JP2020085692A - Rubber material simulation method - Google Patents

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昌吾 平尾
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Abstract

To improve simulation accuracy.SOLUTION: A rubber material simulation method is a method for using a computer to analyze elongation deformation of a rubber material containing a filler. This simulation method includes steps of: inputting a filler model 6 that expresses the filler with multiple first particles 11 on the basis of a dissipative particle dynamics method; inputting a polymer model 7 that expresses a molecular chain of rubber material with multiple second particles 12 on the basis of the dissipative particle dynamics method; applying a definition of Lennard-Jones potential U(r) to a section between the first particles 11 and the second particles 12; creating a structurally-relaxed rubber material model through a molecular dynamics calculation performed by the computer using the filler model 6 and the polymer model 7 which are arranged in a virtual space; and calculating the elongation deformation of the rubber material model.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、フィラーが配合されたゴム材料の伸長変形を解析するためのシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a simulation method for analyzing elongational deformation of a rubber material containing a filler.

下記特許文献1は、散逸粒子動力学法(Dissipative Particles Dynamics Method:DPD法)に基づいて、フィラーが配合された高分子材料を解析するため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、複数の粒子で構成された3次元構造のフィラーモデルと、複数の粒子で構成された直鎖状のポリマーモデルとが用いられている。ポリマーモデルの粒子と、フィラーモデルの粒子との間には、ソフトコアポテンシャルが定義されている。 Patent Document 1 below proposes a simulation method for analyzing a polymer material containing a filler based on the dissipative particle dynamics method (DPD method). In the simulation method of Patent Document 1 below, a three-dimensional structure filler model composed of a plurality of particles and a linear polymer model composed of a plurality of particles are used. A soft core potential is defined between the polymer model particle and the filler model particle.

特開2013−108951号公報JP, 2013-108951, A

ソフトコアポテンシャルは、隣接するフィラーモデルの粒子と、ポリマーモデルの粒子との間の斥力相互作用のみが定義されている。このため、上記特許文献1のシミュレーション方法では、ポリマーがフィラーの表面に吸着される現象を計算することができない。従って、シミュレーション精度の向上には、さらなる改善の余地があった。 The soft core potential is defined only by the repulsive interaction between the particles of the adjacent filler model and the particles of the polymer model. For this reason, the simulation method of Patent Document 1 cannot calculate the phenomenon in which the polymer is adsorbed on the surface of the filler. Therefore, there is room for further improvement in improving the simulation accuracy.

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、シミュレーション精度を向上しうるゴム材料のシミュレーション方法を提供することを主たる目的としている。 The present invention has been devised in view of the above circumstances, and a main object of the present invention is to provide a rubber material simulation method capable of improving simulation accuracy.

本発明は、コンピュータを用いて、フィラーが配合されたゴム材料の伸長変形を解析するための方法であって、散逸粒子動力学法に基づいて、前記フィラーを複数の第1粒子で表現したフィラーモデルを、前記コンピュータに入力する工程、前記散逸粒子動力学法に基づいて、前記ゴム材料の分子鎖を複数の第2粒子で表現したポリマーモデルを、前記コンピュータに入力する工程、前記第1粒子と前記第2粒子との間に、Lenard-Jonesポテンシャルを定義する工程、前記コンピュータが、前記コンピュータの仮想空間に配置された前記フィラーモデル及び前記ポリマーモデルを用いて分子動力学計算を行うことにより、構造緩和されたゴム材料モデルを生成する工程、及び、前記コンピュータが、前記ゴム材料モデルの伸長変形を計算する工程を含むことを特徴とする。 The present invention is a method for analyzing extensional deformation of a rubber material containing a filler by using a computer, wherein the filler is represented by a plurality of first particles based on a dissipative particle dynamics method. Inputting a model into the computer, inputting a polymer model in which the molecular chains of the rubber material are expressed by a plurality of second particles based on the dissipative particle dynamics method into the computer, the first particles A Lenard-Jones potential between the second particle and the second particle, the computer performing a molecular dynamics calculation using the filler model and the polymer model arranged in a virtual space of the computer. And a step of generating a structurally relaxed rubber material model, and the computer calculating a stretching deformation of the rubber material model.

本発明に係る前記ゴム材料のシミュレーション方法において、隣接する前記第1粒子間に、結合角ポテンシャルを定義する工程をさらに含んでもよい。 The simulation method of the rubber material according to the present invention may further include a step of defining a bond angle potential between the adjacent first particles.

本発明に係る前記ゴム材料のシミュレーション方法において、前記結合角ポテンシャルは、下記式(1)で定義されてもよい。
ここで、
U(θ):結合角ポテンシャル
θ:隣接する3つの第1粒子間がなす結合角の外角
k:フィラーのバネ定数
θ0:平衡状態の隣接する3つの第1粒子間がなす結合角の外角
In the rubber material simulation method according to the present invention, the bond angle potential may be defined by the following equation (1).
here,
U(θ): bond angle potential θ: outside angle of bond angle formed between three adjacent first particles k: spring constant of filler θ 0 : outside angle of bond angle formed between three adjacent first particles in equilibrium state

本発明のゴム材料のシミュレーション方法は、散逸粒子動力学法に基づいて、フィラーを複数の第1粒子で表現したフィラーモデルを入力する工程、前記散逸粒子動力学法に基づいて、前記ゴム材料の分子鎖を複数の第2粒子で表現したポリマーモデルを入力する工程、前記第1粒子と前記第2粒子との間に、Lenard-Jonesポテンシャルを定義する工程、コンピュータの仮想空間に配置された前記フィラーモデル及び前記ポリマーモデルを用いて分子動力学計算を行うことにより、構造緩和されたゴム材料モデルを生成する工程、及び、ゴム材料モデルの伸長変形を計算する工程を含んでいる。 A method for simulating a rubber material according to the present invention includes a step of inputting a filler model in which a filler is expressed by a plurality of first particles based on a dissipative particle dynamics method, and A step of inputting a polymer model in which a molecular chain is represented by a plurality of second particles, a step of defining a Lenard-Jones potential between the first particles and the second particles, and a step of defining the Lenard-Jones potential in a virtual space of a computer. The method includes a step of generating a structurally relaxed rubber material model by performing a molecular dynamics calculation using the filler model and the polymer model, and a step of calculating extensional deformation of the rubber material model.

本発明のシミュレーション方法では、前記散逸粒子動力学法に基づいて、前記フィラーモデル及び前記ポリマーモデルが表現されるため、全原子分子動力学法に基づくシミュレーション方法に比べて、大きな時空間を扱うことができる。 In the simulation method of the present invention, since the filler model and the polymer model are expressed based on the dissipative particle dynamics method, a large space-time is handled as compared with the simulation method based on the all-atom molecular dynamics method. You can

本発明のシミュレーション方法では、前記Lenard-Jonesポテンシャルによって、前記第1粒子と前記第2粒子との間の斥力相互作用だけでなく、引力相互作用を定義することができる。これにより、本発明のシミュレーション方法では、フィラーモデルとポリマーモデルとの吸着を表現することができるため、ゴム材料モデルの伸長変形を高い精度で計算することができる。シミュレーションすることができる。したがって、本発明のシミュレーション方法は、シミュレーション精度を向上しうる。 In the simulation method of the present invention, not only repulsive interaction between the first particles and the second particles but also attractive interaction can be defined by the Lenard-Jones potential. Accordingly, in the simulation method of the present invention, the adsorption between the filler model and the polymer model can be expressed, so that the elongation deformation of the rubber material model can be calculated with high accuracy. Can be simulated. Therefore, the simulation method of the present invention can improve the simulation accuracy.

ゴム材料のシミュレーション方法を実行するためのコンピュータの一例を示す斜視図である。It is a perspective view showing an example of a computer for performing a simulation method of a rubber material. ゴム材料の分子鎖の一例を示す構造式である。3 is a structural formula showing an example of a molecular chain of a rubber material. ゴム材料のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows an example of a processing procedure of a simulation method of a rubber material. フィラーモデル、及び、ポリマーモデルが配置された仮想空間の一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of the virtual space where the filler model and the polymer model are arrange|positioned. フィラーモデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a filler model. ポリマーモデルの一例を示す図である。It is a figure 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. 本発明の他の実施形態のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows an example of the processing procedure of the simulation method of other embodiments of the present invention. 本発明の他の実施形態のフィラーモデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the filler model of other embodiment of this invention. 結合角ポテンシャルU(θ)と結合角の外角θとの関係の一例を示すグラフである。6 is a graph showing an example of a relationship between a bond angle potential U(θ) and an external angle θ of a bond angle. 実施例及び比較例A、Bの応力と歪との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between stress and strain of an example and comparative examples A and B. (a)は、伸長変形前のゴム材料モデルを示す斜視図、(b)は、伸長変形後の実施例のゴム材料モデルを示す斜視図、(c)は、伸長変形後の比較例Bのゴム材料モデルを示す斜視図である。(A) is a perspective view showing a rubber material model before extensional deformation, (b) is a perspective view showing a rubber material model of an example after extensional deformation, and (c) is a comparative example B after extensional deformation. It is a perspective view showing a rubber material model.

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態のゴム材料のシミュレーション方法(以下、単に「シミュレーション方法」ということがある。)では、コンピュータを用いて、フィラーが配合されたゴム材料の伸長変形が解析される。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the rubber material simulation method of the present embodiment (hereinafter, may be simply referred to as “simulation method”), the elongation deformation of the rubber material mixed with the filler is analyzed using a computer.

図1は、ゴム材料のシミュレーション方法を実行するための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 showing an example of a computer for executing a rubber material 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. In addition, software or the like for executing the simulation method of the present embodiment is stored in the storage device in advance.

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。ゴム材料の分子鎖としては、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 adopted. As the molecular chain of the rubber material, for example, natural rubber, synthetic rubber, resin or the like is adopted.

図2は、ゴム材料の分子鎖2の一例を示す構造式である。本実施形態の分子鎖2としては、図2に示した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分子鎖2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、分子鎖には、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 the molecular chain 2 of the rubber material. As the molecular chain 2 of this embodiment, cis-1,4 polyisoprene shown in FIG. 2 (hereinafter, may be simply referred to as “polyisoprene”) is exemplified. Molecular chain 2 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 at a polymerization degree n. In addition, as the molecular chain, one other than polyisoprene may be used.

図3は、ゴム材料のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。本実施形態のシミュレーション方法では、先ず、コンピュータの仮想空間(以下、単に「仮想空間」ということがある。)が、コンピュータ1に定義される(工程S1)。図4は、フィラーモデル6、及び、ポリマーモデル7が配置された仮想空間4の一例を示す概念図である。 FIG. 3 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the rubber material simulation method. In the simulation method of this embodiment, first, a virtual space of a computer (hereinafter, simply referred to as “virtual space”) is defined in the computer 1 (step S1). FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of the virtual space 4 in which the filler model 6 and the polymer model 7 are arranged.

仮想空間(セル)4は、ゴム材料の一部に対応させたものである。仮想空間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。 The virtual space (cell) 4 corresponds to a part of the rubber material. The virtual space 4 has at least a pair of surfaces 5 and 5 facing each other, and in the present embodiment, three pairs of surfaces 5 and 5 facing each other, and is defined as a rectangular parallelepiped or a cube (a cube in this example). ..

各面5、5には、周期境界条件が定義されている。このような仮想空間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、後述のフィラーモデル6及びポリマーモデル7について、一方側の面5aから出て行ったフィラーモデル6及びポリマーモデル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、仮想空間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。 Periodic boundary conditions are defined for each surface 5, 5. By using the virtual space 4 as described above, in the coarse-grained molecular dynamics calculation described later, for example, the filler model 6 and the polymer model 7 described later, which are obtained from the surface 5a on one side, It can be calculated that a part of the polymer model 7 comes in from the surface 5b on the other side. Therefore, the virtual space 4 can be treated as if the surface 5a on one side and the surface 5b on the other side are continuous (connected).

仮想空間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、仮想空間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、仮想空間4は、解析対象のゴム材料の少なくとも一部の体積を定義することができる。仮想空間4は、コンピュータ1に記憶される。 Each length L1 of one side of the virtual space 4 can be set appropriately. The length L1 of the present embodiment is preferably three times or more of a radius of gyration (not shown) that is an amount indicating the expansion of the polymer model 7 described later. Accordingly, in the coarse-grained molecular dynamics calculation described later, it is possible to prevent the occurrence of collision with the own image due to the periodic boundary condition and appropriately calculate the spatial expansion of the polymer model 7. Further, the size of the virtual space 4 is set to a stable volume at 1 atmospheric pressure, for example. Thereby, the virtual space 4 can define the volume of at least a part of the rubber material to be analyzed. The virtual space 4 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、散逸粒子動力学法に基づいて、フィラーを表現したフィラーモデル6が、コンピュータ1に入力される(工程S2)。図5は、フィラーモデル6の一例を示す図である。 Next, in the simulation method of this embodiment, the filler model 6 representing the filler is input to the computer 1 based on the dissipative particle dynamics method (step S2). FIG. 5 is a diagram showing an example of the filler model 6.

フィラーモデル6は、フィラー(図示省略)を複数の第1粒子11で表現している。本実施形態のフィラーモデル6は、第1粒子11、11間を拘束する第1ボンドポテンシャルP1が定義されることにより、三次元構造を有している。 The filler model 6 represents a filler (not shown) by a plurality of first particles 11. The filler model 6 of the present embodiment has a three-dimensional structure by defining the first bond potential P1 that constrains between the first particles 11 and 11.

第1粒子11は、仮想空間4(図4に示す)の内部で凝集するように配置されている。第1粒子11の配置は、例えば、実際のゴム材料を撮像した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行うことができる。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。 The first particles 11 are arranged so as to aggregate inside the virtual space 4 (shown in FIG. 4 ). The placement of the first particles 11 can be performed, for example, based on the position of the primary particles of the filler in the electron beam transmission image obtained by capturing the actual rubber material. As a result, the filler model 6 can accurately represent the actual shape of the filler.

第1粒子11は、後述の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、第1粒子11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。 The first particle 11 is treated as a mass point of the equation of motion in the molecular dynamics calculation described later. That is, parameters such as mass, diameter, electric charge or initial coordinates are defined for the first particles 11.

第1ボンドポテンシャルP1は、下記式(2)のポテンシャルUHarmonicとして定義される。 The first bond potential P1 is defined as the potential U Harmonic of the following formula (2).

ここで、
k:粒子間のばね定数
ij:粒子間の距離
0:平衡長
なお、距離rij及び平衡長r0は、粒子の中心間の距離として定義される。
here,
k: spring constant between particles r ij : distance between particles r 0 : equilibrium length
The distance r ij and the equilibrium length r 0 are defined as the distance between the centers of particles.

上記式(2)で定義される第1ボンドポテンシャルP1は、Harmonic型である。Harmonic型とは、いわゆる線形バネが定義され、平衡長r0からのずれの大きさに比例した復元力が働くポテンシャルである。このような第1ボンドポテンシャルP1は、距離rijの上限値が、平衡長r0に限定されない(即ち、伸びきり長が設定されない)。各変数は、論文1( Robert D. Groot and Patrick B. Warren 著、「Dissipaticle dynamics: Bridging the gap between atomistic and mesoscopic simulation」、J. Chem Phys. vol.107, No.11, 15 September 1997、p4423-4435)に基づいて、適宜設定することができる。フィラーモデル6は、コンピュータ1に記憶される The first bond potential P1 defined by the above formula (2) is a Harmonic type. The Harmonic type is a potential in which a so-called linear spring is defined, and a restoring force that is proportional to the magnitude of deviation from the equilibrium length r 0 is exerted. In the first bond potential P1 as described above, the upper limit value of the distance r ij is not limited to the equilibrium length r 0 (that is, the extension length is not set). Each variable is represented by paper 1 (Robert D. Groot and Patrick B. Warren, "Dissipaticle dynamics: Bridging the gap between atomistic and mesoscopic simulation", J. Chem Phys. vol.107, No.11, 15 September 1997, p4423. -4435), it can be set appropriately. The filler model 6 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、散逸粒子動力学法に基づいて、分子鎖2を表現したポリマーモデル7(図4に示す)が、コンピュータ1に入力される(工程S3)。図6は、ポリマーモデル7の一例を示す図である。 Next, in the simulation method of this embodiment, the polymer model 7 (shown in FIG. 4) representing the molecular chain 2 is input to the computer 1 based on the dissipative particle dynamics method (step S3). FIG. 6 is a diagram showing an example of the polymer model 7.

ポリマーモデル7は、分子鎖2(図2に示す)を複数の第2粒子12で表現している。本実施形態のポリマーモデル7は、複数個の第2粒子12と、第2粒子12、12間を接続する第2結合鎖14とから構成された三次元構造を有している。 In the polymer model 7, the molecular chain 2 (shown in FIG. 2) is represented by a plurality of second particles 12. The polymer model 7 of this embodiment has a three-dimensional structure including a plurality of second particles 12 and a second bonding chain 14 connecting the second particles 12 and 12.

第2粒子12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。本実施形態の第2粒子12は、任意の個数分(例えば、数十個分)のモノマー3を構造単位として、1個の第2粒子12に置換される。これにより、ポリマーモデル7には、複数(例えば、10〜500個)の第2粒子12が設定される。 The second particles 12 are obtained by substituting a structural unit forming a monomer of the polymer or a part of the monomer. The second particles 12 of the present embodiment are replaced with one second particle 12 with an arbitrary number (for example, several tens) of the monomers 3 as a structural unit. As a result, a plurality of (for example, 10 to 500) second particles 12 are set in the polymer model 7.

第2粒子12は、後述の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、第2粒子12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 second particles 12 are treated as mass points of the equation of motion in the molecular dynamics calculation described later. That is, parameters such as mass, diameter, electric charge or initial coordinates are defined in the second particles 12.

第2結合鎖14は、各第2粒子12、12間を拘束するものである。第2結合鎖14は、第2ボンドポテンシャルP2で定義される。第2ボンドポテンシャルP2は、下記式(3)のポテンシャルFS ijで定義される。 The second binding chain 14 binds between the second particles 12, 12. The second bond chain 14 is defined by the second bond potential P2. The second bond potential P2 is defined by the potential F S ij of the following formula (3).

ここで、
C:ばね定数
ij:粒子間の距離
s:平衡結合長
ij:rij/|rij|(単位ベクトル)
なお、距離rij及び平衡結合長rsは、粒子の中心間の距離として定義される。
here,
C: Spring constant r ij : Distance between particles r s : Equilibrium bond length n ij : r ij /|r ij | (unit vector)
The distance r ij and the equilibrium bond length r s are defined as the distance between the centers of particles.

上記式(3)で定義される第2ボンドポテンシャルP2は、DPD型のボンドポテンシャルである。DPD型のボンドポテンシャルは、結合長がガウス分布に従う伸縮ポテンシャルであり、DPDシミュレーションで一般的に使用される。各変数は、例えば、論文2(Satoru Yamamoto 著、「Mesoscopic Simulation for the Drying Process of Polymer Films」、日本レオロジー学会誌、vol.32, No.5, p295-301)に基づいて、適宜設定することができる。 The second bond potential P2 defined by the above equation (3) is a DPD type bond potential. The DPD type bond potential is a stretching potential whose bond length follows a Gaussian distribution and is generally used in DPD simulations. Each variable should be set appropriately based on, for example, thesis 2 (Satoru Yamamoto, "Mesoscopic Simulation for the Drying Process of Polymer Films", Journal of the Rheological Society of Japan, vol.32, No.5, p295-301). You can

仮想空間4内に配置されるポリマーモデル7の個数については、仮想空間4の大きさ等に基づいて、適宜設定することができる。ポリマーモデル7の個数の一例としては、50〜1000本程度である。ポリマーモデル7は、コンピュータ1に記憶される。 The number of polymer models 7 arranged in the virtual space 4 can be appropriately set based on the size of the virtual space 4 and the like. An example of the number of polymer models 7 is about 50 to 1000. The polymer model 7 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、隣接するフィラーモデル6の第1粒子11、11間、及び、隣接するポリマーモデル7の第2粒子12、12間に、相互作用ポテンシャルP3、P4が定義される(工程S4)。図7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。 Next, in the simulation method of the present embodiment, interaction potentials P3 and P4 are defined between the first particles 11 and 11 of the adjacent filler model 6 and between the second particles 12 and 12 of the adjacent polymer model 7. (Step S4). FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating an example of the interaction potentials of the filler model 6 and the polymer model 7.

隣接するフィラーモデル6の第1粒子11、11間の相互作用ポテンシャルP3、及び、隣接するポリマーモデル7の第2粒子12、12間の相互作用ポテンシャルP4は、散逸粒子動力学法に基づいて、下記式(4)のポテンシャルFc ijによって定義される。 The interaction potential P3 between the first particles 11 and 11 of the adjacent filler model 6 and the interaction potential P4 between the second particles 12 and 12 of the adjacent polymer model 7 are based on the dissipative particle dynamics method. It is defined by the potential F c ij of the following formula (4).

ここで、
ij:ポテンシャルの強度
ij:粒子間の距離
c:カットオフ距離
ij:rij/|rij|(単位ベクトル)
なお、距離rij及びカットオフ距離rcは、各粒子の中心間の距離として定義される。
here,
a ij : Potential strength r ij : Distance between particles r c : Cut-off distance n ij : r ij /|r ij | (unit vector)
The distance r ij and the cutoff distance r c are defined as the distance between the centers of the particles.

上記式(4)で定義される相互作用ポテンシャルP3、P4は、粒子間の距離rijが、予め定められたカットオフ距離rc以下になったときに、粒子間に斥力を作用させる。さらに、粒子間の距離rijが予め定めたカットオフ距離rcに等しい場合、相互作用ポテンシャルP3、P4はゼロであり、粒子間に斥力は生じない。従って、相互作用ポテンシャルP3、P4は、隣接するフィラーモデル6の第1粒子11、11間、及び、隣接するポリマーモデル7の第2粒子12、12間の斥力相互作用のみが定義される。各変数は、例えば、論文2に基づいて適宜設定することができる。相互作用ポテンシャルP3、P4は、コンピュータ1に記憶される。 The interaction potentials P3 and P4 defined by the above equation (4) exert a repulsive force between particles when the distance r ij between particles becomes equal to or smaller than a predetermined cutoff distance r c . Further, when the distance r ij between particles is equal to the predetermined cutoff distance r c , the interaction potentials P3 and P4 are zero and no repulsive force is generated between particles. Therefore, the interaction potentials P3 and P4 are defined only by the repulsive interaction between the first particles 11 and 11 of the adjacent filler model 6 and between the second particles 12 and 12 of the adjacent polymer model 7. Each variable can be appropriately set based on, for example, thesis 2. The interaction potentials P3 and P4 are 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、第1粒子11と第2粒子12との間に、Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)が定義される(工程S5)。Lenard-Jonesポテンシャルは、下記式(5)で定義される。 Next, in the simulation method of this embodiment, the Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) is defined between the first particles 11 and the second particles 12 (step S5). The Lenard-Jones potential is defined by the following equation (5).

ここで、
ij:粒子間の距離
c:カットオフ距離
ε:粒子間に定義されるLJポテンシャルの強度
σ:粒子の直径に相当
なお、距離rij及びカットオフ距離rcは、各粒子の中心間の距離として定義される。
here,
r ij : Distance between particles r c : Cutoff distance ε: Strength of LJ potential defined between particles σ: Corresponding to particle diameter Note that the distance r ij and the cutoff distance r c are between the centers of the particles. Is defined as the distance of.

Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)は、第1粒子11と第2粒子12との間の距離rijが21/6σから0に近づくほど、その値が無限大に大きくなる。このとき、Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)は、第1粒子11と第2粒子12との間に斥力相互作用を生じさせることができる。 The Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) becomes infinitely larger as the distance r ij between the first particle 11 and the second particle 12 approaches 0 from 2 1/6 σ. At this time, the Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) can cause a repulsive interaction between the first particles 11 and the second particles 12.

Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)は、第1粒子11と第2粒子12との間の距離rijが21/6σであるときに最小となり、その値が−εとなる。即ち、Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)が最小となるのは、第1粒子11と第2粒子12とが当接したときである。 The Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) becomes minimum when the distance r ij between the first particle 11 and the second particle 12 is 2 1/6 σ, and its value becomes −ε. That is, the Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) is minimized when the first particles 11 and the second particles 12 are in contact with each other.

Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)は、第1粒子11と第2粒子12との間の距離rijが21/6σよりも大きくなるほど、その値が大きくなって0に近づく。このとき、Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)は、第1粒子11と第2粒子12との間に引力相互作用を生じさせることができる。 The Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) becomes larger and approaches 0 as the distance r ij between the first particle 11 and the second particle 12 becomes larger than 2 1/6 σ. At this time, the Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) can cause attractive interaction between the first particles 11 and the second particles 12.

このように、Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)は、第1粒子11と第2粒子12との間の斥力相互作用だけでなく、引力相互作用を定義することができる。Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)の各変数は、例えば、論文3( 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)に基づいて、適宜設定することができる。Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)は、コンピュータ1に記憶される。 Thus, the Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) can define not only the repulsive interaction between the first particle 11 and the second particle 12 but also the attractive interaction. Each variable of the Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) is described in, for example, Paper 3 (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). The Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) 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、構造緩和されたゴム材料モデルを生成する(工程S6)。工程S6では、図4に示した仮想空間4に配置されたフィラーモデル6及びポリマーモデル7を用いて、散逸粒子動力学法に基づく分子動力学計算が行われることにより、構造緩和されたゴム材料モデル20が生成される。 Next, in the simulation method of this embodiment, the computer 1 generates a rubber material model whose structure is relaxed (step S6). In step S6, the filler model 6 and the polymer model 7 arranged in the virtual space 4 shown in FIG. 4 are used to perform a molecular dynamics calculation based on the dissipative particle dynamics method, and thus the structure-relaxed rubber material is obtained. A model 20 is generated.

本実施形態の分子動力学計算では、例えば、仮想空間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。これにより、工程S6では、構造緩和されたゴム材料モデル20を生成することができる。散逸粒子動力学法に基づくゴム材料モデル20は、コンピュータ1に記憶される。 In the molecular dynamics calculation of the present embodiment, for example, Newton's equation of motion is applied assuming that the filler model 6 and the polymer model 7 follow classical mechanics for a predetermined time in the virtual space 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 performed using, for example, COGNAC or VSOP included in the soft material general simulator (J-OCTA) manufactured by JSOL Co., Ltd. Thereby, in step S6, the rubber material model 20 whose structure is relaxed can be generated. A rubber material model 20 based on the dissipative particle dynamics method is stored in the computer 1.

本実施形態のシミュレーション方法では、上記式(5)で定義されるLenard-JonesポテンシャルULJ(rij)により、第1粒子11と第2粒子12との間の斥力相互作用、及び、引力相互作用を定義することができる。これにより、本実施形態のシミュレーション方法は、散逸粒子動力学法に基づくシミュレーションにおいて、フィラーモデル6とポリマーモデル7との吸着を表現することができる。 In the simulation method of this embodiment, the repulsive interaction and attractive mutual interaction between the first particle 11 and the second particle 12 are calculated by the Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) defined by the above equation (5). The action can be defined. Accordingly, the simulation method of the present embodiment can represent the adsorption of the filler model 6 and the polymer model 7 in the simulation based on the dissipative particle dynamics method.

このような吸着(物理吸着)は、フィラー(図示省略)と分子鎖2(図2に示す)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、分子鎖2がフィラーの表面に吸着される現象であり、吸着の強さが、ゴム材料の強度に影響すると考えられている。従って、本実施形態のシミュレーションでは、フィラーモデル6とポリマーモデル7との吸着を表現できるため、シミュレーション精度を向上しうる。 Such adsorption (physical adsorption) is caused by the van der Waals interaction and electrostatic interaction between the filler (not shown) and the molecular chain 2 (shown in FIG. 2). It is a phenomenon of adsorption, and it is considered that the strength of adsorption influences the strength of the rubber material. Therefore, in the simulation of the present embodiment, since the adsorption of the filler model 6 and the polymer model 7 can be expressed, the simulation accuracy can be improved.

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、ゴム材料モデル20の伸長変形を計算する(工程S7)。工程S7では、図4に示したゴム材料モデル20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。ゴム材料モデル20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。 Next, in the simulation method of this embodiment, the computer 1 calculates the extension deformation of the rubber material model 20 (step S7). In step S7, a uniaxial tensile test for pulling the rubber material model 20 shown in FIG. 4 in a predetermined direction is calculated. The direction in which the rubber material model 20 is pulled can be selected as appropriate, and in this example, it is pulled in the z-axis direction.

ゴム材料モデル20の変形計算は、z軸方向において、ゴム材料モデル20の一端(図4に示した仮想空間4の一方側の面5a)、及び、ゴム材料モデル20の他端(図5に示した仮想空間4の他方側の面5b)が互いに離間するように、ゴム材料モデル20の伸長が計算される。ゴム材料モデル20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 rubber material model 20 is performed in the z-axis direction by one end of the rubber material model 20 (the surface 5a on one side of the virtual space 4 shown in FIG. 4) and the other end of the rubber material model 20 (see FIG. 5). The expansion of the rubber material model 20 is calculated so that the surfaces 5b) on the other side of the illustrated virtual space 4 are separated from each other. The elongation calculation of the rubber material model 20 is calculated based on the molecular dynamics calculation.

工程S7では、ゴム材料モデル20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、ゴム材料モデル20に与えられた歪み、ボンドポテンシャルP1、P2(図5及び図6に示す)、相互作用ポテンシャルP3、P4(図7に示す)、Lenard-JonesポテンシャルULJ(rij)、及び、運動方程式に基づいて計算される。 In step S7, the thermal motions of the filler model 6 and the polymer model 7 are calculated by the elongation calculation of the rubber material model 20. Such thermal motion is caused by strain applied to the rubber material model 20, bond potentials P1 and P2 (shown in FIGS. 5 and 6), interaction potentials P3 and P4 (shown in FIG. 7), and Lenard-Jones potential U. It is calculated based on LJ (r ij ) and the equation of motion.

変形条件については、適宜設定することができる。変形条件の一例としては、ゴム材料モデル20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4に示す)が1000〜10000τ程度である。 The deformation condition can be set as appropriate. As an example of the deformation conditions, the strain applied to the rubber material model 20 is about 0.1 to 0.3, and the deformation speed V1 per strain (shown in FIG. 4) is about 1000 to 10000τ.

工程S7では、ゴム材料モデル20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、ゴム材料モデル20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、ゴム材料モデル20の応力が含まれる。工程S7では、ゴム材料モデル20に与えられる歪毎に、ゴム材料モデル20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、ゴム材料モデル20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。この応力−歪曲線に基づいて、ゴム材料の強度を評価することができる。 In step S7, a physical quantity associated with the deformation of the rubber material model 20 is calculated for each unit step (MD step) of the molecular dynamics calculation from the start of the deformation of the rubber material model 20 to the end of the deformation. The physical quantity can be appropriately adopted. The physical quantity of this embodiment includes the stress of the rubber material model 20. In step S7, the stress component in the extension direction of the rubber material model 20 is calculated for each strain applied to the rubber material model 20. Thereby, in the simulation method of this embodiment, a stress-strain curve showing the relationship between the stress and the strain of the rubber material model 20 can be acquired. The strength of the rubber material can be evaluated based on this stress-strain curve.

本実施形態のシミュレーション方法では、散逸粒子動力学法に基づいて、フィラーモデル6及びポリマーモデル7が表現されるため、全原子分子動力学法に基づくシミュレーション方法に比べて、大きな時空間を扱うことができる。また、本実施形態のシミュレーション方法では、上記式(5)で定義されるLenard-JonesポテンシャルULJ(rij)により、散逸粒子動力学法に基づくシミュレーションにおいて、フィラーモデル6とポリマーモデル7との吸着を表現することができる。従って、本実施形態のシミュレーション方法では、ゴム材料モデル20の強度、及び、物理量の計算を精度よく行うことができ、シミュレーション精度を向上させることができる。 In the simulation method of this embodiment, since the filler model 6 and the polymer model 7 are expressed based on the dissipative particle dynamics method, a large space-time is handled as compared with the simulation method based on the all atom molecular dynamics method. You can In the simulation method of the present embodiment, the filler model 6 and the polymer model 7 are combined in the simulation based on the dissipative particle dynamics method by the Lenard-Jones potential U LJ (r ij ) defined by the above equation (5). Adsorption can be expressed. Therefore, in the simulation method of the present embodiment, the strength of the rubber material model 20 and the physical quantity can be calculated with high accuracy, and the simulation accuracy can be improved.

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、伸長変形したゴム材料モデル20の物理量が良好か否かを判断する(工程S8)。良好か否かを判断するための物理量の基準については、ゴム材料に求められる強度等に応じて適宜設定することができる。 Next, in the simulation method of this embodiment, the computer 1 determines whether or not the physical quantity of the stretched and deformed rubber material model 20 is good (step S8). The standard of the physical quantity for judging whether or not it is good can be appropriately set according to the strength required for the rubber material and the like.

工程S8において、ゴム材料モデル20の物理量が良好と判断された場合(工程S8において、「Y」)、ゴム材料モデル20に設定された諸条件に基づいて、ゴム材料が製造される(工程S9)。他方、工程S8において、物理量が良好なゴム材料モデル20が存在しないと判断された場合(工程S8において、「N」)、ゴム材料モデル20に設定された諸条件が変更され(工程S10)、工程S1〜工程S8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、強度に優れるゴム材料を開発することができる。 When it is determined in step S8 that the physical quantity of the rubber material model 20 is good (“Y” in step S8), the rubber material is manufactured based on the conditions set in the rubber material model 20 (step S9). ). On the other hand, if it is determined in step S8 that the rubber material model 20 having a good physical quantity does not exist (“N” in step S8), the various conditions set in the rubber material model 20 are changed (step S10), Steps S1 to S8 are performed again. Thereby, the simulation method of the present embodiment can develop a rubber material having excellent strength based on the interaction between the filler and the polymer.

図5に示したように、本実施形態のフィラーモデル6の第1ボンドポテンシャルP1は、上記式(2)のポテンシャルUHarmonicで定義されるため、第1粒子11、11間の拘束力が弱い。このため、図4に示したゴム材料モデル20の伸長変形を計算する工程S7において、第1粒子11、11間で引き伸ばされ、フィラーモデル6が大きく変形(膨張)する場合がある。このように膨張したフィラーモデル6は、周期境界条件による自己のイメージとの衝突によって大きく変形し、フィラーモデル6の形状を維持できなくなる場合がある。このようなフィラーモデル6の膨張及び変形を防ぐために、フィラーモデル6には、隣接する第1粒子11、11間の拘束力が高められるのが望ましい。図8は、本発明の他の実施形態のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図9は、本発明の他の実施形態のフィラーモデル6の一例を示す図である。なお、この実施形態において、これまでの実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省略することがある。 As shown in FIG. 5, since the first bond potential P1 of the filler model 6 of the present embodiment is defined by the potential U Harmonic of the above formula (2), the binding force between the first particles 11 and 11 is weak. .. Therefore, in the step S7 of calculating the elongation deformation of the rubber material model 20 shown in FIG. 4, the filler model 6 may be largely deformed (expanded) by being stretched between the first particles 11 and 11. The expanded filler model 6 may be largely deformed due to collision with its own image due to the periodic boundary condition, and the shape of the filler model 6 may not be maintained. In order to prevent such expansion and deformation of the filler model 6, it is desirable that the filler model 6 has a high binding force between the adjacent first particles 11 and 11. FIG. 8 is a flowchart showing an example of a processing procedure of a simulation method according to another embodiment of the present invention. FIG. 9: is a figure which shows an example of the filler model 6 of other embodiment of this invention. In addition, in this embodiment, the same configurations as those of the previous embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted.

この実施形態のシミュレーション方法では、隣接する第1粒子11、11間に、結合角ポテンシャルU(θ)が定義される(工程S11)。結合角ポテンシャルU(θ)は、隣接する第1粒子11、11間を拘束するためのものである。本実施形態の結合角ポテンシャルU(θ)は、例えば、下記式(1)で定義される。 In the simulation method of this embodiment, the bond angle potential U(θ) is defined between the adjacent first particles 11 (11) (step S11). The bond angle potential U(θ) is for binding between the adjacent first particles 11 and 11. The bond angle potential U(θ) of the present embodiment is defined by the following equation (1), for example.

ここで、
U(θ):結合角ポテンシャル
θ:隣接する3つの第1粒子間がなす結合角の外角
k:フィラーのバネ定数
θ0:平衡状態の隣接する3つの第1粒子間がなす結合角の外角
here,
U(θ): bond angle potential θ: outside angle of bond angle formed between three adjacent first particles k: spring constant of filler θ 0 : outside angle of bond angle formed between three adjacent first particles in equilibrium state

平衡状態の結合角の外角θ0については、フィラーモデル6の構造に応じて適宜設定することができる。図10は、結合角ポテンシャルU(θ)と結合角の外角θとの関係の一例を示すグラフである。図10の結合角ポテンシャルU(θ)は、平衡状態の結合角の外角θ0が60°に設定されている。 The external angle θ 0 of the bond angle in the equilibrium state can be appropriately set according to the structure of the filler model 6. FIG. 10 is a graph showing an example of the relationship between the bond angle potential U(θ) and the external angle θ of the bond angle. The bond angle potential U(θ) in FIG. 10 is set such that the external angle θ 0 of the bond angle in the equilibrium state is 60°.

結合角ポテンシャルU(θ)は、結合角の外角θが60°又は−60°のときに0となる。一方、結合角ポテンシャルU(θ)は、結合角の外角θが60°又は−60°から乖離するほど大きくなる。また、結合角ポテンシャルU(θ)は、ばね定数kが大きいほど、隣接する第1粒子11、11間を強固に拘束することができる。 The bond angle potential U(θ) becomes 0 when the external angle θ of the bond angle is 60° or −60°. On the other hand, the bond angle potential U(θ) increases as the outside angle θ of the bond angle deviates from 60° or −60°. In addition, the bond angle potential U(θ) can be more tightly bound between the adjacent first particles 11 as the spring constant k is larger.

このように、結合角ポテンシャルU(θ)は、フィラーモデル6の隣接する3つの第1粒子11間がなす結合角の外角θが、平衡状態の結合角の外角θ0とは異なる場合に、結合角の外角θを平衡状態の結合角の外角θ0に戻そうと作用を定義できる。これにより、フィラーモデル6の隣接する3つの第1粒子11間がなす結合角の外角θを、平衡状態の結合角の外角θ0に維持することができる。 As described above, the bond angle potential U(θ) is obtained when the external angle θ of the bond angle formed between the three adjacent first particles 11 of the filler model 6 is different from the external angle θ 0 of the bond angle in the equilibrium state. The action can be defined to return the bond angle external angle θ to the equilibrium bond angle external angle θ 0 . Thereby, the external angle θ of the bond angle formed between the three adjacent first particles 11 of the filler model 6 can be maintained at the external angle θ 0 of the bond angle in the equilibrium state.

このような結合角ポテンシャルU(0)により、隣接する第1粒子11、11を、平衡状態を維持するように強固に拘束できるため、図4に示したゴム材料モデル20の伸長変形を計算する工程S7において、フィラーモデル6の膨張及び変形するのを防ぐことができる。従って、この実施形態のシミュレーション方法は、フィラーモデル6とポリマーモデル7との吸着を効果的に表現することができるため、シミュレーション精度を向上させることができる。 With such a bond angle potential U(0), the adjacent first particles 11 and 11 can be firmly constrained so as to maintain an equilibrium state, and therefore the elongation deformation of the rubber material model 20 shown in FIG. 4 is calculated. In step S7, expansion and deformation of the filler model 6 can be prevented. Therefore, the simulation method of this embodiment can effectively represent the adsorption of the filler model 6 and the polymer model 7, and can improve the simulation accuracy.

工程S11では、フィラーモデル6の構造に応じて、平衡状態の結合角の外角θ0が異なる複数種類の結合角ポテンシャルU(θ)が定義されてもよい。本実施形態では、平衡状態の結合角の外角θ0が0°に設定された結合角ポテンシャルU(θ)と、平衡状態の結合角の外角θ0が60°に設定された結合角ポテンシャルU(θ)とが定義されている。これにより、フィラーモデル6の変形を効果的に防ぐことができる。結合角ポテンシャルU(θ)は、コンピュータ1に記憶される。なお、結合角ポテンシャルU(θ)は、隣接する第1粒子11、11間を拘束できるものであれば、上記式(1)に限定されない。例えば、フィラー形状を固定化するポテンシャルが定義されることにより、フィラー粒子が連結して房状の凝集体になったフィラーモデルや、表面が非結晶のアモルファス構造を有するフィラーモデルを定義することができる。 In step S11, a plurality of types of bond angle potentials U(θ) having different equilibrium bond angles outside angle θ 0 may be defined according to the structure of the filler model 6. In this embodiment, the equilibrium bond angle external angle θ 0 is set to 0°, and the equilibrium bond angle external angle θ 0 is set to 60°. (Θ) is defined. Thereby, the deformation of the filler model 6 can be effectively prevented. The bond angle potential U(θ) is stored in the computer 1. Note that the bond angle potential U(θ) is not limited to the above formula (1) as long as it can constrain the adjacent first particles 11, 11. For example, by defining the potential to fix the filler shape, it is possible to define a filler model in which filler particles are linked to form a tufted aggregate, or a filler model having a non-crystalline amorphous structure on the surface. it can.

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。 Although the particularly preferred embodiments of the present invention have been described above in detail, the present invention is not limited to the illustrated embodiments and can be modified into various modes.

構造緩和されたゴム材料モデルが生成され、ゴム材料モデルの伸長変形が計算された(実施例、比較例A、比較例B及び比較例C)。実施例、比較例A、及び、比較例Bでは、散逸粒子動力学法に基づいて、フィラーを複数の第1粒子で表現したフィラーモデル、及び、分子鎖を複数の第2粒子で表現したポリマーモデルが入力された。一方、比較例Cでは、Kremer-Grestの粗視化モデルに基づいて、フィラーモデル及びポリマーモデルが入力された。 A structurally relaxed rubber material model was generated and the elongation deformation of the rubber material model was calculated (Example, Comparative Example A, Comparative Example B and Comparative Example C). In Examples, Comparative Examples A, and B, a filler model in which a filler is expressed by a plurality of first particles and a polymer in which a molecular chain is expressed by a plurality of second particles are based on the dissipative particle dynamics method. The model has been entered. On the other hand, in Comparative Example C, the filler model and the polymer model were input based on the Kremer-Grest coarse-grained model.

実施例及び比較例Cの第1粒子と第2粒子との間には、Lenard-Jonesポテンシャルが定義された。さらに、実施例及び比較例Cでは、隣接する第1粒子間に、結合角ポテンシャルが定義された。 The Lenard-Jones potential was defined between the first particle and the second particle of Example and Comparative Example C. Furthermore, in Example and Comparative Example C, the bond angle potential was defined between the adjacent first particles.

比較例A、Bの第1粒子と第2粒子との間には、従来の散逸粒子動力学法に基づいて、ソフトコアポテンシャルが定義された。さらに、比較例Aでは、隣接する第1粒子間に、結合角ポテンシャルが定義された。一方、比較例Bでは、Bでは、隣接する第1粒子間に、結合角ポテンシャルが定義されなかった。
共通仕様、及び、各ポテンシャルのパラメータについては、次のとおりである。
仮想空間:
一辺の長さL1:17.24σ
体積:5121σ3
フィラーモデル:
フィラーモデルの個数:4個
1個のフィラーモデルを構成する第1粒子の個数:791個
フィラーモデルの第1粒子の密度:3(1/σ3
ポリマーモデル:
ポリマーモデルの個数:120個
1個のポリマーモデルを構成する第2粒子:100個
架橋密度:0.04(1/σ3
構造緩和計算:
時間刻み:0.01
ステップ数:1,000,000
変形計算:
歪み:0.01τ
合計ステップ:100,000
合計時間:1,000τ
ひずみ速度:0.001(1/τ)
伸長速度:0.0172(σ/τ)
ポアソン比:0.5
フィラーモデルの第1粒子間のボンドポテンシャル(UHarmonic):
平衡長r0:0.78σ
ばね定数k:100(ε/σ2
ポリマーモデルの第2粒子間のボンドポテンシャル(Fs ij):
平衡結合長rs:0.86σ
ばね定数C:4
相互作用ポテンシャル(ソフトコアポテンシャル)P3、P4:
カットオフ距離rc:1.0σ
ポテンシャルの強度aij:25
Lenard-Jonesポテンシャル(実施例、比較例C):
カットオフ距離:2.5σ
ポテンシャルの強度ε:1.0σ
第1粒子及び第2粒子の直径に相当する値σ:1.0σ
第1粒子間の結合角ポテンシャル(実施例、比較例B):
フィラーのばね定数k:200ε
平衡状態の結合角の外角θ0:0°、60°
A soft core potential was defined between the first particle and the second particle of Comparative Examples A and B based on the conventional dissipative particle dynamics method. Further, in Comparative Example A, the bond angle potential was defined between the adjacent first particles. On the other hand, in Comparative Example B, in B, the bond angle potential was not defined between the adjacent first particles.
The common specifications and parameters of each potential are as follows.
Virtual space:
One side length L1: 17.24σ
Volume: 5121 σ 3
Filler model:
Number of filler models: 4
Number of first particles constituting one filler model: 791
Density of the first particles in the filler model: 3 (1/σ 3 )
Polymer model:
Number of polymer models: 120
Second particles constituting one polymer model: 100 particles Crosslink density: 0.04 (1/σ 3 )
Structural relaxation calculation:
Time step: 0.01
Number of steps: 1,000,000
Deformation calculation:
Distortion: 0.01τ
Total steps: 100,000
Total time: 1,000τ
Strain rate: 0.001 (1/τ)
Elongation rate: 0.0172 (σ/τ)
Poisson's ratio: 0.5
Bond potential between the first particles of the filler model (U Harmonic ):
Equilibrium length r 0 : 0.78σ
Spring constant k: 100 (ε/σ 2 )
Bond potential (F s ij ) between the second particles of the polymer model:
Equilibrium bond length r s : 0.86σ
Spring constant C: 4
Interaction potential (soft core potential) P3, P4:
Cutoff distance r c : 1.0σ
Potential intensity a ij : 25
Lenard-Jones potential (Example, Comparative Example C):
Cutoff distance: 2.5σ
Potential intensity ε: 1.0σ
Value σ corresponding to the diameter of the first particle and the second particle: 1.0σ
Bond angle potential between first particles (Example, Comparative Example B):
Spring constant of filler k: 200ε
Outer angle θ 0 of equilibrium bond angle: 0°, 60°

図11は、実施例及び比較例A、Bの応力と歪との関係を示すグラフである。実施例では、歪0.7付近から応力が起ち上がる挙動を確認できた。このような挙動は、ゴム材料の伸長変形時の挙動に近似する。一方、比較例A、Bでは、歪0.7付近から応力が起ち上がる挙動を確認できなかった。従って、実施例では、Lenard-Jonesポテンシャルにより、フィラーモデルとポリマーモデルとの吸着を表現することができた。さらに、実施例では、結合角ポテンシャルにより、フィラーの硬さを表現することができ、シミュレーション精度を向上させることができた。また、実施例では、その計算時間を、比較例Cの計算時間の1/50に短縮することができた。したがって、実施例は、計算コストを大幅に低減することができた。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between stress and strain in Examples and Comparative Examples A and B. In the example, it was possible to confirm the behavior in which stress rises from around strain 0.7. Such behavior is similar to the behavior of the rubber material during extensional deformation. On the other hand, in Comparative Examples A and B, it was not possible to confirm the behavior of stress rising from around strain 0.7. Therefore, in the examples, the adsorption between the filler model and the polymer model could be expressed by the Lenard-Jones potential. Furthermore, in the example, the hardness of the filler can be expressed by the bond angle potential, and the simulation accuracy can be improved. In addition, in the example, the calculation time could be shortened to 1/50 of the calculation time of the comparative example C. Therefore, the embodiment can significantly reduce the calculation cost.

図12(a)は、伸長変形前のゴム材料モデルを示す斜視図である。図12(b)は、実施例の伸長変形後のゴム材料モデルを示す斜視図である。図12(c)は、比較例Bの伸長変形後のゴム材料モデルを示す斜視図である。図12(a)〜(c)では、ポリマーモデルを省略して示している。 FIG. 12A is a perspective view showing a rubber material model before extensional deformation. FIG. 12B is a perspective view showing a rubber material model after extension deformation according to the embodiment. FIG. 12C is a perspective view showing a rubber material model of Comparative Example B after extensional deformation. 12A to 12C, the polymer model is omitted.

図12(b)に示した実施例の伸長変形後のフィラーモデルは、第1粒子間の結合角ポテンシャルにより、図12(a)に示した伸長変形前のフィラーの形状を維持できた。一方、図12(c)に示した比較例Bの伸長変形後のフィラーモデルは、フィラーモデルの形状が大きく変形し、図12(a)に示した伸長変形前のフィラーの形状を維持できなかった。従って、実施例のゴム材料モデルは、シミュレーション精度を向上させることができた。 The filler model after extensional deformation of the example shown in FIG. 12B was able to maintain the shape of the filler before extensional deformation shown in FIG. 12A due to the bond angle potential between the first particles. On the other hand, in the filler model after elongation deformation of Comparative Example B shown in FIG. 12C, the shape of the filler model is greatly deformed, and the shape of the filler before elongation deformation shown in FIG. 12A cannot be maintained. It was Therefore, the rubber material model of the example could improve the simulation accuracy.

6 フィラーモデル
7 ポリマーモデル
11 第1粒子
12 第2粒子
6 Filler model 7 Polymer model 11 First particle 12 Second particle

Claims (3)

コンピュータを用いて、フィラーが配合されたゴム材料の伸長変形を解析するための方法であって、
散逸粒子動力学法に基づいて、前記フィラーを複数の第1粒子で表現したフィラーモデルを、前記コンピュータに入力する工程、
前記散逸粒子動力学法に基づいて、前記ゴム材料の分子鎖を複数の第2粒子で表現したポリマーモデルを、前記コンピュータに入力する工程、
前記第1粒子と前記第2粒子との間に、Lenard-Jonesポテンシャルを定義する工程、
前記コンピュータが、前記コンピュータの仮想空間に配置された前記フィラーモデル及び前記ポリマーモデルを用いて分子動力学計算を行うことにより、構造緩和されたゴム材料モデルを生成する工程、及び
前記コンピュータが、前記ゴム材料モデルの伸長変形を計算する工程を含むゴム材料のシミュレーション方法。
A method for analyzing extensional deformation of a rubber material blended with a filler using a computer,
Inputting a filler model in which the filler is represented by a plurality of first particles to the computer based on a dissipative particle dynamics method;
Inputting into the computer a polymer model in which the molecular chains of the rubber material are represented by a plurality of second particles based on the dissipative particle dynamics method;
Defining a Lenard-Jones potential between the first particle and the second particle,
The computer, by performing a molecular dynamics calculation by using the filler model and the polymer model arranged in a virtual space of the computer, to generate a structurally relaxed rubber material model, and the computer, A method for simulating a rubber material, including the step of calculating extensional deformation of a rubber material model.
隣接する前記第1粒子間に、結合角ポテンシャルを定義する工程をさらに含む、請求項1記載のゴム材料のシミュレーション方法。 The method for simulating a rubber material according to claim 1, further comprising the step of defining a bond angle potential between the adjacent first particles. 前記結合角ポテンシャルは、下記式(1)で定義される、請求項2記載のゴム材料のシミュレーション方法。
ここで、
U(θ):結合角ポテンシャル
θ:隣接する3つの第1粒子間がなす結合角の外角
k:フィラーのバネ定数
θ0:平衡状態の隣接する3つの第1粒子間がなす結合角の外角
The method for simulating a rubber material according to claim 2, wherein the bond angle potential is defined by the following formula (1).
here,
U(θ): bond angle potential θ: outside angle of bond angle formed between three adjacent first particles k: spring constant of filler θ 0 : outside angle of bond angle formed between three adjacent first particles in equilibrium state
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