JP2019036253A - Method for simulating coarse graining molecular dynamics of polymer material - Google Patents

Method for simulating coarse graining molecular dynamics of polymer material Download PDF

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Abstract

To accurately compare physical quantities due to deformation.SOLUTION: Provided is a method for comparing the performance of at least two kinds of polymer materials mutually differing in the interaction between a filler and a polymer using a computer. This simulation method includes: a step S1 for setting, on the basis of each polymer material, each of polymer material models mutually differing in the strength of interaction potential between a filler and a polymer to the computer; a step S2 in which the computer calculates the structural relaxation of each polymer material model on the basis of the interaction potential; and a step S3 for deforming each of the polymer material models after structural relaxation and calculating a physical quantity due to the deformation of each polymer material model. In the step S3 for calculating the structural relaxation, calculation is made of the structural relaxation under a condition where the pressure and temperature of each polymer material model and the number of particles constituting the filler and the polymer are mutually the same.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法に関し、詳しくは、コンピュータを用いて、フィラーとポリマーとの相互作用が互いに異なる少なくとも2種類の高分子材料の性能を比較するための方法に関する。   The present invention relates to a coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material, and more particularly, to compare the performance of at least two kinds of polymer materials having different filler-polymer interactions using a computer. Regarding the method.

下記特許文献1は、コンピュータを用いて、フィラーとポリマーとを含む高分子材料のシミュレーション方法を提案している。下記特許文献1のシミュレーション方法では、先ず、高分子材料に基づいて、数値計算用の高分子材料モデルがコンピュータに設定される。フィラーとポリマーとの間には、斥力又は引力を作用させるための相互作用ポテンシャルが定義される。そして、下記特許文献1のシミュレーション方法では、相互作用ポテンシャルに基づいて、高分子材料モデルの構造緩和が計算される。   The following Patent Document 1 proposes a simulation method of a polymer material including a filler and a polymer using a computer. In the simulation method disclosed in Patent Document 1, first, a polymer material model for numerical calculation is set in a computer based on the polymer material. An interaction potential for applying a repulsive force or an attractive force is defined between the filler and the polymer. In the simulation method of Patent Document 1 below, the structural relaxation of the polymer material model is calculated based on the interaction potential.

相互作用ポテンシャルには、その強度を定義するためのパラメータが含まれている。相互作用ポテンシャルの強度を小さくすると、フィラーとポリマーとの間の物理吸着が弱くなる。また、相互作用ポテンシャルの強度を大きくすると、フィラーとポリマーとの間の物理吸着が強くなる。   The interaction potential includes parameters for defining its strength. Decreasing the strength of the interaction potential weakens physical adsorption between the filler and the polymer. Also, increasing the strength of the interaction potential increases the physical adsorption between the filler and the polymer.

K.Hagita, H.Morita, H.Takano著、「Molecular dynamics simulation study of a fracture of filler-filled polymer nanocomposites」、Poymer、ELSEVIER、2016年9月2日、第99巻、p.368-375K. Hagita, H. Morita, H. Takano, `` Molecular dynamics simulation study of a fracture of filler-filled polymer nanocomposites '', Poymer, ELSEVIER, September 2, 2016, Vol. 99, p.368-375

上記非特許文献1では、相互作用ポテンシャルの強度が互いに異なる高分子材料モデルを設定して、高分子材料モデルの破壊に関するシミュレーションが行われている。しかしながら、上記非特許文献1のシミュレーションでは、相互作用ポテンシャルの強度が互いに異なる高分子材料モデルを対象とする構造緩和の計算方法が明示されていないため、各高分子材料モデルの変形に伴う物理量を、精度よく比較することが難しいという問題があった。   In the said nonpatent literature 1, the simulation regarding destruction of a polymeric material model is performed by setting the polymeric material model from which the intensity | strength of interaction potential differs mutually. However, in the simulation of Non-Patent Document 1, since the calculation method of the structural relaxation for the polymer material models whose interaction potential strengths are different from each other is not clearly shown, the physical quantity associated with the deformation of each polymer material model is determined. There was a problem that it was difficult to compare accurately.

発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、相互作用ポテンシャルの強度が互いに異なる高分子材料モデルの構造緩和をそれぞれ適切に計算しないと、フィラーに対するポリマーの分布がそれぞれ変化し、緩和計算後の各高分子材料モデルの内部応力が互いに大きく異なることを知見した。そして、内部応力が互いに大きく異なる各高分子材料モデルでは、変形に伴う物理量を精度良く比較できないことを見出した。   As a result of intensive studies, the inventors have found that the distribution of polymer to the filler changes unless the structural relaxation of polymer materials models with different interaction potential strengths is calculated appropriately. It was found that the internal stresses of the polymer material models differed greatly from each other. Then, it was found that the physical quantities associated with deformation cannot be compared with high accuracy in each polymer material model having greatly different internal stresses.

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、変形に伴う物理量を精度よく比較することができる高分子材料の粗視化分子動力学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 has as its main purpose to provide a coarse-grained molecular dynamics simulation method for polymer materials that can accurately compare physical quantities associated with deformation. Yes.

本発明は、コンピュータを用いて、フィラーとポリマーとの相互作用が互いに異なる少なくとも2種類の高分子材料の性能を比較するための方法であって、前記各高分子材料に基づいて、前記フィラーと前記ポリマーとの間の相互作用ポテンシャルの強度が互いに異なる高分子材料モデルを、前記コンピュータにそれぞれ設定する工程と、前記コンピュータが、前記相互作用ポテンシャルに基づいて、前記各高分子材料モデルの構造緩和を計算する工程と、前記コンピュータが、構造緩和後の前記各高分子材料モデルをそれぞれ変形させて、前記各高分子材料モデルの前記変形に伴う物理量を計算する工程とを含み、前記構造緩和を計算する工程は、前記各高分子材料モデルの圧力、温度、並びに、前記フィラー及び前記ポリマーを構成する粒子の数が互いに同一となる条件の下で、前記構造緩和を計算することを特徴とする。   The present invention is a method for comparing the performance of at least two types of polymer materials in which the interaction between the filler and the polymer is different from each other using a computer, and based on each of the polymer materials, A step of setting, in the computer, polymer material models having different interaction potential strengths with respect to the polymer, respectively, and the computer relaxes the structure of each of the polymer material models based on the interaction potential. And calculating the physical quantity associated with the deformation of each of the polymer material models by deforming each of the polymer material models after the structure relaxation, and calculating the structural relaxation. The calculating step constitutes the pressure and temperature of each polymer material model, and the filler and the polymer. Under conditions where the number of children is the same as each other, and calculates the structural relaxation.

本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記物理量は、前記各高分子材料モデルの応力を含んでもよい。   In the coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to the present invention, the physical quantity may include a stress of each polymer material model.

本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記物理量は、前記各高分子材料モデルの空孔に関するパラメータを含んでもよい。   In the coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to the present invention, the physical quantity may include a parameter relating to pores of each polymer material model.

本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記空孔に関するパラメータは、前記空孔の合計体積、又は、前記各高分子材料モデルの体積に対する前記空孔の前記合計体積の割合であってもよい。   In the coarse-grained molecular dynamics simulation method for the polymer material according to the present invention, the parameter relating to the pore is the total volume of the pore or the total of the pore with respect to the volume of each polymer material model It may be a volume ratio.

本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記コンピュータが、前記各高分子材料モデルの前記物理量を比較する工程をさらに含んでもよい。   In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention, the computer may further include a step of comparing the physical quantities of the polymer material models.

本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記相互作用ポテンシャルは、レナードジョーンズポテンシャルであり、前記強度は、前記レナードジョーンズポテンシャルのポテンシャルの深さεであってもよい。   In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention, the interaction potential may be a Leonard Jones potential, and the strength may be a potential depth ε of the Leonard Jones potential. .

本発明の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法は、前記各高分子材料に基づいて、前記フィラーと前記ポリマーとの間の相互作用ポテンシャルの強度が互いに異なる高分子材料モデルを、前記コンピュータにそれぞれ設定する工程を含んでいる。さらに、本発明の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法は、前記コンピュータが、前記相互作用ポテンシャルに基づいて、前記各高分子材料モデルの構造緩和を計算する工程と、構造緩和後の前記各高分子材料モデルをそれぞれ変形させて、前記各高分子材料モデルの前記変形に伴う物理量を計算する工程とを含んでいる。   The coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to the present invention is based on each polymer material, and a polymer material model having different interaction potential strengths between the filler and the polymer is used as the polymer material model. It includes the process of setting each to a computer. Furthermore, in the coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to the present invention, the computer calculates a structure relaxation of each polymer material model based on the interaction potential, Each of the polymer material models is deformed, and a physical quantity associated with the deformation of each polymer material model is calculated.

前記構造緩和を計算する工程は、前記各高分子材料モデルの圧力、温度、並びに、前記フィラー及び前記ポリマーを構成する粒子の数が互いに同一となる条件の下で、前記構造緩和を計算している。これにより、本発明の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法は、構造緩和後の前記各高分子材料モデルの内部応力を互いに近似させることができるため、各高分子材料モデルの変形に伴う物理量を精度よく比較できる。   The step of calculating the structural relaxation calculates the structural relaxation under the condition that the pressure and temperature of each polymer material model and the number of particles constituting the filler and the polymer are the same. Yes. Thus, the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention can approximate the internal stresses of the polymer material models after the structure relaxation to each other. The accompanying physical quantities can be accurately compared.

高分子材料の粗視化分子動力学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 coarse-grained molecular dynamics simulation method of a polymeric material. ポリマーの一例を示す構造式である。It is a structural formula showing an example of a polymer. 高分子材料の粗視化分子動力学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 coarse-grained molecular dynamics simulation method of a polymeric material. モデル設定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 model setting process. フィラーモデル及びポリマーモデルが配置されたセルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of the cell by which the filler model and the polymer model are arrange | positioned. 図5のA部拡大図である。It is the A section enlarged view of FIG. フィラーモデルのフィラー粒子モデルの拡大図である。It is an enlarged view of the filler particle model of a filler model. ポリマーモデルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of a polymer model. フィラーモデル及びポリマーモデルの相互作用ポテンシャルの一例を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining an example of the interaction potential of a filler model and a polymer model. 緩和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 relaxation process. 第2高分子材料モデルの体積分率と、時刻との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the volume fraction of a 2nd polymeric material model, and time. 第1高分子材料モデルの平衡内部応力及び第2高分子材料モデルの内部応力と、時刻との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the equilibrium internal stress of a 1st polymer material model, the internal stress of a 2nd polymer material model, and time. (a)は、変形計算前の高分子材料モデルの一部を示す概念図、(b)は、変形計算後の高分子材料モデルの一部を示す概念図である。(A) is a conceptual diagram showing a part of a polymer material model before deformation calculation, and (b) is a conceptual diagram showing a part of the polymer material model after deformation calculation. 実施例の応力と歪みとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the stress of an Example, and distortion. 実施例の空孔の体積分率と歪みとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the volume fraction of the void | hole of an Example, and distortion. 比較例の各高分子材料モデルの内部応力と時刻との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the internal stress of each polymer material model of a comparative example, and time. 比較例の空孔の体積分率と時刻との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the volume fraction of the hole of a comparative example, and time.

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粗視化分子動力学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。)では、コンピュータを用いて、フィラーとポリマーとの相互作用が互いに異なる少なくとも2種類(本実施形態では、2種類)の高分子材料の性能が比較される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the coarse-grained molecular dynamics simulation method (hereinafter, simply referred to as “simulation method”) of the polymer material of the present embodiment, at least two types of interaction between the filler and the polymer are different from each other using a computer. The performances of two types of polymer materials (in this embodiment) are compared.

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ソフトウェア等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 software or the like for executing the simulation method of the present embodiment.

フィラーとしては、例えば、シリカ、カーボンブラック、又は、アルミナ等が採用される。ポリマーとしては、例えば、天然ゴム、合成ゴム、又は、樹脂等が採用される。   As the filler, for example, silica, carbon black, alumina, or the like is employed. As the polymer, for example, natural rubber, synthetic rubber, resin, or the like is employed.

図2は、ポリマーの一例を示す構造式である。本実施形態のポリマーとしては、図2に示されるように、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。ポリイソプレンを構成するポリマーは、メチン基等(例えば、−CH=、>C=)、メチレン基(−CH−)、及び、メチル基(−CH)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)3が、重合度nで連結されて構成されている。なお、ポリマーには、ポリイソプレン以外のものが用いられてもよい。 FIG. 2 is a structural formula showing an example of a polymer. As a polymer of this embodiment, as shown in FIG. 2, cis-1,4 polyisoprene (hereinafter sometimes simply referred to as “polyisoprene”) is exemplified. Polymer constituting the polyisoprene methine group (e.g., -CH =,> C =) , methylene group (-CH 2 -), and a monomer isoprene constituted by a methyl group (-CH 3) (isoprene Molecule) 3 is connected with a polymerization degree n. A polymer other than polyisoprene may be used as the polymer.

本実施形態のシミュレーション方法において、性能が比較される高分子材料モデルには、第1高分子材料及び第2高分子材料が含まれている。これらの第1高分子材料及び第2高分子材料は、フィラーとポリマーとの相互作用が互いに異なっている。本実施形態の第1高分子材料は、第2高分子材料よりも相互作用が弱いものとして区分されるが、第2高分子材料よりも相互作用が強いものであってもよい。また、本実施形態の相互作用としては、物理吸着である場合が例示される。   In the simulation method of this embodiment, the first polymer material and the second polymer material are included in the polymer material model whose performance is compared. The first polymer material and the second polymer material are different from each other in the interaction between the filler and the polymer. The first polymer material of the present embodiment is classified as having a weaker interaction than the second polymer material, but may be a material having a stronger interaction than the second polymer material. Moreover, the case of physical adsorption is illustrated as interaction of this embodiment.

フィラーとポリマーとの間の物理吸着は、主にフィラーとポリマーとの間に働くファンデルワールス相互作用及び静電相互作用によって、ポリマーがフィラーの表面に吸着される現象である。フィラーとポリマーとの間の物理吸着が強いほど、高分子材料の耐破壊性が向上すると期待される。このような物理吸着の強弱は、実際の高分子材料において、例えば、分子の化学構造や分子密度等を調節することで適宜設定することができる。一方、後述のシミュレーションに用いられる高分子材料モデルでは、例えば、フィラーとポリマーとの間の相互作用ポテンシャルの強度(ポテンシャルの深さ)に設定される値を調節することで、物理吸着の強弱を定義することができる。   Physical adsorption between the filler and the polymer is a phenomenon in which the polymer is adsorbed on the surface of the filler mainly by van der Waals interaction and electrostatic interaction acting between the filler and the polymer. It is expected that the higher the physical adsorption between the filler and the polymer, the better the fracture resistance of the polymer material. Such physical adsorption strength can be appropriately set in an actual polymer material by adjusting, for example, the chemical structure and molecular density of the molecule. On the other hand, in the polymer material model used for the simulation described later, for example, by adjusting the value set for the strength of the interaction potential between the filler and the polymer (potential depth), the strength of physical adsorption can be reduced. Can be defined.

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は、先ず、高分子材料に基づいて、相互作用ポテンシャルの強度が互いに異なる高分子材料モデルが、コンピュータ1に設定される(モデル設定工程S1)。本実施形態のモデル設定工程S1では、第1高分子材料をモデル化した第1高分子材料モデルと、第2高分子材料をモデル化した第2高分子材料モデルとがそれぞれ設定される。図4は、モデル設定工程S1の処理手順の一例を示すフローチャートである。   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, polymer material models having different interaction potential strengths are set in the computer 1 based on the polymer material (model setting step S1). In the model setting step S1 of the present embodiment, a first polymer material model that models the first polymer material and a second polymer material model that models the second polymer material are respectively set. FIG. 4 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the model setting step S1.

本実施形態のモデル設定工程S1では、先ず、高分子材料の一部に対応する仮想空間であるセルが、コンピュータ1に定義される(工程S11)。セル4は、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))毎に定義される。図5は、フィラーモデル6、及び、ポリマーモデル7が配置されたセル4の一例を示す概念図である。   In the model setting step S1 of the present embodiment, first, a cell that is a virtual space corresponding to a part of the polymer material is defined in the computer 1 (step S11). The cell 4 is defined for each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)). FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of the cell 4 in which the filler model 6 and the polymer model 7 are arranged.

セル4は、少なくとも互いに向き合う一対の面5、5、本実施形態では、互いに向き合う三対の面5、5を有しており、直方体又は立方体(本例では、立方体)として定義されている。各面5、5には、周期境界条件が定義されている。このようなセル4が用いられることにより、後述の粗視化分子動力学計算において、例えば、ポリマー(図2に示す)をモデル化した後述のポリマーモデル7について、一方側の面5aから出て行ったポリマーモデル7の一部が、他方側の面5bから入ってくるように計算することができる。従って、セル4は、一方側の面5aと、他方側の面5b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。   The cell 4 has at least a pair of surfaces 5 and 5 facing each other, and in this embodiment, three pairs of surfaces 5 and 5 facing each other, and is defined as a rectangular parallelepiped or a cube (in this example, a cube). A periodic boundary condition is defined for each of the surfaces 5 and 5. By using such a cell 4, in the later-described coarse-grained molecular dynamics calculation, for example, a later-described polymer model 7 that models a polymer (shown in FIG. 2) comes out from the surface 5a on one side. It can be calculated that a part of the polymer model 7 performed enters from the surface 5b on the other side. Accordingly, the cell 4 can be handled as one in which the surface 5a on one side and the surface 5b on the other side are continuous (connected).

セル4の一辺の各長さL1は、適宜設定することができる。本実施形態の長さL1は、後述のポリマーモデル7の拡がりを示す量である慣性半径(図示省略)の3倍以上が望ましい。これにより、後述の粗視化分子動力学計算では、周期境界条件による自己のイメージとの衝突の発生を防いで、ポリマーモデル7の空間的拡がりを適切に計算することができる。また、セル4の大きさは、例えば1気圧で安定な体積に設定される。これにより、セル4は、解析対象の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。   Each length L1 of one side of the cell 4 can be set as appropriate. The length L1 of the present embodiment is desirably at least three times the radius of inertia (not shown), which is an amount indicating the extent of the polymer model 7 described later. Thereby, in the coarse-grained molecular dynamics calculation described later, it is possible to appropriately calculate the spatial spread of the polymer model 7 while preventing the collision with the self image due to the periodic boundary condition. The size of the cell 4 is set to a stable volume at 1 atmosphere, for example. Thereby, the cell 4 can define the volume of at least a part of the polymer material to be analyzed.

図6は、図5のA部拡大図である。セル4の内部には、例えば、立方体状に区分された複数の小領域9が定義されている。各小領域9には、節点9tが設定されている。このような小領域9は、後述する分子動力学計算において、フィラーモデル6の小粒子12(図9に示す)、及び、ポリマーモデル7の粗視化粒子15(図9に示す)の追跡等に用いられる。小領域9の1辺の長さL2は、例えば、粗視化粒子15の直径に対して0.1〜5倍程度に設定されるのが望ましい。セル4は、コンピュータ1に記憶される。   FIG. 6 is an enlarged view of part A in FIG. In the cell 4, for example, a plurality of small regions 9 divided into cubes are defined. Each small area 9 is set with a node 9t. Such a small region 9 is used to track the small particles 12 (shown in FIG. 9) of the filler model 6 and the coarse-grained particles 15 (shown in FIG. 9) of the polymer model 7 in the molecular dynamics calculation described later. Used for. The length L2 of one side of the small region 9 is preferably set to about 0.1 to 5 times the diameter of the coarse-grained particles 15, for example. The cell 4 is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、図5に示したセル4の内部に、フィラーをモデル化したフィラーモデル6が定義される(工程S12)。本実施形態の工程S12では、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))のセル4毎に、フィラーモデル6がそれぞれ定義される。   Next, in the model setting step S1 of the present embodiment, a filler model 6 in which a filler is modeled is defined inside the cell 4 shown in FIG. 5 (step S12). In step S12 of this embodiment, a filler model 6 is defined for each cell 4 of each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)). Is done.

本実施形態のフィラーモデル6は、セル4の内部で凝集した複数のフィラー粒子モデル11によって定義されている。本実施形態では、実際の高分子材料の電子線透過画像のフィラーの一次粒子の位置に基づいて、フィラー粒子モデル11が配置されている。これにより、フィラーモデル6は、実際のフィラーの形状を精度よく表現することができる。図7は、フィラーモデル6のフィラー粒子モデル11の拡大図である。   The filler model 6 of the present embodiment is defined by a plurality of filler particle models 11 aggregated inside the cell 4. In the present embodiment, the filler particle model 11 is arranged based on the position of the primary particle of the filler in the electron beam transmission image of an actual polymer material. Thereby, the filler model 6 can accurately represent the shape of the actual filler. FIG. 7 is an enlarged view of the filler particle model 11 of the filler model 6.

各フィラー粒子モデル11は、複数の小粒子12を含んで構成されている。小粒子12は、後述の粗視化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、小粒子12には、質量、直径、電荷又は初期座標などのパラメータが定義される。   Each filler particle model 11 includes a plurality of small particles 12. The small particles 12 are handled as mass points of the equation of motion in the coarse-grained molecular dynamics calculation described later. That is, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined for the small particles 12.

各フィラー粒子モデル11には、隣接する小粒子12、12間の相対位置を固定する拘束条件が定義されてもよいし、隣接する小粒子12、12間を拘束する結合鎖モデル(図示省略)が定義されても良い。これにより、フィラーモデル6は、後述の粗視化分子動力学計算において、フィラー粒子モデル11の形状が維持され、フィラーモデル6の形状を実際のフィラーの形状に近似させることができる。   Each filler particle model 11 may be defined with a constraint condition that fixes the relative position between the adjacent small particles 12 and 12, or a bond chain model (not shown) that constrains between the adjacent small particles 12 and 12. May be defined. Thereby, the filler model 6 maintains the shape of the filler particle model 11 in the coarse-grained molecular dynamics calculation described later, and the shape of the filler model 6 can be approximated to the shape of the actual filler.

小粒子12、12間を拘束する結合鎖モデル(図示省略)は、例えば、論文( Kurt Kremer & Gary S. Grest 著、「Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation」、J. Chem Phys. vol.92, No.8, 15 April 1990、p5057-5086)に記載されているレナードジョーンズポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義することができる。また、各ポテンシャルに定義される定数については、上記論文に基づいて、適宜設定することができる。   A bond chain model (not shown) that constrains between small particles 12 and 12 is, for example, a paper (Kurt Kremer & Gary S. Grest, “Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation”, J. Chem Phys. vol.92, No.8, 15 April 1990, p5057-5086) and can be defined by the sum of the Leonard Jones potential and the FENE potential. The constants defined for each potential can be set as appropriate based on the above paper.

フィラー粒子モデル11を構成する複数の小粒子12のうち、フィラー粒子モデル11の外面を構成する小粒子12には、例えば、官能基をモデル化した官能基モデル(図示省略)が設けられてもよい。これにより、後述の粗視化分子動力学計算、及び、高分子材料の変形計算において、官能基によって変化するフィラーとポリマーとの相互作用を考慮することができる。フィラーモデル6は、コンピュータ1に記憶される。   Of the plurality of small particles 12 constituting the filler particle model 11, the small particles 12 constituting the outer surface of the filler particle model 11 may be provided with a functional group model (not shown) that models a functional group, for example. Good. Thereby, in the coarse-grained molecular dynamics calculation mentioned later and deformation | transformation calculation of a polymeric material, interaction with the filler and polymer which change with a functional group can be considered. The filler model 6 is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、図5に示したセル4の内部に、ポリマーをモデリングしたポリマーモデル7が定義される(工程S13)。本実施形態の工程S13では、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))のセル4毎に、ポリマーモデル7がそれぞれ定義される。   Next, in the model setting step S1 of the present embodiment, a polymer model 7 in which a polymer is modeled is defined inside the cell 4 shown in FIG. 5 (step S13). In step S13 of this embodiment, a polymer model 7 is defined for each cell 4 of each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)). Is done.

本実施形態の工程S13では、セル4の内部において、フィラーモデル6が配置されてない領域に、少なくとも一つ(例えば、10個〜1,000,000個)のポリマーモデル7が配置される。これにより、工程S13では、フィラーモデル6との重なりを回避しながら、ポリマーモデル7を定義することができる。   In step S13 of the present embodiment, at least one (for example, 10 to 1,000,000) polymer models 7 are arranged in a region where no filler model 6 is arranged inside the cell 4. Thereby, in process S13, the polymer model 7 can be defined, avoiding the overlap with the filler model 6.

図8は、ポリマーモデル7の一例を示す概念図である。本実施形態のポリマーモデル7は、図2に示したポリマーの分子構造を、複数の粗視化粒子15でモデリングしたものである。隣接する粗視化粒子15、15の間には、結合鎖モデル16で連結されている。   FIG. 8 is a conceptual diagram showing an example of the polymer model 7. The polymer model 7 of this embodiment is obtained by modeling the molecular structure of the polymer shown in FIG. 2 with a plurality of coarse-grained particles 15. The adjacent coarse-grained particles 15 and 15 are connected by a bond chain model 16.

粗視化粒子15は、ポリマーのモノマー又はモノマーの一部分をなす構造単位を置換したものである。ポリマーがポリイソプレンである場合には、上記論文に基づいて、例えば1.73個分のモノマー3(図2に示す)を構造単位として、1個の粗視化粒子15に置換される。これにより、各ポリマーモデル7には、複数(例えば、10〜5000個)の粗視化粒子15が設定される。   The coarse-grained particle 15 is obtained by substituting a structural monomer constituting a polymer monomer or a part of the monomer. When the polymer is polyisoprene, based on the above paper, for example, 1.73 monomers 3 (shown in FIG. 2) are used as the structural unit and replaced with one coarse-grained particle 15. Thereby, a plurality of (for example, 10 to 5000) coarse-grained particles 15 are set in each polymer model 7.

粗視化粒子15は、後述の粗視化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15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-grained particles 15 are handled as mass points of the equation of motion in the coarse-grained molecular dynamics calculation described later. That is, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined for the coarse-grained particles 15.

図9は、フィラーモデル6、及び、ポリマーモデル7の相互作用ポテンシャルの一例を説明する概念図である。結合鎖モデル16は、粗視化粒子15、15間に、伸びきり長が設定された相互作用ポテンシャルP1によって定義される。相互作用ポテンシャルP1については、適宜定義することができる。相互作用ポテンシャルP1には、例えば、従来と同様に、レナードジョーンズポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義することができる。各ポテンシャルに定義される定数については、上記論文に基づいて、適宜設定することができる。これにより、粗視化粒子15が伸縮自在に拘束された直鎖状のポリマーモデル7を定義することができる。ポリマーモデル7は、コンピュータ1に記憶される。   FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating an example of the interaction potential of the filler model 6 and the polymer model 7. The bond chain model 16 is defined by an interaction potential P1 in which a full length is set between the coarse-grained particles 15 and 15. The interaction potential P1 can be defined as appropriate. For example, the interaction potential P1 can be defined by the sum of the Leonard Jones potential and the FENE potential, as in the conventional case. The constants defined for each potential can be set as appropriate based on the above paper. As a result, the linear polymer model 7 in which the coarse-grained particles 15 are constrained to be stretchable can be defined. The polymer model 7 is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、隣接するフィラーモデル6及びポリマーモデル7に、相互作用ポテンシャルが定義される(工程S14)。本実施形態の工程S14では、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))において、相互作用ポテンシャルがそれぞれ定義される。   Next, in the model setting step S1 of the present embodiment, an interaction potential is defined in the adjacent filler model 6 and polymer model 7 (step S14). In step S14 of the present embodiment, the interaction potential is defined in each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)).

本実施形態の工程S14では、図9に示されるように、フィラーモデル6の小粒子12、又は、ポリマーモデル7の粗視化粒子15に、下記の相互作用ポテンシャルP2〜P4が定義される。
相互作用ポテンシャルP2:フィラーモデル6の小粒子12と
フィラーモデル6の小粒子12との間
相互作用ポテンシャルP3:ポリマーモデル7の粗視化粒子15と
ポリマーモデル7の粗視化粒子15との間
相互作用ポテンシャルP4:フィラーモデル6の小粒子12と
ポリマーモデル7の粗視化粒子15との間
In step S14 of this embodiment, as shown in FIG. 9, the following interaction potentials P2 to P4 are defined in the small particles 12 of the filler model 6 or the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7.
Interaction potential P2: small particle 12 of filler model 6 and
Interaction potential P3 with the coarse particle 15 of the polymer model 7 and the small particle 12 of the filler model 6
Between the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 and the interaction potential P4: the small particles 12 of the filler model 6
Between the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7

上記相互作用ポテンシャルP2〜P4は、従来と同様に、レナードジョーンズポテンシャルで定義することができる。相互作用ポテンシャルP2〜P4の定数については、上記論文に基づいて、適宜設定することができる。これらの相互作用ポテンシャルP2〜P4は、コンピュータ1に記憶される。   The interaction potentials P2 to P4 can be defined by the Leonard Jones potential as in the conventional case. About the constant of interaction potential P2-P4, it can set suitably based on the said paper. These interaction potentials P2 to P4 are stored in the computer 1.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))毎に、フィラーとポリマーとの間の相互作用ポテンシャルの強度を互いに異ならせる(工程S15)。工程S15では、フィラーモデル6の小粒子12とポリマーモデル7の粗視化粒子15との間に定義された相互作用ポテンシャルP4の強度を、高分子材料モデル10毎に互いに異ならせている。   Next, in the model setting step S1 of the present embodiment, the filler and the polymer are changed for each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)). The strengths of the interaction potentials are made different from each other (step S15). In step S15, the strength of the interaction potential P4 defined between the small particles 12 of the filler model 6 and the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 is made different for each polymer material model 10.

本実施形態の工程S15では、高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))毎に、相互作用ポテンシャルP4として定義されているレナードジョーンズポテンシャルのポテンシャルの深さεを互いに異ならせている。上述したように、本実施形態の第1高分子材料は、第2高分子材料よりも物理吸着が弱いものとして区分されるため、第1高分子材料モデル10Aの相互作用ポテンシャルP4(即ち、レナードジョーンズポテンシャル)のポテンシャルの深さεが、第2高分子材料モデルの相互作用ポテンシャルP4のポテンシャルの深さεよりも小さく設定される。これにより、モデル設定工程S1では、フィラーとポリマーとの間の相互作用ポテンシャルの強度が互いに異なる高分子材料モデル10をそれぞれ設定することができる。各高分子材料モデル10は、コンピュータ1に記憶される。なお、第1高分子材料モデル10A、及び、第2高分子材料モデルの相互作用ポテンシャルP4のポテンシャルの深さεについては、適宜設定することができ、本実施形態では、以下のように設定される。
第1高分子材料モデルのポテンシャルの深さε:0.5
第2高分子材料モデルのポテンシャルの深さε:2.0
In step S15 of the present embodiment, Leonard defined as the interaction potential P4 for each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)). Jones potentials have different depths ε. As described above, since the first polymer material of the present embodiment is classified as having lower physical adsorption than the second polymer material, the interaction potential P4 (that is, Leonard) of the first polymer material model 10A is classified. The potential depth ε of the Jones potential) is set to be smaller than the potential depth ε of the interaction potential P4 of the second polymer material model. Thereby, in model setting process S1, the polymer material model 10 from which the intensity | strength of the interaction potential between a filler and a polymer mutually differs can be each set. Each polymer material model 10 is stored in the computer 1. Note that the potential depth ε of the interaction potential P4 of the first polymer material model 10A and the second polymer material model can be set as appropriate, and is set as follows in the present embodiment. The
Depth of potential of first polymer material model ε: 0.5
Depth of potential of second polymer material model ε: 2.0

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、相互作用ポテンシャルに基づいて、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))の構造緩和を計算する(緩和工程S2)。本実施形態の緩和工程S2では、粗視化分子動力学計算に基づいて、各高分子材料モデル10の構造緩和がそれぞれ計算される。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 uses the polymer material models 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown) based on the interaction potential. )) Structural relaxation is calculated (relaxation step S2). In the relaxation step S2 of the present embodiment, the structural relaxation of each polymer material model 10 is calculated based on the coarse-grained molecular dynamics calculation.

本実施形態の粗視化分子動力学計算では、例えば、セル4について所定の時間、フィラーモデル6、及び、ポリマーモデル7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、各時刻でのフィラーモデル6、及び、ポリマーモデル7の動きが、シミュレーションの単位時間毎に追跡される。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。   In the coarse-grained molecular dynamics calculation of this embodiment, Newton's equation of motion is applied, for example, assuming that the filler model 6 and the polymer model 7 follow classical mechanics for a predetermined time for the cell 4. Then, the movements of the filler model 6 and the polymer model 7 at each time are tracked for each unit time of the simulation. The calculation of structural relaxation can be processed using COGNAC or VSOP included in a soft material synthesis simulator (J-OCTA) manufactured by JSOL Corporation.

ところで、従来のシミュレーション方法では、上記論文等と同様に、各高分子材料モデル10の体積、温度、並びに、フィラー及びポリマーを構成する粒子の数(フィラーモデル6の小粒子12、及び、ポリマーモデル7の粗視化粒子15)が一定となる条件(即ち、NVT)の下で、各高分子材料モデル10の構造緩和が計算されていた。なお、各高分子材料モデル10は、体積、温度及び粒子数が同一に設定されている。このため、従来のシミュレーション方法の構造緩和計算では、各高分子材料モデル10において、フィラーに対するポリマーの分布(即ち、フィラーモデル6に対するポリマーモデル7の粗視化粒子15の分布)がそれぞれ変化し、各高分子材料モデル10の内部応力がそれぞれ異なってしまう。このような内部応力がそれぞれ異なる各高分子材料モデル10を用いて変形計算が行われた場合、変形に伴う物理量を精度良く比較できないという問題がある。   By the way, in the conventional simulation method, the volume and temperature of each polymer material model 10 and the number of particles constituting the filler and the polymer (the small particles 12 of the filler model 6 and the polymer model) The structural relaxation of each polymer material model 10 was calculated under the condition that the coarse-grained particles 15) of 7 are constant (ie, NVT). Each polymer material model 10 has the same volume, temperature, and number of particles. For this reason, in the structure relaxation calculation of the conventional simulation method, in each polymer material model 10, the distribution of the polymer with respect to the filler (that is, the distribution of the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 with respect to the filler model 6) changes, respectively. The internal stress of each polymer material model 10 is different. When deformation calculation is performed using each of the polymer material models 10 having different internal stresses, there is a problem in that physical quantities associated with deformation cannot be accurately compared.

本実施形態の緩和工程S2は、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))の圧力、温度、並びに、フィラー及びポリマーを構成する粒子(フィラーモデル6の小粒子12、及び、ポリマーモデル7の粗視化粒子15)の数が互いに同一となる条件の下で、構造緩和が計算される。図10は、緩和工程S2の処理手順の一例を示すフローチャートである。   In the relaxation step S2 of this embodiment, the pressure, temperature, filler, and polymer of each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)) are used. Structural relaxation is calculated under the condition that the number of constituent particles (small particles 12 of filler model 6 and coarse-grained particles 15 of polymer model 7) are the same. FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of the processing procedure of the relaxation step S2.

本実施形態の緩和工程S2では、先ず、モデル設定工程S1で設定された高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))から、一つの高分子材料モデル10(以下、単に、「基準高分子材料モデル」ということがある。)が選択される(工程S21)。本実施形態の基準高分子材料モデルとしては、第1高分子材料モデル10Aが選択される場合が例示されるが、このような態様に限定されるわけではなく、例えば、第2高分子材料モデルが選択されてもよい。   In the relaxation step S2 of the present embodiment, first, from the polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)) set in the model setting step S1, One polymer material model 10 (hereinafter, simply referred to as “reference polymer material model”) is selected (step S21). The reference polymer material model of the present embodiment is exemplified by the case where the first polymer material model 10A is selected, but is not limited to such a mode. For example, the second polymer material model May be selected.

次に、本実施形態の緩和工程S2では、選択された一つの高分子材料モデル(基準高分子材料モデル)10について、従来のシミュレーション方法と同様に、構造緩和が計算される(工程S22)。工程S22では、基準高分子材料モデル(第1高分子材料モデル10A)について、高分子材料モデル10の体積、温度、並びに、フィラー及びポリマーを構成する粒子の数(フィラーモデル6の小粒子12の数、及び、ポリマーモデル7の粗視化粒子15の数)が一定となる条件(即ち、NVTアンサンブル)の下で、構造緩和が計算される。   Next, in the relaxation step S2 of this embodiment, structural relaxation is calculated for the selected one polymer material model (reference polymer material model) 10 as in the conventional simulation method (step S22). In step S22, with respect to the reference polymer material model (first polymer material model 10A), the volume and temperature of the polymer material model 10 and the number of particles constituting the filler and polymer (of the small particles 12 of the filler model 6). The structural relaxation is calculated under the condition that the number and the number of coarse-grained particles 15 of the polymer model 7) are constant (ie, NVT ensemble).

工程S22では、従来のシミュレーション方法と同様の手順に基づいて、基準高分子材料モデル(本例では、第1高分子材料モデル10A)において、フィラーモデル6、及び、ポリマーモデル7の初期配置が十分に緩和されるまで計算される。これにより、工程S22では、フィラーモデル6、及び、ポリマーモデル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。構造緩和された基準高分子材料モデルは、コンピュータ1に記憶される。   In step S22, the initial arrangement of the filler model 6 and the polymer model 7 is sufficient in the reference polymer material model (in this example, the first polymer material model 10A) based on the same procedure as the conventional simulation method. Calculated until relaxed. Thereby, in process S22, the equilibrium state (state in which the structure was relaxed) of filler model 6 and polymer model 7 can be calculated reliably. The structure-relaxed reference polymer material model is stored in the computer 1.

次に、本実施形態の緩和工程S2では、構造緩和が計算されていない他の高分子材料モデル10(本例では、第2高分子材料モデル(図示省略))が選択され(工程S23)、選択された高分子材料モデル10の構造緩和が計算される(工程S24)。   Next, in the relaxation step S2 of this embodiment, another polymer material model 10 (in this example, the second polymer material model (not shown)) for which structural relaxation has not been calculated is selected (step S23). The structural relaxation of the selected polymer material model 10 is calculated (step S24).

工程S24では、選択された高分子材料モデル10(本例では、第2高分子材料モデル(図示省略))について、基準高分子材料モデル(本例では、第1高分子材料モデル10A)の圧力、温度、並びに、フィラー及びポリマーを構成する粒子の数(フィラーモデル6の小粒子12の数、及び、ポリマーモデル7の粗視化粒子15の数)と同一となる条件の下で、構造緩和が計算される。   In step S24, the pressure of the reference polymer material model (first polymer material model 10A in this example) is selected for the selected polymer material model 10 (second polymer material model (not shown) in this example). Structure relaxation under the same conditions as the number of particles constituting the filler and polymer (number of small particles 12 of filler model 6 and number of coarse-grained particles 15 of polymer model 7). Is calculated.

上述したように、モデル設定工程S1において、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))は、体積、温度及び粒子数が同一に設定されている。このため、工程S24では、選択された高分子材料モデル10(本例では、第2高分子材料モデル)について、基準高分子材料モデル(本例では、第1高分子材料モデル10A)とは異なる体積に変化させながら構造緩和が計算されることで、基準高分子材料モデルの圧力、温度、並びに、フィラー及びポリマーを構成する粒子の数と同一にしている。   As described above, in the model setting step S1, each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)) has a volume, temperature, and number of particles. They are set the same. Therefore, in step S24, the selected polymer material model 10 (in this example, the second polymer material model) is different from the reference polymer material model (in this example, the first polymer material model 10A). By calculating the structural relaxation while changing the volume, the pressure and temperature of the reference polymer material model and the number of particles constituting the filler and polymer are made the same.

図11は、第1高分子材料モデル10Aの体積に対する第2高分子材料モデル(図示省略)の体積の比率(体積分率)と、時刻との関係を示すグラフである。図12は、第1高分子材料モデルの平衡内部応力及び第2高分子材料モデル(図示省略)の内部応力と、時刻との関係を示すグラフである。本実施形態では、選択された高分子材料モデル10(本例では、第2高分子材料モデル)の相互作用ポテンシャルP4の強度が、基準高分子材料モデル(本例では、第1高分子材料モデル10A)の相互作用ポテンシャルP4の強度に比べて大きい。このような場合、工程S24では、図11に示されるように、選択された高分子材料モデル(第2高分子材料モデル)の体積を、基準高分子材料モデル(第1高分子材料モデル10A)の体積よりも小さくして、構造緩和が計算される。これにより、選択された高分子材料モデル10(第2高分子材料モデル)のフィラーに対するポリマーの分布と、基準高分子材料モデル(第1高分子材料モデル10A)のフィラーに対するポリマーの分布とが異なっていても、図12に示されるように、選択された高分子材料モデル(第2高分子材料モデル(図示省略))の内部応力を、基準高分子材料モデル(第1高分子材料モデル10A)の内部応力に近似させることができる。   FIG. 11 is a graph showing the relationship between the volume ratio (volume fraction) of the second polymer material model (not shown) to the volume of the first polymer material model 10A and time. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the equilibrium internal stress of the first polymer material model, the internal stress of the second polymer material model (not shown), and time. In this embodiment, the strength of the interaction potential P4 of the selected polymer material model 10 (in this example, the second polymer material model) is the reference polymer material model (in this example, the first polymer material model). It is larger than the strength of the interaction potential P4 of 10A). In such a case, in step S24, as shown in FIG. 11, the volume of the selected polymer material model (second polymer material model) is set as the reference polymer material model (first polymer material model 10A). The structural relaxation is calculated to be smaller than the volume of. Thereby, the distribution of the polymer with respect to the filler of the selected polymer material model 10 (second polymer material model) is different from the distribution of the polymer with respect to the filler of the reference polymer material model (first polymer material model 10A). However, as shown in FIG. 12, the internal stress of the selected polymer material model (second polymer material model (not shown)) is expressed as a reference polymer material model (first polymer material model 10A). It is possible to approximate the internal stress of

工程S24では、選択された高分子材料モデル10(本例では、第2高分子材料モデル(図示省略))において、フィラーモデル6、及び、ポリマーモデル7の初期配置が十分に緩和されるまで計算される。選択された高分子材料モデル10の圧力の制御は、例えば、アンダーソン(Andersen)の圧力制御や、パリネロ・ラーマン(Parrinello-Rahman)等の圧力制御に基づいて実施される。これにより、工程S24では、上記条件に基づいて、フィラーモデル6、及び、ポリマーモデル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。構造緩和された高分子材料モデル10(第2高分子材料モデル)は、コンピュータ1に記憶される。   In step S24, calculation is performed until the initial arrangement of the filler model 6 and the polymer model 7 is sufficiently relaxed in the selected polymer material model 10 (in this example, the second polymer material model (not shown)). Is done. The pressure control of the selected polymer material model 10 is performed based on, for example, Andersen pressure control, Parrinello-Rahman pressure control, or the like. Thereby, in process S24, based on the said conditions, the equilibrium state (state in which the structure was relaxed) of the filler model 6 and the polymer model 7 can be calculated reliably. The structure-relaxed polymer material model 10 (second polymer material model) is stored in the computer 1.

次に、本実施形態の緩和工程S2では、全ての高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))の構造緩和が計算されたか否かが判断される(工程S25)。工程S25において、全ての高分子材料モデル10の構造緩和が計算された場合(工程S25において、「Y」)、次の工程S3(図3に示す)が実施される。他方、工程S25において、全ての高分子材料モデル10の構造緩和が計算されていないと判断された場合(工程S25において、「N」)、工程S23〜工程S25が再度実施される。これにより、緩和工程S2では、各高分子材料モデル10の圧力、温度、並びに、フィラー及びポリマーを構成する粒子の数(フィラーモデル6の小粒子12の数、及び、ポリマーモデル7の粗視化粒子15の数)が互いに同一となる条件の下で、構造緩和を計算することができる。緩和計算後の各高分子材料モデル10の内部応力を近似させることができる。   Next, in the relaxation step S2 of this embodiment, the structural relaxation of all the polymer material models 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)) has been calculated. It is determined whether or not (step S25). When the structural relaxation of all the polymer material models 10 is calculated in step S25 (“Y” in step S25), the next step S3 (shown in FIG. 3) is performed. On the other hand, when it is determined in Step S25 that the structure relaxation of all the polymer material models 10 has not been calculated (“N” in Step S25), Steps S23 to S25 are performed again. Thus, in the relaxation step S2, the pressure and temperature of each polymer material model 10 and the number of particles constituting the filler and polymer (the number of small particles 12 of the filler model 6 and the coarse-grained polymer model 7). The structural relaxation can be calculated under the condition that the number of particles 15) is the same. The internal stress of each polymer material model 10 after the relaxation calculation can be approximated.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、構造緩和後の各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))をそれぞれ変形させて、各高分子材料モデル10の変形に伴う物理量を計算する(工程S3)。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 uses each polymer material model 10 after the structure relaxation (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)). Each is deformed, and the physical quantity associated with the deformation of each polymer material model 10 is calculated (step S3).

工程S3では、図5に示されるように、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))を、予め定められた方向に引っ張る単軸引張試験が計算される。高分子材料モデル10を引っ張る方向については、適宜選択することができ、本例では、z軸方向に引っ張っている。   In step S3, as shown in FIG. 5, each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)) is placed in a predetermined direction. A pulling uniaxial tensile test is calculated. The direction in which the polymer material model 10 is pulled can be selected as appropriate. In this example, the polymer material model 10 is pulled in the z-axis direction.

高分子材料モデル10の変形計算は、例えば、特許文献(特開2016−81297号公報)に記載された内容の手順に従い、z軸方向において、高分子材料モデル10の一端(図5に示したセル4の一方側の面5a)、及び、高分子材料モデル10の他端(図5に示したセル4の他方側の面5b)が互いに離間するように、高分子材料モデル10の伸長が計算される。高分子材料モデル10の伸長計算は、分子動力学計算に基づいて計算される。   The deformation calculation of the polymer material model 10 is performed, for example, in accordance with the procedure described in the patent document (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-81297), in one end of the polymer material model 10 (shown in FIG. 5) in the z-axis direction. The extension of the polymer material model 10 is such that the one surface 5a) of the cell 4 and the other end of the polymer material model 10 (the other surface 5b of the cell 4 shown in FIG. 5) are separated from each other. Calculated. The elongation calculation of the polymer material model 10 is calculated based on the molecular dynamics calculation.

図13(a)は、変形計算前の高分子材料モデル10の一部を示す概念図である。図13(b)は、変形計算後の高分子材料モデル10の一部を示す概念図である。高分子材料モデル10の変形計算前において、セル4の内部の各小領域9には、上述した構造緩和計算により、フィラーモデル6(図示省略)、及び、ポリマーモデル7のいずれかが配置されている。   FIG. 13A is a conceptual diagram showing a part of the polymer material model 10 before deformation calculation. FIG. 13B is a conceptual diagram showing a part of the polymer material model 10 after deformation calculation. Before the deformation calculation of the polymer material model 10, either the filler model 6 (not shown) or the polymer model 7 is arranged in each small region 9 inside the cell 4 by the above-described structural relaxation calculation. Yes.

工程S3では、高分子材料モデル10の伸長計算により、フィラーモデル6、及び、ポリマーモデル7の熱運動が計算される。このような熱運動は、高分子材料モデル10に与えられた歪み、図9に示した上記相互作用ポテンシャルP1〜P4、及び、運動方程式に基づいて計算される。これにより、図13(b)に示されるように、セル4には、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8が配置されない小領域9が形成される。このような小領域9は、高分子材料モデル10に形成された空孔(ボイド)26として定義される。このような空孔26により、高分子材料モデル10の破壊が再現される。   In step S <b> 3, the thermal motion of the filler model 6 and the polymer model 7 is calculated by the elongation calculation of the polymer material model 10. Such thermal motion is calculated based on the strain applied to the polymer material model 10, the interaction potentials P1 to P4 shown in FIG. 9, and the equation of motion. Thereby, as shown in FIG. 13B, a small region 9 in which the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8 are not formed is formed in the cell 4. Such a small region 9 is defined as a void 26 formed in the polymer material model 10. Such voids 26 reproduce the destruction of the polymer material model 10.

変形条件としては、ポリマーモデル7が配置される領域の少なくとも一部に空孔26を形成することができれば、適宜設定することができる。変形条件の一例としては、高分子材料モデル10に与えられる歪みが0.1〜0.3程度であり、また、1歪み当たりの変形速度V1(図5に示す)が1000〜10000τ程度である。   The deformation condition can be appropriately set as long as the holes 26 can be formed in at least a part of the region where the polymer model 7 is disposed. As an example of the deformation condition, the strain applied to the polymer material model 10 is about 0.1 to 0.3, and the deformation speed V1 per strain (shown in FIG. 5) is about 1000 to 10000τ. .

工程S3では、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))の変形開始から変形終了までの間、分子動力学計算の単位ステップ(MDステップ)毎に、各高分子材料モデル10の変形に伴う物理量が計算される。物理量としては、適宜採用することができる。本実施形態の物理量は、高分子材料モデル10の応力が含まれる。工程S3では、高分子材料モデル10に与えられる歪毎に、高分子材料モデル10の伸長方向の応力成分が計算される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、各高分子材料モデル10の応力と歪との関係を示す応力−歪曲線を取得することができる。   In step S3, a unit of molecular dynamics calculation from the start of deformation to the end of deformation of each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)). For each step (MD step), a physical quantity associated with the deformation of each polymer material model 10 is calculated. As physical quantity, it can employ | adopt suitably. The physical quantity of the present embodiment includes the stress of the polymer material model 10. In step S3, the stress component in the extension direction of the polymer material model 10 is calculated for each strain applied to the polymer material model 10. Thereby, in the simulation method of this embodiment, the stress-strain curve which shows the relationship between the stress and distortion of each polymer material model 10 is acquirable.

さらに、本実施形態の物理量としては、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))の空孔26に関するパラメータを含んでいる。空孔26に関するパラメータについては、例えば、高分子材料モデル10の系全体に形成された空孔26の合計体積や、各高分子材料モデル10の体積に対する空孔26の合計体積の割合(以下、単に「空孔の体積分率」ということがある。)など、適宜選択することができる。工程S3では、高分子材料モデル10に与えられる歪毎に、高分子材料モデル10の系全体に形成される空孔26の合計体積が計算される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、各高分子材料モデル10の空孔26に関するパラメータ(本例では、空孔の体積分率)と、歪との関係を示すグラフを取得することができる。空孔26の体積分率は、上記変形計算によって生じたひずみによる高分子材料モデル10(セル4)の体積変化量に対する空孔26の体積の割合であってもよい。   Furthermore, the physical quantities of the present embodiment include parameters related to the holes 26 of each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)). . Regarding the parameters related to the holes 26, for example, the total volume of the holes 26 formed in the entire system of the polymer material model 10 and the ratio of the total volume of the holes 26 to the volume of each polymer material model 10 (hereinafter, For example, it may be simply referred to as “a void volume fraction”). In step S3, the total volume of the holes 26 formed in the entire system of the polymer material model 10 is calculated for each strain applied to the polymer material model 10. Thereby, in the simulation method of this embodiment, the graph which shows the relationship between the parameter (in this example, the volume fraction of a void | hole) of each polymer material model 10 and a distortion | strain can be acquired. . The volume fraction of the holes 26 may be a ratio of the volume of the holes 26 to the volume change amount of the polymer material model 10 (cell 4) due to the strain generated by the deformation calculation.

本実施形態の工程S3では、構造緩和後の内部応力を互いに近似させた各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))の変形が計算されるため、各高分子材料モデル10の物理量の尺度を互いに揃えることができる。従って、本実施形態のシミュレーション方法では、フィラーとポリマーとの相互作用を考慮した各高分子材料モデル10の変形を、物理量の尺度を揃えて計算することができるため、各高分子材料モデル10の変形に伴う物理量を精度良く比較することができる。各高分子材料モデル10の物理量は、コンピュータ1に記憶される。   In step S3 of the present embodiment, each of the polymer material models 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)) in which the internal stresses after the structure relaxation are approximated to each other. Since the deformation is calculated, the physical quantity scales of the respective polymer material models 10 can be aligned with each other. Therefore, in the simulation method of the present embodiment, the deformation of each polymer material model 10 in consideration of the interaction between the filler and the polymer can be calculated with the physical quantity scale aligned. It is possible to accurately compare physical quantities associated with deformation. The physical quantity of each 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では、コンピュータ1が、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))の物理量を比較する(工程S4)。工程S4では、各高分子材料モデル10について、応力及び空孔に関するパラメータがそれぞれ比較される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、フィラーとポリマーとの相互作用(本例では、物理吸着)が互いに異なる高分子材料について、それらの性能(例えば、破壊特性等)を評価することができるため、高分子材料の開発に役立つ。また、本実施形態のシミュレーション方法では、様々な相互作用を設定して、高分子材料モデル10の物理量を評価するパラメータスタディにより、高分子材料の開発の方向性を提示することが可能となる。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 compares the physical quantities of the respective polymer material models 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)). (Step S4). In step S4, the parameters relating to stress and vacancies are compared for each polymer material model 10. Thereby, in the simulation method of the present embodiment, the performance (for example, fracture characteristics, etc.) of polymer materials having different interactions (physical adsorption in this example) between the filler and the polymer can be evaluated. Therefore, it is useful for the development of polymer materials. Further, in the simulation method of the present embodiment, it is possible to present the direction of development of a polymer material by a parameter study in which various interactions are set and the physical quantity of the polymer material model 10 is evaluated.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、各高分子材料モデル10(本例では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル(図示省略))について、物理量が良好な高分子材料モデル10が存在するか否かを判断する(工程S5)。工程S5では、予め定められた閾値に基づいて、各高分子材料モデル10の物理量の良否が判断される。本実施形態では、各高分子材料モデル10の応力が、閾値よりも大きい場合に、耐破壊性能に優れていると判断される。さらに、本実施形態では、各高分子材料モデル10の空孔26に関するパラメータが閾値よりも小さい場合に、耐破壊性能に優れていると判断される。なお、閾値については、例えば、高分子材料に求められる耐破壊性能等に応じて適宜設定することができる。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 has a good physical quantity for each polymer material model 10 (in this example, the first polymer material model 10A and the second polymer material model (not shown)). It is determined whether or not a high polymer material model 10 exists (step S5). In step S5, whether or not the physical quantity of each polymer material model 10 is good is determined based on a predetermined threshold value. In this embodiment, when the stress of each polymer material model 10 is larger than the threshold value, it is determined that the fracture resistance is excellent. Furthermore, in this embodiment, when the parameter regarding the pore 26 of each polymer material model 10 is smaller than the threshold value, it is determined that the fracture resistance is excellent. In addition, about a threshold value, it can set suitably according to the destructive performance etc. which are calculated | required by the polymeric material, for example.

工程S5において、物理量が良好な高分子材料モデル10が存在すると判断された場合(工程S5において、「Y」)、物理量が良好な高分子材料モデル10に設定された諸条件に基づいて、高分子材料が製造される(工程S6)。他方、工程S5において、物理量が良好な高分子材料モデル10が存在しないと判断された場合(工程S5において、「N」)、フィラーとポリマーとの相互作用(本例では、物理吸着)が変更され(工程S7)、工程S2〜工程S5が再度実施される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法は、フィラーとポリマーとの相互作用に基づいて、耐破壊性能に優れる高分子材料を開発することができる。   In Step S5, when it is determined that there is a polymer material model 10 having a good physical quantity (“Y” in Step S5), a high value is determined based on various conditions set for the polymer material model 10 having a good physical quantity. A molecular material is manufactured (step S6). On the other hand, when it is determined in step S5 that the polymer material model 10 having a good physical quantity does not exist (“N” in step S5), the interaction between the filler and the polymer (physical adsorption in this example) is changed. (Step S7), Steps S2 to S5 are performed again. Thereby, the simulation method of this embodiment can develop the polymeric material which is excellent in fracture resistance based on interaction with a filler and a polymer.

本実施形態のシミュレーション方法では、図5に示したセル4の内部に、フィラーモデル6及びポリマーモデル7が定義されたが、このような態様に限定されない。例えば、セル4の内部には、ポリマーにフィラーを結合させるためのカップリング剤をモデリングしたカップリング剤モデル(図示省略)がさらに定義されてもよい。   In the simulation method of the present embodiment, the filler model 6 and the polymer model 7 are defined inside the cell 4 shown in FIG. 5, but the present invention is not limited to such a mode. For example, a coupling agent model (not shown) that models a coupling agent for bonding a filler to a polymer may be further defined inside the cell 4.

高分子材料モデル10には、隣接するポリマーモデル7を連結するための架橋モデル(図示省略)が定義されてもよい。この場合、予め定められた架橋点に基づいて、ポリマーモデル7の粗視化粒子15、15間を架橋モデルで連結させるのが望ましい。これにより、この実施形態のシミュレーション方法では、架橋された高分子材料モデル10の変形に伴う物理量を、精度よく比較することができる。   In the polymer material model 10, a cross-linking model (not shown) for connecting adjacent polymer models 7 may be defined. In this case, it is desirable to connect the coarse-grained particles 15 and 15 of the polymer model 7 with a crosslinking model based on a predetermined crosslinking point. Thereby, in the simulation method of this embodiment, the physical quantity accompanying the deformation | transformation of the bridge | crosslinked polymeric material model 10 can be compared accurately.

さらに、カップリング材料モデルは、例えば、ポリマーモデル7と同様に、複数の粗視化粒子と、隣接する粗視化粒子を結合する結合鎖モデルとで定義することができる。また、少なくとも一部のフィラーモデル6及びポリマーモデル7は、カップリング剤モデルを介して連結される。これにより、この実施形態のシミュレーション方法では、カップリング反応後の高分子材料モデル10について、変形に伴う物理量を精度よく比較することができる。   Further, the coupling material model can be defined by, for example, a plurality of coarse-grained particles and a bond chain model that connects adjacent coarse-grained particles, as in the polymer model 7. At least a part of the filler model 6 and the polymer model 7 are connected via a coupling agent model. Thereby, in the simulation method of this embodiment, the physical quantity accompanying a deformation | transformation can be compared accurately about the polymeric material model 10 after a coupling reaction.

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に示した処理手順に基づいて、フィラーとポリマーとの間の相互作用ポテンシャルの強度が互いに異なる高分子材料モデルが設定された(実施例、比較例)。高分子材料モデルとしては、上述した第1高分子材料モデル及び第2高分子材料モデルが設定された。そして、実施例及び比較例では、各高分子材料モデルの構造緩和が計算され、構造緩和後の各高分子材料モデルの変形に伴う物理量が計算された。   Based on the processing procedure shown in FIG. 3, polymer material models having different interaction potential strengths between the filler and the polymer were set (Examples and Comparative Examples). As the polymer material model, the first polymer material model and the second polymer material model described above were set. In Examples and Comparative Examples, the structure relaxation of each polymer material model was calculated, and the physical quantity associated with the deformation of each polymer material model after the structure relaxation was calculated.

実施例の構造緩和を計算する工程は、各高分子材料モデルの圧力、温度、並びに、フィラー及びポリマーを構成する粒子の数が互いに同一となる条件の下で、各高分子材料モデルの構造緩和が計算された。一方、比較例では、特許文献(特開2016−81297号公報)のシミュレーション方法と同様に、各高分子材料モデルの体積、温度、並びに、フィラー及びポリマーを構成する粒子の数が一定となる条件の下で、各高分子材料モデルの構造緩和が計算された。   The step of calculating the structural relaxation of each example is performed under the conditions in which the pressure and temperature of each polymer material model and the number of particles constituting the filler and the polymer are the same as each other. Was calculated. On the other hand, in the comparative example, the volume and temperature of each polymer material model, and the number of particles constituting the filler and polymer are constant, as in the simulation method of the patent document (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-81297). Below, the structural relaxation of each polymer material model was calculated.

実施例の変形計算は、下記の摩擦係数及び変形速度に基づいて、z軸方向の引張計算が実施された。比較例の変形計算は、下記の初期摩擦係数及び初期変形速度に基づいて、z軸方向の引張計算が実施された後に、摩擦係数を上記論文の摩擦係数と同一に設定し、かつ、高分子材料モデルの体積を固定して、900τの緩和計算が実施された。実施例及び比較例の共通仕様については、次のとおりである。
セル:
一辺の長さL1:350σ
小領域の一辺の長さL2:1.5σ
フィラーモデル:
体積分率:16.2%
フィラー粒子モデルの個数:1973個
フィラー粒子モデルの直径:28.2σ
1つのフィラー粒子モデルを構成する小粒子:16、589個
ポリマーモデル:
個数:100、000本
1つのポリマーモデルを構成する粗視化粒子:1000個
架橋密度:0.007245(1/σ3
カップリング剤モデル:
1つのカップリング剤モデルを構成する粗視化粒子:1個
1つのフィラー粒子モデルあたりのカップリング剤モデル:80個
変形計算:
歪み:0.15
実施例:
摩擦係数:上記論文の摩擦係数と同一
変形速度:6300τ/歪み
比較例:
初期摩擦係数:上記論文の10倍
初期変形速度:6.3τ/歪み
In the deformation calculation of the example, the tensile calculation in the z-axis direction was performed based on the following friction coefficient and deformation speed. In the deformation calculation of the comparative example, after the tensile calculation in the z-axis direction is performed based on the following initial friction coefficient and initial deformation speed, the friction coefficient is set to be the same as the friction coefficient in the above paper, and the polymer A relaxation calculation of 900τ was performed with the volume of the material model fixed. The common specifications of the examples and comparative examples are as follows.
cell:
Side length L1: 350σ
Side length L2 of small region: 1.5σ
Filler model:
Volume fraction: 16.2%
Number of filler particle models: 1973
Diameter of filler particle model: 28.2σ
Small particles constituting one filler particle model: 16,589 polymer models:
Number: 100,000
Coarse-grained particles constituting one polymer model: 1000 Crosslink density: 0.007245 (1 / σ 3 )
Coupling agent model:
Coarse-grained particles constituting one coupling agent model: 1
Coupling agent model per filler particle model: 80 deformation calculations:
Distortion: 0.15
Example:
Friction coefficient: Same as the friction coefficient in the above paper
Deformation speed: 6300τ / strain
Comparative example:
Initial friction coefficient: 10 times the above paper
Initial deformation speed: 6.3τ / strain

図12に示したように、実施例では、構造緩和後の各高分子材料モデルの内部応力を互いに近似させることができた。図14は、実施例の応力と歪みとの関係を示すグラフである。図15は、実施例の空孔の体積分率と歪みとの関係を示すグラフである。なお、体積分率は、ひずみ0.15によるセルの体積変形量に対する空孔の体積の割合として計算された。図14に示されるように、第2高分子材料モデルは、第1高分子材料モデルに比べて、応力が大きく計算された。図15に示されるように、第2高分子材料モデルは、第1高分子材料モデルに比べて、5〜10%歪において、空孔の体積分率が小さく計算された。このように、実施例は、各高分子材料モデルの物理量の尺度を互いに揃えることができたため、フィラーとポリマーとの相互作用(物理吸着)を考慮した各高分子材料モデルの変形を計算することができた。従って、実施例は、各高分子材料モデルの変形に伴う物理量を、精度良く比較することができた。   As shown in FIG. 12, in the example, the internal stress of each polymer material model after the structure relaxation could be approximated to each other. FIG. 14 is a graph showing the relationship between stress and strain in the example. FIG. 15 is a graph showing the relationship between the void volume fraction and strain in the example. The volume fraction was calculated as the ratio of the void volume to the volumetric deformation of the cell due to strain of 0.15. As shown in FIG. 14, the second polymer material model was calculated to have a greater stress than the first polymer material model. As shown in FIG. 15, in the second polymer material model, the void volume fraction was calculated to be smaller at 5 to 10% strain than the first polymer material model. In this way, since the examples were able to align the physical quantity scales of each polymer material model with each other, the deformation of each polymer material model considering the interaction (physical adsorption) between the filler and the polymer was calculated. I was able to. Therefore, the Example was able to compare the physical quantity accompanying the deformation of each polymer material model with high accuracy.

図16は、比較例の各高分子材料モデルの内部応力と時刻との関係を示すグラフである。図17は、比較例の空孔の体積分率と時刻との関係を示すグラフである。図16に示されるように、比較例では、構造緩和後の各高分子材料モデルの内部応力が互いに大きく異なった。従って、比較例は、各高分子材料モデルの物理量の尺度を互いに揃えることができなかった。これにより、比較例は、フィラーとポリマーとの相互作用(物理吸着)を考慮した各高分子材料モデルの変形を計算できなかったため、図17に示されるように、第1高分子材料モデルの物理量(空孔の体積分率)と、第2高分子材料モデルの物理量(空孔の体積分率)とが略同一となった。従って、比較例は、各高分子材料モデルの変形に伴う物理量を、精度良く比較することができなかった。   FIG. 16 is a graph showing the relationship between internal stress and time of each polymer material model of the comparative example. FIG. 17 is a graph showing the relationship between the volume fraction of holes in the comparative example and time. As shown in FIG. 16, in the comparative example, the internal stress of each polymer material model after the structure relaxation was greatly different from each other. Therefore, in the comparative example, the physical quantity scales of the respective polymer material models could not be aligned with each other. Thereby, since the comparative example could not calculate the deformation of each polymer material model considering the interaction (physical adsorption) between the filler and the polymer, the physical quantity of the first polymer material model as shown in FIG. (Volume volume fraction) and the physical quantity (hole volume fraction) of the second polymer material model were substantially the same. Therefore, the comparative example cannot accurately compare the physical quantities associated with the deformation of each polymer material model.

S1 相互作用ポテンシャルの強度が互いに異なる高分子材料モデルを設定する工程
S2 各高分子材料モデルの構造緩和を計算する工程
S3 各高分子材料モデルの変形に伴う物理量を計算する工程
S1 A step of setting a polymer material model having different interaction potential strengths S2 A step of calculating a structural relaxation of each polymer material model S3 A step of calculating a physical quantity associated with the deformation of each polymer material model

Claims (6)

コンピュータを用いて、フィラーとポリマーとの相互作用が互いに異なる少なくとも2種類の高分子材料の性能を比較するための方法であって、
前記各高分子材料に基づいて、前記フィラーと前記ポリマーとの間の相互作用ポテンシャルの強度が互いに異なる高分子材料モデルを、前記コンピュータにそれぞれ設定する工程と、
前記コンピュータが、前記相互作用ポテンシャルに基づいて、前記各高分子材料モデルの構造緩和を計算する工程と、
前記コンピュータが、構造緩和後の前記各高分子材料モデルをそれぞれ変形させて、前記各高分子材料モデルの前記変形に伴う物理量を計算する工程とを含み、
前記構造緩和を計算する工程は、前記各高分子材料モデルの圧力、温度、並びに、前記フィラー及び前記ポリマーを構成する粒子の数が互いに同一となる条件の下で、前記構造緩和を計算する、
高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。
A method for comparing the performance of at least two types of polymer materials having different interactions between a filler and a polymer using a computer,
A step of setting, in the computer, polymer material models having different interaction potential strengths between the filler and the polymer based on the polymer materials, respectively,
The computer calculating a structural relaxation of each polymer material model based on the interaction potential;
The computer deforming each polymer material model after structure relaxation, and calculating a physical quantity associated with the deformation of each polymer material model,
The step of calculating the structural relaxation calculates the structural relaxation under the conditions that the pressure and temperature of each polymer material model and the number of particles constituting the filler and the polymer are the same.
Coarse-grained molecular dynamics simulation method for polymer materials.
前記物理量は、前記各高分子材料モデルの応力を含む請求項1記載の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。   The coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to claim 1, wherein the physical quantity includes a stress of each polymer material model. 前記物理量は、前記各高分子材料モデルの空孔に関するパラメータを含む請求項1又は2記載の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。   3. The coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to claim 1, wherein the physical quantity includes a parameter related to a pore of each polymer material model. 前記空孔に関するパラメータは、前記空孔の合計体積、又は、前記各高分子材料モデルの体積に対する前記空孔の前記合計体積の割合である請求項3記載の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。   The coarse-grained molecular power of the polymer material according to claim 3, wherein the parameter relating to the pores is a total volume of the pores or a ratio of the total volume of the pores to a volume of each polymer material model. Simulation method. 前記コンピュータが、前記各高分子材料モデルの前記物理量を比較する工程をさらに含む請求項1乃至4のいずれかに記載の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。   The coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to any one of claims 1 to 4, wherein the computer further includes a step of comparing the physical quantities of the polymer material models. 前記相互作用ポテンシャルは、レナードジョーンズポテンシャルであり、
前記強度は、前記レナードジョーンズポテンシャルのポテンシャルの深さεである請求項1乃至5のいずれかに記載の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。
The interaction potential is a Leonard Jones potential,
The coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to claim 1, wherein the strength is a potential depth ε of the Leonard Jones potential.
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