JP2018004604A - Creation method of filler model - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シミュレーション精度を向上しうるフィラーモデルを短時間で作成することができるフィラーモデルの作成方法に関する。 The present invention relates to a filler model creation method capable of creating a filler model capable of improving simulation accuracy in a short time.
近年、ゴム配合の開発のために、フィラーと高分子材料とからなる複合材料の性質を、コンピュータを用いて評価するためのシミュレーション方法(数値計算)が種々提案されている。この種のシミュレーション方法では、コンピュータに、フィラーをモデル化したフィラーモデルと、高分子材料をモデル化したポリマーモデルとが入力される。 In recent years, various simulation methods (numerical calculations) have been proposed for evaluating the properties of a composite material composed of a filler and a polymer material using a computer for the development of rubber compounding. In this type of simulation method, a filler model that models a filler and a polymer model that models a polymer material are input to a computer.
フィラーモデルは、例えば、3次元の略球状に形成される。このフィラーモデルは、複数のフィラー粒子モデルを含む。また、ポリマーモデルは、少なくとも一つのポリマー粒子モデルを含む。そして、フィラー粒子モデルとポリマー粒子モデルとの間には、例えば、相互ポテンシャル(例えば、Lennard-Jonesポテンシャル)が定義され、限られた空間内で分子動力学計算が行われる。関連する技術としては、次のものがある。 The filler model is formed in, for example, a three-dimensional substantially spherical shape. The filler model includes a plurality of filler particle models. The polymer model also includes at least one polymer particle model. Then, for example, a mutual potential (for example, Lennard-Jones potential) is defined between the filler particle model and the polymer particle model, and molecular dynamics calculation is performed in a limited space. Related technologies include the following.
一般に、球状のフィラーモデルには、多数のフィラー粒子モデルを含み、これらは乱数関数に従ってランダムに配置、又は、格子状に配置される。 In general, the spherical filler model includes a large number of filler particle models, which are randomly arranged according to a random number function or arranged in a lattice pattern.
ランダムに配置された場合、フィラー粒子モデルは、隣接するフィラー粒子モデルに重なって配置される場合がある。このようなフィラー粒子モデルの重なりは、フィラーモデルの内部の応力分布や相互ポテンシャルにバラツキを生じさせる。これらのバラツキにより、分子動力学計算では、動力学計算が不安定になり、シミュレーション精度が低下するという問題があった。 When randomly arranged, the filler particle model may be arranged so as to overlap the adjacent filler particle model. Such overlapping of filler particle models causes variations in stress distribution and mutual potential inside the filler model. Due to these variations, the molecular dynamics calculation has a problem that the dynamics calculation becomes unstable and the simulation accuracy is lowered.
他方、格子状に配置された場合、格子の密度に応じた規則的な平面が生成されるため、球面の場合と比較して、ポリマーの格子との相互作用の仕方が異なるという問題があった。 On the other hand, when arranged in the form of a lattice, a regular plane corresponding to the density of the lattice is generated, so there is a problem that the way of interaction with the polymer lattice is different compared to the case of a spherical surface. .
また、上記のような問題を解決するために、フィラー粒子モデルを手動で配置することも考えられるが、多くのフィラー粒子モデルを配置する必要があるため、多くの時間を要するという問題があった。 Moreover, in order to solve the above problems, it is conceivable to manually arrange the filler particle model. However, since it is necessary to arrange many filler particle models, there is a problem that it takes a lot of time. .
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、シミュレーション精度を向上しうるフィラーモデルを短時間で作成することができる方法を提供することを主たる目的としている。 The present invention has been devised in view of the above circumstances, and has as its main object to provide a method capable of creating a filler model that can improve simulation accuracy in a short time.
本発明は、複数のフィラー粒子モデルと、前記複数のフィラー粒子モデルを連結する少なくとも一つの結合鎖モデルとを含む三次元のフィラーモデルを、コンピュータを用いて作成する方法であって、前記コンピュータに、一つのフィラー粒子モデルからなる中心部を設定する第1工程と、前記コンピュータに、前記中心部の外側に、複数のフィラー粒子モデルが前記中心部のフィラー粒子モデルから半径方向に距離を隔てて同心球面状に配置されたフィラー粒子モデル群からなる層を複数設定する第2工程とを含み、前記第2工程は、前記コンピュータに、第M番目の層を構成する前記フィラー粒子モデルを配置する配置工程、前記コンピュータが、第M−1番目の層のフィラー粒子モデルと、前記第M番目の層のフィラー粒子モデルとを、少なくとも一つの前記結合鎖モデルで連結する結合工程、並びに、前記コンピュータが、前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルを対象に、分子動力学計算する工程を含むことを特徴とする。 The present invention is a method of creating a three-dimensional filler model using a computer, including a plurality of filler particle models and at least one bond chain model connecting the plurality of filler particle models. A first step of setting a central part consisting of a single filler particle model, and a plurality of filler particle models spaced apart from the central filler particle model in a radial direction outside the central part in the computer. A second step of setting a plurality of layers of filler particle model groups arranged in a concentric spherical shape, wherein the second step arranges the filler particle model constituting the Mth layer in the computer. Arranging step, wherein the computer includes a filler particle model of the (M-1) th layer and a filler particle model of the Mth layer. Coupling step of coupling at least one of said binding chain model, as well as the computer, to subject the filler particles model of the M-th layer, characterized in that it comprises a step of calculating molecular dynamics.
本発明に係る前記フィラーモデルの作成方法において、前記配置工程は、前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルの中心点を、前記中心部のフィラー粒子モデルを中心とした半径RMで設定される前記第M番目の層の球面上に配置し、前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルの個数NMを、下記式(1)で決定する工程を含むのが望ましい。
NM:第M番目の層のフィラー粒子モデルの個数
RM:第M番目の層の球面の半径
r:フィラー粒子モデルの半径
ρM:第M番目の層のフィラー粒子の数密度
In creating of the filler model according to the present invention, the arrangement process, the center point of the filler particles model of the M-th layer is set at a radius R M of the filler particles model around the central portion Preferably, the method includes a step of determining the number N M of the filler particle models of the Mth layer by the following formula (1).
N M : Number of filler particle models of the Mth layer R M : Radius of the spherical surface of the Mth layer r: Radius of the filler particle model ρ M : Number density of filler particles of the Mth layer
本発明に係る前記フィラーモデルの作成方法において、前記第2工程は、前記フィラーモデルの第3番目の層から、半径方向で最も外側に配置される第N番目の層までの前記各層を設定する主設定工程を含み、前記主設定工程は、前記配置工程において、前記第M−1番目の層の前記フィラー粒子モデルに、前記結合鎖モデルを介して連結するための前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルを決定する決定工程を含み、前記決定工程は、前記第M−1番目の層の一つのフィラー粒子モデルを選択する工程と、前記選択されたフィラー粒子モデルの中心点と前記中心部のフィラー粒子モデルの中心点とを結ぶ直線を中心軸として、前記選択されたフィラー粒子モデルの中心点を頂点とし、かつ前記フィラー粒子モデルの直径を母線の長さとする円錐の円周を計算する工程と、前記円錐の円周に囲まれる球面上に、前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルを配置して、前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルを、前記第M−1番目の層の選択された前記フィラー粒子モデルに連結するものとして決定する工程とを含むのが望ましい。 In the method for creating a filler model according to the present invention, the second step sets the layers from the third layer of the filler model to the Nth layer arranged on the outermost side in the radial direction. A main setting step, wherein the main setting step includes the step of arranging the Mth layer to be connected to the filler particle model of the M-1st layer through the bond chain model in the arranging step. A determining step of determining the filler particle model, the determining step including a step of selecting one filler particle model of the M-1st layer, a center point of the selected filler particle model, and the center The central axis of the selected filler particle model as a vertex, and the diameter of the filler particle model as the length of the generatrix. Calculating the circumference of the cone, and arranging the filler particle model of the Mth layer on a spherical surface surrounded by the circumference of the cone, and the filler particle model of the Mth layer And connecting to the selected filler particle model of the M-1 th layer.
本発明に係る前記フィラーモデルの作成方法において、前記中心軸と前記円錐の円錐面とがなす角度は、0度以上かつ60度未満であるのが望ましい。 In the method for creating the filler model according to the present invention, it is desirable that an angle formed by the central axis and the conical surface of the cone is not less than 0 degrees and less than 60 degrees.
本発明に係る前記フィラーモデルの作成方法において、最も半径方向外側に配置された第N番目の層のフィラー粒子モデルを、該第N番目の層の他のフィラー粒子モデルと前記結合鎖モデルで連結する工程をさらに含むのが望ましい。 In the method for creating the filler model according to the present invention, the filler particle model of the Nth layer arranged at the outermost radial direction is connected to the other filler particle model of the Nth layer by the bond chain model. It is desirable to further include the step of carrying out.
本発明のフィラーモデルの作成方法は、コンピュータに、一つのフィラー粒子モデルからなる中心部を設定する第1工程を含む。さらに、フィラーモデルの作成方法は、中心部の外側に、複数のフィラー粒子モデルが中心部のフィラー粒子モデルから半径方向に距離を隔てて同心球面状に配置されたフィラー粒子モデル群からなる層を複数設定する第2工程を含む。 The method for creating a filler model of the present invention includes a first step of setting a central portion made of one filler particle model in a computer. Furthermore, a method for creating a filler model includes a layer composed of a filler particle model group in which a plurality of filler particle models are arranged concentrically at a distance from the filler particle model in the center portion in the radial direction outside the center portion. A second step of setting a plurality is included.
第2工程は、第M番目の層を構成するフィラー粒子モデルを配置する配置工程、第M−1番目の層のフィラー粒子モデルと、第M番目の層のフィラー粒子モデルとを、少なくとも一つの結合鎖モデルで連結する結合工程、並びに、前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルを対象に、分子動力学計算する工程を含んでいる。 The second step includes at least one of an arrangement step of arranging a filler particle model constituting the Mth layer, a filler particle model of the (M-1) th layer, and a filler particle model of the Mth layer. A bonding step of connecting with a bond chain model, and a step of calculating molecular dynamics for the filler particle model of the Mth layer.
本発明の作成方法では、フィラー粒子モデルが、中心部のフィラー粒子モデルから層ごとに同心球面状に配置されるため、フィラーモデルの半径方向で隣接するフィラー粒子モデル同士が重なるのを防ぐことができる。 In the creation method of the present invention, the filler particle models are arranged in a concentric spherical shape for each layer from the filler particle model in the center, and therefore, it is possible to prevent the filler particle models adjacent in the radial direction of the filler model from overlapping each other. it can.
さらに、本発明の作成方法では、第M−1番目の層のフィラー粒子モデルと、第M番目の層のフィラー粒子モデルとを結合鎖モデルで連結したのちに、第M番目の層のフィラー粒子モデルを対象に分子動力学計算されるため、第M番目の層のフィラー粒子モデルの平衡状態を計算することができる。これにより、同一の層で隣接するフィラー粒子モデル同士の重なりを取り除くことができる。 Furthermore, in the production method of the present invention, after the filler particle model of the (M-1) th layer and the filler particle model of the Mth layer are connected by a bond chain model, the filler particles of the Mth layer are connected. Since the molecular dynamics calculation is performed on the model, the equilibrium state of the filler particle model of the Mth layer can be calculated. Thereby, the overlap of the filler particle models adjacent in the same layer can be removed.
このように、本発明の作成方法では、フィラー粒子モデル同士の重なりを効果的に防いで、フィラーモデルを短時間に作成することができる。また、この作成方法で得られたモデルは、例えば、フィラーモデルの内部の応力分布や相互ポテンシャルにバラツキが生じるのを抑制でき、ひいては、シミュレーション精度を向上させることができる。 As described above, according to the creation method of the present invention, it is possible to effectively prevent the filler particle models from overlapping each other and create the filler model in a short time. In addition, the model obtained by this creation method can suppress, for example, variations in stress distribution and mutual potential inside the filler model, thereby improving simulation accuracy.
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態のフィラーモデルの作成方法(以下、単に「作成方法」ということがある)は、コンピュータを用いて、フィラーをモデル化したフィラーモデルを作成する方法である。フィラーとしては、例えば、カーボンブラック、シリカ又はアルミナ等が含まれる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The filler model creation method of the present embodiment (hereinafter sometimes simply referred to as “creation method”) is a method of creating a filler model in which a filler is modeled using a computer. Examples of the filler include carbon black, silica, or alumina.
図1に示されるように、コンピュータ1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含む。この本体1aには、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリー、磁気ディスクなどの記憶装置及びディスクドライブ装置1a1、1a2などが設けられる。なお、記憶装置には、本実施形態の作成方法を実行するための処理手順(プログラム)が予め記憶される。 As shown in FIG. 1, the computer 1 includes a main body 1a, a keyboard 1b, a mouse 1c, and a display device 1d. The main body 1a is provided with an arithmetic processing unit (CPU), a ROM, a working memory, a storage device such as a magnetic disk, and disk drive devices 1a1, 1a2. Note that a processing procedure (program) for executing the creation method of the present embodiment is stored in the storage device in advance.
図2及び図3に示されるように、本実施形態のフィラーモデル2は、例えば、直径L1が5〜30σ程度に設定された三次元の略球状に形成される。このフィラーモデル2は、複数のフィラー粒子モデル3と、複数のフィラー粒子モデル3を連結する少なくとも一つの結合鎖モデル4とを含んで構成される。なお、図2では、結合鎖モデル4を省略して表示している。 As shown in FIGS. 2 and 3, the filler model 2 of the present embodiment is formed in, for example, a three-dimensional substantially spherical shape having a diameter L1 set to about 5 to 30σ. The filler model 2 includes a plurality of filler particle models 3 and at least one bond chain model 4 that connects the plurality of filler particle models 3. In FIG. 2, the bond chain model 4 is omitted.
また、フィラーモデル2には、一つのフィラー粒子モデル3からなる中心部6と、中心部6の外側に、複数のフィラー粒子モデル3が同心球面状に配置されたフィラー粒子モデル群8とを含んでいる。 In addition, the filler model 2 includes a central portion 6 composed of one filler particle model 3 and a filler particle model group 8 in which a plurality of filler particle models 3 are arranged concentrically outside the central portion 6. It is out.
本実施形態のフィラーモデル2は、中心部6のフィラー粒子モデル3を第1番目の層(以下、単に「第1層」ということがある)U1として、フィラー粒子モデル群8からなる複数の層Uが設けられている。このフィラー粒子モデル群8からなる層Uは、中心部6のフィラー粒子モデル3と半径方向外側で隣り合う第2番目の層(以下、単に「第2層」ということがある)U2から、半径方向で最も外側に配置される第N番目の層(以下、単に「第N層」ということがある)UNまで含まれる。各層Uは、中心部6のフィラー粒子モデル3から半径方向に距離を隔てて配置されている。 The filler model 2 of the present embodiment includes a plurality of layers composed of a filler particle model group 8 with the filler particle model 3 in the central portion 6 as a first layer (hereinafter sometimes simply referred to as “first layer”) U1. U is provided. The layer U composed of the filler particle model group 8 has a radius from a second layer U2 (hereinafter sometimes simply referred to as “second layer”) adjacent to the filler particle model 3 in the central portion 6 in the radial direction outside. It includes up to the Nth layer (hereinafter, also simply referred to as “Nth layer”) UN arranged on the outermost side in the direction. Each layer U is arranged at a distance in the radial direction from the filler particle model 3 in the central portion 6.
各フィラー粒子モデル3は、いずれも径を持った球で表現されている。このようなフィラー粒子モデル3は、分子動力学計算において、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、フィラー粒子モデル3には、質量、直径、電荷又は初期座標などのパラメータが定義される。 Each filler particle model 3 is represented by a sphere having a diameter. Such filler particle model 3 is treated as a mass point of the equation of motion in the molecular dynamics calculation. That is, the filler particle model 3 defines parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates.
結合鎖モデル4は、例えば、下記式(2)に示すLennard-Jonesポテンシャル(以下、単に「LJポテンシャル」ということがある。)P1と、下記式(3)に示すFENEポテンシャルP2との和で設定されるポテンシャル(P1+P2)で定義される。 The bond chain model 4 is, for example, a sum of a Lennard-Jones potential (hereinafter sometimes simply referred to as “LJ potential”) P1 represented by the following formula (2) and a FENE potential P2 represented by the following formula (3). It is defined by the set potential (P1 + P2).
ここで、各定数及び変数は、次のとおりである。
rij:各フィラー粒子モデル間の距離
rc:カットオフ距離
r0:伸びきり長
k:各フィラー粒子モデル間のばね定数
ε:各フィラー粒子モデル間に定義されるLJポテンシャルの強度
σ:各フィラー粒子モデルの直径に相当
なお、各フィラー粒子モデル3、3間の距離rij、カットオフ距離rc、伸びきり長r0、及び、LJポテンシャルが作用する距離σは、各フィラー粒子モデル3の中心3c、3c間の距離として定義される。
Here, each constant and variable are as follows.
r ij : Distance between each filler particle model r c : Cut-off distance r 0 : Full extension length k: Spring constant between each filler particle model ε: LJ potential strength defined between each filler particle model σ: Each It corresponds to the diameter of the filler particle model. Note that the distance r ij between the filler particle models 3 and 3, the cut-off distance r c , the extension length r 0 , and the distance σ on which the LJ potential acts are the respective filler particle models 3. Defined as the distance between the centers 3c and 3c.
LJポテンシャルP1は、フィラー粒子モデル3、3間の距離rijがカットオフ距離rcよりも小さくなるほど、その値が大きくなる。一方、FENEポテンシャルP2は、距離rijがカットオフ距離rcよりも大きくなるほど、その値が大きくなる。従って、結合鎖モデル4には、距離rijを、LJポテンシャルP1とFENEポテンシャルP2とが互いに釣り合う位置に戻そうとする復元力が定義される。 LJ potential P1 is as the distance r ij between filler particles model 3,3 is smaller than the cutoff distance r c, the value increases. On the other hand, FENE potential P2, the distance r ij is greater than the cutoff distance r c, the value increases. Therefore, the bond chain model 4 defines a restoring force that attempts to return the distance r ij to a position where the LJ potential P1 and the FENE potential P2 are balanced with each other.
また、上記式(3)では、フィラー粒子モデル3、3間の距離rijが伸びきり長r0以上となる場合、FENEポテンシャルP2が∞に設定される。従って、結合鎖モデル4は、距離rijが、伸びきり長r0以上になることを許容しない。このような結合鎖モデル4は、分子動力学計算において、現実のフィラーモデル2の挙動に効果的に近似させることができる。 Further, in the above formula (3), when the distance r ij between the filler particle models 3 and 3 becomes the full length r 0 or more, the FENE potential P2 is set to ∞. Therefore, the bond chain model 4 does not allow the distance r ij to be longer than the full length r 0 . Such a bond chain model 4 can be effectively approximated to the behavior of the actual filler model 2 in the molecular dynamics calculation.
なお、LJポテンシャルP1及びFENEポテンシャルP2の強度ε、伸びきり長r0及び粒子の直径σについては、適宜設定することができる。これらの定数は、例えば、論文(Kurt Kremer & Gary S. Grest 著「Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation」、J. Chem Phys. vol.92, No.8, 15 April 1990)に基づいて、下記のように設定されるのが望ましい。
強度ε:1.0
伸びきり長r0:1.5
距離σ:1.0
Note that the strength ε, elongation length r 0, and particle diameter σ of the LJ potential P1 and the FENE potential P2 can be set as appropriate. These constants are described, for example, in a paper (Kurt Kremer & Gary S. Grest, “Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation”, J. Chem Phys. Vol. 92, No. 8, 15 April 1990). Based on this, it is desirable to set as follows.
Strength ε: 1.0
Full length r 0 : 1.5
Distance σ: 1.0
また、ばね定数kは、フィラーモデル2の剛性を決定するパラメータである。このため、ばね定数kは、解析対象のフィラーの剛性に基づいて、10〜5000の範囲内で設定されるのが望ましい。なお、ばね定数kが10未満の場合には、フィラーモデル2の剛性が過度に小さくなり、シミュレーション精度が低下するおそれがある。逆に、ばね定数kが5000を超えても、フィラーモデル2の変形が実質的に許容されなくなり、分子動力学計算が不安定になるおそれがある。このような観点より、ばね定数kは、より好ましくは20以上、さらに好ましくは25以上が望ましく、また、より好ましくは3000以下、さらに好ましくは2500以下が望ましい。 The spring constant k is a parameter that determines the rigidity of the filler model 2. For this reason, it is desirable that the spring constant k is set within a range of 10 to 5000 based on the rigidity of the filler to be analyzed. In addition, when the spring constant k is less than 10, the rigidity of the filler model 2 becomes excessively small, and the simulation accuracy may be reduced. On the other hand, even if the spring constant k exceeds 5000, deformation of the filler model 2 is substantially not allowed and the molecular dynamics calculation may become unstable. From such a viewpoint, the spring constant k is more preferably 20 or more, further preferably 25 or more, more preferably 3000 or less, and further preferably 2500 or less.
また、結合鎖モデル4は、下記式(4)に示す結合ポテンシャルP3で定義されてもよい。 Further, the bond chain model 4 may be defined by a bond potential P3 shown in the following formula (4).
ここで、各定数及び変数は、次に示すものを除いて、上記式(2)、(3)と同一である。
r0:平衡長
Here, the constants and variables are the same as those in the equations (2) and (3) except for the following.
r 0 : equilibrium length
上記式(4)で定義される結合ポテンシャルP3は、Harmonic型である。Harmonic型とは、いわゆる線形バネが定義され、平衡長r0からのずれの大きさに比例した復元力が働くポテンシャルである。 The bond potential P3 defined by the above formula (4) is a Harmonic type. The Harmonic type is a potential in which a so-called linear spring is defined and a restoring force proportional to the deviation from the equilibrium length r 0 acts.
また、上記式(4)において、フィラー粒子モデル間の距離rijと平衡長r0とが等しい場合には、結合ポテンシャルP3が0となる。また、距離rijが平衡長r0よりも大である場合は、該距離rijが大きくなるほど、結合ポテンシャルP3が大きくなる。一方、距離rijが平衡長r0よりも小である場合は、該距離rijが小さくなるほど、結合ポテンシャルP3が大きくなる。このように、結合ポテンシャルP3では、距離rijを平衡長r0に戻そうとする復元力が定義される。また、結合ポテンシャルP3は、LJポテンシャルP1及びFENEポテンシャルP2とは異なり、距離rijの上限値が、平衡長r0に限定されない。 In the above equation (4), when the distance r ij between the filler particle models and the equilibrium length r 0 are equal, the coupling potential P3 is zero. When the distance r ij is greater than the equilibrium length r 0 , the coupling potential P3 increases as the distance r ij increases. On the other hand, when the distance r ij is smaller than the equilibrium length r 0, the more the distance r ij is small, bonding potential P3 increases. Thus, in the coupling potential P3, a restoring force that attempts to return the distance r ij to the equilibrium length r 0 is defined. Further, unlike the LJ potential P1 and the FENE potential P2, the upper limit value of the distance r ij is not limited to the equilibrium length r 0 .
なお、上記式(4)の平衡長r0の値は、適宜設定することができる。本実施形態では、LJポテンシャルP1とFENEポテンシャルP2との和で設定されるポテンシャル(P1+P2)で定義される結合鎖モデル4に近似するように設定されるのが望ましい。 Note that the value of the equilibrium length r 0 in the above equation (4) can be set as appropriate. In this embodiment, it is desirable to set so as to approximate the bond chain model 4 defined by the potential (P1 + P2) set by the sum of the LJ potential P1 and the FENE potential P2.
また、上記式(4)のばね定数kは、上記式(3)のばね定数kと同様に、フィラーモデル2の剛性を決定するパラメータである。上記式(4)のばね定数kは、解析対象のフィラーの剛性に基づいて、50〜5000の範囲内で設定されるのが望ましい。なお、ばね定数kが50未満の場合には、フィラーモデル2の剛性が過度に小さくなり、シミュレーション精度が低下するおそれがある。逆に、ばね定数kが5000を超えても、フィラーモデル2の変形が実質的に許容されなくなり、分子動力学計算が不安定になるおそれがある。このような観点より、ばね定数kは、より好ましくは300以上、さらに好ましくは700以上が望ましく、また、より好ましくは3000以下、さらに好ましくは2500以下が望ましい。 Further, the spring constant k in the above equation (4) is a parameter for determining the rigidity of the filler model 2 in the same manner as the spring constant k in the above equation (3). The spring constant k in the above formula (4) is preferably set within the range of 50 to 5000 based on the rigidity of the filler to be analyzed. In addition, when the spring constant k is less than 50, the rigidity of the filler model 2 becomes excessively small, and the simulation accuracy may be reduced. On the other hand, even if the spring constant k exceeds 5000, deformation of the filler model 2 is substantially not allowed and the molecular dynamics calculation may become unstable. From such a viewpoint, the spring constant k is more preferably 300 or more, still more preferably 700 or more, more preferably 3000 or less, and further preferably 2500 or less.
図4には、本実施形態の作成方法の処理手順の一例が示されている。本実施形態の作成方法では、先ず、図5に示されるように、コンピュータ1に、一つのフィラー粒子モデル3からなる中心部6が設定される(第1工程S1)。第1工程S1では、例えば、予め定められた体積を持つ仮想空間7の中に、中心部6が定義される。そして、中心部6の質量、直径及び初期座標などを含む数値データが、コンピュータ1に記憶される。 FIG. 4 shows an example of the processing procedure of the creation method of the present embodiment. In the creation method of the present embodiment, first, as shown in FIG. 5, a central portion 6 composed of one filler particle model 3 is set in the computer 1 (first step S <b> 1). In the first step S1, for example, the central portion 6 is defined in the virtual space 7 having a predetermined volume. Numerical data including the mass, diameter, initial coordinates, and the like of the central portion 6 is stored in the computer 1.
仮想空間7は、解析対象のゴムポリマーの微小構造部分に相当し、例えば立方体として定義される。また、仮想空間7の1辺の長さL2は、適宜設定することができるが、例えば、フィラーモデル2の直径L1の2倍以上、本実施形態では、10σ以上が望ましい。 The virtual space 7 corresponds to a microstructure portion of the rubber polymer to be analyzed, and is defined as a cube, for example. In addition, the length L2 of one side of the virtual space 7 can be set as appropriate. For example, the length L2 of the filler model 2 is twice or more, preferably 10σ or more in this embodiment.
次に、コンピュータ1に、中心部6の外側に、複数のフィラー粒子モデル3を同心球面状に配置したフィラー粒子モデル群からなる層を複数設定する(第2工程S2)。図6には、本実施形態の第2工程S2の処理手順の一例が示されている。 Next, a plurality of layers composed of filler particle model groups in which a plurality of filler particle models 3 are arranged concentrically on the outside of the central portion 6 are set in the computer 1 (second step S2). FIG. 6 shows an example of the processing procedure of the second step S2 of the present embodiment.
本実施形態の第2工程S2では、先ず、フィラーモデル2の第2層U2(図3に示す)が設定される(初期設定工程S21)。図7には、本実施形態の初期設定工程S21の一例が例示される。本実施形態の初期設定工程S21では、先ず、初期条件として、定数Mに2が設定される(工程S211)。この定数Mは、コンピュータ1に記憶される。 In the second step S2 of the present embodiment, first, the second layer U2 (shown in FIG. 3) of the filler model 2 is set (initial setting step S21). FIG. 7 illustrates an example of the initial setting step S21 of the present embodiment. In the initial setting step S21 of the present embodiment, first, 2 is set as a constant M as an initial condition (step S211). This constant M is stored in the computer 1.
次に、第2層U2(図3に示す)を構成するフィラー粒子モデル3が配置される(配置工程S212)。図8には、本実施形態の配置工程S212の処理手順の一例が示されている。 Next, the filler particle model 3 constituting the second layer U2 (shown in FIG. 3) is arranged (arrangement step S212). FIG. 8 shows an example of the processing procedure of the arrangement step S212 of the present embodiment.
配置工程S212では、先ず、図9に示されるように、中心部6のフィラー粒子モデル3の中心点3gを中心とした半径R2の第2層U2の球面Tが設定される(工程S61)。第2層U2の球面Tは、下記式(5)から求められる半径R2に基づいて設定される。
RM=B×(M−1)…(5)
ここで、定数及び変数は次のとおりである。
B:半径RMの増分距離
In disposing step S212, first, as shown in FIG. 9, the spherical T of the second layer U2 radius R 2 centered on the center point 3g of the filler particles model 3 of the central portion 6 is set (step S61) . The spherical surface T of the second layer U2 is set based on the radius R 2 obtained from the following equation (5).
R M = B × (M−1) (5)
Here, the constants and variables are as follows.
B: increment distance radius R M
上記式(5)では、第M番目の球面Tの半径RMが、一定の増分距離Bに基づいて設定される。これにより、各層Uの球面Tは、半径方向で隣り合う層Uの球面Tと、一定の距離(増分距離B)を隔てて配置される。また、増分距離Bは、適宜設定することができるが、フィラー粒子モデル3の直径(半径r(図10に示す)×2)よりも大に設定されるのが望ましい。この工程S61では、第2層の球面Tが、半径RM=増分距離Bに基づいて設定される。なお、第2層U2の球面Tは、座標を含む数値データであり、コンピュータ1に記憶される。 In the above equation (5), the radius R M of the Mth spherical surface T is set based on a constant incremental distance B. Thereby, the spherical surface T of each layer U is arranged at a certain distance (incremental distance B) from the spherical surface T of the layer U adjacent in the radial direction. The incremental distance B can be set as appropriate, but is preferably set larger than the diameter (radius r (shown in FIG. 10) × 2) of the filler particle model 3. In this step S61, the spherical surface T of the second layer is set based on the radius R M = incremental distance B. The spherical surface T of the second layer U2 is numerical data including coordinates and is stored in the computer 1.
次に、第2層U2のフィラー粒子モデル3の個数N2が決定される(工程S62)。図10に示されるように、本実施形態では、下記式(1)を用いて、個数N2を決定する。 Next, the number N 2 of filler particle models 3 in the second layer U2 is determined (step S62). As shown in FIG. 10, in the present embodiment, the number N 2 is determined using the following formula (1).
ここで、
NM:第M番目の層のフィラー粒子モデルの個数
RM:第M番目の層の球面の半径
r:フィラー粒子モデルの半径
ρM:第M番目の層のフィラー粒子の数密度
here,
N M : Number of filler particle models of the Mth layer R M : Radius of the spherical surface of the Mth layer r: Radius of the filler particle model ρ M : Number density of filler particles of the Mth layer
上記式(1)では、例えば、第2層U2の球面Tの半径R2と、フィラー粒子モデル3の半径rとの和(R2+r)を半径とする外側球面11、及び、第2層U2の球面Tの半径R2と、フィラー粒子モデル3の半径rとの差(R2−r)を半径とする内側球面12の間の領域13において、フィラー粒子モデル3を配置できる最大の個数N2を求めている。なお、上記式(1)で求められる個数N2に小数部分が含まれる場合は、小数点以下が切り捨てられるのが望ましい。これにより、工程S62では、第2層U2のフィラー粒子モデル3を、領域13に確実に配置できる個数N2を求めることができる。このような個数N2は、コンピュータ1に記憶される。また、数密度ρMは、各層において適宜変更することができる。 In the above formula (1), for example, the outer spherical surface 11 whose radius is the sum (R 2 + r) of the radius R 2 of the spherical surface T of the second layer U2 and the radius r of the filler particle model 3, and the second layer The maximum number of filler particles 3 that can be arranged in the region 13 between the inner spheres 12 whose radius is the difference (R 2 −r) between the radius R 2 of the spherical surface T of U 2 and the radius r of the filler particle model 3. N 2 is being sought. Incidentally, if it contains the number N 2 in the fractional part obtained by the above formula (1) is, the decimal point is truncated desirable. Thus, in step S62, the filler particles model 3 of the second layer U2, it is possible to determine the number N 2 which can be reliably disposed in the region 13. Such a number N 2 is stored in the computer 1. Further, the number density ρ M can be appropriately changed in each layer.
次に、図11に示されるように、第2層U2の球面Tに、第2層U2を構成するフィラー粒子モデル3が配置される(工程S63)。この工程S63は、上記式(1)で求められた個数N2分のフィラー粒子モデル3を、例えば乱数関数に従って、第2層U2の球面Tに配置している。これにより、フィラー粒子モデル3が、中心部6から半径方向に距離を隔てて配置されたフィラー粒子モデル群8からなる第2層U2を設定することができる。従って、工程S63では、第2層U2のフィラー粒子モデル3が、半径方向で隣接する中心部6のフィラー粒子モデル3と重なって配置されるのを防ぐことができる。 Next, as shown in FIG. 11, the filler particle model 3 constituting the second layer U2 is arranged on the spherical surface T of the second layer U2 (step S63). In this step S63, the filler particle model 3 for the number N 2 obtained by the above formula (1) is arranged on the spherical surface T of the second layer U2 according to, for example, a random number function. Thereby, the 2nd layer U2 which the filler particle model 3 consists of the filler particle model group 8 arrange | positioned at the radial direction from the center part 6 can be set. Therefore, in step S63, it is possible to prevent the filler particle model 3 of the second layer U2 from being overlapped with the filler particle model 3 of the central portion 6 adjacent in the radial direction.
また、本実施形態では、第2層U2のフィラー粒子モデル3の中心点3gを、第2層U2の球面T上に配置している。これにより、工程S63では、第2層U2の各フィラー粒子モデル3を、半径方向にバラつかせることなく、領域13内に配置することができる。そして、工程S63では、第2層U2のフィラー粒子モデル3の座標を含む数値データが、コンピュータ1に記憶される。 In the present embodiment, the center point 3g of the filler particle model 3 of the second layer U2 is disposed on the spherical surface T of the second layer U2. Thereby, in process S63, each filler particle model 3 of 2nd layer U2 can be arrange | positioned in the area | region 13 without making the radial direction vary. In step S63, numerical data including the coordinates of the filler particle model 3 of the second layer U2 is stored in the computer 1.
次に、図12に示されるように、コンピュータ1が、第1層U1のフィラー粒子モデル3と、第2層U2のフィラー粒子モデル3とを、結合鎖モデル4で連結する(結合工程S213)。この結合工程S213では、第2層U2の各フィラー粒子モデル3が、第1層U1のフィラー粒子モデル3(中心部6)に、少なくとも一つ、本実施形態では一つの結合鎖モデル4で連結されている。これにより、第1層U1のフィラー粒子モデル3と、第2層U2のフィラー粒子モデル3とが互いに拘束され、第1層U1〜第2層U2からなるフィラーモデル2が設定される。そして、結合工程S213では、結合鎖モデル4を定義する数値データが、コンピュータ1に記憶される。 Next, as shown in FIG. 12, the computer 1 connects the filler particle model 3 of the first layer U1 and the filler particle model 3 of the second layer U2 with a bond chain model 4 (bonding step S213). . In this bonding step S213, each filler particle model 3 of the second layer U2 is connected to the filler particle model 3 (center portion 6) of the first layer U1 by at least one bond chain model 4 in this embodiment. Has been. Thereby, the filler particle model 3 of the first layer U1 and the filler particle model 3 of the second layer U2 are constrained to each other, and the filler model 2 including the first layer U1 to the second layer U2 is set. In the coupling step S213, numerical data defining the coupled chain model 4 is stored in the computer 1.
次に、コンピュータ1が、第2層U2のフィラー粒子モデル3を対象に、分子力場計算及び分子動力学計算する(工程S214)。この工程S214では、第1層U1のフィラー粒子モデル3と第2層U2の各フィラー粒子モデル3との間、及び第2層U2の隣接するフィラー粒子モデル3、3間に、上記式(2)のLJポテンシャルP1が設定される。さらに、工程S214では、結合鎖モデル4に沿って、上記式(3)のFENEポテンシャルP2が設定される。そして、第1層U1及び第2層U2の全てのフィラー粒子モデル3を対象に分子動力学計算が行われる。 Next, the computer 1 performs molecular force field calculation and molecular dynamics calculation for the filler particle model 3 of the second layer U2 (step S214). In this step S214, the above formula (2) is applied between the filler particle model 3 of the first layer U1 and each filler particle model 3 of the second layer U2 and between the adjacent filler particle models 3 and 3 of the second layer U2. ) LJ potential P1 is set. Further, in step S214, the FENE potential P2 of the above formula (3) is set along the bond chain model 4. Then, molecular dynamics calculation is performed on all filler particle models 3 in the first layer U1 and the second layer U2.
本実施形態の分子力場計算は、フィラー粒子モデル3の重なりを除去するために実施される。また、本実施形態の分子動力学計算では、例えば、仮想空間7について所定の時間、配置した第1層U1及び第2層U2の全てのフィラー粒子モデル3が古典力学に従うものとして、ニュートンの運動方程式が適用される。そして、各時刻での第1層U1及び第2層U2の全てのフィラー粒子モデル3の動きが追跡される。また、分子動力学計算を行うに際しては、系内の粒子、体積及び温度は一定で行われる。これにより、工程S214では、第2層U2のフィラー粒子モデル3の平衡状態を計算することができるため、同一の層で隣接するフィラー粒子モデル3、3同士の重なりを取り除くことができる。そして、工程S214では、平衡状態の第2層U2のフィラー粒子モデル3の座標を含む数値データが、コンピュータ1に記憶される。 The molecular force field calculation of this embodiment is performed in order to remove the overlap of the filler particle model 3. In the molecular dynamics calculation of the present embodiment, for example, it is assumed that all filler particle models 3 in the first layer U1 and the second layer U2 arranged in the virtual space 7 for a predetermined time follow classical mechanics. The equation is applied. Then, the movement of all filler particle models 3 in the first layer U1 and the second layer U2 at each time is tracked. Further, when performing molecular dynamics calculation, the particles, volume and temperature in the system are kept constant. Thereby, in step S214, since the equilibrium state of the filler particle model 3 of the second layer U2 can be calculated, the overlap between the filler particle models 3 and 3 adjacent to each other in the same layer can be removed. In step S214, numerical data including the coordinates of the filler particle model 3 of the second layer U2 in the equilibrium state is stored in the computer 1.
上述したように、LJポテンシャルP1は、フィラー粒子モデル3、3間の距離rijが小さくなるほど大きくなる。このため、配置工程S212直後では、隣接するフィラー粒子モデル3、3間の距離が非常に小さいと、LJポテンシャルP1が非常に大きくなり、計算が強制的に中断されるおそれがある。 As described above, the LJ potential P1 increases as the distance r ij between the filler particle models 3 and 3 decreases. For this reason, immediately after the arrangement step S212, if the distance between the adjacent filler particle models 3 and 3 is very small, the LJ potential P1 becomes very large and the calculation may be forcibly interrupted.
従って、工程S214では、LJポテンシャルP1の直径に相当するパラメータσを予め小さくして、分子動力学計算が開始されるのが望ましい。これにより、工程S214では、LJポテンシャルP1が大きくなることに起因する計算の中断を防ぐことができる。また、工程S214では、直径に相当するパラメータσを徐々に大きくして、分子動力学計算が実施されるのが望ましい。これにより、工程S214では、隣接するフィラー粒子モデル3、3を徐々に離間させることができ、第2層U2のフィラー粒子モデル3の平衡状態を効率的に計算することができる。 Accordingly, in step S214, it is desirable that the parameter σ corresponding to the diameter of the LJ potential P1 is reduced in advance to start the molecular dynamics calculation. As a result, in step S214, it is possible to prevent the interruption of the calculation due to the increase in the LJ potential P1. In step S214, it is desirable that the parameter σ corresponding to the diameter is gradually increased to perform molecular dynamics calculation. Thereby, in process S214, the adjacent filler particle models 3 and 3 can be gradually spaced apart, and the equilibrium state of the filler particle model 3 of the second layer U2 can be efficiently calculated.
次に、第2層U2のフィラー粒子モデル3が十分に緩和されたか否かが判断される(工程S215)。この工程S215では、第2層U2のフィラー粒子モデル3が十分に緩和されたと判断された場合、次の主設定工程S22が実施される。一方、第2層U2のフィラー粒子モデル3の緩和が不十分と判断された場合は、単位時間を一つ進めて(工程S216)、工程S214が再度実施される。これにより、工程S214は、第2層U2のフィラー粒子モデル3の平衡状態を確実に計算することができる。 Next, it is determined whether or not the filler particle model 3 of the second layer U2 has been sufficiently relaxed (step S215). In this step S215, when it is determined that the filler particle model 3 of the second layer U2 has been sufficiently relaxed, the next main setting step S22 is performed. On the other hand, when it is determined that the relaxation of the filler particle model 3 of the second layer U2 is insufficient, the unit time is advanced by one (step S216), and step S214 is performed again. Thereby, step S214 can reliably calculate the equilibrium state of the filler particle model 3 of the second layer U2.
本実施形態の初期設定工程S21では、配置工程S212、結合工程S213及び工程S214が独立して説明されたが、コンピュータ1によって、これらの工程が同時に実施されてもよい。 In the initial setting step S21 of the present embodiment, the placement step S212, the combining step S213, and the step S214 have been described independently, but these steps may be performed simultaneously by the computer 1.
次に、フィラーモデル2の第3番目の層(以下、単に第3層ということがある)U3から、第N層UNまでの各層Uが設定される(主設定工程S22)。図13には、本実施形態の主設定工程S22の一例が例示される。 Next, each layer U from the third layer (hereinafter sometimes simply referred to as the third layer) U3 of the filler model 2 to the Nth layer UN is set (main setting step S22). FIG. 13 illustrates an example of the main setting step S22 of the present embodiment.
本実施形態の主設定工程S22では、先ず、初期条件として、定数Mに3が設定される(工程S221)。この定数Mは、コンピュータ1に記憶される。 In the main setting step S22 of the present embodiment, first, 3 is set as a constant M as an initial condition (step S221). This constant M is stored in the computer 1.
次に、コンピュータ1に、第M番目の層U(例えば、第3層U3)を構成するフィラー粒子モデル3が配置される(配置工程S222)。図14には、本実施形態の配置工程S222の処理手順の一例が示されている。 Next, the filler particle model 3 constituting the Mth layer U (for example, the third layer U3) is arranged on the computer 1 (arrangement step S222). FIG. 14 shows an example of the processing procedure of the arrangement step S222 of the present embodiment.
配置工程S222では、先ず、第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3の個数NMが、上記式(1)で決定される(工程S71)。図15に示されるように、工程S71では、初期設定工程S21と同様に、半径(R3+r)の外側球面11と、半径(R3−r)の内側球面12との間で挟まれる領域13において、第3層U3のフィラー粒子モデル3を配置できる最大の個数N3を求めることができる。このような個数N3は、コンピュータ1に記憶される。 In the arranging step S222, first, the number N M of the filler particle models 3 in the Mth layer (for example, the third layer U3) is determined by the above formula (1) (step S71). As shown in FIG. 15, in step S71, as in the initial setting step S21, a region sandwiched between the outer spherical surface 11 having a radius (R 3 + r) and the inner spherical surface 12 having a radius (R 3 −r). 13, the maximum number N 3 at which the filler particle model 3 of the third layer U3 can be arranged can be obtained. Such a number N 3 is stored in the computer 1.
次に、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)の1個あたりのフィラー粒子モデル3に連結される第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3の個数が決定される(工程S72)。この工程S72では、第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3の個数NMを、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)のフィラー粒子モデル3の個数で除することにより、第2層U2の1個あたりのフィラー粒子モデル3に連結される第3層U3のフィラー粒子モデル3の個数を求めることができる。このような個数は、コンピュータ1に記憶される。 Next, the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3) connected to the filler particle model 3 per one of the M-1th layer (for example, the second layer U2). The number is determined (step S72). In this step S72, the number NM of the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3) is set to the number N M of the filler particle model 3 of the M−1th layer (for example, the second layer U2). By dividing by the number, the number of filler particle models 3 of the third layer U3 connected to the filler particle model 3 per one of the second layer U2 can be obtained. Such a number is stored in the computer 1.
次に、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)のフィラー粒子モデル3に、結合鎖モデル4を介して連結するための第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3が決定される(決定工程S73)。図16には、本実施形態の決定工程S73の処理手順の一例が示されている。 Next, the M-th layer (for example, the third layer U3) to be connected to the filler particle model 3 of the M-1th layer (for example, the second layer U2) via the bond chain model 4 The filler particle model 3 is determined (determination step S73). FIG. 16 shows an example of the processing procedure of the determination step S73 of the present embodiment.
本実施形態の決定工程S73は、先ず、図17に示されるように、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)において、一つのフィラー粒子モデル3が選択される(工程S81)。この選択されたフィラー粒子モデル3の数値データが、コンピュータ1に記憶される。 In the determination step S73 of the present embodiment, first, as shown in FIG. 17, one filler particle model 3 is selected in the (M-1) th layer (for example, the second layer U2) (step S81). . Numerical data of the selected filler particle model 3 is stored in the computer 1.
次に、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)の選択されたフィラー粒子モデル3の中心点3gを頂点とする円錐18の円周16が計算される(工程S82)。この工程S82は、先ず、第M−1番目の層の選択されたフィラー粒子モデル3の中心点3gと、中心部6のフィラー粒子モデル3の中心点3gとを結ぶ直線15Lが定義される。そして、直線15Lを中心軸15として、選択されたフィラー粒子モデル3の中心点3gを頂点とし、かつ、フィラー粒子モデル3の直径(半径r(図10に示す)×2)を母線の長さとする円錐18の円周16を計算する。この円周16は、座標を含む数値データであり、コンピュータ1に記憶される。 Next, the circumference 16 of the cone 18 having the apex at the center point 3g of the selected filler particle model 3 of the M-1st layer (for example, the second layer U2) is calculated (step S82). In this step S82, first, a straight line 15L connecting the center point 3g of the selected filler particle model 3 of the (M-1) th layer and the center point 3g of the filler particle model 3 in the central portion 6 is defined. Then, with the straight line 15L as the center axis 15, the center point 3g of the selected filler particle model 3 as the apex, and the diameter (radius r (shown in FIG. 10) × 2) of the filler particle model 3 is the length of the bus The circumference 16 of the cone 18 is calculated. The circumference 16 is numerical data including coordinates, and is stored in the computer 1.
次に、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)の1個あたりのフィラー粒子モデル3に連結される第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3の個数に基づいて、該個数分のフィラー粒子モデル3が円周16に囲まれる第M番目の層の球面上に配置される(工程S83)。図17及び図18に示されるように、本実施形態の球面20は、中心部6のフィラー粒子モデル3の中心点3gを中心とする第M層(例えば、第3層U3)の球面Tのうち、円周16に囲まれる(即ち、円周16よりも外側)領域である。工程S83では、第M番目の層のフィラー粒子モデル3の中心点3gが球面20上に位置するように、フィラー粒子モデル3が配置される。 Next, the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3) connected to the filler particle model 3 per one of the M-1th layer (for example, the second layer U2). Based on the number, the filler particle models 3 corresponding to the number are arranged on the spherical surface of the Mth layer surrounded by the circumference 16 (step S83). As shown in FIGS. 17 and 18, the spherical surface 20 of the present embodiment is the surface of the spherical surface T of the Mth layer (for example, the third layer U3) centered on the center point 3g of the filler particle model 3 in the center portion 6. Of these, the region is surrounded by the circumference 16 (that is, outside the circumference 16). In step S83, the filler particle model 3 is arranged so that the center point 3g of the filler particle model 3 of the Mth layer is located on the spherical surface 20.
次に、円周16に囲まれる第M番目の層の球面20上に存在するフィラー粒子モデル3が、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)の選択されたフィラー粒子モデル3に連結されるものとして決定される(工程S84)。この工程S84では、円周16に囲まれる球面20上に存在するフィラー粒子モデル3を、第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3として、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)の選択されたフィラー粒子モデル3に連結されるものと決定している。これらの連結するものと決定された第3層U3のフィラー粒子モデル3と第2層U2のフィラー粒子モデル3との対19(例えば、座標データ)が、コンピュータ1に記憶される。なお、工程S83及び工程S84は、コンピュータ1によって同時に実施されてもよい。 Next, the filler particle model 3 existing on the spherical surface 20 of the Mth layer surrounded by the circumference 16 is the selected filler particle model 3 of the M−1th layer (for example, the second layer U2). (Step S84). In this step S84, the filler particle model 3 existing on the spherical surface 20 surrounded by the circumference 16 is used as the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3), and the (M−1) th layer. It is determined to be connected to the selected filler particle model 3 (for example, the second layer U2). A pair 19 (for example, coordinate data) of the filler particle model 3 of the third layer U3 and the filler particle model 3 of the second layer U2 determined to be connected is stored in the computer 1. Step S83 and step S84 may be performed simultaneously by the computer 1.
なお、円周16に囲まれる球面20上に存在する第3層U3のフィラー粒子モデル3のうち、第2層U2の他のフィラー粒子モデル3との連結が既に決定されているフィラー粒子モデル3は、連結対象から除外される。 In addition, among the filler particle models 3 of the third layer U3 existing on the spherical surface 20 surrounded by the circumference 16, the filler particle model 3 whose connection with the other filler particle models 3 of the second layer U2 has already been determined. Are excluded from the scope of consolidation.
次に、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)の全てのフィラー粒子モデル3が選択されたか否かが判断される(工程S85)。この工程S85では、全てのフィラー粒子モデル3が選択されたと判断された場合は、次の結合工程S223が実施される。一方、全てのフィラー粒子モデル3が選択されていないと判断された場合には、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)において、未だ選択されていない1つのフィラー粒子モデル3を選択し(工程S86)、工程S82〜S85が再度実施される。これにより、決定工程S73では、図18に示されるように、第2層U2の全てのフィラー粒子モデル3において、第3層U3のフィラー粒子モデル3との結合を定義することができる。 Next, it is determined whether or not all the filler particle models 3 of the M-1st layer (for example, the second layer U2) have been selected (step S85). In this step S85, when it is determined that all the filler particle models 3 have been selected, the next combining step S223 is performed. On the other hand, if it is determined that all the filler particle models 3 have not been selected, one filler particle model 3 that has not yet been selected in the (M-1) th layer (for example, the second layer U2). Selection (step S86), steps S82 to S85 are performed again. Thereby, in determination process S73, as FIG. 18 shows, in all the filler particle models 3 of the 2nd layer U2, the coupling | bonding with the filler particle model 3 of the 3rd layer U3 can be defined.
次に、コンピュータ1が、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)のフィラー粒子モデル3と、第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3とを、少なくとも一つの結合鎖モデル4で連結する(結合工程S223)。この結合工程S223では、例えば、決定工程S73において決定された第2層U2のフィラー粒子モデル3と第3層U3のフィラー粒子モデル3との対19に基づいて、図19に示されるように、該フィラー粒子モデル3、3の間に結合鎖モデル4が定義される。これにより、第2層U2のフィラー粒子モデル3と、第3層U3のフィラー粒子モデル3とが、結合鎖モデル4によって互いに拘束される。そして、結合工程S223では、結合鎖モデル4を定義する数値データが、コンピュータ1に記憶される。 Next, the computer 1 combines the filler particle model 3 of the M-1st layer (for example, the second layer U2) and the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3), They are linked by at least one bond chain model 4 (bonding step S223). In this coupling step S223, for example, as shown in FIG. 19, based on the pair 19 of the filler particle model 3 of the second layer U2 and the filler particle model 3 of the third layer U3 determined in the determination step S73, A bond chain model 4 is defined between the filler particle models 3 and 3. Thereby, the filler particle model 3 of the second layer U2 and the filler particle model 3 of the third layer U3 are constrained to each other by the bond chain model 4. In the coupling step S223, numerical data defining the coupled chain model 4 is stored in the computer 1.
次に、コンピュータ1が、第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3を対象に、分子力場計算及び分子動力学計算する(工程S224)。工程S224では、初期設定工程S21で設定されたLJポテンシャルP1及びFENEポテンシャルP2に加えて、さらに、第2層U2のフィラー粒子モデル3と第3層U3の各フィラー粒子モデル3との間、及び第3層U3の隣接するフィラー粒子モデル3、3間に、上記式(2)のLJポテンシャルP1が設定される。また、工程S224では、結合鎖モデル4に沿って、上記式(3)のFENEポテンシャルP2が設定される。そして、第1層U1、第2層U2及び第3層U3の全てのフィラー粒子モデル3を対象に分子力場計算及び分子動力学計算が行われる。 Next, the computer 1 performs molecular force field calculation and molecular dynamics calculation for the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3) (step S224). In step S224, in addition to the LJ potential P1 and the FENE potential P2 set in the initial setting step S21, further, between the filler particle model 3 of the second layer U2 and each filler particle model 3 of the third layer U3, and The LJ potential P1 of the above formula (2) is set between the filler particle models 3 and 3 adjacent to each other in the third layer U3. In step S224, the FENE potential P2 of the above formula (3) is set along the bond chain model 4. Then, molecular force field calculation and molecular dynamics calculation are performed on all filler particle models 3 of the first layer U1, the second layer U2, and the third layer U3.
次に、第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3が十分に緩和されたか否かが判断される(工程S225)。この工程S225では、例えば、第3層U3のフィラー粒子モデル3が十分に緩和されたと判断された場合、次の工程S226が実施される。一方、第3層U3のフィラー粒子モデル3の緩和が不十分と判断された場合は、単位時間を一つ進めて(工程S227)、工程S224が再度実施される。これにより、工程S224は、第3層U3のフィラー粒子モデル3の平衡状態を確実に計算することができる。そして、工程S224では、平衡状態の第3層U3のフィラー粒子モデル3の座標を含む数値データが、コンピュータ1に記憶される。 Next, it is determined whether or not the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3) has been sufficiently relaxed (step S225). In this step S225, for example, when it is determined that the filler particle model 3 of the third layer U3 is sufficiently relaxed, the next step S226 is performed. On the other hand, when it is determined that the relaxation of the filler particle model 3 of the third layer U3 is insufficient, the unit time is advanced by one (step S227), and step S224 is performed again. Thereby, process S224 can calculate the equilibrium state of the filler particle model 3 of the 3rd layer U3 reliably. In step S224, numerical data including the coordinates of the filler particle model 3 of the third layer U3 in the equilibrium state is stored in the computer 1.
このように、工程S224では、初期設定工程S21と同様に、第M番目の層(例えば、第3番目の層U3)のフィラー粒子モデル3の平衡状態が計算されるため、同一の層U3で隣接するフィラー粒子モデル3、3同士の重なりを取り除くことができる。 As described above, in the step S224, as in the initial setting step S21, the equilibrium state of the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3) is calculated. The overlap between adjacent filler particle models 3 and 3 can be removed.
しかも、決定工程S73では、円錐18の円周16に基づいて、第M番目の層(例えば、第3番目の層U3)のフィラー粒子モデル3と、第M−1番目の層(例えば、第2番目の層U2)のフィラー粒子モデル3との連結が決定される。これにより、フィラーモデル2は、各フィラー粒子モデル3、3を、例えば、中心から規則的に分枝した構造であるデンドリマーのように、フィラー粒子モデル3を均質に連結することができる。従って、フィラーモデル2は、該フィラーモデル2の内部の応力分布や相互ポテンシャルにバラツキが生じるのを効果的に抑制することができる。 Moreover, in the determination step S73, based on the circumference 16 of the cone 18, the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3) and the M-1th layer (for example, the first layer) The connection with the filler particle model 3 of the second layer U2) is determined. Thereby, the filler model 2 can connect the filler particle model 3 homogeneously like the dendrimer which is a structure where the filler particle models 3 and 3 are regularly branched from the center, for example. Therefore, the filler model 2 can effectively suppress variations in the stress distribution and mutual potential inside the filler model 2.
このような作用を効果的に発揮させるために、中心軸15と円錐面18sとがなす角度θ1(図17に示す)は、0度以上かつ60度未満が望ましい。なお、角度θ1が0度であると、第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3と、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)のフィラー粒子モデル3とが中心軸15上に配置されるため、上記のような規則的な分岐構造を形成できないおそれがある。逆に、角度θ1が60度を超えても、フィラー粒子モデル3、3が大きく離間し、規則的な分岐構造を形成できないおそれがある。このような観点より、角度θ1は、より好ましくは50度以下が望ましく、また、より好ましくは30度以上が望ましい。 In order to effectively exhibit such an action, the angle θ1 (shown in FIG. 17) formed by the central axis 15 and the conical surface 18s is preferably 0 ° or more and less than 60 °. When the angle θ1 is 0 degree, the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3) and the filler particle model of the M−1th layer (for example, the second layer U2). 3 are arranged on the central axis 15, there is a possibility that the regular branch structure as described above cannot be formed. On the other hand, even if the angle θ1 exceeds 60 degrees, the filler particle models 3 and 3 may be largely separated and a regular branched structure may not be formed. From such a viewpoint, the angle θ1 is more preferably 50 degrees or less, and more preferably 30 degrees or more.
同様の観点より、第M番目の層(例えば、第3層U3)のフィラー粒子モデル3と、第M−1番目の層(例えば、第2層U2)のフィラー粒子モデル3と、第M−2番目の層(例えば、第1層U1)のフィラー粒子モデル3とがなす角度θ2(図19に示す)は、好ましくは90度以上、より好ましくは110度以上が望ましい。 From the same viewpoint, the filler particle model 3 of the Mth layer (for example, the third layer U3), the filler particle model 3 of the M-1th layer (for example, the second layer U2), and the M-th layer The angle θ2 (shown in FIG. 19) formed by the filler particle model 3 of the second layer (for example, the first layer U1) is preferably 90 degrees or more, more preferably 110 degrees or more.
次に、第3番目の層U3から第N番目の層NUまでの全ての層が設定された否かが判断される(工程S226)。この工程S226では、全ての層が設定されたと判断された場合、次の工程S23が実施される。一方、全ての層が設定されていないと判断された場合は、定数Mを1増加させて(工程S228)、工程S222〜S227が再度実施される。これにより、主設定工程S22では、全ての層を確実に設定することができ、フィラーモデル2を作成することができる。 Next, it is determined whether or not all the layers from the third layer U3 to the Nth layer NU have been set (step S226). In step S226, when it is determined that all layers are set, the next step S23 is performed. On the other hand, when it is determined that not all layers are set, the constant M is increased by 1 (step S228), and steps S222 to S227 are performed again. Thereby, in main setting process S22, all the layers can be set reliably and the filler model 2 can be created.
このように、本発明の作成方法では、フィラー粒子モデル3、3同士の重なりを効果的に取り除いて、フィラーモデル2を短時間に作成することができる。また、この方法で得られたモデル(仮想空間7)は、分子動力学計算において、例えば、フィラーモデル2の内部の応力分布や相互ポテンシャルにバラツキが生じるのを抑制でき、ひいては、シミュレーション精度を向上させることができる。 Thus, according to the creation method of the present invention, the filler model 2 can be created in a short time by effectively removing the overlap between the filler particle models 3 and 3. In addition, the model (virtual space 7) obtained by this method can suppress, for example, variations in stress distribution and mutual potential in the filler model 2 in molecular dynamics calculation, thereby improving simulation accuracy. Can be made.
本実施形態の主設定工程S22では、配置工程S222、結合工程S223及び工程S224が独立して説明されたが、コンピュータ1によって、これらの工程が同時に実施されてもよい。 In the main setting step S22 of the present embodiment, the placement step S222, the combining step S223, and the step S224 have been described independently, but these steps may be performed simultaneously by the computer 1.
本実施形態では、図20に示されるように、最も半径方向外側に配置された第N層UNのフィラー粒子モデル3と、該第N層UNの他のフィラー粒子モデル3とを、結合鎖モデル4で連結するのが望ましい(工程S23)。 In this embodiment, as shown in FIG. 20, the filler particle model 3 of the Nth layer UN arranged at the outermost radial direction and the other filler particle model 3 of the Nth layer UN are combined into a bond chain model. 4 is desirable (step S23).
上述のとおり、結合鎖モデル4は、距離rijを、LJポテンシャルP1とFENEポテンシャルP2とが互いに釣り合う位置に戻そうとする復元力が定義される。従って、第N層UNのフィラー粒子モデル3は、結合鎖モデル4で連結された他の第N層UNのフィラー粒子モデル3と一定の距離を保持した状態で拘束されるため、フィラーモデル2の外周面を滑らかにすることができる。このようなフィラーモデル2は、分子動力学計算において、高分子材料をモデル化したポリマーモデル(図示省略)に対してポテンシャルを均一に作用させることができるため、シミュレーション精度を向上させることができる。 As described above, the bond chain model 4 defines a restoring force that attempts to return the distance r ij to a position where the LJ potential P1 and the FENE potential P2 are balanced with each other. Therefore, since the filler particle model 3 of the Nth layer UN is restrained in a state of maintaining a certain distance from the filler particle model 3 of the other Nth layer UN connected by the bond chain model 4, The outer peripheral surface can be smoothed. Such a filler model 2 can improve the simulation accuracy since the potential can be applied uniformly to a polymer model (not shown) obtained by modeling a polymer material in molecular dynamics calculation.
なお、結合鎖モデル4は、隣接するフィラー粒子モデル3、3間に、2つ以上配置されてもよい。これにより、結合鎖モデル4は、隣接するフィラー粒子モデル3、3をより強固に拘束することができるため、フィラーモデル2の外周面を、より効果的に滑らかにすることができる。なお、結合鎖モデル4は、第N層UNの各フィラー粒子モデル3において、所定の距離L3(例えば、1.0〜3.0σ)の範囲内に配置される第N層UNのフィラー粒子モデル3に限定して連結されるのが望ましい。 Two or more bonding chain models 4 may be arranged between adjacent filler particle models 3 and 3. Thereby, since the bond chain model 4 can restrain the adjacent filler particle models 3 and 3 more firmly, the outer peripheral surface of the filler model 2 can be smoothed more effectively. The bond chain model 4 is a filler particle model of the Nth layer UN arranged within a predetermined distance L3 (for example, 1.0 to 3.0σ) in each filler particle model 3 of the Nth layer UN. It is desirable that the connection is limited to three.
以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。 As mentioned above, although especially preferable embodiment of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to embodiment of illustration, It can deform | transform and implement in a various aspect.
図4に示される手順に従って、仮想空間の中に、1つのフィラーモデル(第1層〜第11層、フィラー粒子モデルの合計:5900個)が作成された。また、仮想空間の中に、高分子材料をモデル化した複数のポリマーモデルがランダムに配置された。さらに、フィラーモデルとポリマーモデルとの間に相互ポテンシャル(Lennard-Jonesポテンシャル)を定義して分子動力学計算を実施し、初期モデルが作成された(実施例1)。また、実施例1のフィラーモデルに基づいて、最も半径方向外側に配置された第11番目の層のフィラー粒子モデル同士を、結合鎖モデルで連結したフィラーモデルを含む初期モデルも作成された(実施例2)。 According to the procedure shown in FIG. 4, one filler model (first layer to eleventh layer, total of filler particle models: 5900) was created in the virtual space. In addition, a plurality of polymer models modeling polymer materials are randomly arranged in the virtual space. Furthermore, a molecular potential calculation was performed by defining a mutual potential (Lennard-Jones potential) between the filler model and the polymer model, and an initial model was created (Example 1). In addition, based on the filler model of Example 1, an initial model including a filler model in which filler particle models of the eleventh layer arranged on the outermost radial direction are connected by a bond chain model was also created (implementation) Example 2).
比較のために、仮想空間の中に球(半径:11、2σ)が定義され、この球の中に、LJポテンシャルの(粒子の直径に相当する)パラメータσの値が1となるフィラー粒子モデル(合計:5900個)がランダムに配置され、フィラーモデルが作成された。また、仮想空間の中に、ポリマーモデルがランダムに配置された。さらに、フィラーモデルとポリマーモデルとの間に、上記相互ポテンシャルを定義して分子動力学計算を実施し、初期モデルが作成された(比較例)。 For comparison, a sphere (radius: 11, 2σ) is defined in the virtual space, and in this sphere, a filler particle model in which the value of the parameter σ of the LJ potential (corresponding to the particle diameter) is 1. (Total: 5900) were randomly arranged, and a filler model was created. In addition, polymer models were randomly arranged in the virtual space. Furthermore, molecular dynamics calculation was performed by defining the above mutual potential between the filler model and the polymer model, and an initial model was created (comparative example).
そして、実施例1、実施例2及び比較例のフィラーモデルを作成するのに要した時間がそれぞれ比較された。結果は、実施例1を100とする指数で表示している。数値が小さいほど、フィラーモデルを短時間で作成することができる。 Then, the time required to create the filler models of Example 1, Example 2, and Comparative Example was compared. The results are displayed as an index with Example 1 as 100. The smaller the numerical value, the shorter the filler model can be created.
さらに、実施例1、実施例2、比較例の各モデル(20個ずつ)が、変形速度0.05σ/τとして、変形量が5.0σになるまで変形計算が実施された。そして、実施例1、実施例2及び比較例の各モデルにおいて、変形量が2.5σになったときの応力の標準偏差(サンプル数:20個)がそれぞれ求められた。標準偏差が小さいほど、シミュレーション精度が高いことを示す。
なお、各ポテンシャルの各パラメータは、明細書中の記載とおりであり、共通仕様は次のとおりである。また、テストの結果を表1に示す。
シミュレーションソフト:ソフトマテリアル統合シミュレーターOCTAのCOGNAC
仮想空間:
1辺の長さL2:60σ
フィラーモデル:
ポテンシャルのばね定数k:1000
ポリマーモデル:
本数:1890本
高分子鎖長N:100
Furthermore, deformation calculation was performed for each model (20 models) of Example 1, Example 2, and Comparative Example at a deformation rate of 0.05σ / τ until the deformation amount reached 5.0σ. And in each model of Example 1, Example 2, and a comparative example, the standard deviation (the number of samples: 20) of the stress when the deformation amount became 2.5σ was determined. The smaller the standard deviation, the higher the simulation accuracy.
The parameters for each potential are as described in the specification, and the common specifications are as follows. Table 1 shows the test results.
Simulation software: Soft material integrated simulator OCTA COGNAC
Virtual space:
Side length L2: 60σ
Filler model:
Potential spring constant k: 1000
Polymer model:
Number: 1890 Polymer chain length N: 100
テストの結果、実施例1及び実施例2のフィラーモデルは、比較例のフィラーモデルに比べて、作成時間を短縮できることを確認できた。また、実施例1及び実施例2のモデルは、比較例のモデルに比べて、標準偏差を小さくでき、シミュレーション精度を向上しうることも確認できた。さらに、第11番目の層のフィラー粒子モデル同士を結合鎖モデルで連結した実施例2は、実施例1に比べて、シミュレーション精度を向上しうることを確認できた。 As a result of the test, it was confirmed that the filler models of Example 1 and Example 2 can shorten the preparation time as compared with the filler model of the comparative example. It was also confirmed that the models of Example 1 and Example 2 can reduce the standard deviation and improve the simulation accuracy compared to the model of the comparative example. Furthermore, it has confirmed that Example 2 which connected the filler particle model of the 11th layer with the bond chain model can improve a simulation precision compared with Example 1. FIG.
2 フィラーモデル
3 フィラー粒子モデル
5 結合鎖モデル
6 中心部
2 Filler model 3 Filler particle model 5 Bond chain model 6 Center
Claims (5)
前記コンピュータに、一つのフィラー粒子モデルからなる中心部を設定する第1工程と、
前記コンピュータに、前記中心部の外側に、複数のフィラー粒子モデルが前記中心部のフィラー粒子モデルから半径方向に距離を隔てて同心球面状に配置されたフィラー粒子モデル群からなる層を複数設定する第2工程とを含み、
前記第2工程は、前記コンピュータに、第M番目の層を構成する前記フィラー粒子モデルを配置する配置工程、
前記コンピュータが、第M−1番目の層のフィラー粒子モデルと、前記第M番目の層のフィラー粒子モデルとを、少なくとも一つの前記結合鎖モデルで連結する結合工程、並びに、
前記コンピュータが、前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルを対象に、分子動力学計算する工程を含むことを特徴とするフィラーモデルの作成方法。 A method of creating, using a computer, a three-dimensional filler model including a plurality of filler particle models and at least one bond chain model connecting the plurality of filler particle models,
A first step of setting a central portion consisting of one filler particle model in the computer;
A plurality of layers consisting of a group of filler particle models in which a plurality of filler particle models are arranged concentrically at a distance from the filler particle model in the central portion in the radial direction are set on the computer outside the central portion. Including the second step,
The second step is an arrangement step of arranging the filler particle model constituting the Mth layer in the computer.
A combining step in which the computer connects the filler particle model of the (M-1) th layer and the filler particle model of the Mth layer with at least one bond chain model; and
A method for creating a filler model, wherein the computer includes a step of performing molecular dynamics calculation on the filler particle model of the Mth layer.
前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルの個数NMを、下記式(1)で決定する工程を含む請求項1に記載のフィラーモデルの作成方法。
ここで、
NM:第M番目の層のフィラー粒子モデルの個数
RM:第M番目の層の球面の半径
r:フィラー粒子モデルの半径
ρM:第M番目の層のフィラー粒子の数密度 In the arranging step, a center point of the filler particle model of the Mth layer is arranged on a spherical surface of the Mth layer set with a radius R M centering on the filler particle model of the central portion. And
Wherein the number N M of the filler particles model of the M-th layer, the method of creating a filler model of claim 1 comprising the step of determining by the following formula (1).
here,
N M : Number of filler particle models of the Mth layer R M : Radius of the spherical surface of the Mth layer r: Radius of the filler particle model ρ M : Number density of filler particles of the Mth layer
前記主設定工程は、前記配置工程において、前記第M−1番目の層の前記フィラー粒子モデルに、前記結合鎖モデルを介して連結するための前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルを決定する決定工程を含み、
前記決定工程は、
前記第M−1番目の層の一つのフィラー粒子モデルを選択する工程と、
前記選択されたフィラー粒子モデルの中心点と前記中心部のフィラー粒子モデルの中心点とを結ぶ直線を中心軸として、前記選択されたフィラー粒子モデルの中心点を頂点とし、かつ前記フィラー粒子モデルの直径を母線の長さとする円錐の円周を計算する工程と、
前記円錐の円周に囲まれる球面上に、前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルを配置して、前記第M番目の層の前記フィラー粒子モデルを、前記第M−1番目の層の選択された前記フィラー粒子モデルに連結するものとして決定する工程とを含む請求項2に記載のフィラーモデルの作成方法。 The second step includes a main setting step of setting each layer from the third layer of the filler model to the Nth layer arranged on the outermost side in the radial direction,
The main setting step determines the filler particle model of the Mth layer to be connected to the filler particle model of the M-1st layer through the bond chain model in the arranging step. Including a decision step to
The determination step includes
Selecting one filler particle model of the M-1 th layer;
A straight line connecting the center point of the selected filler particle model and the center point of the filler particle model in the central portion is a central axis, the center point of the selected filler particle model is the vertex, and the filler particle model Calculating the circumference of a cone whose diameter is the length of the busbar;
The filler particle model of the Mth layer is arranged on a spherical surface surrounded by the circumference of the cone, and the filler particle model of the Mth layer is placed on the M-1th layer. The method for creating a filler model according to claim 2, further comprising a step of determining that the selected filler particle model is connected to the selected filler particle model.
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