以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る複合材料の解析方法の概略を示すフローチャートである。図1に示すように、本実施形態に係る複合材料の解析方法は、コンピュータを用いた分子動力学法により作成した複合材料の解析用モデルを用いた複合材料の解析方法である。この複合材料の解析方法は、コンピュータを用いて分子動力学法により作成した複合材料の解析用モデルを用いた複合材料の解析方法であって、複数のポリマー粒子によってポリマーをモデル化した複数のポリマーモデル及びフィラーをモデル化した複数のフィラーモデルを含む複合材料の解析用モデルを作成する第1ステップST11と、ポリマーモデルを架橋解析により架橋させる第2ステップST12と、架橋解析後の解析用モデルに相互作用を設定して数値解析を実施する第3ステップST13と、数値解析後の解析用モデルのフィラーモデルの周囲に解析対象領域を設定する第4ステップST14と、第1フィラーモデルの周囲に設定された第1解析対象領域内に一部が存在する特定のポリマーモデルの粒子群に属する第1粒子と、第1フィラーモデルとは異なる第2フィラーモデルの周囲に設定された第2解析対象領域内に一部が存在する特定のポリマーモデルの粒子群に属する第2粒子との間のポリマー経路を抽出する第5ステップST15と、ポリマー経路において、隣接する2つのポリマー粒子との距離に基づいて、単位結合当たりに発生している力を算出する第6ステップST16と、単位結合当たりに発生している力に基づいて、ポリマー経路に発生している力を算出する第7ステップST17と、を含む。以下、本発明の第1の実施形態について詳細に説明する。
図2は、本実施形態に係る複合材料の解析方法で作成される解析用モデル1の一例を示す概念図である。図2に示すように、本実施形態に係る複合材料の解析用モデル1は、例えば、一辺の長さが距離Lの略立方体形状の仮想空間であるモデル作成領域A内に配置されたモデルである。具体的には、解析用モデル1は、複数のフィラー粒子11a,12aがモデル化されてなる一対の第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12と、複数のポリマー粒子21a及び結合鎖21bがモデル化されてなる複数のポリマーモデル21とを有する。本実施形態では、解析対象となる複合材料がフィラー及び高分子材料であるポリマーを含有する例について説明するが、本発明は、2種類の以上の物質を含有する複合材料にも適用可能である。また、図2に示す例では、解析用モデル1が、2つの第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12と、複数のポリマーモデル21とを有する例について説明したが、3以上のフィラーモデルを配置してもよい。また、モデル作成領域Aは、必ずしも略立方体形状の仮想空間である必要はなく、球状、楕円状、直方体形状、多面体形状など任意の形状としてもよい。
第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12は、複数のフィラー粒子11a,12aがそれぞれ略球状体に集合した状態でモデル化される。また、第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12は、互いに所定間隔をとって離れた状態で配置されている。なお、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12とは、相互に凝集した状態で外縁部が共有結合によって相互に連結されていてもよい。
複数のポリマーモデル21は、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間に配置される。複数のポリマーモデル21は、一端が第1フィラーモデル11からの相互作用を受ける範囲である第1解析対象領域A11内に配置され、他端が第2フィラーモデル12からの相互作用を受ける範囲である第2解析対象領域A12内に配置される。複数のポリマーモデル21は、一端を第1フィラーモデル11の表面のフィラー粒子11aと結合させてもよく、他端を第2フィラーモデル12の表面のフィラー粒子12aと結合させてもよい。
フィラーとしては、例えば、カーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどが含まれる。フィラー粒子11a,12aは、複数のフィラーの原子が集合されてモデル化される。複数のフィラー粒子11a,12aは、集合してフィラー粒子群を構成する。複数のフィラー粒子11a,12aは、隣接する互いの間の結合鎖(不図示)によって相対位置が特定されている。この結合鎖は、フィラー粒子11a,12a間の結合距離である平衡長と、ばね定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各フィラー粒子11a,12aを拘束している。結合鎖は、フィラー粒子11a,12aの相対位置、捻り、及び曲げなどによって力が発生するポテンシャルが定義されているボンドである。第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12とは、フィラーを分子動力学で取り扱うための数値データ(フィラー粒子11a,12aの質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12の数値データは、コンピュータに入力される。
ポリマーとしては、例えば、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどが含まれる。ポリマー粒子21aは、複数のポリマーの原子が集合されてモデル化される。複数のポリマー粒子21aは、集合してポリマー粒子群を構成する。ポリマーには、フィラーとの親和性を高める変性剤が必要に応じて配合される。変性剤としては、例えば、水酸基、カルボニル基、及び原子団の官能基などが含まれる。ポリマーモデル21は、複数のポリマー原子及びポリマー粒子21aがモデル作成領域A内に所定密度で充填されたモデルである。ポリマー粒子21aは、隣接する互いの間の結合鎖21bによって相対位置が特定されている。結合鎖21bは、ポリマー粒子21a間の結合距離である平衡長と、ばね定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各ポリマー粒子21aを拘束している。結合鎖21bは、ポリマー粒子21aの相対位置、捻り、及び曲げなどによって力が発生するポテンシャルが定義されているボンドである。このポリマーモデル21は、ポリマーを分子動力学で取り扱うための数値データ(ポリマー粒子21aの質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。ポリマーモデル21の数値データは、コンピュータに入力される。
次に、本実施形態に係る複合材料の解析方法について詳細に説明する。図3は、本実施形態に係る複合材料の解析方法の一例を示す説明図である。図3においては、図2に示した第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間の空間を拡大して示している。
図3に示すように、複合材料の解析方法では、解析用モデル1に含まれる一対の第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12のうち、第1フィラーモデル11の周囲の領域に第1解析対象領域A11を設定し、第2フィラーモデル12の周囲の領域に第2解析対象領域A12を設定する。そして、第1解析対象領域A11と、第2解析対象領域A12との間に亘って存在し、第1解析対象領域A11内に一部が存在すると共に、第2解析対象領域A12内に一部が存在する複数のポリマーモデル21に含まれる特定のポリマーモデル21の経路R1−R3を解析する。ここで、第1解析対象領域A11が設定される第1フィラーモデル11の周囲の領域とは、複数のフィラー粒子11aによって構成される第1フィラーモデル11からの分子間力及び水素結合などの相互作用の影響をポリマーモデル21が受ける範囲内の近傍の領域である。これは、第2解析対象領域A12についても同様である。
ポリマーモデル21は、一端部が第1解析対象領域A11内に存在し、他端部が第2解析対象領域A12内に存在する。ポリマーモデル21は、複数のポリマーモデル21(図3において不図示、図2参照)によって架橋結合(不図示)を介して複雑な三次元ネットワークを形成している。本実施形態では、ポリマーモデル21のうち、第1解析対象領域A11内に配置された一端側の複数のポリマー粒子21a(代表点P1及び点P3)を第1ポリマー粒子群として抽出すると共に、第2解析対象領域A12内に配置された他端側の複数のポリマー粒子21a(代表点P2及び点P4)を第2ポリマー粒子群として抽出する。そして、第1ポリマー粒子群に属するポリマー粒子21a(代表点P1)と、第2ポリマー粒子群に属するポリマー粒子21a(代表点P2)との間において、第1解析対象領域A11及び第2解析対象領域A12の範囲外のポリマー粒子21aによって形成されるフィラー間経路R1を探索する。これにより、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間に形成されたポリマーモデル21のネットワークのフィラー間経路R1を最短経路として解析することが可能となる。本実施形態において、フィラー間経路は、ポリマー経路と呼ばれることもある。
第1フィラーモデル11とポリマーモデル21との間の相互作用は、フィラー粒子間、ポリマー粒子間及びフィラー粒子とポリマー粒子との間に設定されるものであり、必ずしも全てのフィラー粒子及びポリマー粒子に設定する必要はない。第1フィラーモデル11とポリマーモデル21との間の相互作用としては、例えば、分子間力及び水素結合などの引力及び斥力などの化学的な相互作用、及び共有結合などの物理的な相互作用が挙げられる。また、ポリマーモデル21が複数の種類のポリマー粒子21aで構成されている場合には、複数の種類のポリマー粒子21aにそれぞれ相互作用を設定してもよい。また、複数の種類の各ポリマー粒子21aと第1フィラーモデル11との相互作用は同一であってもよく、異なっていてもよい。
本実施形態においては、代表点P1は、第1解析対象領域A11の外縁に存在する最外粒子であるポリマー粒子21aに設定し、代表点P2は、第2解析対象領域A12の外縁に存在する最外粒子であるポリマー粒子21aに設定することが好ましい。このように代表点P1、P2を設定することにより、ポリマーモデル21を介した代表点P1と代表点P2との間のフィラー間経路R1の最短経路を解析することが可能となる。この最短経路を解析することにより、ポリマーモデル21内の第1解析対象領域A11内で代表点P1より第1フィラーモデル11側に存在するポリマー粒子21a(例えば、点P3参照)と第2解析対象領域A12内で代表点P2より第2フィラーモデル12側に存在するポリマー粒子21a(例えば、点P4)との間の経路(例えば、点P3と点P4との間の経路)との重複探索を回避することができるので、ポリマーモデル21を介した第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間の経路を効率良く解析することが可能となる。
本実施形態では、代表点P1、代表点P2、点P3及び点P4の間の結合長は、代表点P1、代表点P2、点P3及び点P4間の直線距離を用いずに、代表点P1、代表点P2、点P3及び点P4との間に介在するポリマー粒子21aの粒子数又は結合数を用いて解析してもよく、変温解析によりポリマー粒子21aの熱振動による結合長の長さの変動を低減してから解析してもよい。この場合の変温解析の条件としては、例えば、作成したポリマーモデル21のガラス転移点(Tg)以下の温度が挙げられる。また、最短経路の解析にポリマーモデル21の結合長を用いる際には、ポリマー粒子21aの熱揺らぎの平均値及び結合鎖21bの伸縮時の平衡長を用いてもよい。このように代表点P1、代表点P2、点P3及び点P4間の結合長を解析することにより、ポリマーモデル21の熱揺らぎの影響を排除できるので、代表点P1、代表点P2、点P3及び点P4間の経路を高精度で解析することが可能となる。
上述した実施形態では、代表点P1と代表点P2との間の経路を抽出する例について説明したが、経路としては、代表点P1と点P4との間の経路、代表点P2と点P3との間の経路を抽出してもよく、点P3と点P4との間の経路を抽出した場合であっても、経路の重複抽出を防ぐことが可能となるので、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間の経路を効率良く高い精度で解析することが可能となる。
図4は、本実施形態に係る複合材料の解析方法の他の例を示す説明図である。図4においても、図3と同様に、図2に示した第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間の空間を拡大して示している。図4に示す例では、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間に亘って第1ポリマーモデル21−1及び第2ポリマーモデル21−2が配置されている。第1ポリマーモデル21−1は、ポリマー粒子21−1a及び結合鎖21−1bによって構成されている。第2ポリマーモデル21−2は、ポリマー粒子21−2a及び結合鎖21−2bによって構成されている。
図4に示す例では、図3と同様に第1ポリマーモデル21−1の代表点P1、P2及び点P3、P4を抽出する。第2ポリマーモデル21−2のうち、第1解析対象領域A11内に存在する一端側のポリマー粒子21−2aを代表点P5として抽出すると共に、第2解析対象領域A12内に存在する他端側のポリマー粒子21−2aを代表点P6として抽出する。そして、代表点P1と代表点P2との間のフィラー間経路R11を解析すると共に、代表点P5と代表点P6との間のフィラー間経路R21を解析する。続いて、フィラー間経路R11及びフィラー間経路R21の長さを比較することにより、第1ポリマーモデル21−1及び第2ポリマーモデル21−2のいずれが第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間の最短経路を含むかを解析することが可能となる。これにより、第1ポリマーモデル21−1及び第2ポリマーモデル21−2のネットワークを解析することが可能となる。これに加え、例えば、変形解析における変形前後で複合材料の材料特性に及ぼす影響が第1ポリマーモデル21−1及び第2ポリマーモデル21−2のいずれが支配的であるかを解析することが可能となる。
本実施形態においては、代表点P5は、第1解析対象領域A11の外縁に存在するポリマー粒子21−2aに設定し、代表点P6は、第2解析対象領域A12の外縁に存在するポリマー粒子21−2aに設定することが好ましい。このように代表点P5、P6を設定することにより、第2ポリマーモデル21−2を介した代表点P5と代表点P6との間の最短経路を抽出することが可能となる。
最短経路を抽出することにより、第2ポリマーモデル21−2のうち、代表点P5より第1フィラーモデル11側に存在するポリマー粒子21−2a(例えば、点P7参照)と、代表点P6より第2フィラーモデル12側に存在するポリマー粒子21−2a(例えば、点P8)との間の経路(例えば、点P7と点P8との間の経路)との重複計算を回避することができるので、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間の経路を効率良く解析することが可能となる。
図4に示した例では、代表点P5と代表点P6との間の経路を抽出する例について説明したが、経路としては、代表点P5と点P8との間の経路、代表点P6と点P7との間の経路を抽出してもよく、点P7と点P8との間の経路を抽出してもよい。このように抽出した場合であっても、経路の重複抽出を防ぐことが可能となるので、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間の経路を効率良く高い精度で解析することが可能となる。なお、代表点P5、代表点P6、点P7及び点P8間の結合長は、代表点P1、代表点P2、点P3及び点P4と同様に測定することができる。
このように、本実施形態によれば、ポリマーモデル21と、第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12との間の相互作用によって生じる経路を精度良く解析することが可能となる。これにより、図5に示すように、実際の複合材料中で、一対の第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間に、第1ポリマーモデル21−1、第2ポリマーモデル21−2、第3ポリマーモデル21−3・・・第Nポリマーモデル21−Nの複数のポリマーモデルが存在する場合であっても、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間の最短経路であるフィラー間経路R11に含まれるポリマー粒子21aが第1ポリマーモデル21−1であることを特定することができる。したがって、複合材料の変形解析などにおいて、最短経路であるフィラー間経路R11に含まれる第1ポリマーモデル21−1が複合材料のコンパウンドの材料特性への影響が最も大きいことを特定することが可能となる。また、第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12との間の経路を解析することにより、代表点P1と代表点P2との間に含まれるポリマー粒子21aの情報及び代表点P1と代表点P2との間の経路の形状を解析することも可能となると共に、第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12との間の距離などを求めることも可能となる。
図6は、本実施形態において、第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12との間の経路が伸びきり鎖であるか否かを判定する方法を示す説明図である。図6には、第1ポリマーモデル21−1と、第2ポリマーモデル21−2と、第3ポリマーモデル21−3とが示されている。なお、図6では、3個のポリマーモデルが示されているが、これは例示であり、本発明を限定するものではない。
第1ポリマーモデル21−1から第3ポリマーモデル21−3は、それぞれ、第1ポリマー粒子21a−1と、第2ポリマー粒子21a−2と、第3ポリマー粒子21a−3と、第4ポリマー粒子21a−4と、第5ポリマー粒子21a−5と、第6ポリマー粒子21−6aとから構成されている。この場合、第2ポリマー粒子21a−2が代表点P1、第5ポリマー粒子21a−5が代表点P2、第1ポリマー粒子21a−1が点P3、第6ポリマー粒子21a−6が点P4に対応している。
第1ポリマー粒子21a−1と、第2ポリマー粒子21a−2とは、第1結合鎖21b−1によって結合されている。第2ポリマー粒子21a−2と、第3ポリマー粒子21a−3とは、第2結合鎖21b−2によって結合されている。第3ポリマー粒子21a−3と、第4ポリマー粒子21a−4とは、第3結合鎖21b−3によって結合されている。第4ポリマー粒子21a−4と、第5ポリマー粒子21a−5とは、第4結合鎖21b−4によって結合されている。第5ポリマー粒子21a−5と、第6ポリマー粒子21a−6とは、第5結合鎖21b−5によって結合されている。
本実施形態では、第1ポリマーモデル21−1が伸びきり鎖であるか否かを判定するために、まず、第1ポリマー粒子21a−1と、第6ポリマー粒子21a−6との間の距離L(以後、末端間距離と呼ぶこともある)を算出する。次に、本実施形態は、第1ポリマー粒子21a−1と、第6ポリマー粒子21a−6との間を繋ぐポリマー経路の経路長を算出する。経路長は、例えば、第1結合鎖21b−1と、第2結合鎖21b−2と、第3結合鎖21b−3と、第4結合鎖21b−4と、第5結合鎖21b−5のそれぞれの長さを足し合わせることで算出される。また、ポリマー経路の経路長は、各結合鎖の平均の長さを算出し、算出した平均の長さと、ポリマー経路を構成するポリマー粒子の数とに基づいて算出してもよい。また、本実施形態は、ポリマー経路の経路長を、ポリマー経路を構成するポリマー粒子に基づいて作成したスプライン曲線、ベジェ曲線に基づいて算出してもよい。本実施形態は、算出された末端間距離と、ポリマー経路の経路長とを比較することによって、第1ポリマーモデル21−1が伸びきり鎖であるか否かを判定する。本実施形態は、例えば、末端間距離と、ポリマー経路の経路長とが所定の関係にある場合に第1ポリマーモデル21−1が伸びきり鎖であると判定する。本実施形態は、例えば、末端間距離が、ポリマー経路の経路長の90%以上である場合に、ポリマー経路が伸びきり鎖であると判定するが、これに限定されない。
本実施形態は、第2ポリマーモデル21−2と、第3ポリマーモデル21−3とについても、第1ポリマーモデル21−1と同様に、伸びきり鎖であるか否かを判定する。これにより、本実施形態は、解析用モデル1に含まれる伸びきり鎖の数を算出することができる。この結果、本実施形態は、第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12との間に存在する力学応答への寄与が大きい伸びきり鎖を抽出することができる。
次に、第1ポリマーモデル21−1の状態を評価する方法について説明する。
まず、本実施形態では、第1ポリマーモデル21−1の状態を評価するために、第1ポリマーモデル21−1に発生している力を算出する。第1ポリマーモデル21−1に発生している力は、例えば、「第1ポリマーモデル21−1の長さ×単位長さ当たりの力」で評価することができる。また、第1ポリマーモデル21−1に発生している力を、例えば、「第1ポリマーモデル21−1に存在する結合数×単位結合当たりの力」で評価してもよい。
単位長さ当たりの力又は単位結合当たりの力は、例えば、第1結合鎖21b−1と、第2結合鎖21b−2と、第3結合鎖21b−3と、第4結合鎖21b−4と、第5結合鎖21b−5とに基づいて算出することができる。具体的には、第1結合鎖21b−1と、第2結合鎖21b−2と、第3結合鎖21b−3と、第4結合鎖21b−4と、第5結合鎖21b−5とは、結合距離である平衡長として、それぞれ、距離L1と、距離L2と、距離L3と、距離L4と、距離L5とを有している。また、第1結合鎖21b−1と、第2結合鎖21b−2と、第3結合鎖21b−3と、第4結合鎖21b−4と、第5結合鎖21b−5とには、ばね定数として、それぞれ、ばね定数k1と、ばね定数k2と、ばね定数k3と、ばね定数k4と、ばね定数k5とが定義されている。そのため、距離L1〜距離L5からのずれ(伸び)と、ばね定数k1〜ばね定数k5とに基づいて、第1結合鎖21b−1〜第5結合鎖21b−5に発生している力を算出することができる。より詳細には、第1結合鎖21b−1〜第5結合鎖21b−5が伸びて、平衡長からのずれが大きくなるほど、発生する力は大きくなる。これにより、本実施形態は、第1ポリマーモデル21−1において、単位長さ当たりの力や、単位結合当たりの力を算出することができる。そして、本実施形態は、上述のとおり、例えば、単位結合当たりの力に第1ポリマーモデル21−1に存在する結合数を乗ずることによって、第1ポリマーモデル21−1に発生している力を算出し、第1ポリマーモデル21−1の状態を評価することができる。また、本実施形態は、単位長さ当たりの力に第1ポリマーモデル21−1の長さを乗ずることによって、第1ポリマーモデル21−1に発生している力を算出してもよい。なお、距離L1〜距離L5は、それぞれ、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、ばね定数k1〜ばね定数k5は、それぞれ、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12の間にN個(Nは2以上の整数)のポリマーモデルが存在する場合には、N個のポリマーモデルのそれぞれに発生している力を算出してもよい。この場合、本実施形態は、N個のポリマーモデルのそれぞれに発生している力の和を算出し、系全体に発生している力を算出してもよい。具体的には、本実施形態は、図6に示す例の場合、第1ポリマーモデル21−1と、第2ポリマーモデル21−2と、第3ポリマーモデル21−3とのそれぞれに発生している力の和を算出することによって、系全体に発生している力を算出する。
本実施形態は、例えば、第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12の間に存在するポリマーモデルのうち、伸びきり鎖であるポリマーモデルのみを評価対象としてもよい。具体的には、本実施形態は、図6に示す例の場合、第1ポリマーモデル21−1と、第2ポリマーモデル21−2と、第3ポリマーモデル21−3とのうち、伸びきり鎖のみを対象として発生している力を算出してもよい。この場合、本実施形態は、第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12の間で抽出された伸びきり鎖に発生している力を算出し、系全体に存在する伸びきり鎖に発生している力の和を算出することができる。その結果、本実施形態は、フィラー間に発生した伸びきり鎖に起因する系の剛性(応力)増加のメカニズムを明らかにすることができる。また、本実施形態は、フィラーのモルフォロジーや、フィラー径などのナノ構造の因子とポリマーの運動を明らかにし、ひいてはナノ構造の因子と系の力学特性の関係を明らかにすることができる。さらに、本実施形態は、切断されやすい伸びきり鎖の伸びの状態を数値化することができるので、伸びきり鎖の破断の可能性を予測することができる。
また、本実施形態は、第1ポリマーモデル21−1から第3ポリマーモデル21−3が伸びきり鎖であるか否かの判定を、所定の時間間隔ごとに実行してもよい。この場合、本実施形態は、所定の時間間隔ごとに、伸びきり鎖の状態を判定してもよい。これにより、本実施形態は、解析用モデル1の解析結果と、伸びきり鎖の数とを対応付けた時刻歴を算出することができる。また、本実施形態は、解析用モデル1の解析結果と、伸びきり鎖の状態とを対応付けた時刻歴を算出することができる。所定の時間間隔には特に制限はなく、ユーザが所望する間隔に設定すればよい。また、本実施形態は、1つの解析結果の時刻歴を評価してもよいし、異なる解析の時刻歴を評価してもよい。1つの解析結果の時刻歴を評価する場合、例えば、伸張試験における伸張過程での伸びきり鎖の変化を評価することができる。異なる解析の時刻歴を評価する場合、解析に応じて伸びきり鎖に与える影響の違いを評価することができる。
また、本実施形態は、解析用モデル1に含まれる伸びきり鎖の数の時刻歴を可視化して表示させてもよい。この場合、本実施形態は、例えば、横軸を時間、縦軸を伸びきり鎖の数としたグラフを表示する。横軸は、例えば、負荷試験などのステップ数や、変形解析を行った場合のひずみの大きさであってもよい。また、本実施形態は、解析用モデル1に含まれる伸びきり鎖の状態の時刻歴を可視化して表示させてもよい。この場合、本実施形態は、例えば、横軸を時間、縦軸を伸びきり鎖の伸び量としてグラフを表示する。横軸は、例えば、負荷試験のステップ数や、変形解析を行った場合のひずみの大きさであってもよい。本実施形態は、例えば、判定した時刻ごとに伸びきり鎖の数や、伸びきり鎖の状態を整理した表を表示してもよい。なお、本実施形態において、時刻歴を可視化する方法は、これらに限定されるものではない。
また、本実施形態は、算出した伸びきり鎖の数の時刻歴に基づいて、第1解析時間に解析された第1解析結果と、第1解析時間とは異なる第2解析時間に解析された第2解析結果との差分を算出してもよい。これにより、本実施形態は、解析した複合材料のヒステリシス、ヒステリシス比、および応力軟化などの材料特性を算出することができる。この際、第1解析時間の伸びきり鎖と、第2解析時間の伸びきり鎖との数を算出してもよい。これにより、本実施形態は、第1解析時間の伸びきり鎖の数と、第2解析時間の伸びきり鎖の数との差分を算出することで、伸びきり鎖の数の変化と、材料特性の変化とを対応付けることができる。本実施形態は、第1解析条件と、第1解析条件とは異なる第2解析条件で実施した変形解析において、同一のひずみであった場合の伸びきり鎖の数の差分を算出し、算出した差分を全時間で積分することが好ましい。また、本実施形態は、第1解析時間の伸びきり鎖の状態と、第2解析時間の伸びきり鎖の状態とを比較してもよい。これにより、本実施形態は、伸びきり鎖の状態の変化と、材料特性の変化とを対応付けることができる。
また、本実施形態は、解析用モデル1とは異なるパラメータが設定されたポリマーモデルの比較用解析モデルに含まれる伸びきり鎖の数を算出し、算出された結果と解析用モデル1に含まれる伸びきり鎖の数とを比較してもよい。また、本実施形態は、解析用モデル1に含まれる伸びきり鎖の状態と、比較用解析モデルに含まれる伸びきり鎖の状態を比較してもよい。これにより、本実施形態は、ポリマーモデルの各種のパラメータが解析用モデル1に含まれる伸びきり鎖の数や、伸びきり鎖の状態に与える影響を評価することができる。パラメータとしては、例えば、フィラーの体積分率、フィラー径、フィラー間距離、バウンドラバーの量、バウンドラバーの厚さ、フィラーのモルフォロジー、ポリマーの架橋構造、温度、伸張試験における伸張速度である。
図7は、本実施形態に係る複合材料の解析方法の他の例における代表点の設定の一例を示す図である。図7に示すように、代表点P1及び代表点P2は、必ずしも第1解析対象領域A11内の粒子であるポリマー粒子21aに設定する必要はなく、第1フィラーモデル11の中心点Pから所定の距離に設定してもよい。図7に示す例では、第1解析対象領域A11内に配置されたポリマーモデル21は、一端側が第1解析対象領域A11内で折り返されて端部が第1解析対象領域A11外に配置される。このような場合には、第1フィラーモデル11の中心点Pからポリマーモデル21の所定位置を設定すると、等距離のL1、L2に存在するポリマー粒子21aに対して2つの代表点P11、P12が設定される。このようにして解析することにより、ポリマーモデル21が第1解析対象領域A11内で折り返された構造を有しているか否かを解析することもできる。
図8は、本実施形態に係る複合材料の解析方法における解析対象領域の範囲指定の説明図である。図8に示すように、本実施形態においては、必ずしも第1フィラーモデル11の第1解析対象領域A11の全領域のポリマー粒子21aを解析対象として指定する必要はない。第1解析対象領域A11内におけるポリマー粒子21aの解析対象範囲は、例えば、第1フィラーモデル11と対をなす第2フィラーモデル12側に投影される領域を第1特定領域A111として指定してもよく、第1フィラーモデル11の中心点Pと第2フィラーモデル12の中心点Pとの間のベクトルに対してポリマー粒子21aのベクトルが所定角度θ以下の範囲などを第2特定領域A112として指定してもよい。
また、本実施形態においては、第1解析対象領域A11の解析対象となるポリマー粒子21aは、上述した第1解析対象領域A11内のポリマー粒子21aと第2解析対象領域A12内のポリマー粒子21aとの間の所定の結合長、結合数及び直線距離の閾値を設けて指定してもよい。このように解析対象となるポリマー粒子21aを指定することにより、解析対象として指定されるポリマー粒子21aの数を削減できるので、演算処理が容易となる。この結果、抽出される伸びきり鎖の数も削減できるので、演算処理が容易となる。
また、本実施形態においては、ポリマーモデル21の代表点P1と代表点P2との間の最短経路は、解析用モデル1の周期境界条件を加味して解析してもよい。図9は、解析用モデル1における周期境界条件の説明図である。図9に示すように、解析用モデル1においては、一対の第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12と、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間に存在するポリマーモデル21とがモデル作成領域Aに含まれる複数の領域AX、AYに亘って繰り返し等価なモデルとして存在する。このため、例えば、隣接する一対の第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間の結合長の最短経路を解析する場合には、領域AX内の第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間のポリマーモデル21Aに加えて、領域AX内の第2フィラーモデル12と領域AY内の第1フィラーモデル11との間に亘って存在するポリマーモデル21Bが存在する。このポリマーモデル21Bの全長は、領域AX内のポリマーモデル21B1と領域AY内のポリマーモデル21B2とを足した長さとなる。ここで、領域AXと領域AYとが等価なモデルであることを考慮すると、ポリマーモデル21Bの全長は、領域AX内のポリマーモデル21B1の全長と、ポリマーモデル21B2に対応する領域AX内に存在するポリマーモデル21Cの全長とを足した長さとなる。このようにして領域AX内の第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間に存在するポリマーモデル21の経路を比較することにより、容易に演算処理を実施することが可能となる。また、本実施形態は、このような周期境界条件を加味することによって、ポリマーモデル21Bの末端間距離と、経路長とを比較することによって、ポリマーモデル21Bの構造が伸びきり鎖であるか否かを判定することができる。これにより、本実施形態は、領域AX、AYなどの特定の領域に含まれる伸びきり鎖の数に基づいて、解析用モデル1に含まれる伸びきり鎖の数を算出することができる。また、本実施形態は、周期境界条件を加味することによって、ポリマーモデル21Bの状態を評価することができる。これにより、本実施形態は、領域AX、AYなどの特定の領域に含まれる伸びきり鎖の状態に基づいて、解析用モデル1に含まれる伸びきり鎖の状態を評価することができる。
また、本実施形態に係る複合材料の解析方法においては、第1ポリマー粒子群と第2ポリマー粒子群との間の複数の経路を抽出し、抽出した経路から第1ポリマー粒子群に属するポリマー粒子間の経路及び第2ポリマー粒子群に属するポリマー粒子間の経路を重複経路として除外してフィラー間経路を探索する。
図10は、本実施形態に係る複合材料の解析方法の説明図である。図10に示す例では、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間に亘って存在するポリマーモデル21は、第1ポリマー粒子群に属するポリマー粒子21aと第2ポリマー粒子群に属するポリマー粒子21aとの間に複数の経路が抽出される。これらの経路には、例えば、ポリマー粒子21aの代表点P1と点P3との間のフィラー間経路R11,R13を含むフィラー間経路と、ポリマー粒子21aの代表点P1と点P4との間のフィラー間経路R11,R13,R12を含むフィラー間経路と、ポリマー粒子21aの代表点P2と点P3との間のフィラー間経路R13を含むフィラー間経路と、ポリマー粒子21aの代表点P2と点P4との間のフィラー間経路R13,R12を含むフィラー間経路とが含まれる。
図10に示す例では、第1ポリマー粒子群に属するポリマー粒子21aの代表点P1と代表点P2との間のフィラー間経路R11及び第2ポリマー粒子群に属するポリマー粒子21aの点P3と点P4との間のフィラー間経路R12は、重複経路として除外される。したがって、図10に示す例では、抽出された複数の経路からフィラー間経路R11,R12を含む経路が除外され、ポリマー粒子21aの代表点P2と点P3との間のフィラー間経路R13を含むフィラー間経路が抽出される。そして、重複経路であるフィラー間経路R11,R12は、除外経路に設定されて除外リストに登録される。これにより、第1解析対象領域内及び第2解析対象領域内のポリマー粒子間の経路を重複経路として除外するので、フィラー間経路の探索時に重複経路の再探索を防ぐことができ、フィラー間経路を効率良く探索することが可能となる。なお、フィラー間経路R11については、必ずしも重複経路として除外する必要はない。また、第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12以外のフィラーモデルに設定された解析対象領域内に経路が存在する場合には、フィラー間距離の探索を終了する。この経路は、除外経路として設定してもよく、除外経路に設定しなくともよい。
また、本実施形態では、複合材料の解析用モデル1の第1解析時間におけるポリマー粒子21aの代表点P1と代表点P2との間の第1距離と、第1解析時間とは異なる第2解析時間における代表点P1と代表点P2との間の第2距離との間の経路を解析してもよい。このように解析することにより、一定期間におけるポリマー粒子21aの運動に伴う代表点P1と代表点P2との間の経路の変化を解析することもできる。この場合、本実施形態は、第1距離との間の経路と、第2距離との間の経路が、伸びきり鎖であるか否かを判定してもよい。これにより、本実施形態は、一定期間におけるポリマー粒子21aの運動に伴う経路の変化を、より精度よく解析することができる。具体的には、本実施形態は、解析用モデル1に含まれる全てのフィラー間の経路の変化を判定することによって、解析用モデル1に含まれる伸びきり鎖の数の変化を算出することができる。また、本実施形態は、第1距離との間の経路の状態と、第2距離との間の経路の状態を評価してもよい。これにより、本実施形態は、一定期間におけるポリマー粒子21aの運動に伴う経路の状態の変化を解析することができる。
また、本実施形態に係る複合材料の解析方法においては、ポリマー粒子21aの代表点P1と代表点P2との間の経路に含まれるポリマー粒子21a及び結合鎖21bの少なくとも1つを可視化することが好ましい。これにより、フィラー粒子11aとフィラー粒子12aとの間のポリマー粒子21aのフィラー間経路R1を容易に確認することが可能となる。ポリマー粒子21a及び結合鎖21bの可視化は、例えば、全てのポリマー粒子21a及び結合鎖21bを着色して可視化してもよく、一部のポリマー粒子21a及び結合鎖21bを着色して可視化して他の領域を透明化してもよい。また、ポリマー粒子21a及び結合鎖21bの可視化は、相互に異なる複数の解析時間毎に同一のポリマー粒子21a及び結合鎖21bを指定して可視化してもよく、相互に異なる複数の解析時間毎にポリマー粒子21a及び結合鎖21bを可視化してもよい。また、必ずしもポリマー粒子21a及び結合鎖21bのみを可視化する必要はなく、フィラー粒子11aを可視化してもよく、解析用モデル1の一部の領域を可視化してもよい。また、本実施形態では、伸びきり鎖が検出された場合には、伸びきり鎖と、伸びきり鎖でない結合鎖との区別を容易にするために、伸びきり鎖を着色することが好ましい。これにより、ポリマーモデル21が伸びきり鎖であるか否かを容易に確認することができるようになる。また、本実施形態は、複数の伸びきり鎖が検出された場合には、伸びきり鎖の状態に応じて異なる色を着色させることが好ましい。これにより、本実施形態は、解析用モデル1に含まれる伸びきり鎖の状態を容易に確認することができるようになる。
また、本実施形態では、ポリマーモデル21として複数の第1ポリマーモデル21−1及び第1ポリマーモデル21−1とは異なるパラメータを有する複数の第2ポリマーモデル21−2を作成し、第1ポリマーモデル21−1及び第2ポリマーモデル21−2の代表点の経路を解析して評価してもよい。このように解析することにより、ポリマーモデル21のパラメータの変化に伴う第1ポリマーモデル21−1及び第2ポリマーモデル21−2と第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12との間の距離の変化を解析することもできる。また、本実施形態では、異なるパラメータを有する複数のポリマーモデルの構造が伸び切り鎖であるか判定してもよい。これにより、ポリマーモデル21のパラメータに応じて伸びきり鎖であるか否かの判定が可能となる。また、パラメータの変化に伴うポリマーモデル21の構造の変化を解析することができるようになる。また、本実施形態では、異なるパラメータを有する複数のポリマーモデルの構造の状態を評価してもよい。これにより、ポリマーモデル21のパラメータに応じてポリマーモデル21の状態の評価が可能となる。また、本実施形態は、ポリマーモデルの構造が伸びきり鎖であると判定された場合にのみ、伸びきり鎖の状態を評価してもよい。これにより、ポリマーモデル21の状態に応じた伸びきり鎖の状態の評価が可能となる。
以上説明したように、上記実施形態によれば、探索したフィラー間経路の構造の状態を評価することができ、かつ探索したフィラー間経路の構造が伸びきり鎖であるか否かを判定することができるので、高分子のネットワークをより精度良く解析可能となる。これらにより、複合材料の材料特性を高い精度で解析することができるので、複合材料の変形に伴うエネルギーロスなどの材料特性(ヒステリシス)と複合材料のナノ構造のメカニズムとの関係をより一層明らかにすることが可能となる。
本実施形態に係る複合材料の解析方法において、実行する数値解析としては、例えば、緩和解析、伸張解析、変温解析及び変圧解析などが挙げられる。なお、伸張解析を実行する場合には、少なくとも無変形状態を評価時間に含めることが好ましい。これにより、無変形状態の評価時間における解析結果と伸張解析後の解析結果とを比較することにより、伸張過程で剥がれた粒子数を評価することができる。また、これにより、本実施形態は、伸張過程で切れた伸びきり鎖の数を評価することができる。また、これにより、本実施形態は、伸張過程で変化した伸びきり鎖の状態を評価することができる。
次に、本実施形態に係る複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムについてより詳細に説明する。図11は、本実施形態に係る複合材料の解析方法を実行する解析装置の機能ブロック図である。
図11に示すように、本実施形態に係る複合材料の解析方法は、処理部52と記憶部54とを含むコンピュータである解析装置50が実現する。この解析装置50は、入力手段53を備えた入出力装置51と電気的に接続されている。入力手段53は、複合材料の解析用モデルの作成対象であるポリマー及びフィラーの各種物性値、ポリマー及びフィラーを含有する複合材料を用いた伸張試験結果の実測結果、及び解析における境界条件などを処理部52又は記憶部54へ入力する。入力手段53としては、例えば、キーボード、マウスなどの入力デバイスが用いられる。
処理部52は、例えば、中央演算装置(CPU:Central Processing Unit)及びメモリを含む。処理部52は、各種処理を実行する際にコンピュータプログラムを記憶部54から読み込んでメモリに展開する。メモリに展開されたコンピュータプログラムは、各種処理を実行する。例えば、処理部52は、記憶部54から予め記憶された各種処理に係るデータを必要に応じて適宜メモリ上の自身に割り当てられた領域に展開し、展開したデータに基づいて複合材料の解析用モデルの作成及び複合材料の解析用モデルを用いた複合材料の解析に関する各種処理を実行する。
処理部52は、モデル作成部52aと、条件設定部52bと、解析部52cとを含む。モデル作成部52aは、予め記憶部54に記憶されたデータに基づき、分子動力学法により複合材料の解析用モデル1を作成する際のフィラー及びポリマーなどの複合材料の粒子数、分子数、分子量、分子鎖長、分子鎖数、分岐、形状、大きさ、反応時間、反応条件及び作成する解析用モデルに含まれる分子数である目標分子数などの構成要素の配置、設定及び計算ステップ数などの粗視化モデルの設定、分子鎖間などの相互作用などの各種計算パラメータの初期条件の設定を行う。
フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用を調整する計算パラメータとしては、下記式(1)で表されるレナード・ジョーンズポテンシャルのσ、εを用い、これらが調整される。ポテンシャルを計算する上限距離(カットオフ距離)を大きくすることで、遠距離まで働いた引力、斥力を調整できる。なお、フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用が一定値になるまで順次、フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用のパラメータを小さくすることが好ましい。レナード・ジョーンズポテンシャルのσ、εを大きな値から徐々に本来の値に近づけることにより、分子を不自然な状態に導かない穏やかな速度で粒子の接近を行うことができる。また、カットオフ距離も徐々に小さくすることにより、適正な範囲で引力、斥力を調整できる。
条件設定部52bは、架橋解析、並びに、緩和解析、伸張解析、変温解析及び変圧解析などの各種数値解析などの各種解析条件を設定する。解析部52cは、条件設定部52bによって設定された解析条件に基づいてポリマーモデル21の架橋解析及び解析用モデル1の各種数値解析を実行する。また、解析部52cは、第1フィラーモデル11の周囲に第1解析対象領域A11を設定すると共に、第2フィラーモデル12の周囲に第2解析対象領域A12を設定する。また、解析部52cは、一部が第1解析対象領域A11内及び第2解析対象領域A12内にそれぞれ存在する特定のポリマーモデル21を抽出する。さらに、解析部52cは、特定のポリマーモデル21の第1解析対象領域A11内の第1ポリマー粒子群のポリマー粒子21aに代表点P1などを設定すると共に、第2解析対象領域A12内の第2ポリマー粒子群のポリマー粒子21aに代表点P2などを設定する。そして、解析部52cは、第1ポリマー粒子群のポリマー粒子21aと第2解析対象領域A12内の第2ポリマー粒子群のポリマー粒子21aとの間のフィラー間経路を探索する。
また、解析部52cは、第1解析対象領域A11内のポリマー粒子と、第2解析対象領域A12内のポリマー粒子との間のフィラー間経路の構造が、伸びきり鎖であるか否かを判定する。解析部52cは、例えば、第1ポリマー粒子群のポリマー粒子21aと、第2ポリマー粒子群のポリマー粒子21aとの間のフィラー間経路の構造が、伸びきり鎖であるか否かを判定する。この場合、解析部52cは、第1ポリマー粒子群のポリマー粒子21aと、第2ポリマー粒子群のポリマー粒子21aとの間の末端間距離を算出する。また、解析部52cは、第1ポリマー粒子群のポリマー粒子21aと、第2ポリマー粒子群のポリマー粒子21aとを結ぶ経路の経路長を算出する。解析部52cは、末端間距離と、経路長とを比較し、末端間距離と、経路長とが所定の関係にある場合に、フィラー間経路の構造が伸びきり鎖であると判定する。解析部52cは、例えば、末端間距離が経路長の90%以上である場合に、フィラー間経路の構造が伸びきり鎖であると判定する。
また、解析部52cは、第1解析対象領域A11内のポリマー粒子と、第2解析対象領域A12内のポリマー粒子との間のフィラー間経路の構造の状態を評価する。具体的には、解析部52cは、フィラー間経路に生じている力を算出する。解析部52cは、例えば、フィラー間経路に存在する隣接するポリマー粒子間の距離に基づいて単位結合当たりに生じている力を算出する。この場合、解析部52cは、フィラー間経路において、ポリマー粒子間の結合数に単位結合当たりに生じしている力を乗ずることによって、フィラー間経路に生じている力を算出する。解析部52cは、フィラー間経路が伸びきり鎖であった場合にのみ、フィラー間経路に生じている力を算出するようにしてもよい。
記憶部54は、ハードディスク装置、光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ及びCD−ROMなどの読み出しのみが可能な記録媒体である不揮発性のメモリ、並びに、RAM(Random Access Memory)のような読み出し及び書き込みが可能な記録媒体である揮発性のメモリが適宜組み合わせられる。
記憶部54には、入力手段53を介して解析対象となる複合材料の解析用モデルを作成するためのデータであるゴムカーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどのフィラーのデータ、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどのポリマーのデータ、予め設定した物理量履歴である応力ひずみ曲線及び本実施形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法、複合材料の解析方法を実現するためのコンピュータプログラムなどが格納されている。このコンピュータプログラムは、コンピュータ又はコンピュータシステムに既に記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、本実施形態に係る複合材料の解析方法を実現できるものであってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OS(Operating System)及び周辺機器などのハードウェアを含むものとする。
表示手段55は、例えば、液晶表示装置等の表示用デバイスである。なお、記憶部54は、データベースサーバなどの他の装置内に設けられてもよい。例えば、解析装置50は、入出力装置51を備えた端末装置から通信により処理部52及び記憶部54にアクセスするものであってもよい。
次に、再び図1を参照して、本実施の形態に係る複合材料の解析方法についてより詳細に説明する。
図1に示すように、モデル作成部52aが、所定のモデル作成領域A内に未架橋のポリマーモデル21を作成すると共に第1フィラーモデル11を作成する(ステップST11)。未架橋のポリマーモデル21は、図2に示したように、複数のポリマー粒子21aが結合鎖21bによって連結されてなるものである。ここでは、モデル作成部52aは、必要に応じて複数の第1フィラーモデル11及び複数のポリマーモデル21を作成する。次に、モデル作成部52aは、作成した第1フィラーモデル11中に未架橋のポリマーモデル21を配置して複合材料の解析用モデル1を作成する。ここでは、モデル作成部52aは、初期条件の設定の後、平衡化計算を行う。平衡化計算では、所定の温度、密度及び圧力で、初期設定後の各種構成要素が平衡状態に到達する所定の時間、分子動力学計算を行う。そして、モデル作成部52aは、初期条件の設定及び平衡化の計算処理後に、計算領域内に設定した複合材料の解析用モデルを作成するモデル作成領域A内にポリマー粒子21a及び結合鎖21bを含むポリマーモデル21及びフィラー粒子11aを含む第1フィラーモデル11を作成する。また、モデル作成部52aは、必要に応じてポリマーにフィラーとの親和性を高める水酸基、カルボニル基、及び原子団の官能基などの変性剤を配合してもよい。
次に、条件設定部52bが、モデル作成部52aで作成した複合材料の解析用モデル1を用いた分子動力学法による架橋解析、数値解析及び運動解析(シミュレーション)を実行するための各種条件を設定する。条件設定部52bは、入力手段53からの入力及び記憶部54に記憶されている情報に基づいて各種条件を設定する。各種条件としては、解析を実行する第1フィラーモデル11の位置及び数、フィラー原子、フィラー原子団、フィラー粒子11a及びフィラー粒子群の位置及び数、フィラー粒子11a番号、ポリマーの分子鎖の位置及び数、ポリマー原子、ポリマー原子団、ポリマー粒子21a及びポリマー粒子群の位置及び数、ポリマー粒子番号、結合鎖21b及び結合鎖21bの位置及び数、結合鎖21bの番号、予め設定した物理量履歴である応力ひずみ曲線及び条件を変更しない固定値などが含まれる。
次に、解析部52cは、複合材料の解析用モデル1中の未架橋のポリマーモデル中に架橋解析を実行して架橋点を作成する(ステップST12)。ここでは、モデル作成部52aは、未架橋のポリマーモデル21の中の所定のポリマー粒子21aを特定して架橋点を作成する。これにより、複合材料の解析用モデル1は、複数のポリマーモデル21によって架橋後の大きなポリマーモデル21が作成される。なお、ここでの架橋とは、3つ以上の結合鎖21bが接続してなるポリマー粒子21aを含むポリマーモデル21を形成することをいう。
次に、解析部52cは、架橋解析後の解析用モデル1に相互作用を設定して各種数値解析を実施する(ステップST13)。ここでの相互作用としては、例えば、フィラー粒子11a間、ポリマー粒子21a間、フィラー粒子11aとポリマー粒子21aとの間の相互作用及びフィラー粒子11aとポリマー粒子21aとが結合鎖で結合した状態の相互作用が挙げられるが、これらの全てに設定する必要はない。数値解析としては、モデル作成部52aによって作成された第1フィラーモデル11及びポリマーモデル21を含む複合材料の解析用モデル1を用いた分子動力学法による緩和解析、伸張解析、変温解析、変圧解析、及びせん断解析などの変形解析などの運動解析による数値解析などが挙げられる。また、解析部51cは、数値解析による運動解析の結果得られる運動変位及び公称応力又は運動変位を演算して得られる公称ひずみなどの各種物理量を取得する。
次に、解析部52cは、数値解析後の解析用モデル1の第1フィラーモデル11の周囲に解析対象領域を設定する(ステップST14)。ここでは、解析部52cは、第1フィラーモデル11によってポリマーモデル21が相互作用による影響を受ける範囲を解析対象領域として設定する。
次に、解析部52cは、第1フィラーモデル11の周囲に設定された第1解析対象領域A11内に一部が存在する特定のポリマーモデル21のポリマー粒子21aを第2粒子(例えば、代表点P1)として設定し、第1フィラーモデル11とは異なる第2フィラーモデル12の周囲に設定された第2解析対象領域A12内に一部が存在する特定のポリマーモデル21のポリマー粒子21aを第2粒子(例えば、代表点P2)として設定し、代表点P1と代表点P2との間の経路を解析する(ステップST15)。ここでは、解析部52cは、代表点P1(第1粒子)を第1解析対象領域A11の外縁に存在する最外粒子であるポリマー粒子21aに設定し、代表点P2(第2粒子)を第2解析対象領域A12の外縁に存在する最外粒子であるポリマー粒子21a(第2粒子)に設定してもよい。
次に、解析部52cは、第1粒子と、第2粒子との間の経路との間の末端間距離と、経路長とを算出する(ステップST16)。ここでは、解析部52cは、例えば、第1粒子と、第2粒子との間の末端間距離を、第1粒子と、第2粒子とのそれぞれに指定されている座標に基づいて算出する。また、解析部52cは、例えば、第1粒子と、第2粒子との間の経路長を、第1粒子と、第2粒子との間に存在する結合鎖の長さに基づいて算出する。解析部52cは、第1粒子と、第2粒子との間の経路長を、第1粒子と、第2粒子との間に存在するポリマー粒子の粒子数や結合数に基づいて算出してもよい。より具体的には、解析部52cは、経路長を、経路に存在する単位結合の数と、結合鎖の平衡長とに基づいて算出してもよいし、経路長を直接計測して算出してもよい。
次に、解析部52cは、末端間距離と、経路長とに基づいて、第1粒子と、第2粒子との間の経路の構造が、伸び切り鎖であるか否かを判定する(ステップST17)。ここでは、解析部52cは、例えば、末端間距離と、経路長とを比較して、末端間距離と、経路長とが所定の関係にある場合に、第1粒子と、第2粒子との間の経路の構造が伸び切り鎖である判定する。この場合、解析部52cは、末端間距離が、経路長の90%以上である場合に、第1粒子と、第2粒子との間の経路の構造が伸びきり鎖であると判定する。
次に、解析部52cは、抽出された伸びきり鎖において、単位結合当たりに発生している力を算出する(ステップST18)。ここでは、解析部52cは、抽出された伸びきり鎖において、隣接する粒子の間の結合鎖の平衡長からの伸びと、結合鎖に定義づけられている、ばね定数とに基づいて、単位結合当たりの力を算出する。
次に、解析部52cは、抽出された伸びきり鎖において、単位結合当たりに発生している力に基づいて、伸びきり全体に発生している力を算出する(ステップST19)。ここでは、解析部52cは、抽出された経路における単位結合当たりの力を足し合わせることによって、抽出された伸びきり鎖全体に発生している力を算出する。そして、解析部52cは、解析した複合材料の解析結果を記憶部54に格納する。
解析部52cは、第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12との間に存在する全ての伸びきり鎖に発生している力を算出することが好ましい。これにより、解析部52cは、全ての伸びきり鎖に発生している力を足し合わせることによって、系全体に発生している力を算出することができる。解析部52cは、第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12との間に存在する全ての伸びきり鎖の力を算出し、その平均を算出してもよい。
また、解析部52cは、伸びきり鎖に限らず、第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12の間において抽出された経路に対して力を算出してもよい。
図12は、解析部52cが第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12との間において抽出された経路の発生している力を算出する処理の流れを示すフローチャートである。
図12に示す、ステップST21〜ステップST25は、ステップST11〜ステップST15と同様なので説明は省略する。
次に、解析部52cは、抽出された経路において、単位結合当たりに発生している力を算出する(ステップST26)。ここでは、解析部52cは、抽出された経路において、隣接する粒子の間の結合鎖の平衡長からの伸びと、結合鎖に定義づけられている、ばね定数とに基づいて、単位結合当たりの力を算出する。ここで、解析部52cは、抽出された経路を構成する単位結合それぞれの力を算出し、単位結合当たりに発生している力の平均値を算出することが望ましい。この場合、解析部52cは、算出された力の平均値を、その経路の単位結合当たりの力とすることが望ましい。
次に、解析部52cは、抽出された経路において、単位結合当たりに発生している力に基づいて、抽出された経路全体に発生している力を算出する(ステップST27)。ここでは、解析部52cは、抽出された経路における単位結合当たりの力を足し合わせることによって、抽出された経路における単位結合当たりの力を足し合わせることによって、抽出された伸びきり鎖全体に発生している力を算出する。
解析部52cは、第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12との間に存在する全ての経路に発生している力を算出することが好ましい。これにより、解析部52cは、全ての経路に発生している力を足し合わせることによって、系全体に発生している力を算出することができる。解析部52cは、第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12との間に存在する全ての経路の力を算出し、その平均を算出してもよい。
解析部52cは、特定のポリマーモデル21の第1解析対象領域A1内の第1粒子を複数抽出して第1粒子群とすると共に、第2解析対象領域A2内の第2粒子を複数抽出して第2粒子群とし、第1粒子群に属する複数の第1粒子と第2粒子群に属する複数の第2粒子との間の経路をそれぞれ解析することが好ましい。そして、解析部52cは、第1粒子と第2粒子との間の経路に発生している力を算出することで経路の状態を評価することが好ましい。これにより、本実施形態は、フィラー間の経路の状態に起因する系の剛性(応力)増加のメカニズムを明らかにすることができる。
解析部52cは、フィラー間の経路のうち、伸びきり鎖を抽出して、抽出された伸びきり鎖のみを対象として、発生している力を評価することによって、伸びきり鎖の状態を評価してもよい。これにより、本実施形態は、フィラー間の経路の状態に起因する系の剛性(応力)増加のメカニズムを明らかにすることができる。また、本実施形態は、評価の対象を伸びきり鎖に限定することで、解析部52cの演算量を少なくすることができる。
(実施例)
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
本実施例では、フィラーの配置は同じであり、フィラーと、ポリマーとの間の相互作用が異なる複数のモデルで伸張解析を実施した。そして、それぞれのモデルの伸びきり鎖の状態を評価した。そして、フィラーと、ポリマーとの相互作用が強いほど、単位結合当たりの長さが長くなり、かつ伸びきり鎖の数が増加することが判明した。すなわち、フィラーと、ポリマーとの相互作用が強いほど、伸びきり鎖には大きな力が生じていることが判明した。その結果、フィラーと、ポリマーの相互作用が強いほど、系の剛性が高くなることが判明した。