JP6283267B2 - Method for simulating polymer materials - Google Patents
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Description
本発明は、高分子材料の物理量を安定して計算することができる高分子材料のシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a polymer material simulation method capable of stably calculating a physical quantity of a polymer material.
ゴム等の高分子材料には、カーボンブラックやシリカといったフィラーが配合されている。近年、ゴム配合の開発のために、フィラーが配合された高分子材料の物理量を、コンピュータを用いて計算するためのシミュレーション方法(数値計算)が種々提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。
A filler such as carbon black or silica is blended in a polymer material such as rubber. In recent years, various simulation methods (numerical calculations) have been proposed for calculating the physical quantity of a polymer material containing a filler using a computer for the development of rubber compounding (for example, see
また、フィラーが配合された高分子材料の物理量(例えば、計算系の自由エネルギー)を計算するために、平均場理論に基づくシミュレーション方法が考えられている。この種のシミュレーション方法では、先ず、メッシュに区分された仮想空間をコンピュータに設定し、そこにフィラーをモデル化したフィラーモデル、及び、高分子材料をモデル化したポリマーモデルが配置される。そして、ポリマーモデルの配置のエントロピーを考慮したSCF法( Self-Consistent Field Method )に基づいて、自由エネルギー等が計算される。 In order to calculate the physical quantity (for example, free energy of the calculation system) of the polymer material containing the filler, a simulation method based on the mean field theory is considered. In this type of simulation method, first, a virtual space divided into meshes is set in a computer, and a filler model that models a filler and a polymer model that models a polymer material are arranged there. And free energy etc. are calculated based on the SCF method (Self-Consistent Field Method) which considered the entropy of arrangement | positioning of a polymer model.
従来の平均場理論に基づくシミュレーション方法では、フィラーモデルの輪郭形状等が、オペレータの経験や勘によって定義されていた。このため、場合によっては、高分子材料の物理量が急激に上昇し、計算の発散を招くという問題があった。 In the conventional simulation method based on the mean field theory, the contour shape of the filler model is defined by the experience and intuition of the operator. For this reason, in some cases, the physical quantity of the polymer material has risen sharply, causing a problem of divergence of calculation.
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、フィラーモデルの輪郭線の最小単位長さL1を、メッシュの最小単位長さL2の2倍以上に設定することを基本として、平均場理論に基づく高分子材料の物理量の計算を安定して収束させることができる高分子材料のシミュレーション方法を提供することを主たる目的としている。 The present invention has been devised in view of the actual situation as described above, and is based on setting the minimum unit length L1 of the contour line of the filler model to be twice or more of the minimum unit length L2 of the mesh. The main object of the present invention is to provide a simulation method of a polymer material that can stably converge the calculation of the physical quantity of the polymer material based on the mean field theory.
本発明は、平均場理論に基づいて、フィラーが配合された高分子材料の物理量を、コンピュータを用いて計算するためのシミュレーション方法であって、前記コンピュータに、メッシュに区分された複数の微小領域を含む仮想空間を定義する工程、前記仮想空間に、前記フィラーをモデル化したフィラーモデルを設定する工程、前記仮想空間に、前記高分子材料をモデル化したポリマーモデルを設定する工程、及び、前記コンピュータが、前記仮想空間内に定義された前記フィラーモデルと前記ポリマーモデルとを用いて、前記高分子材料の物理量を計算する工程を含み、前記フィラーモデルは、複数の前記微小領域を囲むように前記メッシュに沿った凸凹の輪郭線で定義され、前記ポリマーモデルは、前記メッシュの交点に定義された複数のポリマーセグメントでモデル化され、前記フィラーモデルの前記輪郭線の最小単位長さL1は、前記メッシュの最小単位長さL2の2倍以上であることを特徴とする。 The present invention is a simulation method for calculating a physical quantity of a polymer material in which a filler is blended based on a mean field theory using a computer, and the computer includes a plurality of micro regions divided into meshes. Defining a virtual space including: setting a filler model that models the filler in the virtual space; setting a polymer model that models the polymer material in the virtual space; and A computer calculating a physical quantity of the polymer material using the filler model and the polymer model defined in the virtual space, the filler model surrounding a plurality of the minute regions; The polymer model is defined by an uneven contour line along the mesh, and the polymer model is defined at a plurality of intersection points of the mesh. Modeled in polymer segment, a minimum unit length L1 of the contour of the filler model is characterized by at least twice the minimum unit length L2 of the mesh.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記フィラーモデルの前記最小単位長さL1は、前記フィラーモデルの直径L3よりも小さいのが望ましい。 In the polymer material simulation method according to the present invention, it is preferable that the minimum unit length L1 of the filler model is smaller than a diameter L3 of the filler model.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記フィラーモデルの前記最小単位長さL1、前記メッシュの最小単位長さL2、及び、前記フィラーモデルの前記直径L3は、下記の関係を満たすのが望ましい。
L1≦L3−L2×4
In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the minimum unit length L1 of the filler model, the minimum unit length L2 of the mesh, and the diameter L3 of the filler model satisfy the following relationship. Is desirable.
L1 ≦ L3-L2 × 4
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記フィラーモデルは、三次元モデルとして定義されるのが望ましい。 In the polymer material simulation method according to the present invention, the filler model is preferably defined as a three-dimensional model.
本発明は、平均場理論に基づいて、フィラーが配合された高分子材料の物理量を、コンピュータを用いて計算するためのシミュレーション方法である。この高分子材料のシミュレーション方法では、コンピュータに、メッシュに区分された複数の微小領域を含む仮想空間を定義する工程、仮想空間に、フィラーをモデル化したフィラーモデルを設定する工程、仮想空間に、高分子材料をモデル化したポリマーモデルを設定する工程、及び、コンピュータが、仮想空間に定義されたフィラーモデルとポリマーモデルとを用いて、高分子材料の物理量を計算する工程を含んでいる。 The present invention is a simulation method for calculating a physical quantity of a polymer material in which a filler is blended based on a mean field theory using a computer. In this polymer material simulation method, in a computer, a step of defining a virtual space including a plurality of minute regions divided into meshes, a step of setting a filler model in which a filler is modeled in the virtual space, a virtual space, The method includes setting a polymer model obtained by modeling the polymer material, and calculating a physical quantity of the polymer material using a filler model and a polymer model defined in a virtual space by a computer.
本発明では、フィラーモデルが、複数の前記微小領域を囲むようにメッシュに沿った凸凹の輪郭線で定義される。一方、ポリマーモデルは、メッシュの交点に定義された複数のポリマーセグメントでモデル化される。フィラーモデルの輪郭線の最小単位長さL1は、メッシュの最小単位長さL2の2倍以上に設定される。従って、本発明の方法によれば、輪郭線の最小単位長さの両端間、即ち、凸凹の輪郭線の入隅又は出隅の中間に、少なくとも一つのメッシュの交点を設定することができる。 In the present invention, the filler model is defined by an uneven contour line along the mesh so as to surround the plurality of minute regions. On the other hand, the polymer model is modeled by a plurality of polymer segments defined at the intersection of meshes. The minimum unit length L1 of the contour line of the filler model is set to at least twice the minimum unit length L2 of the mesh. Therefore, according to the method of the present invention, it is possible to set the intersection of at least one mesh between both ends of the minimum unit length of the contour line, that is, between the entrance corner and the exit corner of the uneven contour line.
複数のポリマーセグメントは、メッシュの交点に順次配置される。中間の交点に配置されるポリマーセグメントは、入隅に配置されるポリマーセグメントに比べて、次に配置されるポリマーセグメントが配置可能な交点の個数が多い。平均場理論に基づくシミュレーションでは、ポリマーセグメントが配置可能な交点の個数が多いほど、そのポリマーモデルの安定性が高くなる。従って、中間の交点に配置されるポリマーセグメントを含むポリマーモデルは、入隅に配置されるポリマーセグメントを含むポリマーモデルに比べて、平均場理論での安定性が高い。 The plurality of polymer segments are sequentially arranged at the intersections of the mesh. The polymer segment arranged at the intermediate intersection has a larger number of intersections where the next polymer segment can be arranged than the polymer segment arranged in the corner. In simulation based on mean field theory, the greater the number of intersections at which polymer segments can be placed, the higher the stability of the polymer model. Therefore, the polymer model including the polymer segment arranged at the intermediate intersection has higher stability in the mean field theory than the polymer model including the polymer segment arranged in the corner.
一方、前記中間の交点に配置されるポリマーセグメントは、出隅に配置されるポリマーセグメントに比べて、次に配置されるポリマーセグメントが配置可能な交点の個数が少ない。従って、中間の交点に配置されるポリマーセグメントを含むポリマーモデルは、出隅に配置されるポリマーセグメントを含むポリマーモデルに比べて、平均場理論での安定性が低い。 On the other hand, the polymer segment arranged at the intermediate intersection has a smaller number of intersections at which the next polymer segment can be arranged than the polymer segment arranged at the protruding corner. Therefore, a polymer model including a polymer segment arranged at an intermediate intersection is less stable in the mean field theory than a polymer model including a polymer segment arranged at a corner.
このように、本発明の方法によれば、ポリマーセグメントが出隅から入隅に順次配置されるポリマーモデル安定性を、中間の交点を介して、段階的に低下させることができる。平均場理論に基づくシミュレーションでは、ポリマーセグメントの安定性が低いほど、高分子材料の物理量(計算系の自由エネルギー)が上昇する。従って、本発明では、計算系の自由エネルギーが急激に上昇するのを防ぐことができるため、計算系の自由エネルギーの計算を安定して収束させることができる。 As described above, according to the method of the present invention, the stability of the polymer model in which the polymer segments are sequentially arranged from the exit corner to the entrance corner can be reduced stepwise via the intermediate intersection. In the simulation based on the mean field theory, the lower the stability of the polymer segment, the higher the physical quantity of the polymer material (free energy of the calculation system). Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent the free energy of the calculation system from rapidly increasing, so that the calculation of the free energy of the calculation system can be converged stably.
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態の高分子材料のシミュレーション方法(以下、単に「シミュレーション方法」ということがある。)は、フィラーが配合された高分子材料の物理量を、コンピュータを用いて計算するための方法である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The simulation method of the polymer material of the present embodiment (hereinafter sometimes simply referred to as “simulation method”) is a method for calculating the physical quantity of the polymer material mixed with the filler using a computer.
フィラーとしては、例えば、カーボンブラック、シリカ又はアルミナ等が含まれる。また、高分子材料としては、例えば、ゴム、樹脂又はエラストマー等が含まれる。 Examples of the filler include carbon black, silica, or alumina. In addition, examples of the polymer material include rubber, resin, and elastomer.
図1は、本実施形態のシミュレーション方法を実行するコンピュータの斜視図である。コンピュータ1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含んで構成されている。この本体1aには、例えば、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリ、磁気ディスクなどの記憶装置、及び、ディスクドライブ装置1a1、1a2が設けられている。また、記憶装置には、本実施形態のシミュレーション方法を実行するための処理手順(プログラム)が予め記憶されている。
FIG. 1 is a perspective view of a computer that executes the simulation method of the present embodiment. The
図2は、本実施形態のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。本実施形態のシミュレーション方法では、先ず、コンピュータ1に、仮想空間が定義される(工程S1)。図3は、本実施形態の仮想空間の概念図である。 FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of the simulation method of the present embodiment. In the simulation method of this embodiment, first, a virtual space is defined in the computer 1 (step S1). FIG. 3 is a conceptual diagram of the virtual space of the present embodiment.
本実施形態の仮想空間3は、横長矩形状に形成された二次元系として設定されている。仮想空間3を囲む一対の縦辺3a、3a及び一対の横辺3b、3bには、周期境界条件がそれぞれ設定されている。また、各縦辺3aの長さL5a、及び、各横辺3bの長さL5bについては、適宜設定することができる。各長さL5a、L5bは、例えば、後述するフィラーモデル4及びポリマーモデル6の慣性半径(図示省略)の2倍以上、より好ましくは10倍以上に設定されるのが望ましい。
The
仮想空間3には、メッシュ8に区分された複数の微小領域9が設けられている。本実施形態のメッシュ8は、平均場理論( Flory-Huggins 理論等)に基づくシミュレーションの最小単位として扱われる。ここで、平均場理論とは、着目したポリマーが周辺から受ける相互作用を平均場近似するのに用いられる高分子溶液の統計熱力学理論である。
The
本実施形態の微小領域9は、一対の縦辺、及び、一対の横辺が同一の長さに設定された正方形状に形成されている。従って、各縦辺及び各横辺の各長さは、メッシュ8の最小単位長さL2として設定される。メッシュ8の最小単位長さL2は、シミュレーションに求められる精度に応じて、適宜設定することができる。本実施形態の最小単位長さL2は、例えば、仮想空間3の横辺3bの長さL5bの1/4〜1/100に設定されている。仮想空間3は、コンピュータ1に記憶される。
The
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、仮想空間3に、フィラーをモデル化したフィラーモデル4が設定される(工程S2)。本実施形態のフィラーモデル4は、仮想空間3に、2つ定義されている。このフィラーモデル4内には、後述するポリマーモデル6の配置が許容されない。
Next, in the simulation method of the present embodiment, a
フィラーモデル4は、実際のフィラーの形状の近似するように定義される。本実施形態のフィラーモデル4は、複数の微小領域9を囲むように、メッシュ8に沿った輪郭線10で定義されている。本実施形態の輪郭線10は、複数の入隅10i及び出隅10oが設けられている。これにより、フィラーモデル4は、その輪郭線10に凸凹が形成される。
The
本実施形態のフィラーモデル4の輪郭線10の最小単位長さL1は、メッシュ8の最小単位長さL2の2倍以上に設定されている。これにより、各最小単位長さL1の両端間、即ち、凸凹の輪郭線10の入隅10i又は出隅10oの中間に、少なくとも一つ(本実施形態では1つ)のメッシュ8の交点8pを設定することができる。
The minimum unit length L1 of the
なお、フィラーモデル4の最小単位長さL1は、フィラーモデル4の直径L3よりも小さいのが望ましい。これにより、フィラーモデル4の輪郭には、複数の入隅10iが確実に形成されるため、フィラーモデル4の形状を、実際のフィラーの形状に近似させることができる。従って、フィラーモデル4は、シミュレーション精度を向上させることができる。なお、フィラーモデル4の輪郭の径が変化する場合、直径L3は、フィラーモデル4の径の最大値とする。
The minimum unit length L1 of the
フィラーモデル4の最小単位長さL1、メッシュ8の最小単位長さL2、及び、フィラーモデル4の直径L3は、下記式(1)の関係を満たすのが望ましい。
L1≦L3−L2×4 …(1)
Desirably, the minimum unit length L1 of the
L1 ≦ L3-L2 × 4 (1)
上記式(1)において、フィラーモデル4の輪郭線10の最小単位長さL1は、フィラーモデル4の直径L3から、メッシュ8の4個分の最小単位長さL2を減じた値以下に限定されている。これにより、フィラーモデル4は、輪郭線10の最小単位長さL1を小さくして、輪郭線10により多くの入隅10iを形成することができる。従って、フィラーモデル4は、実際のフィラーの形状により近似させることができる。フィラーモデル4は、コンピュータ1に記憶される。
In the above equation (1), the minimum unit length L1 of the
次に、仮想空間3に、高分子材料をモデル化したポリマーモデル6が設定される(工程S3)。図4は、フィラーモデル及びポリマーモデルを示す概念図である。
Next, a
図3及び図4に示されるように、ポリマーモデル6は、メッシュ8の交点8pに定義された少なくとも一つのポリマーセグメント7でモデル化される。本実施形態のポリマーモデル6は、複数のポリマーセグメント7でモデル化されている。このようなポリマーモデル6は、高分子材料の高分子鎖を精度よくモデル化することができる。ポリマーセグメント7は、フィラーモデル4と同様に、平均場理論に基づくシミュレーションにおける最小単位として取り扱われる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
ポリマーセグメント7、7間には、それらを拘束する結合鎖16が設けられている。この結合鎖16の長さK1は、例えば、メッシュ8の最小単位長さL2(図3に示す)と同一の長さに設定される。これにより、ポリマーモデル6は、ポリマーセグメント7、7間の相対距離が安定して保持される直鎖状のニ次元構造に定義される。
Between the
本実施形態のポリマーモデル6は、予め定められた体積分率(例えば、50%〜99%程度)に基づいて、仮想空間3に複数配置されている。ポリマーモデル6のポリマーセグメント7と、他のポリマーモデル6のポリマーセグメント7との間には、相互作用パラメータであるχパラメータK2が設定される。このχパラメータK2は、例えば、0.0〜10.0程度に設定されている。これにより、ポリマーセグメント7、7間には、斥力相互作用の強さが定義される。ポリマーモデル6は、コンピュータ1に記憶される。
A plurality of
次に、コンピュータ1に、フィラーモデル4とポリマーモデル6との相互作用パラメータであるχパラメータK3が設定される(工程S4)。図4に示されるように、χパラメータK3は、フィラーモデル4とポリマーセグメント7との間にそれぞれ設定されている。本実施形態のχパラメータK3は、例えば0.0〜10.0に設定される。これにより、フィラーモデル4とポリマーセグメント7との間には、斥力相互作用の強さが定義される。
Next, the χ parameter K3 that is an interaction parameter between the
χパラメータK3が10.0を超えると、平均場理論に基づくシミュレーションにおいて、フィラーモデル4及びポリマーモデル6の配置が安定する状態(平衡状態)に近づいても、直前の計算ステップとのエネルギー差が大きくなり、計算が収束しなくなるおそれがある。このような観点より、χパラメータK3は、より好ましくは5.0以下である。χパラメータK3は、コンピュータ1に記憶される。
When the χ parameter K3 exceeds 10.0, even in the simulation based on the mean field theory, even if the arrangement of the
次に、コンピュータ1が、平均場理論に基づいて、高分子材料の物理量を計算する(シミュレーション工程S5)。
Next, the
本実施形態の平均場理論に基づくシミュレーション工程S5では、ポリマーモデル6の配置のエントロピーを考慮したSCF法( Self-Consistent Field Method )に基づいて、フィラーモデル4とポリマーモデル6とを含む系全体(仮想空間3)の平衡状態における自由エネルギーFが計算される。各自由エネルギーFは、ヘルムホルツの自由エネルギーである。このような平均場理論に基づくシミュレーションは、例えばOCTAに含まれるSUSHIを用いて処理することができる。
In the simulation step S5 based on the mean field theory of the present embodiment, the entire system including the
平均場理論に基づくシミュレーションでは、シミュレーションの単位ステップ毎に、現ステップのポリマーモデル6の配置情報(濃度分布)が、直前のステップのポリマーモデル6の配置情報に近似するように、各ポリマーセグメント7が、交点8pに逐次配置される。なお、各ポリマーセグメント7は、フィラーモデル4の輪郭線10よりも内側の交点8pに配置できない。このため、ポリマーセグメント7が輪郭線10上に配置された場合、そのポリマーセグメント7に連結された次のポリマーセグメント7は、配置可能な交点8pの数が少なくなる。
In the simulation based on the mean field theory, for each unit step of the simulation, each
図5は、従来のフィラーモデルを有する仮想空間の概念図である。このフィラーモデル4では、輪郭線10の最小単位長さL1が、メッシュ8の最小単位長さL2と同一に設定されている。このため、凸凹の輪郭線10の入隅10iに配置される交点8pと、出隅10oに配置される交点8pとが隣り合って定義される。
FIG. 5 is a conceptual diagram of a virtual space having a conventional filler model. In the
出隅10oの交点8pに配置されたポリマーセグメント7(以下、単に「出隅10oのポリマーセグメント7」ということがある。)に結合した次のポリマーセグメント7は、入隅10iの交点8p、出隅10oの上側の交点8p、出隅10oの右側の交点8p、及び、出隅10oの下側の交点8pに配置可能である(合計4個)。一方、入隅10iの交点8pに配置されたポリマーセグメント7(以下、単に「入隅10iのポリマーセグメント7」ということがある。)に結合した次のポリマーセグメント7は、出隅10oの交点8p、及び、入隅10iの上側の交点8pに配置可能である(合計2個)。
The
平均場理論に基づくシミュレーションでは、次のポリマーセグメント7の配置先の交点8pの個数が少ないほど、そのポリマーモデル6の安定性が低くなる。従って、従来のフィラーモデル4を有する仮想空間3では、出隅10oのポリマーセグメント7に結合された次のポリマーセグメント7が、入隅10iに配置されると、そのポリマーモデル6の安定性が急激に低下する。
In the simulation based on the mean field theory, the smaller the number of
さらに、平均場理論に基づくシミュレーションでは、ポリマーモデル6安定性が低いほど、高分子材料の物理量(計算系の自由エネルギーF)が上昇する。従って、従来のフィラーモデル4を用いたシミュレーションでは、出隅10oのポリマーセグメント7に結合された次のポリマーセグメント7が、入隅10iに配置されることにより、安定性の低いポリマーモデル6の配置形態となり、計算系の自由エネルギーFが急激に上昇する。このように、高分子材料の物理量が急激に上昇すると、計算の発散を招く場合があった。
Furthermore, in the simulation based on the mean field theory, the lower the
図6は、本実施形態のフィラーモデル4の部分拡大図である。本実施形態のフィラーモデル4は、フィラーモデル4の輪郭線10の最小単位長さL1が、メッシュ8の最小単位長さL2の2倍以上に設定されている。このため、フィラーモデル4は、凸凹の輪郭線10の入隅10iに配置される交点8p又は出隅10oに配置される交点8pの中間に、少なくとも一つのメッシュ8の交点8pを設定することができる。
FIG. 6 is a partially enlarged view of the
中間10cの交点8pに配置されたポリマーセグメント7(以下、単に「中間10cのポリマーセグメント7」ということがある。)に結合された次のポリマーセグメント7は、入隅10iの交点8p、出隅10oの交点8p、及び、中間10cの上側の交点8pに配置可能である(合計3個)。このため、中間10cのポリマーセグメント7は、入隅10iのポリマーセグメント7に比べて、次のポリマーセグメント7が配置可能な交点8pの個数が多い。従って、中間10cポリマーセグメント7を含むポリマーモデル6は、入隅10iのポリマーセグメント7を含むポリマーモデル6に比べて、平均場理論での安定性が高い。
The
一方、中間10cのポリマーセグメント7は、出隅10oのポリマーセグメント7に比べて、次のポリマーセグメント7が配置可能な交点8pの個数が少ない。従って、中間10cポリマーセグメント7を含むポリマーモデル6は、出隅10oのポリマーセグメント7を含むポリマーモデル6に比べて、平均場理論での安定性が低い。
On the other hand, the
このように、本実施形態のシミュレーション方法によれば、例えば、ポリマーセグメント7が出隅10oから入隅10iに順次配置されるポリマーモデル6の安定性を、中間10cの交点8pを介して、段階的に低下させることができる。従って、本実施形態のフィラーモデル4を用いたシミュレーション方法では、高分子材料の物理量が急激に上昇するのを防ぐことができるため、該物理量の計算を安定して収束させることができる。
As described above, according to the simulation method of the present embodiment, for example, the stability of the
このような作用を効果的に発揮させるために、フィラーモデル4の輪郭線10の最小単位長さL1は、好ましくは、メッシュ8の最小単位長さL2の2倍以上、さらに好ましくは3倍以上である。これにより、フィラーモデル4は、凸凹の輪郭線10の入隅10i又は出隅10oの中間10cに、複数の交点8pを設定することができるため、ポリマーセグメント7が入隅10iに配置されるまでの距離を大きくすることができる。従って、ポリマーモデル6の安定性が急激に低下するのを抑制でき、高分子材料の物理量が急激に上昇するのを確実に防ぐことができる。
In order to effectively exhibit such an action, the minimum unit length L1 of the
図7は、本実施形態のシミュレーション工程S5の一例を示すフローチャートである。本実施形態のシミュレーション工程S5では、仮想空間3に、一対のフィラーモデル4、4が配置されている。このため、本実施形態のシミュレーション工程S5では、フィラーモデル4、4間の粒子間距離に応じた計算系の自由エネルギーFの変化を計算することができる。
FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of the simulation step S5 of the present embodiment. In the simulation step S5 of the present embodiment, a pair of
本実施形態のシミュレーション工程S5では、先ず、一対のフィラーモデル4、4を当接させて、計算系の自由エネルギーの最小値Fsが計算される(工程S51)。図8(a)は、一対のフィラーモデル4、4が当接した仮想空間の概念図である。図8(b)は、一対のフィラーモデル4、4が離間した仮想空間の概念図である。図8(a)及び(b)では、ポリマーモデル6(図3に示す)を省略して表示している。
In the simulation step S5 of the present embodiment, first, the pair of
工程S51では、図8(a)に示されるように、一対のフィラーモデル4、4が当接される。これにより、一対のフィラーモデル4、4が当接した状態での計算系の自由エネルギーFが計算される。なお、一対のフィラーモデル4、4が当接した状態では、フィラーモデル4近傍に配置されるポリマーモデル6(図3に示す)が最も少なくなるため、ポリマーモデル6の配置のエントロピー低下が抑えられ、自由エネルギーFが最小となる。
In step S51, as shown in FIG. 8A, the pair of
工程S51では、一対のフィラーモデル4、4が当接した状態の粒子間距離R(最小粒子間距離Rs)が計算される。なお、粒子間距離Rは、フィラーモデル4が配置される領域5、5の重心5c、5c間の距離として定義される。工程S51では、自由エネルギーの最小値Fs、及び、最小粒子間距離Rsが、コンピュータ1に記憶される。
In step S51, the interparticle distance R (minimum interparticle distance Rs) in a state where the pair of
次に、一対のフィラーモデル4、4を離間させて、計算系の自由エネルギーの最大値Fmが計算される(工程S52)。図8(b)に示されるように、工程S52では、一対のフィラーモデル4、4が当接した状態から一定の間隔で離間させて、各粒子間距離Rでの計算系の自由エネルギーFが計算される。各粒子間距離R、及び各粒子間距離Rでの計算系の自由エネルギーFは、コンピュータ1に記憶される。図9は、計算系の自由エネルギーFと、フィラーモデル4の粒子間距離Rとの関係を示すグラフである。
Next, the pair of
一対のフィラーモデル4、4の粒子間距離Rが大きくなると、フィラーモデル4とポリマーモデル6との接する部分が大きくなる。このため、計算系の自由エネルギーFが大きくなる。本実施形態の工程S52では、計算系の自由エネルギーFの増分がゼロになるまで、一対のフィラーモデル4、4の粒子間距離Rを大きくして、計算系の自由エネルギーFが計算される。これにより、工程S52では、計算系の自由エネルギーFの最大値Fmを求めることができる。工程S52では、自由エネルギーの最大値Fmが、コンピュータ1に記憶される。
When the inter-particle distance R between the pair of
このように、本実施形態のシミュレーション工程S5では、仮想空間3に一対のフィラーモデル4、4が設けられているため、フィラーモデル4、4間の粒子間距離に応じた計算系の自由エネルギーFの変化を求めることができる。このような計算系の自由エネルギーFの変化は、例えば、フィラー間の相互作用ポテンシャルのパラメータを推定するのに用いることができる。
Thus, in the simulation step S5 of the present embodiment, since the pair of
次に、コンピュータ1が、高分子材料の物理量が許容範囲内であるかを判断する(工程S6)。この工程S6では、高分子材料の物理量が許容範囲内であると判断された場合、フィラーモデル4及びポリマーモデル6の諸条件に基づいて、系全体の変形シミュレーションが実施される(工程S7)。変形シミュレーションは、従来と同様に、OCTAに含まれるKAPSELを用いて処理することができる。そして、変形シミュレーションの結果が良好であれば、フィラーを含む高分子材料が製造される(工程S8)。
Next, the
一方、高分子材料の物理量が許容範囲外と判断された場合は、フィラーモデル4及びポリマーモデル6の諸条件が変更されて(工程9)、工程S1〜工程S6が再度実施される。このように、本実施形態では、高分子材料の物理量が許容範囲内になるまで、フィラーモデル4及びポリマーモデル6の諸条件が変更されるため、所望の性能を有する高分子材料を、効率よく設計することができる。
On the other hand, when it is determined that the physical quantity of the polymer material is outside the allowable range, various conditions of the
本実施形態では、仮想空間3及びフィラーモデル4が、二次元モデルとして定義されたものが例示されたが、三次元モデルとして定義されてもよい。この場合、仮想空間3は、3次元の直方体として定義されるのが望ましい。また、フィラーモデル4は、例えば、走査型透過電子顕微鏡を用いて取得されたフィラーの電子線透過画像に基づいて、モデル化されるのが望ましい。このようなフィラーモデル4を用いたシミュレーション方法では、フィラーの形状を精度よくモデル化することができるため、計算系の自由エネルギーFの計算精度を、さらに高めることができる。
In the present embodiment, the
以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。 As mentioned above, although especially preferable embodiment of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to embodiment of illustration, It can deform | transform and implement in a various aspect.
図2及び図6に示した手順に従い、図3に示したフィラーモデルを有する仮想空間が定義され、平均場理論に基づく高分子材料の物理量が計算された(実施例)。実施例のフィラーモデルは、輪郭線の最小単位長さL1が、メッシュ8の最小単位長さL2の2倍に設定されている。
According to the procedure shown in FIGS. 2 and 6, a virtual space having the filler model shown in FIG. 3 was defined, and the physical quantity of the polymer material based on the mean field theory was calculated (Example). In the filler model of the embodiment, the minimum unit length L1 of the contour line is set to be twice the minimum unit length L2 of the
また、比較のために、図5に示したフィラーモデルを有する仮想空間が定義され、平均場理論に基づく高分子材料の物理量が計算された(比較例)。比較例のフィラーモデルは、輪郭線の最小単位長さL1と、メッシュ8の最小単位長さL2とが同一に設定されている。
For comparison, a virtual space having the filler model shown in FIG. 5 was defined, and the physical quantity of the polymer material based on the mean field theory was calculated (comparative example). In the filler model of the comparative example, the minimum unit length L1 of the contour line and the minimum unit length L2 of the
実施例及び比較例において、各シミュレーション方法がそれぞれ10回実施され、高分子材料の物理量の計算が収束するか否かが確認された。各パラメータは、明細書中の記載通りであり、共通仕様は次のとおりである。
平均場理論のシミュレーション:
仮想空間:
長さL5a:30σ
長さL5b:60σ
メッシュの微小単位長さL2:1σ
フィラーモデル:
仮想空間に配置される個数:2個
直径:6σ
ポリマーモデル:
仮想空間に配置される体積分率:80%
ポリマーセグメントの鎖長:50(直鎖分子)
ポリマーセグメントの直径(隣接セグメント間の距離):1σ
ポリマーセグメント間のχパラメータK2:0.0
ポリマーセグメント・フィラーセグメント間のχパラメータK3:3.0
In each of the examples and comparative examples, each simulation method was performed 10 times, and it was confirmed whether or not the calculation of the physical quantity of the polymer material converged. Each parameter is as described in the specification, and the common specifications are as follows.
Simulation of mean field theory:
Virtual space:
Length L5a: 30σ
Length L5b: 60σ
Fine unit length L2 of mesh: 1σ
Filler model:
Number of virtual space: 2
Diameter: 6σ
Polymer model:
Volume fraction placed in virtual space: 80%
Polymer segment chain length: 50 (linear molecule)
Polymer segment diameter (distance between adjacent segments): 1σ
Χ parameter K2 between polymer segments: 0.0
Χ parameter K3 between polymer segment and filler segment: 3.0
テストの結果、実施例では、全ての計算において収束できた。一方、比較例では、計算の発散が5回発生した。従って、実施例のシミュレーション方法では、平均場理論に基づく高分子材料の物理量の計算を安定して収束させることができることが確認できた。 As a result of the test, in the example, convergence was possible in all calculations. On the other hand, in the comparative example, the calculation divergence occurred five times. Therefore, it was confirmed that the simulation method of the example can stably converge the calculation of the physical quantity of the polymer material based on the mean field theory.
3 仮想空間
4 フィラーモデル
6 ポリマーモデル
7 ポリマーセグメント
8 メッシュ
9 微小領域
10 輪郭線
3
Claims (4)
前記コンピュータに、メッシュに区分された複数の微小領域を含む仮想空間を定義する工程、
前記仮想空間に、前記フィラーをモデル化したフィラーモデルを設定する工程、
前記仮想空間に、前記高分子材料をモデル化したポリマーモデルを設定する工程、及び
前記コンピュータが、前記仮想空間内に定義された前記フィラーモデルと前記ポリマーモデルとを用いて、前記高分子材料の物理量を計算する工程を含み、
前記フィラーモデルは、複数の前記微小領域を囲むように前記メッシュに沿った凸凹の輪郭線で定義され、
前記ポリマーモデルは、前記メッシュの交点に定義された複数のポリマーセグメントでモデル化され、
前記フィラーモデルの前記輪郭線の最小単位長さL1は、前記メッシュの最小単位長さL2の2倍以上であることを特徴とする高分子材料のシミュレーション方法。 A simulation method for calculating a physical quantity of a polymer material containing a filler based on mean field theory using a computer,
Defining, in the computer, a virtual space including a plurality of minute regions divided into meshes;
Setting a filler model that models the filler in the virtual space;
A step of setting a polymer model obtained by modeling the polymer material in the virtual space; and the computer using the filler model and the polymer model defined in the virtual space. Including a step of calculating a physical quantity,
The filler model is defined by an uneven contour line along the mesh so as to surround a plurality of the minute regions,
The polymer model is modeled with a plurality of polymer segments defined at the intersection of the mesh,
The method for simulating a polymer material, wherein the minimum unit length L1 of the contour line of the filler model is at least twice the minimum unit length L2 of the mesh.
L1≦L3−L2×4 The method for simulating a polymer material according to claim 1 or 2, wherein the minimum unit length L1 of the filler model, the minimum unit length L2 of the mesh, and the diameter L3 of the filler model satisfy the following relationship.
L1 ≦ L3-L2 × 4
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