JP2015079450A - Method for creating simulation model of composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子材料中にフィラーが分散配置された複合材料のシミュレーションモデルを作成するための方法に関する。 The present invention relates to a method for creating a simulation model of a composite material in which fillers are dispersed in a polymer material.
従来、高分子材料中にフィラーが分散配置された複合材料について、分子シミュレーションが行われている。分子シミュレーションでは、コンピュータ上の仮想の3次元空間内に、複合材料を模したシミュレーションモデルが定義される。シミュレーションモデルは、例えば、高分子材料及びフィラーの分子等が、それぞれ粒子モデル(運動方程式での質点)で離散化されて定義される。各粒子モデルは、ポテンシャル等の下、古典力学に従い、時系列的にその位置が逐次計算される。これにより、前記複合材料の物性等が解析される。 Conventionally, molecular simulation has been performed on a composite material in which fillers are dispersed in a polymer material. In molecular simulation, a simulation model simulating a composite material is defined in a virtual three-dimensional space on a computer. The simulation model is defined, for example, by discretizing a polymer material, filler molecules, and the like with a particle model (mass point in the equation of motion). Each particle model is sequentially calculated in time series in accordance with classical mechanics under potential and the like. Thereby, the physical property etc. of the said composite material are analyzed.
例えば、複合材料として、マトリックスゴム中にフィラーとしてシリカが配合されたシリカ配合ゴムの分子シミュレーションが行われることがある。この場合、コンピュータに、例えば、図12に視覚化して示されるような複合材料モデルaが定義される。この複合材料モデルaは、マトリックスゴムを表現するための高分子モデルbと、フィラーを表現するためのフィラーモデルcとを含んでいる。高分子モデルbは、ゴムの分子鎖を表すように、有限個の高分子粒子モデルb1を鎖モデルb2で紐状に連ねて定義されている。フィラーモデルcは、球状のフィラー粒子を表すように、有限個のフィラー粒子モデルc1を鎖モデルc2で連結して塊状に定義されている。 For example, as a composite material, molecular simulation of a silica-containing rubber in which silica is added as a filler in a matrix rubber may be performed. In this case, for example, a composite material model a as visualized in FIG. 12 is defined in the computer. The composite material model a includes a polymer model b for expressing the matrix rubber and a filler model c for expressing the filler. The polymer model b is defined by connecting a finite number of polymer particle models b1 in a string form with a chain model b2 so as to represent a molecular chain of rubber. The filler model c is defined as a lump by connecting a finite number of filler particle models c1 with a chain model c2 so as to represent spherical filler particles.
複合材料モデルaは、さらに、フィラーモデルcの表面に位置する少なくとも一つのフィラー粒子モデルc1と、高分子モデルbの一つの高分子粒子モデルb1とを結合するボンドdが定義されている。ボンドdは、両モデルの相対距離等を拘束するもので、例えば、実際の複合材料において、フィラーの表面とマトリックスゴムとを結合させるカップリング剤に相当している。このようなボンドdは、ゴムとシリカとの結合度合いに影響を与えるものであり、その配置や数は複合材料の物性の解析に重要な影響を与える。 The composite material model a further defines a bond d that connects at least one filler particle model c1 located on the surface of the filler model c and one polymer particle model b1 of the polymer model b. The bond d constrains the relative distance between the two models, and corresponds to, for example, a coupling agent that bonds the filler surface and the matrix rubber in an actual composite material. Such a bond d affects the degree of bonding between rubber and silica, and the arrangement and number thereof have an important influence on the analysis of the physical properties of the composite material.
上述のボンドdを定義する場合、先ず、フィラーモデルcの表面に位置しているフィラー粒子モデルc1を特定しなければならない。しかしながら、フィラー粒子モデルc1は3次元に配置されており、かつ、その数も非常に多いため、どれが表面に位置しているのか、コンピュータで特定することは難しい。 When defining the above-mentioned bond d, first, the filler particle model c1 located on the surface of the filler model c must be specified. However, since the filler particle model c1 is arranged three-dimensionally and the number thereof is very large, it is difficult to specify which one is located on the surface by a computer.
従来、フィラーモデルを球体で定義し、それに内接する正多面体の頂点に位置するフィラー粒子モデルにボンドを定義することが考えられていた(関連技術1)。しかしながら、この方法では、ボンドの数が、正多面体の頂点の数に制限されてしまい、任意の数のボンドを定義することができないという問題があった。また、フィラーモデルは、球体で定義されなければならず、汎用性に欠けるという問題もあった。 Conventionally, it has been considered that a filler model is defined as a sphere and a bond is defined in a filler particle model positioned at the apex of a regular polyhedron inscribed therein (Related Art 1). However, this method has a problem that the number of bonds is limited to the number of vertices of the regular polyhedron, and an arbitrary number of bonds cannot be defined. Further, the filler model has to be defined by a sphere, and there is a problem that it lacks versatility.
他の方法として、予め定められた所定の距離Rの範囲内にあるフィラー粒子モデルc1と高分子粒子モデルb1とを逐次又は擬似乱数等を用いて、ボンドで結合するという方法も考えられている(関連技術2)。しかしながら、この方法では、ボンドが特定の位置に偏って配置されることがあるという問題があった。 As another method, a method in which a filler particle model c1 and a polymer particle model b1 within a predetermined distance R in a predetermined range are combined with each other sequentially or using a pseudo-random number is also considered. (Related technology 2). However, this method has a problem in that the bond may be biased to a specific position.
本発明は、以上のような実情に鑑み案出なされたもので、フィラーモデルの表面に位置しているフィラー粒子モデルを容易に特定し、能率的に複合材料のシミュレーションモデルを作成しうる方法を提供することを目的としている。 The present invention has been devised in view of the above circumstances, and a method for easily identifying a filler particle model located on the surface of a filler model and efficiently creating a simulation model of a composite material. It is intended to provide.
本発明は、高分子材料中にフィラーが分散配置された複合材料のシミュレーションモデルを、コンピュータを用いて作成するための方法であって、前記コンピュータに、前記高分子材料を有限個の高分子粒子モデルで離散化した紐状の高分子モデルと、前記フィラーを有限個のフィラー粒子モデルで離散化した塊状のフィラーモデルとが任意の3次元空間上に配置された第1シミュレーションモデルを設定する第1工程と、前記コンピュータが、前記第1シミュレーションモデルの前記フィラーモデルの表面に位置する少なくとも一つのフィラー粒子モデルと、このフィラー粒子モデルの近くに位置する前記高分子粒子モデルとの間に、両粒子モデルを結合するためのボンドを定義して第2シミュレーションモデルを設定する第2工程とを含み、前記第2工程は、前記3次元空間を、前記高分子粒子モデルの一つを含む第1多面体と、前記フィラー粒子モデルの一つを含む第2多面体とを用いて複数の領域に分割する分割工程と、前記3次元空間で互いに隣接している前記第1多面体と前記第2多面体とのペアの中の少なくとも一つのペアに含まれる前記高分子粒子モデルと前記フィラー粒子モデルとの間に前記ボンドを定義する結合工程とを含むことを特徴とする。 The present invention is a method for creating, using a computer, a simulation model of a composite material in which fillers are dispersed in a polymer material. A first simulation model in which a string-like polymer model discretized by a model and a massive filler model discretized by a finite number of filler particle models are arranged in an arbitrary three-dimensional space is set. Between the at least one filler particle model located on the surface of the filler model of the first simulation model and the polymer particle model located near the filler particle model. A second step of defining a bond for connecting the particle model and setting a second simulation model. The second step divides the three-dimensional space into a plurality of regions using a first polyhedron including one of the polymer particle models and a second polyhedron including one of the filler particle models. Between the polymer particle model and the filler particle model included in at least one of a pairing step and a pair of the first polyhedron and the second polyhedron that are adjacent to each other in the three-dimensional space And a bonding step for defining the bond.
本発明にかかる複合材料のシミュレーションモデルの作成方法において、前記第1多面体及び前記第2多面体は、ボロノイ分割された多面体であるのが望ましい。 In the composite material simulation model creation method according to the present invention, the first polyhedron and the second polyhedron are preferably Voronoi-divided polyhedrons.
本発明にかかる複合材料のシミュレーションモデルの作成方法において、前記結合工程は、前記第1多面体と接触している第2多面体に属する全てのフィラー粒子モデルを抽出する抽出工程と、前記抽出されたフィラー粒子モデルの中から少なくとも一つのフィラー粒子モデルを決定する決定工程と、前記決定されたフィラー粒子モデルと、このフィラー粒子モデルの最も近くに位置する前記高分子粒子モデルとの間に前記ボンドを定義するボンド定義工程とを含むことができる。 In the method for creating a simulation model of a composite material according to the present invention, the combining step includes an extraction step of extracting all filler particle models belonging to the second polyhedron in contact with the first polyhedron, and the extracted filler Defining a bond between a determination step of determining at least one filler particle model from among the particle models, the determined filler particle model, and the polymer particle model located closest to the filler particle model; And a bond definition step.
本発明にかかる複合材料のシミュレーションモデルの作成方法において、前記決定工程と前記ボンド定義工程とは、前記ボンドが予め定められた上限の数に至るまで繰り返して行われることが望ましい。 In the method for creating a simulation model of a composite material according to the present invention, it is preferable that the determination step and the bond definition step are repeatedly performed until the number of bonds reaches a predetermined upper limit.
本発明にかかる複合材料のシミュレーションモデルの作成方法において、前記決定工程は、既に決定されたフィラー粒子モデルとの距離が予め定めた値を下回らないように、次のフィラー粒子モデルを決定することが望ましい。 In the method for creating a simulation model of a composite material according to the present invention, the determining step may determine the next filler particle model so that the distance from the filler particle model that has already been determined does not fall below a predetermined value. desirable.
本発明の第1工程では、コンピュータ上に、第1シミュレーションモデルが設定される。第1シミュレーションモデルは、コンピュータでの数値計算のために、仮想的な3次元空間上に定義されたもので、高分子材料を有限個の高分子粒子モデルで離散化した紐状の高分子モデルと、フィラーを有限個のフィラー粒子モデルで離散化した塊状にフィラーモデルとが前記空間上に配置されたものである。 In the first step of the present invention, a first simulation model is set on a computer. The first simulation model is defined in a virtual three-dimensional space for numerical calculation by a computer. A string-like polymer model obtained by discretizing a polymer material with a finite number of polymer particle models. The filler model is arranged in the space in a lump shape obtained by discretizing the filler with a finite number of filler particle models.
本発明の第2工程では、コンピュータが、第2シミュレーションモデルを設定する。第2シミュレーションモデルは、第1シミュレーションモデルのフィラーモデルの表面に位置する少なくとも一つのフィラー粒子モデルと、このフィラー粒子モデルの近くに位置する高分子粒子モデルとの間に、両粒子モデルを結合するためのボンドが定義されたものである。 In the second step of the present invention, the computer sets a second simulation model. The second simulation model combines both particle models between at least one filler particle model located on the surface of the filler model of the first simulation model and a polymer particle model located near the filler particle model. For this purpose, a bond is defined.
本発明の第2工程は、前記3次元空間を、多面体を用いて、複数の領域に分割する分割工程を含んでいる。多面体として、高分子粒子モデルの一つを含む第1多面体と、フィラー粒子モデルの一つを含む第2多面体とが用いられる。 The second step of the present invention includes a dividing step of dividing the three-dimensional space into a plurality of regions using a polyhedron. As the polyhedron, a first polyhedron including one of the polymer particle models and a second polyhedron including one of the filler particle models are used.
第2工程は、さらに、結合工程を含んでいる。結合工程では、前記3次元空間で互いに隣接している第1多面体と第2多面体とのペアの中の少なくとも一つのペアに含まれる高分子粒子モデルとフィラー粒子モデルとの間にボンドが定義される。 The second step further includes a combining step. In the bonding step, a bond is defined between the polymer particle model and the filler particle model included in at least one of the pair of the first polyhedron and the second polyhedron that are adjacent to each other in the three-dimensional space. The
以上のように、本発明では、フィラーモデルの表面に位置するフィラー粒子モデルは、第1多面体に接触している第2多面体に属するものとして、容易に特定され得る。従って、本発明の方法によれば、シミュレーションモデルの作成が能率化される。また、本発明の方法によれば、ボンドの定義や数などが任意に設定・変更可能なシミュレーションモデルを作成することができる。 As described above, in the present invention, the filler particle model located on the surface of the filler model can be easily specified as belonging to the second polyhedron in contact with the first polyhedron. Therefore, according to the method of the present invention, the creation of the simulation model is made efficient. Further, according to the method of the present invention, it is possible to create a simulation model in which the definition and number of bonds can be arbitrarily set and changed.
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づき説明する。
本発明は、高分子材料中にフィラーが分散配置された複合材料のシミュレーションモデルを、コンピュータを用いて作成するための方法である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The present invention is a method for creating, using a computer, a simulation model of a composite material in which fillers are dispersed in a polymer material.
本明細書において、「高分子材料」とは、少なくとも、樹脂、ゴム及びエラストマーを含む概念である。「フィラー」とは、マトリックスとしての高分子材料を補強するものであれば、特に限定されないが、例えば、少なくともカーボンブラック及びシリカ等を含む概念である。 In the present specification, the “polymer material” is a concept including at least a resin, rubber, and elastomer. The “filler” is not particularly limited as long as it reinforces the polymer material as a matrix, but is a concept including at least carbon black, silica, and the like.
本明細書において、「シミュレーションモデル」とは、コンピュータの中に定義され、分子シミュレーションの数値計算に利用される「数値データ」である。この実施形態の中で、シミュレーションモデルが図として表現されている。これらは、シミュレーションモデルの数値データが、例えば、実際の分子構造等に模して図形に置き換えて視覚化されたものである。これらのシミュレーションモデルは、コンピュータに接続された表示装置等を通しても表示され得る。 In this specification, the “simulation model” is “numerical data” defined in a computer and used for numerical calculation of molecular simulation. In this embodiment, the simulation model is represented as a diagram. These are visualized by replacing numerical data of a simulation model with, for example, a figure imitating an actual molecular structure. These simulation models can also be displayed through a display device or the like connected to a computer.
図1には、本発明の処理手順の一実施形態が示されている。本実施形態では、先ず、第1工程が行われる(ステップS1)。第1工程では、図2に示されるように、コンピュータ(図書省略)に定義された仮想の3次元空間(x,y、z)上に、第1シミュレーションモデル2が定義される。第1シミュレーションモデル2は、3次元空間に、紐状の高分子モデル3と、塊状のフィラーモデル4とが配置されている。
FIG. 1 shows an embodiment of the processing procedure of the present invention. In the present embodiment, first, the first process is performed (step S1). In the first step, as shown in FIG. 2, a
図3には、第1工程のさらに具体的な処理手順の一例が示されている。本実施形態の第1工程では、先ず、高分子モデル3が設定される(ステップS11)。
FIG. 3 shows an example of a more specific processing procedure of the first step. In the first step of the present embodiment, first, the
図4には、高分子モデル3の一実施形態が視覚化されている。本実施形態の高分子モデル3は、複数の高分子粒子モデル3aと、これらの高分子粒子モデル3a、3a間を接続している鎖モデル3bとから構成された直鎖状の三次元構造を有している。
In FIG. 4, one embodiment of the
各高分子粒子モデル3aは、高分子材料の原子又はその集合体を表すことができる。高分子粒子モデル3aは、本実施形態のような粗視化粒子モデル、又は、全ての原子をそれぞれ粒子モデルとして捉えるいわゆる "Full Atom model"のいずれで離散化されても良い。
Each
高分子粒子モデル3aは、例えば、分子動力学に基づいた分子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。従って、各高分子粒子モデル3aには、その質量、体積、直径、電荷及び/又は初期座標などのパラメータが与えられる。これらの各パラメータは、数値情報としてコンピュータに入力される。
The
鎖モデル3bは、高分子粒子モデル3a、3aの相対位置を特定している。また、鎖モデル3bは、解析対象となる高分子材料の物性等に基いて、外力又は内力によって、高分子粒子モデル3a、3b間の結合長、結合角又は二面角が変化しうるように高分子モデル3を拘束している。鎖モデル3bは、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。
The
さらに、分子動力学計算を行うために、高分子粒子モデル3a、3a間には、ポテンシャル関数が定義される。
Furthermore, in order to perform molecular dynamics calculation, a potential function is defined between the
次に、図3に示したように、第1工程では、フィラーモデル4が設定される(ステップS12)。
Next, as shown in FIG. 3, in the first step, the
図5には、フィラーモデル4の一実施形態が視覚化されている。本実施形態のフィラーモデル4は、複数のフィラー粒子モデル4aと、これらのフィラー粒子モデル4a、4a間を接続している鎖モデル4bとから構成された多層かつ球状の三次元構造を有している。
In FIG. 5, one embodiment of the
各フィラー粒子モデル4aは、複合材料のフィラーの原子の集合体を表している。フィラー粒子モデル4aは、本実施形態のような粗視化粒子モデルの他、全ての原子をそれぞれ粒子モデルとして捉えるいわゆる "Full Atom model"のいずれで離散化されても良い。
Each
フィラー粒子モデル4aも、分子動力学に基づいた分子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。従って、各フィラー粒子モデル4aには、その質量、体積、直径、電荷及び/又は初期座標などのパラメータが与えられる。これらの各パラメータは、数値情報としてコンピュータに入力される。
The
鎖モデル4bについての、高分子モデル3で説明された鎖モデル3bと同様、フィラー粒子モデル4a、4aの相対位置を特定している。また、鎖モデル4bは、外力又は内力によって、解析対象となるフィラーの物性等に基いて、フィラー粒子モデル4a、4b間の結合長、結合角又は二面角が変化しうるようにフィラーモデル4を拘束している。鎖モデル4bは、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。さらに、分子動力学計算を行うために、フィラー粒子モデル4a、4a間にも、ポテンシャル関数が定義される。
As with the
次に、図3に示したように、第1工程では、高分子モデル3とフィラーモデル4とを用いて分子動力学計算が行われる(ステップS13)。
Next, as shown in FIG. 3, in the first step, molecular dynamics calculation is performed using the
分子動力学計算では、図2に示したように、予め定められた体積を持った3次元空間(「セル」とも呼ばれる)の中に、先に定義された高分子モデル3及びフィラーモデル4がランダムに初期配置される。また、分子動力学計算では、例えば、所定の時間の中で、配置した全てのモデル3及び4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。各時刻における全ての高分子粒子モデル3a及びフィラー粒子モデル4aの動きが追跡される。これにより、各モデル3及び4は、人為的な初期配置から徐々に平衡状態へと変化することができる。
In the molecular dynamics calculation, as shown in FIG. 2, the previously defined
次に、図3に示したように、第1工程では、分子動力学によって、高分子モデル3及びフィラーモデル4が十分に緩和したか否かが判定される(ステップS14)。本実施形態の分子動力学計算では、コンピュータが一定の繰り返しステップ数を終えた時点で、構造緩和がなされたとみなしている。
Next, as shown in FIG. 3, in the first step, it is determined by molecular dynamics whether or not the
次に、高分子モデル3及びフィラーモデル4が十分に緩和した場合(ステップS14でY)、この状態の高分子モデル3及びフィラーモデル4の位置情報等を全てコンピュータに記憶する。これにより、コンピュータに、第1シミュレーションモデル2が定義される(ステップS15)。
Next, when the
次に、図1に戻って、本実施形態では、第2工程が行われる(ステップS2)。第2工程では、図2に示した第1シミュレーションモデル2において、フィラーモデル4の表面に位置する少なくとも一つのフィラー粒子モデル4aと、このフィラー粒子モデル4aの近くに位置する高分子粒子モデル3aとの間に、両粒子モデル4a、3aを結合するためのボンドを定義するものである(ボンドについては、図2には示されていない。)。
Next, returning to FIG. 1, in the present embodiment, the second step is performed (step S2). In the second step, in the
図6には、第2工程の詳細な処理手順の一例が示されている。図6に示されるように、第2工程では、先ず、分割工程が行われる(ステップS21)。分割工程では、コンピュータにより、第1シミュレーションモデル2の3次元空間が、第1多面体と第2多面体とを用いて複数の領域に分割される。
FIG. 6 shows an example of a detailed processing procedure of the second step. As shown in FIG. 6, in the second step, first, a division step is performed (step S21). In the dividing step, the computer divides the three-dimensional space of the
図7には、上記分割工程を説明するための第1シミュレーションモデル2の平面図が示されている。図7では、高分子モデル3の鎖モデル3b、及び、フィラーモデル4の鎖モデル4bは、それぞれ、省略されている。高分子粒子モデル3aは白丸で、フィラー粒子モデル4aは黒丸でそれぞれ示されている。
FIG. 7 shows a plan view of the
第1多面体5は、高分子粒子モデル3aの一つのみを含む多面体である。第2多面体6は、フィラー粒子モデル4aの一つのみを含む多面体である。分割工程では、第1シミュレーションモデル2の空間が、第1多面体5及び第2多面体6のみをを用いて分割される。このような多面体5、6を得る方法として、本実施形態では、ボロノイ分割(ティーセン分割)が採用されている。ボロノイ分割は、ある3次元の空間に複数個の母点(粒子モデルに相当)が定義されいる場合、それぞれの母点に最も近い領域によって空間を分割する手法である。即ち、隣り合う母点間を結ぶ直線を二等分する平面を定義しながら、各母点の最近隣領域を分割する手法である。互いに接触している多面体間を区画するのがボロノイ境界である。分割工程により、各多面体5、6の位置情報が全てコンピュータに記憶され得る。
The
次に、図6に示されるように、抽出工程が行われる(ステップS22)。抽出工程では、第1多面体5と接触している第2多面体6に属する全てのフィラー粒子モデル4aが抽出される。図8には、抽出工程を視覚的に説明するために、第1多面体5と接触している第2多面体6が薄く着色された第1シミュレーションモデル2が示されている。抽出工程では、図8で着色されたように、第1多面体5とボロノイ境界で接触している第2多面体6に属する全てのフィラー粒子モデル4aが、例えば、コンピュータに記憶される。
Next, as shown in FIG. 6, an extraction process is performed (step S22). In the extraction step, all
このように、本実施形態によれば、フィラーモデル4の表面に位置するフィラー粒子モデル4aは、第1多面体5に接触している第2多面体6に属するものとして、容易に特定される。
Thus, according to the present embodiment, the
次に、図6に示されるように、決定工程が行われる(ステップS23)。決定工程は、抽出工程で抽出されたフィラー粒子モデル4aの中から一つのフィラー粒子モデル4aが決定される。本実施形態では、抽出されたフィラー粒子モデル4aの中からランダムに一つのフィラー粒子モデル4aが抽出される。
Next, as shown in FIG. 6, a determination process is performed (step S23). In the determination step, one
次に、本実施形態では、決定されたフィラー粒子モデル4aと先に決定されたフィラー粒子モデル4aとの距離が、予め定められた距離Rmin以上であるか否かが判定される(ステップS24)。フィラー粒子モデル4aが先に決定されていない場合、このステップS23は肯定的なものとなる。このステップについては、後で説明される。
Next, in the present embodiment, it is determined whether or not the distance between the determined
次に、本実施形態では、ボンド定義工程が行われる(ステップS25)。ボンド定義工程は、決定されたフィラー粒子モデル4aと、このフィラー粒子モデル4aの最も近くに位置する高分子粒子モデル3aとの間にボンド7を定義するものである。図9には、このようなボンド定義工程が行われた第2シミュレーションモデル10が視覚化されている。ボンド7は、2つの粒子モデル3a、4aをつなぐ腕のように視覚化されている。ボンド7は、ポテンシャル関数を使用して、一定距離の範囲に、2つの粒子モデル3a、4aの相対位置を拘束するもので、コンピュータに記憶される数値情報である。図9では、3つのボンド7が示されている。
Next, in this embodiment, a bond definition process is performed (step S25). In the bond definition step, a
次に、本実施形態では、コンピュータにより、定義されたボンド7の数が予め定められた数(上限)に達したか否かが判断される(ステップS26)。ボンド数が上限に達している場合(ステップS26でY)、コンピュータは、現在の高分子モデル3、フィラーモデル4おヨボボンド7の配置を第2シミュレーションモデル10として記憶する(ステップS27)。
Next, in the present embodiment, the computer determines whether or not the number of defined
一方、コンピュータは、ボンド数が上限に達していないと判断した場合(ステップS26でN)、決定工程(ステップS23)以降を繰り返して処理する。これにより、決定工程(ステップS23)とボンド定義工程(S25)とは、ボンド7が予め定められた上限の数に至るまで繰り返して行われる。
On the other hand, if the computer determines that the number of bonds has not reached the upper limit (N in step S26), the computer repeats the determination process (step S23) and subsequent steps. Thereby, the determination process (step S23) and the bond definition process (S25) are repeatedly performed until the number of
また、2ループ目以降の場合、ステップS24において、決定されたフィラー粒子モデル4aと、先に決定されたフィラー粒子モデル4aとの距離が、予め定められた距離Rmin以上であるか否かが判定される。決定されたフィラー粒子モデル4aと、先に決定されたフィラー粒子モデル4aとの距離が、予め定められた距離Rmin未満の場合には、決定されたフィラー粒子モデル4Aがキャンセルされ(ステップS28)、新たに決定工程が行われる。
In the second and subsequent loops, in step S24, it is determined whether or not the distance between the determined
このようなステップを含ませることにより、決定工程では、既に決定されたフィラー粒子モデル4aとの距離が予め定めた値を下回らないように、次のフィラー粒子モデル4aを決定することができる。これは、シミュレーションモデルにボンド7を定義する場合、ボンド7が特定箇所に偏って配置されるのを防ぐことができる。
By including such a step, in the determination step, the next
以上のような処理を経て、例えば、図9に示されるような第2シミュレーションモデル10が作成される。そして、この第2シミュレーションモデル10を用いて、各種の物性を解析することができる。本実施形態の方法によれば、第2シミュレーションモデル10が能率的に作成される。また、本実施形態の方法によれば、ボンドの定義や数などが任意に設定・変更可能なシミュレーションモデルを作成することができる。
Through the above processing, for example, the
図10(A)、(B)には、同一条件の第1シミュレーションモデル2から、フィラーモデル4の表面に位置するフィラー粒子モデルの特定を行った結果を示している。図10(A)のものは、上記実施形態に従って得られた結果である。フィラーモデル4において、白丸で視覚化されている粒子が、フィラーモデル4の表面に位置するものとして、抽出工程で抽出されたフィラー粒子モデルであり、1292個が抽出された。
10A and 10B show the result of specifying the filler particle model located on the surface of the
一方、図10(B)のものは、背景技術の欄で説明した関連技術2に従って得られた結果である。図10(A)と同様、フィラーモデル4において、白丸で視覚化されている粒子が、フィラーモデル4の表面に位置するものとして、抽出されたフィラー粒子モデルである。図10(B)では、抽出されたフィラー粒子モデルの数は391個であり、明らかに本実施形態のものに比べて、少ない。この数は、粒子間の距離Rを種々変えていくことである程度増加させることができるが、数多くの試行錯誤が必要になる。
On the other hand, the result of FIG. 10B is the result obtained according to the
図11(A)、(B)は、それぞれ、図10(A)、(B)の第1シミュレーションモデルに基いて、上限を100として、ボンドを定義した結果が示されている。図11(A)のものは、上記実施形態に従って得られた結果である。フィラーモデル4において、黒丸で視覚化されているフィラー粒子モデル4が高分子粒子モデル(図示省略)とボンドで結合されたものを示している(距離Rminは、2.5に設定した。この長さは、分子シミュレーションにおいて広く用いられている粒子間相互作用ポテンシャル関数の一つであるレナードジョーンズポテンシャルのパラメータσで無次元化されている)。フィラーモデルの表面の粒子が広範囲に抽出されているため、ボンド定義時の自由度が増し、均等にバランスよくボンドが定義されていることが確認できる。
FIGS. 11A and 11B show the results of defining a bond with the upper limit being 100 based on the first simulation model of FIGS. 10A and 10B, respectively. FIG. 11A shows the result obtained according to the above embodiment. In the
一方、図11(B)のものは、背景技術の欄で説明した関連技術2に従って得られた結果である。ボンドが偏って定義されていることが明らかである。
On the other hand, the result of FIG. 11B is a result obtained in accordance with
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は、種々の態様に変更して実施され得る。例えば、第1シミュレーションモデルを得るために、上記実施形態では、分子動力学法が採用されているが、例えば、モンテカルロ法又は分子力学計算が採用されても良い。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be implemented with various modifications. For example, in order to obtain a 1st simulation model, although the molecular dynamics method is employ | adopted in the said embodiment, for example, a Monte Carlo method or molecular dynamics calculation may be employ | adopted.
2 第1シミュレーションモデル
3 高分子モデル
3a 高分子粒子モデル
3b 鎖モデル
4a フィラー粒子モデル
4b 鎖モデル
5 第1多面体
6 第2多面体
7 ボンド
10 第2シミュレーションモデル
2
Claims (5)
前記コンピュータに、前記高分子材料を有限個の高分子粒子モデルで離散化した紐状の高分子モデルと、前記フィラーを有限個のフィラー粒子モデルで離散化した塊状のフィラーモデルとが任意の3次元空間上に配置された第1シミュレーションモデルを設定する第1工程と、
前記コンピュータが、前記第1シミュレーションモデルの前記フィラーモデルの表面に位置する少なくとも一つのフィラー粒子モデルと、このフィラー粒子モデルの近くに位置する前記高分子粒子モデルとの間に、両粒子モデルを結合するためのボンドを定義して第2シミュレーションモデルを設定する第2工程とを含み、
前記第2工程は、
前記3次元空間を、前記高分子粒子モデルの一つを含む第1多面体と、前記フィラー粒子モデルの一つを含む第2多面体とを用いて複数の領域に分割する分割工程と、
前記3次元空間で互いに隣接している前記第1多面体と前記第2多面体とのペアの中の少なくとも一つのペアに含まれる前記高分子粒子モデルと前記フィラー粒子モデルとの間に前記ボンドを定義する結合工程とを含むことを特徴とする複合材料のシミュレーションモデルの作成方法。 A method for creating a simulation model of a composite material in which fillers are dispersed in a polymer material using a computer,
The computer may include any three of a string-like polymer model obtained by discretizing the polymer material with a finite number of polymer particle models and a bulk filler model obtained by discretizing the filler with a finite number of filler particle models. A first step of setting a first simulation model arranged in a dimensional space;
The computer couples both particle models between at least one filler particle model located on a surface of the filler model of the first simulation model and the polymer particle model located near the filler particle model. A second step of defining a bond to set and setting a second simulation model,
The second step includes
A dividing step of dividing the three-dimensional space into a plurality of regions using a first polyhedron including one of the polymer particle models and a second polyhedron including one of the filler particle models;
The bond is defined between the polymer particle model and the filler particle model included in at least one pair of the first polyhedron and the second polyhedron that are adjacent to each other in the three-dimensional space. A method for creating a simulation model of a composite material, comprising:
前記抽出されたフィラー粒子モデルの中から少なくとも一つのフィラー粒子モデルを決定する決定工程と、
前記決定されたフィラー粒子モデルと、このフィラー粒子モデルの最も近くに位置する前記高分子粒子モデルとの間に前記ボンドを定義するボンド定義工程とを含む請求項1又は2記載の複合材料のシミュレーションモデルの作成方法。 The combining step is an extraction step of extracting all filler particle models belonging to the second polyhedron in contact with the first polyhedron;
A determining step of determining at least one filler particle model from the extracted filler particle models;
The composite material simulation according to claim 1, further comprising a bond definition step of defining the bond between the determined filler particle model and the polymer particle model located closest to the filler particle model. How to create a model.
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