JP2018101354A - Simulation method of polymer material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To analyze the cutting of a polymer chain.SOLUTION: A simulation method that is a method for analyzing a polymer material by the use of a computer comprises: a step S1 for inputting, into a computer, a polymer chain model including a plurality of particle models and bond models for bonding gaps between the particle models adjacent to each other, on the basis of a polymer chain of a polymer material; a step S2 for defining, to the computer, a first distance for performing the cutting between the adjacent particle models through the bond models; and a simulation step S5 for making the computer deform a polymer material model. The simulation step S5 includes a step for removing the bond model between the particle models when a distance between the adjacent particle models through the bond model is the first distance or more.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、高分子材料のシミュレーション方法に関し、詳しくは高分子材料の高分子鎖の切断を解析するのに役立つ方法に関する。   The present invention relates to a simulation method for a polymer material, and more particularly, to a method useful for analyzing breakage of a polymer chain of the polymer material.

下記特許文献1には、ゴム等の高分子材料の開発のために、高分子材料の性質を、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。   The following Patent Document 1 proposes various simulation methods (numerical calculations) for evaluating the properties of polymer materials using a computer in order to develop polymer materials such as rubber.

この種のシミュレーション方法では、先ず、コンピュータ上に定義された空間に、複数の粒子モデルと、これをつなぐボンドモデルとを含む分子鎖モデルが配置された高分子材料モデルが定義される。次に、高分子材料モデルを用いて、分子動力学に基づく緩和計算が行われる。その後、高分子材料モデルの変形計算が実施される。変形計算の結果から、高分子材料の性能等が推測される。   In this type of simulation method, first, a polymer material model is defined in which a molecular chain model including a plurality of particle models and a bond model connecting the particle models is arranged in a space defined on a computer. Next, relaxation calculation based on molecular dynamics is performed using the polymer material model. Thereafter, deformation calculation of the polymer material model is performed. From the result of the deformation calculation, the performance of the polymer material is estimated.

特許第5913260号公報Japanese Patent No. 5913260

高分子材料モデルの変形計算では、ボンドモデルに伸びの上限値が定義されていることが多く、通常、それ以上伸びないように設定されている。従って、上記シミュレーション方法は、高分子鎖の切断を解析することができない。例えば、高分子鎖の切断状況や、高分子鎖を構成する原子間の結合強度等を評価できないという問題があった。   In the deformation calculation of a polymer material model, the upper limit value of elongation is often defined in the bond model, and is usually set so as not to extend further. Therefore, the simulation method cannot analyze the breakage of the polymer chain. For example, there has been a problem that the state of polymer chain breakage and the bond strength between atoms constituting the polymer chain cannot be evaluated.

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、高分子鎖の切断を解析することができる高分子材料のシミュレーション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 simulation method for a polymer material capable of analyzing the breakage of a polymer chain.

本発明は、コンピュータを用いて、高分子材料を解析するための方法であって、前記高分子材料の高分子鎖に基づいて、複数の粒子モデルと、隣接する前記粒子モデル間を結合するボンドモデルとを含む分子鎖モデルを、前記コンピュータに入力する工程と、前記ボンドモデルを介して隣り合う前記粒子モデル間で切断するための第1距離を、前記コンピュータに定義する工程と、予め定められた空間内に複数の前記分子鎖モデルを配置して、高分子材料モデルを設定する配置工程と、前記コンピュータが、前記高分子材料モデルを変形させるシミュレーション工程とを含み、前記シミュレーション工程は、前記ボンドモデルを介して隣り合う前記粒子モデル間の距離が、前記第1距離以上の場合に、前記粒子モデル間の前記ボンドモデルを削除する工程を含むことを特徴とする。   The present invention is a method for analyzing a polymer material using a computer, and a bond that couples a plurality of particle models and adjacent particle models based on a polymer chain of the polymer material. A step of inputting a molecular chain model including a model into the computer, a step of defining a first distance in the computer for cutting between the particle models adjacent to each other via the bond model, A placement step of placing a plurality of molecular chain models in a space and setting a polymer material model; and a simulation step in which the computer deforms the polymer material model, the simulation step comprising: When the distance between the adjacent particle models via the bond model is equal to or greater than the first distance, the bond model between the particle models is Characterized in that it comprises a step of dividing.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記分子鎖モデルは、前記高分子鎖を構成する複数の原子を、一つの前記粒子モデルに置換した粗視化モデルであるのが望ましい。   In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the molecular chain model is preferably a coarse-grained model in which a plurality of atoms constituting the polymer chain are replaced with one particle model.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第1距離を定義する工程は、前記粒子モデルを構成する複数の前記原子間の解離エネルギーのうち、前記高分子鎖の主鎖を構成する原子間の解離エネルギーであり、かつ、最も小さい解離エネルギーに基づいて、前記第1距離を定義するのが望ましい。   In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the step of defining the first distance constitutes a main chain of the polymer chain among dissociation energies between the plurality of atoms constituting the particle model. It is desirable to define the first distance based on the dissociation energy between atoms and the smallest dissociation energy.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第1距離を定義する工程は、前記粒子モデルを構成する複数の前記原子間の活性化エネルギーのうち、前記高分子鎖の主鎖を構成する原子間の活性化エネルギーであり、かつ、最も小さい活性化エネルギーに基づいて、前記第1距離を定義するのが望ましい。   In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the step of defining the first distance includes a main chain of the polymer chain among activation energies between the plurality of atoms constituting the particle model. It is desirable that the first distance is defined based on the activation energy between the atoms to be activated and the smallest activation energy.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記ボンドモデルは、前記粒子モデル間の距離の上限値である伸びきり長が設定され、前記第1距離は、前記伸びきり長よりも小さいのが望ましい。   In the method for simulating a polymer material according to the present invention, the bond model has an extension length that is an upper limit value of a distance between the particle models, and the first distance is smaller than the extension length. Is desirable.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、隣接する前記分子鎖モデルの前記粒子モデル間を結合する架橋モデルを設定する工程と、前記架橋モデルを介して隣り合う前記粒子モデル間で切断するための第2距離を定義する工程とをさらに含み、前記シミュレーション工程は、前記架橋モデルを介して隣り合う前記粒子モデル間の距離が、前記第2距離以上の場合に、前記粒子モデル間の前記架橋モデルを削除する工程を含むのが望ましい。   In the simulation method of the polymer material according to the present invention, a step of setting a cross-linking model that connects the particle models of the adjacent molecular chain models, and cutting between the adjacent particle models via the cross-linking model Defining a second distance for the simulation, wherein the step of simulating the distance between the particle models when the distance between the particle models adjacent via the bridging model is greater than or equal to the second distance. It is desirable to include a step of deleting the cross-linking model.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第2距離を定義する工程は、前記架橋モデルで定義される架橋結合の解離エネルギーに基づいて、前記第2距離を定義するのが望ましい。   In the simulation method of the polymer material according to the present invention, it is preferable that the step of defining the second distance defines the second distance based on a dissociation energy of a crosslinking bond defined by the crosslinking model.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記架橋モデルは、前記粒子モデル間の距離の上限値である伸びきり長が設定され、前記第2距離は、前記伸びきり長よりも小さいのが望ましい。   In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the bridge model has an extension length that is an upper limit value of the distance between the particle models, and the second distance is smaller than the extension length. Is desirable.

本発明の高分子材料のシミュレーション方法は、ボンドモデルを介して隣り合う粒子モデル間で切断するための第1距離をコンピュータに定義する工程と、コンピュータが、高分子材料モデルを変形させるシミュレーション工程とを含んでいる。シミュレーション工程は、ボンドモデルを介して隣り合う粒子モデル間の距離が、第1距離以上の場合に、粒子モデル間のボンドモデルを削除する工程を含んでいる。   The simulation method of the polymer material of the present invention includes a step of defining a first distance for cutting between adjacent particle models via a bond model in a computer, and a simulation step in which the computer deforms the polymer material model. Is included. The simulation step includes a step of deleting the bond model between the particle models when the distance between the particle models adjacent via the bond model is equal to or greater than the first distance.

このように、本発明の高分子材料のシミュレーション方法は、粒子モデル間のボンドモデルを削除することによって、高分子材料に生じうる高分子鎖の切断を解析することができる。従って、本発明の高分子材料のシミュレーション方法は、例えば、高分子鎖の切断状況や、高分子鎖を構成する原子間の結合強度等を評価することができる。   Thus, the polymer material simulation method of the present invention can analyze the breakage of the polymer chain that may occur in the polymer material by deleting the bond model between the particle models. Therefore, the polymer material simulation method of the present invention can evaluate, for example, the state of polymer chain breakage and the bond strength between atoms constituting the polymer chain.

高分子材料のシミュレーション方法を実行するコンピュータの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the computer which performs the simulation method of a polymeric material. ポリブタジエンの構造式である。It is a structural formula of polybutadiene. シミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of a simulation method. 分子鎖モデルの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of a molecular chain model. 第1ポテンシャルのエネルギー曲線を求めるのに用いた分子モデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the molecular model used for calculating | requiring the energy curve of a 1st potential. 第1ポテンシャルのエネルギー曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the energy curve of 1st potential. 配置工程の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of an arrangement | positioning process. 高分子材料モデルの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of a polymeric material model. シミュレーション工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of a simulation process. (a)は、引き伸ばされた分子鎖モデルの一部を示す図である。(b)は、切断された分子鎖モデルの一部を示す図である。(A) is a figure which shows a part of stretched molecular chain model. (B) is a figure which shows a part of cut | disconnected molecular chain model. 本発明の他の実施形態のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of the simulation method of other embodiment of this invention. 架橋モデルで結合された一対の分子鎖モデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a pair of molecular chain model couple | bonded with the bridge | crosslinking model. 本発明の他の実施形態のシミュレーション工程の一例を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining an example of the simulation process of other embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態の高分子材料のシミュレーション方法(以下、単に「シミュレーション方法」ということがある)は、コンピュータを用いて、高分子材料の高分子鎖の切断を解析するためのものである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The polymer material simulation method of the present embodiment (hereinafter sometimes simply referred to as “simulation method”) is for analyzing the breakage of the polymer chain of the polymer material using a computer.

図1は、シミュレーション方法を実行するコンピュータの一例を示す斜視図である。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を含んで構成されている。この本体1aには、例えば、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリ、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が設けられている。また、記憶装置には、本実施形態のシミュレーション方法を実行するための処理手順(プログラム)が予め記憶されている。   FIG. 1 is a perspective view illustrating an example of a computer that executes a simulation method. 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, for example, an arithmetic processing unit (CPU), a ROM, a working memory, a storage device such as a magnetic disk, and disk drive devices 1a1 and 1a2. The storage device stores in advance processing procedures (programs) for executing the simulation method of the present embodiment.

本実施形態の高分子材料としては、cis-1,4ポリブタジエン(以下、単に「ポリブタジエン」ということがある。)が例示される。図2は、ポリブタジエンの構造式である。   Examples of the polymer material of the present embodiment include cis-1,4 polybutadiene (hereinafter sometimes simply referred to as “polybutadiene”). FIG. 2 is a structural formula of polybutadiene.

ポリブタジエンを構成する高分子鎖2は、メチレン基(−CH−)とメチン基(−CH−)とからなるモノマー3{−[CH−CH=CH−CH]−}が、重合度nで連結されて構成されている。なお、高分子材料には、ポリブタジエン以外の高分子材料が用いられてもよい。 The polymer chain 2 constituting the polybutadiene has a degree of polymerization of a monomer 3 {— [CH 2 —CH═CH—CH 2 ] —} composed of a methylene group (—CH 2 —) and a methine group (—CH—). n is connected. As the polymer material, a polymer material other than polybutadiene may be used.

図3は、シミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。本実施形態のシミュレーション方法では、先ず、コンピュータ1に、分子鎖モデルを入力する(工程S1)。図4は、分子鎖モデル4の一例を示す斜視図である。   FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of the simulation method. In the simulation method of the present embodiment, first, a molecular chain model is input to the computer 1 (step S1). FIG. 4 is a perspective view showing an example of the molecular chain model 4.

本実施形態の工程S1では、図2に示した高分子材料の高分子鎖2に基づいて、複数の粒子モデル5と、隣接する粒子モデル5、5間を結合するボンドモデル6とを含む分子鎖モデル4が設定される。分子鎖モデル4は、高分子鎖2を構成する複数の原子を、一つの粒子モデル5に置換した粗視化モデル(本実施形態では、Kremer-Grestモデル)である。   In step S1 of the present embodiment, a molecule including a plurality of particle models 5 and a bond model 6 that connects adjacent particle models 5 and 5 based on the polymer chain 2 of the polymer material shown in FIG. Chain model 4 is set. The molecular chain model 4 is a coarse-grained model (in this embodiment, a Kremer-Grest model) in which a plurality of atoms constituting the polymer chain 2 are replaced with one particle model 5.

粒子モデル5は、図2に示した高分子鎖2のモノマー3又はモノマー3の一部分をなす構造単位を置換したものである。高分子鎖2がポリブタジエンである場合には、上記特許文献1と同様に、例えば1.55個分のモノマー3が、1個の粒子モデル5に置換される。これにより、分子鎖モデル4には、複数個(例えば、10〜5000個)の粒子モデル5が設定される。粒子モデル5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、粒子モデル5には、例えば、質量、直径又は電荷などのパラメータが定義される。   The particle model 5 is obtained by substituting the structural unit forming the monomer 3 or part of the monomer 3 of the polymer chain 2 shown in FIG. When the polymer chain 2 is polybutadiene, for example, 1.55 monomers 3 are replaced with one particle model 5 in the same manner as in Patent Document 1 described above. Thereby, a plurality of (for example, 10 to 5000) particle models 5 are set in the molecular chain model 4. The particle model 5 is handled as a mass point of the equation of motion in the molecular dynamics calculation. That is, the particle model 5 defines parameters such as mass, diameter, or electric charge.

ボンドモデル6は、粒子モデル5、5を結合するためのものである。ボンドモデル6には、粒子モデル5、5間の距離rijの上限値である伸びきり長R0(図示省略)が設定された第1ポテンシャルP1が定義される。第1ポテンシャルP1は、上記特許文献1と同様に、LJポテンシャルULJ(rij)と、結合ポテンシャルUFENEとの和で設定される。LJポテンシャルULJ(rij)及び結合ポテンシャルUFENEの各定数及び各変数の値については、上記特許文献1に基づいて設定されうる。これにより、粒子モデル5が伸縮自在に拘束された直鎖状の分子鎖モデル4を定義することができる。 The bond model 6 is for connecting the particle models 5 and 5. In the bond model 6, a first potential P1 is defined in which an extension length R 0 (not shown) that is an upper limit value of the distance r ij between the particle models 5 and 5 is set. The first potential P1 is set as the sum of the LJ potential U LJ (r ij ) and the coupling potential U FENE as in the above-mentioned Patent Document 1. The values of the constants and variables of the LJ potential U LJ (r ij ) and the coupling potential U FENE can be set based on the above-mentioned Patent Document 1. Thereby, the linear molecular chain model 4 in which the particle model 5 is constrained to be stretchable can be defined.

次に、本実施形態のシミュレーション方法は、ボンドモデル6を介して隣り合う粒子モデル5、5間で切断するための第1距離を、コンピュータ1に定義する(工程S2)。第1距離は、図2に示されるように、主鎖の隣接する一対の原子(以下、単に「原子対」ということがある。)7の解離エネルギー、又は、活性化エネルギーに基づいて設定することができる。   Next, in the simulation method of the present embodiment, a first distance for cutting between the adjacent particle models 5 and 5 via the bond model 6 is defined in the computer 1 (step S2). As shown in FIG. 2, the first distance is set based on the dissociation energy or activation energy of a pair of adjacent atoms in the main chain (hereinafter, simply referred to as “atom pair”) 7. be able to.

解離エネルギーとは、原子対7の結合が完全に切断された状態と、原子対7の結合が安定している状態とのエネルギーの差に相当するエネルギーである。活性化エネルギーとは、結合切断過程における基底状態から遷移状態に励起するのに必要なエネルギーである。従って、原子対7のエネルギーが、少なくとも解離エネルギーに達した場合、より厳密には活性化エネルギーに達した場合に、原子対7の結合が切断される。本実施形態では、比較的容易に用いることができる解離エネルギーに基づいて、第1距離が定義される。   The dissociation energy is energy corresponding to an energy difference between a state in which the bond of the atom pair 7 is completely broken and a state in which the bond of the atom pair 7 is stable. The activation energy is energy necessary for exciting from the ground state to the transition state in the bond breaking process. Therefore, when the energy of the atom pair 7 reaches at least the dissociation energy, more precisely, when the energy reaches the activation energy, the bond of the atom pair 7 is broken. In the present embodiment, the first distance is defined based on the dissociation energy that can be used relatively easily.

解離エネルギー及び活性化エネルギーは、例えば、実験やシミュレーション等に基づいて、適宜取得することができる。本実施形態では、文献(Yu-Ran Luo著、「Handbook of Bond Dissociation Energies in Organic Compounds」、CRC Press、2002年12月23日)の記載に基づいて、解離エネルギーを取得している。   The dissociation energy and the activation energy can be appropriately acquired based on, for example, experiments or simulations. In the present embodiment, the dissociation energy is acquired based on the description of the literature (Yu-Ran Luo, “Handbook of Bond Dissociation Energies in Organic Compounds”, CRC Press, December 23, 2002).

解離エネルギーは、図2に示した主鎖の高分子鎖2において、原子対7の種類によって異なる。本実施形態の高分子鎖2において、原子対7は、炭素原子−炭素原子の一重結合、及び、炭素原子−炭素原子の二重結合を含んでいる。これらの原子対7のうち、解離エネルギーが小さい原子対7において、高分子鎖2が切断されやすい。   The dissociation energy differs depending on the type of atom pair 7 in the main polymer chain 2 shown in FIG. In the polymer chain 2 of the present embodiment, the atom pair 7 includes a carbon atom-carbon atom single bond and a carbon atom-carbon atom double bond. Among these atom pairs 7, the polymer chain 2 is easily cleaved at the atom pair 7 having a low dissociation energy.

図4に示されるように、本実施形態では、図2に示した高分子鎖2を構成する複数の原子(本実施形態では、1.55個分のモノマー3)を、一つの粒子モデル5に置換している。このため、各粒子モデル5、5間の第1距離は、粒子モデル5で置換された複数の原子対7(図2に示す)の解離エネルギーのうち、高分子鎖2の主鎖を構成する原子間の解離エネルギーであり、かつ、最も小さい解離エネルギーに基づいて定義されるのが望ましい。これにより、後述のシミュレーション工程S5において、最も切断されやすい原子対7で切断される状態を計算することができる。   As shown in FIG. 4, in this embodiment, a plurality of atoms (1.55 monomers 3 in this embodiment) constituting the polymer chain 2 shown in FIG. Has been replaced. For this reason, the first distance between the particle models 5 and 5 constitutes the main chain of the polymer chain 2 out of the dissociation energy of the plurality of atom pairs 7 (shown in FIG. 2) replaced by the particle model 5. The dissociation energy between atoms is preferably defined based on the smallest dissociation energy. Thereby, in the below-mentioned simulation process S5, the state cut | disconnected by the atom pair 7 which is most easily cut | disconnected can be calculated.

本実施形態の第1距離は、解離エネルギーと、第1ポテンシャルP1のエネルギー曲線とを用いて定義される。図5は、第1ポテンシャルP1のエネルギー曲線を求めるのに用いた分子モデルの一例を示す図である。図6は、第1ポテンシャルP1のエネルギー曲線の一例を示すグラフである。   The first distance in the present embodiment is defined using dissociation energy and the energy curve of the first potential P1. FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a molecular model used to obtain the energy curve of the first potential P1. FIG. 6 is a graph showing an example of the energy curve of the first potential P1.

図6に示されるように、エネルギー曲線8は、ポテンシャルエネルギーと粒子モデル5、5間の距離との関係を示している。ポテンシャルエネルギーは、実際の分子と同一の単位(kcal/mol)が用いられている。他方、粒子モデル5、5間の距離は、粗視化モデルでの単位(σ)が用いられている。工程S2では、先ず、エネルギー曲線8において、前記最も小さい解離エネルギーに対応するポテンシャルエネルギーを特定する。そして、エネルギー曲線8において、そのポテンシャルエネルギーに対応する粒子モデル5、5間の距離を、第1距離として特定している。これにより、実際に原子間で切断される距離を、粗視化モデルでの切断距離(即ち、第1距離)に換算することができる。本実施形態の第1距離は、伸びきり長R0よりも小に設定されている。これにより、後述のシミュレーション工程S5において、図4に示した分子鎖モデル4の粒子モデル5、5間の距離が伸びきり長R0に至る前に、粒子モデル5、5間の切断(本実施形態では、ボンドモデル6の削除)を確実に計算することができる。 As shown in FIG. 6, the energy curve 8 shows the relationship between the potential energy and the distance between the particle models 5 and 5. For the potential energy, the same unit (kcal / mol) as the actual molecule is used. On the other hand, the unit (σ) in the coarse-grained model is used for the distance between the particle models 5 and 5. In step S2, first, in the energy curve 8, the potential energy corresponding to the smallest dissociation energy is specified. In the energy curve 8, the distance between the particle models 5 and 5 corresponding to the potential energy is specified as the first distance. Thereby, the distance actually cut | disconnected between atoms can be converted into the cutting distance (namely, 1st distance) in a coarse-grained model. The first distance in the present embodiment is set to be smaller than the full length R 0 . Thus, in the simulation step S5 in later, before reaching the length R 0 endless elongation distance between the particles model 5,5 molecular chain model 4 shown in FIG. 4, the cutting between the particle models 5,5 (present In the embodiment, it is possible to reliably calculate (deletion of the bond model 6).

次に、本実施形態のシミュレーション方法は、予め定められた空間内に複数の分子鎖モデル4を配置して、高分子材料モデルを設定する(配置工程S3)。図7は、配置工程S3の一例を示すフローチャートである。図8は、高分子材料モデル10の一例を示す斜視図である。   Next, in the simulation method of the present embodiment, a plurality of molecular chain models 4 are arranged in a predetermined space to set a polymer material model (arrangement step S3). FIG. 7 is a flowchart showing an example of the arrangement step S3. FIG. 8 is a perspective view showing an example of the polymer material model 10.

本実施形態の配置工程S3では、先ず、分子鎖モデル4、4の粒子モデル5、5間に、第2ポテンシャルP2が定義される(工程S31)。第2ポテンシャルP2は、上記特許文献1の手順に従い、LJポテンシャルULJ(rij)を用いて定義することができる。本実施形態では、第2ポテンシャルP2のカットオフ距離rcとして21/2σよりも大きな値を設定している。これにより、粒子モデル5、5間には、粒子間の距離rijが21/2σよりも大かつカットオフ距離rc未満の引力を定義することができる。 In the arrangement step S3 of the present embodiment, first, the second potential P2 is defined between the particle models 5 and 5 of the molecular chain models 4 and 4 (step S31). The second potential P2 can be defined using the LJ potential U LJ (r ij ) according to the procedure of Patent Document 1. In this embodiment, the value larger than 2 1/2 sigma as a cutoff distance r c of the second potential P2. Thus, between the particle model 5,5, it is possible to define the attraction subatmospheric and cutoff distance r c than the distance r ij is 2 1/2 sigma between the particles.

本実施形態の配置工程S3では、次に、複数の分子鎖モデル4を配置するための空間11を定義する(工程S32)。空間(セル)11は、互いに向き合う三対の平面12a、12bを有する直方体として定義されている。各平面12a、12bには、周期境界条件が定義されている。これにより、空間11では、例えば、一方の平面12aから出て行った分子鎖モデル4の一部が、反対側の平面12bから入ってくるように計算することができる。従って、一方の平面12aと、反対側の平面12bとが連続している(繋がっている)ものとして取り扱うことができる。   In the arrangement step S3 of the present embodiment, next, a space 11 for arranging a plurality of molecular chain models 4 is defined (step S32). The space (cell) 11 is defined as a rectangular parallelepiped having three pairs of planes 12a and 12b facing each other. A periodic boundary condition is defined for each of the planes 12a and 12b. Thereby, in the space 11, for example, it is possible to calculate so that a part of the molecular chain model 4 that has come out from one plane 12a enters from the opposite plane 12b. Therefore, it can be handled as one plane 12a and the opposite plane 12b being continuous (connected).

空間11の一辺の長さL1は、適宜設定することができる。本実施形態の長さL1は、分子鎖モデル4の慣性半径(図示省略)の3倍以上が望ましい。慣性半径は、分子鎖モデル4の拡がりを示す量である。このような空間11では、分子動力学計算において、周期境界条件による自己のイメージとの衝突が起こりにくいため、分子鎖モデル4の空間的拡がりを適切に計算することができる。さらに、空間11の大きさは、例えば1気圧で安定な体積に設定される。このような空間11は、高分子材料の少なくとも一部の体積を定義することができる。   The length L1 of one side of the space 11 can be set as appropriate. The length L1 of the present embodiment is preferably at least three times the radius of inertia (not shown) of the molecular chain model 4. The radius of inertia is an amount indicating the spread of the molecular chain model 4. In such a space 11, in the molecular dynamics calculation, collision with the self image due to the periodic boundary condition hardly occurs, so that the spatial spread of the molecular chain model 4 can be appropriately calculated. Further, the size of the space 11 is set to a stable volume at 1 atmosphere, for example. Such a space 11 can define the volume of at least a part of the polymer material.

次に、本実施形態の配置工程S3は、複数の分子鎖モデル4が、空間11内に配置される(工程S33)。工程S33では、空間11内に複数の分子鎖モデル4が配置されることにより、高分子材料モデル10が定義される。本実施形態の分子鎖モデル4は、例えば、モンテカルロ法に基づいて、空間11内に配置される。高分子材料モデル10は、コンピュータ1に入力される。   Next, in the arrangement step S3 of this embodiment, a plurality of molecular chain models 4 are arranged in the space 11 (step S33). In step S33, the polymer material model 10 is defined by arranging a plurality of molecular chain models 4 in the space 11. The molecular chain model 4 of this embodiment is arrange | positioned in the space 11 based on the Monte Carlo method, for example. The polymer material model 10 is input to the computer 1.

空間11内での粒子モデル5の数密度(以下、単に「数密度」ということがある。)については、適宜設定することができる。本実施形態では、粒子モデル5、5間に引力が定義されているため、通常の数密度(例えば、0.85σ-3)に設定されると、空間11内に空孔(図示省略)が形成されるおそれがある。このため、粒子モデル5の数密度は、通常の数密度よりも大きい数密度(好ましくは、0.90σ-3以上)に設定されるのが望ましい。 The number density of the particle model 5 in the space 11 (hereinafter sometimes simply referred to as “number density”) can be set as appropriate. In this embodiment, since the attractive force is defined between the particle models 5 and 5, when the normal number density (for example, 0.85σ −3 ) is set, voids (not shown) are formed in the space 11. There is a risk of formation. For this reason, the number density of the particle model 5 is desirably set to a number density (preferably 0.90σ −3 or more) larger than the normal number density.

次に、本実施形態のシミュレーション方法は、コンピュータ1が、分子動力学計算に基づいて、高分子材料モデル10の構造緩和を計算する(工程S4)。本実施形態の分子動力学計算では、例えば、空間11について所定の時間、分子鎖モデル4が古典力学に従うものとして、ニュートンの運動方程式が適用される。そして、各時刻での分子鎖モデル4の動きが、単位時間毎に追跡される。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 calculates the structural relaxation of the polymer material model 10 based on the molecular dynamics calculation (step S4). In the molecular dynamics calculation of the present embodiment, for example, Newton's equation of motion is applied on the assumption that the molecular chain model 4 follows classical mechanics for a predetermined time in the space 11. The movement of the molecular chain model 4 at each time is tracked every unit time.

構造緩和の計算は、空間11において、圧力及び温度が一定、又は、体積及び温度が一定に保たれる。これにより、工程S4では、実際の高分子材料の分子運動に近似させて、分子鎖モデル4の初期配置を精度よく緩和することができる。このような構造緩和の計算は、例えば(株)JSOL社製のソフトマテリアル総合シミュレーター(J−OCTA)に含まれるCOGNAC、又は、VSOPを用いて処理することができる。構造緩和された高分子材料モデル10は、コンピュータ1に記憶される。   In the calculation of structural relaxation, the pressure and temperature are constant or the volume and temperature are kept constant in the space 11. Thus, in step S4, the initial arrangement of the molecular chain model 4 can be relaxed with high accuracy by approximating the actual molecular motion of the polymer material. Such calculation of structural relaxation can be processed using, for example, COGNAC or VSOP included in a soft material general simulator (J-OCTA) manufactured by JSOL Corporation. The relaxed polymer material model 10 is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のシミュレーション方法は、コンピュータ1が、高分子材料モデル10を変形させる(シミュレーション工程S5)。シミュレーション工程S5では、例えば、一般的に行われている単軸引張り試験に基づいて、高分子材料モデル10を一方向に(例えば、Z軸方向に0%〜300%)伸長させている。図9は、シミュレーション工程S5の処理手順の一例を示すフローチャートである。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 deforms the polymer material model 10 (simulation step S5). In the simulation step S5, for example, the polymer material model 10 is extended in one direction (for example, 0% to 300% in the Z-axis direction) based on a uniaxial tensile test that is generally performed. FIG. 9 is a flowchart illustrating an example of the processing procedure of the simulation step S5.

本実施形態のシミュレーション工程S5では、先ず、高分子材料モデル10の変形条件が入力される(工程S51)。変形条件は、適宜設定することができる。本実施形態では、変形条件として、例えば、高分子材料モデル10の変形速度、摩擦係数、又は、ポアソン比が設定される。これらの変形条件の範囲については、適宜設定することができる。変形速度(単位時間(例えば、0.006τの場合)あたりの歪)は、1.0×10−3〜5.0×10−3が望ましい。摩擦係数は、例えば、2〜8程度が望ましい。ポアソン比は、0〜0.5が望ましい。これらの変形条件は、コンピュータ1に記憶される。 In the simulation step S5 of the present embodiment, first, deformation conditions of the polymer material model 10 are input (step S51). The deformation conditions can be set as appropriate. In the present embodiment, for example, the deformation speed, the friction coefficient, or the Poisson's ratio of the polymer material model 10 is set as the deformation condition. The range of these deformation conditions can be set as appropriate. The deformation speed (strain per unit time (for example, 0.006τ)) is preferably 1.0 × 10 −3 to 5.0 × 10 −3 . The coefficient of friction is preferably about 2 to 8, for example. The Poisson's ratio is preferably 0 to 0.5. These deformation conditions are stored in the computer 1.

次に、本実施形態のシミュレーション工程S5は、高分子材料モデル10を変形させる(工程S52)。工程S52では、工程S51で設定された変形条件に基づいて、一軸方向に伸長した高分子材料モデル10が、単位時間毎に計算される。この高分子材料モデル10の変形により、各分子鎖モデル4も引き伸ばされる。図10(a)は、引き伸ばされた分子鎖モデル4の一部を示す図である。ボンドモデル6を介して隣り合う粒子モデル5、5の距離rijが大きくなる。単位時間毎に変形された高分子材料モデル10は、コンピュータ1に記憶される。 Next, in the simulation step S5 of the present embodiment, the polymer material model 10 is deformed (step S52). In step S52, based on the deformation conditions set in step S51, the polymer material model 10 stretched in the uniaxial direction is calculated for each unit time. Due to the deformation of the polymer material model 10, each molecular chain model 4 is also stretched. FIG. 10A is a diagram illustrating a part of the stretched molecular chain model 4. The distance r ij between the adjacent particle models 5 and 5 through the bond model 6 increases. The polymer material model 10 deformed every unit time is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のシミュレーション工程S5は、ボンドモデル6を介して隣り合う粒子モデル5、5間の距離rijが、第1距離以上か否かが判断される(工程S53)。工程S53では、空間11に配置された全ての分子鎖モデル4について、隣り合う粒子モデル5、5間の距離が、第1距離以上か否かが判断される。 Next, in the simulation step S5 of the present embodiment, it is determined whether or not the distance r ij between the adjacent particle models 5 and 5 via the bond model 6 is equal to or greater than the first distance (step S53). In step S53, it is determined whether or not the distance between adjacent particle models 5 and 5 is greater than or equal to the first distance for all molecular chain models 4 arranged in the space 11.

本実施形態の第1距離は、解離エネルギーに基づいて定義されている。このため、第1距離以上に距離が離れた粒子モデル5、5間において、高分子鎖が切断されるとみなしうる。従って、工程S53において、粒子モデル5、5間の距離rijが、第1距離以上である場合(工程S53で、「Y」)、粒子モデル5、5間のボンドモデル6を削除する(工程S54)。図10(b)は、切断された分子鎖モデル4の一部を示す図である。これにより、ボンドモデル6が削除された粒子モデル5、5間において、分子鎖モデル4を切断することができる。 The first distance in the present embodiment is defined based on the dissociation energy. For this reason, it can be considered that the polymer chain is broken between the particle models 5 and 5 that are separated by a distance greater than or equal to the first distance. Accordingly, in step S53, when the distance r ij between the particle models 5 and 5 is equal to or greater than the first distance (“Y” in step S53), the bond model 6 between the particle models 5 and 5 is deleted (step S53). S54). FIG. 10B shows a part of the molecular chain model 4 that has been cut. Thereby, the molecular chain model 4 can be cut | disconnected between the particle models 5 and 5 from which the bond model 6 was deleted.

他方、第1距離未満の粒子モデル5、5間では、高分子鎖2が未だ切断されないとみなしうる。従って、工程S53において、粒子モデル5、5間の距離rijが、第1距離未満である場合(工程S53で、「N」)、粒子モデル5、5間のボンドモデル6を削除することなく、次の工程S55が実施される。 On the other hand, between the particle models 5 and 5 less than the first distance, it can be considered that the polymer chain 2 is not yet broken. Therefore, in step S53, when the distance r ij between the particle models 5 and 5 is less than the first distance (“N” in step S53), the bond model 6 between the particle models 5 and 5 is not deleted. Next step S55 is performed.

次に、本実施形態のシミュレーション工程S5では、高分子材料モデル10が予め定められた大きさまで伸長されたか否かが判断される(工程S55)。工程S55において、高分子材料モデル10が予め定められた大きさまで伸長されたと判断された場合(工程S55で、「Y」)、シミュレーション工程S5の一連の処理が終了し、次の工程S6が実施される。他方、高分子材料モデル10が予め定められた大きさまで伸長していないと判断された場合(工程S55で、「N」)、単位時間を一つ進めて(工程S56)、工程S52〜工程S55が再度実施される。これにより、シミュレーション工程S5では、高分子材料モデル10が予め定められた大きさまで伸長されるまでの間、分子鎖モデル4の切断を計算することができる。   Next, in the simulation step S5 of the present embodiment, it is determined whether or not the polymer material model 10 has been extended to a predetermined size (step S55). If it is determined in step S55 that the polymer material model 10 has been expanded to a predetermined size (“Y” in step S55), a series of processes in the simulation step S5 is completed, and the next step S6 is performed. Is done. On the other hand, when it is determined that the polymer material model 10 has not expanded to a predetermined size (“N” in step S55), the unit time is advanced by one (step S56), and steps S52 to S55 are performed. Will be implemented again. Thereby, in simulation process S5, the cutting | disconnection of the molecular chain model 4 can be calculated until the polymeric material model 10 is expanded | stretched to the predetermined magnitude | size.

このように、本実施形態のシミュレーション方法は、粒子モデル5、5間のボンドモデル6を削除することによって、高分子材料に生じうる高分子鎖2の切断を解析することができる。従って、本実施形態のシミュレーション方法は、例えば、高分子材料の変形等に伴う高分子鎖2の切断状況を評価することができる。   Thus, the simulation method of the present embodiment can analyze the breakage of the polymer chain 2 that may occur in the polymer material by deleting the bond model 6 between the particle models 5 and 5. Therefore, the simulation method of the present embodiment can evaluate, for example, the cutting state of the polymer chain 2 accompanying the deformation of the polymer material.

本実施形態のシミュレーション方法では、一種類の分子鎖モデル4が入力されたが、異なる種類の分子鎖モデル4が複数入力されてもよい。各分子鎖モデル4に異なる第1距離が設定されることにより、図2に示した高分子鎖2を構成する原子間の結合強度等を評価することができる。また、高分子材料に配合される充填剤をモデル化した充填剤モデルが複数入力されてもよい。   In the simulation method of the present embodiment, one type of molecular chain model 4 is input, but a plurality of different types of molecular chain models 4 may be input. By setting different first distances for each molecular chain model 4, it is possible to evaluate the bond strength between atoms constituting the polymer chain 2 shown in FIG. Further, a plurality of filler models obtained by modeling fillers blended in the polymer material may be input.

次に、本実施形態のシミュレーション方法は、コンピュータ1が、高分子材料モデル10の変形計算の結果が、良好か否かを判断する(工程S6)。工程S6では、例えば、分子鎖モデル4の切断数や、分子鎖モデル4の切断箇所等に基づいて、変形計算の良否が判断される。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the result of deformation calculation of the polymer material model 10 is good (step S6). In step S6, the quality of the deformation calculation is determined based on, for example, the number of cuts of the molecular chain model 4 and the cut positions of the molecular chain model 4.

工程S6において、高分子材料モデル10の変形計算が良好と判断された場合(工程S6で、「Y」)、高分子材料モデル10に基づいて、高分子材料が製造される(工程S7)。他方、工程S6において、高分子材料モデル10の変形計算が良好でないと判断された場合(工程S6で、「N」)、高分子鎖2の構造や条件等を変更して(工程S8)、工程S1〜S6が再度実施される。このように、本実施形態のシミュレーション方法は、高分子材料の改良や、所望の性能を有する未知の高分子材料(図示省略)の開発に役立つ。   In step S6, when it is determined that the deformation calculation of the polymer material model 10 is good (“Y” in step S6), a polymer material is manufactured based on the polymer material model 10 (step S7). On the other hand, when it is determined in step S6 that the deformation calculation of the polymer material model 10 is not good (“N” in step S6), the structure and conditions of the polymer chain 2 are changed (step S8), Steps S1 to S6 are performed again. Thus, the simulation method of the present embodiment is useful for improving a polymer material and developing an unknown polymer material (not shown) having a desired performance.

本実施形態の第1距離を定義する工程S2では、粒子モデル5で置換された複数の原子対7(図2に示す)の解離エネルギーのうち、高分子鎖2の主鎖を構成する原子間の解離エネルギーであり、かつ、最も小さい解離エネルギーに基づいて、第1距離が定義されたが、このような態様に限定されない。例えば、粒子モデル5で置換された複数の原子対7(図2に示す)の活性化エネルギーのうち、高分子鎖2の主鎖を構成する原子間の活性化エネルギーであり、かつ、最も小さい活性化エネルギーに基づいて、第1距離が定義されてもよい。   In the step S2 for defining the first distance of the present embodiment, among the dissociation energies of the plurality of atom pairs 7 (shown in FIG. 2) substituted by the particle model 5, the interatomic atoms constituting the main chain of the polymer chain 2 The first distance is defined on the basis of the lowest dissociation energy and the minimum dissociation energy. However, the present invention is not limited to such a mode. For example, among the activation energies of a plurality of atom pairs 7 (shown in FIG. 2) substituted by the particle model 5, it is the activation energy between atoms constituting the main chain of the polymer chain 2, and is the smallest A first distance may be defined based on the activation energy.

このような活性化エネルギーに基づいて設定する方法では、解離エネルギーに基づいて設定する方法に比べて、第1距離をより厳密に求めることができる。なお、この実施形態では、活性化エネルギーと、第1ポテンシャルP1のエネルギー曲線とを用いて、第1距離を定義することができる。より詳しくは、図6に示したエネルギー曲線8において、最も小さい活性化エネルギーに対応するポテンシャルエネルギーを特定し、そのポテンシャルエネルギーに対応する粒子モデル5、5間の距離を、第1距離として特定することができる。   In the method of setting based on such activation energy, the first distance can be determined more strictly than the method of setting based on dissociation energy. In this embodiment, the first distance can be defined using the activation energy and the energy curve of the first potential P1. More specifically, in the energy curve 8 shown in FIG. 6, the potential energy corresponding to the smallest activation energy is specified, and the distance between the particle models 5 and 5 corresponding to the potential energy is specified as the first distance. be able to.

本実施形態のシミュレーション方法は、分子鎖モデル4(高分子鎖2)のみの切断が計算されたが、このような態様に限定されない。一般に、ゴム等の高分子材料には、弾性力を高めるために、硫黄等の架橋剤(図示省略)が配合されている。このような架橋剤は、高分子材料の分子鎖を架橋結合することで、高分子材料の弾性力を高めている。この実施形態の架橋結合の構造としては、モノスルフィド架橋、ジスルフィド架橋、及び、ポリスルフィド架橋が例示される。   In the simulation method of the present embodiment, the cutting of only the molecular chain model 4 (polymer chain 2) is calculated, but is not limited to such a mode. In general, a polymer material such as rubber is blended with a crosslinking agent (not shown) such as sulfur in order to increase the elastic force. Such a cross-linking agent increases the elastic force of the polymer material by crosslinking the molecular chains of the polymer material. Examples of the cross-linking structure in this embodiment include monosulfide bridges, disulfide bridges, and polysulfide bridges.

この実施形態のシミュレーション方法では、図2に示した分子鎖モデル4(高分子鎖2)の切断だけでなく、架橋結合の切断も解析する。なお、この実施形態において、前実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省略することがある。図11は、本発明の他の実施形態のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。   In the simulation method of this embodiment, not only the molecular chain model 4 (polymer chain 2) shown in FIG. In addition, in this embodiment, about the same structure as previous embodiment, the same code | symbol may be attached | subjected and description may be abbreviate | omitted. FIG. 11 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of a simulation method according to another embodiment of the present invention.

この実施形態のシミュレーション方法は、配置工程S3後に、隣接する分子鎖モデル4の粒子モデル5、5間を結合する架橋モデル16を設定する(工程S9)。図12は、架橋モデル16で結合された一対の分子鎖モデル4の一例を示す図である。   In the simulation method of this embodiment, the cross-linking model 16 that connects the particle models 5 and 5 of the adjacent molecular chain model 4 is set after the arrangement step S3 (step S9). FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a pair of molecular chain models 4 that are coupled by the crosslinking model 16.

架橋モデル16は、粒子モデル5、5を結合するためのものである。架橋モデル16は、予め定められた架橋点に基づいて設定される。架橋モデル16には、粒子モデル5、5間の距離rijの上限値である伸びきり長R0が設定された第3ポテンシャルP3が定義される。第3ポテンシャルP3は、上記特許文献1と同様に、LJポテンシャルULJ(rij)と、結合ポテンシャルUFENEとの和で設定される。架橋モデル16は、コンピュータ1に入力される。 The cross-linking model 16 is for connecting the particle models 5 and 5. The bridge model 16 is set based on a predetermined bridge point. The bridging model 16 defines a third potential P3 in which an extension length R 0 that is an upper limit value of the distance r ij between the particle models 5 and 5 is set. The third potential P3 is set by the sum of the LJ potential U LJ (r ij ) and the coupling potential U FENE as in the above-mentioned Patent Document 1. The bridge model 16 is input to the computer 1.

架橋モデル16は、架橋結合の構造(例えば、モノスルフィド架橋、ジスルフィド架橋、及び、ポリスルフィド架橋)を考慮して設定されるのが望ましい。また、架橋モデル16は、架橋結合の構造に応じて、異なる第3ポテンシャルP3が定義されるのが望ましい。これにより、シミュレーション工程S5において、架橋結合を精度よく考慮することができる。   The cross-linking model 16 is preferably set in consideration of the cross-linking structure (for example, monosulfide bridge, disulfide bridge, and polysulfide bridge). In the cross-linking model 16, it is desirable that different third potentials P3 are defined depending on the cross-linking structure. Thereby, in a simulation process S5, a cross-linking can be considered with high accuracy.

次に、この実施形態のシミュレーション方法では、架橋モデル16を介して隣り合う粒子モデル5、5間で切断するための第2距離を、コンピュータ1に定義する(工程S10)。第2距離は、第1距離と同様に、架橋モデル16で定義される架橋結合の解離エネルギー、又は、活性化エネルギーに基づいて設定することができる。本実施形態の第2距離は、解離エネルギーに基づいて定義される。   Next, in the simulation method of this embodiment, a second distance for cutting between adjacent particle models 5 and 5 via the bridge model 16 is defined in the computer 1 (step S10). Similarly to the first distance, the second distance can be set based on the dissociation energy of the cross-linking bond defined by the cross-linking model 16 or the activation energy. The second distance in the present embodiment is defined based on the dissociation energy.

解離エネルギーは、架橋結合の構造(例えば、モノスルフィド架橋、ジスルフィド架橋、及び、ポリスルフィド架橋)によってそれぞれ異なる。解離エネルギーが小さい架橋結合ほど切断されやすい。本実施形態では、架橋結合の構造毎に、異なる第2距離が定義される。   The dissociation energy varies depending on the structure of the cross-linked bond (for example, monosulfide bridge, disulfide bridge, and polysulfide bridge). The lower the dissociation energy, the easier it is to break. In the present embodiment, a different second distance is defined for each cross-linking structure.

第2距離は、第1距離と同様に、解離エネルギーと、第3ポテンシャルP3のエネルギー曲線とを用いて定義される。さらに、第2距離は、伸びきり長R0よりも小に設定されている。これにより、シミュレーション工程S5において、架橋モデル16を介して隣り合う粒子モデル5、5間の距離rijが、伸びきり長R0に至る前に、粒子モデル5、5間の切断(本実施形態では、架橋モデル16の削除)を確実に計算することができる。 Similar to the first distance, the second distance is defined using the dissociation energy and the energy curve of the third potential P3. Further, the second distance is set smaller than the full length R 0 . Thus, in the simulation step S5, before the distance r ij between the adjacent particle models 5 and 5 via the bridge model 16 reaches the full length R 0 , the cutting between the particle models 5 and 5 (this embodiment) Then, the deletion of the bridge model 16) can be calculated reliably.

図13は、本発明の他の実施形態のシミュレーション工程S5の一例を説明するフローチャートである。シミュレーション工程S5では、高分子材料モデル10の変形により、各架橋モデル16も引き伸ばされる。この実施形態のシミュレーション工程S5は、図12に示されるように、架橋モデル16を介して隣り合う粒子モデル5、5間の距離rijが、第2距離以上か否かが判断される工程S57を含んでいる。工程S57では、空間11に配置された全ての分子鎖モデル4について、架橋モデル16を介して隣り合う粒子モデル5、5間の距離rijが、第2距離以上か否かが判断される。 FIG. 13 is a flowchart for explaining an example of the simulation step S5 according to another embodiment of the present invention. In the simulation step S <b> 5, each bridge model 16 is also stretched by the deformation of the polymer material model 10. In the simulation step S5 of this embodiment, as shown in FIG. 12, it is determined whether or not the distance r ij between the adjacent particle models 5 and 5 via the bridge model 16 is equal to or larger than the second distance. Is included. In step S57, for all molecular chain models 4 arranged in the space 11, it is determined whether or not the distance r ij between the adjacent particle models 5 and 5 via the bridge model 16 is equal to or greater than the second distance.

第2距離は、架橋結合の解離エネルギーに基づいて定義されている。このため、第2距離以上に離間した粒子モデル5、5間において、架橋結合が切断されるとみなしうる。従って、工程S57において、架橋モデル16を介して隣り合う粒子モデル5、5間の距離rijが、第2距離以上である場合(工程S57で、「Y」)、粒子モデル5、5間の架橋モデル16を削除する(工程S58)。これにより、分子鎖モデル4、4間の架橋結合を切断することができる。 The second distance is defined based on the dissociation energy of the crosslinking bond. For this reason, it can be considered that the cross-linked bond is broken between the particle models 5 and 5 that are separated by the second distance or more. Accordingly, in step S57, when the distance r ij between the adjacent particle models 5 and 5 via the bridging model 16 is equal to or greater than the second distance (“Y” in step S57), the particle models 5 and 5 are between. The cross-linking model 16 is deleted (Step S58). Thereby, the cross-linking bond between the molecular chain models 4 and 4 can be cut.

他方、第2距離未満の粒子モデル5、5間では、架橋結合が未だ切断されないとみなしうる。従って、工程S57において、架橋モデル16を介して隣り合う粒子モデル5、5間の距離rijが、第2距離未満である場合(工程S57で、「N」)、架橋モデル16を削除することなく、次の工程S55が実施される。 On the other hand, between the particle models 5 and 5 less than the second distance, it can be considered that the cross-linking bond is not yet broken. Therefore, in step S57, when the distance r ij between the adjacent particle models 5 and 5 via the bridge model 16 is less than the second distance (“N” in step S57), the bridge model 16 is deleted. Instead, the next step S55 is performed.

このように、この実施形態のシミュレーション方法では、架橋モデル16を削除することによって、高分子材料に生じうる架橋結合の切断を解析することができる。従って、この実施形態のシミュレーション方法は、例えば、高分子材料の変形等に伴う高分子鎖2の切断状況、及び、架橋結合の切断状況を評価することができる。   As described above, in the simulation method of this embodiment, by deleting the cross-linking model 16, it is possible to analyze the breakage of the cross-linking bond that may occur in the polymer material. Therefore, the simulation method of this embodiment can evaluate, for example, the cutting state of the polymer chain 2 and the cutting state of the cross-linked bond accompanying deformation of the polymer material.

また、架橋結合の構造(例えば、モノスルフィド架橋、ジスルフィド架橋、及び、ポリスルフィド架橋)に応じて、異なる架橋モデル16が定義される場合、各架橋結合の構造毎に、結合強度等を評価することができる。   Also, when different cross-linking models 16 are defined according to the cross-linking structure (for example, monosulfide cross-linking, disulfide cross-linking, and polysulfide cross-linking), the bond strength and the like should be evaluated for each cross-linking structure. Can do.

この実施形態の第2距離を定義する工程S10では、架橋結合の解離エネルギーに基づいて、第2距離が定義されたが、このような態様に限定されない。例えば、架橋結合の活性化エネルギーに基づいて、第2距離が定義されてもよい。このような活性化エネルギーに基づいて設定する方法では、解離エネルギーに基づいて設定する方法に比べて、第2距離をより厳密に求めることができる。なお、この実施形態では、第1距離を設定する工程と同様に、活性化エネルギーと、第3ポテンシャルP3のエネルギー曲線とを用いて、第2距離を定義することができる。   In the step S10 for defining the second distance in this embodiment, the second distance is defined based on the dissociation energy of the cross-linking bond, but the present invention is not limited to such a mode. For example, the second distance may be defined based on the activation energy of the cross-linking. In the method of setting based on such activation energy, the second distance can be determined more strictly than the method of setting based on dissociation energy. In this embodiment, similarly to the step of setting the first distance, the second distance can be defined using the activation energy and the energy curve of the third potential P3.

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、例えば、充填剤モデルを複数入力するなど、種々の態様に変形して実施しうる。   The particularly preferred embodiment of the present invention has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the illustrated embodiment, and can be implemented by being modified into various modes such as inputting a plurality of filler models. .

図11に示した処理手順に基づいて、高分子材料モデルの切断が解析された(実施例1、実施例2)。実施例1及び実施例2では、図2に示した高分子材料の高分子鎖に基づいて、複数の粒子モデルと、隣接する粒子モデル間を結合するボンドモデルとを含む分子鎖モデルがコンピュータに入力された。そして、ボンドモデルを介して隣り合う粒子モデル間で切断するための第1距離が定義された。   Based on the processing procedure shown in FIG. 11, the cutting of the polymer material model was analyzed (Example 1, Example 2). In Example 1 and Example 2, based on the polymer chain of the polymer material shown in FIG. 2, a molecular chain model including a plurality of particle models and a bond model that connects adjacent particle models is stored in the computer. Entered. And the 1st distance for cut | disconnecting between the particle | grain models adjacent via a bond model was defined.

実施例1及び実施例2では、下記架橋点に基づいて、隣接する分子鎖モデルの前記粒子モデル間を結合する架橋モデルが設定された。そして、架橋モデルを介して隣り合う粒子モデル間で切断するための第2距離が定義された。   In Example 1 and Example 2, based on the following cross-linking points, a cross-linking model that connects the particle models of adjacent molecular chain models was set. And the 2nd distance for cut | disconnecting between adjacent particle | grain models via a bridge | crosslinking model was defined.

実施例1の架橋モデルは、モノスルフィド架橋として設定され、下記第2距離が定義された。実施例2の架橋モデルは、実施例1のモノスルフィド架橋よりも切断しやすいポリスルフィド架橋として設定され、下記第2距離が定義された。そして、図13に示した処理手順に基づいて、実施例1及び実施例2は、高分子材料モデルを変形させ、ボンドモデル及び架橋モデルの切断が計算された。実施例1及び実施例2の共通仕様は、次のとおりである。
高分子鎖:ポリブタジエン
分子鎖モデル:
空間に配置される分子鎖モデルの合計本数:100本
1本の分子鎖モデルを構成する粒子モデルの個数:1000個
空間に配置される粒子モデルの数密度:0.9σ-3
カットオフ距離:2.5σ
第1距離:1.49σ
架橋モデル:
架橋点:805箇所
第2距離(実施例1):1.485σ
第2距離(実施例2):1.42σ
変形シミュレーション:
単位時間(微小時間):0.006τ
変形速度(単位時間あたりの歪):2.2×10-3
変形シミュレーションの合計時間:6τ
摩擦係数Γ:250(Kremer-Grestモデルの500倍)
ポアソン比:0
The crosslinking model of Example 1 was set as a monosulfide bridge, and the following second distance was defined. The crosslinking model of Example 2 was set as a polysulfide bridge that was easier to cut than the monosulfide bridge of Example 1, and the following second distance was defined. And based on the process sequence shown in FIG. 13, Example 1 and Example 2 deform | transformed the polymeric material model, and the cutting | disconnection of the bond model and the bridge | crosslinking model was calculated. The common specifications of Example 1 and Example 2 are as follows.
Polymer chain: Polybutadiene Molecular chain model:
Total number of molecular chain models arranged in space: 100 Number of particle models constituting one molecular chain model: 1000 Number density of particle models arranged in space: 0.9σ −3
Cut-off distance: 2.5σ
First distance: 1.49σ
Cross-linking model:
Crosslinking point: 805 locations Second distance (Example 1): 1.485σ
Second distance (Example 2): 1.42σ
Deformation simulation:
Unit time (minute time): 0.006τ
Deformation speed (strain per unit time): 2.2 × 10 −3
Total deformation simulation time: 6τ
Friction coefficient Γ: 250 (500 times the Kremer-Grest model)
Poisson's ratio: 0

テストの結果、実施例1及び実施例2において、ボンドモデルの切断個数、及び、架橋モデルの切断個数は、次のとおりであった。
実施例1:
ボンドモデルの切断個数:9個
架橋モデルの切断個数:0個
実施例2:
ボンドモデルの切断個数:6個
架橋モデルの切断個数:5個
As a result of the test, in Example 1 and Example 2, the number of cuts of the bond model and the number of cuts of the cross-linked model were as follows.
Example 1:
Number of cuts of the bond model: 9 Number of cuts of the cross-linked model: 0 Example 2:
Number of cuts in the bond model: 6 Number of cuts in the bridge model: 5

実施例1及び実施例2は、高分子材料モデルの変形計算により、分子鎖モデル又は架橋モデルの切断を計算することができた。従って、実施例1及び実施例2は、高分子鎖の切断を解析することができた。また、実施例2は、実施例1に比べて、架橋モデルの切断のし易さを表現することができた。従って、実施例1及び実施例2は、高分子鎖の切断状況や、高分子鎖を構成する原子間の結合強度等を評価することができた。   In Example 1 and Example 2, it was possible to calculate the breakage of the molecular chain model or the crosslinking model by the deformation calculation of the polymer material model. Therefore, Example 1 and Example 2 were able to analyze polymer chain breakage. Moreover, compared with Example 1, Example 2 was able to express the ease of cutting | disconnection of a bridge | crosslinking model. Therefore, Example 1 and Example 2 were able to evaluate the breaking state of the polymer chain, the bond strength between atoms constituting the polymer chain, and the like.

S1 分子鎖モデルを定義する工程
S2 第1距離を定義する工程
S5 高分子材料モデルを変形させる工程
S1 step of defining a molecular chain model S2 step of defining a first distance S5 step of deforming a polymer material model

Claims (8)

コンピュータを用いて、高分子材料を解析するための方法であって、
前記高分子材料の高分子鎖に基づいて、複数の粒子モデルと、隣接する前記粒子モデル間を結合するボンドモデルとを含む分子鎖モデルを、前記コンピュータに入力する工程と、
前記ボンドモデルを介して隣り合う前記粒子モデル間で切断するための第1距離を、前記コンピュータに定義する工程と、
予め定められた空間内に複数の前記分子鎖モデルを配置して、高分子材料モデルを設定する配置工程と、
前記コンピュータが、前記高分子材料モデルを変形させるシミュレーション工程とを含み、
前記シミュレーション工程は、前記ボンドモデルを介して隣り合う前記粒子モデル間の距離が、前記第1距離以上の場合に、前記粒子モデル間の前記ボンドモデルを削除する工程を含む高分子材料のシミュレーション方法。
A method for analyzing a polymer material using a computer,
Inputting a molecular chain model including a plurality of particle models and a bond model for connecting adjacent particle models to the computer based on the polymer chains of the polymer material;
Defining a first distance in the computer for cutting between adjacent particle models via the bond model;
An arrangement step of arranging a plurality of molecular chain models in a predetermined space and setting a polymer material model;
The computer includes a simulation step of deforming the polymer material model,
The simulation step includes a step of deleting the bond model between the particle models when a distance between the particle models adjacent via the bond model is equal to or greater than the first distance. .
前記分子鎖モデルは、前記高分子鎖を構成する複数の原子を、一つの前記粒子モデルに置換した粗視化モデルである請求項1記載の高分子材料のシミュレーション方法。   2. The method for simulating a polymer material according to claim 1, wherein the molecular chain model is a coarse-grained model in which a plurality of atoms constituting the polymer chain are replaced with one particle model. 前記第1距離を定義する工程は、前記粒子モデルを構成する複数の前記原子間の解離エネルギーのうち、前記高分子鎖の主鎖を構成する原子間の解離エネルギーであり、かつ、最も小さい解離エネルギーに基づいて、前記第1距離を定義する請求項2記載の高分子材料のシミュレーション方法。   The step of defining the first distance is the dissociation energy between atoms constituting the main chain of the polymer chain among the dissociation energy between the plurality of atoms constituting the particle model, and the smallest dissociation The polymer material simulation method according to claim 2, wherein the first distance is defined based on energy. 前記第1距離を定義する工程は、前記粒子モデルを構成する複数の前記原子間の活性化エネルギーのうち、前記高分子鎖の主鎖を構成する原子間の活性化エネルギーであり、かつ、最も小さい活性化エネルギーに基づいて、前記第1距離を定義する請求項2記載の高分子材料のシミュレーション方法。   The step of defining the first distance is the activation energy between atoms constituting the main chain of the polymer chain among the activation energies between the plurality of atoms constituting the particle model, and most The method for simulating a polymer material according to claim 2, wherein the first distance is defined based on a small activation energy. 前記ボンドモデルは、前記粒子モデル間の距離の上限値である伸びきり長が設定され、
前記第1距離は、前記伸びきり長よりも小さい請求項1乃至4のいずれかに記載の高分子材料のシミュレーション方法。
The bond model is set with an extension length that is an upper limit value of the distance between the particle models,
The method for simulating a polymer material according to claim 1, wherein the first distance is smaller than the full length.
隣接する前記分子鎖モデルの前記粒子モデル間を結合する架橋モデルを設定する工程と、
前記架橋モデルを介して隣り合う前記粒子モデル間で切断するための第2距離を定義する工程とをさらに含み、
前記シミュレーション工程は、前記架橋モデルを介して隣り合う前記粒子モデル間の距離が、前記第2距離以上の場合に、前記粒子モデル間の前記架橋モデルを削除する工程を含む請求項1乃至5のいずれかに記載の高分子材料のシミュレーション方法。
Setting a cross-linking model for bonding between the particle models of adjacent molecular chain models;
Defining a second distance for cutting between adjacent particle models via the bridging model,
The said simulation process includes the process of deleting the said bridge | crosslinking model between the said particle models, when the distance between the said particle models adjacent via the said bridge | crosslinking model is more than the said 2nd distance. The simulation method of the polymeric material in any one.
前記第2距離を定義する工程は、前記架橋モデルで定義される架橋結合の解離エネルギー又は活性化エネルギーに基づいて、前記第2距離を定義する請求項6に記載の高分子材料のシミュレーション方法。   The method for simulating a polymer material according to claim 6, wherein the step of defining the second distance defines the second distance based on a dissociation energy or activation energy of a cross-linking bond defined by the cross-linking model. 前記架橋モデルは、前記粒子モデル間の距離の上限値である伸びきり長が設定され、
前記第2距離は、前記伸びきり長よりも小さい請求項6又は7に記載の高分子材料のシミュレーション方法。
The cross-linking model is set with an extension length that is an upper limit value of the distance between the particle models,
The method for simulating a polymer material according to claim 6 or 7, wherein the second distance is smaller than the full length.
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