JP2018151212A - Simulation method of high polymer material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フィラーと高分子材料とが共存する系において、フィラーの周囲に形成される界面層を特定することができる高分子材料のシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a simulation method for a polymer material that can identify an interface layer formed around a filler in a system in which a filler and a polymer material coexist.
近年、ゴム等の高分子材料の設計・開発のために、コンピュータを用いた高分子材料のシミュレーション方法が種々提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。この種のシミュレーション方法では、高分子材料の構造や、フィラーの配合率等の諸条件を、計算に織り込むことができる。従って、このシミュレーション方法では、実際に高分子材料を試作することなく、その物性値を計算することができる。 In recent years, various simulation methods for polymer materials using computers have been proposed for the design and development of polymer materials such as rubber (see, for example, Patent Document 1 below). In this type of simulation method, various conditions such as the structure of the polymer material and the blending ratio of the filler can be incorporated into the calculation. Therefore, in this simulation method, the physical property value can be calculated without actually making a prototype of the polymer material.
ところで、フィラーと高分子材料とが共存する系においては、フィラーの周囲に界面層が形成されることが判明している。この界面層は、高分子材料本来の部分(以下、「バルク部分」という。)とは異なる力学的特性を示すものとして知られており、「ガラス層」などと称されることもある。 Incidentally, it has been found that in a system in which a filler and a polymer material coexist, an interface layer is formed around the filler. This interface layer is known to exhibit mechanical properties different from the original part of the polymer material (hereinafter referred to as “bulk part”), and is sometimes referred to as “glass layer”.
従来のシミュレーション方法でも、高分子材料の物性値を計算するに先立ち、界面層が定義されていた。しかしながら、従来のシミュレーション方法では、例えば、高分子材料及びフィラーを用いた実験結果に基づいて、界面層が定義されていたため、多くの時間や費用が必要になるという問題点があった。従って、界面層を定量的に特定することができる高分子材料のシミュレーション方法が強く求められていた。 Even in the conventional simulation method, the interface layer is defined prior to calculating the physical property value of the polymer material. However, the conventional simulation method has a problem that much time and cost are required because the interface layer is defined based on, for example, the experimental results using a polymer material and a filler. Therefore, there has been a strong demand for a simulation method of a polymer material that can quantitatively specify the interface layer.
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、フィラーと高分子材料とが共存する系において、フィラーの周囲に形成される界面層を特定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 actual situation as described above, and in a system in which a filler and a polymer material coexist, a simulation of a polymer material that can identify an interface layer formed around the filler The main purpose is to provide a method.
本発明は、コンピュータを用いて、高分子材料とフィラーとの反応を解析するための方法であって、前記コンピュータに、前記高分子材料の高分子鎖を、複数の粗視化粒子と、前記粗視化粒子間を結合するボンドとを用いてモデル化した粗視化モデルを設定する工程、前記コンピュータに、前記フィラーをフィラー粒子でモデル化したフィラーモデルを設定する工程、前記コンピュータに、前記粗視化モデルと前記フィラーモデルとを予め定められた空間内に配置して高分子材料モデルを設定する工程、前記コンピュータが、予め定めた条件に基づいて、前記高分子材料モデルの構造緩和を計算する工程、前記構造緩和の計算後、前記コンピュータが、前記高分子材料モデルを予め定められた歪で変形させて、前記各ボンドの配列状態を表す配向パラメータを求める計算工程、前記配向パラメータに基づいて、前記コンピュータが、前記フィラーの周囲に形成されかつ前記高分子材料のバルク部分とは異なる力学的特性を示す前記高分子材料の界面層を特定する界面特定工程を含み、隣接する前記粗視化モデルの前記粗視化粒子間には、前記粗視化粒子間の距離が0に収束しても有限値となる斥力ポテンシャルが定義されることを特徴とする。 The present invention is a method for analyzing a reaction between a polymer material and a filler using a computer, wherein the polymer chain of the polymer material includes a plurality of coarse-grained particles, A step of setting a coarse-grained model modeled using a bond that bonds between coarse-grained particles, a step of setting a filler model in which the filler is modeled with filler particles in the computer, and the computer A step of arranging a coarse-grained model and the filler model in a predetermined space to set a polymer material model, wherein the computer performs structural relaxation of the polymer material model based on a predetermined condition; After calculating the structural relaxation, the computer deforms the polymer material model with a predetermined strain to represent the arrangement state of the bonds. A calculation step for determining an orientation parameter; based on the orientation parameter, the computer identifies an interfacial layer of the polymeric material formed around the filler and exhibiting mechanical properties different from the bulk portion of the polymeric material A repulsive potential that is defined as a finite value even when the distance between the coarse-grained particles converges to 0 is defined between the coarse-grained particles of adjacent coarse-grained models. It is characterized by.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法は、前記計算工程は、前記粗視化モデルが配置された前記空間を、前記フィラーモデルの外面に沿った境界面で複数の領域に区分する工程と、前記高分子材料モデルを前記歪で変形させる工程と、前記領域毎に、前記配向パラメータを計算する工程とを含むのが望ましい。 In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the calculating step includes a step of dividing the space in which the coarse-grained model is arranged into a plurality of regions at a boundary surface along an outer surface of the filler model. Preferably, the method includes a step of deforming the polymer material model with the strain and a step of calculating the orientation parameter for each region.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法は、前記界面特定工程は、前記領域毎に前記配向パラメータの平均を求める工程と、前記配向パラメータの平均を、前記歪に対して同位相で応答する貯蔵成分と、前記歪に対して異なる位相で応答する散逸成分とに分解する工程と、前記貯蔵成分が前記散逸成分よりも大きい領域を前記界面層と決定する工程とを含むのが望ましい。 In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the interface specifying step responds to the step of obtaining an average of the orientation parameters for each region, and the average of the orientation parameters in phase with respect to the strain. Preferably, the method includes decomposing into a storage component and a dissipative component that responds to the strain at a different phase, and determining a region where the storage component is larger than the dissipative component as the interface layer.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法は、前記配向パラメータχi(m,t)は、前記ボンドに沿ったボンドベクトルui(m,t)と、前記ボンドの重心と前記フィラーモデルの重心とを結ぶ重心ベクトルni(m,t)とに基づいて、下記式(1)で定義されるのが望ましい。
ここで、各定数及び変数は次のとおりである。
i:各ボンドのインデックス
m:各領域のインデックス
t:時刻
θi:ボンドベクトルui(m,t)と重心ベクトルni(m,t)とがなす角度
In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the orientation parameter χ i (m, t) includes a bond vector u i (m, t) along the bond, a center of gravity of the bond, and a filler model. It is desirable to be defined by the following equation (1) based on the centroid vector n i (m, t) connecting the centroid.
Here, each constant and variable are as follows.
i: Index of each bond m: Index of each region t: Time θ i : Angle formed by bond vector u i (m, t) and centroid vector n i (m, t)
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法は、前記配向パラメータの平均Χ(m,t)は、下記式(2)で定義され、前記歪γは、下記式(3)で定義され、前記配向パラメータの平均Χ(m,t)は、下記式(4)に基づいて、前記貯蔵成分Χ’と前記散逸成分Χ”とに分解されるのが望ましい。
ここで、各定数及び変数は次のとおりである。
i:各ボンドのインデックス
m:各領域のインデックス
t:時刻
N:各領域に配置されるボンドの総数
γ0:歪振幅
ω:角速度
In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the average Χ (m, t) of the orientation parameters is defined by the following formula (2), the strain γ is defined by the following formula (3), The orientation parameter average Χ (m, t) is preferably decomposed into the storage component Χ ′ and the dissipative component Χ ″ based on the following equation (4).
Here, each constant and variable are as follows.
i: Index of each bond m: Index of each region t: Time N: Total number of bonds arranged in each region γ 0 : Strain amplitude ω: Angular velocity
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法は、前記各領域には、前記ボンドが100個以上配置されているのが望ましい。 In the simulation method for the polymer material according to the present invention, it is preferable that 100 or more bonds are arranged in each region.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法は、前記斥力ポテンシャルは、下記式(5)で定義されるのが望ましい。
aij:粗視化粒子間に作用する斥力の強度に対応する定数
rij:粗視化粒子間の距離
rc:カットオフ距離
In the simulation method of the polymer material according to the present invention, it is preferable that the repulsive potential is defined by the following formula (5).
a ij : Constant corresponding to the strength of repulsive force acting between coarse-grained particles r ij : Distance between coarse-grained particles r c : Cut-off distance
本発明の高分子材料のシミュレーション方法では、コンピュータが、高分子材料モデルを予め定められた歪で変形させて、各ボンドの配列状態を表す配向パラメータを求める計算工程、及び配向パラメータに基づいて、高分子材料の界面層を特定する界面特定工程を含んでいる。 In the polymer material simulation method of the present invention, the computer deforms the polymer material model with a predetermined strain to obtain an orientation parameter representing the alignment state of each bond, and based on the orientation parameter, An interface specifying step for specifying the interface layer of the polymer material is included.
一般に、高分子材料の界面層では、高分子鎖がフィラーに拘束されるため、高分子鎖がフィラーに拘束されないバルク部分に比べて変形しにくい傾向がある。本発明では、このような傾向に着目し、高分子材料モデルの変形に相関のあるボンドの配向パラメータを用いている。本発明では、配向パラメータに基づいて、高分子材料の界面層が特定される。従って、本発明では、高分子材料を用いた実験等を実施することなく、高分子材料の界面層を特定することができる。 In general, in an interface layer of a polymer material, since a polymer chain is constrained by a filler, there is a tendency that the polymer chain is not easily deformed compared to a bulk portion in which the polymer chain is not constrained by a filler. In the present invention, paying attention to such a tendency, bond orientation parameters correlated with deformation of the polymer material model are used. In the present invention, the interface layer of the polymer material is specified based on the orientation parameter. Therefore, in the present invention, the interface layer of the polymer material can be specified without performing an experiment using the polymer material.
さらに、本発明では、隣接する粗視化モデルの粗視化粒子間に、粗視化粒子間の距離が0に収束しても有限値となる斥力ポテンシャルが定義される。このような斥力ポテンシャルは、隣接する粗視化モデル同士の絡まりにより、斥力が無限大に大きくなるのを防ぐことができるため、高分子材料モデルの構造緩和や変形を短時間に安定して計算することができる。従って、本発明のシミュレーション方法では、高分子材料の界面層を確実に特定することができる。 Furthermore, in the present invention, a repulsive potential that is a finite value is defined between the coarse-grained particles of the adjacent coarse-grained models even when the distance between the coarse-grained particles converges to zero. Such repulsive potential can prevent the repulsive force from becoming infinitely large due to entanglement between adjacent coarse-grained models, so that the structural relaxation and deformation of the polymer material model can be calculated stably in a short time. can do. Therefore, in the simulation method of the present invention, the interface layer of the polymer material can be specified reliably.
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、高分子材料とフィラーとの反応を解析するための方法である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The simulation method of the polymer material of the present embodiment (hereinafter, simply referred to as “simulation method”) is a method for analyzing the reaction between the polymer material and the filler using a computer.
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、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)が予め記憶される。
As shown in FIG. 1, the computer 1 includes a
高分子材料としては、例えば、ゴム、樹脂又はエラストマー等が含まれる。本実施形態では、図2に示されるように、高分子材料として、cis-1,4ポリイソプレン(以下、単に「ポリイソプレン」ということがある。)が例示される。このポリイソプレンを構成する高分子鎖は、メチン基等(−CH=、>C=)、メチレン基(−CH2−)、及び、メチル基(−CH3)によって構成されるイソプレンのモノマー(イソプレン分子)5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、ポリイソプレン以外の高分子材料が用いられてもよい。また、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。 Examples of the polymer material include rubber, resin, and elastomer. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, cis-1,4 polyisoprene (hereinafter sometimes simply referred to as “polyisoprene”) is exemplified as the polymer material. Polymer chain constituting the polyisoprene is methine group (-CH =,> C =) , methylene group (-CH 2 -), and a monomer isoprene constituted by a methyl group (-CH 3) ( Isoprene molecules) 5 are connected with a polymerization degree n. As the polymer material, a polymer material other than polyisoprene may be used. Moreover, as a filler, carbon black, a silica, or an alumina is contained, for example.
図3には、本実施形態のシミュレーション方法の具体的な処理手順が示されている。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、高分子材料の高分子鎖をモデル化した粗視化モデルが設定される(工程S1)。図4に示されるように、粗視化モデル2は、複数の粗視化粒子3と、粗視化粒子3、3間を結合するボンド4とを含んで構成されている。
FIG. 3 shows a specific processing procedure of the simulation method of the present embodiment. In the simulation method of the present embodiment, first, a coarse-grained model that models a polymer chain of a polymer material is set in the computer 1 (step S1). As shown in FIG. 4, the coarse-
図2及び図4に示されるように、高分子材料の高分子鎖がポリイソプレンである場合には、例えば12個分のモノマーを構造単位5として、該構造単位5を1個の粗視化粒子3に置換される。これにより、各粗視化モデル2には、複数(例えば、10〜5000個)の粗視化粒子3が設定される。このような粗視化モデル2を用いたシミュレーションでは、例えば全原子モデルを用いたシミュレーションに比べて、計算時間を大幅に短縮でき、大規模かつ長時間の現象を扱うことができる。
As shown in FIG. 2 and FIG. 4, when the polymer chain of the polymer material is polyisoprene, for example, 12 monomers are defined as the structural unit 5, and the structural unit 5 is coarse-grained by one. The
なお、12個分のモノマーを構造単位5としたのは、Kremer-Grest模型の論文( 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)の記載と、散逸粒子動力学法(DPD)の粗視化単位が、Kremer-Grest模型の論文の約7倍であることに基づき求めたものである。また、高分子鎖がポリイソプレン以外の場合でも、例えば、上記論文と、論文(L,J.Fetters ,D.J.Lohse and R.H.Colby 著、「Chain Dimension and Entanglement Spacings 」Physical Properties of Polymers Handbook Second Edition P448)から構造単位を設定することができる。 In addition, 12 monomers were used as the structural unit 5 because the paper of Kremer-Grest model (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) and the coarse-grained unit of dissipative particle dynamics (DPD) is about 7 times that of the Kremer-Grest model paper. Is. Even when the polymer chain is other than polyisoprene, for example, the above paper and paper (L, J. Fetters, DJ Lohse and RHColby, "Chain Dimension and Entanglement Spacings" Physical Properties of Polymers Handbook Second Edition P448) The structural unit can be set from
粗視化粒子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、粗視化粒子3には、例えば、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。
The coarse-
ボンド4には、相互作用ポテンシャルP1が設定される。本実施形態の相互作用ポテンシャルP1は、下記式(6)で定義される結合ポテンシャルUHarmonicである。
For the
ここで、各定数及び変数は、次のとおりである。
k:粒子間のばね定数
rij:粗視化粒子間の距離
Here, each constant and variable are as follows.
k: Spring constant between particles r ij : Distance between coarse-grained particles
結合ポテンシャルUHarmonicは、Harmonic型である。Harmonic型とは、いわゆる線形バネが定義され、距離rijに比例した復元力が働くポテンシャルである。 The bond potential U Harmonic is of the Harmonic type. The Harmonic type is a potential where a so-called linear spring is defined and a restoring force proportional to the distance r ij works.
結合ポテンシャルUHarmonicは、距離rijが大になると、粗視化粒子3、3が近づく方向に、結合ポテンシャルUHarmonic(引力)が大きくなる。このように、結合ポテンシャルUHarmonicは、距離rijを0に戻そうとする復元力が定義される。
Bonding potential U Harmonic, when the distance r ij becomes large in the direction the coarse-
上記式(6)のばね定数kについては、適宜設定することができる。本実施形態では、相互作用ポテンシャルP1と同様に、上記論文に基づいて、次の値が設定される。
ばね定数k:4
About the spring constant k of the said Formula (6), it can set suitably. In the present embodiment, similarly to the interaction potential P1, the following values are set based on the above paper.
Spring constant k: 4
図5に示されるように、隣接する粗視化モデル2、2の粗視化粒子3、3間には、斥力ポテンシャルP2が定義される。斥力ポテンシャルP2は、下記式(5)で定義されるソフトコアポテンシャルUsoftcoreである。
As shown in FIG. 5, a repulsive potential P <b> 2 is defined between the coarse-
aij:粗視化粒子間に作用する斥力の強度に対応する定数
rij:粗視化粒子間の距離
rc:カットオフ距離
なお、粗視化粒子間の距離rij及びカットオフ距離rcは、各粗視化粒子3、3の中心3c、3c(図4に示す)間の距離として定義される。
a ij : Constant corresponding to the strength of repulsive force acting between coarse-grained particles r ij : Distance between coarse-grained particles r c : Cut-off distance Note that the distance r ij and the cut-off distance r between coarse-grained particles c is defined as the distance between the
ソフトコアポテンシャルUsoftcoreは、散逸粒子動力学法(DPD)に基づくものである。散逸粒子動力学法とは、粗視化分子動力学法の一種である。散逸粒子動力学法では、粗視化粒子にかかる力が、上記相互作用ポテンシャルP1に、粗視化粒子3との相対位置・速度を考慮したランダム力及び粒子速度に応じた摩擦力を加えて計算される。このような散逸粒子動力学法によれば、高分子の運動を高速に計算できるだけでなく、界面近傍の高分子の運動を精度良く計算することができる。
The soft core potential U softcore is based on dissipative particle dynamics (DPD). The dissipative particle dynamics method is a kind of coarse-grained molecular dynamics method. In the dissipative particle dynamics method, the force applied to the coarse-grained particle is applied to the interaction potential P1 by adding a random force in consideration of the relative position / velocity with the coarse-
斥力ポテンシャルP2は、距離rijがカットオフ距離rc以上となる場合に0となる。一方、斥力ポテンシャルP2は、距離rijがカットオフ距離rc未満となる場合に大きくなる。さらに、斥力ポテンシャルP2は、距離rijが0に収束しても有限値となる。従って、斥力ポテンシャルP2は、例えば、粒子間の距離が小さくなるほど無限に大きくなるポテンシャル(ハードコアポテンシャル)とは異なり、無限大に発散することがない。 Repulsive potential P2, the distance r ij becomes 0 when the cutoff distance r c above. On the other hand, the repulsive potential P2, the distance r ij becomes large when less than the cutoff distance r c. Further, the repulsive potential P2 becomes a finite value even when the distance r ij converges to zero. Therefore, the repulsive potential P2 does not diverge infinitely, unlike a potential (hard core potential) that increases infinitely as the distance between particles decreases, for example.
斥力ポテンシャルP2の各定数及び変数の値としては、適宜設定することができる。本実施形態では、論文( Robert D. Groot and Patrick B. Warren 著 「Dissipative particle dynamics: Bridging the gap between atomistic and mesoscopic simulation」、J. Chem Phys. vol.107, No.11, 15 September 1997 )に基づいて、次の値が設定される。
定数aij:25
カットオフ距離rc:1.0
Each constant and variable value of the repulsive potential P2 can be set as appropriate. In this embodiment, a paper (Rosse D. Groot and Patrick B. Warren, “Dissipative particle dynamics: Bridging the gap between atomistic and mesoscopic simulation”, J. Chem Phys. Vol.107, No.11, 15 September 1997) Based on this, the following values are set:
Constant a ij : 25
Cut-off distance r c : 1.0
このような粗視化モデル2は、コンピュータ1で取り扱い可能な数値データであり、コンピュータ1に記憶される。
Such a coarse-
次に、コンピュータ1に、フィラーをモデル化したフィラーモデル6が設定される(工程S2)。フィラーモデル6は、例えば、一つのフィラー粒子7でモデル化される。フィラー粒子7は、粗視化粒子3と同様に、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。
Next, the
粗視化粒子3とフィラー粒子7との間、及びフィラー粒子7、7間には、相互作用ポテンシャルP3が定義される。この相互作用ポテンシャルP3は、下記式(7)で定義されるLJポテンシャルULJ(rij)である。
An interaction potential P3 is defined between the coarse-
rij:粒子間の距離
rc:カットオフ距離
ε:粒子間に定義されるLJポテンシャルの強度
σ:粒子の直径に相当
なお、距離rij及びカットオフ距離rcは、各粗視化粒子3、3の中心3c、3c(図4に示す)間の距離、又は、粗視化粒子3の中心3cとフィラー粒子7の中心(図示省略)との間の距離として定義される。
として定義される。
r ij: distance between the particles r c: cutoff distance epsilon: the intensity of the LJ potential which is defined between the particles sigma: corresponds to the diameter of the particles should be noted that the distance r ij and cutoff distance r c is the coarse-
Is defined as
相互作用ポテンシャルP3は、粒子間の距離rijが21/6σよりも小さくなるほど、粒子間に作用する斥力が大きくなる。また、相互作用ポテンシャルP3は、粒子間の距離rijが21/6σになるときに最小となり、粒子間の距離rijが21/6σよりも長くなると粒子間に引力が作用する。さらに、相互作用ポテンシャルP3は、粒子間の距離rijが(26/7)1/6σよりも大になるほど、粒子間に作用する引力が小さくなる。このように、相互作用ポテンシャルP3は、粒子間の距離rijに応じて、斥力及び引力を定義することができる。 In the interaction potential P3, the repulsive force acting between the particles increases as the distance r ij between the particles becomes smaller than 2 1/6 σ. The interaction potential P3 is minimized when the inter-particle distance r ij is 2 1/6 σ, and when the inter-particle distance r ij is longer than 2 1/6 σ, an attractive force acts between the particles. . Furthermore, the interaction potential P3 has a smaller attractive force acting between the particles as the distance r ij between the particles becomes larger than (26/7) 1/6 σ. As described above, the interaction potential P3 can define repulsive force and attractive force according to the distance r ij between the particles.
相互作用ポテンシャルP3の各定数及び変数の値としては、適宜設定することができるが、上記論文に基づいて、下記の値が設定されるのが望ましい。フィラーモデル6は、コンピュータ1で取り扱い可能な数値データであり、コンピュータ1に記憶される。
定数ε:1.0
定数σ:1.0
The values of the constants and variables of the interaction potential P3 can be set as appropriate, but it is desirable to set the following values based on the above paper. The
Constant ε: 1.0
Constant σ: 1.0
次に、予め定められた空間内に、粗視化モデル2及びフィラーモデル6が配置されて、高分子材料モデル10が設定される(工程S3)。図6に示されるように、本実施形態の空間8は、互いに向き合う三対の平面11、11を有する立方体として定義されている。各平面11には、周期境界条件が定義されている。これにより、空間8は、一方の平面11が、反対側の平面11と繋がっているものとして取り扱われる。
Next, the coarse-
空間8の一辺の長さL1は、適宜設定することができるが、粗視化モデル2の慣性半径Rgの2倍以上に設定されるのが望ましい。慣性半径Rgは、分子動力学計算において、粗視化モデル2の拡がりを示すパラメータである。このような空間8では、分子動力学計算において、粗視化モデル2の運動をスムーズに計算することができる。さらに、空間8の大きさは、例えば、上記論文に基づいて、粒子数密度が3個/σ3程度に設定されるのが望ましい。
The length L1 of one side of the
空間8には、粗視化モデル2及びフィラーモデル6が複数個配置される。本実施形態では、粗視化モデル2が100〜10000本程度、フィラーモデル6が4〜32個程度配置されている。このように、粗視化モデル2及びフィラーモデル6が配置された空間8は、解析対象の高分子材料の微小構造部分である高分子材料モデル10として構成される。このような高分子材料モデル10も数値データであり、コンピュータ1に記憶される。
A plurality of coarse-
次に、コンピュータ1が、予め定めた条件に基づいて、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8について所定の時間、粗視化モデル2及びフィラーモデル6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、各時刻での粗視化粒子3及びフィラー粒子7の動きが、単位時間毎に追跡される。このような構造緩和の計算は、例えばソフトマテリアル総合シミュレーター(OCTA)に含まれるCOGNACを用いて処理することができる。
Next, the computer 1 calculates the structural relaxation of the
構造緩和の計算は、空間8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、粗視化モデル2及びフィラー粒子7の初期配置を精度よく緩和することができる。
In the space relaxation calculation, the pressure and temperature are constant or the volume and temperature are kept constant in the
本実施形態では、隣接する粗視化モデル2、2の粗視化粒子3、3間に、粗視化粒子3、3間の距離rijが0に収束しても有限値となる斥力ポテンシャルP2(図4に示す)が定義されている。このため、工程S4では、例えば、隣接する粗視化モデル2、2の粗視化粒子3、3間において、斥力が無限大に大きくなるのを防ぐことができる。従って、工程S4では、隣接する粗視化モデル2、2同士をスムーズに交叉させる(すり抜けさせる)ことができ、粗視化モデル2及びフィラー粒子7の初期配置を短時間で緩和することができる。
In the present embodiment, a repulsive potential that becomes a finite value even when the distance r ij between the coarse-
次に、コンピュータ1が、粗視化モデル2及びフィラーモデル6の初期配置を十分に緩和できたか否かを判断する(工程S5)。この工程S5では、粗視化モデル2及びフィラーモデル6の初期配置を十分に緩和できたと判断された場合、次の計算工程S6が実施される。一方、粗視化モデル2及びフィラーモデル6の初期配置を十分に緩和できていないと判断された場合は、単位時間を進めて(工程S7)、工程S4が再度実施される。これにより、工程S4では、粗視化モデル2及びフィラー粒子7の平衡状態(構造が緩和した状態)を確実に計算することができる。なお、構造緩和の計算時間は、上記条件の下で、末端間ベクトルの緩和時間をτnとした場合、少なくともτn以上、より好ましくは10τn以上が望ましい。
Next, the computer 1 determines whether or not the initial arrangement of the coarse-
次に、構造緩和の計算後、コンピュータ1が、高分子材料モデル10を予め定められた歪で変形させて、各ボンド4の配向パラメータを求める(計算工程S6)。図7には、本実施形態の計算工程S6の処理手順の一例が示されている。
Next, after the calculation of the structure relaxation, the computer 1 deforms the
本実施形態の計算工程S6では、先ず、図8に示されるように、高分子材料モデル10において、粗視化モデル2が配置された空間8が、複数の領域Tに区分される(工程S61)。各領域Tは、フィラーモデル6の外面6sに沿った複数の境界面Tsで区分されている。また、各境界面Tsは、フィラーモデル6の重心6gを中心として、一定の厚さdwで同心円状に配置されている。
In the calculation step S6 of the present embodiment, first, as shown in FIG. 8, in the
本実施形態の領域Tは、フィラーモデル6に最も隣接する第1番目の第1領域T1から第N番目の第N領域TNまでのN個分設定される。これらの領域Tは、座標値等の数値データであり、コンピュータ1に記憶される。
The number of regions T in the present embodiment is set for N from the first first region T1 closest to the
次に、高分子材料モデル10(図6に示す)が予め定められた歪で変形される(工程S62)。本実施形態の工程S62では、高分子材料モデル10に、図6に示される初期の状態から引張変形を与えた後、該引張変形と逆方向に同一の歪で圧縮変形を与えて初期の状態に戻す工程を1周期とする引張・圧縮変形がシミュレーションされる。本実施形態の歪γは、下記式(3)で定義される。
Next, the polymer material model 10 (shown in FIG. 6) is deformed with a predetermined strain (step S62). In step S62 of the present embodiment, the
ここで、各定数及び変数は次のとおりである。
γ0:歪振幅
ω:角速度
t:時刻
Here, each constant and variable are as follows.
γ 0 : Strain amplitude ω: Angular velocity t: Time
上記歪γは、正弦波形の振動歪である。このような振動歪は、例えば、動的粘弾性測定において、解析対象の高分子材料に加えられる歪に近似する。 The strain γ is a sinusoidal vibration strain. Such vibration strain approximates, for example, strain applied to a polymer material to be analyzed in dynamic viscoelasticity measurement.
空間8において、フィラーモデル6近傍の領域T(例えば、第1領域T1〜第5領域T5)では、粗視化粒子3とフィラー粒子7との間に作用する相互作用ポテンシャルP3の引力が大きくなる。このため、フィラーモデル6近傍の領域Tでは、粗視化粒子3が拘束され、上記歪γが定義されても、該領域Tの変形が小さくなる。
In the
フィラーモデル6から大きく離間する領域T(例えば、第6領域T6〜第M領域TM)では、粗視化粒子3とフィラー粒子7との間に作用する相互作用ポテンシャルP3の引力が小さくなる。このため、フィラーモデル6から大きく離間する領域Tでは、粗視化粒子3の動きが大きくなり、該領域Tでの変形が大きくなる。
In a region T (for example, a sixth region T6 to an Mth region TM) that is greatly separated from the
このように、工程S62では、フィラーが配合された高分子材料の変形を、高分子材料モデル10を用いて精度良く再現することができる。また、本実施形態では、隣接する粗視化モデル2、2の粗視化粒子3、3間に、上記のような斥力ポテンシャル(DPDポテンシャル)P2が定義されているため、隣接する粗視化モデル2、2同士をスムーズに交叉させる(すり抜けさせる)ことができる。このため、本実施形態では、例えば、ハードコアポテンシャルが定義される場合に比べて、緩和に要する計算時間が短くなるだけでなく、計算がエラー終了するのを確実に防ぐことができる。
Thus, in step S62, the deformation of the polymer material in which the filler is blended can be accurately reproduced using the
工程S62では、変形計算が実施される間、高分子材料モデル10の粗視化粒子3、ボンド4及びフィラー粒子7の座標値等が、時刻t毎に計算される。これらの座標値等は、数値データであり、コンピュータ1に記憶される。このような高分子材料モデル10の変形計算も、例えば、ソフトマテリアル総合シミュレーター(OCTA)に含まれるCOGNACを用いて処理することができる。
In step S62, while the deformation calculation is performed, the coordinate values of the coarse-
上記式(3)の各定数及び変数については、適宜設定することができるが、例えば、下記の値が設定されるのが望ましい。さらに、高分子材料モデル10の変形計算は、例えば、からみ合い点の緩和時間をτeとした場合、一周期を1〜10000τeのいずれかで定義して計算されるのが望ましく、また、一回の変形計算で20〜100個の座標データが出力されるのが望ましい。
歪振幅γ0:5%〜20%
角速度ω:2π/(10000τe)〜2π/(1τe)
About each constant and variable of the said Formula (3), although it can set suitably, it is desirable to set the following value, for example. Further, deformation calculation of the
Strain amplitude γ 0 : 5% to 20%
Angular velocity ω: 2π / (10000τ e ) to 2π / (1τ e )
次に、領域T毎に、各ボンド4の配向パラメータが計算される(工程S63)。図9に拡大して示されるように、工程S63では、工程S62で計算された粗視化粒子3、ボンド4及びフィラー粒子7の座標値に基づいて、配向パラメータが計算される。配向パラメータχi(m,t)は、下記式(1)で定義される。
Next, the orientation parameter of each
ここで、各定数及び変数は次のとおりである。
i:各ボンドのインデックス
m:各領域のインデックス
t:時刻
θi:ボンドベクトルui(m,t)と重心ベクトルni(m,t)とがなす角度(狭角)
Here, each constant and variable are as follows.
i: Index of each bond m: Index of each region t: Time θ i : Angle (narrow angle) formed by bond vector u i (m, t) and centroid vector n i (m, t)
配向パラメータχi(m,t)は、第m番目の領域Tmに配置されるボンド4に沿ったボンドベクトルui(m,t)、及び、該ボンド4の重心4gとフィラーモデル6の重心6gとを結ぶ重心ベクトルni(m,t)に基づいて定義される。このような配向パラメータχi(m,t)は、フィラーモデル6に対する粗視化モデル2のボンド4の配列状態を定義することができる。
The orientation parameter χ i (m, t) includes the bond vector u i (m, t) along the
工程S63では、空間8に配置される全てのボンド4について、配向パラメータχi(m,t)が、時刻t毎に計算される。これらの配向パラメータχi(m,t)は、数値データであり、コンピュータ1に記憶される。なお、各ボンド4が、隣り合う領域Tに跨って配置される場合は、ボンド4の重心4gが配置される領域Tにおいて、配向パラメータχi(m,t)が計算されるものとする。
In step S63, the orientation parameter χ i (m, t) is calculated for every
次に、配向パラメータχi(m,t)の平均Χ(m,t)に基づいて、コンピュータ1が、高分子材料の界面層を特定する(界面特定工程S8)。 Next, the computer 1 specifies the interface layer of the polymer material based on the average Χ (m, t) of the orientation parameters χ i (m, t) (interface specifying step S8).
図10に示されるように、フィラー13と高分子材料14との共存する系において、界面層14aは、フィラー13の周囲に形成されることが知られている。また、界面層14aでは、高分子材料14の本来の部分であるバルク部分14bとは異なる力学的特性が示される。このため、図8に示される高分子材料モデル10を用いて、高分子材料の物性値を計算する場合には、界面層14aの厚さW2を予め定義しておくことが重要である。
As shown in FIG. 10, it is known that the
一般に、高分子材料14の界面層14aでは、高分子鎖がフィラー13に拘束されるため、高分子鎖がフィラー13に拘束されないバルク部分14bに比べて変形しにくい傾向がある。
In general, in the
本実施形態では、高分子材料モデル10の変形に相関のあるボンド4の配向パラメータχi(m,t)の平均Χ(m,t)を用いて、高分子材料14の界面層14aを特定している。図11には、本実施形態の界面特定工程S8の具体的な処理手順が示されている。
In the present embodiment, the
本実施形態の界面特定工程S8では、先ず、領域T毎に、配向パラメータχi(m,t)の平均が求められる(工程S81)。配向パラメータの平均Χ(m,t)は、下記式(2)で定義される。 In the interface identification step S8 of the present embodiment, first, the average of the orientation parameters χ i (m, t) is obtained for each region T (step S81). The average Χ (m, t) of the orientation parameters is defined by the following formula (2).
ここで、各定数及び変数は次のとおりである。
i:各ボンドのインデックス
m:各領域のインデックス
t:時刻
N:各領域に配置されるボンドの総数
Here, each constant and variable are as follows.
i: Index of each bond m: Index of each area t: Time N: Total number of bonds arranged in each area
上記式(2)では、第m番目の領域Tのボンド4の配向パラメータχi(m,t)の平均が、時刻t毎に計算される。本実施形態では、第1領域T1から第N領域TNまでの全ての領域Tにおいて、配向パラメータの平均Χ(m,t)が計算される。これらの配向パラメータの平均Χ(m,t)は、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 (2), the average of the orientation parameters χ i (m, t) of the
上述したように、フィラーモデル6近傍の領域Tでは、粗視化粒子3とフィラー粒子7との間に作用する相互作用ポテンシャルP3の引力が大きくなる。このため、粗視化粒子3、3間のボンド4に定義されるボンドベクトルui(m,t)と重心ベクトルni(m,t)とがなす角度θiが大となり、配向パラメータχi(m,t)の平均Χ(m,t)が1に近づく。
As described above, in the region T in the vicinity of the
一方、フィラーモデル6から大きく離間する領域Tでは、粗視化粒子3とフィラー粒子7との間に作用する相互作用ポテンシャルP3の引力が小さくなる。このため、粗視化粒子3、3間のボンド4に定義されるボンドベクトルui(m,t)と重心ベクトルni(m,t)とがなす角度θiが乱雑になり(即ち、拘束力が弱いため、角度θiがランダムな方向に向く)、配向パラメータχi(m,t)が−1〜+1の範囲で様々な値をとるため、配向パラメータの平均Χ(m,t)は0に近づく。
On the other hand, in the region T that is far away from the
このように、フィラーモデル6近傍の領域Tでは、該領域Tにおいてボンド4がフィラーモデル6の同心円状に配向するため、配向パラメータχi(m,t)の平均Χ(m,t)が1に近づく。一方、フィラーモデル6から大きく離間する領域Tでは、該領域Tでの変形、及び、配向パラメータχi(m,t)が、フィラーモデル6近傍の領域Tに比べて乱雑になるため(即ち、配向パラメータχi(m,t)が−1〜+1の範囲で様々な値となる)、配向パラメータの平均Χ(m,t)が0に近づく。従って、配向パラメータχi(m,t)は、高分子材料モデル10の変形に相関がある。
In this manner, in the region T in the vicinity of the
次に、配向パラメータの平均Χ(m,t)が、歪に対して同位相で応答する貯蔵成分と、歪に対して異なる位相で応答する散逸成分とに分解される(工程S82)。この工程S82では、先ず、各領域Tでの歪の応答が、下記式(8)で計算される。 Next, the average Χ (m, t) of the orientation parameters is decomposed into a storage component that responds to the strain in the same phase and a dissipative component that responds to the strain in a different phase (step S82). In this step S82, first, the distortion response in each region T is calculated by the following equation (8).
Χ0:配向パラメータχの振幅
δ:位相差
Χ 0 : Orientation parameter χ amplitude δ: Phase difference
上記式(8)は、上記式(2)で定義される各領域Tの配向パラメータの平均Χ(m,t)、及び上記式(3)で定義される歪に基づいて、各領域Tでの歪の応答が定義される。 The above equation (8) is calculated based on the average Χ (m, t) of the orientation parameters of each region T defined by the above equation (2) and the strain defined by the above equation (3). The distortion response is defined.
次に、上記式(8)で定義される高分子材料モデル10の応答が、下記式(4)のように分解される。
Next, the response of the
ここで、各定数及び変数は、上記式(2)、上記式(3)及び上記式(8)と同一である。
Here, each constant and variable are the same as the above formula (2), the above formula (3), and the above formula (8).
上記式(4)は、上記式(8)を、加法定理に基づいて分解したものである。このような上記式(4)によれば、高分子材料モデル10の応答(配向パラメータの平均Χ(m,t))を、歪に対して同位相で応答する貯蔵成分Χ’と、歪に対して異なる位相で応答する散逸成分Χ”とに分解することができる。また、上記式(4)では、貯蔵成分Χ’及び散逸成分Χ”を、時刻tから分離することができるため、貯蔵成分Χ’及び散逸成分Χ”を一意に決定することができる。図12には、各領域Tの貯蔵成分Χ’及び散逸成分Χ”、並びにフィラーモデル6の外面6sから各領域Tの境界面Tsまでの距離の関係を示すグラフが示される。
The above formula (4) is obtained by decomposing the above formula (8) based on the addition theorem. According to the above equation (4), the response of the polymer material model 10 (average orientation parameter (Χ, m, t)) is a storage component 貯 蔵 ′ that responds to the strain in the same phase, and the strain. In contrast, the storage component 散 ′ and the dissipation component Χ ″ can be separated from the time t in the above equation (4). The component Χ ′ and the dissipative component Χ ”can be uniquely determined. FIG. 12 shows the storage component Χ ′ and the dissipative component Χ” of each region T and the boundary surface of each region T from the
次に、貯蔵成分Χ’及び散逸成分Χ”に基づいて、界面層が決定される(工程S83)。上述したように、図10に示した高分子材料14の界面層14aでは、バルク部分14bに比べて変形しにくい傾向がある。このため、図8に示した高分子材料モデル10の界面層では、歪に対して同位相で応答する貯蔵成分Χ’が、歪に対して異なる位相で応答する散逸成分Χ”よりも大きくなると仮定できる。従って、工程S83では、貯蔵成分Χ’が散逸成分Χ”よりも大きい領域Tが、界面層17(図13に示す)として決定される。
Next, the interface layer is determined based on the storage component Χ ′ and the dissipative component Χ ”(step S83). As described above, in the
また、高分子材料モデル10のバルク部分では、貯蔵成分Χ’が散逸成分Χ”よりも小さくなると仮定できる。従って、工程S83では、貯蔵成分Χ’が散逸成分Χ”よりも小さい領域Tが、バルク部分18(図13に示す)として決定される。
Further, in the bulk portion of the
さらに、界面層とバルク部分との境界は、貯蔵成分Χ’と散逸成分Χ”とが同一になると仮定できる。従って、工程S83では、貯蔵成分Χ’と散逸成分Χ”とが交わる交点19が、界面層17とバルク部分18との境界20(図13に示す)の位置として決定される。
Furthermore, it can be assumed that the boundary between the interface layer and the bulk portion is the same as the storage component Χ ′ and the dissipative component Χ ″. The position of the boundary 20 (shown in FIG. 13) between the
なお、境界20が隣り合う境界面Ts、Ts(図8に示す)の間に配置される場合は、境界20を基準として、界面層17及びバルク部分18が特定されるのが望ましい。また、工程S83では、交点19のフィラーモデル6の外面6sからの距離が計算されることにより、界面層17の厚さW3(図13に示す)が求められる。
In addition, when the
このように、本発明のシミュレーション方法では、従来のシミュレーション方法のように、高分子材料及びフィラーを用いた実験を実施すること無く、界面層17を特定し、さらにはその厚さW3を確実に計算することができる。従って、本発明のシミュレーション方法では、多くの時間や費用を必要とすることなく、界面層17を正確に特定することができる。
As described above, in the simulation method of the present invention, the
しかも、本発明のシミュレーション方法では、粗視化モデル2を用いたシミュレーションにおいて、界面層17を特定することができるため、現実に存在しない高分子鎖の界面層17を特定でき、未知の高分子材料の開発に役立つ。
Moreover, in the simulation method of the present invention, since the
さらに、本発明のシミュレーション方法では、隣接する粗視化モデル2、2の粗視化粒子3、3間に、上記のような斥力ポテンシャルP2(図5に示す)が定義されるため、界面を含む高分子材料モデル10の変形を、安定して精度良く短時間に計算することができる。従って、本実施形態のシミュレーション方法では、界面層17を確実に特定することができる。
Furthermore, in the simulation method of the present invention, since the repulsive potential P2 (shown in FIG. 5) is defined between the coarse-
界面層17を精度良く特定するために、ボンド4が100個以上配置され、かつ、各領域Tの厚さdwが単位長さ1σ以下の範囲で決定されるのが望ましい。各領域Tに配置されるボンド4が100個未満であると、各領域Tの配向パラメータχi(m,t)を十分に均せないおそれがある。また、厚さdwが単位長さ1σを超えると、分解能が低下するおそれがある。
In order to specify the
次に、コンピュータ1が、高分子材料モデル10の物性値を計算する(工程S9)。この工程S9では、空間8に、界面層17の厚さW3等の所定のパラメータが設定され、高分子材料の物性値(例えば、複素弾性率)が計算される。
Next, the computer 1 calculates the physical property value of the polymer material model 10 (step S9). In this step S9, predetermined parameters such as the thickness W3 of the
次に、コンピュータ1が、高分子材料モデル10の物性値が、許容範囲内であるかを判断する(工程S10)。この工程S10では、物性値が許容範囲内であると判断された場合、粗視化モデル2を含む空間8の条件等に基づいて、高分子材料が製造される(工程S11)。一方、物性値が許容範囲内でないと判断された場合は、粗視化モデル2を含む空間8の諸条件を変更して(工程S12)、工程S4〜S11が再度行われる。このように、本実施形態のシミュレーション方法では、高分子材料モデル10の物性値が許容範囲内になるまで、粗視化モデル2を含む空間8の諸条件が変更されるため、所望の性能を有する高分子材料を、効率よく設計することができる。
Next, the computer 1 determines whether the physical property value of the
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3、図7及び図11に示される手順に従って、高分子材料モデルのボンドの配向パラメータが求められ、高分子材料の界面層が特定された(実施例)。 According to the procedure shown in FIG. 3, FIG. 7, and FIG. 11, the bond orientation parameter of the polymer material model was determined, and the interface layer of the polymer material was specified (Example).
そして、実施例及び比較例において、界面層の厚さを求めるのに要した時間が測定された。なお、ポテンシャル、及び歪の各パラメータ等は、明細書中の記載通りであり、共通仕様は次のとおりである。
粗視化モデル:
粗視化粒子の個数:143個/本
慣性半径:4.86σ
フィラーモデルの半径:4.0σ
各領域:
厚さdw:0.5σ
個数:10個
各領域に配置されるボンドの個数:340〜1443個
空間:
1辺の長さL1:21.0σ
粗視化モデルの本数:189本
フィラーモデルの個数:1個
In the examples and comparative examples, the time required to determine the thickness of the interface layer was measured. In addition, each parameter of potential, strain, and the like are as described in the specification, and common specifications are as follows.
Coarse-grained model:
Number of coarse-grained particles: 143 particles / inertia radius: 4.86σ
Filler model radius: 4.0σ
Each area:
Thickness dw: 0.5σ
Number: 10 Number of bonds arranged in each region: 340-1443 Space:
Length of one side L1: 21.0σ
Number of coarse-grained models: 189 Number of filler models: 1
テストの結果、実施例で計算された界面層の厚さは、4.8σであった。従って、実施例では、高分子材料を用いた実験等を実施することなく、界面層の厚さを一意に特定することができた。また、実施例では、斥力ポテンシャル(DPDポテンシャル)が定義されているため、隣接する粗視化モデル同士をスムーズに交叉させる(すり抜けさせる)ことができ、計算がエラー終了するのを防ぐことができた。 As a result of the test, the thickness of the interface layer calculated in the example was 4.8σ. Therefore, in the example, the thickness of the interface layer could be uniquely specified without performing an experiment using a polymer material. In the embodiment, since the repulsive potential (DPD potential) is defined, the adjacent coarse-grained models can be smoothly crossed (passed through), and the calculation can be prevented from being ended in error. It was.
2 粗視化モデル
4 ボンド
6 フィラーモデル
10 高分子材料モデル
2 Coarse-
Claims (7)
前記コンピュータに、前記高分子材料の高分子鎖を、複数の粗視化粒子と、前記粗視化粒子間を結合するボンドとを用いてモデル化した粗視化モデルを設定する工程、
前記コンピュータに、前記フィラーをフィラー粒子でモデル化したフィラーモデルを設定する工程、
前記コンピュータに、前記粗視化モデルと前記フィラーモデルとを予め定められた空間内に配置して高分子材料モデルを設定する工程、
前記コンピュータが、予め定めた条件に基づいて、前記高分子材料モデルの構造緩和を計算する工程、
前記構造緩和の計算後、前記コンピュータが、前記高分子材料モデルを予め定められた歪で変形させて、前記各ボンドの配列状態を表す配向パラメータを求める計算工程、
前記配向パラメータに基づいて、前記コンピュータが、前記フィラーの周囲に形成されかつ前記高分子材料のバルク部分とは異なる力学的特性を示す前記高分子材料の界面層を特定する界面特定工程を含み、
隣接する前記粗視化モデルの前記粗視化粒子間には、前記粗視化粒子間の距離が0に収束しても有限値となる斥力ポテンシャルが定義されることを特徴とする高分子材料のシミュレーション方法。 A method for analyzing a reaction between a polymer material and a filler using a computer,
Setting a coarse-grained model obtained by modeling the polymer chain of the polymer material in the computer using a plurality of coarse-grained particles and a bond that bonds the coarse-grained particles;
Setting a filler model in which the filler is modeled with filler particles in the computer;
Setting the polymer material model by arranging the coarse-grained model and the filler model in a predetermined space in the computer;
The computer calculating a structural relaxation of the polymer material model based on a predetermined condition;
After the calculation of the structural relaxation, the computer deforms the polymer material model with a predetermined strain to obtain an orientation parameter representing the alignment state of each bond,
Based on the orientation parameter, the computer includes an interface identifying step that identifies an interface layer of the polymeric material formed around the filler and exhibiting mechanical properties different from the bulk portion of the polymeric material;
A polymer material characterized in that a repulsive potential that is finite even if the distance between the coarse-grained particles converges to 0 is defined between the coarse-grained particles of the adjacent coarse-grained models. Simulation method.
前記高分子材料モデルを前記歪で変形させる工程と、
前記領域毎に、前記配向パラメータを計算する工程とを含む請求項1に記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The calculation step includes a step of dividing the space in which the coarse-grained model is arranged into a plurality of regions at a boundary surface along an outer surface of the filler model;
Deforming the polymer material model with the strain;
The method of claim 1, further comprising: calculating the orientation parameter for each region.
前記配向パラメータの平均を、前記歪に対して同位相で応答する貯蔵成分と、前記歪に対して異なる位相で応答する散逸成分とに分解する工程と、
前記貯蔵成分が前記散逸成分よりも大きい領域を前記界面層と決定する工程とを含む請求項2に記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The interface specifying step is a step of obtaining an average of the orientation parameters for each region;
Decomposing an average of the orientation parameters into a storage component that responds in phase to the strain and a dissipative component that responds to the strain in a different phase;
The simulation method of the polymeric material of Claim 2 including the process of determining the area | region where the said storage component is larger than the said dissipative component as the said interface layer.
ここで、各定数及び変数は次のとおりである。
i:各ボンドのインデックス
m:各領域のインデックス
t:時刻
θi:ボンドベクトルui(m,t)と重心ベクトルni(m,t)とがなす角度 The orientation parameter χ i (m, t) is a centroid vector n i (m, t) that connects the bond vector u i (m, t) along the bond and the centroid of the bond and the centroid of the filler model. The simulation method of the polymeric material in any one of Claims 1 thru | or 3 defined by following formula (1) based on these.
Here, each constant and variable are as follows.
i: Index of each bond m: Index of each region t: Time θ i : Angle formed by bond vector u i (m, t) and centroid vector n i (m, t)
前記歪γは、下記式(3)で定義され、
前記配向パラメータの平均Χ(m,t)は、下記式(4)に基づいて、前記貯蔵成分Χ’と前記散逸成分Χ”とに分解される請求項4に記載の高分子材料のシミュレーション方法。
ここで、各定数及び変数は次のとおりである。
i:各ボンドのインデックス
m:各領域のインデックス
t:時刻
N:各領域に配置されるボンドの総数
γ0:歪振幅
ω:角速度 The average Χ (m, t) of the orientation parameters is defined by the following formula (2):
The strain γ is defined by the following formula (3):
The method for simulating a polymer material according to claim 4, wherein the average Χ (m, t) of the orientation parameters is decomposed into the storage component Χ 'and the dissipative component Χ "based on the following formula (4): .
Here, each constant and variable are as follows.
i: Index of each bond m: Index of each region t: Time N: Total number of bonds arranged in each region γ 0 : Strain amplitude ω: Angular velocity
aij:粗視化粒子間に作用する斥力の強度に対応する定数
rij:粗視化粒子間の距離
rc:カットオフ距離 The said repulsive potential is the simulation method of the polymeric material in any one of Claims 1 thru | or 6 defined by following formula (5).
a ij : Constant corresponding to the strength of repulsive force acting between coarse-grained particles r ij : Distance between coarse-grained particles r c : Cut-off distance
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