JP2020177375A - Method for creating composite material, method for analyzing composite material, and computer program for analyzing composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コンピュータを用いた分子動力学法による複合材料のモデル作成方法、複合材料の解析方法、及び複合材料の解析用コンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to a method for creating a model of a composite material by a molecular dynamics method using a computer, a method for analyzing a composite material, and a computer program for analyzing the composite material.
従来より、ゴム材料等の複合材料のナノ構造の破壊のメカニズムを解明するために、分子動力学による数値解析が種々提案されている。
分子動力学による数値解析を行うには、分子動力学法により数値解析を行うことができるように、ゴム材料等の複合材料を再現した解析用モデルを作成する必要がある。ゴム材料等の複合材料は、複合材料の機能を高めるために所定のフィラー粒子が母材中に分布した構造を備える。このため、解析用モデルでは、フィラー粒子をモデル化した複数の粒子モデルを、複合材料の母材中に粒子が分布した構造に対応させて、母材をモデル化した母材モデル中に配置させる。
Conventionally, various numerical analyzes by molecular dynamics have been proposed in order to elucidate the mechanism of fracture of nanostructures of composite materials such as rubber materials.
In order to perform numerical analysis by molecular dynamics, it is necessary to create an analysis model that reproduces a composite material such as a rubber material so that numerical analysis can be performed by the molecular dynamics method. A composite material such as a rubber material has a structure in which predetermined filler particles are distributed in a base material in order to enhance the function of the composite material. Therefore, in the analysis model, a plurality of particle models that model the filler particles are arranged in the base material model in which the base material is modeled, corresponding to the structure in which the particles are distributed in the base material of the composite material. ..
これ対して、マトリックス材料(母材)に粒子が分散した複合材料のモデルを有効に作成する技術が知られている(特許文献1)。
当該技術によれば、2つの粒子モデルによって作られる仮想ポテンシャルを設定し、複数の粒子モデルを、マトリックス材料モデルに配した複合材料モデルを作成した後、複数の粒子モデル間に作用する仮想ポテンシャルの値を合計して全ポテンシャルエネルギーの値を算出する。この後、1つの粒子モデルを仮移動し、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値を算出し、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値が仮移動前の全ポテンシャルエネルギーの値に比べて低いとき、仮移動を粒子モデルの本移動として定めて粒子モデルの配置を修正した修正複合材料モデルを生成する。この修正複合材料モデルが、所定の条件を満足するまで、仮移動前、仮移動後の全ポテンシャルエネルギーの値の算出及び比較を繰り返し行う。所定の条件を満足するときの修正複合材料モデルを、最終のモデルとする。
これにより、複数の粒子モデルが鎖形状に連なった構成の複合材料のモデルを作成することができる、とされている。
On the other hand, a technique for effectively creating a model of a composite material in which particles are dispersed in a matrix material (base material) is known (Patent Document 1).
According to this technology, after setting a virtual potential created by two particle models and creating a composite material model in which a plurality of particle models are arranged in a matrix material model, the virtual potential acting between the plurality of particle models The values are totaled to calculate the value of total potential energy. After that, when one particle model is temporarily moved, the value of the total potential energy after the temporary movement is calculated, and the value of the total potential energy after the temporary movement is lower than the value of the total potential energy before the temporary movement, A modified composite material model is generated in which the temporary movement is defined as the main movement of the particle model and the arrangement of the particle model is modified. The calculation and comparison of the total potential energy values before and after the temporary movement are repeated until the modified composite material model satisfies the predetermined conditions. The modified composite material model when the predetermined conditions are satisfied is defined as the final model.
It is said that this makes it possible to create a model of a composite material having a structure in which a plurality of particle models are connected in a chain shape.
ところで、上記方法では、1つの粒子モデルずつ仮移動するごとに、全ポテンシャルエネルギーが低下するかどうかを探索して粒子モデル毎に本移動を定める計算を繰り返すので、計算の繰り返し回数が非常に多く、所定の条件を満足する複合材料モデルを求めるまで長時間を要する。
また、上述の技術では、粒子モデルが凝集して最密充填に近い構造を再現するような、条件の厳しい粒子配置を再現することができない場合もある。
By the way, in the above method, every time one particle model is temporarily moved, the calculation for determining the main movement is repeated for each particle model by searching for whether or not the total potential energy is reduced, so that the number of repetitions of the calculation is very large. It takes a long time to find a composite material model that satisfies the predetermined conditions.
In addition, the above-mentioned technique may not be able to reproduce a particle arrangement under severe conditions such that the particle model aggregates to reproduce a structure close to close-packed.
そこで、本発明の目的は、複合材料のモデルを作成するとき、従来とは異なる方法により、複合材料の解析用モデルを効率よく作成することができる複合材料のモデル作成方法、作成したモデルを用いた複合材料の解析方法、及びモデルの作成方法を実行可能な複合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。 Therefore, an object of the present invention is to use a composite material model creation method and a created model that can efficiently create a composite material analysis model by a method different from the conventional method when creating a composite material model. It is an object of the present invention to provide a computer program for analyzing a composite material that can execute a method for analyzing the composite material and a method for creating a model.
本発明の一態様は、コンピュータが、分子動力学法により複合材料のモデルを作成する方法である。
前記複合材料は、前記複合材料の母材中に粒子を含む構成を有する。
前記方法は、
前記複合材料をモデル化するモデル作成領域内に、前記粒子をモデル化した粒子モデルの群を初期配置するステップと、
初期配置した前記粒子モデルの群のうちの複数の粒子モデルを、分子動力学法を用いて、前記粒子モデル間に作用する相互作用の力に基づいて移動させる計算を行なうことにより、前記粒子モデルの位置が予め設定された条件を満足するまで前記粒子モデルの位置を修正するステップと、
前記条件を満足する前記粒子モデルの位置に基づいて、前記複合材料の解析用モデルを作成するステップと、
を備える。
One aspect of the present invention is a method in which a computer creates a model of a composite material by a molecular dynamics method.
The composite material has a structure in which particles are contained in the base material of the composite material.
The method is
A step of initially arranging a group of particle models that model the particles in the model creation region that models the composite material, and
The particle model is calculated by moving a plurality of particle models in the initially arranged group of particle models based on the force of interaction acting between the particle models using molecular dynamics method. The step of modifying the position of the particle model until the position of is satisfies the preset condition, and
A step of creating an analysis model of the composite material based on the position of the particle model that satisfies the above conditions, and
To be equipped.
前記相互作用は、前記粒子モデル間に引力を働かせる、ことが好ましい。 It is preferable that the interaction exerts an attractive force between the particle models.
前記相互作用は、前記粒子モデル間に斥力を働かせる、ことも好ましい。 It is also preferred that the interaction exerts a repulsive force between the particle models.
前記粒子モデルの群の一部の粒子モデルに対して他の粒子モデルが近接することを禁止する排除体積効果が働く排除体積領域が、前記粒子モデルの群の他の一部の粒子モデルにおける排除体積領域と異なるように、前記一部の前記粒子モデルに除体積領域を付与する、ことが好ましい。 The exclusion volume region in which the exclusion volume effect that prohibits the proximity of other particle models to a part of the particle model group is excluded in the other part of the particle model group. It is preferable to impart a volume removal region to the part of the particle model so as to be different from the volume region.
前記粒子モデルの位置を修正するステップにおいて、前記粒子モデルの群のうち所定の位置にある粒子モデルの移動あるいは位置の修正を禁止する、ことが好ましい。
前記粒子モデルの位置を修正するステップにおいて、前記粒子モデルの群のうち互いに領域が重複する粒子モデルの位置の修正により非重複状態になったとき、該粒子モデルの位置を前記非重複状態の位置に固定して、該粒子モデルの移動あるいは位置の修正を禁止する、ことも好ましい。
In the step of correcting the position of the particle model, it is preferable to prohibit the movement or the correction of the position of the particle model at a predetermined position in the group of the particle models.
In the step of correcting the position of the particle model, when the position of the particle model in which the regions overlap with each other in the group of the particle models becomes a non-overlapping state, the position of the particle model is changed to the position of the non-overlapping state. It is also preferable to fix the particle model to prohibit the movement or modification of the position of the particle model.
前記複合材料のモデル作成方法は、さらに、前記粒子モデルを初期配置するステップの前に、前記解析用モデルにおいて前記粒子モデルの群が配置されるための粒子モデル配置可能領域を少なくとも1つ、モデル作成領域内に設定するステップを備える、ことが好ましい。 In the method of creating a model of the composite material, at least one particle model placeable region for arranging the group of the particle models in the analysis model is modeled before the step of initially arranging the particle model. It is preferable to include a step to be set in the creation area.
前記粒子モデルの群は、前記粒子モデル配置可能領域内に初期配置される、ことが好ましい。 It is preferable that the group of the particle models is initially arranged in the particle model displaceable region.
前記粒子モデル配置可能領域内にある前記粒子モデルのそれぞれと前記粒子モデル配置可能領域を区画する外縁との間に力を発生させる相互作用を付与する、ことが好ましい。 It is preferable to impart an interaction that generates a force between each of the particle models in the particle model placeable region and the outer edge that partitions the particle model placeable area.
前記粒子モデルのそれぞれと前記粒子モデル配置可能領域の前記外縁との間に発生させる力は斥力である、ことが好ましい。 It is preferable that the force generated between each of the particle models and the outer edge of the particle model displaceable region is a repulsive force.
前記粒子モデルの位置を修正するステップでは、予め設定された時間間隔で区切って前記粒子モデルの移動距離と移動方向を求めることにより、前記粒子モデルの位置を、前記移動距離と前記移動方向に応じて定まる位置に修正することを繰り返し行い、
前記粒子モデルの位置の修正を繰り返し行うとき、前記粒子モデルのうち、前記移動距離と前記移動方向により定まる予定移動先が前記粒子モデル配置可能領域外になる領域外移動粒子モデルは、前記粒子モデル配置可能領域内に位置するように再配置される。
このとき、前記領域外移動粒子モデルが移動によって前記粒子モデル配置可能領域の外縁を横切る横断点と前記粒子モデル配置可能領域の中心点とを通る直線が、前記粒子モデル配置可能領域の外縁と交差する、前記中心点から見て前記横断点と反対側にある横断対応点から、前記横断点と前記予定移動先との間の距離の分だけ、前記移動方向と平行な方向に移動させた位置に、前記領域外移動粒子モデルの前記再配置位置は設定される、ことが好ましい。
In the step of correcting the position of the particle model, the position of the particle model is determined according to the moving distance and the moving direction by obtaining the moving distance and the moving direction of the particle model by dividing the position at a preset time interval. Repeatedly correct to the fixed position,
When the position of the particle model is repeatedly modified, the out-of-region moving particle model in which the planned moving destination determined by the moving distance and the moving direction is outside the particle model arrangable region is the particle model. It is rearranged so that it is located within the placeable area.
At this time, the straight line passing through the crossing point where the moving particle model outside the region crosses the outer edge of the particle model arrangable region and the center point of the particle model arrangable region intersects with the outer edge of the particle model arrangable region. A position moved in a direction parallel to the moving direction by the distance between the crossing point and the planned moving destination from the crossing corresponding point on the opposite side of the crossing point when viewed from the center point. It is preferable that the rearrangement position of the out-of-region moving particle model is set.
前記粒子モデルの位置を修正するステップでは、予め設定された時間間隔で区切って前記粒子モデルの移動距離と移動方向を求めることにより、前記粒子モデルの位置を、前記移動距離と前記移動方向に応じて定まる位置に修正することを繰り返し行い、
前記粒子モデルの位置の修正を繰り返すにつれて、前記粒子モデル配置可能領域の大きさを断続的にあるいは連続的に狭くする、ことが好ましい。
In the step of correcting the position of the particle model, the position of the particle model is determined according to the moving distance and the moving direction by obtaining the moving distance and the moving direction of the particle model by dividing the position at a preset time interval. Repeatedly correct to the fixed position,
It is preferable that the size of the particle model dispositionable region is intermittently or continuously narrowed as the position of the particle model is repeatedly corrected.
前記分子動力学法を用いて、前記粒子モデルを移動させる計算をするとき、前記粒子モデル配置可能領域において前記粒子モデルの移動を抑制する抵抗力を前記粒子モデルに付与する、ことが好ましい。 When calculating the movement of the particle model using the molecular dynamics method, it is preferable to impart a resistance force that suppresses the movement of the particle model to the particle model in the particle model displaceable region.
前記粒子モデルは、フィラー粒子をモデル化したフィラー粒子モデルとし、前記粒子モデルと前記粒子モデル配置可能領域との間の領域は、第1母材をモデル化した第1母材モデルとし、前記粒子モデル配置可能領域を囲む外側領域は、第2母材をモデル化した第2母材モデルとして、前記複合材料の解析用モデルを作成するステップを、前記複合材料のモデル作成方法はさらに備える、ことが好ましい。 The particle model is a filler particle model that models filler particles, and the region between the particle model and the particle model displaceable region is a first base material model that models the first base material, and the particles. The outer region surrounding the model-arrangeable region further includes a step of creating an analysis model of the composite material as a second base material model in which the second base material is modeled, in the model creation method of the composite material. Is preferable.
本発明の他の一態様は、前記複合材料のモデル作成方法により前記複合材料の前記解析用モデルを作成するステップと、
前記コンピュータが、前記解析用モデルを用いて分子動力学法による数値解析をするステップと、
を備えることを特徴とする複合材料の解析方法である。
Another aspect of the present invention includes a step of creating the analysis model of the composite material by the method of creating the model of the composite material.
The step that the computer performs numerical analysis by the molecular dynamics method using the analysis model,
It is a method for analyzing a composite material, which is characterized by the above.
本発明のさらに他の一態様は、前記複合材料のモデル作成方法をコンピュータに実行させることを特徴とする、複合材料の解析用コンピュータプログラムである。 Yet another aspect of the present invention is a computer program for analyzing a composite material, which comprises causing a computer to execute the method for creating a model of the composite material.
上述の複合材料のモデル作成方法、複合材料の解析方法、及び複合材料の解析用コンピュータプログラムによれば、複合材料の解析用モデルを効率よく作成することができる。 According to the above-mentioned method for creating a model of a composite material, a method for analyzing a composite material, and a computer program for analyzing a composite material, a model for analyzing a composite material can be efficiently created.
以下、本発明の実施形態の複合材料のモデル作成方法、複合材料の解析方法、及び複合材料の解析用コンピュータプログラムを添付の図に基づいて説明する。 Hereinafter, a method for creating a model of a composite material, a method for analyzing a composite material, and a computer program for analyzing the composite material according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the attached figures.
図1は、一実施形態の複合材料のモデル作成方法のフローの要部の一例を示す図である。実施形態で解析用モデルを作成する対象の複合材料は、複合材料の母材中に粒子を含む構成を有する。
図1に示すモデル作成方法は、コンピュータを用いて分子動力学法により複合材料のモデルを作成する。すなわち、複合材料のモデルの作成は、コンピュータが実行する。この複合材料のモデル作成方法は、図1に示すように、粒子モデル配置可能領域を設定するステップ(ST10)と、粒子モデルの群を初期配置するステップ(ST12)と、粒子モデル同士の相互作用を設定するステップ(ST14)と、分子動力学を用いて粒子モデルの移動の計算を行なうステップ(ST16)と、粒子モデルの位置の修正をするステップ(ST16)と、粒子モデルの位置が設定された条件を満足するか否かを判定するステップ(ST20)と、粒子モデルの配置で問題ないかを判定するステップ(ST20)と、を主に備える。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a main part of the flow of the method for creating a model of a composite material of one embodiment. The composite material for which the analysis model is created in the embodiment has a configuration in which particles are contained in the base material of the composite material.
In the model creation method shown in FIG. 1, a model of a composite material is created by a molecular dynamics method using a computer. That is, the computer creates a model of the composite material. As shown in FIG. 1, the method for creating a model of this composite material includes a step of setting a particle model placeable region (ST10), a step of initially arranging a group of particle models (ST12), and an interaction between the particle models. (ST14), the step of calculating the movement of the particle model using molecular dynamics (ST16), the step of correcting the position of the particle model (ST16), and the position of the particle model are set. It mainly includes a step (ST20) for determining whether or not the above conditions are satisfied, and a step (ST20) for determining whether or not there is a problem in arranging the particle model.
複合材料の母材は、例えば、ポリマー(高分子材料)である。母材中にある粒子は、例えば素材原料である母材に添加するフィラー粒子である。以下の説明では、ポリマーを母材として、ポリマー中にフィラー粒子が分布する形態を例にして説明する。なお、複合材料の母材の形態は、以下に説明する形態の他に、複数種のポリマーで構成されるブレンドポリマーであってもよい。例えば、海島構造、ラメラ構造をとるブレンドポリマーが挙げられる。ブレンドポリマーは、結晶性高分子と非結晶性高分子からなるものであってもよい。また、母材として、熱可塑性エラストマーのように一分子中にハードセグメントの相とソフトセグメントの相を有する形態も挙げることができる。 The base material of the composite material is, for example, a polymer (polymer material). The particles in the base material are, for example, filler particles added to the base material which is a raw material. In the following description, a polymer will be used as a base material, and a form in which filler particles are distributed in the polymer will be described as an example. The form of the base material of the composite material may be a blend polymer composed of a plurality of types of polymers in addition to the forms described below. For example, a blend polymer having a sea-island structure and a lamella structure can be mentioned. The blended polymer may consist of a crystalline polymer and a non-crystalline polymer. Further, as the base material, a form having a hard segment phase and a soft segment phase in one molecule, such as a thermoplastic elastomer, can also be mentioned.
フィラー粒子を含む複合材料では、母材中にフィラー粒子が分布するが、フィラー粒子は、例えば、最密充填に近い状態で互いに凝集して、例えば略球形状の塊となる。このような塊は母材中に複数分布する。あるいは鎖状連結して細長い形状となる。以下の説明では、フィラー粒子が互いに凝集して略球形状の塊となる形態を用いて、複合材料のモデルの作成方法を説明する。 In a composite material containing filler particles, the filler particles are distributed in the base material, and the filler particles aggregate with each other in a state close to close-packing, for example, to form a substantially spherical mass. A plurality of such lumps are distributed in the base metal. Alternatively, they are chained together to form an elongated shape. In the following description, a method of creating a model of a composite material will be described using a form in which filler particles aggregate with each other to form a substantially spherical mass.
図2は、一実施形態の複合材料のモデル作成方法で作成されるフィラー粒子モデルが凝集したフィラーモデルの一例を示す図である。図2には、フィラー粒子の群が最密充填に近い状態で凝集して塊となった構造を再現したフィラーモデル11A〜11Dが示されている。フィラー粒子は、例えば、カーボンブラック粒子、シリカ粒子、及びアルミナ粒子などが含まれる。フィラー粒子モデルは、複数のフィラーを構成する原子が集合したものをモデル化したものである。
解析用モデルの作成では、図2に示す例では、複合材料をモデル化するモデル作成領域Aに、フィラーモデル11A〜11Dを備える解析用モデル1を作成する。モデル作成領域Aは、略直方体形状の仮想空間であるが、球状、楕円状、直方体形状、多面体形状など任意の形状であってもよい。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a filler model in which the filler particle model created by the method for creating a model of a composite material of one embodiment is aggregated. FIG. 2 shows
In the creation of the analysis model, in the example shown in FIG. 2, the analysis model 1 having the
コンピュータは、まず、粒子モデル配置可能領域を設定する(ST10)。
この粒子モデル配置可能領域は、解析用モデルにおいてフィラー粒子の群が配置される領域である。粒子モデル配置可能領域は、例えば最密充填に近い状態に凝集して塊となるフィラーモデルを作成するための領域として用いられる。粒子モデル配置可能領域は、複合材料をモデル化するモデル作成領域A内に設定される。図3(a)は、粒子モデル配置可能領域12及びフィラー粒子モデル11aを説明する図である。図3(a)では、わかり易く説明するために、二次元平面上にモデル作成領域Aが設定され、この平面上のモデル作成領域A内に、フィラー粒子モデル11aが配置されている。
図3(a)に示す例では、粒子モデル配置可能領域12は、モデル作成領域A内に2つ設定されている。この2つの粒子モデル配置可能領域12が、図2に示すフィラーモデル11A〜11Dの2つを作成する領域となる。図3(a)に示す例では、粒子モデル配置可能領域12が2つ設定されるが、設定数は2つに制限されず、1つでもよいし、3つ以上でもよい。図2に示すように、4つのフィラーモデル11A〜11Dを作成する場合、4つの粒子モデル配置可能領域12が設定される。図3(a)に示す粒子モデル配置可能領域12の形状は、真円形状であるが、楕円形状、矩形形状、多面体形状であってもよく、形状は特に制限されない。
The computer first sets the particle model placement area (ST10).
This particle model placeable region is a region in which a group of filler particles is arranged in the analysis model. The particle model displaceable region is used, for example, as a region for creating a filler model that aggregates into a mass close to close-packed state. The particle model placeable region is set in the model creation region A that models the composite material. FIG. 3A is a diagram illustrating the particle
In the example shown in FIG. 3A, two particle model arrangable
次に、コンピュータは、粒子モデルの群を初期配置する(ST12)。すなわち、複合材料をモデル化するモデル作成領域A内に、フィラー粒子をモデル化したフィラー粒子モデル11aの群を初期配置する。図3(a)に示すように、2つの粒子モデル配置可能領域12内のそれぞれに、フィラー粒子モデル11aが配置される。図3(a)に示す例では、わかり易く説明するために、一方の粒子モデル配置可能領域12内に4つのフィラー粒子モデル11aが配置され、他方の粒子モデル配置可能領域12内に5つのフィラー粒子モデル11aが配置されている。フィラー粒子モデル11aの配置個数は特に制限されないが、最密充填に近い構造のフィラーモデルを作成するために必要な個数を初期配置すればよい。フィラー粒子モデル11aの初期配置は、ランダムに配置してもよく、一定間隔で配置してもよく、配置の方法は特に制限されない。
The computer then initially places a group of particle models (ST12). That is, the group of the
初期配置するフィラー粒子モデル11aは、同じ粒径のフィラー粒子を再現したモデルに限定されず、異なる粒径のフィラー粒子をモデル化したフィラー粒子モデルを含んでもよい。この場合、フィラー粒子モデル11aの大きさ及び後述する相互作用を表現するポテンシャル分布が異なる。
The
さらに、図3(b)に示すように、フィラー粒子モデル11aは、初期配置において、フィラー粒子モデル11a同士が重なり合ってもよい。図3(b)は、フィラー粒子モデル11aの初期配置の一例を説明する図である。このような重なりが合っても、後述する分子動力学法を用いて、フィラー粒子モデル11aが互いに離間するように移動させることができる。
Further, as shown in FIG. 3B, in the
次に、コンピュータは、フィラー粒子モデル11a同士の相互作用を設定する(ST14)。具体的には、フィラー粒子モデル11aは、コンピュータ内において、質量、体積、直径、及び位置座標を含む数値データで定義されるが、分子動力学法を用いたフィラー粒子モデル11aの移動を計算するために、フィラー粒子モデル11a同士の相互作用が設定される。相互作用は、一例として、下記式に示すレナード−ジョーンズポテンシャルで規定される。また、鎖状の連結した構造を再現する場合、相互作用を規定するポテンシャルは、例えば双極子ポテンシャルが用いられる。
Next, the computer sets the interaction between the
一般的なフィラー粒子間の相互作用では、フィラー粒子同士が近距離にあるときは斥力が働き、遠距離にあるとき引力が働くので、このような力が働くように、レナード−ジョーンズポテンシャルが好適に用いられる。したがって、図3(b)に示すように、フィラー粒子モデル11aが同じ空間を重複して占有しても、相互作用による斥力により、フィラー粒子モデル11a同士を互いに離間するように移動させることができる。
In a general interaction between filler particles, a repulsive force acts when the filler particles are at a short distance, and an attractive force acts when the filler particles are at a long distance. Therefore, the Lennard-Jones potential is preferable so that such a force acts. Used for. Therefore, as shown in FIG. 3B, even if the
次に、コンピュータは、初期配置したフィラー粒子モデル11aの群のうちの複数の粒子モデルを、分子動力学法を用いて、粒子モデル11a間に作用する相互作用の力に基づいて移動させる計算を行なう(ST16)。
フィラー粒子モデル11aのそれぞれは、コンピュータ内で、質量及び位置座標で規定されており、さらに、各フィラー粒子モデル11aは、それ以外の周りにあるフィラー粒子モデル11aから相互作用による力を受ける。したがって、各フィラー粒子モデル11aは、受ける力と質量から、運動方程式にしたがって移動を開始する。このようなフィラー粒子モデル11aの移動を予め定めた時間間隔で区切って(予め定めた時間間隔毎に区切って)計算して、各フィラー粒子モデル11aの移動距離と移動方向を求めることができる。さらに、各フィラー粒子モデル11aが、他のフィラー粒子モデル11aから受ける力も、他のフィラー粒子モデル11aの移動に伴って変化する。このため、コンピュータは、予め定めた時間間隔で区切って各フィラー粒子モデル11aの移動距離と移動方向を算出する。図4は、各フィラー粒子モデル11aの移動の一例を示す図である。図4では、移動方向と移動距離が、矢印の向く方向と矢印の長さで表されている。
Next, the computer performs a calculation to move a plurality of particle models in the initially arranged group of
Each of the
次に、コンピュータは、フィラー粒子モデル11aの移動の計算結果(移動距離と移動方向)を用いて、フィラー粒子モデル11aの位置を修正する(ST18)。
フィラー粒子モデル11aの位置の修正では、移動距離と移動方向によって定まる移動先の位置が、粒子モデル配置可能領域12内にある場合、フィラー粒子モデル11aの位置をこの移動先の位置に修正する。さらに、移動距離と移動方向によって定まる移動先の位置が、粒子モデル配置可能領域12外にある場合、移動先が、粒子モデル配置可能領域12内に位置するように修正する。この場合の修正の方法は、特に制限はないが、後述する好ましい方法により修正することができる。好ましい修正の方法については後述する。
Next, the computer corrects the position of the
In the modification of the position of the
次に、コンピュータは、修正後のフィラー粒子モデル11aの配置が、予め定めた条件を満たすか否かを判定する(ST20)。予め定めた条件は、例えば、フィラー粒子モデル11a同士が重複する部分がないこと、重複があっても重複する部分の体積の、フィラー粒子モデル11aの体積に対する比が所定の閾値より小さいこと、フィラー粒子モデル11a同士の表面間の最近接距離が所定の範囲内にあること、及びフィラー粒子モデル11aが接して塊となる凝集個数(あるいは大きさ)が所定の範囲内にあること、を含む。
このような条件を満足するまで、分子動力学法を用いたフィラー粒子モデル11aを移動させる計算及びフィラー粒子モデル11aの位置の修正を繰り返し行う。
Next, the computer determines whether or not the modified arrangement of the
Until these conditions are satisfied, the calculation of moving the
次に、コンピュータは、予め定めた条件を満たすフィラー粒子モデル11aの配置が、コンピュータ操作者にとって許容可能な配置であるか否かの入力をコンピュータ操作者に要求し、入力が許容可能でない場合、さらに、フィラー粒子モデル11aを移動させる計算及びフィラー粒子モデル11aの位置の修正を繰り返す。入力が許容可能である場合、フィラー粒子モデル11aの配置が固定されて、解析用モデル1に用いるフィラー粒子モデル11aの配置が決定される。
この後、コンピュータは、モデル作成領域A内の、フィラー粒子モデル11a以外の領域に、母材であるポリマー(高分子材料)をモデル化したポリマー粒子モデルを配置する。
Next, the computer requests the computer operator to input whether or not the arrangement of the
After that, the computer arranges a polymer particle model that models a polymer (polymer material) as a base material in a region other than the
このように、上述の実施形態の複合材料のモデル作成方法では、分子動力学法を用いて、ポテンシャルにより定まる相互作用の力によって、複数のフィラー粒子モデル11aを同時に移動させるので、従来に比べて短時間に効率よく、フィラー粒子モデル11aの配置を定めた解析用モデルを作成することができる。
As described above, in the method for creating the composite material model of the above-described embodiment, the plurality of
一実施形態によれば、相互作用は、フィラー粒子モデル11a間に引力を働かせることが好ましい。これにより、フィラー粒子モデル11aを凝集させる構造を容易に作成することができる。
また、一実施形態によれば、相互作用は、フィラー粒子モデル11a間に斥力を働かせることが好ましい。これにより、フィラー粒子モデル11aを分散させる構造を容易に作成することができる。勿論、レナード−ジョーンズポテンシャルのように、離間距離に応じて引力あるいは斥力の一方が作用するものであってもよい。
According to one embodiment, the interaction preferably exerts an attractive force between the
Also, according to one embodiment, the interaction preferably exerts a repulsive force between the
一実施形態によれば、コンピュータは、フィラー粒子モデル11aの群の一部のフィラー粒子モデル11aには、他の一部の粒子モデルにおける排除体積領域と異なるように、一部の前記粒子モデルに除体積領域を付与することが好ましい。ここで、葉尾所体積領域とは、粒子モデルの群の一部の粒子モデルに対して他の粒子モデルが近接することを禁止する排除体積効果が働く領域をいう。
モデル化されるフィラー粒子は、同じ材料であっても粒子サイズが異なるものを含む場合もあれば、異なる材料で粒子サイズが異なるフィラー粒子を含む場合もある。このように粒子サイズが異なる場合、フィラー粒子モデル11aは、コンピュータ内で質点として定められるため、フィラー粒子モデル11aが占有する範囲内に、他のフィラー粒子モデル11aが入り込む場合もある。このため、ファイラー粒子の大きさに対応させて、除体積領域をフィラー粒子モデル11aに付与することが好ましい。すなわち、コンピュータは、相互作用を定めるポテンシャルの分布において、フィラー粒子モデル11aが占有する範囲内に、他のフィラー粒子モデル11aが入り込むことを禁止するように、排除体積効果が働く排除体積領域をフィラー粒子モデル11aに付与することが好ましい。図5(a)は、相互作用を定めるポテンシャル分布に異なる排除体積領域が与えられたポテンシャル分布D1,D2の例を示す図である。ポテンシャル分布D2は、ポテンシャル分布D1を横軸にスライドすれば同じ分布形状となる。
したがって、図3(b)に示すように、フィラー粒子モデル11aが初期配置において重複する部分があっても、分子動力学法によってフィラー粒子モデル11aが移動して重複する部分がなくなる。
なお、排除体積領域は、フィラー粒子の大きさに対応したものに制限されない。例えば、フィラー粒子モデル11aをある範囲内で近接させたくない場合、フィラー粒子の大きさに対応した排除体積領域よりも大きな排除体積領域を付与してもよい。
According to one embodiment, the computer may include some of the
The filler particles modeled may include filler particles of the same material but different particle sizes, or may include filler particles of different materials but different particle sizes. When the particle sizes are different in this way, the
Therefore, as shown in FIG. 3B, even if the
The excluded volume region is not limited to that corresponding to the size of the filler particles. For example, if it is not desired to bring the
図5(b)は、一実施形態の複合材料のモデル作成方法で付与される排除体積領域の例を説明する図である。図5(b)では、フィラー粒子モデルの大きさが異なるフィラー粒子モデル11aとフィラー粒子モデル11a*における排除体積領域の例を示している。
図5(b)に示すように、フィラー粒子モデル11aには排除体積領域Vが付与され、フィラー粒子モデル11a*には排除体積領域V*が付与されている。この場合、図5(b)に示すように、フィラー粒子モデル11aとフィラー粒子モデル11a*は排除体積領域V*及び排除体積領域Vの内部に入り込めない。
排除体積領域は、フィラー粒子モデル11aの大きさに対応させて付与してもよいし、同じ大きさのフィラー粒子モデル11aであっても、異なるように付与してもよい。
排除体積領域の範囲を定める形状は、球形状(あるいは円形状)に制限されず、実際のフィラー粒子の形状に対応させて、多面体形状であってもよい。
このように、異なる排除体積領域を付与することにより、フィラー粒子モデル11aの構造を様々に調整することができる。
FIG. 5B is a diagram illustrating an example of an exclusion volume region provided by the method for creating a model of a composite material of one embodiment. FIG. 5B shows an example of the exclusion volume region in the
As shown in FIG. 5B, the
The exclusion volume region may be imparted in correspondence with the size of the
The shape that defines the range of the exclusion volume region is not limited to a spherical shape (or a circular shape), and may be a polyhedral shape corresponding to the actual shape of the filler particles.
By imparting different excluded volume regions in this way, the structure of the
一実施形態によれば、フィラー粒子モデル11aの位置を修正するとき、フィラー粒子モデル11aの群のうち所定の位置にあるフィラー粒子モデル11aの移動あるいは位置の修正を禁止することが好ましい。これにより、予め設定した位置に、フィラー粒子モデル11aを配置することができる。
また、一実施形態によれば、フィラー粒子モデル11aの位置を修正するとき、フィラー粒子モデル11aの群のうち互いに領域が重複するフィラー粒子モデル11aの位置の修正により非重複状態になったとき、このフィラー粒子モデル11aの位置を、この非重複状態の位置に固定して、このフィラー粒子モデル11aの移動及び位置の修正を禁止することも好ましい。該フィラー粒子モデル11aは位置の修正により互いに非重複状態になるが、依然として互いに近い位置にあるので、移動あるいは位置の修正を許容すると、フィラー粒子モデル11aの移動あるいは位置の修正によって再度重複する可能性もある。このため、領域が重複するフィラー粒子モデル11a同士が非重複状態になった場合、このフィラー粒子モデル11aの位置を非重複状態の位置に固定してフィラー粒子モデル11aの移動あるいは位置の修正を禁止することが好ましい。
フィラー粒子モデル11aの移動あるいは位置の修正の禁止は、例えば、該当するフィラー粒子モデル11aの質量を他のフィラー粒子モデル11aの質量に比べて極めて大きくして、分子動力学法により算出される移動距離を略ゼロにする、分子動力学法により移動距離を算出しても、予め設定した位置にあるフィラー粒子モデル11aを移動させない(移動距離を強制的にゼロにする)、あるいは、分子動力学法により移動距離を算出する際、移動速度を強制的にゼロにする処理をする、ことにより行われる。
分子動力学法により複数のフィラー粒子モデル11の移動を計算するとき、初期配置した1つのフィラー粒子モデル11aに、強制的に移動距離と移動方向を付与することにより、予め設定した位置にフィラー粒子モデル11aを位置させることができる。また、移動の計算を繰り返し行うことによって予め設定した位置に来たフィラー粒子モデル11aを捕捉して、移動あるいは位置の修正を禁止する対象としてもよい。
According to one embodiment, when modifying the position of the
Further, according to one embodiment, when the position of the
Prohibition of movement or modification of the position of the
When calculating the movement of a plurality of filler particle models 11 by the molecular dynamics method, the filler particles are placed at preset positions by forcibly assigning the movement distance and the movement direction to one initially arranged
図1に示すように、フィラー粒子モデル11aを初期配置する前に、モデル作成領域A内に、フィラー粒子モデル11aの群を配置するための粒子モデル配置可能領域12を少なくとも1つ設定することが好ましい。粒子モデル配置可能領域12を設定することにより、粒子モデル配置可能領域12内で複数のフィラー粒子モデル11aが凝集する構成、すなわち、最密充填に近い構造を容易にしかも効率よく作成することができる。
このとき、フィラー粒子モデル11aの群は、粒子モデル配置可能領域12内に初期配置されることが好ましい。これにより、フィラー粒子モデル11aが分子動力学法による移動の計算によって粒子モデル配置可能領域12から外側に出る可能性は低くなり、予め定めた条件を満たすフィラー粒子モデル11aの配置を効率よく探索することができる。
As shown in FIG. 1, before initial placement of the
At this time, the group of the
一実施形態によれば、コンピュータは、粒子モデル配置可能領域12内にあるフィラー粒子モデル11aのそれぞれと粒子モデル配置可能領域12を区画する外縁12a(図6(a)参照)との間に力を発生させる相互作用を付与することが好ましい。図6(a)は、一実施形態における1つのフィラー粒子モデル11aが外縁12aから受ける斥力によって移動する例を示す図である。フィラー粒子モデル11aは、外縁12aから斥力を受けることにより、粒子モデル配置可能領域12の外側に移動する可能性はより小さくなる。粒子モデル配置可能領域12内にあるフィラー粒子モデル11aが、外縁12aから引力を受ける場合でも、粒子モデル配置可能領域12の外側に移動する可能性はより小さくなる。
According to one embodiment, the computer forces a force between each of the
上述したように、実施形態では、フィラー粒子モデル11の位置を修正するとき、予め設定された時間間隔で区切って(予め定めた時間間隔毎に区切って)フィラー粒子モデル11aの移動距離と移動方向を求めることにより、粒子モデルの位置を、移動距離と移動方向に応じて定まる位置に修正することを繰り返し行う。フィラー粒子モデル11aの位置の修正を繰り返し行うとき、分子動力学法により計算したフィラー粒子モデル11aの移動距離と移動方向により定まる予定移動先が粒子モデル配置可能領域12外になる領域外移動粒子モデル11b(図6(b)参照)は、以下説明する方法により、粒子モデル配置可能領域12内に位置するように再配置されることが好ましい。
As described above, in the embodiment, when the position of the filler particle model 11 is modified, the moving distance and the moving direction of the
図6(b)は、一実施形態で行うフィラー粒子モデル11aの位置の修正時に行う再配置の例を説明する図である。
図6(b)に示す領域外移動粒子モデル11bの再配置位置P*は、領域外移動粒子モデル11bの移動によって粒子モデル配置可能領域12の外縁12aを横切る横断点12a1と粒子モデル配置可能領域12aの中心点O(粒子モデル配置可能領域12aの重心点)とを通る直線Lが、粒子モデル配置可能領域12の外縁12aと交差する、中心点Oから見て横断点12a1と反対側にある横断対応点12a2から、横断点12a1と予定移動先Qとの間の距離D1の分だけ、領域外移動粒子モデル11bの移動方向と平行な方向に移動させた位置に設定される。
これにより、フィラー粒子モデル11aは大きく移動しても、粒子モデル配置可能領域12外に位置することを確実に阻止することができる。
FIG. 6B is a diagram illustrating an example of rearrangement performed when the position of the
The rearrangement position P * of the out-of-region moving
As a result, even if the
一実施形態によれば、コンピュータは、フィラー粒子モデル11aの位置を修正するとき、予め設定された時間間隔で区切ってフィラー粒子モデル11aの移動距離と移動方向を求めることにより、フィラー粒子モデル11aの位置を、移動距離と移動方向に応じて定まる位置に修正することを繰り返し行うが、このフィラー粒子モデル11aの位置の修正を繰り返すにつれて、粒子モデル配置可能領域12の大きさを断続的にあるいは連続的に狭くすることが好ましい。これにより、フィラー粒子モデル11aを狭い領域に凝集させる構造、すなわち、最密充填に近い構造を作成することができる。
According to one embodiment, when the computer corrects the position of the
一実施形態によれば、コンピュータは、分子動力学法を用いて、フィラー粒子モデル11aを移動させる計算をするとき、粒子モデル配置可能領域12においてフィラー粒子モデル11aの移動を抑制する抵抗力をフィラー粒子モデル11aに付与することが好ましい。この抵抗力により、フィラー粒子モデル11aの移動は小さくなるので、予め定めた条件を満たすフィラー粒子モデル11aの配置の探索を効率よく行うことができる。抵抗力として、例えば、フィラー粒子モデル11aの移動速度に比例した比例粘性減衰の力を与える。
According to one embodiment, when the computer uses the molecular dynamics method to calculate the movement of the
このようにして、コンピュータは、フィラー粒子モデル11aの好ましい配置を持った構造を作成することができる。
コンピュータは、さらに、フィラー粒子モデル11aと粒子モデル配置可能領域12との間の領域を、第1母材をモデル化した第1母材モデルとし、粒子モデル配置可能領域12を囲む外側領域を、第2母材をモデル化した第2母材モデルとして、複合材料の解析用モデルを作成することが好ましい。第1母材と第2母材は、同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。第1母材と第2母材は、互いに異なる材料である場合、ポリマーモデルの構成が異なる。したがって、この場合、コンピュータでは、第1母材モデルのポリマー粒子モデル及び第2母材モデルのポリマー粒子モデル、各結合鎖、及び相互作用を異ならせるパラメータが設定される。
以下、作成される解析用モデル1を説明する。
In this way, the computer can create a structure with a preferred arrangement of the
The computer further sets the region between the
The analysis model 1 to be created will be described below.
図7,8は、一実施形態の複合材料のモデル作成方法で作成される解析用モデルの例を説明する図である。
図7に示すように、解析用モデル1は、例えば、略立方体形状の仮想空間であるモデル作成領域A内でモデル化される。モデル作成領域は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に広がる三次元空間となっている。解析用モデル1は、複数のフィラー粒子11aでモデル化された4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dを備えている。フィラーモデル11A,11B,11C,11Dは、総称して説明するとき、フィラーモデル11として説明する。
さらに、解析用モデル1は、フィラーモデル11を囲むように外側の領域に、複数のポリマー粒子21a及び結合鎖21bがモデル化された4つのポリマーモデル21を第1母材モデルとして備える。解析用モデル1は、さらに、図8に示すように、フィラー粒子モデル11aの隙間にも、複数のポリマー粒子31a及び結合鎖31bがモデル化されたポリマーモデル31を第2母材モデルとして備える。
FIGS. 7 and 8 are diagrams illustrating an example of an analysis model created by the method for creating a model of a composite material of one embodiment.
As shown in FIG. 7, the analysis model 1 is modeled in, for example, a model creation area A which is a virtual space having a substantially cubic shape. The model creation area is a three-dimensional space extending in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions orthogonal to each other. The analysis model 1 includes four
Further, the analysis model 1 includes four
フィラーモデル11A,11B,11C,11Dは、上述したフィラー粒子モデル11aを、分子動力学法で移動させて凝集させたものである。なお、図7に示す例では、解析用モデル1が、4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dがモデル化された例について説明するが、モデル化されるフィラーモデルの数に制限はない。解析用モデル1は、3つ以下のフィラーモデル11を含んでいてもよく、4つを超えるフィラーモデル11を含んでいてもよい。また、図7においては、4つのポリマーモデル21のみを示しているが、解析用モデル1では、複数のポリマーモデル21がモデル作成領域A内の全域に亘って存在している。図7に示す例では、モデル作成領域Aが、略直方体形状の仮想空間である例について示しているが、球状、楕円状、直方体形状、多面体形状など任意の形状であってもよい。
The
フィラーモデル11は、上述したモデルの作成方法により作成されたもので、複数のフィラー粒子モデル11aがそれぞれ略球状体に集合している。また、フィラーモデル11は、互いに所定間隔をあけて離れた状態で配置されているが、複数のフィラーモデル11同士は、相互に凝集した状態で外縁部が共有結合鎖によって相互に連結されていてもよい。
The filler model 11 is created by the above-mentioned model creation method, and a plurality of
フィラー粒子モデル11aは、複数のフィラー粒子モデル11a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、フィラー粒子モデル11a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、各フィラー粒子モデル11a間を拘束している。結合鎖は、フィラー粒子モデル11aの相対位置及び捻り、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。フィラーモデル11は、分子動力学で取り扱うためにフィラー粒子11aの質量、体積、直径及び初期座標、集合した個数などを含む数値データで定義される。フィラーモデル11の数値データは、コンピュータに入力される。
The relative position of the
ポリマーモデル21,31にモデル化されるポリマーとしては、例えば、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどが含まれる。ポリマー粒子モデル21a,31aは、複数のポリマーの原子が集合したものをモデル化したものである。また、複数のポリマー粒子モデル21a,31aが結合鎖により連結したポリマー粒子モデルの群がポリマーモデル21,31として形成される。すなわち、ポリマーモデル21,31は、複数のポリマー原子及び複数のポリマー原子の集合体をモデル化したポリマー粒子モデル21aあるいはポリマー粒子モデル31a同士が互いに結合鎖で連結した構成を有し、このポリマーモデル21,31が、モデル作成領域A内に所定密度で配置されている。結合鎖は、例えば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する。ポリマー粒子モデル21a,31aは、複数のポリマー粒子モデル21aあるいはポリマー粒子モデル31a間の結合鎖21b,31bによって結合されて相対位置が特定されている。この結合鎖21b,31bは、ポリマー粒子モデル21aあるいはポリマー粒子モデル31a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、各ポリマー粒子モデル21aあるいは各ポリマー粒子モデル31a間を拘束している。結合鎖21b,31bは、ポリマー粒子モデル21aあるいはポリマー粒子モデル31aの相対位置及び捻り、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。また、結合鎖21b,31bは、複数のポリマー粒子モデル21aあるいはポリマー粒子モデル31aが直列状に連結されてなるポリマーモデル21あるいはポリマーモデル31間にも架橋結合鎖(不図示)で結合されている。この架橋結合鎖は、ポリマー粒子モデル21aとポリマー粒子モデル31a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、各ポリマー粒子モデル21a及びポリマー粒子モデル31a間を拘束している。
また、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。この変性剤としては、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。この変性剤に対応して、ポリマーモデル21あるいはポリマーモデル31とフィラーモデル11の間に変性剤粒子をモデル化した粒子モデルと、結合鎖(不図示)が配置されてもよい。
このポリマーモデル21,31は、ポリマーを分子動力学法で取り扱うために数値データ(ポリマー粒子モデル21a,31aの質量、体積、直径及び初期座標などを含む)で定義される。ポリマーモデル21,31の数値データは、パラメータとしてコンピュータに入力される。
Polymers modeled in the
In addition, a modifier that enhances the affinity with the filler is added to the polymer, if necessary. Examples of the modifier include a hydroxyl group, a carbonyl group, a functional group of an atomic group, and the like. Corresponding to this modifier, a particle model in which the modifier particles are modeled and a binding chain (not shown) may be arranged between the
The
なお、解析用モデル1では、フィラー粒子モデル11a同士の粒子間、ポリマー粒子モデル21a,31a間、フィラー粒子モデル11aとポリマー粒子モデル21a,31aの粒子間の少なくとも一部の粒子間に相互作用を与える。場合によっては、全ての粒子間に力のやり取りを行う相互作用力を与えてもよい。フィラー粒子モデル11aとポリマー粒子モデル21a,31a間の相互作用として、化学的な相互作用(引力)を与えてもよく、物理的な相互作用(ボンド結合)を与えてもよい。すなわち、相互作用として、図示される結合鎖21bを含む結合鎖、さらには、結合鎖で連結されていない粒子間にも後述するポテンシャルが与えられる。これにより、相互作用により定まる力が粒子間に働く。
複合材料においてポリマーは複数の種類のポリマーで構成されてもよく、この場合、解析用モデル1における異なる種類のポリマー粒子モデル21a,31a間に相互作用を与えてよい。この場合のフィラー粒子モデル11aとポリマー粒子モデル21a,31aの間の相互作用は、種類の異なるポリマー粒子モデル21a,31a間で異ならせてよい。
粒子間の相互作用は、例えば、上述したレナード−ジョーンズポテンシャルで規定される。このとき、下記式のσ、εの値が適宜調整される。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、遠距離まで働く力を調整することができる。なお、フィラー粒子モデル11a間の相互作用及びポリマー粒子モデル21a,31a間の相互作用が一定値になるまで順次、フィラー粒子モデル11a間の相互作用及びポリマー粒子モデル21a,31a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、適正な範囲で相互作用における力を調整できる。
In the analysis model 1, the interaction between the particles of the
In the composite material, the polymer may be composed of a plurality of types of polymers, in which case an interaction may be imparted between the different types of
The interaction between particles is defined, for example, by the Lennard-Jones potential described above. At this time, the values of σ and ε in the following equation are adjusted as appropriate. By increasing the upper limit distance (cutoff distance) for calculating the potential, the force acting over a long distance can be adjusted. The parameters of the interaction between the
こうして作成された解析用モデル1は、予め設定された解析条件に基づいて分子動力学法による数値解析が行われる。数値解析としては、例えば、伸張解析、せん断解析などの変形解析、緩和解析、及び振動解析などの運動解析が挙げられる。変形解析あるいは緩和解析により、解析用モデル1内の結合鎖21a,31a等の破断を計算することができ、さらに、解析用モデル1全体における破断の有無を判定することもできる。
以上説明した解析用モデル1の作成は、コンピュータにおいて行うので、複合材料のモデル作成方法をコンピュータに実行させる複合材料の解析用コンピュータプログラムをコンピュータに記憶させておくことができる。
The analysis model 1 thus created is subjected to numerical analysis by the molecular dynamics method based on preset analysis conditions. Examples of the numerical analysis include deformation analysis such as extension analysis and shear analysis, relaxation analysis, and motion analysis such as vibration analysis. By deformation analysis or relaxation analysis, it is possible to calculate the breakage of the
Since the analysis model 1 described above is created on the computer, the computer can store the computer program for analyzing the composite material that causes the computer to execute the method for creating the model of the composite material.
図9は、一実施形態の複合材料の解析方法を行う解析装置の機能ブロック図である。
図9に示すように、解析装置50は、処理部52と記憶部54とを含むコンピュータで構成される。解析装置50は、マウスやキーボードを備えた入力操作系53及びモニタ55と電気的に接続されている。入力操作系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大きさ、形状、特性に対応したフィラー粒子モデル11a及びポリマー粒子モデル21aの大きさ、形状、さらには、各粒子モデル間に設定される相互作用、実行する数値解析の種類、数値解析における解析条件、境界条件、及び解析用モデル1に与える入力の条件等のデータを設定して、処理部52又は記憶部54へ入力するように構成される。
FIG. 9 is a functional block diagram of an analysis device that performs an analysis method for a composite material of one embodiment.
As shown in FIG. 9, 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から読み込んで起動させる。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1の作成、及び解析用モデル1を用いた複合材料の数値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、評価部52d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及び入力された各種条件に基づいて、図2に示す例のようなフィラー粒子モデル11aが最密充填に近い凝集構造となったフィラーモデル11を複数備えたモデルを、分子動力学法により作成する。すなわち、モデル作成部52aは、上述した図1に示す各ステップを実行する。さらに、モデル作成部52aは、フィラーモデル11の周りに、ポリマー粒子モデル21a,31aを作成し、さらに、架橋結合鎖をポリマー粒子モデル21a間、ポリマー粒子モデル31a間、及び、ポリマー粒子モデル21aとポリマー粒子モデル31aとの間、に付与する。このとき、モデル作成部52aは、フィラー及びポリマーの分子数、分子量、分子鎖長、分子鎖数、分岐、形状、大きさ、及び作成する解析用モデル1に含まれる分子数である目標分子数などの条件に対応するように、フィラー粒子モデル11a及びポリマー粒子モデル21a,31aを作成する。
さらに、モデル作成部52aは、フィラー粒子モデル11a間、ポリマー粒子モデル21a間、ポリマー粒子モデル31a間、及びフィラー粒子モデル11a、ポリマー粒子モデル21a、及びポリマー粒子モデル31aの2つのモデル間、の相互作用を規定するポテンシャル分布などの各種計算パラメータの条件の設定を行う。ポテンシャル分布として、上述したレナード・ジョーンズポテンシャルの分布を用いる場合、σ、εの値が設定される。これにより、モデル作成部52aは、フィラーモデル解析用モデル1を作成する。
The
The
Further, the
条件設定部52bは、変形解析、緩和解析、及び振動解析などの数値解析に用いる各種条件を設定する。条件は、例えば、変形解析として伸張解析を行う場合、解析用モデル1の伸び率や一軸伸張、二軸伸張、及び伸張速度等の条件を含む。
The
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解析用モデル1の数値解析を、分子動力学法を用いて実行する。ここでは、数値解析として、伸張解析、せん断解析などの変形解析、緩和解析、及び振動解析が挙げられる。また、解析部52cは、数値解析の結果として得られるポリマー粒子21a,31a及びフィラー粒子11における変位などの値を用いて所定の演算処理をして歪み等の物理量を算出する。
The
評価部52dは、解析部52cの数値解析で算出された物理量から予め定めた評価指数を求め、複合材料の特性、例えば破断特性を評価する。
The evaluation unit 52d obtains a predetermined evaluation index from the physical quantity calculated by the numerical analysis of 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、入力操作系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、例えば、カーボンブラック粒子、シリカ粒子、及びアルミナ粒子などのフィラー粒子のデータ、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどのポリマーのデータなどが記憶されている。
また、記憶部54には、複合材料の解析方法を実現するためのコンピュータプログラムなどが記憶されている。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、本実施の形態に係る複合材料の解析方法を実現できるものであってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OS(Operating System)及び周辺機器などのハードウェアを含むものとする。
In the
Further, the
モニタ55は、例えば、液晶表示装置等の表示用デバイスである。モニタ55は、上述した数値解積を実行するための条件及び解析用モデル1に与える入力を設定するための設定画面が表示され、また、解析部52cにおける解析途中あるいは解析終了時の解析用モデル1の状態を表示し、さらに、評価部52で求めた評価結果を表示する。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あってもよい。例えば、解析装置50は、入力操作系53及びモニタ55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 monitor 55 is, for example, a display device such as a liquid crystal display device. The monitor 55 displays a setting screen for setting the conditions for executing the above-mentioned numerical solution and the input given to the analysis model 1, and the analysis model in the
(実施例、比較例)
上記実施形態の効果を確認するために、図1に示す方法でフィラー粒子モデル11aを最密充填に近い構造のフィラーモデル11を作成する実施例におけるコンピュータの処理時間と、上述した従来の技術(特許文献1に開示する方法)を用いて、フィラー粒子モデル11aを最密充填に近い構造のフィラーモデル11を作成する比較例におけるコンピュータの処理時間と、を比較した。
モデル作成領域Aに、1つのフィラーモデル11を作成するために、フィラー粒子モデル11a間には、レナード・ジョーンズポテンシャル分布を用い、σ、εの値を適宜設定した。フィラー粒子モデル11aは、実施例及び比較例で同じものを用いた。
モデル作成領域Aに配置したフィラー粒子モデル11aの総数は、100個とした。
(Example, comparative example)
In order to confirm the effect of the above embodiment, the processing time of the computer in the example of creating the filler model 11 having a structure close to the close-packed packing of the
In order to create one filler model 11 in the model creation region A, the Lennard-Jones potential distribution was used between the
The total number of
実施例及び比較例では、図2に示すフィラーモデル11を作成することができたが、比較例では、フィラーモデル11を作成するのに、処理時間は30分超であったが、実施例では、同じコンピュータを用いて、処理時間は2分であった。
これより、本実施形態のモデル作成方法は、効率よくフィラーモデル11を作成することができることがわかる。したがって、実施形態では、ポリマー粒子モデル21a,31aとフィラーモデル11を備えた解析用モデル1を効率よく作成することができることがわかる。
In the examples and the comparative examples, the filler model 11 shown in FIG. 2 could be created, but in the comparative example, the processing time was more than 30 minutes to create the filler model 11, but in the examples, the filler model 11 was created. Using the same computer, the processing time was 2 minutes.
From this, it can be seen that the model creation method of the present embodiment can efficiently create the filler model 11. Therefore, in the embodiment, it can be seen that the analysis model 1 including the
以上、本発明の複合材料のモデル作成方法、複合材料の解析方法、及び複合材料の解析用コンピュータプログラムについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。 Although the method for creating a model of a composite material, the method for analyzing a composite material, and the computer program for analyzing a composite material of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiment and deviates from the gist of the present invention. Of course, various improvements and changes may be made as long as they are not.
1 解析用モデル
11,11A,11B,11C,11D フィラーモデル
11a,11a* フィラー粒子モデル
12 粒子モデル配置可能領域
12a,12a1,12a2 外縁
21,21A,21B,21C ポリマーモデル
21a,31a ポリマー粒子モデル
21b 結合鎖
21c 架橋結合鎖
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
52d 評価部
53 入力操作系
54 記憶部
55 モニタ
1
Claims (16)
前記複合材料をモデル化するモデル作成領域内に、前記粒子をモデル化した粒子モデルの群を初期配置するステップと、
初期配置した前記粒子モデルの群のうちの複数の粒子モデルを、分子動力学法を用いて、前記粒子モデル間に作用する相互作用の力に基づいて移動させる計算を行なうことにより、前記粒子モデルの位置が予め設定された条件を満足するまで前記粒子モデルの位置を修正するステップと、
前記条件を満足する前記粒子モデルの位置に基づいて、前記複合材料の解析用モデルを作成するステップと、
を備えることを特徴とする複合材料のモデル作成方法。 A method in which a computer creates a model of a composite material by a molecular dynamics method, wherein the composite material has a structure in which particles are contained in a base material of the composite material.
A step of initially arranging a group of particle models that model the particles in the model creation region that models the composite material, and
The particle model is calculated by moving a plurality of particle models in the initially arranged group of particle models based on the force of interaction acting between the particle models using molecular dynamics method. The step of modifying the position of the particle model until the position of is satisfies the preset condition, and
A step of creating an analysis model of the composite material based on the position of the particle model that satisfies the above conditions, and
A method for creating a model of a composite material, which comprises.
前記粒子モデルの位置の修正を繰り返し行うとき、前記粒子モデルのうち、前記移動距離と前記移動方向により定まる予定移動先が前記粒子モデル配置可能領域外になる領域外移動粒子モデルは、前記粒子モデル配置可能領域内に位置するように再配置され、
前記領域外移動粒子モデルが移動によって前記粒子モデル配置可能領域の外縁を横切る横断点と前記粒子モデル配置可能領域の中心点とを通る直線が、前記粒子モデル配置可能領域の外縁と交差する、前記中心点から見て前記横断点と反対側にある横断対応点から、前記横断点と前記予定移動先との間の距離の分だけ、前記移動方向と平行な方向に移動させた位置に、前記領域外移動粒子モデルの前記再配置位置は設定される、請求項7〜10のいずれか1項に記載の複合材料のモデル作成方法。 In the step of correcting the position of the particle model, the position of the particle model is determined according to the moving distance and the moving direction by obtaining the moving distance and the moving direction of the particle model by dividing the position at a preset time interval. Repeatedly correct to the fixed position,
When the position of the particle model is repeatedly modified, the out-of-region moving particle model in which the planned moving destination determined by the moving distance and the moving direction is outside the particle model arrangable region is the particle model. Relocated to be within the placeable area,
A straight line passing through a crossing point across the outer edge of the particle model arrangable region and a central point of the particle model arrangable region by movement of the extra-regional moving particle model intersects the outer edge of the particle model arrangable region. The position is moved in a direction parallel to the moving direction by the distance between the crossing point and the planned moving destination from the crossing corresponding point on the opposite side of the crossing point when viewed from the center point. The method for creating a model of a composite material according to any one of claims 7 to 10, wherein the rearrangement position of the out-of-region moving particle model is set.
前記粒子モデルの位置の修正を繰り返すにつれて、前記粒子モデル配置可能領域の大きさを断続的にあるいは連続的に狭くする、請求項7〜11のいずれか1項に記載の複合材料のモデル作成方法。 In the step of correcting the position of the particle model, the position of the particle model is determined according to the moving distance and the moving direction by obtaining the moving distance and the moving direction of the particle model by dividing the position at a preset time interval. Repeatedly correct to the fixed position,
The method for creating a model of a composite material according to any one of claims 7 to 11, wherein the size of the particle model dispositionable region is intermittently or continuously narrowed as the position of the particle model is repeatedly modified. ..
前記コンピュータが、前記解析用モデルを用いて分子動力学法による数値解析をするステップと、
を備えることを特徴とする複合材料の解析方法。 A step of creating the analysis model of the composite material by the method of creating a model of the composite material according to any one of claims 1 to 14.
The step that the computer performs numerical analysis by the molecular dynamics method using the analysis model,
A method for analyzing a composite material, which comprises.
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