JP2973190B2 - Design method of materials and structures by combined analysis of molecular simulation method and homogenization method - Google Patents

Design method of materials and structures by combined analysis of molecular simulation method and homogenization method

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JP2973190B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、分子シミュレ−シ
ョン法と均質化法の結合解析による材料及び構造物の設
計手法に関するもので、例えば、熱や異質材との接合に
よる破壊が問題となるニューセラミックス材料を使った
以下の製品の設計と製造: 高速コンピュータ用セラミックス基盤、 溶融型燃料電池のセラミックス電極、 宇宙往還機の耐熱タイル、 多結晶薄膜電子材料から造られた電子回路製品、 金属とセラミックスを接合したセラミックスコーティ
ング工具、 セラミックスエンジン に適用される。また、本発明は、CO2対策や高エネル
ギー効率を目的とした超微細セラミックスフィルタータ
ービン等の設計と製造、新機能を有する電導体・超伝導
物質・磁性体・放射線体の設計と製造、鋼鉄やアルミニ
ウムなどの単一鉱物からなる多結晶材料を使った構造物
の設計と製造、花崗岩などの多種鉱物からなる多結晶材
料を使った構造物の限界状態における設計と製造、粘土
やコンクリートなどの多種類の鉱物と間隙を充填する物
質とが混在した材料を使った構造物の設計と製造、農地
の品質評価、新機能を有する土壌の工業的製造、新機能
を有する薬剤・有用生物品種・微生物・遺伝子の開発等
に適用されるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for designing a material and a structure by a combined analysis of a molecular simulation method and a homogenization method. For example, destruction due to heat or joining with a foreign material becomes a problem. Design and manufacture of the following products using new ceramic materials: ceramic base for high-speed computers, ceramic electrodes for molten fuel cells, heat-resistant tiles for spacecraft, electronic circuit products made from polycrystalline thin-film electronic materials, metals and Applied to ceramic coating tools and ceramic engines with ceramics joined. Further, the present invention, CO 2 measures and the design and manufacture of ultra-fine ceramic filter turbine or the like for the purpose of high energy efficiency, the design and manufacture of conductor-superconductor material, magnetic material, a radiation having a new function, steel Design and manufacture of structures using polycrystalline materials consisting of single minerals such as aluminum and aluminum; design and manufacture of structures using polycrystalline materials consisting of various minerals such as granite; Design and manufacture of structures using a mixture of various types of minerals and substances that fill gaps, quality evaluation of agricultural land, industrial production of soil with new functions, drugs and useful biological varieties with new functions, It is applied to the development of microorganisms and genes.

【0002】[0002]

【従来の技術】複合材料のみならず鉄鋼やコンクリー
ト、岩石などほとんどの材料は、ミクロレベルで多種類
の物質が混在したり、単一物質ではあるが無数の結晶が
存在する(多結晶体)ミクロ非均質性を有する。このよ
うな材料を使って自動車などの機械構造物や橋などの土
木構造物を造る場合、現時点では多くの場合、ミクロレ
ベルの非均質性が問題にならない大きさの試験片を使っ
てマクロレベルの材料特性を実験的に求め、構造設計計
算に供するというマクロ現象論的力学手法が採用されて
いる。この時、ミクロ成分が集合して形成されるミクロ
構造体の大きさに比して10倍以上の大きさを有する試
験片が必要であるといわれているが、確たる根拠はな
い。また、時間的要因の観点からすれば、実験結果とし
て得られた材料特性はあくまで実験を行った時間の範囲
内で用いられなければならないが、実験が不可能な環境
下にある材料、例えば、1万年以上の長期に渡って放射
性物質を人間社会から隔離しなければならない高レベル
放射性廃棄物の地層処分問題における遮蔽体(ガラス固
化体、鉄製容器、ベントナイト粘土、周辺岩盤、等)の
特性を評価する方法は、現在まで開発されていない。
2. Description of the Related Art Most materials, such as steel, concrete, and rocks, as well as composite materials, contain various types of substances at the micro level or have a single substance but countless crystals (polycrystalline). Has microheterogeneity. When building mechanical structures such as automobiles or civil structures such as bridges using such materials, at present, in many cases, using macro-level specimens with micro-level non-homogeneity is not a problem. The macro phenomenological dynamics method of experimentally determining the material properties of the material and using it for structural design calculations has been adopted. At this time, it is said that a test piece having a size 10 times or more the size of the microstructure formed by assembling the micro components is required, but there is no firm basis. Also, from the viewpoint of time factors, the material properties obtained as an experimental result must be used within the range of the experiment time, but materials in an environment where the experiment is impossible, for example, Characteristics of shields (vitrified materials, iron containers, bentonite clay, surrounding rocks, etc.) in the geological disposal problem of high-level radioactive waste that must isolate radioactive materials from human society for more than 10,000 years A method for assessing has not been developed to date.

【0003】分子シミュレーション法は、位置・速度等
を数値表現した多数の原子・分子等の粒子からなる物質
系に対して、粒子間相互作用法則と運動法則等の物理化
学法則を与えて計算機の中でシミュレーション計算を実
施し、この物理化学法則の下における全粒子の空間座標
等を求め、この結果に統計熱力学を適用して物質系のも
つ種々の物理化学的性質(結晶構造特性、密度や材料力
学特性等の物性、熱力学的性質、他)を定める手法であ
り、計算機の発明された初期の段階よりその膨大な計算
能力を利用する手法として、各方面で開発の努力が続け
られている(河村 1990 参照)。なお、上記で求められ
た物理化学的性質は統計熱力学を介して得られる粒子総
体のマクロ的性質である。
In the molecular simulation method, a physical system composed of a large number of particles such as atoms and molecules expressing positions and velocities numerically is given a physicochemical law such as a law of interaction between particles and a law of motion. Simulations are performed inside the system to determine the spatial coordinates of all particles under the laws of physicochemistry, and apply statistical thermodynamics to the results to apply various physicochemical properties (crystal structure properties, density And physical properties such as mechanical properties of materials, thermodynamic properties, etc.). (See Kawamura 1990). The physicochemical properties determined above are the macroscopic properties of the whole particles obtained through statistical thermodynamics.

【0004】分子シミュレーション法にはつぎの3種の
方法が含まれる。 モンテカルロ法 (Monte Carlo 法: MC) 分子力学法 (Molecular Mechanics 法: MM) 分子動力学法 (Molecular Dynamics 法: MD) モンテカルロ法は乱数を用いて粒子の平衡分布状態を推
定し、その結果を使って物質系の物理化学的性質を統計
熱力学的に定める手法であり、Metropolis etal. (195
3)により開発された。また、分子力学法は、通常、有限
個の原子から構成される分子に対して適用され、その構
造とエネルギーを最適化して粒子系の平衡状態を推定
し、その結果を使って物質系の物理化学的性質を統計熱
力学的に定める手法であり、主として有機物関連化学の
分野で用いられている(Wiberg 1965; Boyd 1968)。これ
らの2手法は、粒子からなる物質系の時刻歴運動を記述
するものではない。一方、分子動力学法は多数の原子・
分子等の粒子からなる物質系に対して、粒子間相互作用
法則によって各粒子に働く力を定め、この作用力の下で
全粒子の運動方程式を解いて各時刻における粒子の位置
と速度等を求めて、その結果を使って物質系のもつ種々
のマクロな物理化学的性質を統計熱力学的に定める手法
である(Alder and Wainwright 1957; Rahman 1964; Rah
man and Stillinger 1972)。各手法の概略を図1に示
す。
[0004] The molecular simulation method includes the following three methods. Monte Carlo Method (MC) Molecular Mechanics Method (MM) Molecular Dynamics Method (Molecular Dynamics Method) The Monte Carlo method estimates the equilibrium distribution of particles using random numbers and uses the results. Is a method of statistically and thermodynamically determining the physicochemical properties of a material system, as described in Metropolis et al. (195
Developed by 3). The molecular mechanics method is usually applied to molecules composed of a finite number of atoms, and the structure and energy are optimized to estimate the equilibrium state of the particle system, and the results are used to estimate the physical This is a method of determining chemical properties by statistical thermodynamics, and is mainly used in the field of organic matter-related chemistry (Wiberg 1965; Boyd 1968). These two methods do not describe the time history motion of a material system composed of particles. On the other hand, molecular dynamics method
For a material system consisting of particles such as molecules, the force acting on each particle is determined by the law of interaction between particles, and under this acting force, the equation of motion of all particles is solved to determine the position and velocity of the particles at each time. It is a method for statistically and thermodynamically determining various macrophysical properties of material systems using the results (Alder and Wainwright 1957; Rahman 1964; Rahman
man and Stillinger 1972). The outline of each method is shown in FIG.

【0005】これらの分子シミュレーション法を用いて
自動車などの機械構造物や橋などの土木構造物の挙動を
直接解析して設計が可能となるわけではない。それは、
我々が通常使う大きさの構造物には余りにも多くの原子
や分子が含まれているからである。例えば、たった1モ
ルの物質(炭素 12Cで 12gの質量に相当)が 6.022136
7×1023個の分子から構成されている。現行の計算機が
有する能力は、最先端の並列型スーパーコンピュータを
用いたとしても 106個オーダーの粒子系の分子動力学シ
ミュレーションが可能であるに過ぎず、近い将来、計算
機の能力が飛躍的に高まったとしても分子シミュレーシ
ョン法によって直接構造物の設計が可能となるとは考え
られない。
It is not possible to design by directly analyzing the behavior of mechanical structures such as automobiles and civil structures such as bridges using these molecular simulation methods. that is,
This is because structures of the size we usually use contain too many atoms and molecules. For example, only one mole of a substance (equivalent to a mass of 12 g with carbon 12 C) is 6.022136
It is composed of 7 × 10 23 molecules. Ability current computer has is only molecular dynamics simulations of particle system also 106 orders a using state-of-the-art parallel supercomputer is possible in the near future, the ability of computers dramatically Even if it is increased, it is unlikely that molecular design will allow direct design of structures.

【0006】均質化法(Homogenization Method)はミク
ロレベルにおいて周期的な繰返し構造を有する物体を対
象に、摂動法を導入してミクロ挙動とマクロ挙動を結び
付けて表現した数学理論であり、フランス(Sanchez-Pal
encia 1980)とロシア(Bakhvalov and Panasenko 1984)
で開発された(図2)。なお、単一のミクロ構造体はユ
ニットセルと呼ばれる。ここで、摂動法とは非線形問題
の近似解を求めるための一手法である。摂動法では、通
常、解を微少パラメータ ε でべき級数展開し、ε=0
における解(標準系)を基に、そのまわりの ε に関す
る微小変動的な解を付加して近似的な解を構成する。
[0006] The homogenization method is a mathematical theory expressing an object having a periodic repeating structure at a micro level by connecting a micro behavior and a macro behavior by introducing a perturbation method. -Pal
encia 1980) and Russia (Bakhvalov and Panasenko 1984)
(Fig. 2). Note that a single microstructure is called a unit cell. Here, the perturbation method is one method for obtaining an approximate solution of a nonlinear problem. In the perturbation method, the solution is usually exponentially expanded with a small parameter ε, and ε = 0
Based on the solution (standard system) at, an approximate solution is constructed by adding a small fluctuating solution for ε around it.

【0007】最も簡単な一次元の静的弾性問題を対象に
均質化法の概略を説明する。この問題は微分方程式
The outline of the homogenization method will be described for the simplest one-dimensional static elasticity problem. The problem is the differential equation

【数1】 で表現される。ここで、u(ε,x) はミクロ的に大き
な変動を伴った変位を表わし、E は弾性係数、f は単位
体積当りの物体力である。E の値はミクロレベルで場所
毎に著しく変化していることに注意を要する。いま、ミ
クロ構造体の大きさを εY とし、マクロ座標系 x とミ
クロ座標系 y をパラメータ εによって y=x/εと結び
つけ(図2参照)、この εに対して変位 u(ε,x)の
摂動展開
(Equation 1) Is represented by Here, u (ε, x) represents a displacement accompanied by a microscopic large fluctuation, E is an elastic coefficient, and f is a body force per unit volume. Note that the value of E varies significantly from place to place at the micro level. Now, assuming that the size of the microstructure is εY, the macro coordinate system x and the micro coordinate system y are connected to y = x / ε by the parameter ε (see FIG. 2), and a displacement u (ε, x) Perturbation expansion

【数2】 を導入する。ここで、 u0(x,y), u1(x,y), u2(x,y) は
周期条件 ui(x,y+Y)=ui(x,y) (i=0,1,2) を満足する周
期関数である。このような2座標系 x, y による展開を
行うと x に関する微分が
(Equation 2) Is introduced. Here, u 0 (x, y), u 1 (x, y), u 2 (x, y) are periodic conditions u i (x, y + Y) = u i (x, y) (i = 0 , 1,2). When such expansion in the two coordinate systems x and y is performed, the derivative with respect to x becomes

【数3】 と変更されることに注意して上記の摂動近似をもとの微
分方程式に代入し、εの各べき乗項がゼロであるとする
と、以下の関係が得られる。まず、ε-2項については、
(Equation 3) Substituting the above perturbation approximation into the original differential equation, and assuming that each power term of ε is zero, the following relationship is obtained. First, for the ε -2 term,

【数4】 である。これは、第1近似項 u0 がマクロ座標系 x だ
けの関数であること、すなわち、u0=u0(x) を意味す
る。つぎに、ε-1項については、
(Equation 4) It is. This means that the first approximation term u 0 is a function only in the macro coordinate system x, that is, u 0 = u 0 (x). Next, for the ε -1 term,

【数5】 である。この式は第2近似項 u1 を決定するためのミク
ロ座標系 y における微分方程式であり、変数分離
(Equation 5) It is. This equation is a differential equation in the micro coordinate system y for determining the second approximation term u 1 ,

【数6】 を導入すると、ユニットセルにおける特性関数 N(y) に
関するミクロ問題の微分方程式
(Equation 6) Introduces the differential equation of the microproblem for the characteristic function N (y) in the unit cell

【数7】 が得られる。最後に、ε0項については、(Equation 7) Is obtained. Finally, for the ε 0 term,

【数8】 である。この式をユニットセルで積分してユニットセル
の体積で割るという積分平均化を施すと、関数 ui(x,y)
は周期関数であるので左辺と右辺第2項は消えて、マ
クロ問題の微分方程式
(Equation 8) It is. Integral averaging of this formula by the unit cell and dividing by the unit cell volume gives the function u i (x, y)
Is a periodic function, so the second term on the left and right sides disappears, and the differential equation of the macro problem

【数9】 が得られる。ここで、(Equation 9) Is obtained. here,

【数10】 を積分平均作用素として(Equation 10) As the integral average operator

【数11】 と置いた。この E* は均質化弾性係数と呼ばれる。こう
して、周期条件の下でミクロ問題を解き、その解 N(y)
を使って均質化弾性係数を定め、もとの微分方程式と同
じ形をしたマクロ問題を解くと u0 が求まる。この u0
と N(y) から u1が定まるので、ε0項の式に代入して u
2 を求める。ただし、ε2u2(x,y) 項の影響は小さいと
考えられるので、摂動近似を
[Equation 11] And put it. This E * is called the homogenized elastic modulus. Thus, the microproblem is solved under the periodic condition, and the solution N (y)
Is used to determine the homogenized elastic modulus, and solving a macro problem having the same form as the original differential equation yields u 0 . This u 0
Since the N (y) u 1 is determined from by substituting the equation epsilon 0 Section u
Ask for 2 . However, the effect of the ε 2 u 2 (x, y) term is considered to be small.

【数12】 とし、u2 を求めることを止める場合が多い。この時、
ひずみは
(Equation 12) In many cases, the search for u 2 is stopped. At this time,
The strain is

【数13】 となるので、ミクロ周期構造を有する物体の応力が(Equation 13) Therefore, the stress of the object having the micro-periodic structure becomes

【数14】 と定められる。なお、実際の工学問題に対してはミクロ
問題もマクロ問題も計算機を使った数値解析法(主とし
て、有限要素法)によって解かれている。
[Equation 14] It is determined. In addition, for the actual engineering problem, both the micro problem and the macro problem are solved by a numerical analysis method (mainly a finite element method) using a computer.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】分子シミュレーション
法と均質化法は、共に計算機の発展を背景としながら
も、全く独立した分野として発展しており、両手法の相
互交流はこれまでに無かった。ミクロ非均質材料及びそ
の材料から造られた構造物に対して均質化法を適用する
場合の問題点は、ミクロ構造体を構成する各材料(ミク
ロ成分系)の物性を如何にして求めるかにある。つま
り、ミクロ非均質材料ではミクロ的に分散配置された個
々の材料の物理化学的性質(結晶構造特性、密度や材料
力学特性等の物性、熱力学的性質、他)を推定すること
が困難である場合が多いので、このような材料から造ら
れた構造物の挙動を均質化法によって適切に評価するこ
とができなかった。一方、分子シミュレーション法の立
場からすると、工学的に意味のある大きさを有する物体
に対してこの方法を適用することは不可能である。この
ように、分子シミュレーション法と均質化法は単独では
解決不可能な問題点をそれぞれの内部に抱えている。本
発明の目的は、分子シミュレーション法と均質化法のそ
れぞれが有する欠点を補って、ミクロ非均質材料及びそ
の材料から造られた構造物の挙動を精密に推定すること
を可能とし、ミクロ非均質材料を使用した各種工業製品
を設計する手段を提供することにある。
The molecular simulation method and the homogenization method have been developed as completely independent fields, both with the background of the development of computers, and there has been no mutual interaction between the two methods. The problem with applying the homogenization method to micro-heterogeneous materials and structures made from such materials is how to determine the physical properties of each material (micro-component system) that constitutes the microstructure. is there. In other words, it is difficult to estimate the physicochemical properties (physical properties such as crystal structure properties, density and material mechanical properties, thermodynamic properties, etc.) of individual microscopically dispersed materials in a micro heterogeneous material. In many cases, the behavior of structures made from such materials could not be properly evaluated by the homogenization method. On the other hand, from the viewpoint of the molecular simulation method, it is impossible to apply this method to an object having a size that is technically significant. As described above, the molecular simulation method and the homogenization method have problems that cannot be solved by themselves. An object of the present invention is to compensate for the disadvantages of each of the molecular simulation method and the homogenization method, and to accurately estimate the behavior of a microheterogeneous material and a structure made from the material, thereby enabling a microheterogeneous method. It is to provide a means for designing various industrial products using materials.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に成された本発明による分子シミュレ−ション法と均質
化法の結合解析による材料及び構造物の設計手法は、ミ
クロレベルで多種類の物質が混在するミクロ非均質材料
からなる物体について適用されるものであって、以下の
(A)〜(D)の処理、 (A)ミクロ非均質材料からなる物体を所定の座標系に
基づいてミクロ構造体を形成する各物質系、すなわち、
ミクロ成分系に区分し、各ミクロ成分系の物理化学的性
質を分子シミュレーション法によって所定の物性値とし
て求める。 (B)分子シミュレーション法によって得られた前記ミ
クロ成分系の物性値を均質化法に導入し、前記物体に生
じる変位、温度、応力等の場の量を算出する。 (C)均質化解析によって得られた前記物体の場の量を
所定の基準値と比較することで、前記物体に破壊等の問
題が生じるか否かを予測する。 (D)前記物体に破壊等の問題の発生が予測される場
合、前記物体の材料または構造を変更し、前記(A)〜
(C)の処理を繰り返す。を実施する構成とした。すな
わち、本発明は、図3に示す如く、ミクロ非均質材料及
びその材料から造られた構造物を対象に、単一ミクロ構
造体を構成する各々の材料に分子シミュレーション法を
適用してその物質系のもつ種々の物理化学的性質(結晶
構造特性、密度や材料力学特性等の物性、熱力学的性
質、他)を求め、得られた各々の材料の物理化学的性質
を均質化法に適用してミクロ非均質材料の特性を決定す
ると共に、ミクロ非均質材料から造られた構造物の挙動
を解析して設計に供すること、均質化法により場の量
(応力、温度等)の変化が求められ、分子シミュレーシ
ョン法の環境条件が変化した場合には再度分子シミュレ
ーション解析とそれに続く均質化解析を実施することを
要旨としている。
Means for solving the problems The method of designing materials and structures based on the combined analysis of the molecular simulation method and the homogenization method according to the present invention, which has been made to achieve the above object, has been developed on a micro level. The method is applied to an object made of a microheterogeneous material in which substances are mixed, and includes the following processes (A) to (D): (A) An object made of a microheterogeneous material is converted based on a predetermined coordinate system. Each material system that forms the microstructure, that is,
It is divided into micro component systems, and the physicochemical properties of each micro component system are determined as predetermined physical property values by a molecular simulation method. (B) The physical property values of the micro component system obtained by the molecular simulation method are introduced into the homogenization method, and the amounts of fields such as displacement, temperature, and stress generated in the object are calculated. (C) By comparing the amount of the field of the object obtained by the homogenization analysis with a predetermined reference value, it is predicted whether or not a problem such as destruction occurs in the object. (D) When a problem such as destruction is expected to occur in the object, the material or structure of the object is changed and
The process of (C) is repeated. Was implemented. That is, as shown in FIG. 3, the present invention applies a molecular simulation method to each material constituting a single microstructure for a microheterogeneous material and a structure made from the material. Determine various physicochemical properties (physical properties such as crystal structure properties, density and material mechanical properties, thermodynamic properties, etc.) of the system and apply the physicochemical properties of each material obtained to the homogenization method. In addition to determining the characteristics of the microheterogeneous material, the behavior of the structure made from the microheterogeneous material is analyzed and provided for the design. The amount of the field (stress, temperature, etc.) is changed by the homogenization method. When the environmental conditions of the molecular simulation method change, the gist is to conduct the molecular simulation analysis and the subsequent homogenization analysis again.

【0010】[0010]

【作用】本発明の分子シミュレ−ション法と均質化法の
結合解析手法による材料及び構造物の設計手法によれ
ば、ミクロ構造体の幾何学形状が決定されたミクロ非均
質材料に対して、各々のミクロ成分系に分子シミュレー
ション法を適用してその物質系のもつ物理化学的性質を
求める。次に、単一ミクロ構造体を構成する各々のミク
ロ成分系に分子シミュレーション法で得られた物理化学
的性質を当てはめて均質化法を適用する。この作用によ
り、ミクロ非均質材料の特性を決定すると共にミクロ非
均質材料から造られた構造物の挙動を解析することが可
能となり、ミクロ非均質材料から造られた構造物が合理
的に設計される。
According to the design method of materials and structures based on the combined analysis method of the molecular simulation method and the homogenization method of the present invention, a micro-heterogeneous material in which the geometrical shape of the micro-structure is determined, The molecular simulation method is applied to each micro component system to determine the physicochemical properties of the material system. Next, the homogenization method is applied by applying the physicochemical properties obtained by the molecular simulation method to each micro component system constituting the single micro structure. This action enables the properties of microheterogeneous materials to be determined and the behavior of structures made from microheterogeneous materials to be analyzed, allowing structures made from microheterogeneous materials to be rationally designed. You.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。分子シミュレ−ションの方法とし
ては分子動力学法を用いる。花崗岩の造岩鉱物である石
英と雲母に分子動力学法を適用してその弾性的性質を求
め、顕微鏡観察によって形状が決定された花崗岩の造岩
鉱物の力学特性として分子動力学の結果を適用し、均質
化解析を実施する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As a method of molecular simulation, a molecular dynamics method is used. The molecular dynamics method was applied to quartz and mica, which are the rock forming minerals of granite, to determine their elastic properties, and the results of molecular dynamics were applied to the mechanical properties of the rock forming minerals of granite whose shape was determined by microscopic observation And perform homogenization analysis.

【0012】分子動力学法では多数の粒子から構成され
る物質系を考え、与えられた粒子間相互作用ポテンシャ
ルを用いて各粒子に働く力を求め、運動方程式の差分近
似方程式により全粒子を一斉に運動させて時間変化に伴
う粒子の位置と速度等の情報を求める。更に、統計熱力
学的関係を適用して得られた結果から各種の物性値を推
算する。分子動力学法の一連の計算手続きを図4に示
す。
In the molecular dynamics method, a material system composed of many particles is considered, a force acting on each particle is determined using a given interaction potential between particles, and all particles are simultaneously determined by a difference approximation equation of a motion equation. To obtain information such as the position and velocity of the particles over time. Further, various physical property values are estimated from the results obtained by applying the statistical thermodynamic relationship. FIG. 4 shows a series of calculation procedures of the molecular dynamics method.

【0013】岩石鉱物に対する原子間ポテンシャルとし
ては、部分イオン性2体ポテンシャルモデルを用いる。
このポテンシャルモデルは、形式電荷zによるCoul
omb相互作用項、近接反発相互作用項、分散力におけ
る双極子−双極子相互作用項(電気4重極ポテンシャル
項)、分子間力・共有結合ポテンシャル項(Morse
項)を加え合わせたものであり、次式で表される。
As the interatomic potential for the rock mineral, a partial ionic two-body potential model is used.
This potential model is represented by Coul
omb interaction term, proximity repulsion interaction term, dipole-dipole interaction term in dispersion force (electric quadrupole potential term), intermolecular force / covalent potential term (Morse
Term) is added, and is represented by the following equation.

【数15】 ここで、以下の記号を用いた。 Uij(rij): 位置rにある粒子とrにある
粒子の間に働く部分イオン性2体ポテンシャルを表わ
す。なお、rijは2粒子間の距離、r ijは真空中
のイオン分子におけるイオン対の平衡原子間距離であ
る。 z,z: 電気素量をeとした時のi,jイオンの
価数である。 f: 単位整合のための物質定数。f=1[kca
l/(molÅ)]である。 a,b,c,a,b,c: イオン種に固
有の定数である。常温の結晶構造を安定に保持するよう
決定される。 Dij: ポテンシャル関数の深さを表わす定数であ
る。 βij: 形状を決める定数である。 表1に石英(SiO)に対する定数、表2に白雲母
(KAl[SiAl]O10(OH))に対する
定数を挙げる。ただし、表中ではz,a等の添字は
省いて記している。また、表中の[]内は単位を表す。
(Equation 15) Here, the following symbols were used. U ij (r ij ): represents a partial ionic two-body potential acting between the particle at position r i and the particle at r j . Note that r ij is a distance between two particles, and r * ij is a distance between equilibrium atoms of an ion pair in an ion molecule in vacuum. z i , z j : valences of i, j ions when the elementary charge is e. f 0 : Material constant for unit matching. f 0 = 1 [kca
1 / (molÅ)]. a i, b i, c i , a j, b j, c j: is a constant unique to the ion species. It is determined so as to stably maintain the crystal structure at room temperature. D ij : a constant representing the depth of the potential function. β ij : a constant that determines the shape. Table 1 lists constants for quartz (SiO 2 ) and Table 2 lists constants for muscovite (KAl 2 [Si 3 Al] O 10 (OH) 2 ). However, in the table, subscripts such as z i and a i are omitted. In the table, [] indicates a unit.

【表1】 [Table 1]

【表2】 [Table 2]

【0014】分子動力学法では粒子iの運動は運動方程
In the molecular dynamics method, the motion of a particle i is represented by the equation of motion.

【数16】 を解いて求められる。ここで、mは粒子iの質量、v
=dr/dtはその速度である。また、力Fはポ
テンシャルUijを微分して得られた粒子i,j間の作
用 力Fij=−▽Uijから
(Equation 16) Is obtained by solving Where mi is the mass of particle i, v
i = dr i / dt is the speed. Further, the force F i is obtained from the action force F ij = − ▽ U ij between the particles i and j obtained by differentiating the potential U ij.

【数17】 と求まる。ただし、▽は勾配作用素を表す。分子動力学
計算法の詳細については河村1990に述べられている
ので、ここでは記さない。本計算では、粒子数Nと圧力
P、温度Tが各々一定のNPTアンサンブル分子動力学
法を適用した。境界条件として一定時間ステップ毎に引
張あるいはせん断力を与えて基本セル形状を変化させ
た。計算は以下の条件で実行されたことを付記してお
く。 石英: (x,y,z)=(5.147630,8.
96122,5.71808)[Å]の基本セルをx方
向に5個、y方向に3個、z方向に4個重ねた直方体の
形状のセルを用いた。石英の分子の総数は360個と
し、温度は300゜Kで一定となるように設定してい
る。なお、対象とした石英の結晶は三方晶形である。 白雲母: (x,y,z)=(5.158653,
8.954407,20.05636)[Å]の基本セ
ルをx方向に6個、y方向に3個、z方向に1個重ねた
形状のセルを用いた。白雲母の分子の総数は72個と
し、温度は300゜Kで一定となるように設定してい
る。なお、対象とした白雲母の結晶は単斜晶形である。
[Equation 17] Is obtained. Here, ▽ represents a gradient operator. Since the details of the molecular dynamics calculation method are described in Kawamura 1990, they will not be described here. In this calculation, the NPT ensemble molecular dynamics method in which the number of particles N, the pressure P, and the temperature T are constant is applied. The basic cell shape was changed by applying a tensile or shearing force at predetermined time steps as boundary conditions. Note that the calculation was performed under the following conditions. Quartz: (x, y, z) = (5.147630, 8.
96122, 5.7808) [Å] A rectangular parallelepiped cell in which five basic cells were stacked in the x direction, three in the y direction, and four in the z direction was used. The total number of quartz molecules is set to 360, and the temperature is set to be constant at 300 ° K. Note that the target quartz crystal is a trigonal crystal. Muscovite: (x, y, z) = (5.158653,
8.954407, 20.05636) A cell in which six basic cells in [x] were stacked in the x direction, three in the y direction, and one in the z direction was used. The total number of molecules of muscovite is 72, and the temperature is set to be constant at 300 ° K. The target muscovite crystals are monoclinic.

【0015】物質系のもつマクロな物理化学的性質は、
分子動力学計算の出力結果に統計熱力学を適用して定め
られる(河村 1990 参照)。本計算では上述のように、
境界条件として引張あるいはせん断力を与えて基本セル
形状を変化させており、その出力結果からマクロ応答と
しての応力とひずみの関係を求めた。得られた弾性係数
E とポアソン比 ν の値を実験結果(Ahrens 1995)と比
較して表3に記した。
The macro physicochemical properties of a material system are as follows:
Determined by applying statistical thermodynamics to the output results of molecular dynamics calculations (see Kawamura 1990). In this calculation, as described above,
The basic cell shape was changed by applying a tensile or shear force as a boundary condition, and the relationship between stress and strain as a macro response was obtained from the output results. The obtained elastic modulus
Table 3 shows the values of E and Poisson's ratio ν in comparison with the experimental results (Ahrens 1995).

【表3】 [Table 3]

【0016】図5に示した花崗岩供試体の長手方向に対
して二次元平面応力状態一軸圧縮試験の計算を実施し、
マクロ的な応力とひずみの関係を求める。その力学モデ
ルを図6(a)に示す。顕微鏡観察によると、この花崗岩
のミクロ構造は図6(b)に代表される形状である。図6
(b)の各鉱物の性質に分子動力学法で求めた表3の性質
を当てはめる。ただし、黒雲母の力学的性質は白雲母と
同一であるとし、長石の性質は Ahrens (1995)から 弾性係数 E=69.70 [GPa], ポアソン比 ν=0.301 と定めた。なお、図6(a)に示すようにマクロ問題の境
界条件として、供試体端面の長手方向に1,000 [kgf/c
m2] に相当する荷重を与えた。均質化解析の結果、ミク
ロ応力の分布が図7のように求まった。
Calculation of a two-dimensional plane stress state uniaxial compression test in the longitudinal direction of the granite specimen shown in FIG.
Find the relationship between macro stress and strain. The dynamic model is shown in FIG. According to the microscopic observation, the microstructure of the granite has a shape represented by FIG. 6 (b). FIG.
The properties in Table 3 determined by molecular dynamics method are applied to the properties of each mineral in (b). However, the mechanical properties of biotite are the same as muscovite, and the properties of feldspar are determined from Ahrens (1995) as elastic modulus E = 69.70 [GPa] and Poisson's ratio ν = 0.301. As shown in FIG. 6 (a), as a boundary condition of the macro problem, 1,000 [kgf / c
m 2 ]. As a result of the homogenization analysis, the distribution of micro stress was obtained as shown in FIG.

【0017】本提案手法によって材料を設計する過程を
以下に述べる。最もシビアな荷重を設定し、図6(a)
で示したような単純な荷重条件下で均質化解析を実施す
る。均質化解析によってミクロ応力分布が、例えば、
図7のように得られる。各構成物質のミクロ応力の値を
分子シミュレーション法で得られた各構成物質の強度と
比較してミクロレベルにおける安全性を評価する。所
定の安全率が確保された場合には、設計過程を終了す
る。所定の安全率が確保されない場合には、構成物質
の分子成分を変更してより強度の大きいと考えられる物
質の物性を分子シミュレーション法で求め、均質化解析
を再度実施するか、均質化解析における構成物質の幾何
形状を変更するか、の何れかの方法によって再計算を実
施し、各構成物質に対する所定の安全率を確保するまで
計算を繰り返す。
The process of designing a material by the proposed method will be described below. The most severe load was set, and Fig. 6 (a)
The homogenization analysis is performed under a simple load condition as shown in. Micro-stress distribution by homogenization analysis, for example,
It is obtained as shown in FIG. The safety at the micro level is evaluated by comparing the value of the micro stress of each constituent material with the strength of each constituent material obtained by the molecular simulation method. If the predetermined safety factor is ensured, the design process ends. If the specified safety factor is not ensured, change the molecular components of the constituent substances to determine the physical properties of the substance considered to be stronger by molecular simulation, and perform the homogenization analysis again, or The recalculation is performed by either changing the geometrical shape of the constituent material or repeating the calculation until a predetermined safety factor for each constituent material is secured.

【0018】花崗岩の岩盤中にトンネルや発電所空洞等
の地下構造物を設計する場合を例に挙げて、本提案手法
によって構造物を設計する過程を示す。当初設計におい
ては図8(a)のように馬蹄形断面を想定していたとす
る。岩盤中に含まれる節理等の不連続面の影響も考慮に
入れてミクロ構造系を決定し、このミクロ構造系を構成
する鉱物等の物質の物性は分子シミュレーション法で求
まっているものとする。均質化解析を実施すると任意の
場所で図7に示したようなミクロ応力分布が得られる。
構造物全体の破壊は、通常、局所的な応力が材料の有す
る強度を超えて全体破壊が惹起される。例えば、図8
(a)の点Aにおけるミクロ応力の一部が構成物質の強度を
超えた場合、その応力が強度を超えないこととマクロ応
力によって全体破壊が進行しないことを条件として構造
物の形を再検討し、図8(b)のように変えて安全性を確
保した設計をする必要がある。
The process of designing a structure by the proposed method will be described, taking as an example the case of designing an underground structure such as a tunnel or a power plant cavity in a granite bedrock. It is assumed that a horseshoe-shaped cross section was assumed in the initial design as shown in FIG. It is assumed that the microstructure system is determined in consideration of the influence of discontinuous surfaces such as joints included in the bedrock, and the physical properties of the substances such as minerals constituting the microstructure system have been determined by the molecular simulation method. When the homogenization analysis is performed, a micro stress distribution as shown in FIG. 7 is obtained at an arbitrary place.
In general, failure of the entire structure is caused by local stress exceeding the strength of the material and causing total failure. For example, FIG.
If part of the micro-stress at point A in (a) exceeds the strength of the constituent material, the shape of the structure is reexamined on the condition that the stress does not exceed the strength and that the macro-stress does not cause the total failure However, it is necessary to design as shown in FIG.

【0019】時間依存の粘弾性挙動を示す物質から構成
されるミクロ非均質材料と、ミクロ非均質材料から造ら
れた構造物の設計手法について述べる。分子シミュレー
ション法で各構成物質の物性を求めることは、弾性問題
と同様である。ただし、当該物質が図9で示すような2
要素マクスウェル型粘弾性体である場合には、分子動力
学計算の出力結果に統計熱力学を適用して弾性係数 E
と粘性係数 η を求める必要がある。この2要素マクス
ウェル型粘弾性体に対する一次元静的粘弾性問題は
A method of designing a microheterogeneous material composed of a material exhibiting a time-dependent viscoelastic behavior and a structure made from the microheterogeneous material will be described. Determining the physical properties of each constituent material by the molecular simulation method is similar to the elasticity problem. However, if the substance is 2 as shown in FIG.
In the case of a Maxwell-type viscoelastic element, the elasticity coefficient E is calculated by applying statistical thermodynamics to the output result of the molecular dynamics calculation.
And the viscosity coefficient η must be determined. The one-dimensional static viscoelastic problem for this two-element Maxwell-type viscoelastic body is

【数18】 と書かれるので、均質化法は弾性問題と同様な過程を経
て導かれる。均質化解析の結果、図7のようなミクロ応
力分布が各時間ステップ毎に求まるので、各時間毎にミ
クロ応力とマクロ応力を評価して、ミクロ非均質材料と
ミクロ非均質材料から造られた構造物の安全性を評価
し、その材料並びに構造物の安全且つ合理的な設計を実
施する。
(Equation 18) Therefore, the homogenization method is derived through a process similar to the elasticity problem. As a result of the homogenization analysis, a micro stress distribution as shown in FIG. 7 is obtained at each time step. Therefore, the micro stress and the macro stress are evaluated at each time, and the micro stress is produced from the micro heterogeneous material and the micro heterogeneous material. Evaluate the safety of structures and implement safe and rational design of their materials and structures.

【0020】ニューセラミックス材料とその構造物を対
象に、本提案手法の適用例を挙げる。図6(b)に示すよ
うなミクロ構造は、多くのニューセラミックス材料で見
られる。例えば、多結晶薄膜電子材料はこのようなミク
ロ構造を形成しており、その薄膜材料を使用して集積回
路等を製造した場合、通電時にそのミクロ構造に起因し
て局部的に過大な熱応力が発生し、全体破壊に至る場合
がある。この問題に対しては、ミクロ構造を形成する各
結晶物質の特性を分子シミュレーション法で決定した
後、図6(a)の外力の代りに熱による内力を想定して均
質化解析法を適用し、ミクロ応力分布とマクロ応力分布
からニューセラミックス材料とその構造物の安全性を評
価する。また、金属とセラミックスを接合したセラミッ
クスコーティング工具(図10(a))では、表面にコー
ティングされたセラミックスが図10(b)に示されたよ
うなミクロ構造を形成しているが、製品開発においては
使用時に発生する応力の状況、破壊の有無等が問題とな
る。このような問題に対しては、コーティングされたセ
ラミックス材料の特性を分子シミュレーション法で決定
し、金属材料である工具本体が一体となった構造の変形
破壊挙動を均質化解析法で求め、ミクロ応力分布とマク
ロ応力分布から構造物全体の安全性を評価する。
An example of applying the proposed method to a new ceramic material and its structure will be described. The microstructure as shown in FIG. 6 (b) is found in many new ceramic materials. For example, a polycrystalline thin film electronic material has such a microstructure, and when an integrated circuit or the like is manufactured using the thin film material, locally excessive heat stress due to the microstructure during energization is caused. May occur, leading to total destruction. To solve this problem, the properties of each crystalline material forming the microstructure are determined by molecular simulation, and then the homogenization analysis is applied assuming the internal force due to heat instead of the external force shown in FIG. 6 (a). Evaluate the safety of new ceramic materials and their structures from micro stress distribution and macro stress distribution. In a ceramic coating tool (FIG. 10 (a)) in which metal and ceramics are joined, the ceramics coated on the surface form a microstructure as shown in FIG. 10 (b). However, there are problems in the state of stress generated during use, the presence or absence of breakage, and the like. To solve such problems, the characteristics of the coated ceramic material are determined by molecular simulation, and the deformation and fracture behavior of the structure in which the tool body, which is a metal material, is integrated is determined by homogenization analysis, and the micro stress Evaluate the safety of the whole structure from the distribution and macro stress distribution.

【0021】構造物全体の破壊は、通常、局所的な応力
が材料の有する強度を超える状況に至って全体破壊が惹
起される。したがって、ミクロ応力の分布を正確に予測
することは、構造物を安全且つ経済的に設計する上で欠
かすことができない。従来は、このようなミクロ構造に
起因する応力の分布を正確に予測することができなかっ
たので、安全率を高く設定し、冗長な設計で辛抱してい
たわけである。
[0021] The destruction of the entire structure usually causes a total destruction when the local stress exceeds the strength of the material. Therefore, accurately predicting the distribution of micro stress is indispensable in designing a structure safely and economically. In the past, since it was not possible to accurately predict the distribution of stress due to such a microstructure, a high safety factor was set and a long-lasting design was required.

【0022】このように本実施例の分子シミュレ−ショ
ン法と均質化法の結合解析による材料及び構造物の設計
手法によると、ミクロ非均質材料及びその材料から造ら
れた構造物の挙動を精密に推定することが可能となり、
ミクロ非均質材料を使用した各種工業製品を合理的に設
計する手段が提供される。
As described above, according to the material and structure design method based on the combined analysis of the molecular simulation method and the homogenization method of the present embodiment, the behavior of the microheterogeneous material and the structure made from the material can be precisely determined. It is possible to estimate
Means are provided for rational design of various industrial products using microheterogeneous materials.

【0023】[0023]

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明の分子シ
ミュレ−ション法と均質化法の結合解析による材料及び
構造物の設計手法は、熱や異質材との接合による破壊が
問題となるニューセラミックス材料を使った以下の製品
の設計と製造: 高速コンピュータ用セラミックス基盤、 溶融型燃料電池のセラミックス電極、 宇宙往還機の耐熱タイル、 多結晶薄膜電子材料から造られた電子回路製品、 金属とセラミックスを接合したセラミックスコーティ
ング工具、 セラミックスエンジン や、CO2対策や高エネルギー効率を目的とした超微細
セラミックスフィルタータービン等の設計と製造、新機
能を有する電導体・超伝導物質・磁性体・放射線体の設
計と製造、鋼鉄やアルミニウムなどの単一鉱物からなる
多結晶材料を使った構造物の設計と製造、花崗岩などの
多種鉱物からなる多結晶材料を使った構造物の限界状態
における設計と製造、粘土やコンクリートなどの多種類
の鉱物と間隙を充填する物質とが混在した材料を使った
構造物の設計と製造、農地の品質評価、新機能を有する
土壌の工業的製造、新機能を有する薬剤・有用生物品種
・微生物・遺伝子の開発、等のミクロ非均質材料及びそ
の材料から造られた構造物を対象に、単一ミクロ構造体
を構成する各々の材料に分子シミュレーション法を適用
してその物質系のもつ種々の物理化学的性質(結晶構造
特性、密度や材料力学特性等の物性、熱力学的性質、
他)を求め、得られた各々の材料の物理化学的性質を均
質化法に適用してミクロ非均質材料の特性を決定すると
共にミクロ非均質材料から造られた構造物の挙動を解析
して設計に供することにより、社会的に重要なミクロ非
均質材料とミクロ非均質材料から造られた構造物の効率
的且つ経済的な設計と製造が可能になった。
As described in detail above, the method of designing materials and structures based on the combined analysis of the molecular simulation method and the homogenization method according to the present invention has a problem that destruction due to heat or bonding with a foreign material is a problem. Design and manufacture of the following products using new ceramic materials: ceramic base for high-speed computers, ceramic electrodes for molten fuel cells, heat-resistant tiles for spacecraft, electronic circuit products made of polycrystalline thin-film electronic materials, metals ceramic coating tool formed by joining ceramics and ceramic engines and, CO 2 measures and the design and manufacture of ultra-fine ceramic filter turbine or the like for the purpose of high energy efficiency, conductor-superconductor material, magnetic material, a radiation having a new function Designing and manufacturing bodies, designing structures using polycrystalline materials consisting of single minerals such as steel and aluminum Design and manufacture of structures using polycrystalline materials composed of various minerals such as artificial and granite in the limit state, structures using materials mixed with various minerals such as clay and concrete and materials that fill gaps Micro-heterogeneous materials, such as the design and manufacture of agricultural products, the evaluation of agricultural land quality, the industrial manufacture of soils with new functions, the development of drugs, useful biological varieties, microorganisms and genes with new functions, etc., and structures made from such materials Applying molecular simulation method to each material constituting a single microstructure for various physical and chemical properties (physical properties such as crystal structure properties, density and material mechanical properties, thermal properties, etc.) Mechanical properties,
Other) and apply the obtained physicochemical properties of each material to the homogenization method to determine the characteristics of the microheterogeneous material and analyze the behavior of the structure made from the microheterogeneous material. By providing for design, socially important microheterogeneous materials and structures made from microheterogeneous materials can be efficiently and economically designed and manufactured.

【0024】[参考文献] 1) B.J. Alder and T.F. Wainwright (1957): "Phase T
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Journal of American Chemical Society, Vol. 87, pp.
1070-1078.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】分子シミュレーションの各手法の説明図であ
る。
FIG. 1 is an explanatory diagram of each method of molecular simulation.

【図2】ミクロ周期構造を有する物体の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of an object having a micro periodic structure.

【図3】本発明による分子シミュレーション法と均質化
法の結合解法の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a combined solution method of a molecular simulation method and a homogenization method according to the present invention.

【図4】分子動力学計算の手続きの流れを示す説明図で
ある。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a flow of a procedure of molecular dynamics calculation.

【図5】花崗岩の一軸圧縮試験供試体を示すもので、
(a)は全体図、(b)は平面図である。
FIG. 5 shows a specimen of a uniaxial compression test of granite,
(a) is an overall view, and (b) is a plan view.

【図6】花崗岩のミクロ構造体(ユニットセル)を示す
もので、(a)は全体図、(b)は部分拡大図である。
FIG. 6 shows a granite microstructure (unit cell), (a) is an overall view, and (b) is a partially enlarged view.

【図7】花崗岩の一軸圧縮試験の均質化解析によって得
られたミクロ応力分布を示す特性図である。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a micro stress distribution obtained by homogenization analysis of a uniaxial compression test of granite.

【図8】岩盤内に掘削された地下空洞構造物のミクロ応
力を評価して安全な構造物を設計する過程を示す模式断
面図である。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a process of evaluating a micro stress of an underground hollow structure excavated in a rock to design a safe structure.

【図9】2要素マクスウェル型粘弾性体を示す模式図で
ある。
FIG. 9 is a schematic view showing a two-element Maxwell-type viscoelastic body.

【図10】セラミックスコーティング工具を示すもの
で、(a)は全体図、(b)は部分拡大図である。
10A and 10B show a ceramic coating tool, wherein FIG. 10A is an overall view and FIG. 10B is a partially enlarged view.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ミクロレベルで多種類の物質が混在する
ミクロ非均質材料からなる物体について適用されるもの
であって、以下の(A)〜(D)の処理、 (A)ミクロ非均質材料からなる物体を所定の座標系に
基づいてミクロ構造体を形成する各物質系、すなわち、
ミクロ成分系に区分し、各ミクロ成分系の物理化学的性
質を分子シミュレーション法によって所定の物性値とし
て求める。 (B)分子シミュレーション法によって得られた前記ミ
クロ成分系の物性値を均質化法に導入し、前記物体に生
じる変位、温度、応力等の場の量を算出する。 (C)均質化解析によって得られた前記物体の場の量を
所定の基準値と比較することで、前記物体に破壊等の問
題が生じるか否かを予測する。 (D)前記物体に破壊等の問題の発生が予測される場
合、前記物体の材料または構造を変更し、前記(A)〜
(C)の処理を繰り返す。を実施することを特徴とする
分子シミュレ−ション法と均質化法の結合解析による材
料及び構造物の設計手法。
The present invention is applied to an object made of a micro-heterogeneous material in which various kinds of substances are mixed at a micro-level, and includes the following processes (A) to (D): (A) a micro-heterogeneous material Each substance system that forms a microstructure on the basis of a predetermined coordinate system for an object consisting of
It is divided into micro component systems, and the physicochemical properties of each micro component system are determined as predetermined physical property values by a molecular simulation method. (B) The physical property values of the micro component system obtained by the molecular simulation method are introduced into the homogenization method, and the amounts of fields such as displacement, temperature, and stress generated in the object are calculated. (C) By comparing the amount of the field of the object obtained by the homogenization analysis with a predetermined reference value, it is predicted whether or not a problem such as destruction occurs in the object. (D) When a problem such as destruction is expected to occur in the object, the material or structure of the object is changed and
The process of (C) is repeated. A material and structure design method based on a combined analysis of a molecular simulation method and a homogenization method, characterized in that the method is performed.
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