み、かつ、この構造緩和の工程では、前記架橋体モデルと水素粒子モデルとの距離が予め定めた距離以下になったときに該水素粒子モデルを削除してその高分子鎖モデルの主鎖原子と架橋体モデルとを結合させる架橋処理を含む請求項1又は2に記載の高分子材料の作成方法である。   In the invention according to claim 3, the monomer model includes a hydrogen particle model in which hydrogen atoms are modeled, and a crosslinked body in which a crosslinking agent is modeled in the space of the polymer material model that has undergone the growth process. And further comprising a step of relaxing the structure by randomly arranging the models, and in the step of relaxing the structure, when the distance between the crosslinked body model and the hydrogen particle model is equal to or less than a predetermined distance, the hydrogen particle model The method for producing a polymer material according to claim 1, further comprising a cross-linking treatment in which a main chain atom of the polymer chain model and a cross-linked model are bonded to each other.

また請求項4記載の発明は、前記架橋処理は、前記架橋体モデルに、2つの水素粒子モデルが前記距離以下に近づいたことを条件として、前記結合を行う請求項3記載の高分子材料モデルの作成方法である。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the polymer material model according to the third aspect, wherein in the crosslinking treatment, the bonding is performed on the condition that two hydrogen particle models approach the distance or less in the crosslinked body model. It is a creation method.

また請求項5記載の発明は、前記架橋処理は、前記架橋体モデルに、一つの水素粒子モデルだけが前記距離以下に近づいたことを条件として、前記結合を行う段階と、予め定めた時間が経過するまで、この結合を行った架橋体モデルが、他の主鎖原子と結合するのを禁止する段階とを含む請求項4記載の高分子材料の作成方法である。   Further, the invention according to claim 5 is characterized in that the crosslinking treatment includes the step of performing the bonding on the condition that only one hydrogen particle model approaches the distance or less in the crosslinked body model, and a predetermined time. The method for producing a polymer material according to claim 4, further comprising a step of prohibiting the crosslinked body model in which the bonding is performed until bonding with other main chain atoms until the passage.

本発明によれば、解析対象となる高分子材料の絡み合い点間分子量に等しい単位モデルを一単位とし、かつ、これを互いに結合して成長させることにより、高分子鎖モデルが設定される。従って、各高分子鎖モデルは、いずれも高分子材料モデルの絡み合い点間分子量を持つため、精度の高いシミュレーションを行うことが可能になる。   According to the present invention, the unit model equal to the molecular weight between the entanglement points of the polymer material to be analyzed is set as one unit, and the unit model is combined with each other and grown to set the polymer chain model. Accordingly, since each polymer chain model has the molecular weight between the entanglement points of the polymer material model, it is possible to perform a highly accurate simulation.

また、請求項2記載の発明のように、単位モデルを結合して成長させる際、時間の経過とともに、その可動空間の体積を小さくする反応加速処理を含ませたときには、反応サイト同士が接近する機会を増加させ、短時間で成長工程を行うことができる。   Further, as in the invention described in claim 2, when unit models are combined and grown, when a reaction acceleration process for reducing the volume of the movable space is included with the passage of time, the reaction sites approach each other. Opportunities can be increased and the growth process can be performed in a short time.

また、請求項3記載の発明のように、架橋処理を含ませたときには、架橋構造の高分子材料モデルを能率良く作成することができる。   Further, as in the invention described in claim 3, when the crosslinking treatment is included, a polymer material model having a crosslinked structure can be efficiently created.

また、請求項4記載の発明のように、前記架橋処理は、架橋体モデルに、2つの水素粒子モデルが前記距離以下に近づいたことを条件として、これらの高分子鎖モデルの水素粒子モデルを取り除き、かつ、それらの主鎖原子を、架橋体モデルを介して結合させることもできる。   Further, as in the invention of claim 4, the crosslinking treatment is performed by applying a hydrogen particle model of these polymer chain models to a crosslinked body model on condition that two hydrogen particle models are close to the distance or less. They can also be removed and their main chain atoms can be bonded via a cross-linked model.

また、請求項5記載の発明のように、前記架橋処理は、前記架橋体モデルに、一つの水素粒子モデルだけが前記距離以下に近づいたことを条件として、前記結合を行う段階と、予め定めた時間が経過するまで、この結合を行った架橋体モデルが、他の主鎖原子と結合するのを禁止する段階とを含ませることもできる。この方法によれば、架橋点をより分散させることができる。   According to a fifth aspect of the present invention, the cross-linking treatment includes a step of performing the coupling on the condition that only one hydrogen particle model approaches the distance or less in the cross-linked model. The cross-linked product model in which this bonding is performed may be prohibited from bonding with other main chain atoms until a predetermined time elapses. According to this method, the crosslinking points can be more dispersed.

本実施形態により得られた高分子材料モデルの斜視図である。It is a perspective view of the polymer material model obtained by this embodiment. cis1,4ポリブタジエンの構造式である。It is a structural formula of cis 1,4 polybutadiene. 本実施形態の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of this embodiment. 本実施形態の単位モデルの部分平面図である。It is a partial top view of the unit model of this embodiment. 図4の単位モデルをランダムコイル状に構造緩和した図である。FIG. 5 is a diagram showing the structure of the unit model of FIG. 第1の高分子材料モデルの斜視図である。It is a perspective view of the 1st polymer material model. (a)、(b)は反応サイト同士が接近したときの作用を説明する線図である。(A), (b) is a diagram explaining an effect | action when reaction sites approach. 第1の高分子材料モデルの反応途中の斜視図である。It is a perspective view in the middle of reaction of the 1st polymeric material model. 第1の高分子材料モデルにおける高分子鎖の分子量の分布の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of distribution of the molecular weight of the polymer chain in the 1st polymer material model. 架橋された高分子材料モデルを作成する実施形態の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of embodiment which produces the bridge | crosslinked polymeric material model. 第2の高分子材料モデルの斜視図である。It is a perspective view of the 2nd polymer material model. (a)、(b)は架橋体モデルの作用を説明する線図である。(A), (b) is a diagram explaining the effect | action of a crosslinked body model. 本実施形態により得られた架橋された高分子材料モデルの斜視図である。It is a perspective view of the bridge | crosslinked polymeric material model obtained by this embodiment. 絡み合い点間分子量を説明する高分子鎖の模式図である。It is a schematic diagram of the polymer chain explaining the molecular weight between entanglement points.

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態の高分子材料モデルの作成方法では、例えば図1に示されるような高分子材料モデル1を作成することができる。このモデル1は、非架橋のものであって、微小な空間を区画する箱状のセル2と、このセル2の内部に配置された多数の高分子鎖モデル3とから構成される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the polymer material model creation method of this embodiment, for example, a polymer material model 1 as shown in FIG. 1 can be created. This model 1 is non-crosslinked, and is composed of a box-shaped cell 2 that partitions a minute space, and a large number of polymer chain models 3 arranged inside the cell 2.

高分子材料モデル1は、コンピュータ(図示省略)の記憶装置に、セル2及び高分子鎖モデル3の形状及び位置等を特定するための各節点の座標等を含む各種のパラメータが記憶された数値データである。図1では、これらの数値データを基に視覚化されたものが示される。このような高分子材料モデル1は、例えば外力を加えて変形させたときの応力及び/又は歪等の物理量がコンピュータで数値計算される。そして、これらの物理量を評価することにより、高分子材料の開発ないし性能を予測するのに役立つ。前記コンピュータは、特に制限されないが、好ましくは計算処理能力の高いスーパーコンピュータ等が好適に用いられる。   The polymer material model 1 is a numerical value in which various parameters including coordinates of each node for specifying the shape and position of the cell 2 and the polymer chain model 3 are stored in a storage device of a computer (not shown). It is data. In FIG. 1, what was visualized based on these numerical data is shown. In such a polymer material model 1, for example, physical quantities such as stress and / or strain when deformed by applying an external force are numerically calculated by a computer. Then, by evaluating these physical quantities, it is useful for predicting the development or performance of the polymer material. The computer is not particularly limited, but a supercomputer with high calculation processing capability is preferably used.

本実施形態では、解析対象の高分子材料としてcis-1,4ポリブタジエン(以下、単にポリブタジエンという。)を例に挙げる。ただし、他の高分子材料についても同様の手順で高分子材料モデルを作成することができるのは言うまでもない。   In the present embodiment, cis-1,4 polybutadiene (hereinafter simply referred to as polybutadiene) is taken as an example of a polymer material to be analyzed. However, it goes without saying that a polymer material model can be created for other polymer materials in the same procedure.

図2に示されるように、ポリブタジエンは、メチレン基(−CH−)とメチン基(−CH−)とからなるモノマー{−[CH−CH=CH−CH]−}を重合して得られる。 As shown in FIG. 2, polybutadiene is obtained by polymerizing a monomer {— [CH 2 —CH═CH—CH 2 ] —} composed of a methylene group (—CH 2 —) and a methine group (—CH—). can get.

図3は、このようなポリブタジエンの高分子材料モデル1を作成するための処理手順のフローチャートを示す。本実施形態では、先ず、解析対象のポリブタジエンの分子構造に基づいて、その高分子鎖の単位モデル4がコンピュータの記憶装置内に作成される(ステップS1)。   FIG. 3 shows a flowchart of a processing procedure for creating such a polymer material model 1 of polybutadiene. In this embodiment, first, based on the molecular structure of the polybutadiene to be analyzed, the unit model 4 of the polymer chain is created in the storage device of the computer (step S1).

前記単位モデル4は、図4に示されるように、ポリブタジエンのモノマーであるブタジエンをモデル化したモノマーモデル5が、該ポリブタジエンの絡み合い点間分子量Meに等しい数nで連結されるとともに、両端に位置するモノマーモデル5eには、それぞれ架空の反応サイトRが定義されたものとして作成される。なお、絡み合い点間分子量Meは、前述の式(1)から計算される。   As shown in FIG. 4, the unit model 4 includes a monomer model 5 obtained by modeling butadiene, which is a polybutadiene monomer, connected by a number n equal to the molecular weight Me between the entanglement points of the polybutadiene and positioned at both ends. Each of the monomer models 5e is created on the assumption that an imaginary reaction site R is defined. In addition, the molecular weight Me between entanglement points is calculated from the above-mentioned formula (1).

本実施形態のモノマーモデル5は、全ての原子(C及びH)がコンピュータのシミュレーションにおいて粒子モデル6として取り扱われる"Full Atom model"で構成される。ただし、例えば水素原子を陽として取り扱わない"United Atom Model"に従ってモデル化されたものでも良い。この場合、CH、CHは、それぞれ水素原子の効果を織り込んだ原子の集合体として取り扱われる。 The monomer model 5 of the present embodiment is configured by a “Full Atom model” in which all atoms (C and H) are handled as the particle model 6 in a computer simulation. However, for example, it may be modeled according to the “United Atom Model” in which hydrogen atoms are not treated as positive. In this case, CH and CH 2 are each handled as an aggregate of atoms incorporating the effect of hydrogen atoms.

前記単位モデル4に含まれる粒子モデル6は、分子動力学計算に基づいたコンピュータシミュレーションにおいて、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、粒子モデル6には、質量、体積、直径、電荷及び/又は初期座標などのパラメータが定義される。これらの各パラメータは、上述のように、数値情報としてコンピュータに記憶される。   The particle model 6 included in the unit model 4 is handled as a mass point of an equation of motion in computer simulation based on molecular dynamics calculation. That is, parameters such as mass, volume, diameter, charge and / or initial coordinates are defined in the particle model 6. Each of these parameters is stored in the computer as numerical information as described above.

また、粒子モデル6、6間には、結合鎖7が定義される。結合鎖7は、粒子モデル6の相対位置を特定しかつ拘束するもので、例えばベクトル情報としてコンピュータ装置に入力される。   Further, a bond chain 7 is defined between the particle models 6 and 6. The bond chain 7 specifies and constrains the relative position of the particle model 6 and is input to a computer device as vector information, for example.

個々のモノマーモデル5は、3次元構造を有し、各粒子モデル6、6間の結合長さである結合長、結合鎖7を介して連続する3つの粒子モデル6がなす角度である結合角、及び、結合鎖7を介して連続する4つの粒子モデル6において、隣り合う3つの粒子が作る二面角などがそれぞれ定義される。また、各モノマーモデル5は、慣例に従い、外力又は内力を受けることによって、上記結合長、結合角及び二面角が変化する。これにより、単位モデル4は、その三次元構造を変化させることができる。   Each monomer model 5 has a three-dimensional structure, a bond length that is a bond length between the particle models 6 and 6, and a bond angle that is an angle formed by three consecutive particle models 6 through the bond chain 7. In the four particle models 6 that are continuous through the bonding chain 7, dihedral angles formed by three adjacent particles are defined. Each monomer model 5 changes the bond length, bond angle, and dihedral angle by receiving an external force or an internal force according to the custom. Thereby, the unit model 4 can change the three-dimensional structure.

以上のようなモデル化は、例えば(株)日本総研ソリューションズ社製のJ−OCTAというソフトウエアを用いて処理することができる。   The modeling as described above can be processed using, for example, software called J-OCTA manufactured by Japan Research Institute, Ltd.

前記反応サイトRは、架空の粒子である。この反応サイトRは、2つの単位モデル4を繋げてその長さを成長させる際の結合点として設けられる。これについては後で詳しく述べる。   The reaction site R is a fictitious particle. This reaction site R is provided as a connection point when the two unit models 4 are connected to grow the length. This will be described in detail later.

次に、コンピュータは、前記単位モデル4を分子動力学計算により構造緩和し、図5に簡略化して示されるようなランダムコイル状の単位モデル8に変形させる処理を行う(ステップS2)。   Next, the computer performs a process of relaxing the structure of the unit model 4 by molecular dynamics calculation and transforming it into a random coil-shaped unit model 8 as shown in a simplified manner in FIG. 5 (step S2).

この構造緩和は、図4に示したほぼ真っ直ぐに初期設定された1本の単位モデル4を、全方向自由境界条件の下、予め定めた緩和時間及び緩和条件で分子動力学計算が行われる。これにより、真っ直ぐに初期設定された単位モデル4は、古典力学に従って自由に移動するとともに、結合長、結合角及び二面角が変化し、図5に示されるようなランダムコイル状の単位モデル8へと変形する。この処理は、単位モデル4の初期設定時の人為的影響を無くし、モデルの安定化ないし準安定化を図るのに役立つ。   In this structural relaxation, molecular dynamics calculation is performed on one unit model 4 that is initialized almost straightly as shown in FIG. 4 under a predetermined relaxation time and relaxation conditions under omnidirectional free boundary conditions. Accordingly, the unit model 4 that is straightly initialized is freely moved according to classical mechanics, and the coupling length, the coupling angle, and the dihedral angle are changed, and the random coil-shaped unit model 8 as shown in FIG. Transforms into This process is useful for eliminating the artificial influence at the time of initial setting of the unit model 4 and achieving stabilization or quasi-stabilization of the model.

構造緩和のシミュレーションにおいて、積分の時間ステップ、温度及び/又は緩和時間等は任意に定めることができる。例えば、単位モデル4のポテンシャルエネルギー及び応力が、実質的に変化しなくなるのに必要かつ十分な条件が設定される。なお、このような構造緩和は、例えば上記したソフトウエアを用いて処理させることができる。   In the simulation of structural relaxation, the integration time step, temperature, and / or relaxation time can be arbitrarily determined. For example, necessary and sufficient conditions are set so that the potential energy and stress of the unit model 4 do not substantially change. Such structural relaxation can be processed using, for example, the software described above.

次に、図6に示されるように、構造緩和されたランダムコイル状の単位モデル8の複数本が予め定めた三次元の空間を区画するセル2の内部にランダムに配置された第1の高分子材料モデル1aが設定される(ステップS3)。この処理も、乱数関数などに従って、コンピュータにより実行することができる。   Next, as shown in FIG. 6, a first high-frequency structure is formed in which a plurality of random coil-shaped unit models 8 having a relaxed structure are randomly arranged inside a cell 2 that partitions a predetermined three-dimensional space. The molecular material model 1a is set (step S3). This processing can also be executed by a computer according to a random number function or the like.

前記セル2は、高分子鎖モデル3の可動範囲を定める境界であり、上述の通り、コンピュータのその頂点の節点座標などが記憶される。該セル2は、解析対象のポリブタジエンの微小部分に相当する。本実施形態のセル2は、一辺が400nm(ナノメータ)の微小な立方体として定義される。ただし、このような態様に限定されるものではなく種々の形状及び/又は大きさで定めることができる。   The cell 2 is a boundary that determines the movable range of the polymer chain model 3, and as described above, the node coordinates of the vertex of the computer are stored. The cell 2 corresponds to a minute portion of the polybutadiene to be analyzed. The cell 2 of this embodiment is defined as a minute cube having a side of 400 nm (nanometer). However, it is not limited to such an aspect, and can be defined in various shapes and / or sizes.

また、セル2内に配置されるランダムコイル状の単位モデル8の数は、例えば、セル2内の密度が0.1g/cm3以下となるように設定される。また、各単位モデル8は、互いに接触しないように配置される。これは、同じ空間に、別の原子が来ないようにするため、また、反応前に絡み合いができないようにするのに役立つ。従って、セル2は、初期状態としてある程度大きく形成される必要がある。なお、密度を高くすると、コンピュータで単位モデル8をランダムに配置するときに、互いに接触しやすくなるため好ましくない。 Moreover, the number of the random coil-shaped unit models 8 arranged in the cell 2 is set so that the density in the cell 2 is 0.1 g / cm 3 or less, for example. Further, the unit models 8 are arranged so as not to contact each other. This helps to prevent another atom from coming into the same space and to prevent entanglement before the reaction. Therefore, the cell 2 needs to be formed to be somewhat large as an initial state. In addition, it is not preferable to increase the density because the unit models 8 are likely to come into contact with each other when the unit models 8 are randomly arranged on the computer.

次に、コンピュータでは、第1の高分子材料モデル1aを分子動力学計算に基づいて構造緩和させるとともに、所定の条件を満たす単位モデル8、8を前記反応サイトRで結合させ高分子鎖モデル3に成長させる成長工程を行う(ステップS4)。本実施形態の構造緩和のアンサンブルは、NPTで行われるが、特にアンサンブルは限定されるものではない。   Next, in the computer, the structure of the first polymer material model 1a is relaxed based on the molecular dynamics calculation, and unit models 8 and 8 satisfying a predetermined condition are combined at the reaction site R to form the polymer chain model 3 A growth process is performed to grow (step S4). The structure relaxation ensemble of this embodiment is performed by NPT, but the ensemble is not particularly limited.

構造緩和については、ステップS2と同様、初期配置された複数本のランダムコイル状の単位モデル8を、セル2内の可動範囲で自由に運動させる分子動力学計算がコンピュータにより行われる。また、コンピュータでは、運動する単位モデル8の各位置が逐次計算される。そして、図7(a)に部分的に示されるように、構造緩和で自由に移動する2本のランダムコイル状の単位モデル8、8が互いに接近し、それらの反応サイトR、Rが予め定めた距離(この例では中心間距離)がL以下になったとき、コンピュータは、これらの単位モデル8、8を結合させて成長させる処理を行う。   For structural relaxation, as in step S2, molecular dynamics calculation is performed by a computer to freely move a plurality of initially arranged unitary random coil units 8 within a movable range within the cell 2. Further, in the computer, each position of the unit model 8 that moves is sequentially calculated. Then, as partially shown in FIG. 7 (a), the two random coil-shaped unit models 8 and 8 that move freely by structural relaxation approach each other, and their reaction sites R and R are predetermined. When the distance (in this example, the center-to-center distance) becomes L or less, the computer performs a process of growing these unit models 8 and 8 by combining them.

具体的には、図7(b)に示されるように、コンピュータは、上記条件を満足する反応サイトR、Rを単位モデル8から取り除き、ボンド(結合部)Bを生成して2つの単位モデル8を結合させる処理が行われる。ボンドBは、反応サイトRが付いていた根本の主鎖骨格と同じ原子の特性が与えられる。即ち、この実施形態のボンドBは、反応サイトRの根本のC、C同士が一重結合したものに等しい。また、1本の単位モデル8の両端の反応サイト同士の結合は禁止されるように、予め条件が定義されている。これにより、2つのランダムコイル状の単位モデル8が結合したより長い1本の高分子鎖モデル3を形成できる。図8には、成長工程の反応途中の第1の高分子材料モデル1aを示す。   Specifically, as shown in FIG. 7B, the computer removes the reaction sites R and R satisfying the above conditions from the unit model 8 and generates a bond (bonding part) B to generate two unit models. The process of combining 8 is performed. Bond B is given the same atomic properties as the main backbone skeleton with reaction site R attached. That is, the bond B of this embodiment is equivalent to a single bond of C and C at the base of the reaction site R. In addition, conditions are defined in advance so that the bonding between the reaction sites at both ends of one unit model 8 is prohibited. Thereby, one longer polymer chain model 3 in which two random coil-shaped unit models 8 are combined can be formed. FIG. 8 shows a first polymer material model 1a during the reaction of the growth process.

そして、上述の成長工程が繰り返されることにより、本実施形態の高分子鎖モデル3は、反応サイトRを結合点としかつ単位モデル8を1単位として順次成長する。このため、高分子鎖モデル3は、絡み合い点間分子量が保たれた状態で成長する。   Then, by repeating the growth process described above, the polymer chain model 3 of this embodiment grows sequentially with the reaction site R as a bonding point and the unit model 8 as one unit. For this reason, the polymer chain model 3 grows in a state where the molecular weight between the entanglement points is maintained.

単位モデル8が、反応サイトRで次々と成長する過程で、反応サイトR以外の位置で分子鎖の絡み合いが生じるということはあまり考えられない。単位モデル8自身は、十分に詰まった密度を持っているので、そこに他の単位モデル8が接触しても絡み合うための力が生じないないからである。また、ランダムコイル状の単位モデル8は、予め構造緩和が行われているため、変形はするものの、一塊に丸まった形を維持する傾向がある。   In the process of the unit model 8 growing one after another at the reaction site R, it is unlikely that molecular chains are entangled at positions other than the reaction site R. This is because the unit model 8 itself has a sufficiently packed density, so that even if another unit model 8 comes into contact therewith, there is no force for entanglement. In addition, the random coil-shaped unit model 8 has been subjected to structural relaxation in advance, and thus tends to maintain a rounded shape although it is deformed.

また、このような成長工程には、通常、多くの計算時間を必要とする傾向がある。特に、初期状態では、単位モデル8を接触しないように配置するためには、セル2が大きく形成されるのでこのような傾向が顕著になる。本実施形態では、コンピュータによる成長工程の計算時間を短縮させるために、時間の経過とともに、前記セル2の空間の体積を小さくする反応加速処理が行われる。   Also, such a growth process usually tends to require a lot of calculation time. In particular, in the initial state, in order to arrange the unit model 8 so as not to contact, the cell 2 is formed large, and thus such a tendency becomes remarkable. In the present embodiment, in order to shorten the calculation time of the growth process by the computer, a reaction acceleration process for reducing the volume of the space of the cell 2 with time is performed.

前記反応加速処理は、例えば成長工程を開始するときの圧力が例えば0.1気圧に設定され、しかる後、所定の時間ステップが経過する毎にセル2を等方的に小さくし、その圧力を例えば0.1気圧ずつ高めることが望ましい。これにより、単位モデル8ないし高分子鎖モデル3の運動範囲が狭められるとともに、単位モデル8の運動が活発化することにより上記成長機会を増加させ、成長工程の反応を加速させることができる。なお、セル内部の圧力を高めすぎても、計算精度が低下するおそれがあるので、好ましくは10気圧程度を上限とするのが望ましい。なお、セルSの圧力を一気に高めると、異常な力が作用し、反応サイトRではない所で単位モデル8同士が入れ子状に重なるおそれがあるなど、好ましくない。   In the reaction acceleration process, for example, the pressure at the time of starting the growth process is set to, for example, 0.1 atm. Thereafter, each time a predetermined time step elapses, the cell 2 is isotropically reduced and the pressure is reduced. For example, it is desirable to increase by 0.1 atm. As a result, the movement range of the unit model 8 or the polymer chain model 3 is narrowed, and the movement of the unit model 8 is activated, thereby increasing the growth opportunity and accelerating the reaction of the growth process. It should be noted that even if the pressure inside the cell is increased too much, the calculation accuracy may be lowered. Therefore, the upper limit is preferably about 10 atmospheres. Note that it is not preferable that the pressure of the cell S is increased at once, because an abnormal force acts and the unit models 8 may be nested in a place other than the reaction site R.

また、コンピュータでは、成長工程中、それぞれの高分子鎖モデル3(勿論、残存している単位モデル8も含む)の分子量が計算されかつ記憶装置に記憶される。図9には、成長工程中の個々の高分子材料モデルの分子量と、その本数との関係を示す。このように、構造緩和を行いながら高分子鎖モデル3を成長させることにより、第1の高分子材料モデル1a内では、ほぼガウス分布に従った分子量分布を得ることができる。   Further, in the computer, the molecular weight of each polymer chain model 3 (including the remaining unit model 8) is calculated and stored in the storage device during the growth process. FIG. 9 shows the relationship between the molecular weight and the number of individual polymer material models during the growth process. As described above, by growing the polymer chain model 3 while performing structure relaxation, a molecular weight distribution substantially following a Gaussian distribution can be obtained in the first polymer material model 1a.

そして、この個々の分子量から計算される1本の高分子鎖モデルの平均分子量が、解析対象の高分子材料の平均分子量とほぼ等しくなった状態まで成長したときに前記成長工程を停止させる(ステップS5でY)。これにより、図1に示したような高分子材料モデル1が得られる。なお、図1では、理解しやすいように、高分子鎖モデル3の線種を異ならせている。他方、ステップS5でNの場合、ステップS4の成長工程が継続して行われる。   Then, the growth process is stopped when the average molecular weight of one polymer chain model calculated from the individual molecular weights has grown to a state where it is substantially equal to the average molecular weight of the polymer material to be analyzed (step) Y in S5). Thereby, the polymer material model 1 as shown in FIG. 1 is obtained. In FIG. 1, the line types of the polymer chain model 3 are made different for easy understanding. On the other hand, in the case of N in step S5, the growth process in step S4 is continuously performed.

本実施形態の場合、解析対象のポリブタジエンの平均分子量を30万とし、高分子材料モデル1aに含まれる高分子鎖モデル3の平均分子量がその90〜110%の範囲、すなわち27〜33万程度の範囲に含まれることとなったときに成長工程を停止させている。このように、上記「ほぼ等しく」とは、厳密に一致させる必要はなく、少なくとも±10%程度の誤差は許容されるものである。   In the case of this embodiment, the average molecular weight of the polybutadiene to be analyzed is 300,000, and the average molecular weight of the polymer chain model 3 included in the polymer material model 1a is in the range of 90 to 110%, that is, about 230,000 to 330,000. The growth process is stopped when it is included in the range. As described above, the phrase “substantially equal” does not need to be exactly matched, and an error of at least about ± 10% is allowed.

以上のような作成方法によって得られる高分子材料モデル1は、絡み合い点間分子量を維持したまま高分子鎖モデル3が成長するので、実際の高分子構造と近い解析用の材料モデルとなる。従って、このような高分子材料モデルを用いて精度の高いシミュレーションを実行することができる。なお、コンピュータは、この成長工程を終えた後、残存している反応サイトRをボンドBに置き換える処理を行う。   The polymer material model 1 obtained by the above preparation method is a material model for analysis close to the actual polymer structure because the polymer chain model 3 grows while maintaining the molecular weight between the entanglement points. Therefore, a highly accurate simulation can be executed using such a polymer material model. In addition, after finishing this growth process, the computer performs a process of replacing the remaining reaction site R with the bond B.

また、本発明の作成方法は、架橋された高分子材料のモデルにも適用できる。このようなモデルを作成する手順の一例は図10に示される。   The production method of the present invention can also be applied to a model of a crosslinked polymer material. An example of a procedure for creating such a model is shown in FIG.

この実施形態では、先ず、上記ステップS6で得られた高分子材料モデル1の前記セル2内に、架橋体モデルDがランダムに配置された第2の高分子材料モデル1b(図11)が定義される(ステップS7)。   In this embodiment, first, a second polymer material model 1b (FIG. 11) in which a crosslinked body model D is randomly arranged in the cell 2 of the polymer material model 1 obtained in step S6 is defined. (Step S7).

本実施形態の架橋体モデルDは、粒子で表現されており、シミュレーションでは質点として取り扱われる。この架橋体モデルDは、実際の高分子材料に添加される架橋剤、例えば、モノスルフィドやジスルフィド又はポリスルフィドなどの硫黄化合物等をモデル化したものである。また、架橋体モデルDは、高分子鎖モデル3と重ならないようにランダムに配置される。なお、架橋体モデルDの配合量は、任意に定めることができる。   The crosslinked body model D of the present embodiment is expressed by particles and is handled as a mass point in the simulation. This crosslinked body model D models a crosslinking agent added to an actual polymer material, for example, a sulfur compound such as monosulfide, disulfide, or polysulfide. Further, the crosslinked body model D is randomly arranged so as not to overlap with the polymer chain model 3. In addition, the compounding quantity of the crosslinked body model D can be defined arbitrarily.

次に、コンピュータにより、架橋体モデルDを配置した第2の高分子材料モデル1bの構造緩和が再び行われる。これにより、架橋体モデルDと高分子鎖モデル3との相対位置を変化させることができる。構造緩和では、図12(a)に示されるように、架橋体モデルDに、高分子鎖モデル3の2つの水素原子の粒子モデル6が予め定めた距離K以下に近づいたか否かが判断され(ステップS9)、近づいたときには、それらの水素原子の粒子モデル6を削除し、図12(b)に示されるように、その根本の主鎖原子である炭素粒子モデルを架橋体モデルDを介して結合させる(ステップS10)。そして、全ての架橋体モデルDが上述の結合、即ち反応したか否かが判断され(ステップS11)、結果が真の場合には処理を終える。他方、結果が偽の場合、ステップS8以降が繰り返される。   Next, the structure relaxation of the second polymer material model 1b in which the crosslinked body model D is arranged is performed again by the computer. Thereby, the relative position of the crosslinked body model D and the polymer chain model 3 can be changed. In the structure relaxation, as shown in FIG. 12A, it is determined whether or not the particle model 6 of two hydrogen atoms of the polymer chain model 3 has approached a predetermined distance K or less in the crosslinked body model D. (Step S9) When approaching, the particle model 6 of those hydrogen atoms is deleted, and the carbon particle model that is the main main chain atom is passed through the bridge model D as shown in FIG. (Step S10). Then, it is determined whether or not all the cross-linked models D have reacted as described above (step S11). If the result is true, the process ends. On the other hand, if the result is false, step S8 and subsequent steps are repeated.

このような処理を行うことにより、図13に示されるような架橋された高分子材料モデル1cを設定することができる。   By performing such processing, a crosslinked polymer material model 1c as shown in FIG. 13 can be set.

なお、上記実施形態は、一つの架橋体モデルDに、2つの水素原子の粒子モデル6が一定の距離内に近づいたときにこれらを結合させる。このため、例えば1本の高分子鎖モデル3の中の2つの水素の粒子モデル6hが架橋されるいわゆる分子内架橋が多発し、架橋点が特定位置に集中するなど、実際の材料特性が正確に再現できないおそれがある。このような分子内架橋を防止するために、例えば、次のような実施形態を採用することもできる。   In the above-described embodiment, when the particle model 6 of two hydrogen atoms approaches a single crosslinked body model D within a certain distance, these are combined. For this reason, for example, the so-called intramolecular cross-linking in which two hydrogen particle models 6h in one polymer chain model 3 are cross-linked frequently occurs, and the cross-linking points are concentrated at a specific position. May not be reproducible. In order to prevent such intramolecular crosslinking, for example, the following embodiment can be adopted.

即ち、この処理において、コンピュータは、架橋体モデルDに、一つの水素原子の粒子モデル6だけが前記距離K以下に近づいたときに結合させる。そして、結合後から予め定めた時間が経過するまで、前記結合を行った架橋体モデルDには、他の水素原子の粒子モデル6が近づいても結合を禁止する条件が与えられる。そして、予め定めた一定時間を経過した後、当該架橋体モデルDから上記条件を解除し、上記結合を許容させる。即ち、再び、前記距離K以下に一つの水素原子の粒子モデル6が近づいたときに、該粒子モデル6と結合される。なお、上記一定時間は、特に限定されるものではないが、例えば1000〜10000ステップの間(時間にして約0.3〜0.8ナノ秒)程度が望ましい。   That is, in this process, the computer is coupled to the crosslinked body model D when only one hydrogen atom particle model 6 approaches the distance K or less. Then, until a predetermined time elapses after bonding, the crosslinked model D that has been bonded is given a condition for prohibiting bonding even when the particle model 6 of another hydrogen atom approaches. Then, after a predetermined time has elapsed, the above condition is released from the crosslinked model D, and the above bonding is allowed. That is, when one particle model 6 of one hydrogen atom approaches again below the distance K, it is combined with the particle model 6. In addition, although the said fixed time is not specifically limited, For example, about 1000-10000 steps (about 0.3-0.8 nanosecond in time) are desirable.

この方法によれば、一つの水素原子の粒子モデル6と結合した架橋体モデルDは、しばらくの間、他の水素原子の粒子モデル6との結合反応をすることなくセル2内を移動しうる。従って、架橋体モデルDは、他の高分子鎖モデル3の水素原子の粒子モデル6と接近して結合する確率が増す。これにより、上述の分子内架橋の確率が減り、架橋点を分散配置することができる。   According to this method, the cross-linked model D bonded to the particle model 6 of one hydrogen atom can move in the cell 2 without a binding reaction with the particle model 6 of another hydrogen atom for a while. . Therefore, the probability that the cross-linked model D is bonded to the hydrogen atom particle model 6 of the other polymer chain model 3 is increased. Thereby, the probability of the above-mentioned intramolecular crosslinking is reduced, and the crosslinking points can be dispersedly arranged.

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく種々の態様に変形して実施することができるのは言うまでもない。   Although the embodiment of the present invention has been described above, it is needless to say that the present invention can be modified and implemented in various modes without being limited to the above-described embodiment.

1 高分子材料モデル
2 セル
3 高分子鎖モデル
4 単位モデル
5 モノマーモデル
6 粒子
7 結合鎖
8 単位モデル
B ボンド
D 架橋体モデル
R 反応サイト
1 Polymer Material Model 2 Cell 3 Polymer Chain Model 4 Unit Model 5 Monomer Model 6 Particle 7 Bonded Chain 8 Unit Model B Bond D Crosslinked Model R Reaction Site

Claims (5)

コンピュータで用いられる数値解析用の高分子材料モデルを作成する方法であって、
解析対象となる高分子材料のモノマーをモデル化したモノマーモデルが該高分子材料の絡み合い点間分子量に等しい数で連結されるともに両端のモノマーモデルに架空の反応サイトが定義された高分子鎖の単位モデルを設定する工程と、
前記単位モデルを分子動力学計算により構造緩和させてランダムコイル状の単位モデルを設定する工程と、
前記ランダムコイル状の単位モデルの複数本を予め定めた空間にランダムに配置して第1の高分子材料モデルを設定する工程と、
前記第1の高分子材料モデルを分子動力学計算により構造緩和させるとともに、隣り合う2つの反応サイトが予め定めた距離以下になったときに、該反応サイトを削除しかつボンドを生成させて結合することにより高分子鎖モデルに成長させる成長工程と、
前記高分子材料モデルに含まれる高分子鎖モデルの平均分子量が、前記解析対象の高分子材料の平均分子量とほぼ等しくなったときに前記成長工程を停止させる工程とを含むことを特徴とする高分子材料モデルの作成方法。
A method of creating a polymer material model for numerical analysis used in a computer,
A monomer model obtained by modeling the monomer of the polymer material to be analyzed is connected in a number equal to the molecular weight between the entanglement points of the polymer material, and a polymer chain in which fictitious reaction sites are defined in the monomer models at both ends. Setting the unit model;
The unit model is structurally relaxed by molecular dynamics calculation to set a random coil unit model;
A step of randomly setting a plurality of the random coil-shaped unit models in a predetermined space to set a first polymer material model;
The structure of the first polymer material model is relaxed by molecular dynamics calculation, and when two adjacent reaction sites are less than or equal to a predetermined distance, the reaction sites are deleted and a bond is generated to form a bond. A growth process to grow into a polymer chain model by
A step of stopping the growth step when an average molecular weight of a polymer chain model included in the polymer material model becomes substantially equal to an average molecular weight of the polymer material to be analyzed. How to create a molecular material model.
前記成長工程は、時間の経過とともに、前記空間の体積を小さくして前記成長工程を加速させる処理を含む請求項1記載の高分子材料の作成方法。   The method for producing a polymer material according to claim 1, wherein the growth step includes a process of accelerating the growth step by reducing the volume of the space with time. 前記モノマーモデルは、水素原子をモデル化した水素粒子モデルを含むとともに、
前記成長工程を経た高分子材料モデルの前記空間内に、架橋剤をモデル化した架橋体モデルをランダムに配置して構造緩和する工程をさらに含み、かつ、
この構造緩和の工程では、前記架橋体モデルと水素粒子モデルとの距離が予め定めた距離以下になったときに該水素粒子モデルを削除してその高分子鎖モデルの主鎖原子と架橋体モデルとを結合させる架橋処理を含む請求項1又は2に記載の高分子材料の作成方法。
The monomer model includes a hydrogen particle model obtained by modeling a hydrogen atom,
And further comprising a step of relaxing the structure by randomly arranging a crosslinked body model obtained by modeling a crosslinking agent in the space of the polymer material model that has undergone the growth step, and
In this structural relaxation step, when the distance between the crosslinked body model and the hydrogen particle model is equal to or less than a predetermined distance, the hydrogen particle model is deleted and the main chain atoms and the crosslinked body model of the polymer chain model are deleted. The method for producing a polymer material according to claim 1, comprising a cross-linking treatment for binding to the polymer material.
前記架橋処理は、前記架橋体モデルに、2つの水素粒子モデルが前記距離以下に近づいたことを条件として、前記結合を行う請求項3記載の高分子材料モデルの作成方法。   4. The method of creating a polymer material model according to claim 3, wherein the cross-linking treatment is performed on the cross-linked body model on the condition that two hydrogen particle models are close to the distance or less. 前記架橋処理は、前記架橋体モデルに、一つの水素粒子モデルだけが前記距離以下に近づいたことを条件として、前記結合を行う段階と、
予め定めた時間が経過するまで、この結合を行った架橋体モデルが、他の主鎖原子と結合するのを禁止する段階とを含む請求項4記載の高分子材料の作成方法。
The cross-linking treatment is performed on the cross-linked body model on the condition that only one hydrogen particle model approaches the distance or less, and
5. The method for producing a polymer material according to claim 4, further comprising the step of prohibiting the cross-linked model that has been bonded to bond with other main chain atoms until a predetermined time elapses.
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