JP2013250242A - Apparatus, method and program for calculating viscoelasticity of polymer - Google Patents

Apparatus, method and program for calculating viscoelasticity of polymer Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To calculate viscoelastic characteristics by molecular dynamics simulation without using a linear response theory.SOLUTION: A system for modeling polymers is prepared (S2), the system is equilibrated at a predetermined temperature (S3), a frequency is determined (S4), and while applying distortion of amplitude to the system, stress including thermal noise is calculated by molecular dynamics simulation (S5). A distortion-stress cross-correlation function is calculated as a time correlation function from the stress and the distortion (S6), and the amplitude of stress obtained by removing the thermal noise from the distortion-stress cross-correlation function and a phase difference between the stress and the distortion are calculated to obtain an index value concerned with viscoelasticity of polymers (S7).

Description

本発明は、高分子の粘弾性を計算するための計算装置、その方法及びそのプログラムに関するものである。   The present invention relates to a calculation apparatus, a method and a program for calculating viscoelasticity of a polymer.

ゴムなどの高分子の材料開発を行う場合、粘弾性特性などの物性を予測することが求められ、計算機シミュレーションにより高分子材料の物性を予測することが行われている。   When developing polymer materials such as rubber, it is required to predict physical properties such as viscoelastic properties, and the physical properties of polymer materials are predicted by computer simulation.

例えば、特許文献1には、高分子材料の分子動力学シミュレーションから得られた位相空間情報と、線形応答理論を用いて高分子材料の各種物性(粘弾性特性を含む)を求めることが開示されている。しかしながら、線形応答理論は物質に与えられた微小変位に対する応答に関する物理量の計算理論であり、変位量依存した物理量の変化を扱うことができない。すなわち、線形応答理論では、微小外力が仮定されており、線形領域の感受率しか計算できない(例えば、R. Kubo and K. Tomita, Journal of Physical Society of Japan, vol.9, pp. 888-919 (1954)、Statistical Mechanics, Donald A. McQuarrie, University Science Books (2000) 第22章を参照)。   For example, Patent Document 1 discloses obtaining various physical properties (including viscoelastic properties) of a polymer material using phase space information obtained from molecular dynamics simulation of the polymer material and linear response theory. ing. However, the linear response theory is a calculation theory of a physical quantity related to a response to a minute displacement given to a substance, and cannot handle a change in physical quantity depending on the displacement quantity. That is, in the linear response theory, a minute external force is assumed, and only the susceptibility in the linear region can be calculated (for example, R. Kubo and K. Tomita, Journal of Physical Society of Japan, vol. 9, pp. 888-919 (1954), Statistical Mechanics, Donald A. McQuarrie, University Science Books (2000), Chapter 22).

WO97/06496号WO97 / 06496

本発明は、以上の点に鑑み、線形応答理論を用いることなく、分子動力学シミュレーションにより粘弾性特性を計算することができる高分子の粘弾性計算装置、その方法及びそのプログラムを提供することを目的とする。   In view of the above, the present invention provides a polymer viscoelasticity calculation apparatus, a method thereof, and a program thereof capable of calculating viscoelasticity characteristics by molecular dynamics simulation without using linear response theory. Objective.

本発明に係る高分子の粘弾性計算装置は、高分子をモデル化したシステムを作成するシステム作成部と、前記システムを所定温度で平衡化させる平衡化部と、前記システムに与える歪みの周波数を決定する周波数決定部と、前記システムに前記周波数で所定振幅の歪みを与えながら分子動力学シミュレーションにより熱雑音を含む応力を計算する応力計算部と、前記熱雑音を含む応力と前記歪みから時間相関関数として歪み−応力相互相関関数を計算する相互相関関数計算部と、前記歪み−応力相互相関関数から前記熱雑音を除去した応力の振幅および該応力と歪みとの位相差を計算して前記高分子の粘弾性に関する指標値を得る第1指標値計算部と、を有するものである。   A polymer viscoelasticity calculation apparatus according to the present invention includes a system creation unit that creates a system modeling a polymer, an equilibration unit that equilibrates the system at a predetermined temperature, and a frequency of strain applied to the system. A frequency determining unit for determining; a stress calculating unit for calculating stress including thermal noise by molecular dynamics simulation while applying strain of a predetermined amplitude at the frequency to the system; and time correlation from the stress including the thermal noise and the strain A cross-correlation function calculation unit for calculating a strain-stress cross-correlation function as a function, and calculating a stress amplitude obtained by removing the thermal noise from the strain-stress cross-correlation function and a phase difference between the stress and the strain. A first index value calculation unit for obtaining an index value related to the viscoelasticity of the molecule.

本発明によれば、線形応答理論ではなく、システムに歪みを与えて応力応答を直接計算するので、任意の歪みに対して粘弾性を計算することができる。また、分子動力学シミュレーションにおいて応力は熱雑音の影響を強く受けるが、歪み−応力相互相関関数を計算することにより熱雑音の影響を除去することができるので、粘弾性を精度よく計算することができる。   According to the present invention, since the stress response is directly calculated by applying strain to the system, instead of linear response theory, viscoelasticity can be calculated for any strain. In molecular dynamics simulations, stress is strongly influenced by thermal noise, but the influence of thermal noise can be eliminated by calculating the strain-stress cross-correlation function, so viscoelasticity can be calculated accurately. it can.

第1実施形態に係る計算装置のブロック図である。It is a block diagram of the computing device concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係る計算装置のフローチャートである。It is a flowchart of the calculation apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る計算装置のブロック図である。It is a block diagram of the calculation apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る計算装置のフローチャートである。It is a flowchart of the calculation apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 高分子モデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a polymer model. 実施例1における歪みの時間変化を示すグラフである。3 is a graph showing a change with time in distortion in Example 1. 実施例1における応力の時間変化を示すグラフである。3 is a graph showing the time change of stress in Example 1. 実施例1における歪み−応力相関の時間変化を示すグラフである。3 is a graph showing a change over time in a strain-stress correlation in Example 1. 実施例1における歪み−応力相関のフィッティング結果を示すグラフである。6 is a graph showing a result of fitting strain-stress correlation in Example 1. 実施例1における応力自己相関の時間変化を示すグラフである。3 is a graph showing a time change of stress autocorrelation in Example 1. 実施例1における応力自己相関のフィッティング結果を示すグラフである。6 is a graph showing a stress autocorrelation fitting result in Example 1. 実施例1における応力のフィッティング結果を示すグラフである。6 is a graph showing a stress fitting result in Example 1. 実施例2における歪みの時間変化を示すグラフである。6 is a graph showing a temporal change in distortion in Example 2. 実施例2における応力の時間変化を示すグラフである。6 is a graph showing a time change of stress in Example 2. 実施例2における歪み−応力相関の時間変化を示すグラフである。6 is a graph showing a change over time in a strain-stress correlation in Example 2. 実施例2における歪み−応力相関のフィッティング結果を示すグラフである。It is a graph which shows the fitting result of the distortion-stress correlation in Example 2. 実施例2における応力自己相関の時間変化を示すグラフである。6 is a graph showing a time change of stress autocorrelation in Example 2. 実施例2における応力自己相関のフィッティング結果を示すグラフである。It is a graph which shows the fitting result of the stress autocorrelation in Example 2. 実施例2における応力のフィッティング結果を示すグラフである。6 is a graph showing a stress fitting result in Example 2. 粘弾性計算結果として周波数と貯蔵弾性率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a frequency and a storage elastic modulus as a viscoelasticity calculation result. 粘弾性計算結果として周波数とtanδの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a frequency and tan-delta as a viscoelasticity calculation result.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1実施形態]
第1実施形態に係る高分子の粘弾性の計算装置10は、図1に示すように、入力部12、システム作成部14、平衡化部16、周波数決定部18、応力計算部20、相互相関関数計算部22、第1指標値計算部24、判定部26、及び出力部28を有する。
[First Embodiment]
A polymer viscoelasticity calculation apparatus 10 according to the first embodiment includes an input unit 12, a system creation unit 14, a balancing unit 16, a frequency determination unit 18, a stress calculation unit 20, and a cross-correlation, as shown in FIG. A function calculation unit 22, a first index value calculation unit 24, a determination unit 26, and an output unit 28 are included.

なお、この計算装置10は、例えば、マウスとキーボードを有する汎用のコンピュータを基本ハードウェアとして用いることでも実現することが可能である。すなわち、入力部12、システム作成部14、平衡化部16、周波数決定部18、応力計算部20、相互相関関数計算部22、第1指標値計算部24、判定部26、及び出力部28は、上記のコンピュータに搭載されたプロセッサにプログラムを実行させることにより実現することができる。このとき、計算装置10は、上記のプログラムをコンピュータに予めインストールすることで実現してもよいし、CD−ROM等の記憶媒体に記憶して、又はネットワークを介して上記のプログラムを配布して、このプログラムをコンピュータに適宜インストールすることで実現してもよい。   The computing device 10 can also be realized by using, for example, a general-purpose computer having a mouse and a keyboard as basic hardware. That is, the input unit 12, the system creation unit 14, the balancing unit 16, the frequency determination unit 18, the stress calculation unit 20, the cross-correlation function calculation unit 22, the first index value calculation unit 24, the determination unit 26, and the output unit 28 It can be realized by causing a processor mounted on the computer to execute a program. At this time, the computing device 10 may be realized by installing the program in a computer in advance, or may be stored in a storage medium such as a CD-ROM or distributed through the network. This program may be realized by appropriately installing it on a computer.

以下、上記各部の構成と機能について順番に説明する。   Hereinafter, the configuration and functions of the above-described units will be described in order.

[1]入力部12
入力部12は、計算対象となる高分子の構造に関する情報を取得する。取得する情報としては、システム作成部14で高分子モデルを作成するのに必要な各種データが含まれ、例えば、高分子を構成するモノマーなどの繰り返し単位の構造、複数種の単位からなる場合にはその構成比、重合度、及び分子鎖の数などが挙げられる。また、入力部12において入力されるデータとしては、分子動力学シミュレーションにおいて必要なシステムの温度及び圧力、並びにシステムに付与する歪みの振幅、周波数の範囲(計算を行う複数の周波数)などが含まれる。
[1] Input unit 12
The input unit 12 acquires information on the structure of the polymer to be calculated. The information to be acquired includes various data necessary for creating a polymer model by the system creation unit 14. For example, in the case of a structure of a repeating unit such as a monomer constituting a polymer or a plurality of types of units. Includes the composition ratio, the degree of polymerization, and the number of molecular chains. The data input at the input unit 12 includes the temperature and pressure of the system necessary for the molecular dynamics simulation, the amplitude of strain applied to the system, the frequency range (a plurality of frequencies for calculation), and the like. .

計算対象となる高分子としては、結晶性高分子でも、無定形(アモルファス)高分子でもよく、特に限定されないが、好ましくは無定形高分子である。無定形高分子としては、例えば、ブタジエン、イソプレン、クロロプレンなどのジエン系モノマーの単独重合体又は共重合体、アクリル酸やメタクリル酸又はそれらのエステル、酢酸ビニル、塩化ビニル、スチレン、アクリロニトリルなどのビニル系モノマーの単独重合体又は共重合体、更には、これらジエン系モノマーとビニル系モノマーとの共重合体などが挙げられ、ジエン系ゴム材料を対象とすることがより好ましい。   The polymer to be calculated may be a crystalline polymer or an amorphous polymer, and is not particularly limited, but is preferably an amorphous polymer. Amorphous polymers include, for example, homopolymers or copolymers of diene monomers such as butadiene, isoprene, and chloroprene, acrylic acid, methacrylic acid or esters thereof, vinyl acetate, vinyl chloride, styrene, acrylonitrile, and other vinyls. Examples include homopolymers or copolymers of monomeric monomers, and copolymers of these diene monomers and vinyl monomers, and more preferred are diene rubber materials.

[2]システム作成部14
システム作成部14は、入力部12で取得した情報を用いて、高分子をモデル化したシステムを作成する。
[2] System creation unit 14
The system creation unit 14 creates a system in which a polymer is modeled using the information acquired by the input unit 12.

モデル化する手法としては、分子動力学シミュレーションを行うことが可能な各種のモデルを挙げることができ、特に限定されない。例えば、全原子モデルの他、ビーズスプリングモデルやユナイテッドアトムモデルなど、高分子を粗視化したモデルを用いることができる。ビーズスプリングモデルは、kuhn長に相当する程度のいくつかのモノマーユニットを1つのビーズ(セグメント)とみなし、仮想的なバネで結合してモデル化するものである。ユナイテッドアトムモデルは、水素を重原子(例えば炭素)に含めて1つの原子(質点)として取り扱う仮想原子モデルである。   Examples of the modeling method include various models capable of performing molecular dynamics simulation, and are not particularly limited. For example, in addition to the all-atom model, a macroscopic model of a polymer such as a bead spring model or a united atom model can be used. In the bead spring model, several monomer units corresponding to the kuhn length are regarded as one bead (segment), and are modeled by connecting with a virtual spring. The united atom model is a virtual atom model in which hydrogen is included in a heavy atom (for example, carbon) and handled as one atom (mass point).

図5は、高分子のビーズスプリングモデルの一例を示した図であり、参考文献1:Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation, Kurt Kremer, Gray S. Grest, Journal of chemical physics, v.92, pp.5057-pp.5086 (1990)を用いて作成することができる。   FIG. 5 shows an example of a polymer bead spring model. Reference 1: Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation, Kurt Kremer, Gray S. Grest, Journal of chemical physics, v .92, pp.5057-pp.5086 (1990).

なお、モデル化する高分子が無定形高分子の場合、ガラス転移温度よりも高温にてモデル系、即ちシステムを作成する。   When the polymer to be modeled is an amorphous polymer, a model system, that is, a system is created at a temperature higher than the glass transition temperature.

[3]平衡化部16
平衡化部16は、上記システムを所定の温度で平衡化させる。所定の温度としては、粘弾性特性を求めたい温度に設定され、無定形高分子の場合、ガラス転移温度よりも高い温度が設定される。
[3] Equilibration unit 16
The equilibration unit 16 equilibrates the system at a predetermined temperature. The predetermined temperature is set to a temperature at which viscoelastic characteristics are desired. In the case of an amorphous polymer, a temperature higher than the glass transition temperature is set.

例えば、粒子数、圧力及び温度が一定の系であるNPTアンサンブルの場合、温度を設定すれば、時間発展によりシステムは平衡化するので、温度設定後、所定時間刻みにて分子動力学計算を行い、ある一定時間を経過した段階で平衡化したと判断すればよい。   For example, in the case of an NPT ensemble where the number of particles, pressure, and temperature are constant, if the temperature is set, the system will equilibrate with time development. What is necessary is just to judge that it equilibrated in the stage which passed a certain fixed time.

[4]周波数決定部18
周波数決定部18は、上記システムに与える歪みの周波数を決定する。周波数は、粘弾性特性を求めたい所定の周波数が決定され、入力部12で入力された複数の周波数の中から選択される。例えば、複数の周波数の低周波数側から順次に選択してもよく、高周波数側から順次に選択してもよい。
[4] Frequency determining unit 18
The frequency determination unit 18 determines the frequency of distortion applied to the system. As the frequency, a predetermined frequency for which the viscoelastic characteristic is desired is determined, and is selected from a plurality of frequencies input by the input unit 12. For example, you may select sequentially from the low frequency side of a some frequency, and may select sequentially from the high frequency side.

[5]応力計算部20
応力計算部20は、上記システムに前記周波数で所定振幅の歪みを与えながら、分子動力学シミュレーションを行い、各時刻の応力を計算する。
[5] Stress calculator 20
The stress calculation unit 20 performs a molecular dynamics simulation while giving a strain having a predetermined amplitude at the frequency to the system, and calculates a stress at each time.

分子動力学シミュレーションは、例えば参考文献2(岡崎進、吉井範行著「コンピュータシミュレーションの基礎」、第2版、化学同人発行、2011年)に記載されたように公知である。例えば、高分子を原子モデルで構成する場合、原子の間にいくつかのポテンシャル関数を設定し、ニュートンの運動方程式に従って原子位置を徐々にずらしていき、このようにして時々刻々と変化する原子位置が統計的な平衡状態に達する状況をシミュレートするのが分子動力学シミュレーションである。   The molecular dynamics simulation is known, for example, as described in Reference Document 2 (Susumu Okazaki, Noriyuki Yoshii, “Basics of Computer Simulation”, 2nd edition, published by Kagaku Dojin, 2011). For example, when a polymer is composed of an atomic model, several potential functions are set between the atoms, the atomic position is gradually shifted according to Newton's equation of motion, and the atomic position changes momentarily in this way. It is molecular dynamics simulation that simulates the situation where reaches the statistical equilibrium state.

詳細には、上記システムの温度Tを一定に保ちながら、下記式(1)で表される振幅Xおよび周波数ωの正弦波の歪みをシステムに与える。かかる周期的歪みを与える周期の繰り返し数は特に限定されないが、通常は5〜50回程度である。
Specifically, while maintaining the temperature T of the system constant, distorting the sine wave amplitude X 0 and frequency ω is represented by the following formula (1) in the system. The number of repetitions of the period giving such periodic distortion is not particularly limited, but is usually about 5 to 50 times.

かかる条件の下で分子動力学シミュレーションを行い、時間に依存する応力応答B(t)を計算する。分子動力学計算で得られる応力値は熱雑音を含むものであり、すなわち、強い熱雑音N(t)と真の応力応答値σ(t)の和になっているので、応力応答B(t)は、下記式(2)で表される。
Under such conditions, a molecular dynamics simulation is performed to calculate a time-dependent stress response B (t). The stress value obtained by the molecular dynamics calculation includes thermal noise, that is, it is the sum of the strong thermal noise N (t) and the true stress response value σ (t), so that the stress response B (t ) Is represented by the following formula (2).

ここで、十分に長い時間周期的な歪みを与えると、真の応力応答値σ(t)は周波数ωの振動を行うようになるので、応力応答B(t)は、応力の振幅をσとし、歪みと応力の位相差をδとして、下記式(3)により表される。
Here, if a sufficiently long periodical strain is applied, the true stress response value σ (t) starts to vibrate at the frequency ω, so that the stress response B (t) has a stress amplitude of σ 0. And the phase difference between strain and stress is represented by δ and expressed by the following formula (3).

なお、システムに付与する歪みの振幅は、特に限定されず、例えば、システムのX軸方向においてその平衡化状態の長さの0.1〜0.6倍とすることができる。すなわち、平衡化状態の長さを100としたとき、振幅が10〜60である歪みを付与することができる。   Note that the amplitude of distortion applied to the system is not particularly limited, and can be, for example, 0.1 to 0.6 times the length of the balanced state in the X-axis direction of the system. That is, when the length of the balanced state is 100, distortion having an amplitude of 10 to 60 can be applied.

[6]相互相関関数計算部22
相互相関関数計算部22は、上記で得られた熱雑音を含む応力と歪みから、時間相関関数として歪み−応力相互相関関数を計算する。
[6] Cross-correlation function calculator 22
The cross-correlation function calculation unit 22 calculates a strain-stress cross-correlation function as a time correlation function from the stress and strain including the thermal noise obtained above.

高分子材料モデルの粘弾性は、貯蔵弾性率と位相差δとによって定まる。ここで、貯蔵弾性率は、歪みの振幅と応力の振幅とにより下記式(4)で表される。
The viscoelasticity of the polymer material model is determined by the storage elastic modulus and the phase difference δ. Here, the storage elastic modulus is expressed by the following formula (4) by the amplitude of strain and the amplitude of stress.

ここで、σとtanδは、上記式(3)を用いて正弦曲線にフィッティングすることにより求めることができる。しかしながら、分子動力学シミュレーションにおいて応力は熱雑音の影響を強く受けるので、式(3)の応力値B(t)を直接用いると、熱雑音N(t)により精度が悪くなる。そこで、本実施形態では、歪みと応力応答の時間相関関数、即ち、歪み−応力相互相関関数を計算して熱雑音を除去する。歪み−応力相互相関関数は、遅れ時間をTとして、下記式(5)により与えられる。 Here, σ 0 and tan δ can be obtained by fitting to a sine curve using the above equation (3). However, since the stress is strongly influenced by thermal noise in the molecular dynamics simulation, if the stress value B (t) of Equation (3) is used directly, the accuracy becomes worse due to the thermal noise N (t). Therefore, in the present embodiment, a time correlation function of strain and stress response, that is, a strain-stress cross-correlation function is calculated to remove thermal noise. The strain-stress cross-correlation function is given by the following equation (5), where T is the delay time.

ここで、C(t)は歪みと熱雑音の相互相関関数であり、通常絶対値は小さくなる。   Here, C (t) is a cross-correlation function between distortion and thermal noise, and the absolute value is usually small.

[7]第1指標値計算部24
第1指標値計算部24は、上記歪み−応力相互相関関数から、熱雑音を除去した応力の振幅σおよび該応力と歪みとの位相差δを計算して、高分子の粘弾性に関する指標値を算出する。本実施形態では、該指標値として、上記式(4)で表される貯蔵弾性率G’(ω)と、tanδを求める。
[7] First index value calculation unit 24
The first index value calculation unit 24 calculates the amplitude σ 0 of the stress from which the thermal noise is removed and the phase difference δ between the stress and the strain from the strain-stress cross-correlation function, thereby indicating an index related to the viscoelasticity of the polymer. Calculate the value. In the present embodiment, the storage elastic modulus G ′ (ω) and tan δ represented by the above formula (4) are obtained as the index values.

上記応力の振幅σと位相差δを計算するに際しては、上記式(5)を用いたフィッティングを行うことが好ましい。すなわち、第1指標値計算部24は、歪み−応力相互相関関数を用いて、歪みと熱雑音の相互相関関数C(t)を除去した正弦曲線にフィッティングすることで、応力の振幅σと位相差δを計算する。ここでいう正弦曲線には余弦曲線も含まれる。より詳細には、本実施形態では、下記式(6)を用いて、応力の時間変化を最小平均二乗法によりフィッティングする。
In calculating the stress amplitude σ 0 and the phase difference δ, it is preferable to perform fitting using the above equation (5). That is, the first index value calculation unit 24 uses a strain-stress cross-correlation function to fit a sinusoidal curve from which the cross-correlation function C (t) of strain and thermal noise is removed, whereby the stress amplitude σ 0 and The phase difference δ is calculated. The sine curve here includes a cosine curve. More specifically, in the present embodiment, the time change of stress is fitted by the least mean square method using the following equation (6).

これにより、応力の振幅σと位相差δが得られるので、更に歪みの振幅Xを用いて、上記式(4)により貯蔵弾性率G’(ω)と、tanδを算出することができる。 As a result, since the stress amplitude σ 0 and the phase difference δ are obtained, the storage elastic modulus G ′ (ω) and tan δ can be calculated from the above equation (4) using the strain amplitude X 0. .

[8]判定部26
判定部26は、入力部12で設定された複数の周波数のうち全ての周波数で粘弾性に関する指標値が計算されたか否かを判定し、全ての周波数で計算されるまで、平衡化部16、周波数決定部18、応力計算部20、相互相関関数計算部22および第1指標値計算部24の処理を繰り返すように制御する。すなわち、全ての周波数で計算されていなければ、上記処理を繰り返すように制御し、全ての周波数で計算されていれば、計算を終了する。
[8] Determination unit 26
The determination unit 26 determines whether or not index values related to viscoelasticity are calculated at all frequencies among the plurality of frequencies set by the input unit 12, and until the calculation is performed at all frequencies, the balancing unit 16, Control is performed so that the processes of the frequency determination unit 18, the stress calculation unit 20, the cross-correlation function calculation unit 22, and the first index value calculation unit 24 are repeated. That is, if calculation is not performed for all frequencies, control is performed so that the above processing is repeated. If calculation is performed for all frequencies, the calculation ends.

[9]出力部28
出力部28は、上記により得られた高分子の粘弾性特性を出力する。粘弾性特性の出力は、ディスプレイによって表示したり、プリンタによって印刷したりすることにより行うことができる。
[9] Output unit 28
The output unit 28 outputs the viscoelastic characteristics of the polymer obtained as described above. The viscoelastic characteristics can be output by displaying on a display or printing with a printer.

次に、本実施形態に係る計算装置10の動作状態について、図2のフローチャートに基づいて説明する。   Next, the operation state of the computing device 10 according to the present embodiment will be described based on the flowchart of FIG.

ステップS1において、入力部12が、計算対象となる高分子の分子構造を含む情報を取得する。   In step S1, the input unit 12 acquires information including the molecular structure of the polymer to be calculated.

次いで、ステップS2において、システム作成部14が、取得した情報を用いて高分子をモデル化したシステムを作成する。そしてステップS3に進む。   Next, in step S2, the system creation unit 14 creates a system that models the polymer using the acquired information. Then, the process proceeds to step S3.

ステップS3において、平衡化部16が、粘弾性特性を求めたい温度で上記システムを平衡化する。そしてステップS4に進む。   In step S3, the equilibration unit 16 equilibrates the system at a temperature at which viscoelastic characteristics are desired. Then, the process proceeds to step S4.

ステップS4において、周波数決定部18が、上記システムに与える歪みの周波数を決定する。歪みの周波数は、ステップS1で入力された複数の周波数の中から選択され、例えば低周波数側から順次に計算する場合、まず最初に、最も低い周波数が選択される。そしてステップS5に進む。   In step S4, the frequency determination unit 18 determines the frequency of distortion applied to the system. The frequency of distortion is selected from a plurality of frequencies input in step S1, and for example, when calculating sequentially from the low frequency side, the lowest frequency is selected first. Then, the process proceeds to step S5.

ステップS5において、応力計算部20が、上記システムに対し、ステップS4で決定した周波数で、所定振幅の周期的歪みを所定周期にわたり与えながら、分子動力学シミュレーションを行い、各時刻の応力応答を計算する。これにより得られる応力は、上記のように熱雑音を含むものである。   In step S5, the stress calculation unit 20 performs a molecular dynamics simulation while applying a periodic strain having a predetermined amplitude to the system at the frequency determined in step S4 over a predetermined period, and calculates a stress response at each time. To do. The stress obtained by this includes thermal noise as described above.

次いで、ステップS6において、相互相関関数計算部22が、上記で得られた熱雑音を含む応力と歪みから、時間相関関数として、上記式(5)で表される歪み−応力相互相関関数を計算する。そしてステップS7に進む。   Next, in step S6, the cross-correlation function calculation unit 22 calculates the strain-stress cross-correlation function represented by the above formula (5) as a time correlation function from the stress and strain including the thermal noise obtained above. To do. Then, the process proceeds to step S7.

ステップS7において、第1指標値計算部24が、上記歪み−応力相互相関関数から、熱雑音を除去した応力の振幅σと位相差δを計算して、高分子の粘弾性に関する指標値として貯蔵弾性率とtanδを算出する。そしてステップS8に進む。 In step S7, the first index value calculation unit 24 calculates the stress amplitude σ 0 and the phase difference δ from which the thermal noise has been removed from the strain-stress cross-correlation function, and provides the index value relating to the viscoelasticity of the polymer. Calculate storage modulus and tan δ. Then, the process proceeds to step S8.

ステップS8において、判定部26が、ステップS1で入力された複数の周波数のうち全ての周波数で粘弾性に関する指標値が計算されたか否かを判定し、計算されていなければ、ステップS3、S4、S5、S6及びS7の処理を繰り返すように制御し、全ての周波数で計算されていれば、計算を終了して、ステップS9に進む。   In step S8, the determination unit 26 determines whether index values related to viscoelasticity have been calculated at all the frequencies among the plurality of frequencies input in step S1, and if not calculated, the determination unit 26 determines whether the calculation is performed in steps S3, S4, Control is performed so as to repeat the processes of S5, S6, and S7. If calculation has been performed for all frequencies, the calculation ends and the process proceeds to step S9.

ステップS9において、出力部28が、上記により得られた高分子の粘弾性特性を出力する。   In step S9, the output unit 28 outputs the viscoelastic characteristics of the polymer obtained as described above.

以上よりなる本実施形態によれば、線形応答理論ではなく、システムに歪みを与えて応力応答を直接計算するので、任意の歪みに対して粘弾性を計算することができ、粘弾性の歪み依存性をシミュレートすることができる。また、分子動力学シミュレーションにおいて応力は熱雑音の影響を強く受けるが、歪み−応力相互相関関数を計算することにより熱雑音の影響を除去することができるので、与えられた歪みに対する応力応答を精密に計算することができ、正確な粘弾性特性を得ることができる。   According to the present embodiment configured as described above, since the stress response is directly calculated by applying strain to the system instead of linear response theory, viscoelasticity can be calculated for any strain, and the strain dependence of viscoelasticity Sex can be simulated. In molecular dynamics simulations, stress is strongly affected by thermal noise, but by calculating the strain-stress cross-correlation function, the effect of thermal noise can be eliminated, so the stress response to a given strain is precise. Thus, accurate viscoelastic characteristics can be obtained.

[第2実施形態]
第2実施形態に係る高分子の粘弾性の計算装置10Aは、図3に示すように、入力部12、システム作成部14、平衡化部16、周波数決定部18、応力計算部20、相互相関関数計算部22、第1指標値計算部24、自己相関関数計算部30、第2指標値計算部32、評価部34、判定部26、及び出力部28を有する。すなわち、第2実施形態に係る計算装置10Aは、第1実施形態に係る計算装置10に対して、自己相関関数計算部30、第2指標値計算部32及び評価部34を追加したものであり、その他の構成は共通している。以下、追加した構成部分について詳細に説明する。
[Second Embodiment]
As shown in FIG. 3, the polymer viscoelasticity calculation apparatus 10A according to the second embodiment includes an input unit 12, a system creation unit 14, an equilibration unit 16, a frequency determination unit 18, a stress calculation unit 20, and a cross-correlation. A function calculation unit 22, a first index value calculation unit 24, an autocorrelation function calculation unit 30, a second index value calculation unit 32, an evaluation unit 34, a determination unit 26, and an output unit 28 are included. That is, the calculation device 10A according to the second embodiment is obtained by adding an autocorrelation function calculation unit 30, a second index value calculation unit 32, and an evaluation unit 34 to the calculation device 10 according to the first embodiment. Other configurations are common. Hereinafter, the added components will be described in detail.

[10]自己相関関数計算部30
自己相関関数計算部30は、応力計算部20により得られた熱雑音を含む応力から時間相関関数として応力自己相関関数を計算する。応力自己相関関数は、遅れ時間をTとして、下記式(7)により与えられる。
[10] Autocorrelation function calculator 30
The autocorrelation function calculator 30 calculates a stress autocorrelation function as a time correlation function from the stress including thermal noise obtained by the stress calculator 20. The stress autocorrelation function is given by the following equation (7), where T is the delay time.

ここで、D(t)は熱雑音の自己相関関数であり、原点付近に強いピークを持ち急速に減衰する。   Here, D (t) is an autocorrelation function of thermal noise, and has a strong peak near the origin and rapidly attenuates.

[11]第2指標値計算部32
第2指標値計算部32は、上記応力自己相関関数から、熱雑音を除去した応力の振幅σを計算して、高分子の粘弾性に関する指標値を算出する。本実施形態では、該指標値として、上記式(4)で表される貯蔵弾性率G’(ω)を求める。
[11] Second index value calculation unit 32
The second index value calculation unit 32 calculates an index value related to the viscoelasticity of the polymer by calculating the stress amplitude σ 0 from which the thermal noise is removed from the stress autocorrelation function. In this embodiment, the storage elastic modulus G ′ (ω) represented by the above formula (4) is obtained as the index value.

該応力の振幅σを計算するに際しては、上記式(7)を用いたフィッティングを行うことが好ましい。すなわち、第2指標値計算部32は、応力自己相互相関関数を用いて、熱雑音の自己相互相関関数D(t)を除去した正弦曲線にフィッティングすることで、応力の振幅σを計算する。ここでいう正弦曲線には余弦曲線も含まれる。より詳細には、本実施形態では、下記式(8)を用いて、応力の時間変化を最小平均二乗法によりフィッティングする。
When calculating the amplitude σ 0 of the stress, it is preferable to perform fitting using the above equation (7). That is, the second index value calculation unit 32 calculates the stress amplitude σ 0 by fitting to a sine curve from which the auto-correlation function D (t) of the thermal noise is removed using the stress auto-cross-correlation function. . The sine curve here includes a cosine curve. More specifically, in this embodiment, the time change of stress is fitted by the minimum mean square method using the following formula (8).

上記のようにD(t)は原点付近に強いピークを持ち急速に減衰するので、フィッティングはD(t)が十分にゼロに近づいた時刻から行うにより、真の応力応答の振幅σを精度良く計算することができる。このように応力の振幅σが得られるので、歪みの振幅Xを用いて、上記式(4)により貯蔵弾性率G’(ω)を算出することができる。 As described above, D (t) has a strong peak near the origin and rapidly attenuates. Therefore, fitting is performed from the time when D (t) is sufficiently close to zero, so that the true stress response amplitude σ 0 can be accurately obtained. It can be calculated well. Since the stress amplitude σ 0 is obtained in this way, the storage elastic modulus G ′ (ω) can be calculated by the above equation (4) using the strain amplitude X 0 .

[12]評価部34
評価部34は、第1指標値計算部24により得られた指標値(以下、第1指標値)を、第2指標値計算部32により得られた指標値(以下、第2指標値)と対比して、その精度を評価する。対比する指標値としては、応力の振幅σでもよく、あるいはまた貯蔵弾性率G’(ω)でもよい。
[12] Evaluation unit 34
The evaluation unit 34 uses the index value (hereinafter, first index value) obtained by the first index value calculation unit 24 as the index value (hereinafter, second index value) obtained by the second index value calculation unit 32. In contrast, the accuracy is evaluated. The index value to be compared may be the stress amplitude σ 0 or the storage elastic modulus G ′ (ω).

より詳細には、評価部34は、第1指標値と第2指標値を対比し、両者の差が所定範囲内であれば、第1指標値計算部24により算出される粘弾性特性の精度が確保されていると判断して、判定ステップS8に進むように制御する。一方、両者の差が所定範囲内でなければ、第1指標値計算部24により算出される粘弾性特性の精度が確保されていないと判断して、応力計算ステップS5に進み、分子動力学シミュレーションにおけるシミュレーション条件を変更した上で再度応力を計算するように制御する。すなわち、シミュレーションの精度を高めるために、例えば、システムに付与する歪み周期の繰り返し数を増加させ、両者の差が所定範囲内になるまで、応力計算部20、相互相関関数計算部22、第1指標値計算部24、自己相関関数計算部30及び第2指標値計算部32の処理を繰り返すように制御する。   More specifically, the evaluation unit 34 compares the first index value and the second index value, and if the difference between the two is within a predetermined range, the accuracy of the viscoelastic property calculated by the first index value calculation unit 24 And control to proceed to the determination step S8. On the other hand, if the difference between the two is not within the predetermined range, it is determined that the accuracy of the viscoelastic property calculated by the first index value calculation unit 24 is not secured, and the process proceeds to the stress calculation step S5, where molecular dynamics simulation is performed. Control is performed so that the stress is calculated again after changing the simulation conditions. That is, in order to increase the accuracy of the simulation, for example, the number of repetitions of the strain period applied to the system is increased, and the stress calculator 20, the cross-correlation function calculator 22, the first until the difference between the two is within a predetermined range. Control is performed so that the processing of the index value calculation unit 24, the autocorrelation function calculation unit 30, and the second index value calculation unit 32 is repeated.

ここで、第1指標値と第2指標値の差に関する上記所定範囲としては、特に限定しないが、例えば、両者の差が、第1指標値の±10%の範囲内にあるかどうかを基準とすることができる。   Here, the predetermined range related to the difference between the first index value and the second index value is not particularly limited. For example, it is a criterion whether the difference between the two is within ± 10% of the first index value. It can be.

第2実施形態に係る計算装置10Aの動作状態は、図4のフローチャートに示した通りであり、第1実施形態とは、ステップS10、S11及びS12が追加された点で異なる。以下、追加したステップについて説明する。   The operation state of the computing device 10A according to the second embodiment is as shown in the flowchart of FIG. 4, and is different from the first embodiment in that steps S10, S11, and S12 are added. Hereinafter, the added steps will be described.

ステップS7で第1指標値計算部24が第1指標値としての貯蔵弾性率G’(ω)とtanδを算出した後、ステップS10において、自己相関関数計算部30が、ステップS5で得られた熱雑音を含む応力から、時間相関関数として、上記式(7)で表される応力自己相互相関関数を計算する。そしてステップS11に進む。   After the first index value calculation unit 24 calculates the storage elastic modulus G ′ (ω) and tan δ as the first index value in step S7, the autocorrelation function calculation unit 30 is obtained in step S5 in step S10. From the stress including thermal noise, the stress auto-correlation function expressed by the above formula (7) is calculated as a time correlation function. Then, the process proceeds to step S11.

ステップS11において、第2指標値計算部32が、上記応力自己相互相関関数から、熱雑音を除去した応力の振幅σを計算して、第2指標値としての貯蔵弾性率G’(ω)を算出する。そしてステップS12に進む。 In step S11, the second index value calculation unit 32 calculates the stress amplitude σ 0 from which the thermal noise is removed from the stress auto-correlation function, and the storage elastic modulus G ′ (ω) as the second index value. Is calculated. Then, the process proceeds to step S12.

ステップS12において、評価部34が、ステップS7で得られた第1指標値としての貯蔵弾性率を、ステップS11で得られた第2指標値としての貯蔵弾性率と対比して、両者の差が所定範囲内であれば、ステップS7で得られた第1指標値の精度が確保されていると判断してステップS8に進み、所定範囲内でなければ、精度が確保されていないと判断してステップS5に進む。   In step S12, the evaluation unit 34 compares the storage elastic modulus as the first index value obtained in step S7 with the storage elastic modulus as the second index value obtained in step S11. If it is within the predetermined range, it is determined that the accuracy of the first index value obtained in step S7 is secured, and the process proceeds to step S8. If it is not within the predetermined range, it is determined that the accuracy is not secured. Proceed to step S5.

このようにしてステップS12から戻ってきたステップS5では、分子動力学シミュレーションにおけるシミュレーション条件を変更した上で再度応力を計算し、ステップS6に進む。   In step S5 that has returned from step S12 in this way, the stress is calculated again after changing the simulation conditions in the molecular dynamics simulation, and the process proceeds to step S6.

なお、ステップS8において、判定部26は、ステップS7で得られた第1指標値が全ての周波数で計算されているか否かを判定する。また、ステップS9において、出力部28は、上記により得られた第1指標値を高分子の粘弾性特性として出力する。   In step S8, the determination unit 26 determines whether or not the first index value obtained in step S7 has been calculated for all frequencies. In step S9, the output unit 28 outputs the first index value obtained as described above as the viscoelastic property of the polymer.

第2実施形態によれば、歪み−応力相互相関関数に加えて、応力自己相関関数を計算し、応力自己相関関数から得られた第2指標値を用いて、歪み−応力相互相関関数から得られた第1指標値の精度を評価するので、より正確な粘弾性特性を得ることができる。   According to the second embodiment, in addition to the strain-stress cross-correlation function, a stress auto-correlation function is calculated, and the second index value obtained from the stress auto-correlation function is used to obtain the strain-stress cross-correlation function. Since the accuracy of the obtained first index value is evaluated, more accurate viscoelastic characteristics can be obtained.

第2実施形態において、ステップS4における周波数の決定は、ステップS1で入力された複数の周波数について低周波数側から順次に選択することが好ましい。分子動力学シミュレーションにより計算される粘弾性特性の精度は、一般に低周波数側ほどノイズが大きく、精度に劣る。そのため、低周波数側で計算精度が確保されていれば、より高周波数側でも計算精度が確保されている可能性が高い。そのため、低周波数側から計算することにより、シミュレーション条件を変更することによるそれまでの計算工数の無駄をできるだけ小さくすることができる。   In the second embodiment, the determination of the frequency in step S4 is preferably performed by sequentially selecting a plurality of frequencies input in step S1 from the low frequency side. The accuracy of the viscoelastic property calculated by molecular dynamics simulation is generally inferior in noise and lower in accuracy on the lower frequency side. Therefore, if calculation accuracy is ensured on the low frequency side, it is highly possible that calculation accuracy is ensured even on the higher frequency side. For this reason, by calculating from the low frequency side, it is possible to reduce the waste of calculation man-hours by changing the simulation conditions as much as possible.

なお、図4に示す例では、ステップS12において、評価部34が、精度が確保されていないと判断したときに、ステップS5に進むようにしているが、ステップS2に進むように制御してもよい。すなわち、評価部34は、第1指標値と第2指標値の差が所定範囲内でないとき、システム作成ステップS2に進み、システムを再構成した上で再度応力を計算するように制御してもよい。例えば、システムを構成する高分子モデルの分子鎖数を多くすることで精度を高めることができるので、このようにして分子鎖数を増加させながら、両者の差が所定範囲内になるまで、システム作成部14、平衡化部16、周波数決定部18、応力計算部20、相互相関関数計算部22、第1指標値計算部24、自己相関関数計算部30及び第2指標値計算部32の処理を繰り返すように制御してもよい。   In the example illustrated in FIG. 4, when the evaluation unit 34 determines in step S12 that the accuracy is not ensured, the process proceeds to step S5. However, the control may be performed to proceed to step S2. That is, when the difference between the first index value and the second index value is not within the predetermined range, the evaluation unit 34 proceeds to the system creation step S2 and controls to recalculate the stress after reconfiguring the system. Good. For example, since the accuracy can be increased by increasing the number of molecular chains of the polymer model that constitutes the system, the system is increased until the difference between the two is within a predetermined range while increasing the number of molecular chains in this way. Processing of creating unit 14, balancing unit 16, frequency determining unit 18, stress calculating unit 20, cross-correlation function calculating unit 22, first index value calculating unit 24, autocorrelation function calculating unit 30, and second index value calculating unit 32 You may control to repeat.

上記第1及び第2実施形態では、複数の周波数についての粘弾性特性を求めているが、他の実施形態として、単一の周波数についての粘弾性特性を求めるようにしてもよい。その場合、周波数決定部18は、入力部12で取得した周波数を、システムに与える歪みの周波数として決定する。   In the first and second embodiments, viscoelastic characteristics for a plurality of frequencies are obtained. However, as another embodiment, viscoelastic characteristics for a single frequency may be obtained. In that case, the frequency determination unit 18 determines the frequency acquired by the input unit 12 as the frequency of distortion applied to the system.

また、上記第1及び第2実施形態では、単一の振幅についての粘弾性特性を求めているが、他の実施形態として、複数の振幅についての粘弾性特性を求めるようにしてもよい。その場合、システムに与える歪みの振幅を設定する振幅設定部を設けておき、応力計算部18では、該振幅設定部で設定した振幅の歪みをシステムに与えながら分子動力学シミュレーションにより応力を計算する。そして、予め設定された複数の振幅のうち全ての振幅で粘弾性に関する指標値が計算されたか否かを判定し、全ての振幅で計算されるまで、指標値を取得する計算を繰り返すように制御する第2判定部を設けておけばよい。   Moreover, in the said 1st and 2nd embodiment, although the viscoelastic characteristic about single amplitude is calculated | required, you may make it obtain | require viscoelastic characteristics about several amplitude as other embodiment. In that case, an amplitude setting unit for setting the amplitude of strain applied to the system is provided, and the stress calculation unit 18 calculates the stress by molecular dynamics simulation while giving the strain of amplitude set by the amplitude setting unit to the system. . Then, it is determined whether or not index values related to viscoelasticity have been calculated with all amplitudes among a plurality of preset amplitudes, and control is performed so as to repeat calculation for acquiring index values until calculation is performed with all amplitudes. A second determination unit may be provided.

また、上記第1及び第2実施形態では、単一の温度についての粘弾性特性を求めているが、他の実施形態として、複数の温度についての粘弾性特性を求めるようにしてもよい。その場合、システムを平衡化する温度を設定する温度設定部を設けておき、平衡化部16では該温度設定部で設定した温度でシステムを平衡化させ、当該温度で分子動力学シミュレーションにより粘弾性に関する指標値を計算する。そして、予め設定された複数の温度のうち全ての粘弾性に関する指標値が計算されたか否かを判定し、全ての温度で計算されるまで、指標値を取得する計算を繰り返すように制御する第3判定部を設けておけばよい。   Moreover, in the said 1st and 2nd embodiment, although the viscoelastic characteristic about single temperature is calculated | required, you may make it obtain | require the viscoelastic characteristic about several temperature as other embodiment. In that case, a temperature setting unit for setting the temperature at which the system is equilibrated is provided, and the equilibration unit 16 equilibrates the system at the temperature set by the temperature setting unit, and performs viscoelasticity by molecular dynamics simulation at the temperature. Calculate the index value for. Then, it is determined whether or not index values related to all viscoelasticities among a plurality of preset temperatures have been calculated, and control is performed to repeat calculation for acquiring index values until calculation is performed at all temperatures. 3 determination units may be provided.

以上のように、本実施形態によれば、高分子材料の粘弾性特性を分子動力学シミュレーションによって予測することができる。一般にゴムに代表されるエラストマー材料では、特定の周波数の振動に対する損失を制御することが重要であり、この損失物性は粘弾性特性によって決定されるので、本発明はゴムなどの高分子の材料開発を行う場合に有益である。   As described above, according to this embodiment, the viscoelastic property of the polymer material can be predicted by molecular dynamics simulation. In general, in elastomer materials represented by rubber, it is important to control the loss to vibration at a specific frequency, and since this loss physical property is determined by viscoelastic properties, the present invention develops a polymer material such as rubber. Useful when doing.

[実施例1]
上記実施形態により高分子の粘弾性特性が正確に計算できることを、実施例1により示す。分子動力学シミュレーションには、公開プログラムのLAMMPS[Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator:米国サンディア国立研究所]を用いた。
[Example 1]
Example 1 shows that the viscoelastic properties of the polymer can be accurately calculated according to the above embodiment. For molecular dynamics simulation, the public program LAMMPS [Large-Scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator: Sandia National Laboratory, USA] was used.

上記参考文献1に基づき、高分子のビーズスプリングモデルシステムとして、50ビーズの高分子鎖40本からなるアモルファス高分子モデルを作成した。該システムにおいて、結合ポテンシャルと非結合ポテンシャルは、参考文献1に従い、下記式の通りとした。   Based on Reference Document 1, an amorphous polymer model composed of 40 polymer chains of 50 beads was created as a polymer bead spring model system. In this system, the binding potential and the non-bonding potential were as shown in the following formula according to Reference 1.

ここで、UFENE(r)は伸びきりのある結合ポテンシャルであり、kとRは、それぞれ、結合の強さおよび伸びきり距離(これ以上結合した粒子間の距離が大きくならない)を示している。rは粒子間距離を表わしている。ULJ(r)はレナードジョーンズ非結合ポテンシャルで、Aは相互作用の強さ、Bは粒子の大きさを表わすパラメータである。式(9b)ではカットオフ距離21/6Bを設定し、それよりも大きな距離にある粒子間の非結合相互作用をゼロとしている。 Here, U FENE (r) is an extended bond potential, and k and R 0 indicate the bond strength and the extended distance (the distance between bonded particles no longer increases), respectively. Yes. r represents the distance between particles. U LJ (r) is a Leonard Jones nonbonding potential, A is a parameter indicating the strength of interaction, and B is a particle size. In equation (9b), a cutoff distance of 2 1/6 B is set, and non-bonding interaction between particles at a larger distance is set to zero.

次いで、該システムを、圧力4.85で一定の下、温度1.0で平衡化した。ここで、温度や圧力などの各パラメータの単位は、レナードジョーンズ単位である。   The system was then equilibrated at a temperature of 1.0 under a constant pressure of 4.85. Here, the unit of each parameter such as temperature and pressure is the Leonard Jones unit.

周波数を4.0×10−4[1/τ]とし、図6に示すように該周波数で振幅0.2の歪みを10周期にわたり与えながら、分子動力学シミュレーションを行い、各時刻の応力を計算した。歪みは、シミュレーション中の座標系においてx軸方向に与えた。分子動力学シミュレーションにより得られた応力の時間変化は図7に示す通りである。応力の単位はレナードジョーンズパラメータのσ(長さ)とε(エネルギー)で与えられており、この計算では、両者とも1.0、即ちσ=1.0、ε=1.0とした。図7に示すように、分子動力学シミュレーションにより得られた応力の時間変化は熱雑音の大きいものであった。 A frequency is set to 4.0 × 10 −4 [1 / τ], and a molecular dynamics simulation is performed while applying a strain of amplitude 0.2 at the frequency over 10 periods as shown in FIG. Calculated. The distortion was given in the x-axis direction in the coordinate system under simulation. The time change of the stress obtained by the molecular dynamics simulation is as shown in FIG. The unit of stress is given by the Leonard Jones parameters σ (length) and ε (energy). In this calculation, both values were 1.0, that is, σ = 1.0 and ε = 1.0. As shown in FIG. 7, the time change of the stress obtained by the molecular dynamics simulation has a large thermal noise.

次に、この熱雑音を含む応力から、上記式(5)で表される歪み−応力相互相関関数を計算した。結果は図8に示す通りであり、歪み−応力相互相関(以下、歪み−応力相関ということがある。)の時間変化では、熱雑音の影響を大幅に除去することができた(即ち、式(5)においてC(t)で表される歪みと熱雑音の相互相関関数は小さい)。なお、歪み−応力相関の次元は、歪み×応力となるので、単位は応力と同じである。   Next, a strain-stress cross-correlation function represented by the above formula (5) was calculated from the stress including the thermal noise. The result is as shown in FIG. 8, and the influence of thermal noise can be largely eliminated by the time change of the strain-stress cross-correlation (hereinafter sometimes referred to as “strain-stress correlation”) (that is, the expression In (5), the cross-correlation function between the distortion represented by C (t) and thermal noise is small. Since the dimension of the strain-stress correlation is strain × stress, the unit is the same as the stress.

次に、上記式(6)を用いて、応力の時間変化を最小平均二乗法により正弦曲線にフィッティングしたところ、図9に示す通りとなり、以下の結果が得られた。歪みの振幅X=0.2、応力の振幅σ=0.01088[ε/σ]、周波数(角振動数)ω=2π×4.0×10−4[1/τ]、位相差δ=1.98048[rad]、残差平均の平方根/振幅=0.027248。ここから計算した貯蔵弾性率は0.054232[ε/σ]であり、tanδは2.302728であった。 Next, when the time change of stress was fitted to a sine curve by the least mean square method using the above formula (6), the result was as shown in FIG. 9, and the following results were obtained. Strain amplitude X 0 = 0.2, stress amplitude σ 0 = 0.01088 [ε / σ 3 ], frequency (angular frequency) ω = 2π × 4.0 × 10 −4 [1 / τ], position Phase difference δ = 1.98048 [rad], residual average square root / amplitude = 0.027248. The storage elastic modulus calculated from this was 0.054322 [ε / σ 3 ], and tan δ was 2.302728.

また、上記熱雑音を含む応力から、上記式(7)で表される応力自己相互相関関数を計算した。結果は図10に示す通りであり、応力自己相互相関の時間変化では、図7に示す応力自体の時間変化に比べて熱雑音の影響を除去することができた。次いで、上記式(8)を用いて、応力の時間変化を最小平均二乗法により正弦曲線にフィッティングしたところ、図11に示す通りとなり、以下の結果が得られた。歪みの振幅X=0.2、応力の振幅σ=0.01086[ε/σ]、周波数(角振動数)ω=2π×4.0×10−4[1/τ]、残差平均の平方根/振幅=1.217957。ここから計算した貯蔵弾性率は0.054318[ε/σ]であった。この値は、歪み−応力相関から得られた貯蔵弾性率=0.054232とよく一致していた。 Moreover, the stress autocross correlation function represented by the above formula (7) was calculated from the stress including the thermal noise. The results are as shown in FIG. 10, and in the time change of the stress auto-correlation, the influence of the thermal noise could be removed as compared with the time change of the stress itself shown in FIG. Next, when the stress change with time was fitted to a sine curve by the least mean square method using the above equation (8), the result was as shown in FIG. 11, and the following results were obtained. Strain amplitude X 0 = 0.2, stress amplitude σ 0 = 0.01086 [ε / σ 3 ], frequency (angular frequency) ω = 2π × 4.0 × 10 −4 [1 / τ], remaining Square root of difference average / amplitude = 1.217957. The storage elastic modulus calculated from this was 0.054318 [ε / σ 3 ]. This value was in good agreement with the storage elastic modulus = 0.054232 obtained from the strain-stress relationship.

一方、上記実施例による効果を示すために、比較例として、図7に示す応力自体の時間変化について、相関関数を計算することなく、そのままフィッティングにより粘弾性特性を計算した。すなわち、下記式(10)を用いて、応力の時間変化を最小平均二乗法によりフィッティングしたところ、図12に示す白抜きの曲線が得られた。結果は、歪みの振幅X=0.2、応力の振幅σ=0.24086[ε/σ]、周波数(角振動数)ω=2π×4.0×10−4[1/τ]、位相差δ=2.06297[rad]、残差平均の平方根/振幅=30.7988であった。この結果は、残差がフィッティング対象の値に比べて非常に大きく、信頼性に乏しい。位相差δは、歪み−応力相互相関関数から得られたものに近いが、貯蔵弾性率は10倍以上の違いがある。これは、応答応力に比べて非常に大きな雑音がフィッティング精度に悪影響を与えているためと考えられる。
On the other hand, in order to show the effect of the above embodiment, as a comparative example, the viscoelastic characteristics were calculated by fitting as they were without calculating the correlation function for the time change of the stress itself shown in FIG. That is, when the stress over time was fitted by the least mean square method using the following equation (10), the white curve shown in FIG. 12 was obtained. The results are as follows: strain amplitude X 0 = 0.2, stress amplitude σ 0 = 0.24086 [ε / σ 3 ], frequency (angular frequency) ω = 2π × 4.0 × 10 −4 [1 / τ The phase difference δ = 2.06297 [rad] and the residual average square root / amplitude = 30.79888. As a result, the residual is very large compared to the value to be fitted, and the reliability is poor. The phase difference δ is close to that obtained from the strain-stress cross-correlation function, but the storage elastic modulus has a difference of 10 times or more. This is presumably because a very large noise compared to the response stress adversely affects the fitting accuracy.

[実施例2]
本実施形態により粘弾性の歪み依存性を計算できることを示すために、実施例2では歪み振幅を0.5として、その他は実施例1と同様の計算を行った。
[Example 2]
In order to show that the strain dependency of viscoelasticity can be calculated according to the present embodiment, the same calculation as in Example 1 was performed except that the strain amplitude was set to 0.5 in Example 2.

詳細には、圧力、温度及び周波数を実施例1と同じに設定し、図13に示す振幅0.5の歪みを10周期にわたり与えながら、分子動力学シミュレーションを行い、各時刻の応力を計算した。分子動力学シミュレーションにより得られた応力の時間変化は図14に示す通りであった。   Specifically, the pressure, temperature, and frequency were set to be the same as in Example 1, and a molecular dynamics simulation was performed while applying a strain of amplitude 0.5 shown in FIG. . The time change of the stress obtained by the molecular dynamics simulation was as shown in FIG.

次に、この熱雑音を含む応力から、上記式(5)で表される歪み−応力相互相関関数を計算した。結果は図15に示す通りであり、歪み−応力相互相関の時間変化では、熱雑音の影響を大幅に除去することができた。次いで、上記式(6)を用いて、応力の時間変化を最小平均二乗法により正弦曲線にフィッティングしたところ、図16に示す通りとなり、以下の結果が得られた。歪みの振幅X=0.5、応力の振幅σ=0.130025[ε/σ]、周波数(角振動数)ω=2π×4.0×10−4[1/τ]、位相差δ=1.734045[rad]、残差平均の平方根/振幅=0.013949。ここから計算した貯蔵弾性率は0.26005[ε/σ]であり、tanδは6.071126であった。 Next, a strain-stress cross-correlation function represented by the above formula (5) was calculated from the stress including the thermal noise. The result is as shown in FIG. 15, and the influence of thermal noise could be largely eliminated by the time change of the strain-stress cross-correlation. Next, when the time change of stress was fitted to a sine curve by the least mean square method using the above formula (6), it was as shown in FIG. 16, and the following results were obtained. Strain amplitude X 0 = 0.5, stress amplitude σ 0 = 0.130025 [ε / σ 3 ], frequency (angular frequency) ω = 2π × 4.0 × 10 −4 [1 / τ], position Phase difference δ = 1.734045 [rad], square root of residual average / amplitude = 0.013949. The storage elastic modulus calculated from this was 0.26005 [ε / σ 3 ], and tan δ was 6.071126.

また、上記熱雑音を含む応力から、上記式(7)で表される応力自己相互相関関数を計算した。結果は図17に示す通りであった。また、上記式(8)を用いて、応力の時間変化を最小平均二乗法により正弦曲線にフィッティングしたところ、図18に示す通りとなり、以下の結果が得られた。歪みの振幅X=0.5、応力の振幅σ=0.123872[ε/σ]、周波数(角振動数)ω=2π×4.0×10−4[1/τ]、残差平均の平方根/振幅=0.101784。ここから計算した貯蔵弾性率は0.247745[ε/σ]であった。この値は、歪み−応力相関から得られた貯蔵弾性率=0.26005とよく一致していた。 Moreover, the stress autocross correlation function represented by the above formula (7) was calculated from the stress including the thermal noise. The result was as shown in FIG. Further, when the time change of stress was fitted to a sine curve by the least mean square method using the above equation (8), it was as shown in FIG. 18, and the following results were obtained. Strain amplitude X 0 = 0.5, stress amplitude σ 0 = 0.123872 [ε / σ 3 ], frequency (angular frequency) ω = 2π × 4.0 × 10 −4 [1 / τ], remaining Square root of difference average / amplitude = 0.101784. The storage elastic modulus calculated from this was 0.247745 [ε / σ 3 ]. This value was in good agreement with the storage elastic modulus = 0.26005 obtained from the strain-stress relationship.

一方、上記実施例による効果を示すために、比較例として、図14に示す応力自体の時間変化について、相関関数を計算することなく、そのままフィッティングにより粘弾性特性を計算した。すなわち、上記式(10)を用いて、応力の時間変化を最小平均二乗法によりフィッティングしたところ、図19に示す白抜きの曲線が得られた。結果は、歪みの振幅X=0.5、応力の振幅σ=0.547941[ε/σ]、周波数(角振動数)ω=2π×4.0×10−4[1/τ]、位相差δ=1.72409[rad]、残差平均の平方根/振幅=0.60519であった。歪み0.2の場合に比べて残差は小さくなっているが、それでも歪み−応力相関に比べて数十倍の値となっており、信頼性に乏しい。位相差δは、歪み−応力相互相関関数から得られたものに近いが、貯蔵弾性率は5倍程度の違いを生じている。これは、応答応力に比べて非常に大きな雑音がフィッティング精度に悪影響を与えているためと考えられる。 On the other hand, in order to show the effect of the above embodiment, as a comparative example, the viscoelastic characteristics were calculated by fitting as they were without calculating the correlation function for the time change of the stress itself shown in FIG. That is, when the time change of stress was fitted by the least mean square method using the above formula (10), a white curve shown in FIG. 19 was obtained. The results are as follows: strain amplitude X 0 = 0.5, stress amplitude σ 0 = 0.547941 [ε / σ 3 ], frequency (angular frequency) ω = 2π × 4.0 × 10 −4 [1 / τ The phase difference δ = 1.72409 [rad] and the residual average square root / amplitude = 0.60519. Although the residual is smaller than in the case of strain 0.2, it still has a value several tens of times higher than the strain-stress correlation, and is not reliable. The phase difference δ is close to that obtained from the strain-stress cross-correlation function, but the storage elastic modulus has a difference of about 5 times. This is presumably because a very large noise compared to the response stress adversely affects the fitting accuracy.

以上の実施例1及び2によれば、下記表1に示すように、システムに与える歪みの大きさにより粘弾性が変化しており、すなわち歪みに依存する粘弾性データが得られることが示された。   According to Examples 1 and 2 described above, as shown in Table 1 below, it is shown that viscoelasticity changes depending on the magnitude of strain applied to the system, that is, viscoelasticity data depending on strain is obtained. It was.

[実施例3]
上記参考文献1に基づき作成した100ビーズの高分子鎖50本からなるアモルファス高分子モデルについて、温度を1.0とし、周波数を1.0×10−1〜3.91×10−4[1/τ]として、x軸方向に振幅0.2の歪みを10周期にわたり与えながら、実施例1と同様の計算を行った。該アモルファス高分子モデルについての結合ポテンシャルと非結合ポテンシャルは、上記式(9a)及び(9b)の通りとした。
[Example 3]
About the amorphous polymer model which consists of 50 polymer chains of 100 beads produced based on the above-mentioned reference 1, the temperature is 1.0 and the frequency is 1.0 × 10 −1 to 3.91 × 10 −4 [1. / Τ], the same calculation as in Example 1 was performed while applying a strain of amplitude 0.2 in the x-axis direction over 10 periods. The binding potential and non-bonding potential for the amorphous polymer model were as shown in the above formulas (9a) and (9b).

結果は、下記表2、図20及び図21に示す通りであり、各周波数に対して貯蔵弾性率とtanδの計算結果が得られた。   The results are as shown in Table 2 and FIGS. 20 and 21 below, and the storage elastic modulus and tan δ were calculated for each frequency.

上記では本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の主旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although one embodiment of the present invention has been described above, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…計算装置 12…入力部 14…システム作成部
16…平衡化部 18…周波数決定部 20…応力計算部
22…相互相関関数計算部 24…第1指標値計算部 26…判定部
30…自己相関関数計算部 32…第2指標値計算部 34…評価部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Calculation apparatus 12 ... Input part 14 ... System preparation part 16 ... Equilibration part 18 ... Frequency determination part 20 ... Stress calculation part 22 ... Cross correlation function calculation part 24 ... 1st index value calculation part 26 ... Determination part 30 ... Self Correlation function calculation unit 32 ... second index value calculation unit 34 ... evaluation unit

Claims (6)

高分子をモデル化したシステムを作成するシステム作成部と、
前記システムを所定温度で平衡化させる平衡化部と、
前記システムに与える歪みの周波数を決定する周波数決定部と、
前記システムに前記周波数で所定振幅の歪みを与えながら分子動力学シミュレーションにより熱雑音を含む応力を計算する応力計算部と、
前記熱雑音を含む応力と前記歪みから時間相関関数として歪み−応力相互相関関数を計算する相互相関関数計算部と、
前記歪み−応力相互相関関数から前記熱雑音を除去した応力の振幅および該応力と歪みとの位相差を計算して前記高分子の粘弾性に関する指標値を得る第1指標値計算部と、
を有することを特徴とする高分子の粘弾性計算装置。
A system creation unit for creating a system modeling a polymer;
An equilibration unit for equilibrating the system at a predetermined temperature;
A frequency determining unit that determines a frequency of distortion applied to the system;
A stress calculation unit for calculating a stress including thermal noise by molecular dynamics simulation while applying strain of a predetermined amplitude at the frequency to the system;
A cross-correlation function calculator for calculating a strain-stress cross-correlation function as a time correlation function from the stress including the thermal noise and the strain;
A first index value calculation unit that calculates an amplitude of stress obtained by removing the thermal noise from the strain-stress cross-correlation function and a phase difference between the stress and strain to obtain an index value related to viscoelasticity of the polymer;
A viscoelasticity calculation apparatus for polymers, comprising:
前記第1指標値計算部が、前記歪み−応力相互相関関数を用いて歪みと熱雑音の相互相関関数を除去した正弦曲線にフィッティングすることで前記応力の振幅および前記位相差を計算することを特徴とする請求項1記載の粘弾性計算装置。   The first index value calculation unit calculates the amplitude and the phase difference of the stress by fitting to a sine curve obtained by removing the cross-correlation function of strain and thermal noise using the strain-stress cross-correlation function. The viscoelasticity calculation device according to claim 1, wherein 予め設定された複数の周波数のうち全ての周波数で前記粘弾性に関する指標値が計算されたか否かを判定し、全ての周波数で計算されるまで、平衡化部、周波数決定部、応力計算部、相互相関関数計算部および第1指標値計算部の処理を繰り返すように制御する判定部を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の粘弾性計算装置。   It is determined whether or not the index value related to the viscoelasticity is calculated at all frequencies among a plurality of preset frequencies, and until the calculation is performed at all frequencies, the balancing unit, the frequency determining unit, the stress calculating unit, The viscoelasticity calculation device according to claim 1, further comprising a determination unit that controls to repeat the processes of the cross-correlation function calculation unit and the first index value calculation unit. 前記応力計算部により得られた前記熱雑音を含む応力から時間相関関数として応力自己相関関数を計算する自己相関関数計算部と、
前記応力自己相関関数から前記熱雑音を除去した応力の振幅を計算して前記高分子の粘弾性に関する指標値を得る第2指標値計算部と、
前記第1指標値計算部により得られた指標値を、前記第2指標値計算部により得られた指標値と対比して、精度を評価する評価部と、
を備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の粘弾性計算装置。
An autocorrelation function calculation unit for calculating a stress autocorrelation function as a time correlation function from the stress including the thermal noise obtained by the stress calculation unit;
A second index value calculation unit that calculates an amplitude of stress obtained by removing the thermal noise from the stress autocorrelation function to obtain an index value related to viscoelasticity of the polymer;
An evaluation unit that evaluates accuracy by comparing the index value obtained by the first index value calculation unit with the index value obtained by the second index value calculation unit;
The viscoelasticity calculation device according to any one of claims 1 to 3, wherein the viscoelasticity calculation device is provided.
高分子をモデル化したシステムを作成するシステム作成ステップと、
前記システムを所定温度で平衡化させる平衡化ステップと、
前記システムに与える歪みの周波数を決定する周波数決定ステップと、
前記システムに前記周波数で所定振幅の歪みを与えながら分子動力学シミュレーションにより熱雑音を含む応力を計算する応力計算ステップと、
前記熱雑音を含む応力と前記歪みから時間相関関数として歪み−応力相互相関関数を計算する相互相関関数計算ステップと、
前記歪み−応力相互相関関数から前記熱雑音を除去した応力の振幅および該応力と歪みとの位相差を計算して前記高分子の粘弾性に関する指標値を得る第1指標値計算ステップと、
を有することを特徴とする高分子の粘弾性計算方法。
A system creation step for creating a system modeling a polymer;
Equilibrating the system at a predetermined temperature; and
A frequency determining step for determining a frequency of distortion applied to the system;
A stress calculation step of calculating stress including thermal noise by molecular dynamics simulation while applying strain of a predetermined amplitude at the frequency to the system;
A cross-correlation function calculating step for calculating a strain-stress cross-correlation function as a time correlation function from the stress including the thermal noise and the strain;
A first index value calculation step of calculating an amplitude value of stress obtained by removing the thermal noise from the strain-stress cross-correlation function and a phase difference between the stress and strain to obtain an index value related to viscoelasticity of the polymer;
A method for calculating the viscoelasticity of a polymer, comprising:
高分子の粘弾性を計算するプログラムであって、
コンピュータに、
高分子をモデル化したシステムを作成するシステム作成機能と、
前記システムを所定温度で平衡化させる平衡化機能と、
前記システムに与える歪みの周波数を決定する周波数決定機能と、
前記システムに前記周波数で所定振幅の歪みを与えながら分子動力学シミュレーションにより熱雑音を含む応力を計算する応力計算機能と、
前記熱雑音を含む応力と前記歪みから時間相関関数として歪み−応力相互相関関数を計算する相互相関関数計算機能と、
前記歪み−応力相互相関関数から前記熱雑音を除去した応力の振幅および該応力と歪みとの位相差を計算して前記高分子の粘弾性に関する指標値を得る第1指標値計算機能と、
を実現するための高分子の粘弾性計算プログラム。
A program for calculating viscoelasticity of a polymer,
On the computer,
A system creation function to create a system modeling a polymer;
An equilibration function for equilibrating the system at a predetermined temperature;
A frequency determining function for determining a frequency of distortion applied to the system;
A stress calculation function for calculating stress including thermal noise by molecular dynamics simulation while applying strain of a predetermined amplitude at the frequency to the system;
A cross-correlation function calculation function for calculating a strain-stress cross-correlation function as a time correlation function from the stress including the thermal noise and the strain;
A first index value calculation function for obtaining an index value related to viscoelasticity of the polymer by calculating an amplitude of a stress obtained by removing the thermal noise from the strain-stress cross-correlation function and a phase difference between the stress and the strain;
A viscoelasticity calculation program for polymers.
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