JP2020135762A - Material analysis method, and computer program for material analysis - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、少なくともポリマー粒子を含む材料の解析方法及び材料の解析用コンピュータプログラムに関し、例えば、複合材料中に形成された高分子材料のネットワークを効率的に精度良く解析可能な材料の解析方法及び材料の解析用コンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to a method for analyzing a material containing at least polymer particles and a computer program for analyzing the material, for example, a method for analyzing a material capable of efficiently and accurately analyzing a network of polymer materials formed in a composite material. Regarding computer programs for material analysis.
従来、分子動力学を用いた高分子材料のシミュレーション方法が提案されている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。特許文献1に記載された高分子材料のシミュレーション方法では、フィラーをモデル化したフィラーモデル及びポリマーをモデル化したポリマーモデルを用いた分子動力学計算により高分子材料モデルを設定した後、設定した高分子材料モデルに基づいて、有限個の要素でモデル化した有限要素モデルを用いて変形解析を実施する。また、特許文献2に記載の高分子材料のシミュレーション方法では、高分子材料を用いた粗視化モデルとフィラーの外面を含むフィラーモデルとを用いて分子動力学計算を実施した後、粗視化モデルが配置された空間を複数の微小領域に区分して緩和弾性率を計算する。
Conventionally, a method for simulating a polymer material using molecular dynamics has been proposed (see, for example,
ここで、ポリマー粒子を含むゴムなどの物質は、ポリマー粒子が配置されている領域でポリマーの結晶構造が、多数形成される。このため、ポリマーの結晶構造を効率よく検出することが求められている。 Here, in a substance such as rubber containing polymer particles, a large number of polymer crystal structures are formed in the region where the polymer particles are arranged. Therefore, it is required to efficiently detect the crystal structure of the polymer.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、ポリマーの結晶構造を効率よく評価可能な材料の解析方法及び材料の解析用コンピュータプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a material analysis method and a computer program for material analysis capable of efficiently evaluating the crystal structure of a polymer.
本発明の材料の解析方法は、コンピュータを用いて分子動力学法により作成した材料の解析用モデルを用いた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を含む材料の解析用モデルを作成するステップと、前記ポリマーモデルを架橋解析により架橋させるステップと、架橋解析後の前記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ステップと、探索開始点群に属する粒子と、前記探索開始点群とは異なる探索終了点群に属する粒子と、を抽出するステップと、前記探索開始点群の1つの粒子を開始粒子として特定し、前記探索終了点群に含まれる複数の粒子を終了粒子として特定し、前記開始粒子と前記終了粒子のそれぞれの粒子との間のポリマー経路を抽出する処理を行い、前記探索開始点群の粒子と前記探索終了点群の粒子の間の全経路のポリマー経路を抽出する抽出ステップと、を含むことを特徴とする。 The material analysis method of the present invention is a material analysis method using a material analysis model created by a molecular dynamics method using a computer, and is a plurality of polymer models in which a polymer is modeled by a plurality of polymer particles. A step of creating an analysis model of a material containing the particles, a step of cross-linking the polymer model by cross-linking analysis, a step of setting an interaction with the analysis model after cross-linking analysis and performing a numerical analysis, and a search start. A step of extracting particles belonging to a point group and particles belonging to a search end point group different from the search start point group, and one particle of the search start point group is specified as a start particle, and the search end point is specified. A plurality of particles included in the group are specified as end particles, a process of extracting a polymer path between the start particles and the respective particles of the end particles is performed, and the particles of the search start point group and the search end point are performed. It comprises an extraction step of extracting the polymer pathway of all pathways between the particles of the group.
前記解析モデルは、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であることが好ましい。 The analytical model is preferably a composite material that includes a plurality of polymer models in which the polymer is modeled by the plurality of polymer particles and a plurality of filler models in which the filler is modeled.
また、前記抽出ステップで算出したポリマー経路を、経路に含まれる結合数又は粒子数を用いて経路長さを評価する評価ステップを、さらに含むことが好ましい。 Further, it is preferable that the polymer pathway calculated in the extraction step further includes an evaluation step of evaluating the pathway length using the number of bonds or the number of particles contained in the pathway.
また、前記評価ステップは、前記ポリマー経路の一端部から他端部までの末端間距離と、前記ポリマー経路の経路長とを算出し、前記末端間距離と、前記経路長さとに基づいて、前記ポリマー経路が伸びきり鎖であるか否かを判定することが好ましい。 Further, in the evaluation step, the distance between the ends of the polymer pathway from one end to the other end and the path length of the polymer pathway are calculated, and based on the distance between the ends and the path length, the evaluation step is performed. It is preferable to determine whether the polymer pathway is a stretched chain.
また、前記評価ステップは、変温解析により低温状態で経路探索を実施することが好ましい。 Further, in the evaluation step, it is preferable to carry out a route search in a low temperature state by temperature change analysis.
また、前記評価ステップは、少なくとも2つの時刻の結果を評価することが好ましい。 In addition, it is preferable that the evaluation step evaluates the results at at least two times.
また、前記時刻歴を可視化して表示することが好ましい。 Further, it is preferable to visualize and display the time history.
また、前記時刻歴のうち、第1解析時間の解析結果と、前記第1解析時間とは異なる第2解析時間の解析結果との差分を算出することが好ましい。 Further, it is preferable to calculate the difference between the analysis result of the first analysis time and the analysis result of the second analysis time different from the first analysis time in the time history.
また、前記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ステップと、前記単位結合当たりに発生している力に基づいて、前記ポリマー経路に発生している力を算出するステップと、を有することが好ましい。 Further, in the polymer pathway, the step of calculating the force generated per unit bond based on the distance between two adjacent polymer particles and the force generated per unit bond are used. It is preferable to have a step of calculating the force generated in the polymer pathway.
また、前記抽出ステップは、幅優先探索でポリマー経路を探索することが好ましい。 Further, in the extraction step, it is preferable to search the polymer pathway by breadth-first search.
また、前記探索開始点群の粒子は、自由末端粒子であり、前記探索終了点群の粒子は、自由末端粒子であることが好ましい。 Further, it is preferable that the particles in the search start point group are free-end particles, and the particles in the search end point group are free-end particles.
また、前記探索開始点群の粒子は、架橋前に時点でポリマー鎖の自由末端粒子であった粒子であり、前記探索終了点群の粒子は、架橋前に時点でポリマー鎖の自由末端粒子であった粒子であることが好ましい。 Further, the particles of the search start point group are particles that were free-end particles of the polymer chain at the time before the cross-linking, and the particles of the search end point group are the free-end particles of the polymer chain at the time before the cross-linking. It is preferable that the particles are present.
また、前記抽出ステップは、探索済みのポリマー経路と合流した経路は、探索を終了することが好ましい。 Further, in the extraction step, it is preferable that the search for the route merging with the searched polymer route is completed.
また、前記抽出ステップは、主鎖のポリマー経路を探索することが好ましい。 In addition, the extraction step preferably searches for a polymer pathway in the main chain.
また、前記抽出ステップは、架橋結合を挟んだポリマー経路を探索することが好ましい。 In addition, the extraction step preferably searches for a polymer pathway that sandwiches a crosslinked bond.
また、前記抽出ステップは、架橋結合を通過したポリマー経路の探索を終了することが好ましい。 In addition, the extraction step preferably ends the search for the polymer pathway that has passed through the cross-linking.
また、前記解析用モデルの解析結果と、前記解析用モデルとは異なる比較解析用モデルとの解析結果とを比較することが好ましい。 Further, it is preferable to compare the analysis result of the analysis model with the analysis result of a comparative analysis model different from the analysis model.
また、本発明は、上記のいずれかに記載の材料の解析方法をコンピュータに実行させることを特徴とする、材料の解析用コンピュータプログラムを提供する。 The present invention also provides a computer program for analyzing materials, which comprises causing a computer to execute the method for analyzing a material according to any one of the above.
本発明によれば、ポリマーの結晶構造を効率よく評価することができる。また、本発明によれば、ポリマーの結晶構造を評価可能な材料の解析方法及び材料の解析用コンピュータプログラムを実現することができる。 According to the present invention, the crystal structure of a polymer can be efficiently evaluated. Further, according to the present invention, it is possible to realize a material analysis method capable of evaluating the crystal structure of a polymer and a computer program for material analysis.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be modified as appropriate.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る対象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、本実施形態に係る対象材料の解析方法は、コンピュータを用いた分子動力学法により作成したポリマー粒子を含む対象材料の解析用モデルを用いた材料の解析方法である。この対象材料の解析方法は、コンピュータを用いて分子動力学法により作成した対象材料の解析用モデルを用いたポリマー粒子を少なくとも含む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を含む材料の解析用モデルを作成する第1ステップST1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ST2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ST3と、評価対象とするポリマー群を選定する第4ステップST4と、ポリマー群から探索開始点群を設定する第5ステップST5と、ポリマー群から探索終了点群を設定する第6ステップST6と、開始点と終了点のポリマーの経路を抽出する第7ステップST7と、抽出した粒子の経路探索完了かを判定する第8ステップST8と、を含む。第8ステップST8は、探索開始点群の全ての粒子での探索を完了した場合、経路の探索が完了したと判定する。つまり、探索開始点群の全ての粒子と探索終了点群の全ての粒子との間の経路を探索する。第8ステップS18は、完了していないと判定した場合、第7ステップST7に戻り、完了したと判定した場合、経路探索絵結果に基づいて、複合材料を評価する第9ステップST9を実行し、処理を終了する。複合材料を評価する第9ステップST9は、抽出したそれぞれのポリマー経路を評価する。図1に示す例では、評価対象とするポリマー群を選定する第4ステップST4を実行したが、ポリマー粒子の群を選定せずに、探索開始点群、探索終了点群を設定してもよい。また、ポリマー経路の評価については、後述する。 FIG. 1 is a flowchart showing an outline of an analysis method of a target material according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the analysis method of the target material according to the present embodiment is a material analysis method using an analysis model of the target material containing polymer particles prepared by a molecular dynamics method using a computer. This method for analyzing the target material is a method for analyzing a material containing at least polymer particles using a model for analyzing the target material created by a molecular dynamics method using a computer, and models a polymer with a plurality of polymer particles. The first step ST1 to create an analysis model of a material containing a plurality of polymer models, the second step ST2 to crosslink the polymer model by cross-linking analysis, and the numerical value by setting the interaction with the analysis model after the cross-linking analysis. The third step ST3 to carry out the analysis, the fourth step ST4 to select the polymer group to be evaluated, the fifth step ST5 to set the search start point group from the polymer group, and the search end point group from the polymer group are set. The sixth step ST6, the seventh step ST7 for extracting the polymer pathways at the start point and the end point, and the eighth step ST8 for determining whether the route search of the extracted particles is completed are included. In the eighth step ST8, when the search for all the particles in the search start point group is completed, it is determined that the search for the route is completed. That is, the path between all the particles in the search start point group and all the particles in the search end point group is searched. If it is determined that the eighth step S18 is not completed, the process returns to the seventh step ST7, and if it is determined that the eighth step S18 is completed, the ninth step ST9 for evaluating the composite material is executed based on the route search picture result. End the process. The ninth step ST9, which evaluates the composite material, evaluates each polymer pathway extracted. In the example shown in FIG. 1, the fourth step ST4 for selecting the polymer group to be evaluated was executed, but the search start point group and the search end point group may be set without selecting the polymer particle group. .. The evaluation of the polymer pathway will be described later.
本発明は、ポリマー粒子を含む材料の解析に用いることができるが、ポリマー粒子とフィラーを含む複合材料に好適に用いることができる。以下、複数のポリマー粒子と複数のフィラーを含む複合材料に適用する場合について、説明する。以下、複合材料の場合を用いて発明を詳細に説明するが、フィラーを含まない材料、例えばポリマー粒子のみの材料の場合も同様である。 Although the present invention can be used for analysis of materials containing polymer particles, it can be suitably used for composite materials containing polymer particles and fillers. Hereinafter, a case where it is applied to a composite material containing a plurality of polymer particles and a plurality of fillers will be described. Hereinafter, the invention will be described in detail using the case of a composite material, but the same applies to a material containing no filler, for example, a material containing only polymer particles.
図2は、本発明の第1の実施形態に係る材料の解析方法の概略を示すフローチャートである。図2に示すフローチャートは、解析対象をポリマー粒子とフィラーを含む複合材料とした場合を示している。図2に示すように、本実施形態に係る材料の解析方法は、コンピュータを用いた分子動力学法により作成した材料の解析用モデルを用いた材料の解析方法である。この材料の解析方法は、コンピュータを用いて分子動力学法により作成した材料の解析用モデルを用いた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、評価対象とするポリマー群を選定する第4ステップST14と、ポリマー群から探索開始点群を設定する第5ステップST15と、ポリマー群から探索終了点群を設定する第6ステップST16と、開始点と終了点のポリマーの経路を抽出する第7ステップST17と、抽出した粒子の経路探索完了かを判定する第8ステップST18と、を含む。第8ステップST18は、探索開始点群の全ての粒子での探索を完了した場合、経路の探索が完了したと判定する。つまり、探索開始点群の全ての粒子と探索終了点群の全ての粒子との間の経路を探索する。第8ステップS18は、完了していないと判定した場合、第7ステップST17に戻り、完了したと判定した場合、経路探索絵結果に基づいて、複合材料を評価する第9ステップST19を実行し、処理を終了する。複合材料を評価する第9ステップST19は、抽出したそれぞれのポリマー経路を評価する。一例としては、図3に示すように、末端間距離と、経路長とを算出するステップST21と、ステップST21の算出結果に基づいてポリマー経路が伸びきり鎖であるかを判定するステップST22と、伸びきり鎖の単位結合当たりの力を算出するステップST23と、伸び切り鎖の全体に発生している力を算出するステップST24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。 FIG. 2 is a flowchart showing an outline of a material analysis method according to the first embodiment of the present invention. The flowchart shown in FIG. 2 shows a case where the analysis target is a composite material containing polymer particles and a filler. As shown in FIG. 2, the material analysis method according to the present embodiment is a material analysis method using a material analysis model created by a molecular dynamics method using a computer. This material analysis method is a material analysis method using a material analysis model created by a molecular dynamics method using a computer, and is a plurality of polymer models and fillers in which a polymer is modeled by a plurality of polymer particles. The first step ST11 to create a model for analysis of a material containing a plurality of filler models modeled on the above, the second step ST12 to crosslink the polymer model by cross-linking analysis, and the interaction are set in the analysis model after the cross-linking analysis. The third step ST13 for performing numerical analysis, the fourth step ST14 for selecting the polymer group to be evaluated, the fifth step ST15 for setting the search start point group from the polymer group, and the search end point from the polymer group. It includes a sixth step ST16 for setting the group, a seventh step ST17 for extracting the polymer pathways at the start and end points, and an eighth step ST18 for determining whether the route search of the extracted particles is completed. The eighth step ST18 determines that the search for the route is completed when the search for all the particles in the search start point group is completed. That is, the path between all the particles in the search start point group and all the particles in the search end point group is searched. If it is determined that the eighth step S18 is not completed, the process returns to the seventh step ST17, and if it is determined that the eighth step S18 is completed, the ninth step ST19 for evaluating the composite material is executed based on the route search picture result. End the process. The ninth step ST19 to evaluate the composite material evaluates each polymer pathway extracted. As an example, as shown in FIG. 3, a step ST21 for calculating the distance between ends and a pathway length, and a step ST22 for determining whether the polymer pathway is a stretched chain based on the calculation result of step ST21. It includes step ST23 for calculating the force per unit bond of the stretched chain and step ST24 for calculating the force generated in the entire stretched chain. Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described in detail.
図4は、本実施形態に係る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4に示すように、本実施形態に係る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4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。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of the
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。
The
複数のポリマーモデル21は、解析対象となる空間内で架橋される。複数のポリマーモデル21のうち一部のポリマーモデル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のうち一部のポリマーモデル21は、少なくとも一端が第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12との間以外の領域に配置される。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。
The plurality of
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。
Examples of the filler include carbon black, silica, alumina and the like. The
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。
Polymers include, for example, rubbers, resins, and elastomers. The
次に、本実施形態に係る材料の解析方法について詳細に説明する。以下では、2つのフィラー間で架橋するポリマーの例を説明するが、ポリマーは、フィラー間以外の領域でも架橋する。図5及び図6は、それぞれ本発明の実施形態に係る材料の解析方法の一例を示す説明図である。 Next, the method of analyzing the material according to the present embodiment will be described in detail. In the following, an example of a polymer that crosslinks between two fillers will be described, but the polymer also crosslinks in a region other than between the fillers. 5 and 6 are explanatory views showing an example of a material analysis method according to the embodiment of the present invention, respectively.
図5は、解析領域内の架橋済みのポリマーモデルを模式的に示している。実際のポリマー経路は、図4に示すように、3次元空間でポリマー粒子が種々の方向に連結するものであるが、説明のため、図5では、ポリマー経路を模式的に直線で示している。図5に示すように、ポリマー経路を探索する対象のモデル作成領域Aは、ポリマー粒子21aと、ポリマー粒子21aが架橋して形成される主鎖(高分子)34と、主鎖34同士を結合する架橋結合36と、が含まれる。主鎖34は、架橋前のポリマー鎖、つまり架橋前から形成されている高分子結合である。本解析方法では、主鎖34、架橋結合36を検出する。
FIG. 5 schematically shows a crosslinked polymer model in the analysis area. In the actual polymer pathway, as shown in FIG. 4, the polymer particles are connected in various directions in a three-dimensional space, but for the sake of explanation, in FIG. 5, the polymer pathway is schematically shown by a straight line. .. As shown in FIG. 5, in the model creation region A of the target for searching the polymer pathway, the
本解析方法では、モデル作成領域Aに含まれる複数のポリマー粒子21aの一部のポリマー粒子21aを、探索開始点群30に含まれるポリマー粒子21aに設定する。本解析方法では、モデル作成領域Aに含まれ、探索開始点群30に含まれない複数のポリマー粒子21aを探索終了点群32に含まれるポリマー粒子21aに設定する。なお、探索開始点群30に含まれるポリマー粒子21aと、探索終了点群32に含まれるポリマー粒子21aとは、モデル作成領域Aに含まれる多数のポリマー粒子21aのうちの一部のポリマー粒子21aである。また、本実施形態では、探索開始点群30に含まれるポリマー粒子21aと、探索終了点群32に含まれるポリマー粒子21aとは、架橋して形成されるポリマー経路の端部としている。これにより、効率よく解析を行うことができるが、任意のポリマー粒子21aを、探索開始点群30に含まれるポリマー粒子21aと、探索終了点群32に含まれるポリマー粒子21aに設定することができる。
In this analysis method, some of the
材料の解析方法は、図6に示すように、探索開始点群30に属する1つのポリマー粒子21aを経路探索開始粒子に選定し、探索終了点群32に属する複数のポリマー粒子21aを終了粒子に設定する。そして、材料の解析方法は、経路探索開始粒子と終了粒子との間の経路探索を行う。材料の解析方法は、1つの経路探索開始粒子と複数の終了粒子との間の経路探索を全経路探索で行う。
In the material analysis method, as shown in FIG. 6, one
ここで、終了粒子は、経路探索開始粒子(開始粒子)に選定したポリマー粒子21aと経路を確立していない探索終了点群32に属する全てのポリマー粒子21aが対象となる。具体的には、探索開始点群30に属する1つのポリマー粒子21aと、探索終了点群32に属するポリマー粒子21aのいずれかと繋がる経路があるかを網羅的に探索する。本実施形態では、幅優先探索を行い、探索開始点群30に属する1つのポリマー粒子21aから1つのポリマー粒子21aから繋がるポリマー粒子21aがあるかを探索し、2つ以上のポリマー粒子21aと繋がる場合は、以降それぞれのポリマー粒子21aと繋がる経路があるかを探索する。本実施形態では、架橋結合36で接続している部分で、他の主鎖34と繋がる経路を検出し、探索する経路が増加する。
Here, the end particles are the
図6に示す例は、材料の解析方法により1回目の経路探索を行うことで、探索開始点群30に属する1つのポリマー粒子21aである開始点40aから、探索終了点群32に属するポリマー粒子21aのそれぞれに繋がる経路が含まれる領域42aの経路を抽出する。なお、図6では、全ての探索終了点群32に属するポリマー粒子21aと経路が確立されているが、一部の探索終了点群32に属するポリマー粒子21aとは経路が確立しない場合もある。
In the example shown in FIG. 6, by performing the first path search by the material analysis method, the polymer particles belonging to the search
1回目の経路探索が完了したら、探索開始点群30に属するポリマー粒子21aから開始点40aとは別のポリマー粒子21aを開始点40bに設定し、2回目の経路探索を行う。開始点40bは、開始点40aから遠いポリマー粒子21aを選定することが好ましい。本実施形態の材料の解析方法は、経路探索中に探索済みの経路と同じ経路に到達した場合、当該経路についての経路探索を終了する。開始点40bから探索終了点群32に向けた全経路探索を行うと、図6に示すように、領域42aと重なるまでの領域42bの経路が探索される。ここで、本実施形態の材料の解析方法は、重複領域44で示すように、領域42bの経路探索で、領域42aと接した時点で経路探索を終了せず、一定距離の経路が重複した時点で経路探索を終了する。一部領域を重複して探索することで、ポリマー経路の検出漏れを抑制することができる。また、重複している場合は、探索を終了することで、重複した経路の探索を抑制でき、効率よく経路を探索することができる。なお、重複領域は、ポリマー粒子の1結合または2結合分の評価をすることが好ましい。これにより、ポリマー経路の接続状態をより高い精度で検出することができる。
When the first route search is completed, the
2回目の経路探索が完了したら、探索開始点群30に属するポリマー粒子21aから開始点40a、開始点40bとは別のポリマー粒子21aを開始点40cに設定し、3回目の経路探索を行う。開始点40cは、開始点40a、40bから遠いポリマー粒子21aを選定することが好ましい。本実施形態の材料の解析方法は、経路探索中に探索済みの経路と同じ経路に到達した場合、当該経路についての経路探索を終了する。開始点40cから探索終了点群32に向けた全経路探索を行うと、図6に示すように、領域42a、42bと重なるまでの領域42cの経路が探索される。本実施形態の材料の解析方法は、重複領域46で示すように、領域42cの経路探索で、領域42aと接した時点で経路探索を終了せず、一定距離の経路が重複した時点で経路探索を終了する。また、重複領域48で示すように、領域42cの経路探索で、領域42bと接した時点で経路探索を終了せず、一定距離の経路が重複した時点で経路探索を終了する。
When the second route search is completed, the
図5、5に示す例では、探索開始点群30のポリマー粒子21aと、探索終了点群32のポリマー粒子21aとが繋がっている経路のみを示しているが、材料の解析方法は、探索開始点群30のポリマー粒子21aから探索終了点群32に属するポリマー粒子21aに繋がらない経路も探索する。この場合、材料の解析方法は、一定距離接続しても(所定数のポリマー粒子21aと接続しても)、探索終了点群32に属するポリマー粒子21aに到達しない場合、経路探索を終了すればよい。
In the examples shown in FIGS. 5 and 5, only the path in which the
このように、探索開始点群30の1つのポリマー粒子21aと探索終了点群32の複数のポリマー粒子と選定しポリマー経路を抽出することで、効率よく、かつ、複数のポリマー経路を網羅的に検出することができる。
In this way, by selecting one
また、本実施形態のように、探索開始点群30のポリマー粒子からの距離を1ポリマー粒子分または所定距離ずつ伸ばし、分岐した経路も並行して検出する幅優先探索を行うことで、効率よく経路を探索することができるが、1つずつの経路を順番に探索する深さ優先探索を行ってもよい。
Further, as in the present embodiment, the distance from the polymer particles of the search
また、本実施形態のように、探索開始点群30、探索終了点群32のそれぞれのポリマー粒子を自由末端粒子とすることで、ポリマー経路の端部から経路探索を行うことができ、ポリマー経路を漏れなく、検出することができる。
Further, as in the present embodiment, by setting each of the polymer particles of the search
また、探索開始点群30、探索終了点群32のそれぞれのポリマー粒子は、架橋前のポリマー鎖の自由末端粒子とすることも好ましい。これにより、架橋前の自由末端が架橋した場合に経路を有効に探索することができる。
Further, it is also preferable that the polymer particles of the search
また、本実施形態のように、探索開始点群の全ての粒子と探索終了点群の全ての粒子との間の経路を探索することで、複合材料をより高い精度で解析することができる。なお、探索開始点群の全ての粒子から経路の探索を行うことで、経路を漏れなく探査することができるが、探索開始点群の全ての粒子と探索終了点群の全ての粒子との間の経路を探索すればよく、探索開始点群の一部のポリマー粒子からの探索を行わなくてもよい。例えば、探索開始天軍の他のポリマー粒子からの経路探索で、経路が接続されている場合は、探索を行わなくてもよい。 Further, as in the present embodiment, the composite material can be analyzed with higher accuracy by searching for a path between all the particles in the search start point group and all the particles in the search end point group. By searching the path from all the particles in the search start point group, the path can be searched without omission, but between all the particles in the search start point group and all the particles in the search end point group. It is sufficient to search for the path of, and it is not necessary to search from some polymer particles of the search start point group. For example, in the route search from other polymer particles of the search start heavenly army, if the routes are connected, the search may not be performed.
また、本実施形態のように、探索開始点群30の開始点を以前の開始点に対して離れたポリマー粒子を選定することで、効率よく、経路を探索することができる。また、探索済みの領域と接した場合は、探索を終了することで、重複した探索を低減することができ、効率よく探索を行うことができる。
Further, as in the present embodiment, by selecting the polymer particles in which the start point of the search
次に、材料の解析方法は、ポリマー経路の探索が完了したら、評価を行う。評価としては、伸びきり鎖を検出する伸長解析としてもよいし、除荷解析を行ってもよい。材料の解析方法は、検出したポリマー経路を解析し、フィラー間のポリマー経路と、それ以外のポリマー経路、つまりマトリックス内にあり、2つのフィラーの間にないポリマー経路と、に分類する。 Next, the material analysis method is evaluated after the search for the polymer pathway is completed. The evaluation may be an extension analysis for detecting a stretched chain, or an unloading analysis may be performed. The method of analyzing the material analyzes the detected polymer pathway and classifies the polymer pathway between the fillers and the other polymer pathways, that is, the polymer pathways in the matrix and not between the two fillers.
図7、図8は、本実施形態に係る材料の解析方法の一例を示す説明図である。以下、フィラー間にあるポリマー経路について説明する。図7に示すように、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。第1解析対象領域A11に存在するポリマー粒子21aが探索開始点群30に属するポリマー粒子となり、第2解析対象領域A12に存在するポリマー粒子21aが探索終了点群32に属するポリマー粒子となる。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。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をフィラー間のポリマー経路とする。経路R2と、経路R3は、2つのフィラー粒子群の間を繋げる経路ではないと判定する。
7 and 8 are explanatory views showing an example of a material analysis method according to the present embodiment. The polymer pathway between the fillers will be described below. As shown in FIG. 7, in the material analysis method, among the pair of the
2つのフィラー粒子間で経路を確立したポリマーモデル(ポリマー経路)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によって架橋結合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及び代表点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及び代表点P4)を第2ポリマー粒子群として抽出する。なお、抽出するポリマー粒子群の数は限定されない。
In the polymer model (polymer pathway) 21 in which the pathway is established between the two filler particles, one end is present in the first analysis target region A11 and the other end is present in the second analysis target region A12. In the
図7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(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がフィラー間のポリマー経路として抽出される。
In the example shown in FIG. 7, the first analysis target region A11 is between the
図8に示す例では、複数のポリマー経路を示している。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。
The example shown in FIG. 8 shows a plurality of polymer pathways. The first polymer model 21-1 and the second polymer model 21-2 are arranged between the
図8に示す例では、図7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と示している。さらに、図8に示す例では、代表点P5と代表点P6との間のフィラー間経路R21がフィラー間のポリマー経路として抽出される。なお、本実施形態では、上記の経路に加え、2つのフィラー粒子間の経路がフィラー間のポリマー経路として抽出される。このようにして抽出したポリマー経路のうち、フィラー間にあるポリマー経路をフィラー間のポリマー経路とし、少なくとも一方がフィラーを基準とする所定の範囲にない場合、マトリックスにあるポリマー経路とする。 In the example shown in FIG. 8, the representative points P1 and P2 and the points P3 and P4 of the first polymer model 21-1 are shown as in FIG. 7. Further, in the example shown in FIG. 8, the inter-filler path R21 between the representative point P5 and the representative point P6 is extracted as the polymer path between the fillers. In this embodiment, in addition to the above pathway, the pathway between the two filler particles is extracted as the polymer pathway between the fillers. Of the polymer pathways extracted in this way, the polymer pathway between the fillers is defined as the polymer pathway between the fillers, and if at least one of them is not within a predetermined range based on the filler, the polymer pathway in the matrix is used.
伸長解析の場合、フィラー間距離が増加したフィラー対(望ましくは、系の20%以上)を解析対象のフィラー対とすることが好ましい。除荷解析(伸長からの戻しの解析)の場合は、伸長解析で設定したフィラー対を解析対象のフィラー対とすることが好ましい。例えば、抽出したポリマー経路の相対位置と距離を検出し、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し、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。 In the case of elongation analysis, it is preferable to use a filler pair in which the distance between fillers is increased (preferably 20% or more of the system) as the filler pair to be analyzed. In the case of unloading analysis (analysis of return from elongation), it is preferable to use the filler pair set in the elongation analysis as the filler pair to be analyzed. For example, the relative position and distance of the extracted polymer pathway are detected, the force generated per unit bond is calculated based on the distance between two adjacent polymer particles in the polymer pathway, and the force generated per unit bond is calculated. The force generated in the polymer pathway is calculated based on the force being applied.
まず、それぞれのポリマー経路の経路長を算出する。図7、7に示すフィラー間のポリマー経路の場合、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。
First, the pathway length of each polymer pathway is calculated. In the case of the polymer pathway between the fillers shown in FIGS. 7 and 7, the bond length between the representative point P1, the representative point P2, the point P3 and the point P4 is a straight line between the representative point P1, the representative point P2, the point P3 and the point P4. The analysis may be performed using the number of particles or the number of bonds of the
また、フィラー粒子の近傍領域は、フィラー中心からの距離を指定して、その領域内のポリマー粒子を評価対象としてもよいし、フィラー表面からの距離、つまり、フィラーを構成する粒子群との最短距離を設定しても良い。また、フィラー近傍領域は、フィラーとの相互作用が作用する範囲以下とすることが好ましい。フィラー間距離は中心間距離でもよいし表面間距離でもよい。 Further, the region near the filler particles may be evaluated by specifying the distance from the center of the filler and the polymer particles in the region may be evaluated, or the distance from the surface of the filler, that is, the shortest distance from the particle group constituting the filler. You may set the distance. Further, the region near the filler is preferably set to be equal to or less than the range in which the interaction with the filler acts. The distance between the fillers may be the distance between the centers or the distance between the surfaces.
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。
The interaction between the
例えば、評価としては、第1フィラーモデル11と、第2フィラーモデル12との間の経路が伸びきり鎖であるか否かを判定し、フィラーモデル間で働く力を評価する。
For example, as an evaluation, it is determined whether or not the path between the
次に、伸びきり鎖であるか否かの判定方法について説明する。図9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9は、フィラー間のポリマー経路を例として説明するがマトリクスになるポリマー経路も同様に判定することができる。図9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9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。
Next, a method for determining whether or not the chain is fully extended will be described. FIG. 9 is an explanatory diagram showing a method of determining whether or not the path between the
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。
The first polymer model 21-1 to the third polymer model 21-3 are the
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。
The
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。
In the present embodiment, in order to determine whether or not the first polymer model 21-1 is a stretched chain, first, the distance between the
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。
In the present embodiment, similarly to the first polymer model 21-1, it is determined whether or not the second polymer model 21-2 and the third polymer model 21-3 have a stretched chain. Thereby, in this embodiment, the number of stretched chains included in the
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。 Next, a method for evaluating the state of the first polymer model 21-1 will be described.
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。 First, in the present embodiment, in order to evaluate the state of the first polymer model 21-1, the force generated in the first polymer model 21-1 is calculated. The force generated in the first polymer model 21-1 can be evaluated by, for example, "the length of the first polymer model 21-1 x the force per unit length". Further, the force generated in the first polymer model 21-1 may be evaluated by, for example, "the number of bonds existing in the first polymer model 21-1 x the force per unit bond".
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。
The force per unit length or the force per unit bond is, for example, the
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。
When there are N polymer models (N is an integer of 2 or more) between the
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7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。
In this embodiment, for example, among the polymer models existing between the
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。
Further, in the present embodiment, it may be determined at predetermined time intervals whether or not the first polymer model 21-1 to the third polymer model 21-3 have a stretched chain. In this case, in this embodiment, the state of the stretched chain may be determined at predetermined time intervals. Thereby, in the present embodiment, it is possible to calculate the time history in which the analysis result of the
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。
Further, in the present embodiment, the time history of the number of stretched chains included in the
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。 Further, in this embodiment, based on the calculated time history of the number of stretched chains, the first analysis result analyzed in the first analysis time and the second analysis time different from the first analysis time were analyzed. The difference from the second analysis result may be calculated. Thereby, the present embodiment can calculate the material properties such as the hysteresis, the hysteresis ratio, and the stress softening of the analyzed composite material. At this time, the number of stretched chains in the first analysis time and stretched chains in the second analysis time may be calculated. As a result, in the present embodiment, by calculating the difference between the number of stretched chains in the first analysis time and the number of stretched chains in the second analysis time, the change in the number of stretched chains and the material properties Can be associated with changes in. In this embodiment, the difference in the number of stretched chains when the strains are the same in the deformation analysis performed under the first analysis condition and the second analysis condition different from the first analysis condition is calculated and calculated. It is preferable to integrate the differences over the entire time. Further, in the present embodiment, the state of the stretched chain during the first analysis time may be compared with the state of the stretched chain during the second analysis time. Thereby, in the present embodiment, the change in the state of the stretched chain can be associated with the change in the material properties.
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。
Further, in the present embodiment, the number of stretched chains included in the comparative analysis model of the polymer model in which parameters different from those of the
また、評価方法としては、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。
Further, as an evaluation method, it is also possible to analyze whether or not the
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。
Further, in the present embodiment, the first distance between the representative points P1 and the representative points P2 of the
また、本実施形態に係る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。
Further, in the material analysis method according to the present embodiment, it is preferable to visualize at least one of the
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。また、マトリックスにあるポリマー経路も同様に評価を行うことができる。
Further, in the present embodiment, as the
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とマトリックス間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とマトリックス間の構造の状態のそれぞれ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。 As described above, according to the above embodiment, the state of the structure of the searched interfiller path and the state of the structure between the matrices can be evaluated, and the structure of the searched interfiller path and the structure between the matrices can be evaluated. Since it is possible to determine whether or not each of the states is a stretched chain, it becomes possible to analyze the polymer network with higher accuracy. As a result, the material properties of the composite material can be analyzed with high accuracy, and the relationship between the material properties (hysteresis) such as energy loss due to the deformation of the composite material and the mechanism of the nanostructure of the composite material is further clarified. It becomes possible to do.
また、伸びきり鎖を検出する場合、ポリマー経路の結合の配向に基づいて伸びきり鎖を抽出してもよい。つまり、所定の角度範囲内で並んでいる結合を抽出するようにしてもよい。ここで配向角は、120°以上とするこが好ましく、150°以上とすることがより好ましい。これにより、複合材料内で力を発生させる伸びきり鎖を適切に検出することができる。また、上記配向角は、3つ以上の結合の角度を評価することが好ましい。これにより、一定数の結合が所定角度で繋がっていないポリマー経路を伸びきり鎖として抽出することを抑制できる。 Further, when detecting the stretched chain, the stretched chain may be extracted based on the orientation of the bond of the polymer pathway. That is, the bonds that are lined up within a predetermined angle range may be extracted. Here, the orientation angle is preferably 120 ° or more, and more preferably 150 ° or more. This makes it possible to appropriately detect stretched chains that generate a force in the composite material. Moreover, it is preferable to evaluate the angle of three or more bonds as the orientation angle. As a result, it is possible to suppress the extraction of a polymer pathway in which a certain number of bonds are not connected at a predetermined angle as a stretched chain.
本実施形態に係る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。 Examples of the numerical analysis to be performed in the material analysis method according to the present embodiment include relaxation analysis, extension analysis, temperature change analysis, and transformation analysis. When performing the extension analysis, it is preferable to include at least the non-deformation state in the evaluation time. As a result, the number of particles peeled off in the stretching process can be evaluated by comparing the analysis result in the evaluation time in the non-deformed state with the analysis result after the stretching analysis. In addition, the present embodiment can evaluate the number of stretched chains broken during the stretching process. In addition, the present embodiment can evaluate the state of the stretched chain changed in the stretching process.
また、本実施形態に係る材料の解析方法は、ポリマー経路の主鎖と架橋結合の両方を探索することで、ポリマー経路を網羅的に検出することができるがこれに限定されない。図10は、本発明の実施形態に係る材料の解析方法の一例を示す説明図である。材料の解析方法は、図10に示すように、主鎖34のポリマー経路のみを抽出し、架橋結合(主鎖同士を連結する結合)を経路として抽出しなくてもよい。これにより、経路の探索を簡単にすることができる。
Further, the material analysis method according to the present embodiment can comprehensively detect the polymer pathway by searching for both the main chain and the crosslinked bond of the polymer pathway, but the method is not limited to this. FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of a material analysis method according to the embodiment of the present invention. As a method for analyzing the material, as shown in FIG. 10, it is not necessary to extract only the polymer pathway of the
図11は、本発明の実施形態に係る材料の解析方法の一例を示す説明図である。材料の解析方法は、図11に示すように、探索開始粒子群30のポリマー粒子と、探索終了粒子群32のポリマー粒子と、架橋結合36を挟んだ位置とし、架橋結合36と、架橋結合36と結合した主鎖34の架橋結合36近傍の領域50のポリマー経路を探索するようにしてもよい。これにより、架橋結合を挟んだポリマー経路を探索することができる。また、図10に示すように主鎖のみを探索した場合に探索できなかったポリマー経路を探索することができる。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of a material analysis method according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, the material analysis method is such that the polymer particles of the search
図12は、本発明の実施形態に係る材料の解析方法の一例を示す説明図である。
材料の解析方法は、図12に示すように、架橋結合を通過したポリマー経路の探索を終了するようにしてもよい。これにより、探索開始粒子群30のポリマー粒子の1つと探索終了粒子群32のポリマー粒子の1つとを結ぶ主鎖34と、その主鎖34に接続している架橋結合36とを探索することができ、領域60、62、64を探索することができる。これにより、探索開始粒子群30のポリマー粒子を切り換えることで、それぞれの主鎖34を重複せずに探索することができ、また、架橋結合36を抽出することで、主鎖34同士を接続するポリマー経路も探索することができる。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing an example of a material analysis method according to the embodiment of the present invention.
The method of analyzing the material may end the search for the polymer pathway through the cross-linking, as shown in FIG. As a result, the
次に、本実施形態に係る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13は、本実施形態に係る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。 Next, the material analysis method and the computer program for analyzing the composite material according to the present embodiment will be described in more detail. FIG. 13 is a functional block diagram of an analysis device that executes the material analysis method according to the present embodiment.
図13に示すように、本実施形態に係る材料の解析方法は、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。
As shown in FIG. 13, the material analysis method according to the present embodiment is realized by the
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。
The
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。
The
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。
As the calculation parameters for adjusting the interaction between the
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。
The
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。
Further, the
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。
In addition, the
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。
The
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、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。
The
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。
The display means 55 is, for example, a display device such as a liquid crystal display device. The
次に、再び図2を参照して、本実施の形態に係る材料の解析方法についてより詳細に説明する。なお、図1の場合もフィラー粒子を含まない点、フィラー間とマトリクス間の比較を行わない点等を除いて、同様である。 Next, the method of analyzing the material according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIG. 2 again. The same applies to FIG. 1 except that the filler particles are not included and the comparison between the fillers and the matrix is not performed.
図2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3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。
As shown in FIG. 2, the
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。
Next, the
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。
Next, the
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。
Next, the
次に、解析部52cは、評価対象とするポリマー群を選定する(ステップST14)。ここでは、解析部52cは、解析領域内にあるポリマー群から少なくとも一部のポリマー粒子を選定する。解析部52cは、ポリマー群から探索開始点群を設定する(ステップST15)。選定したポリマー群の一部のポリマー粒子を探索開始点群のポリマー粒子に設定する。例えば、自由末端粒子を抽出し、探索開始点群のポリマー粒子とする。また、探索開始点群のポリマー粒子を操作者に入力されたデータに基づいて、決定してもよい。解析部52cは、ポリマー群から探索終了点群を設定する(ステップST16)選定したポリマー群の一部のポリマー粒子を探索終了点群のポリマー粒子に設定する。例えば、自由末端粒子を抽出し、探索終了点群のポリマー粒子とする。また、探索終了点群のポリマー粒子を操作者に入力されたデータに基づいて、決定してもよい。解析部52cは、開始点と終了点のポリマーの経路を抽出し(ステップST17)、抽出した粒子の経路探索完了かを判定する(ステップST18)。解析部は、粒子群の粒子の経路探索が終了条件を満たすまで、探索開始点群のポリマー粒子を順次選定して、ポリマー経路の探索を繰り返す。
Next, the
解析部52cは、完了していないと判定した場合、ステップST17に戻り、完了したと判定した場合、経路探索絵結果に基づいて、複合材料を評価する(ステップST19)。例えば、解析部52cは、探索開始点群のポリマー粒子と、探索終了点群のポリマー粒子との間のポリマー経路が、フィラー間にあるか、マトリックス中にあるかを識別する。さらに、解析部52cは、探索開始点群のポリマー粒子と、探索終了点群のポリマー粒子との間の経路との間の末端間距離と、経路長とを算出し、末端間距離と、経路長とに基づいて、探索開始点群のポリマー粒子と、探索終了点群のポリマー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。さらに解析部52cは、フィラー間にあるか、マトリックス中の夫々の領域で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し、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。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。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。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、マトリックス内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、また、フィラー間の経路とマトリックス内の経路のそれぞれの関係等を明らかにすることができる。
If it is determined that the
図14は、伸びきり鎖数とひずみとの時刻変化を対応付けたグラフである。図15は、伸びきり鎖長とひずみとの時刻変化を対応付けたグラフである。図16は、伸びきり鎖の伸びとひずみとの時刻変化を対応付けたグラフである。解析部52cによる解析を行い、伸びきり鎖とひずみ等の時刻変化を、フィラー間、マトリックス内とで、それぞれ解析することで、図14から図16に示すような、ひずみと伸びきり鎖との関係の変化を解析することができる。
FIG. 14 is a graph in which the number of stretched chains and the time change of strain are associated with each other. FIG. 15 is a graph in which the stretched chain length and the strain are associated with the time change. FIG. 16 is a graph in which the elongation of the stretched chain and the time change of the strain are associated with each other. By performing analysis by the
1 解析用モデル
11 第1フィラーモデル
12 第2フィラーモデル
11a,12a フィラー粒子
21 ポリマーモデル
21a ポリマー粒子
21b 結合鎖
50 解析装置
51 入出力装置
52 処理部
52a モデル作成部
52b 条件設定部
52c 解析部
53 入力手段
54 記憶部
55 表示手段
A モデル作成領域
A11 第1解析対象領域
A12 第2解析対象領域
1
Claims (18)
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を含む材料の解析用モデルを作成するステップと、
前記ポリマーモデルを架橋解析により架橋させるステップと、
架橋解析後の前記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ステップと、
探索開始点群に属する粒子と、前記探索開始点群とは異なる探索終了点群に属する粒子と、を抽出するステップと、
前記探索開始点群の1つの粒子を開始粒子として特定し、前記探索終了点群に含まれる複数の粒子を終了粒子として特定し、前記開始粒子と前記終了粒子のそれぞれの粒子との間のポリマー経路を抽出する処理を行い、前記探索開始点群の粒子と前記探索終了点群の粒子の間の全経路のポリマー経路を抽出する抽出ステップと、を含むことを特徴とする、材料の解析方法。 It is a material analysis method using a material analysis model created by the molecular dynamics method using a computer.
Steps to create a model for analysis of a material containing multiple polymer models that model a polymer with multiple polymer particles,
The step of cross-linking the polymer model by cross-linking analysis,
The step of setting the interaction in the analysis model after the cross-linking analysis and performing the numerical analysis,
A step of extracting particles belonging to a search start point group and particles belonging to a search end point group different from the search start point group.
One particle of the search start point group is specified as a start particle, a plurality of particles included in the search end point group are specified as end particles, and a polymer between the start particle and each particle of the end particle is specified. A method for analyzing a material, which comprises an extraction step of performing a process of extracting a path and extracting a polymer path of all paths between the particles of the search start point group and the particles of the search end point group. ..
前記単位結合当たりに発生している力に基づいて、前記ポリマー経路に発生している力を算出するステップと、を有する、請求項6から請求項8のいずれか一項に記載の材料の解析方法。 A step of calculating the force generated per unit bond in the polymer pathway based on the distance between two adjacent polymer particles.
Analysis of the material according to any one of claims 6 to 8, comprising a step of calculating the force generated in the polymer pathway based on the force generated per unit bond. Method.
前記探索終了点群の粒子は、自由末端粒子である、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の材料の解析方法。 The particles of the search start point group are free-end particles, and are
The method for analyzing a material according to any one of claims 1 to 10, wherein the particles in the search end point group are free-ended particles.
前記探索終了点群の粒子は、架橋前に時点でポリマー鎖の自由末端粒子であった粒子である、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の材料の解析方法。 The particles in the search start point group are particles that were free-end particles of the polymer chain at the time before cross-linking.
The material analysis method according to any one of claims 1 to 11, wherein the particles in the search end point group are particles that were free-end particles of the polymer chain at the time before crosslinking.
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