JP6492439B2 - Method for creating model for analyzing specific substance, computer program for creating model for analyzing specific substance, simulation method for specific substance, and computer program for simulating specific substance - Google Patents
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Description
本発明は、特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、特定物質のシミュレーション方法及び特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムに関し、特に、2種類以上の物質を含有する特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、特定物質のシミュレーション方法及び特定物質のシミュレーション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 for analyzing a specific substance, a computer program for creating a model for analyzing a specific substance, a simulation method for a specific substance, and a computer program for simulating a specific substance. The present invention relates to a method for creating a model for analyzing a specific substance, a computer program for creating a model for analyzing a specific substance, a simulation method for a specific substance, and a computer program for simulating a specific substance.
従来、自動車用タイヤなどに用いられる変性ポリマーとフィラーとを含む高分子材料のモデルの作成方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。このモデルの作成方法では、変性ポリマーとフィラーとの間の相互作用を他の粒子間の相互作用より大きくして変性ポリマーとフィラーとを高分子材料中に分散させる。そして、変性ポリマーとフィラーとの間の相互作用を他の粒子間の相互作用より小さくして変性ポリマーの末端とフィラーとを反応させて高分子材料の解析用モデルを作成する。 Conventionally, a method for creating a model of a polymer material including a modified polymer and a filler used for automobile tires has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this model creation method, the interaction between the modified polymer and the filler is made larger than the interaction between other particles, and the modified polymer and the filler are dispersed in the polymer material. Then, the interaction between the modified polymer and the filler is made smaller than the interaction between other particles, and the terminal of the modified polymer and the filler are reacted to create a model for analyzing the polymer material.
ところで、ポリマー及びフィラーを含むゴムなどの2種類以上の物質を含有する複合材料においては、フィラーの周囲に存在するポリマーの分子運動がコンパウンドの材料特性に大きな影響を与えることが予測される。このような複合材料の材料特性の発現のメカニズムを解明するためには、フィラーとポリマーとが所定領域内に配置された複合材料のモデルを正確に作成してシミュレーションを実行することが有効である。 By the way, in a composite material containing two or more kinds of substances such as rubber containing a polymer and a filler, it is predicted that the molecular motion of the polymer existing around the filler has a great influence on the material properties of the compound. In order to elucidate the mechanism of manifestation of the material properties of such composite materials, it is effective to create a model of the composite material in which the filler and the polymer are arranged in a predetermined region and execute the simulation. .
しかしながら、従来の高分子材料のモデルの作成方法では、作成するフィラーモデルの形状及びポリマーモデルの作成条件によっては、必ずしも正確な複合材料のモデルを作成することができない場合があった。このため、解析対象となる複合材料などの特定物質の材料特性を十分に解析できるモデルの作成方法が望まれている。 However, in the conventional polymer material model creation method, an accurate composite material model may not always be created depending on the shape of the filler model to be created and the creation conditions of the polymer model. Therefore, there is a demand for a model creation method that can sufficiently analyze the material characteristics of a specific substance such as a composite material to be analyzed.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、2種類以上の物質を含有する特定物質の解析用モデルを効率的に作成でき、特定物質の材料特性に及ぼす影響を正確に解析できる特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、特定物質のシミュレーション方法及び特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can efficiently create a model for analyzing a specific substance containing two or more kinds of substances, and accurately analyze the influence of specific substances on the material properties. An object of the present invention is to provide a method for creating a model for analyzing a specific substance, a computer program for creating a model for analyzing a specific substance, a simulation method for a specific substance, and a computer program for simulating a specific substance.
本発明の特定物質の解析用モデルの作成方法は、コンピュータを用いて分子動力学法により少なくとも2つの物質を含有する特定物質の解析用モデルを作成する特定物質の解析用モデルの作成方法であって、特定物質の解析用モデルを作成するモデル作成領域を設定する第1ステップと、前記モデル作成領域内に第1物質のモデルを作成する第2ステップと、前記モデル作成領域内に第2物質の配置領域を設定する第3ステップと、前記第2物質の配置領域内の前記第1物質のモデルを当該第2物質の配置領域から排除して前記第2物質を配置する空隙を作成する第4ステップと、前記空隙に前記第2物質を配置して前記特定物質の解析用モデルを作成する第5ステップと、を含むことを特徴とする。 The method for creating a model for analyzing a specific substance of the present invention is a method for creating a model for analyzing a specific substance that creates a model for analyzing a specific substance containing at least two substances by a molecular dynamics method using a computer. A first step of setting a model creation area for creating a model for analyzing a specific substance, a second step of creating a model of the first substance in the model creation area, and a second substance in the model creation area A third step of setting an arrangement area of the second substance, and a step of creating a void for arranging the second substance by excluding the model of the first substance in the arrangement area of the second substance from the arrangement area of the second substance 4 steps and a 5th step which arrange | positions the said 2nd substance in the said space | gap, and produces the analysis model of the said specific substance, It is characterized by the above-mentioned.
この特定物質の解析用モデルの作成方法によれば、設定したモデル作成領域内に第1物質のモデルを作成し、作成した第1物質のモデル内に空隙を設けて第2物質のモデルを配置するので、モデル内に配置する第2物質の数が多い場合であっても、2種類以上の物質を含有する特定物質のモデルを効率的に作成することが可能となる。これにより、特定物質の材料特性に及ぼす影響を正確に解析できる特定物質の解析用モデルの作成方法を実現できる。 According to the method for creating a model for analyzing a specific substance, a model of the first substance is created in the set model creation area, and a second substance model is arranged by providing a gap in the created model of the first substance. Therefore, even when the number of second substances arranged in the model is large, it is possible to efficiently create a model of a specific substance containing two or more kinds of substances. Thereby, it is possible to realize a method for creating a model for analyzing a specific substance that can accurately analyze the influence of the specific substance on the material characteristics.
本発明の特定物質の解析用モデルの作成方法においては、前記第2ステップにおいて、粗視化分子動力学法を用いて前記第2物質を配置する前記空隙を作成することが好ましい。この方法により、計算効率が向上するので、効率的に空隙を作成することが可能となる。 In the method for creating a model for analyzing a specific substance of the present invention, in the second step, it is preferable to create the void in which the second substance is arranged using a coarse-grained molecular dynamics method. Since this method improves the calculation efficiency, it is possible to efficiently create a void.
本発明の特定物質の解析用モデルの作成方法においては、前記第2ステップにおいて、前記第2物質の配置領域をシミュレーションで指定することが好ましい。この方法により、モデル作成領域内における第2物質の配置位置の指定が容易となるので、第2物質のモデルを複数用いる場合であっても、効率的に第2物質を配置することが可能となる。 In the method for creating a model for analyzing a specific substance of the present invention, it is preferable that in the second step, an arrangement region of the second substance is designated by simulation. By this method, it becomes easy to specify the arrangement position of the second substance in the model creation region, so that the second substance can be arranged efficiently even when a plurality of models of the second substance are used. Become.
本発明の特定物質の解析用モデルの作成方法においては、前記第1物質が、高分子材料であることが好ましい。この方法により、高分子材料を含有する特定物質の解析用モデルを作成することが可能となる。 In the method for creating a model for analyzing a specific substance of the present invention, the first substance is preferably a polymer material. This method makes it possible to create a model for analysis of a specific substance containing a polymer material.
本発明の特定物質の解析用モデルの作成方法においては、前記第2物質が、フィラーであることが好ましい。この方法により、フィラーを含有する特定物質の解析用モデルを作成することが可能となる。 In the method for creating a model for analyzing a specific substance of the present invention, the second substance is preferably a filler. This method makes it possible to create a model for analyzing a specific substance containing a filler.
本発明の特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラムは、上記特定物質の解析用モデルの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。 A computer program for creating a model for analyzing a specific substance according to the present invention causes a computer to execute the method for creating a model for analyzing a specific substance.
この特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラムによれば、設定したモデル作成領域内に第1物質のモデルを作成し、作成した第1物質のモデル内に空隙を設けて第2物質を配置するので、2種類以上の物質を含有する特定物質のモデルを効率的に作成することが可能となり、特定物質の材料特性に及ぼす影響を正確に解析できる特定物質の解析用モデルを作成できる。 According to the computer program for creating an analysis model for a specific substance, a model of the first substance is created in the set model creation area, and a second substance is arranged by providing a gap in the created model of the first substance. Therefore, it is possible to efficiently create a model of a specific substance containing two or more kinds of substances, and it is possible to create a model for analyzing a specific substance that can accurately analyze the influence of the specific substance on the material characteristics.
本発明の特定物質のシミュレーション方法は、上記特定物質の解析用モデルの作成方法で作成した前記第1物質のモデルと前記第2物質のモデルとの間に相互作用を設定し、分子動力学法を用いて緩和計算を実行することを特徴とする。 The specific substance simulation method of the present invention includes a molecular dynamics method in which an interaction is set between the model of the first substance and the model of the second substance created by the method for creating the model for analyzing the specific substance. The relaxation calculation is performed using
この特定物質のシミュレーション方法によれば、第1物質及び第2物質を含有する特定物質の解析用モデル中での前記第1物質のモデルと前記第2物質のモデルとの間の不安定構造が解消され、平衡状態が得られるので、前記第1物質のモデルと前記第2物質のモデルとの配置が材料特性に及ぼす影響を解析することが可能となる。 According to the simulation method of the specific substance, an unstable structure between the model of the first substance and the model of the second substance in the analysis model of the specific substance containing the first substance and the second substance is obtained. Since it is eliminated and an equilibrium state is obtained, it is possible to analyze the influence of the arrangement of the first substance model and the second substance model on the material properties.
本発明の特定物質のシミュレーション方法は、上記特定物質の解析用モデルの作成方法で作成した特定物質の解析用モデルを用いて変形解析を実行することを特徴とする。 The specific substance simulation method of the present invention is characterized in that the deformation analysis is performed using the specific substance analysis model created by the above specific substance analysis model creation method.
この特定物質のシミュレーション方法によれば、第1物質及び第2物質を含有する特定物質の解析用モデルを用いて変形解析を実行するので、特定物質の形状が材料特性に及ぼす影響を解析することが可能となり、コンパウンドの力学特性を得ることが可能となる。 According to this specific substance simulation method, the deformation analysis is executed using the analysis model of the specific substance containing the first substance and the second substance, so that the influence of the shape of the specific substance on the material characteristics is analyzed. It becomes possible to obtain the mechanical characteristics of the compound.
本発明の特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムは、上記特定物質のシミュレーション方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。 The computer program for simulation of a specific substance of the present invention causes the computer to execute the simulation method for the specific substance.
この特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムによれば、2種類以上の物質を含有する特定物質の解析用モデルを効率的に作成でき、特定物質の材料特性に及ぼす影響を正確に解析できる。 According to the computer program for simulation of a specific substance, an analysis model for the specific substance containing two or more kinds of substances can be efficiently created, and the influence of the specific substance on the material characteristics can be accurately analyzed.
本発明によれば、2種類以上の物質を含有する特定物質の解析用モデルを効率的に作成でき、特定物質の材料特性に及ぼす影響を正確に解析できる特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、特定物質のシミュレーション方法及び特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラムを実現できる。 According to the present invention, a method for creating a model for analyzing a specific substance capable of efficiently creating a model for analyzing a specific substance containing two or more types of substances and accurately analyzing the influence on the material properties of the specific substance, A computer program for creating a model for analyzing a specific substance, a simulation method for the specific substance, and a computer program for simulating the specific substance can be realized.
以下、本発明の一実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, It can implement by changing suitably.
本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法は、コンピュータを用いて分子動力学法により少なくとも2つの物質を含有する特定物質の解析用モデルを作成する特定物質の解析用モデルの作成方法であって、特定物質の解析用モデルを作成するモデル作成領域を設定する第1ステップと、モデル作成領域内に第1物質のモデルを作成する第2ステップと、モデル作成領域内に第2物質の配置領域を設定する第3ステップと、第2物質の配置領域内の第1物質のモデルを当該第2物質の配置領域から排除して第2物質を配置する空隙を作成する第4ステップと、空隙に第2物質を配置して特定物質の解析用モデルを作成する第5ステップと、を含む。まず、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の概要について説明する。 The method for creating a model for analyzing a specific substance according to the present embodiment is to create a model for analyzing a specific substance that creates a model for analyzing a specific substance containing at least two substances by a molecular dynamics method using a computer. A method includes a first step of setting a model creation region for creating an analysis model of a specific substance, a second step of creating a model of the first substance in the model creation region, and a second step in the model creation region. A third step of setting a material placement region, and a fourth step of creating a void in which the second material is placed by excluding the model of the first material in the second material placement region from the second material placement region. And a fifth step of creating a model for analyzing the specific substance by disposing the second substance in the gap. First, an outline of a method for creating a model for analyzing a specific substance according to the present embodiment will be described.
図1Aは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成される解析用モデル1の一例を示す概念図である。図1Aに示すように、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデル1は、一辺の長さが距離L1の略立方体状の仮想空間であるモデル作成領域A1内でフィラーモデル11及びポリマーモデル12が配置されて解析対象となる特定物質がモデル化されたものである。なお、本実施の形態では、解析対象となる特定物質がフィラー(第1物質)及び高分子材料であるポリマー(第2物質)を含有する複合材料である例について説明するが、本発明は、2種類の物質を含有する複合材料以外にも各種材料に適用可能である。
FIG. 1A is a conceptual diagram showing an example of an analysis model 1 created by the method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. As shown in FIG. 1A, a model 1 for analyzing a specific substance according to the present embodiment includes a
図1Bは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成される解析用モデルの他の例を示す概念図である。図1Bに示す解析用モデル2では、図1に示した解析用モデル1のフィラーモデル11に代えてモデル作成領域A1に第1のフィラーモデル11Aと第2のフィラーモデル11Bとがフィラーモデル化されている。第1のフィラーモデル11A及び第2のフィラーモデル11Bは、複数のフィラー粒子11aがそれぞれ略球体に集合して構成される。また、第1のフィラーモデル11Aと第2のフィラーモデル11Bとは、相互に凝集して外縁部の一部が連結(共有)されている。
FIG. 1B is a conceptual diagram showing another example of an analysis model created by the method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. In the
図1Cは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成される解析用モデルの他の例を示す概念図である。図1Cに示す解析用モデル3では、図1に示した解析用モデル1のフィラーモデルに代えてモデル作成領域A1内で第1のフィラーモデル11Aと第2のフィラーモデル11Bと第3のフィラーモデル11Cと第4のフィラーモデル11Dとがモデル化されている。第1のフィラーモデル11A、第2のフィラーモデル11B、第3のフィラーモデル11C及び第4のフィラーモデル11Dは、複数のフィラー粒子11aがそれぞれ略球状体に集合して構成される。第1のフィラーモデル11Aと第2のフィラーモデル11Bとの間は、相互に凝集して外縁部の一部が連結(共有)されている。第2のフィラーモデル11Bと第3のフィラーモデル11Cとの間は、相互に凝集して外縁部の一部が連結(共有)されている。第3のフィラーモデル11Cと第4のフィラーモデル11Dとの間は、相互に凝集して外縁部の一部が連結(共有)されている。第1のフィラーモデル11Aと第4のフィラーモデル11Dとの間は、相互に凝集して外縁部の一部が近接している。このように、本実施の形態によれば、2つの第1のフィラーモデル11A及び第2のフィラーモデル11Bが凝集した複雑な形状の解析用モデル2及び4つの第1のフィラーモデル11A、第2のフィラーモデル11B、第3のフィラーモデル11C、及び第4のフィラーモデル11Dが凝集した複雑な形状の解析用モデル3を作成することも可能である。
FIG. 1C is a conceptual diagram showing another example of an analysis model created by the method for creating an analysis model for a specific substance according to the present embodiment. In the
フィラーとしては、例えば、カーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどが含まれる。フィラーモデル11は、複数のフィラー原子及び複数のフィラー原子の集合体としてのフィラー粒子11aが集合した略球状体としてモデル化される。フィラー粒子11aは、複数のフィラー粒子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(不図示)は、フィラー粒子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11a間を拘束している。結合鎖は、フィラー粒子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ボンドである。このフィラーモデル11は、フィラーを分子動力学で取り扱うための数値データ(フィラー粒子11aの質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。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。
Examples of the filler include carbon black, silica, and alumina. The
ポリマーとしては、例えば、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどが含まれる。このポリマーモデル12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であるポリマー粒子12aが結合鎖12bを介して連結されたものである。なお、図1A〜図1Cにおいては、モデル作成領域に一つのポリマーモデル12を示しているが、ポリマーモデル12は、モデル作成領域A1内で所定密度となるように多数充填されている。ポリマー粒子12aは、複数のポリマー粒子12a間の結合鎖12bによって相対位置が特定されている。この結合鎖12bは、ポリマー粒子12a間の結合距離である平衡長とばね定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各ポリマー粒子12a間を拘束している。結合鎖12bは、ポリマー粒子12a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ボンドである。このポリマーモデル12は、ポリマーを分子動力学で取り扱うための数値データ(ポリマー粒子12aの質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。ポリマーモデル12の数値データは、コンピュータに入力される。
Examples of the polymer include rubber, resin, and elastomer. The
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。 In addition, a modifier is added to the polymer as needed to enhance the affinity with the filler. Examples of the modifier include a hydroxyl group, a carbonyl group, and a functional group of an atomic group.
次に、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法について詳細に説明する。図2A〜図2Eは、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の説明図である。なお、図2A〜図2Eにおいては、図1Aに示した略立方体状のモデル作成領域A1の正面の一部を示している。 Next, a method for creating a model for analyzing a specific substance according to the present embodiment will be described in detail. 2A to 2E are explanatory diagrams of a method for creating a model for analyzing a specific substance according to the present embodiment. 2A to 2E show a part of the front of the substantially cubic model creation region A1 shown in FIG. 1A.
図2Aに示すように、本実施の形態においては、第1ステップでは、解析対象となる特定物質のモデルを作成する仮想空間である計算領域A2内に一辺が長さL1の略立方体状のモデル作成領域A1を設定する。このモデル作成領域A1は、作成する特定物質のモデルの形状に応じて任意形状に設定することが可能である。モデル作成領域A1の形状としては、例えば、略球体状、楕円体状、円錐状、円柱状、三角柱状、立方体状、直方体状、及び多面体状などが挙げられる。これらの中でも、モデル作成領域A1の形状としては、計算効率を向上する観点から、立方体状及び直方体状が好ましく、立方体状がより好ましい。モデル作成領域A1は、例えば、モデル作成領域A1内に指定した特定点を中心座標とする所定の半径を有する略球状体として指定してもよい。また、モデル作成領域A1は、モデル作成領域A1内に指定した複数の特定点を各頂点座標とする多面体として指定してもよい。さらに、モデル作成領域A1は、CADなどによる作図で作成した立体形状に基づいて指定してもよい。 As shown in FIG. 2A, in the present embodiment, in the first step, a substantially cubic model having a side L1 in a calculation area A2 that is a virtual space for creating a model of a specific substance to be analyzed. A creation area A1 is set. This model creation area A1 can be set to an arbitrary shape according to the shape of the model of the specific substance to be created. Examples of the shape of the model creation region A1 include a substantially spherical shape, an ellipsoidal shape, a conical shape, a cylindrical shape, a triangular prism shape, a cubic shape, a rectangular parallelepiped shape, and a polyhedral shape. Among these, the shape of the model creation region A1 is preferably a cubic shape or a rectangular parallelepiped shape, more preferably a cubic shape, from the viewpoint of improving calculation efficiency. The model creation area A1 may be designated as, for example, a substantially spherical body having a predetermined radius with a specific point designated in the model creation area A1 as a central coordinate. The model creation area A1 may be designated as a polyhedron having a plurality of specific points designated in the model creation area A1 as vertex coordinates. Further, the model creation area A1 may be specified based on a three-dimensional shape created by drawing with CAD or the like.
次に、図2Bに示すように、第2ステップでは、モデル作成領域A1内にポリマーモデル12を充填する。ポリマーモデル12は、複数のポリマー粒子12aが結合鎖12bなどを介して連結された分子鎖が集合した状態で順次モデル作成領域A1内に充填される。そして、ポリマーモデル12は、予め設定したポリマーの分子鎖長、ポリマーモデル12の分子鎖数及びポリマーモデル12の分子鎖の密度などの条件を満たすまで充填される。
Next, as shown in FIG. 2B, in the second step, the
次に、図2Cに示すように、第3ステップでは、ポリマーモデル12を充填したモデル作成領域A1内にフィラーモデル11の配置領域A3を指定する。フィラーモデル11の配置領域A3の形状としては、例えば、フィラーモデル11の重心を中心とした略球体状、楕円体状、円錐状、円柱状、三角柱状、立方体状、直方体状、及び多面体状などが挙げられる。これらの中でも、フィラーモデル11の配置領域A3の形状としては、計算効率を向上する観点から、立方体状及び直方体状が好ましく、立方体状がより好ましい。フィラーモデル11の配置領域A3は、例えば、モデル作成領域A1内に指定した特定点を中心座標とする所定の半径を有する略球状体として指定してもよい。また、フィラーモデル11の配置領域A3は、モデル作成領域A1内に指定した複数の特定点を各頂点座標とする多面体として指定してもよい。さらに、モデル作成領域A1は、CADなどによる作図で作成した立体形状に基づいて指定してもよい。
Next, as shown in FIG. 2C, in the third step, the arrangement area A3 of the
次に、図2Dに示すように、第4ステップでは、フィラーモデル11の配置領域A3内のポリマーモデル12を当該フィラーモデル11の配置領域A3から排除してフィラーモデル11を配置する空隙を作成する。ここでは、フィラーモデル11の配置領域A3内のポリマーモデル12をフィラーモデル11の配置領域A3外に移動させてフィラーモデル11を配置する空隙を作成する。また、配置するフィラーモデル11の体積に合わせてポリマーモデル12全体の体積を大きくすることにより、ポリマーモデル12の密度の変化を防ぐことができる。
Next, as shown in FIG. 2D, in the fourth step, the
次に、図2Eに示すように、第5ステップでは、作成したフィラーモデル11を配置する空隙にフィラーモデル11を配置して特定物質の解析用モデルを作成する。フィラーモデル11としては、別途作成したフィラーモデル11を用いてもよく、フィラーモデル11の配置領域A3内にフィラー粒子11aを配置して配置領域A3内でフィラーモデル11を作成してもよい。
Next, as shown in FIG. 2E, in the fifth step, the
また、第3ステップでは、コンピュータを用いた分子動力学法によるシミュレーションでフィラーモデル11の配置位置を指定することが好ましい。これにより、モデル作成領域A1内におけるフィラーモデル11の配置位置の指定が容易となるので、複数のフィラーモデル11を配置する場合であっても、効率的にフィラーを配置することが可能となる。フィラーモデル11の位置を指定するシミュレーションとしては、乱数を用いるモンテカルロ法などが挙げられる。このシミュレーションにより複数のフィラーモデル11を配置する場合には、フィラー同士が相互に接触及び重複する場合には、再度乱数でフィラーモデル11の配置位置を指定してもよく、接触及び重複したフィラーモデル11同士を結合させて1つのフィラーモデル11としてもよい。
In the third step, it is preferable to specify the position of the
また、第4ステップにおいては、粗視化分子動力学法を用いてフィラーモデル11を配置する空隙を作成することが好ましい。この方法により、計算効率が向上するので、効率的に空隙を作成することが可能となる。この場合、空隙は、ポリマーモデル12に変位を与えてポリマーモデル12の位置を変更して作製してもよい。また、空隙は、フィラーモデル11の配置領域にフィラー粒子11aを配置し、配置したフィラー粒子11aとポリマーモデル12との斥力などの相互作用を利用して作成してもよい。
In the fourth step, it is preferable to create a void in which the
また、第4ステップにおいては、図3Aに示すように、配置するフィラーモデル11の配置領域A3に対して相対的に大きい空間をフィラーモデル11の配置するための空隙として指定してもよい。これにより、図3Bに示すように、配置したフィラーモデル11とポリマーモデル12との間に隙間ができるので、フィラーモデル11の配置が容易となる。この場合、フィラーモデル11の配置後にフィラーモデル11とポリマーモデル12との間の隙間にポリマーモデル12を充填することにより、図2Eに示した例と同様に特定物質の解析用モデルを作成することができる。
In the fourth step, as shown in FIG. 3A, a relatively large space with respect to the arrangement region A3 of the
次に、本実施の形態に係るシミュレーション方法について説明する。本実施の形態に係るシミュレーション方法は、上記実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法で作成した解析用モデルを用いたシミュレーション方法である。シミュレーション方法としては、フィラーモデル11とポリマーモデル12との間に相互作用を設定し、分子動力学法を用いて緩和計算を実行するシミュレーション方法及び特定物質の解析用モデルを用いた伸長解析及びせん断変形解析などの変形解析が挙げられる。
Next, a simulation method according to this embodiment will be described. The simulation method according to the present embodiment is a simulation method using the analysis model created by the method for creating the analysis model for the specific substance according to the above embodiment. As a simulation method, an interaction between the
本実施の形態に係るシミュレーション方法においては、緩和計算を行う場合には、ポリマー粒子12a間の距離の伸びきり長が定義されていないポテンシャルを使用することが好ましい。これにより、隣接するポリマーモデル12がポリマー粒子12a間で絡まっても解けやすくなるので、ポリマーモデル12の絡まりによって作用する大きな力を抑制することができるので、計算落ちの発生を防ぐことができる。また、変形解析を行う場合には、ポリマー粒子12a間の距離の伸びきり長が定義されているポテンシャルを使用することが好ましい。これにより、伸びきり長以上のポリマー粒子12a間距離が許容されずに分子動力学計算が行われるので、ポリマーの分子運動に近似させて、変形解析することができ、シミュレーションの精度が向上する。
In the simulation method according to the present embodiment, when the relaxation calculation is performed, it is preferable to use a potential for which the full length of the distance between the
次に、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法及び特定物質のシミュレーション方法について詳細に説明する。図4は、本発明の実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法及び特定物質のシミュレーション方法を実行する解析装置の機能ブロック図である。図4に示すように、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法及び特定物質のシミュレーション方法は、処理部52と記憶部54とを含むコンピュータである解析装置50が実現する。この解析装置50は、入力手段53を備えた入出力装置51と電気的に接続されている。入力手段53は、特定物質の解析用モデルの作成対象であるポリマー及びフィラーの各種物性値及び解析における境界条件などを処理部52又は記憶部54へ入力する。入力手段53としては、例えば、キーボード、マウスなどの入力デバイスが用いられる。
Next, a method for creating a specific substance analysis model and a specific substance simulation method according to the present embodiment will be described in detail. FIG. 4 is a functional block diagram of an analysis apparatus that executes a method for creating a model for analyzing a specific substance and a simulation method for the specific substance according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the
処理部52は、例えば、中央演算装置(CPU:CentraL1 Processing Unit)及びメモリを含む。処理部52は、各種処理を実行する際にコンピュータプログラムを記憶部54から読み込んでメモリに展開する。メモリに展開されたコンピュータプログラムは、各種処理を実行する。例えば、処理部52は、記憶部54から予め記憶された各種処理に係るデータを必要に応じて適宜メモリ上の自身に割り当てられた領域に展開し、展開したデータに基づいて特定物質の解析用モデルの作成及び特定物質の解析用モデルを用いた特定物質のシミュレーションに関する各種処理を実行する。
The
処理部52は、モデル作成部52aと、条件設定部52bと、解析部52cとを含む。モデル作成部52aは、予め記憶部54に記憶されたデータに基づき、分子動力学法により特定物質の解析用モデルを作成する際のフィラー及びポリマーなどの特定物質の粒子数、分子数、分子量、分子鎖長、分子鎖数、分岐、形状、大きさ、反応時間、反応条件及び作成する解析用モデルに含まれる分子数である目標分子数などの構成要素の配置、設定及び計算ステップ数などの粗視化モデルの設定、分子鎖間などの相互作用などの各種計算パラメーターの初期条件の設定を行う。
The
フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子12a間の相互作用を調整する計算パラメーターとしては、下記式(1)で表されるレナード・ジョーンズポテンシャルのσ、εを用い、これらが調整される。ポテンシャルを計算する上限距離(カットオフ距離)を大きくすることで、遠距離まで働いた引力、斥力を調整できる。なお、フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子12a間の相互作用が一定値になるまで順次、フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子12a間の相互作用のパラメーターを小さくすることが好ましい。レナード・ジョーンズポテンシャルのσ、εを大きな値から徐々に本来の値に近づけることにより、分子を不自然な状態に導かない穏やかな速度で粒子の接近を行うことができる。また、カットオフ距離も徐々に小さくすることにより、適正な範囲で引力、斥力を調整できる。
モデル作成部52aは、初期条件の設定の後、平衡化計算を行う。平衡化計算では、所定の温度、密度及び圧力で、初期設定後の各種構成要素が平衡状態に到達する所定の時間、分子動力学計算を行う。そして、モデル作成部52aは、初期条件の設定及び平衡化の計算処理後に、計算領域A2内に特定物質の解析用モデルを作成するモデル作成領域A1を任意形状の領域として設定する。ここでは、モデル作成部52aは、モデル作成領域A1としては、例えば、略球体状、楕円体状、円錐状、円柱状、三角柱状、立方体状、直方体状、及び多面体状など任意形状の領域を指定する。
The
次に、モデル作成部52aは、作成したモデル作成領域A1内に複数のポリマー粒子12aによって構成されたポリマーモデル12を配置する。ここでは、モデル作成部52aは、複数のポリマー粒子12aが結合鎖12bなどを介して連結された分子鎖が集合した状態で順次モデル作成領域A1内にポリマーモデル12を充填する。また、モデル作成部52aは、予め設定したポリマーの分子鎖長、ポリマーモデル12の分子鎖数及びポリマーモデル12の分子鎖の密度などの条件を満たすまでポリマーモデル12を充填する。また、モデル作成部52aは、必要に応じてポリマーにフィラーとの親和性を高める水酸基、カルボニル基、及び原子団の官能基などの変性剤を配合してもよい。
Next, the
次に、モデル作成部52aは、ポリマーモデル12を充填したモデル作成領域A1内にフィラーモデル11の配置領域A3を設定する。また、モデル作成部52aは、フィラーモデル11の配置領域A3の形状としては、例えば、フィラーモデル11の重心を中心とした略球体状、楕円体状、円錐状、円柱状、三角柱状、立方体状、直方体状、及び多面体状などとして設定する。モデル作成部52aは、モデル作成領域A1内に指定した特定点を中心座標とする所定の半径を有する略球状体としてフィラーモデル11の配置領域A3を指定する。また、モデル作成部52aは、モデル作成領域A1内に指定した複数の特定点を各頂点座標とする多面体としてフィラーモデル11の配置領域A3を指定する。さらに、モデル作成部52aは、モデル作成領域A1は、CADなどによる作図で作成した立体形状に基づいてフィラーモデル11の配置領域A3を指定する。また、モデル作成部52aは、コンピュータを用いた分子動力学法による乱数を用いるモンテカルロ法などのシミュレーションでフィラーモデル11の配置位置を指定してもよい。
Next, the
次に、モデル作成部52aは、フィラーモデル11の配置領域A3内のポリマーモデル12を当該フィラーモデル11の配置領域A3から排除してフィラーモデル11を配置する空隙を作成する。ここでは、モデル作成部52aは、フィラーモデル11の配置領域A3内のポリマーモデル12をフィラーモデル11の配置領域A3外に移動させてフィラーモデル11を配置する空隙を作成する。また、モデル作成部52aは、粗視化分子動力学法を用いてフィラーモデル11を配置する空隙を作成してもよい。
Next, the
次に、モデル作成部52aは、作成したフィラーモデル11を配置する空隙にフィラーモデル11を配置して特定物質の解析用モデルを作成する。ここでは、モデル作成部52aは、別途作成したフィラーモデル11を配置してもよく、フィラーモデル11の配置領域A3内にフィラー粒子11aを配置して配置領域A3内でフィラーモデル11を作成してもよい。
Next, the
条件設定部52bは、モデル作成部52aで作成した特定物質の解析用モデル及びポリマーモデル12を用いた分子動力学法による運動シミュレーション(解析)を実行するための各種条件を設定する。条件設定部52bは、入力手段53からの入力及び記憶部54に記憶されている情報に基づいて各種条件を設定する。各種条件としては、解析を実行するフィラーの位置及び数、フィラー原子、フィラー原子団、フィラー粒子及びフィラー粒子群の位置及び数、フィラー粒子番号、ポリマーの分子鎖の位置及び数、ポリマー原子、ポリマー原子団、ポリマー粒子及びポリマー粒子群の位置及び数、ポリマー粒子番号、予め設定した物理量履歴である応力ひずみ曲線及び条件を変更しない固定値などが含まれる。
The condition setting unit 52b sets various conditions for executing a motion simulation (analysis) by the molecular dynamics method using the analysis model of the specific substance created by the
解析部52cは、モデル作成部52aにより作成されたフィラーモデル11及びポリマーモデル12を含む特定物質の解析用モデルを用いた分子動力学法による緩和計算、伸長解析、剪断解析などの変形解析などの運動シミュレーションを実行して各種物理量を取得する。ここでの運動シミュレーションとしては、例えば、伸長解析及びせん断解析などが挙げられる。また、ここでの物理量としては、シミュレーションの結果得られる運動変位及び公称応力又は運動変位を演算して得られる公称ひずみなどが挙げられる。これにより、任意に作成した複雑な形状のフィラーモデル11をポリマーモデル12中に配置するので、フィラーの形状がポリマーに及ぼす影響を解析することが可能となり、フィラーモデル11の挿入により生じた不安定構造を解消して平衡状態が得られる。さらに、任意に作成した複雑な形状の特定物質の解析用モデルを用いて変形解析を実行するので、特定物質の形状が材料特性に及ぼす影響を解析することが可能となり、コンパウンドの力学特性を得ることが可能となる。
The
記憶部54は、ハードディスク装置、光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ及びCD−ROMなどの読み出しのみが可能な記録媒体である不揮発性のメモリ、並びに、RAM(Random Access Memory)のような読み出し及び書き込みが可能な記録媒体である揮発性のメモリが適宜組み合わせられる。
The
記憶部54には、入力手段53を介して解析対象となる特定物質の解析用モデルを作成するためのデータであるゴムカーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどのフィラーのデータ、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどのポリマーのデータ、予め設定した物理量履歴である応力ひずみ曲線及び本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質のシミュレーション方法を実現するためのコンピュータプログラムなどが格納されている。このコンピュータプログラムは、コンピュータ又はコンピュータシステムに既に記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、本実施の形態に係る特定物質のシミュレーション方法を実現できるものであってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OS(Operating System)及び周辺機器などのハードウェアを含むものとする。
The
表示手段55は、例えば、液晶表示装置等の表示用デバイスである。なお、記憶部54は、データベースサーバなどの他の装置内にあってもよい。例えば、解析装置50は、入出力装置51を備えた端末装置から通信により処理部52及び記憶部54にアクセスするものであってもよい。
The display means 55 is a display device such as a liquid crystal display device. The
次に、図5を参照して本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の具体例について説明する。図5は、本実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法の一例の概略を示すフロー図である。 Next, a specific example of a method for creating a specific substance analysis model according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart showing an outline of an example of a method for creating a specific substance analysis model according to the present embodiment.
図5に示すように、開始時には、モデル作成部52aが、入力手段53を介して予め記憶部54に記憶されたフィラー及びポリマーをモデル化するためのデータであるフィラー及びポリマーなどの特定物質の粒子数、分子数、分子量、分子鎖長、分子鎖数、分岐、形状、大きさ、反応時間、反応条件及び作成する解析用モデルに含まれる分子数である目標分子数などの構成要素の配置、予め設定した物理量履歴である応力ひずみ曲線及び条件を変更しない固定値などのフィラー及びポリマーをモデル化するための各種データを読込む。続いて、モデル作成部52aは、各種データに基づいて、初期条件の設定及び分子動力学計算により平衡化計算を行う。
As shown in FIG. 5, at the start, the
次に、モデル作成部52aは、仮想空間である計算領域A2内に特定物質のモデル作成領域A1を設定する(ステップST1)。次に、モデル作成部52aは、モデル作成領域A1内に、予め設定したポリマーモデル12の分子鎖長、ポリマーモデル12の分子鎖数及びポリマーモデル12の分子鎖数の密度などのポリマーモデル12の作成条件に基づいてポリマーモデル12を作成する(ステップST2)。次に、モデル作成部52aは、ポリマーモデル12を作成したモデル作成領域A1内に必要数のフィラーモデル11の配置領域A3を設定する(ステップST3)。
Next, the
次に、モデル作成部52aは、フィラーモデル11の配置領域A3内のポリマーモデル12をフィラーモデル11の配置領域A3内から排除してフィラーモデル11を配置するための空隙を作成する(ステップST4)。次に、モデル作成部52aは、フィラーモデル11の配置領域A3内にフィラーモデル11を配置して特定物質の解析用モデルを作成する(ステップST5)。ここでは、モデル作成部52aは、別途作成したフィラーモデル11をモデル作成領域A1内に配置してもよく、モデル作成領域A1内でフィラーモデル11を作成してもよい。また、モデル作成部52aは、作成した特定物質の解析用モデルのデータを記憶部54に格納して特定物質の解析用モデルの作成を終了する。
Next, the
次に、条件設定部52bは、入力手段53からの入力又は記憶部54に記憶されている情報に基づいて、フィラーの解析用モデルを用いた分子動力学法による運動シミュレーション(解析)の条件を設定する。次に、解析部52cは、条件設定部52bによって設定された条件に基づいて、モデル作成部52aによって作成されたフィラーの解析用モデルを用いて緩和計算及び変形解析などの解析を行い公称応力及び公称ひずみなどの物理量を取得する。また、解析部52cは、緩和計算及び変形解析などによって得られた解析結果を記憶部54に格納する。
Next, the condition setting unit 52b sets the conditions for the motion simulation (analysis) by the molecular dynamics method using the filler analysis model based on the input from the input means 53 or the information stored in the
以上説明したように、上記実施の形態に係る特定物質の解析用モデルの作成方法によれば、設定したモデル作成領域A1内にポリマーモデル12を作成し、作成したポリマーモデル12内に空隙を設けてフィラーモデル11を配置するので、モデル内に配置するフィラーモデル11の数が多い場合であっても、2種類以上の物質を含有する特定物質のモデルを効率的に作成することが可能となる。これにより、特定物質の材料特性に及ぼす影響を正確に解析できる特定物質の解析用モデルの作成方法を実現できる。
As described above, according to the method for creating a model for analyzing a specific substance according to the above embodiment, the
1,2,3 解析用モデル
11 フィラーモデル
11a フィラー粒子
12 ポリマーモデル
12a ポリマー粒子
50 解析装置
51 入出力装置
52 処理部
52a モデル作成部
52b 条件設定部
52c 解析部
53 入力手段
54 記憶部
55 表示手段
1, 2, 3 Model for
Claims (9)
前記コンピュータが、ユーザによって指定された、特定物質の解析用モデルを作成するモデル作成領域を検出する第1ステップと、
前記コンピュータが、前記モデル作成領域内に第1物質のモデルを作成する第2ステップと、
前記コンピュータが、前記モデル作成領域内に第2物質の配置領域を設定する第3ステップと、
前記コンピュータが、前記第2物質の配置領域内の前記第1物質のモデルを当該第2物質の配置領域から排除して前記第2物質を配置する空隙を作成する第4ステップと、
前記コンピュータが、前記空隙に前記第2物質を配置して前記特定物質の解析用モデルを作成する第5ステップと、
を含むことを特徴とする、特定物質の解析用モデルの作成方法。 A method for creating a model for analyzing a specific substance that creates a model for analyzing a specific substance containing at least two substances by molecular dynamics using a computer,
A first step in which the computer detects a model creation region designated by a user to create a model for analysis of a specific substance;
A second step in which the computer creates a model of the first substance in the model creation region;
A third step in which the computer sets an arrangement region of the second substance in the model creation region;
A fourth step in which the computer excludes the model of the first substance in the arrangement area of the second substance from the arrangement area of the second substance and creates a void in which the second substance is arranged;
A fifth step in which the computer creates the analysis model of the specific substance by arranging the second substance in the gap;
A method for creating a model for analyzing a specific substance, characterized by comprising:
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