JP2016024177A - Method for creating model for specific substance analysis, computer program for creating model for specific substance analysis, method for simulating specific substance and computer program for simulating specific substance - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for creating a model for specific substance analysis, a computer program for creating a model for specific substance analysis, a method for simulating a specific substance and a computer program for simulating a specific substance each of which enables a model for arbitrary shape analysis to be created and influence of the shape of the specific substance on material characteristics to be accurately analyzed.SOLUTION: The method for creating a model for specific substance analysis includes: a first step ST1 of setting a modeling region; a second step ST2 of setting a particle arrangement region which includes the whole of the modeling region and in which particles are arranged in the modeling region; a third step ST3 of arranging particles in the particle arrangement region at a specific density; and a fourth step ST4 of creating a specific substance model by linking the particles to each other, the particles being arranged in the modeling region in the particle arrangement region.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、特定物質のシミュレーション方法及び特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムに関し、特に、特定物質の形状が材料特性に与える影響を解析できる特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、特定物質のシミュレーション方法及び特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムに関する。   The present invention relates to a method for creating a model for analyzing a specific substance, a computer program for creating a model for analyzing a specific substance, a simulation method for a specific substance, and a computer program for simulating a specific substance. The present invention relates to a method for creating a model for analyzing a specific substance that can analyze the effects on the computer, a computer program for creating a model for analyzing a specific substance, a simulation method for a specific substance, and a computer program for simulating a specific substance.

従来、自動車用タイヤなどに用いられる変性ポリマーとフィラーとを含む高分子材料のモデルの作成方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。このモデルの作成方法では、変性ポリマーとフィラーとの間の相互作用を他の粒子間の相互作用より大きくして変性ポリマーとフィラーとを高分子材料中に分散させる。そして、変性ポリマーとフィラーとの間の相互作用を他の粒子間の相互作用より小さくして変性ポリマーの末端とフィラーとを反応させて高分子材料の解析用モデルを作成する。   Conventionally, a method for creating a model of a polymer material including a modified polymer and a filler used for automobile tires has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this model creation method, the interaction between the modified polymer and the filler is made larger than the interaction between other particles, and the modified polymer and the filler are dispersed in the polymer material. Then, the interaction between the modified polymer and the filler is made smaller than the interaction between other particles, and the terminal of the modified polymer and the filler are reacted to create a model for analyzing the polymer material.

特開2012−177609号公報JP 2012-177609 A

ところで、ポリマー及びカーボンブラックをフィラーとして含むゴム材料においては、ゴム中でカーボンブラックが凝集し、ゴムコンパウンドの材料特性に大きな影響を与える複雑な形状を有するフィラー構造体が形成される場合がある。このようなフィラー構造体が形成されたゴム材料の材料特性の形状を正確に解析するためには、フィラー構造体の形状に対応したフィラーモデルを作成する必要がある。しかしながら、従来の解析用モデルの作成方法では、複雑な形状のフィラーモデルを作成することは難しく、複合材料の材料特性を必ずしも十分に解析できない場合があった。   By the way, in a rubber material containing a polymer and carbon black as a filler, the carbon black aggregates in the rubber, and a filler structure having a complicated shape that greatly affects the material properties of the rubber compound may be formed. In order to accurately analyze the shape of the material characteristics of the rubber material on which such a filler structure is formed, it is necessary to create a filler model corresponding to the shape of the filler structure. However, with the conventional method for creating an analysis model, it is difficult to create a filler model having a complicated shape, and the material characteristics of the composite material may not always be sufficiently analyzed.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、任意形状の解析用モデルを作成でき、特定物質の形状が材料特性に与える影響を正確に解析可能な特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、特定物質のシミュレーション方法及び特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an analysis model of a specific substance that can create an analysis model of an arbitrary shape and can accurately analyze the influence of the shape of the specific substance on material properties is provided. It is an object to provide a creation method, a computer program for creating a model for analyzing a specific substance, a simulation method for a specific substance, and a computer program for simulation of a specific substance.

本発明の特定物質の解析用モデルの作成方法は、コンピュータを用いて分子動力学法により特定物質の形状が材料特性に与える影響を解析するためのモデルを作成する特定物質の解析用モデルの作成方法であって、前記特定物質をモデル化するモデル化領域を設定する第1ステップと、前記モデル化領域の全体を含む領域であって、当該領域内に原子及び当該原子の集合体を含む粒子を配置する粒子配置領域を設定する第2ステップと、前記粒子配置領域内に指定密度で前記粒子を配置する第3ステップと、前記粒子配置領域内における前記モデル化領域内に配置された前記粒子を相互に結合させて前記特定物質のモデルを作成する第4ステップとを含むことを特徴とする、特定物質の解析用モデルの作成方法。   The method for creating a model for analyzing a specific substance of the present invention is a method for creating a model for analyzing a specific substance by using a computer to create a model for analyzing the influence of the shape of the specific substance on material properties by molecular dynamics. A method comprising: a first step of setting a modeling region for modeling the specific substance; and a region including the entire modeling region, the particle including an atom and an aggregate of the atoms in the region A second step of setting a particle arrangement region for arranging particles, a third step of arranging the particles at a specified density in the particle arrangement region, and the particles arranged in the modeling region in the particle arrangement region And a fourth step of creating a model of the specific substance by combining them with each other.

この特定物質の解析用モデルの作成方法によれば、解析対象となる特定物質の形状に応じて任意形状のモデル化領域を指定するので、フィラーなどの複雑な形状を有する特定物質の解析用モデルを正確に作成することが可能となる。これにより、任意形状の解析用モデルを作成できるので、特定物質の材料特性を正確に解析可能な特定物質の解析用モデルの作成方法を実現することが可能となる。しかも、粒子配置領域内における作成する特定物質の形状に対応したモデル化領域内に配置した粒子を結合させるので、計算領域の全域に粒子を配置する場合と比較して結合させる粒子数を削減することが可能となり、複雑な形状の特定物質の解析用モデルを作成することが可能となる。   According to this method for creating an analysis model for a specific substance, a modeling area of an arbitrary shape is designated according to the shape of the specific substance to be analyzed, so an analysis model for a specific substance having a complicated shape such as a filler Can be created accurately. As a result, an analysis model having an arbitrary shape can be created, so that a method for creating a model for analyzing a specific substance that can accurately analyze the material characteristics of the specific substance can be realized. In addition, since the particles arranged in the modeling region corresponding to the shape of the specific substance to be created in the particle arrangement region are combined, the number of particles to be combined is reduced compared to the case where particles are arranged in the entire calculation region. Therefore, it becomes possible to create a model for analyzing a specific substance having a complicated shape.

本発明の特定物質の解析用モデルの作成方法においては、前記第3ステップにおいて、前記モデル化領域内に配置した前記粒子間の粒子間距離が予め定めた所定範囲の距離以下の場合に、前記粒子間に相互作用が生じるポテンシャルが定義されてなることが好ましい。前記第3ステップにおいて、前記粒子配置領域内に配置した前記粒子間の粒子間距離が予め定めた所定範囲の距離以下の場合に、前記粒子間に相互作用が生じるポテンシャルが定義されてなることが好ましい。この方法により、特定物質の粒子間に斥力などを作用させることが可能となるので、粒子の分散状態を変化させることができ、より少ない粒子数で解析用モデルを作成でき、計算効率が向上する。   In the method for creating a model for analyzing a specific substance of the present invention, in the third step, when the interparticle distance between the particles arranged in the modeling region is equal to or less than a predetermined range distance, It is preferable to define a potential at which an interaction occurs between particles. In the third step, when the inter-particle distance between the particles arranged in the particle arrangement region is equal to or less than a predetermined range, a potential for causing an interaction between the particles may be defined. preferable. This method makes it possible to apply repulsive force between particles of a specific substance, so that the dispersion state of particles can be changed, an analysis model can be created with a smaller number of particles, and calculation efficiency is improved. .

本発明の特定物質の解析用モデルの作成方法においては、前記第4ステップにおいて、前記粒子配置領域内の外縁部の前記粒子同士のみを相互に結合させることが好ましい。この方法により、解析用モデルの作成に要する粒子の結合点数を削減することができるので、演算処理に要する計算時間を短縮することが可能となる。   In the method for creating a model for analyzing a specific substance of the present invention, in the fourth step, it is preferable that only the particles at the outer edge in the particle arrangement region are coupled to each other. This method can reduce the number of particle bonding points required to create the analysis model, and thus can reduce the calculation time required for the arithmetic processing.

本発明の特定物質の解析用モデルの作成方法においては、前記特定物質が、フィラーであることが好ましい。この方法により、複雑な形状のフィラーモデルを任意に作成することができるので、高分子材料におけるフィラーモデルの形状が材料特性に与える影響を正確に評価することが可能となる。   In the method for creating a model for analyzing a specific substance of the present invention, the specific substance is preferably a filler. By this method, a filler model having a complicated shape can be arbitrarily created. Therefore, it is possible to accurately evaluate the influence of the shape of the filler model in the polymer material on the material characteristics.

本発明の特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラムは、上記特定物質の解析用モデルの作成方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。   A computer program for creating a model for analyzing a specific substance according to the present invention causes a computer to execute the method for creating a model for analyzing a specific substance.

この特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラムによれば、解析対象となる特定物質の形状に応じて任意形状のモデル化領域を指定するので、フィラーなどの複雑な形状を有する特定物質の解析用モデルを正確に作成させることが可能となる。これにより、任意形状の解析用モデルを作成できるので、特定物質の材料特性を正確に解析可能な特定物質の解析用モデルの作成方法を実現することが可能となる。しかも、粒子配置領域内における作成する特定物質の形状に対応したモデル化領域内に配置した粒子を結合させるので、計算領域の全域に粒子を配置する場合と比較して結合させる粒子数を削減することが可能となり、複雑な形状の特定物質の解析用モデルを作成させることが可能となる。   According to this computer program for creating a model for analysis of a specific substance, a modeling area of an arbitrary shape is specified according to the shape of the specific substance to be analyzed, so analysis of a specific substance having a complicated shape such as a filler It is possible to accurately create a model for use. As a result, an analysis model having an arbitrary shape can be created, so that a method for creating a model for analyzing a specific substance that can accurately analyze the material characteristics of the specific substance can be realized. In addition, since the particles arranged in the modeling region corresponding to the shape of the specific substance to be created in the particle arrangement region are combined, the number of particles to be combined is reduced compared to the case where particles are arranged in the entire calculation region. Therefore, it is possible to create a model for analysis of a specific substance having a complicated shape.

本発明の特定物質のシミュレーション方法は、上記特定物質の解析用モデルの作成方法で作成した特定物質の解析用モデルを、当該特定物質とは異なる他の特定物質の解析用モデル中に配置し、前記特定物質の解析用モデルと前記他の特定物質の解析用モデルとの間に相互作用を設定して分子動力学法を用いて緩和計算を実行することを特徴とする。   The specific substance simulation method of the present invention arranges the analysis model of the specific substance created by the above-mentioned method of creating the specific substance analysis model in an analysis model of another specific substance different from the specific substance, An interaction is set between the analysis model for the specific substance and the analysis model for the other specific substance, and relaxation calculation is executed using a molecular dynamics method.

この特定物質のシミュレーション方法によれば、任意に作成した複雑な形状の特定物質の解析用モデルを他の特定物質の解析用モデル中に配置するので、解析用モデルの挿入により生じた不安定構造を解消して平衡状態が得られ、特定物質の形状が他の特定物質に及ぼす影響を解析することが可能となる。   According to this specific substance simulation method, an arbitrarily created complex analysis model for specific substances is placed in the analysis model for other specific substances, so unstable structures generated by the insertion of analysis models It is possible to solve the above and obtain an equilibrium state and analyze the influence of the shape of the specific substance on other specific substances.

本発明の特定物質のシミュレーション方法は、上記特定物質の解析用モデルの作成方法で作成した特定物質の解析用モデルを用いて変形解析を実行することを特徴とする。   The specific substance simulation method of the present invention is characterized in that the deformation analysis is performed using the specific substance analysis model created by the above specific substance analysis model creation method.

この特定物質のシミュレーション方法によれば、任意に作成した複雑な形状の特定物質の解析用モデルを用いて変形解析を実行するので、特定物質の形状が材料特性に及ぼす影響を解析することが可能となり、コンパウンドの力学特性を得ることが可能となる。   According to this specific substance simulation method, deformation analysis is executed using an arbitrarily created analysis model for specific substances with complex shapes, so it is possible to analyze the effect of the shape of specific substances on material properties Thus, the mechanical properties of the compound can be obtained.

本発明の特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムは、上記特定物質のシミュレーション方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。   The computer program for simulation of a specific substance of the present invention causes the computer to execute the simulation method for the specific substance.

この特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムによれば、任意に作成した複雑な形状の特定物質の解析用モデルを用いたシミュレーションを実行できるので、特定物質の形状が材料特性に及ぼす影響を解析することが可能となる。   According to this computer program for simulation of a specific substance, it is possible to execute a simulation using an arbitrarily created model for analyzing a specific substance of a complicated shape, so that it is possible to analyze the influence of the shape of a specific substance on material properties It becomes possible.

本発明によれば、任意形状の解析用モデルを作成でき、特定物質の形状が材料特性に与える影響を正確に解析可能な特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、特定物質のシミュレーション方法及び特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムを実現できる。   According to the present invention, an analysis model having an arbitrary shape can be created, and a method for creating an analysis model for a specific substance capable of accurately analyzing the influence of the shape of the specific substance on the material characteristics, creation of the analysis model for the specific substance Computer program, specific substance simulation method, and specific substance simulation computer program.

図1Aは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成される解析用モデルの一例を示す概念図である。FIG. 1A is a conceptual diagram showing an example of an analysis model created by the method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. 図1Bは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成される解析用モデルの他の例を示す概念図である。FIG. 1B is a conceptual diagram showing another example of an analysis model created by the method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. 図1Cは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成される解析用モデルの他の例を示す概念図である。FIG. 1C is a conceptual diagram showing another example of an analysis model created by the method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. 図2Aは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の説明図である。FIG. 2A is an explanatory diagram of a method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. 図2Bは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の説明図である。FIG. 2B is an explanatory diagram of a method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. 図2Cは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の説明図である。FIG. 2C is an explanatory diagram of a method for creating a specific substance analysis model according to the present embodiment. 図2Dは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の説明図である。FIG. 2D is an explanatory diagram of a method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. 図3は、本実施の形態に係るフィラー粒子の結合の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of the bonding of filler particles according to the present embodiment. 図4は、本実施の形態に係るフィラー粒子の結合の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of the bonding of filler particles according to the present embodiment. 図5Aは、本実施の形態に係るシミュレーション方法の説明図である。FIG. 5A is an explanatory diagram of the simulation method according to the present embodiment. 図5Bは、本実施の形態に係るシミュレーション方法の説明図である。FIG. 5B is an explanatory diagram of the simulation method according to the present embodiment. 図5Cは、本実施の形態に係るシミュレーション方法の説明図である。FIG. 5C is an explanatory diagram of the simulation method according to the present embodiment. 図6は、本発明の実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法及び特定物質のシミュレーション方法を実行する解析装置の機能ブロック図である。FIG. 6 is a functional block diagram of an analysis apparatus that executes a method for creating a model for analyzing a specific substance and a simulation method for the specific substance according to an embodiment of the present invention. 図7は、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の一例の概略を示すフロー図である。FIG. 7 is a flowchart showing an outline of an example of a method for creating a model for analyzing a specific substance according to the present embodiment.

以下、本発明の一実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, It can implement by changing suitably.

本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法は、コンピュータを用いて分子動力学法により特定物質の形状が材料特性に与える影響を解析するためのモデルを作成する特定物質の解析用モデルの作成方法である。この特定物質の解析用モデルの作成方法は、特定物質をモデル化するモデル化領域を設定する第1ステップと、モデル化領域の全体を含む領域であって、当該領域内に原子及び当該原子の集合体である粒子を配置する粒子配置領域を設定する第2ステップと、粒子配置領域内に指定密度で粒子を配置する第3ステップと、粒子配置領域内におけるモデル化領域内に配置された粒子を相互に結合させて特定物質のモデルを作成する第4ステップとを含む。まず、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の概要について説明する。本実施の形態では、解析対象となる特定物質が各種高分子材料などに添加されるフィラーである場合について説明するが、特定物質としてはフィラーに限定されない。   The method for creating a model for analyzing a specific substance according to this embodiment is a method for creating a model for analyzing the influence of the shape of a specific substance on material properties by molecular dynamics using a computer. This is a model creation method. This method for creating a model for analyzing a specific substance includes a first step of setting a modeling area for modeling a specific substance, an area including the entire modeling area, and an atom and an atom of the atom in the area. A second step of setting a particle arrangement region in which particles that are aggregates are arranged, a third step of arranging particles at a specified density in the particle arrangement region, and particles arranged in a modeling region in the particle arrangement region And a fourth step of creating a model of the specific substance by combining the two. First, an outline of a method for creating a model for analyzing a specific substance according to the present embodiment will be described. In this embodiment, the case where the specific substance to be analyzed is a filler added to various polymer materials and the like will be described, but the specific substance is not limited to the filler.

図1Aは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成されるフィラーモデル11(以下、「解析用モデル1」ともいう)の一例を示す概念図である。図1Aに示すように、本実施の形態に係るフィラーモデル11は、解析対象となるフィラーが一辺の長さが距離L1の略立方体状の仮想空間であるモデル化領域A1内でモデル化されたものである。   FIG. 1A is a conceptual diagram showing an example of a filler model 11 (hereinafter also referred to as “analysis model 1”) created by the method for creating a model for analysis of a specific substance according to the present embodiment. As shown in FIG. 1A, the filler model 11 according to the present embodiment is modeled in a modeling region A1 in which the filler to be analyzed is a substantially cubic virtual space with one side length L1. Is.

図1Bは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成される解析用モデルの他の例を示す概念図である。図1Bに示す解析用モデル2では、図1に示した解析用モデル1のフィラーモデル11に代えて計算領域A1に第1のフィラーモデル11Aと第2のフィラーモデル11Bとがフィラーモデル化されている。第1のフィラーモデル11A及び第2のフィラーモデル11Bは、複数のフィラー粒子11aがそれぞれ略球体に集合して構成される。また、第1のフィラーモデル11Aと第2のフィラーモデル11Bとは、相互に凝集して外縁部の一部が連結(共有)されている。   FIG. 1B is a conceptual diagram showing another example of an analysis model created by the method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. In the analysis model 2 shown in FIG. 1B, instead of the filler model 11 of the analysis model 1 shown in FIG. 1, the first filler model 11A and the second filler model 11B are converted into filler models in the calculation area A1. Yes. The first filler model 11A and the second filler model 11B are configured by a plurality of filler particles 11a gathering in a substantially spherical shape. Further, the first filler model 11A and the second filler model 11B are agglomerated with each other and a part of the outer edge portion is connected (shared).

図1Cは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成される解析用モデルの他の例を示す概念図である。図1Cに示す解析用モデル3では、図1に示した解析用モデル1のフィラーモデルに代えて計算領域A1内で第1のフィラーモデル11Aと第2のフィラーモデル11Bと第3のフィラーモデル11Cと第4のフィラーモデル11Dとがモデル化されている。第1のフィラーモデル11A、第2のフィラーモデル11B、第3のフィラーモデル11C及び第4のフィラーモデル11Dは、複数のフィラー粒子11aがそれぞれ略球状体に集合して構成される。第1のフィラーモデル11Aと第2のフィラーモデル11Bとの間は、相互に凝集して外縁部の一部が連結(共有)されている。第2のフィラーモデル11Bと第3のフィラーモデル11Cとの間は、相互に凝集して外縁部の一部が連結(共有)されている。第3のフィラーモデル11Cと第4のフィラーモデル11Dとの間は、相互に凝集して外縁部の一部が連結(共有)されている。第1のフィラーモデル11Aと第4のフィラーモデル11Dとの間は、相互に凝集して外縁部の一部が近接している。このように、本実施の形態によれば、2つの第1のフィラーモデル11A及び第2のフィラーモデル11Bが凝集した複雑な形状の解析用モデル2及び4つの第1のフィラーモデル11A、第2のフィラーモデル11B、第3のフィラーモデル11C、及び第4のフィラーモデル11Dが凝集した複雑な形状の解析用モデル3を作成することも可能である。   FIG. 1C is a conceptual diagram showing another example of an analysis model created by the method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. In the analysis model 3 shown in FIG. 1C, the first filler model 11A, the second filler model 11B, and the third filler model 11C are used in the calculation area A1 instead of the filler model of the analysis model 1 shown in FIG. And the fourth filler model 11D. The first filler model 11A, the second filler model 11B, the third filler model 11C, and the fourth filler model 11D are configured by a plurality of filler particles 11a that are each assembled into a substantially spherical body. Between the 1st filler model 11A and the 2nd filler model 11B, it mutually aggregates and a part of outer edge part is connected (shared). Between the 2nd filler model 11B and the 3rd filler model 11C, it mutually aggregates and a part of outer edge part is connected (shared). Between the 3rd filler model 11C and the 4th filler model 11D, it mutually aggregates and a part of outer edge part is connected (shared). Between the first filler model 11 </ b> A and the fourth filler model 11 </ b> D, they are agglomerated with each other and a part of the outer edge portion is close. As described above, according to the present embodiment, the analysis model 2 having a complicated shape in which the two first filler models 11A and the second filler model 11B are aggregated, the four first filler models 11A, the second It is also possible to create the analysis model 3 having a complicated shape in which the filler model 11B, the third filler model 11C, and the fourth filler model 11D are aggregated.

このように、本実施の形態によれば、2つの第1のフィラーモデル11A及び第2のフィラーモデル11Bが凝集した複雑な形状の解析用モデル(以下、「解析用モデル2」ともいう)及び4つの第1のフィラーモデル11A、第2のフィラーモデル11B、第3のフィラーモデル11C及び第4のフィラーモデル11Dが凝集した複雑な形状の解析用モデル(以下、「解析用モデル3」ともいう)を作成することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, an analysis model having a complicated shape in which the two first filler models 11A and the second filler model 11B are aggregated (hereinafter also referred to as “analysis model 2”) and An analysis model having a complicated shape in which the four first filler models 11A, the second filler model 11B, the third filler model 11C, and the fourth filler model 11D are aggregated (hereinafter also referred to as “analysis model 3”). ) Can be created.

フィラーとしては、例えば、カーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどが含まれる。フィラーモデル11は、複数のフィラー原子及び複数のフィラー原子の集合体としてのフィラー粒子11aが集合した略球状体としてモデル化される。フィラー粒子11aは、複数のフィラー粒子11a間の結合鎖(不図示)によって相対位置が特定されている。この結合鎖(不図示)は、フィラー粒子11a間の結合距離である平衡長とばね定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各フィラー粒子11a間を拘束している。結合鎖は、フィラー粒子11aの相対位置及び捻り、曲げなどによって力が発生するポテンシャルが定義されているボンドである。このフィラーモデル11は、フィラーを分子動力学で取り扱うための数値データ(フィラー粒子11aの質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。フィラーモデル11の数値データは、コンピュータに入力される。   Examples of the filler include carbon black, silica, and alumina. The filler model 11 is modeled as a substantially spherical body in which a plurality of filler atoms and filler particles 11a as an aggregate of a plurality of filler atoms are aggregated. The relative position of the filler particles 11a is specified by a bond chain (not shown) between the plurality of filler particles 11a. This binding chain (not shown) has a function as a spring in which an equilibrium length, which is a binding distance between filler particles 11a, and a spring constant are defined, and binds between the filler particles 11a. The bond chain is a bond in which the relative position of the filler particle 11a and the potential at which force is generated by twisting, bending, or the like are defined. The filler model 11 is numerical data (including the mass, volume, diameter, initial coordinates, and the like of the filler particles 11a) for handling the filler by molecular dynamics. Numerical data of the filler model 11 is input to the computer.

次に、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法について詳細に説明する。図2A〜図2Dは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の説明図である。なお、図2A〜図2Dにおいては、図1Aに示した略直方体状の計算領域A1の正面の一部を示している。   Next, a method for creating a model for analyzing a specific substance according to the present embodiment will be described in detail. 2A to 2D are explanatory diagrams of a method for creating a specific substance analysis model according to the present embodiment. 2A to 2D show a part of the front of the calculation area A1 having a substantially rectangular parallelepiped shape shown in FIG. 1A.

図2Aに示すように、本実施の形態においては、まず、計算領域A1内に解析対象となる特定物質であるフィラーをモデル化するモデル化領域A2を設定する。このモデル化領域A2は、全域が計算領域A1に含まれる領域である。また、モデル化領域A2は、作成するフィラーモデル11の形状に対応して計算領域A1内に任意形状の領域として設定する。本実施の形態では、モデル化領域A2は、図1Aに示した解析用モデル1の形状に対応するように、1つの略球体状の領域として設定する。なお、モデル化領域A2は、図1Bに示した解析用モデル2の形状に対応するように、2つの略球体状の領域の外縁部の一部が相互に共有される形状の領域として設定してもよい。さらに、モデル化領域A2は、図1Cに示した解析用モデル3の形状に対応するように、4つの略球体状の領域の外縁部の一部が相互に共有される形状の領域として設定してもよい。また、モデル化領域A2は、例えば、計算領域A1内に指定した特定点を中心座標とする所定の半径を有する略球状体として指定してもよい。また、モデル化領域A2は、計算領域A1内に指定した複数の特定点を各頂点座標とする多面体として指定してもよい。さらに、モデル化領域A2は、CADなどによる作図で作成した立体形状に基づいて指定してもよい。   As shown in FIG. 2A, in the present embodiment, first, a modeling area A2 for modeling a filler that is a specific substance to be analyzed is set in the calculation area A1. This modeling area A2 is an area where the entire area is included in the calculation area A1. Further, the modeling area A2 is set as an area having an arbitrary shape in the calculation area A1 corresponding to the shape of the filler model 11 to be created. In the present embodiment, the modeling area A2 is set as one substantially spherical area so as to correspond to the shape of the analysis model 1 shown in FIG. 1A. The modeling area A2 is set as an area having a shape in which a part of the outer edges of the two substantially spherical areas are shared with each other so as to correspond to the shape of the analysis model 2 shown in FIG. 1B. May be. Furthermore, the modeling area A2 is set as an area having a shape in which a part of the outer edges of the four substantially spherical areas are shared with each other so as to correspond to the shape of the analysis model 3 shown in FIG. 1C. May be. Further, the modeling area A2 may be specified as a substantially spherical body having a predetermined radius with a specific point specified in the calculation area A1 as a central coordinate, for example. The modeling area A2 may be specified as a polyhedron having a plurality of specific points specified in the calculation area A1 as vertex coordinates. Further, the modeling area A2 may be specified based on a three-dimensional shape created by drawing with CAD or the like.

次に、図2Bに示すように、フィラー原子及びフィラー原子の集合体としてのフィラー粒子11aを配置する粒子配置領域A3を設定する。この粒子配置領域A3は、モデル化領域A2の全域を含む領域である。図2Bに示す例では、粒子配置領域A3としてモデル化領域A2を中心とする略立方体状の領域を指定する例について説明したがこの構成に限定されない。粒子配置領域A3の形状としては、例えば、略球体状、楕円体状、円錐状、円柱状、三角柱状、立方体状、直方体状、及び多面体状などが挙げられる。これらの中でも、粒子配置領域A3の形状としては、計算効率を向上する観点から、立方体状及び直方体状が好ましく、直方体状がより好ましい。また、粒子配置領域A3の形状としては、計算効率を向上する観点から、モデル化領域A2の最大長に対して1.5倍以下が好ましく、1.3倍以下がより好ましい。   Next, as shown in FIG. 2B, a particle arrangement region A3 in which filler particles and filler particles 11a as an aggregate of filler atoms are arranged is set. The particle arrangement region A3 is a region including the entire modeling region A2. In the example shown in FIG. 2B, an example in which a substantially cubic region centered on the modeling region A2 is specified as the particle arrangement region A3 has been described, but the configuration is not limited to this. Examples of the shape of the particle arrangement region A3 include a substantially spherical shape, an ellipsoidal shape, a conical shape, a cylindrical shape, a triangular prism shape, a cubic shape, a rectangular parallelepiped shape, and a polyhedral shape. Among these, as a shape of particle arrangement | positioning area | region A3, from a viewpoint of improving calculation efficiency, a cube shape and a rectangular parallelepiped shape are preferable, and a rectangular parallelepiped shape is more preferable. Further, the shape of the particle arrangement region A3 is preferably 1.5 times or less, more preferably 1.3 times or less with respect to the maximum length of the modeling region A2, from the viewpoint of improving calculation efficiency.

次に、図2Cに示すように、粒子配置領域A3内に指定密度でフィラー粒子11aを配置する。これにより、モデル化領域A2内の全域にも指定密度でフィラー粒子11aが配置される。ここでの指定密度とは、作成するフィラーモデル11内に充填されるフィラー粒子11aの密度である。ここでは、計算領域A1内の一部に設けた粒子配置領域A3内にフィラー粒子11aを配置するので、計算領域A1の全域にフィラー粒子11aを配置する場合と比較して配置するフィラー粒子11aを削減することが可能となる。この結果、フィラーモデル11の作成に要するフィラー粒子11aを削減することが可能となり、計算効率が向上する。   Next, as shown in FIG. 2C, filler particles 11a are arranged at a specified density in the particle arrangement region A3. As a result, the filler particles 11a are also arranged at a specified density throughout the modeling area A2. The designated density here is the density of the filler particles 11a filled in the filler model 11 to be created. Here, since the filler particles 11a are arranged in the particle arrangement region A3 provided in a part of the calculation region A1, the filler particles 11a to be arranged are compared with the case where the filler particles 11a are arranged in the entire calculation region A1. It becomes possible to reduce. As a result, it is possible to reduce the filler particles 11a required for creating the filler model 11, and the calculation efficiency is improved.

次に、図2Dに示すように、粒子配置領域A3内におけるモデル化領域A2内に配置された複数のフィラー粒子11aを相互に結合させてフィラーモデル11を作成し、粒子配置領域A3外の粒子を削除する。ここでは、粒子配置領域A3内に配置された複数のフィラー粒子11aを相互に結合させてもよい。また、モデル化領域A2内のフィラー粒子11aを抽出し、抽出したフィラー粒子11aを相互に結合してもよく、モデル化領域A2外のフィラー粒子11aを削除してから残りのフィラー粒子11aを相互に結合してもよい。また、フィラー粒子11aを結合させる場合には、後述するフィラーモデル11を用いたシミュレーションでの解析時のフィラー粒子11aの形状を維持する観点から、結合鎖で強固に結合させることが好ましい。ここで、結合鎖による結合強度としては、例えば、フィラーモデル11を用いて解析を行う場合にフィラー粒子11a同士の位置を維持することが可能の程度の強度である。   Next, as shown in FIG. 2D, a filler model 11 is created by mutually connecting a plurality of filler particles 11a arranged in the modeling area A2 in the particle arrangement area A3, and particles outside the particle arrangement area A3 Is deleted. Here, a plurality of filler particles 11a arranged in the particle arrangement region A3 may be combined with each other. Alternatively, the filler particles 11a in the modeling area A2 may be extracted, and the extracted filler particles 11a may be combined with each other. The filler particles 11a outside the modeling area A2 may be deleted and the remaining filler particles 11a may be connected to each other. May be combined. In addition, when the filler particles 11a are bonded, it is preferable that the filler particles 11a be firmly bonded with a bonding chain from the viewpoint of maintaining the shape of the filler particles 11a at the time of analysis in a simulation using the filler model 11 described later. Here, the bond strength by the bond chain is, for example, a strength that allows the positions of the filler particles 11a to be maintained when the filler model 11 is used for analysis.

なお、モデル化領域A2内にフィラー粒子11aを配置する際には、粒子配置領域A3内に配置したフィラー粒子11a間の粒子間距離が、予め定めた所定範囲の距離以下の場合にフィラー粒子11a間に相互作用が生じるポテンシャルがフィラー粒子11aに定義されることが好ましい。これにより、フィラー粒子11a間に引力及び斥力などを作用させることが可能となるので、粒子の分散状態を変化させることができる。特に、フィラー粒子11a間に斥力を作用させることにより、フィラー粒子11a間の粒子間距離を大きくすることができるので、少ないフィラー粒子11a数でフィラーモデル11を作成でき、計算効率が向上する。ここで、ポテンシャルとは、フィラー粒子11a間の距離及び角度の関数であって、2つのフィラー粒子11a間に作用する力を計算する際に用いられる。ポテンシャルとしては、例えば、結合鎖で連結されたフィラー粒子11a間のボンドストレッチのポテンシャル、連続する3つのフィラー粒子11aで構成されるベンディングのポテンシャル、連続する3及び4つのフィラー粒子11aで構成されるトーションのポテンシャル、及び、互いに連結されていないフィラー粒子11a間のファンデルワールス力のポテンシャルなどが定義される。これらのポテンシャルは、距離又は結合角の関数として具体的に設定され、コンピュータに入力される。   When the filler particles 11a are arranged in the modeling area A2, the filler particles 11a are used when the interparticle distance between the filler particles 11a arranged in the particle arrangement area A3 is equal to or less than a predetermined distance. It is preferable that a potential at which an interaction occurs is defined in the filler particle 11a. Thereby, it becomes possible to make attractive force, repulsive force, etc. act between the filler particle | grains 11a, Therefore The dispersion state of particle | grains can be changed. In particular, by applying a repulsive force between the filler particles 11a, the interparticle distance between the filler particles 11a can be increased. Therefore, the filler model 11 can be created with a small number of filler particles 11a, and calculation efficiency is improved. Here, the potential is a function of a distance and an angle between the filler particles 11a, and is used when calculating a force acting between the two filler particles 11a. The potential includes, for example, the potential of bond stretch between filler particles 11a connected by a bond chain, the potential of bending composed of three consecutive filler particles 11a, and composed of three and four consecutive filler particles 11a. The potential of torsion, the potential of van der Waals force between filler particles 11a not connected to each other, and the like are defined. These potentials are specifically set as a function of distance or bond angle, and are input to the computer.

図3及び図4は、フィラー粒子11aの結合の説明図である。図3に示すように、フィラー粒子11aを結合させる際には、モデル化領域A2内の外縁部のフィラー粒子11a同士のみを相互に結合させることが好ましい。これにより、フィラーモデル11の作成に要するフィラー粒子11aの結合点数を削減することができるので、演算処理に要する計算時間を短縮することが可能となる。   3 and 4 are explanatory views of the bonding of the filler particles 11a. As shown in FIG. 3, when the filler particles 11a are bonded, it is preferable to bond only the filler particles 11a at the outer edge in the modeling region A2. As a result, the number of coupling points of the filler particles 11a required for the creation of the filler model 11 can be reduced, so that the calculation time required for the arithmetic processing can be shortened.

また、図4に示すように、フィラー粒子11aを結合させる際には、フィラー粒子11aの中心点P1がモデル化領域A2内に存在するフィラー粒子11aを選定してもよく、中心点P2の一部がモデル化領域A2外に存在するフィラー粒子11bを選定してもよい。このように、モデル化領域A2の境界部で選定するフィラー粒子11aを適宜選択することにより、作成するフィラーモデル11の表面形状を制御することができる。   Further, as shown in FIG. 4, when the filler particles 11a are combined, the filler particles 11a in which the center point P1 of the filler particles 11a is present in the modeling region A2 may be selected. The filler particles 11b whose part exists outside the modeling area A2 may be selected. Thus, the surface shape of the filler model 11 to be created can be controlled by appropriately selecting the filler particles 11a selected at the boundary portion of the modeling region A2.

次に、図5A〜図5Cを参照して本実施の形態に係るシミュレーション方法について説明する。図5A〜図5Cは、本実施の形態に係るシミュレーション方法の説明図である。なお、図5A〜図5Cにおいては、図2A〜図2Dと同様に、図1Aに示した略直方体状の計算領域A1の正面の一部を示している。   Next, a simulation method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5A to 5C. 5A to 5C are explanatory diagrams of the simulation method according to the present embodiment. 5A to 5C show a part of the front surface of the substantially rectangular parallelepiped calculation area A1 shown in FIG. 1A as in FIGS. 2A to 2D.

本実施の形態に係るシミュレーション方法は、上述した実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成した解析用モデルを用いたシミュレーション方法である。以下においては、図1Bに示した解析用モデル2を用いたシミュレーション方法について説明する。   The simulation method according to the present embodiment is a simulation method using the analysis model created by the method for creating the analysis model for the specific substance according to the above-described embodiment. In the following, a simulation method using the analytical model 2 shown in FIG. 1B will be described.

図5Aに示すように、本実施の形態に係るシミュレーション方法では、まず計算領域A1内に、複数のポリマー原子及び複数のポリマー原子の集合体であるポリマー粒子(不図示)によって構成されるポリマーモデル12を所定密度で充填する。ポリマーとしては、例えば、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどが含まれる。ポリマーモデル12は、複数のポリマー原子及び複数のポリマー原子の集合体であるポリマー粒子が結合鎖を介して連結されたものである。ポリマー粒子は、複数のポリマー粒子間の結合鎖によって相対位置が特定されている。この結合鎖は、ポリマー粒子間の結合距離である平衡長とばね定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各ポリマー粒子間を拘束している。結合鎖は、ポリマー粒子の相対位置及び捻り、曲げなどによって力が発生するポテンシャルが定義されているボンドである。このポリマーモデル12は、ポリマーを分子動力学で取り扱うための数値データ(ポリマー粒子の質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。ポリマーモデル12の数値データは、コンピュータに入力される。ポリマーモデル12には、必要に応じてポリマーにフィラーとの親和性を高める変性剤を配合してもよい。この変性剤としては、例えば、水酸基、カルボニル基、及び原子団の官能基などが含まれる。   As shown in FIG. 5A, in the simulation method according to the present embodiment, first, in the calculation area A1, a polymer model composed of a plurality of polymer atoms and polymer particles (not shown) that are aggregates of a plurality of polymer atoms. 12 is filled at a predetermined density. Examples of the polymer include rubber, resin, and elastomer. The polymer model 12 is formed by connecting a plurality of polymer atoms and polymer particles that are aggregates of a plurality of polymer atoms via a bond chain. The relative position of the polymer particle is specified by a bonding chain between the plurality of polymer particles. This bond chain has a function as a spring in which an equilibrium length, which is a bond distance between polymer particles, and a spring constant are defined, and binds between the polymer particles. The bond chain is a bond in which the relative position of the polymer particle and the potential at which force is generated by twisting, bending, and the like are defined. This polymer model 12 is numerical data (including the mass, volume, diameter, initial coordinates, etc. of polymer particles) for handling the polymer by molecular dynamics. Numerical data of the polymer model 12 is input to a computer. If necessary, the polymer model 12 may be blended with a modifier that increases the affinity with the filler. Examples of the modifier include a hydroxyl group, a carbonyl group, and a functional group of an atomic group.

次に、図5Bに示すように、計算領域A1内に充填されたポリマーモデル12の一部を除去したポリマー除去領域A4を作成する。このポリマー除去領域A4は、上述した解析用モデルの作成方法で作成したフィラーの解析用モデル2に対応した形状を有する領域である。次に、図5Cに示すように、ポリマー除去領域A4にフィラーの解析用モデル2を配置する。次に、フィラーの解析用モデル2とポリマーモデル12との間に相互作用を設定して分子動力学法を用いて緩和計算及び伸張解析などの変形解析を実行する。   Next, as shown in FIG. 5B, a polymer removal area A4 is created by removing a part of the polymer model 12 filled in the calculation area A1. This polymer removal region A4 is a region having a shape corresponding to the filler analysis model 2 created by the analysis model creation method described above. Next, as shown in FIG. 5C, the filler analysis model 2 is arranged in the polymer removal region A4. Next, an interaction is set between the filler analysis model 2 and the polymer model 12, and deformation analysis such as relaxation calculation and extension analysis is executed using the molecular dynamics method.

本実施の形態に係るシミュレーション方法においては、緩和計算を行う場合には、ポリマー粒子間の距離の伸びきり長が定義されていないポテンシャルを使用することが好ましい。これにより、隣接するポリマーモデルがポリマー粒子間で絡まっても解けやすくなるので、ポリマーモデルの絡まりによって作用する大きな力を抑制することができるので、計算落ちの発生を防ぐことができる。また、変形解析を行う場合には、ポリマー粒子間の距離の伸びきり長が定義されているポテンシャルを使用することが好ましい。これにより、伸びきり長以上のポリマー粒子間距離が許容されずに分子動力学計算が行われるので、ポリマーの分子運動に近似させて、変形解析することができ、シミュレーションの精度が向上する。   In the simulation method according to the present embodiment, when the relaxation calculation is performed, it is preferable to use a potential for which the full length of the distance between the polymer particles is not defined. Thereby, even if the adjacent polymer model is entangled between the polymer particles, it is easy to be solved, so that a large force acting due to the entanglement of the polymer model can be suppressed, so that it is possible to prevent the occurrence of calculation loss. In addition, when performing deformation analysis, it is preferable to use a potential in which the full length of the distance between polymer particles is defined. Thereby, since the molecular dynamics calculation is performed without allowing the distance between the polymer particles more than the full length, the deformation analysis can be performed by approximating the molecular motion of the polymer, and the accuracy of the simulation is improved.

次に、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法及び特定物質のシミュレーション方法について詳細に説明する。図6は、本発明の実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法及び特定物質のシミュレーション方法を実行する解析装置の機能ブロック図である。図6に示すように、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法及び特定物質のシミュレーション方法は、処理部52と記憶部54とを含むコンピュータである解析装置50が実現する。この解析装置50は、入力手段53を備えた入出力装置51と電気的に接続されている。入力手段53は、特定物質の解析用モデルの作成対象であるフィラーなどの各種物性値及び解析における境界条件などを処理部52又は記憶部54へ入力する。入力手段53としては、例えば、キーボード、マウスなどの入力デバイスが用いられる。   Next, a method for creating a specific substance analysis model and a specific substance simulation method according to the present embodiment will be described in detail. FIG. 6 is a functional block diagram of an analysis apparatus that executes a method for creating a model for analyzing a specific substance and a simulation method for the specific substance according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the method for creating a specific substance analysis model and the specific substance simulation method according to the present embodiment are realized by an analysis apparatus 50 that is a computer including a processing unit 52 and a storage unit 54. This analysis device 50 is electrically connected to an input / output device 51 having an input means 53. The input means 53 inputs various physical property values such as fillers for which an analysis model for a specific substance is to be created, boundary conditions in analysis, and the like to the processing unit 52 or the storage unit 54. As the input means 53, for example, an input device such as a keyboard and a mouse is used.

処理部52は、例えば、中央演算装置(CPU:Central Processing Unit)及びメモリを含む。処理部52は、各種処理を実行する際にコンピュータプログラムを記憶部54から読み込んでメモリに展開する。メモリに展開されたコンピュータプログラムは、各種処理を実行する。例えば、処理部52は、記憶部54から予め記憶された各種処理に係るデータを必要に応じて適宜メモリ上の自身に割り当てられた領域に展開し、展開したデータに基づいて特定物質の解析用モデルの作成及び特定物質の解析用モデルを用いた特定物質のシミュレーションに関する各種処理を実行する。   The processing unit 52 includes, for example, a central processing unit (CPU) and a memory. The processing unit 52 reads a computer program from the storage unit 54 and develops it in a memory when executing various processes. The computer program expanded in the memory executes various processes. For example, the processing unit 52 expands data related to various processes stored in advance from the storage unit 54 to an area allocated to itself on the memory as necessary, and for analyzing a specific substance based on the expanded data. Various processes related to simulation of a specific substance using a model for model creation and a model for analysis of the specific substance are executed.

処理部52は、モデル作成部52aと、条件設定部52bと、解析部52cとを含む。モデル作成部52aは、予め記憶部54に記憶されたデータに基づき、分子動力学法によりポリマーの解析用モデルを作成する際のフィラーなどの特定物質の粒子数、分子数、分子量、分岐、形状、大きさ、反応時間、反応条件及び作成する解析用モデルに含まれる分子数である目標分子数などの構成要素の配置、設定及び計算ステップ数などの粗視化モデルの設定、分子鎖間などの相互作用などの各種計算パラメーターの初期条件の設定を行う。   The processing unit 52 includes a model creation unit 52a, a condition setting unit 52b, and an analysis unit 52c. The model creation unit 52a is based on the data stored in the storage unit 54 in advance, and the number of particles, the number of molecules, the molecular weight, the branching, the shape of a specific substance such as a filler when creating a model for polymer analysis by the molecular dynamics method Arrangement of components such as size, reaction time, reaction conditions and target molecule number, which is the number of molecules included in the analysis model to be created, setting of coarse-grained model such as setting and number of calculation steps, intermolecular chain, etc. Set initial conditions of various calculation parameters such as interaction.

フィラー粒子11a間の相互作用を調整する計算パラメーターとしては、下記式(1)で表されるレナード・ジョーンズポテンシャルのσ、εを用い、これらが調整される。ポテンシャルを計算する上限距離(カットオフ距離)を大きくすることで、遠距離まで働いた引力、斥力を調整できる。なお、フィラー粒子11a間の相互作用が一定値になるまで順次、フィラー粒子11a間の相互作用パラメーターを小さくすることが好ましい。レナード・ジョーンズポテンシャルのσ、εを大きな値から徐々に本来の値に近づけることにより、分子を不自然な状態に導かない穏やかな速度で粒子の接近を行うことができる。また、カットオフ距離も徐々に小さくすることにより、適正な範囲で引力、斥力を調整できる。

Figure 2016024177
As calculation parameters for adjusting the interaction between the filler particles 11a, σ and ε of Leonard-Jones potential represented by the following formula (1) are used, and these are adjusted. By increasing the upper limit distance (cut-off distance) for calculating the potential, it is possible to adjust the attractive force and repulsive force that worked far. In addition, it is preferable to reduce the interaction parameter between the filler particles 11a sequentially until the interaction between the filler particles 11a becomes a constant value. By gradually bringing the σ and ε of the Leonard-Jones potential closer to the original values from large values, it is possible to approach the particles at a gentle speed that does not lead the molecule to an unnatural state. Further, by gradually reducing the cut-off distance, the attractive force and the repulsive force can be adjusted within an appropriate range.
Figure 2016024177

モデル作成部52aは、初期条件の設定の後、平衡化計算を行う。平衡化計算では、所定の温度、密度及び圧力で、初期設定後の各種構成要素が平衡状態に到達する所定の時間、分子動力学計算を行う。そして、モデル作成部52aは、初期条件の設定及び平衡化の計算処理後に、計算領域A1内に解析対象となる特定物質であるフィラーをモデル化するモデル化領域A2を任意形状の領域として設定する。ここでは、モデル作成部52aは、モデル化領域A2を計算領域A1内に指定した特定点を中心座標とする所定の半径を有する略球状体として指定してもよく、計算領域A1内に指定した複数の特定点を各頂点座標とする多面体として指定してもよく、CADなどによる作図で作成した立体形状に基づいて指定してもよい。   The model creation unit 52a performs balancing calculation after setting initial conditions. In the equilibration calculation, molecular dynamics calculation is performed at a predetermined temperature, density, and pressure for a predetermined time for various components after the initial setting to reach an equilibrium state. Then, after the initial condition setting and equilibration calculation processing, the model creation unit 52a sets the modeling area A2 for modeling the filler, which is the specific substance to be analyzed, as an area of an arbitrary shape in the calculation area A1. . Here, the model creation unit 52a may designate the modeling area A2 as a substantially spherical body having a predetermined radius with a specific point designated in the calculation area A1 as a central coordinate, or in the calculation area A1. You may specify as a polyhedron which makes a some specific point each vertex coordinate, and you may specify based on the solid shape created by drawing by CAD etc. FIG.

次に、モデル作成部52aは、設定したモデル化領域A2の全域を含む領域にフィラー原子及びフィラー原子の集合体としてのフィラー粒子11aを配置する粒子配置領域A3を設定する。ここでは、モデル作成部52aは、粒子配置領域A3としては、例えば、略球体状、楕円体状、円錐状、円柱状、三角柱状、立方体状、直方体状、及び多面体状など任意形状の領域を指定する。   Next, the model creation unit 52a sets a particle arrangement region A3 in which filler atoms and filler particles 11a as an aggregate of filler atoms are arranged in a region including the entire set modeling region A2. Here, as the particle arrangement region A3, for example, the model creation unit 52a may include a region having an arbitrary shape such as a substantially spherical shape, an ellipsoidal shape, a conical shape, a cylindrical shape, a triangular prism shape, a cubic shape, a rectangular parallelepiped shape, and a polyhedral shape. specify.

次に、モデル作成部52aは、粒子配置領域A3内に指定密度でフィラー粒子11aを配置してモデル化領域A2内の全域にフィラー粒子11aを配置する。次に、モデル作成部52aは、粒子配置領域A3内におけるモデル化領域A2内に配置された複数のフィラー粒子11aを相互に結合させてフィラーモデル11を作成してから、粒子配置領域A3外の粒子を削除する。ここでは、モデル作成部52aは、モデル化領域A2内のフィラー粒子11aを抽出し、抽出したフィラー粒子11aを相互に結合してもよく、モデル化領域A2外のフィラー粒子11aを削除してから残りのフィラー粒子11aを相互に結合してもよい。また、モデル作成部52aは、フィラー粒子11aを結合させる場合には、結合鎖で強固に結合させてもよい。また、モデル作成部52aは、粒子配置領域A3内にフィラー粒子11aを配置する際には、モデル化領域A2内に配置したフィラー粒子11a間の粒子間距離が、予め定めた所定範囲の距離以下の場合にフィラー粒子11a間に相互作用が生じるポテンシャルがフィラー粒子11aに定義されるようにしてもよい。さらに、モデル作成部52aは、フィラー粒子11aを結合させる際には、モデル化領域A2内の外縁部のフィラー粒子11a同士のみを相互に結合させてもよい。また、モデル作成部52aは、フィラー粒子11aを結合させる際には、フィラー粒子11aの中心点P1がモデル化領域A2内に存在するフィラー粒子11aを選定してもよく、中心点P2の一部がモデル化領域A2外に存在するフィラー粒子11bを選定してもよい。   Next, the model creation unit 52a arranges the filler particles 11a at a specified density in the particle arrangement region A3 and arranges the filler particles 11a throughout the modeling region A2. Next, the model creation unit 52a creates a filler model 11 by combining a plurality of filler particles 11a arranged in the modeling area A2 in the particle arrangement area A3 and then outside the particle arrangement area A3. Remove particles. Here, the model creation unit 52a may extract the filler particles 11a in the modeling region A2, may combine the extracted filler particles 11a with each other, and deletes the filler particles 11a outside the modeling region A2. The remaining filler particles 11a may be bonded to each other. In addition, when the filler particles 11a are bonded, the model creating unit 52a may be bonded firmly with a bond chain. When the model creating unit 52a places the filler particles 11a in the particle placement region A3, the interparticle distance between the filler particles 11a placed in the modeling region A2 is equal to or less than a predetermined range. In this case, the potential at which an interaction occurs between the filler particles 11a may be defined in the filler particles 11a. Further, when the filler particles 11a are combined, the model creating unit 52a may combine only the filler particles 11a at the outer edge portion in the modeling region A2. In addition, when combining the filler particles 11a, the model creation unit 52a may select the filler particles 11a in which the center point P1 of the filler particles 11a is present in the modeling region A2, and a part of the center point P2 May select the filler particles 11b existing outside the modeling region A2.

また、モデル作成部52aは、作成したフィラーモデル11とゴム、樹脂、及びエラストマーなどのポリマーを用いたポリマーモデル12とを併用して解析を行う場合には、フィラーモデル11を作成した後に、計算領域A1内にポリマー原子及び複数のポリマー原子の集合体であるポリマー粒子が計算領域A1内に所定密度で充填してポリマーモデル12を作成する。ここでは、モデル作成部52aは、必要に応じてポリマーにフィラーとの親和性を高める水酸基、カルボニル基、及び原子団の官能基などの変性剤を配合してもよい。   In addition, the model creation unit 52a calculates the filler model 11 after creating the filler model 11 and performs analysis using the polymer model 12 using a polymer such as rubber, resin, and elastomer. A polymer model which is a collection of polymer atoms and an assembly of a plurality of polymer atoms in the region A1 is filled in the calculation region A1 at a predetermined density to create the polymer model 12. Here, the model creating unit 52a may blend a polymer with a modifier such as a hydroxyl group, a carbonyl group, and a functional group of an atomic group that enhances the affinity with the filler, if necessary.

次に、モデル作成部52aは、ポリマーモデル12の一部のポリマー粒子を除去してフィラーの解析用モデル2に対応した形状を有する領域であるポリマー除去領域A4を作成し、作成したポリマー除去領域A4にフィラーの解析用モデルを配置する。   Next, the model creation unit 52a removes some polymer particles of the polymer model 12 to create a polymer removal region A4, which is a region having a shape corresponding to the filler analysis model 2, and the created polymer removal region A filler analysis model is arranged at A4.

条件設定部52bは、モデル作成部52aで作成したフィラーモデル11及びポリマーモデル12を用いた分子動力学法による運動シミュレーション(解析)を実行するための各種条件を設定する。条件設定部52bは、入力手段53からの入力及び記憶部54に記憶されている情報に基づいて各種条件を設定する。各種条件としては、解析を実行するフィラーの分子鎖の位置及び数、フィラー原子、フィラー原子団、フィラー粒子及びフィラー粒子群の位置及び数、フィラー粒子番号、ポリマーの分子鎖の位置及び数、ポリマー原子、ポリマー原子団、ポリマー粒子及びポリマー粒子群の位置及び数、ポリマー粒子番号、予め設定した物理量履歴である応力ひずみ曲線及び条件を変更しない固定値などが含まれる。   The condition setting unit 52b sets various conditions for executing a motion simulation (analysis) by a molecular dynamics method using the filler model 11 and the polymer model 12 created by the model creation unit 52a. The condition setting unit 52 b sets various conditions based on the input from the input unit 53 and the information stored in the storage unit 54. The various conditions include the position and number of filler molecular chains to be analyzed, the position and number of filler atoms, filler atomic groups, filler particles and filler particle groups, the filler particle number, the position and number of molecular chains of the polymer, the polymer The positions and numbers of atoms, polymer atomic groups, polymer particles and polymer particle groups, polymer particle numbers, stress strain curves which are preset physical quantity histories, and fixed values which do not change conditions are included.

解析部52cは、モデル作成部52aにより作成されたフィラーモデル11及びポリマーモデル12を用いた分子動力学法による緩和計算、伸長解析、剪断解析などの変形解析などの運動シミュレーションを実行して各種物理量を取得する。ここでの物理量としては、シミュレーションの結果得られる運動変位及び公称応力又は運動変位を演算して得られる公称ひずみなどが挙げられる。これにより、任意に作成した複雑な形状のフィラーモデル11をポリマーモデル12中に配置するので、フィラーの形状がポリマーに及ぼす影響を解析することが可能となり、フィラーモデル11の挿入により生じた不安定構造を解消し、平衡状態が得られる。さらに、任意に作成した複雑な形状の特定物質の解析用モデルを用いて変形解析を実行するので、特定物質の形状が材料特性に及ぼす影響を解析することが可能となり、コンパウンドの力学特性を得ることが可能となる。   The analysis unit 52c executes various types of physical quantities by executing motion simulations such as relaxation calculation by the molecular dynamics method using the filler model 11 and the polymer model 12 created by the model creation unit 52a, deformation analysis such as elongation analysis and shear analysis. To get. Examples of the physical quantity here include a motion displacement obtained as a result of simulation and a nominal strain obtained by calculating a nominal stress or motion displacement. Thereby, since the arbitrarily created filler model 11 having a complicated shape is arranged in the polymer model 12, it is possible to analyze the influence of the filler shape on the polymer, and the instability caused by the insertion of the filler model 11 is possible. The structure is eliminated and an equilibrium state is obtained. In addition, deformation analysis is performed using an arbitrarily created model for analyzing a specific substance with a complex shape, so it is possible to analyze the effect of the shape of the specific substance on the material properties and obtain the mechanical properties of the compound. It becomes possible.

記憶部54は、ハードディスク装置、光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ及びCD−ROMなどの読み出しのみが可能な記録媒体である不揮発性のメモリ、並びに、RAM(Random Access Memory)のような読み出し及び書き込みが可能な記録媒体である揮発性のメモリが適宜組み合わせられる。   The storage unit 54 is a non-volatile memory that is a readable recording medium such as a hard disk device, a magneto-optical disk device, a flash memory, and a CD-ROM, and a read / write operation such as a RAM (Random Access Memory). A volatile memory which is a possible recording medium is appropriately combined.

記憶部54には、入力手段53を介して解析対象となる特定物質の解析用モデルを作成するためのデータであるゴム、カーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどのフィラーのデータ、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどのポリマーのデータ、予め設定した物理量履歴である応力ひずみ曲線及び本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質のシミュレーション方法を実現するためのコンピュータプログラムなどが格納されている。このコンピュータプログラムは、コンピュータ又はコンピュータシステムに既に記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、本実施の形態に係る特定物質のシミュレーション方法を実現できるものであってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OS(Operating System)及び周辺機器などのハードウェアを含むものとする。   In the storage unit 54, data for creating a model for analysis of a specific substance to be analyzed via the input means 53, data on fillers such as rubber, carbon black, silica, and alumina, rubber, resin, and Stores data on polymers such as elastomers, stress strain curves that are preset physical quantity history, a method for creating a model for analyzing a specific substance according to the present embodiment, a computer program for realizing a method for simulating a specific substance, etc. ing. This computer program may be capable of realizing the specific substance simulation method according to the present embodiment in combination with a computer program already recorded in the computer or computer system. The “computer system” here includes hardware such as an OS (Operating System) and peripheral devices.

表示手段55は、例えば、液晶表示装置等の表示用デバイスである。なお、記憶部54は、データベースサーバなどの他の装置内にあってもよい。例えば、解析装置50は、入出力装置51を備えた端末装置から通信により処理部52及び記憶部54にアクセスするものであってもよい。   The display means 55 is a display device such as a liquid crystal display device. The storage unit 54 may be in another device such as a database server. For example, the analysis device 50 may access the processing unit 52 and the storage unit 54 by communication from a terminal device including the input / output device 51.

次に、図7を参照して本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の具体例について説明する。図7は、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の一例の概略を示すフロー図である。   Next, a specific example of a method for creating a specific substance analysis model according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a flowchart showing an outline of an example of a method for creating a model for analyzing a specific substance according to the present embodiment.

図7に示すように、開始時には、モデル作成部52aが、入力手段53を介して予め記憶部54に記憶されたフィラーをモデル化するためのデータであるフィラーの分子鎖の粒子数、分子鎖数、分子量、分岐、形状、及び大きさなどの構成要素の配置、予め設定した物理量履歴である応力ひずみ曲線及び条件を変更しない固定値などのフィラーをモデル化するための各種データを読込む。続いて、モデル作成部52aは、各種データに基づいて、初期条件の設定及び分子動力学計算により平衡化計算を行う。   As shown in FIG. 7, at the start, the model creation unit 52 a uses the number of particles of the filler molecular chain, which is data for modeling the filler previously stored in the storage unit 54 via the input unit 53, the molecular chain Various data for modeling fillers such as arrangement of components such as number, molecular weight, branching, shape, and size, a stress strain curve that is a preset physical quantity history, and a fixed value that does not change conditions are read. Subsequently, the model creation unit 52a performs equilibration calculation by setting initial conditions and calculating molecular dynamics based on various data.

次に、モデル作成部52aは、仮想空間である計算領域A1内にフィラーのモデル化領域A2を設定する(ステップST1)。次に、モデル作成部52aは、モデル化領域A2の全域を含む領域であって当該領域内にフィラー原子及び当該フィラー原子の集合体を含むフィラー粒子11aを配置する粒子配置領域A3を設定する(ステップST2)。ここでは、モデル作成部52aは、粒子配置領域A3としては、フィラー粒子11aの配置効率を向上して計算効率を高める観点から、略直方体状に領域を設定することが好ましい。   Next, the model creation unit 52a sets a filler modeling area A2 in the calculation area A1 which is a virtual space (step ST1). Next, the model creating unit 52a sets a particle arrangement region A3 that includes the entire modeling region A2 and in which filler particles 11a including filler atoms and aggregates of the filler atoms are arranged in the region ( Step ST2). Here, as the particle arrangement region A3, the model creation unit 52a preferably sets the region in a substantially rectangular parallelepiped shape from the viewpoint of improving the arrangement efficiency of the filler particles 11a and increasing the calculation efficiency.

続いて、モデル作成部52aは、粒子配置領域A3内に指定密度でフィラー粒子11aを配置してモデル化領域A2内にも指定密度でフィラー粒子11aを充填する(ステップST3)。ここでは、モデル作成部52aは、粒子配置領域A3内のモデル化領域A2内に配置したフィラー粒子11a間の粒子間距離が、予め定めた所定範囲の距離以下の場合にフィラー粒子11a間に斥力などの相互作用が生じるポテンシャルがフィラー粒子11aに定義されるようにしてもよい。これにより、粒子配置領域A3及びモデル化領域A2内に配置されるフィラー粒子11aが相互に反発して粒子間距離が増大するので、粒子配置領域A3及びモデル化領域A2内に配置するフィラー粒子11aの数を削減することが可能となり、計算効率が向上する。   Subsequently, the model creation unit 52a arranges the filler particles 11a with a specified density in the particle arrangement region A3 and fills the modeling region A2 with the filler particles 11a with a specified density (step ST3). Here, the model creation unit 52a repels the filler particles 11a when the interparticle distance between the filler particles 11a arranged in the modeling area A2 in the particle arrangement area A3 is equal to or less than a predetermined range distance. The potential at which the interaction occurs may be defined in the filler particle 11a. As a result, the filler particles 11a arranged in the particle arrangement region A3 and the modeling region A2 repel each other and the interparticle distance increases, so the filler particles 11a arranged in the particle arrangement region A3 and the modeling region A2 It is possible to reduce the number of data, and the calculation efficiency is improved.

次に、モデル作成部52aは、粒子配置領域A3内におけるモデル化領域A2内のフィラー粒子11aを相互に結合させてフィラーモデル11を作成する(ステップST4)。また、モデル作成部52aは、作成したポリマーの解析用モデルのデータを記憶部54に格納して特定物質の解析用モデルの作成を終了する。   Next, the model creation unit 52a creates the filler model 11 by coupling the filler particles 11a in the modeling area A2 in the particle arrangement area A3 to each other (step ST4). The model creation unit 52a stores the created polymer analysis model data in the storage unit 54, and ends the creation of the analysis model for the specific substance.

次に、条件設定部52bは、入力手段53からの入力又は記憶部54に記憶されている情報に基づいて、フィラーモデル11を用いた分子動力学法による運動シミュレーション(解析)の条件を設定する。次に、解析部52cは、条件設定部52bによって設定された条件に基づいて、モデル作成部52aによって作成されたフィラーモデル11を用いて緩和計算及び変形解析などの解析を行い公称応力及び公称ひずみなどの物理量を取得する。また、解析部52cは、緩和計算及び変形解析などによって得られた解析結果を記憶部54に格納する。   Next, the condition setting unit 52b sets conditions for the motion simulation (analysis) by the molecular dynamics method using the filler model 11 based on the input from the input unit 53 or the information stored in the storage unit 54. . Next, the analysis unit 52c performs analysis such as relaxation calculation and deformation analysis using the filler model 11 created by the model creation unit 52a based on the conditions set by the condition setting unit 52b, and performs nominal stress and nominal strain. Get physical quantity such as. Further, the analysis unit 52c stores the analysis result obtained by the relaxation calculation and the deformation analysis in the storage unit 54.

以上説明したように、上記実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法によれば、解析対象となるフィラーなどの特定物質の形状に応じて任意形状のモデル化領域A2を指定するので、複雑な形状を有する特定物質の解析用モデルを正確に作成することが可能となる。これにより、任意形状の解析用モデルを作成できるので、特定物質の材料特性を正確に解析可能な特定物質の解析用モデルの作成方法を実現することが可能となる。しかも、粒子配置領域A3内における作成する特定物質の形状に対応したモデル化領域A2内に配置した粒子を結合させるので、計算領域の全域に粒子を配置する場合と比較して結合させる粒子数を削減することが可能となり、複雑な形状の特定物質の解析用モデルを作成することが可能となる。   As described above, according to the method for creating a model for analyzing a specific substance according to the above embodiment, the modeling region A2 having an arbitrary shape is designated according to the shape of the specific substance such as a filler to be analyzed. Therefore, it is possible to accurately create a model for analyzing a specific substance having a complicated shape. As a result, an analysis model having an arbitrary shape can be created, so that a method for creating a model for analyzing a specific substance that can accurately analyze the material characteristics of the specific substance can be realized. In addition, since the particles arranged in the modeling area A2 corresponding to the shape of the specific substance to be created in the particle arrangement area A3 are combined, the number of particles to be combined is compared with the case where the particles are arranged in the entire calculation area. Therefore, it is possible to create a model for analyzing a specific substance having a complicated shape.

1,2,3 解析用モデル
11 フィラーモデル
11a フィラー粒子
12 ポリマーモデル
50 解析装置
51 入出力装置
52 処理部
52a モデル作成部
52b 条件設定部
52c 解析部
53 入力手段
54 記憶部
55 表示手段
1, 2, 3 Model for analysis 11 Filler model 11a Filler particle 12 Polymer model 50 Analysis device 51 Input / output device 52 Processing unit 52a Model creation unit 52b Condition setting unit 52c Analysis unit 53 Input unit 54 Storage unit 55 Display unit

Claims (8)

コンピュータを用いて分子動力学法により特定物質の形状が材料特性に与える影響を解析するためのモデルを作成する特定物質の解析用モデルの作成方法であって、
前記特定物質をモデル化するモデル化領域を設定する第1ステップと、
前記モデル化領域の全体を含む領域であって、当該領域内に原子及び当該原子の集合体を含む粒子を配置する粒子配置領域を設定する第2ステップと、
前記粒子配置領域内に指定密度で前記粒子を配置する第3ステップと、
前記粒子配置領域内における前記モデル化領域内に配置された前記粒子を相互に結合させて前記特定物質のモデルを作成する第4ステップとを含むことを特徴とする、特定物質の解析用モデルの作成方法。
A method for creating a model for analyzing a specific substance, which creates a model for analyzing the influence of the shape of a specific substance on material properties by molecular dynamics using a computer,
A first step of setting a modeling area for modeling the specific substance;
A second step of setting a particle arrangement region that includes the entire modeled region, and in which particles including an atom and an aggregate of the atoms are arranged in the region;
A third step of arranging the particles at a specified density in the particle arrangement region;
A fourth step of creating a model of the specific substance by coupling the particles arranged in the modeling area in the particle arrangement area to each other. How to make.
前記第3ステップにおいて、前記モデル化領域内に配置した前記粒子間の粒子間距離が予め定めた所定範囲の距離以下の場合に、前記粒子間に相互作用が生じるポテンシャルが定義されてなる、請求項1に記載の特定物質の解析用モデルの作成方法。   In the third step, when an interparticle distance between the particles arranged in the modeling region is equal to or less than a predetermined range, a potential at which an interaction occurs between the particles is defined. Item 2. A method for creating a model for analysis of a specific substance according to Item 1. 前記第4ステップにおいて、前記モデル化領域内の外縁部の前記粒子同士のみを相互に結合させる、請求項1又は請求項2に記載の特定物質の解析用モデルの作成方法。   3. The method for creating a model for analyzing a specific substance according to claim 1, wherein, in the fourth step, only the particles at the outer edge in the modeling region are coupled to each other. 前記特定物質が、フィラーである、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の特定物質の解析用モデルの作成方法。   The method for creating a model for analyzing a specific substance according to any one of claims 1 to 3, wherein the specific substance is a filler. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の特定物質の解析用モデルの作成方法をコンピュータに実行させることを特徴とする、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム。   A computer program for creating an analysis model for a specific substance, which causes a computer to execute the method for creating an analysis model for a specific substance according to any one of claims 1 to 4. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の特定物質の解析用モデルの作成方法で作成した特定物質の解析用モデルを、当該特定物質とは異なる他の特定物質の解析用モデル中に配置し、前記特定物質の解析用モデルと前記他の特定物質の解析用モデルとの間に相互作用を設定して分子動力学法を用いて緩和計算を実行することを特徴とする、特定物質のシミュレーション方法。   The analysis model for a specific substance created by the method for creating a model for analysis of a specific substance according to any one of claims 1 to 4 is included in an analysis model for another specific substance different from the specific substance. And a relaxation calculation is performed using a molecular dynamics method by setting an interaction between the analysis model for the specific substance and the analysis model for the other specific substance. Method for simulating substances. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の特定物質の解析用モデルの作成方法で作成した特定物質の解析用モデルを用いて変形解析を実行することを特徴とする、特定物質のシミュレーション方法。   A deformation analysis is performed using a specific substance analysis model created by the method for creating a specific substance analysis model according to any one of claims 1 to 4. Simulation method. 請求項6又は請求項7に記載の特定物質のシミュレーション方法をコンピュータに実行させることを特徴とする、特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラム。   A computer program for simulating a specific substance, which causes a computer to execute the specific substance simulation method according to claim 6.
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