JP6834182B2 - Composite material analysis model creation method, composite material analysis model creation computer program, composite material analysis method and composite material analysis computer program - Google Patents
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Description
本発明は、複合材料の解析用モデルの作成方法、複合材料の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムに関し、例えば、フィラー及びポリマーを含む複合材料を解析可能な複合材料の解析用モデルの作成方法、複合材料の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to a method for creating a model for analyzing a composite material, a computer program for creating a model for analyzing a composite material, a method for analyzing a composite material and a computer program for analyzing a composite material, for example, a composite material containing a filler and a polymer. The present invention relates to a method for creating an analysis model for a composite material, a computer program for creating a model for analysis of a composite material, an analysis method for a composite material, and a computer program for analysis of a composite material.
従来、分子動力学を用いた高分子材料のシミュレーション方法が提案されている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。特許文献1に記載された高分子材料のシミュレーション方法では、フィラーをモデル化したフィラーモデル及びポリマーをモデル化したポリマーモデルを用いた分子動力学計算により高分子材料モデルを設定した後、設定した高分子材料モデルに基づいて、有限個の要素でモデル化した有限要素モデルを用いて変形解析を実施する。また、特許文献2に記載の高分子材料のシミュレーション方法では、高分子材料を用いた粗視化モデルとフィラーの外面を含むフィラーモデルとを用いて分子動力学計算を実施した後、粗視化モデルが配置された空間を複数の微小領域に区分して緩和弾性率を計算する。
Conventionally, a method for simulating a polymer material using molecular dynamics has been proposed (see, for example,
ところで、低燃費タイヤの開発を加速するためには、タイヤ変形に伴うエネルギーロス(ヒステリシス)とタイヤナノ構造との関係を明らかにすることが有効である。特に、低燃費タイヤの材料開発では、ポリマーとの相互作用が異なる複数のフィラーによるタイヤ補強メカニズムの解明が有効であり、フィラー充填によるタイヤ補強メカニズムの解析が重要である。 By the way, in order to accelerate the development of fuel-efficient tires, it is effective to clarify the relationship between the energy loss (hysteresis) associated with tire deformation and the tire nanostructure. In particular, in the development of materials for fuel-efficient tires, it is effective to elucidate the tire reinforcement mechanism by a plurality of fillers having different interactions with polymers, and it is important to analyze the tire reinforcement mechanism by filler filling.
しかしながら、従来の複合材料のシミュレーション方法では、カーボンブラック及びシリカなどのポリマーとの相互作用が異なるフィラー充填を充填した際のフィラーとポリマーとの相互作用は再現できる一方、フィラー周囲に存在するポリマー間の相互作用が材料特性に及ぼす影響を解析することは困難であった。 However, in the conventional composite material simulation method, the interaction between the filler and the polymer when the filler is filled with different interactions with the polymers such as carbon black and silica can be reproduced, and the interaction between the polymers existing around the filler can be reproduced. It was difficult to analyze the effect of the interaction of the above on the material properties.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、フィラー周囲のポリマー間の相互作用が材料特性に及ぼす影響を解析可能な複合材料の解析用モデルの作成方法、複合材料の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is used for creating a model for analyzing a composite material capable of analyzing the influence of the interaction between polymers around a filler on material properties, and for analyzing a composite material. It is an object of the present invention to provide a computer program for creating a model, a method for analyzing a composite material, and a computer program for analyzing a composite material.
本発明の複合材料の解析用モデルの作成方法は、コンピュータを用いた分子動力学法による複合材料の解析用モデルの作成方法であって、複数のポリマー粒子によってポリマーをモデル化した複数のポリマーモデル及びフィラーをモデル化した複数のフィラーモデルを含む複合材料モデルを作成する第1ステップと、前記フィラーモデルの周囲に相互作用設定領域を設定する第2ステップと、前記相互作用設定領域内のポリマー粒子を相互作用設定粒子として抽出する第3ステップと、前記相互作用設定粒子を介して前記相互作用設定領域内のポリマー粒子に相互作用を設定して複合材料の解析用モデルを作成する第4ステップとを含むことを特徴とする。 The method for creating an analysis model for a composite material of the present invention is a method for creating a model for analysis of a composite material by a molecular dynamics method using a computer, and is a plurality of polymer models in which a polymer is modeled by a plurality of polymer particles. And the first step of creating a composite material model including a plurality of filler models modeling the filler, the second step of setting an interaction setting region around the filler model, and polymer particles in the interaction setting region. The third step of extracting as the interaction setting particles, and the fourth step of creating an analysis model of the composite material by setting the interaction with the polymer particles in the interaction setting region via the interaction setting particles. It is characterized by including.
本発明の複合材料の解析用モデルの作成方法によれば、相互作用設定粒子を介して相互作用設定領域内のポリマー粒子間に相互作用を設定できるので、相互作用設定領域内のポリマーモデル間に任意の相互作用を設定できる。これにより、複合材料の解析用モデルの作成方法は、フィラーモデルの周囲のポリマーモデル間の斥力及び引力などの相互作用を任意に調整することができるので、フィラー周囲のポリマー間の相互作用が材料特性に及ぼす影響を解析可能な複合材料の解析用モデルを作成できる。 According to the method for creating an analysis model of a composite material of the present invention, the interaction can be set between the polymer particles in the interaction setting region via the interaction setting particles, so that the interaction between the polymer models in the interaction setting region can be set. Any interaction can be set. As a result, in the method of creating a model for analysis of a composite material, the interaction such as repulsive force and attractive force between the polymer models around the filler model can be arbitrarily adjusted, so that the interaction between the polymers around the filler model is a material. It is possible to create a model for analysis of composite materials that can analyze the effect on properties.
本発明の複合材料の解析用モデルの作成方法においては、さらに、前記ポリマーモデルを架橋させるステップを含むことが好ましい。この方法により、複合材料の解析用モデルの作成方法は、架橋反応を介してポリマーモデルを予め架橋した状態でフィラーモデルの周囲のポリマーモデルの相互作用を設定できるので、フィラー周囲のポリマーモデルの相互作用が材料特性に及ぼす影響をより正確に解析可能な複合材料の解析用モデルを作成できる。 The method for creating a model for analysis of a composite material of the present invention preferably further includes a step of cross-linking the polymer model. By this method, the method of creating a model for analysis of a composite material can set the interaction of the polymer model around the filler model in a state where the polymer model is pre-crosslinked through a cross-linking reaction, so that the interaction of the polymer models around the filler can be set. It is possible to create a model for analyzing composite materials that can more accurately analyze the effect of action on material properties.
本発明の複合材料の解析用モデルの作成方法においては、前記相互作用が、引力であることが好ましい。この方法により、複合材料の解析用モデルの作成方法は、ポリマーモデル間に引力を設定できるので、フィラーモデルの周囲のポリマーモデル群が収縮した状態の材料特性を解析することが可能となる。 In the method for creating an analysis model for a composite material of the present invention, it is preferable that the interaction is an attractive force. By this method, since the method of creating the model for analysis of the composite material can set the attractive force between the polymer models, it is possible to analyze the material properties in the state where the polymer model group around the filler model is contracted.
本発明の複合材料の解析用モデルの作成用コンピュータプログラムは、上記複合材料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。 The computer program for creating an analysis model for a composite material of the present invention is characterized in that a computer executes the method for creating an analysis model for a composite material.
本発明の複合材料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、相互作用設定粒子を介して相互作用設定領域内のポリマー粒子間に相互作用を設定できるので、相互作用設定領域内のポリマーモデル間に任意の相互作用を設定できる。これにより、これにより、複合材料の解析用モデルの作成用コンピュータプログラムは、フィラーモデルの周囲のポリマーモデルの斥力及び引力などの相互作用を任意に調整することができるので、フィラー周囲のポリマー間の相互作用が材料特性に及ぼす影響を解析可能な複合材料の解析用モデルを作成できる。 According to the computer program for creating the analysis model of the composite material of the present invention, the interaction can be set between the polymer particles in the interaction setting region via the interaction setting particles, so that the polymer model in the interaction setting region can be set. Any interaction can be set between them. This allows the computer program for creating a model for the analysis of the composite material to arbitrarily adjust the interactions such as repulsive force and attractive force of the polymer model around the filler model, so that the interactions between the polymers around the filler model can be adjusted arbitrarily. It is possible to create a model for analysis of composite materials that can analyze the effect of interaction on material properties.
本発明の複合材料の解析方法は、上記複合材料の解析用モデルの作成方法で作成した複合材料の解析用モデルを用いて分子動力学法による運動解析を実行して物理量を取得することを特徴とする。 The method for analyzing a composite material of the present invention is characterized in that a physical quantity is obtained by performing a motion analysis by a molecular dynamics method using a model for analyzing a composite material created by the above method for creating a model for analyzing a composite material. And.
本発明の複合材料の解析方法によれば、相互作用設定領域内のポリマーモデル間に任意の相互作用を設定した解析用モデルを用いるので、フィラーモデルの周囲のポリマーモデルの相互作用を任意に調整することができ、フィラー周囲のポリマー間の相互作用が材料特性に及ぼす影響を解析可能となる。 According to the composite material analysis method of the present invention, since an analysis model in which an arbitrary interaction is set between the polymer models in the interaction setting region is used, the interaction of the polymer models around the filler model can be arbitrarily adjusted. It is possible to analyze the effect of the interaction between the polymers around the filler on the material properties.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記運動解析の実行中に、前記相互作用設定粒子を前記相互作用設定領域内の他のポリマー粒子に変更することが好ましい。この方法により、運動解析時に相互作用設定粒子が相互作用設定領域外に移動した場合であっても、相互作用設定粒子を他のポリマー粒子に変更できるので、複合材料の解析用モデルを用いた運動解析の再現性が向上する。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable to change the interaction setting particles to other polymer particles in the interaction setting region during the execution of the motion analysis. By this method, even if the interaction setting particles move out of the interaction setting region during the motion analysis, the interaction setting particles can be changed to other polymer particles, so that the motion using the analysis model of the composite material is used. The reproducibility of the analysis is improved.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記運動解析が、変形解析であることが好ましい。この方法により、複合材料の解析方法は、複合材料のコンパウンドの力学特性を解析可能となる。 In the method for analyzing a composite material of the present invention, it is preferable that the motion analysis is a deformation analysis. This method makes it possible for the composite material analysis method to analyze the mechanical properties of the composite material compound.
本発明の複合材料の解析用コンピュータプログラムは、上記複合材料の解析方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。 The computer program for analyzing a composite material of the present invention is characterized in that a computer executes the above-mentioned method for analyzing a composite material.
本発明の複合材料の解析用コンピュータプログラムによれば、相互作用設定領域内のポリマーモデル間に任意の相互作用を設定した解析用モデルを用いるので、フィラーモデルの周囲のポリマーモデルの相互作用を任意に調整することができ、フィラー周囲のポリマー間の相互作用が材料特性に及ぼす影響を解析可能となる。 According to the computer program for analysis of the composite material of the present invention, since the analysis model in which the arbitrary interaction is set between the polymer models in the interaction setting region is used, the interaction of the polymer model around the filler model is arbitrary. It is possible to analyze the effect of the interaction between the polymers around the filler on the material properties.
本発明によれば、フィラー周囲のポリマー間の相互作用が材料特性に及ぼす影響を解析可能な複合材料の解析用モデルの作成方法、複合材料の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムを実現できる。 According to the present invention, a method for creating an analysis model of a composite material capable of analyzing the influence of the interaction between polymers around a filler on material properties, a computer program for creating a model for analysis of a composite material, and analysis of a composite material. A computer program for analyzing methods and composite materials can be realized.
以下、本発明の各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、以下の各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, each embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be modified as appropriate.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法の概略を示すフロー図である。図1に示すように、本実施の形態に係る解析用モデルの作成方法は、コンピュータを用いた分子動力学法による複合材料の解析用モデルの作成方法である。この複合材料の解析用モデルの作成方法は、複数のポリマー粒子によってポリマーをモデル化した複数のポリマーモデル及びフィラーをモデル化した複数のフィラーモデルを含む複合材料モデルを作成する第1ステップST11と、フィラーモデルの周囲に相互作用設定領域を設定する第2ステップST12と、相互作用設定領域内のポリマー粒子を相互作用設定粒子として抽出する第3ステップST13と、相互作用設定粒子を介して相互作用設定領域内のポリマー粒子に相互作用を設定して複合材料の解析用モデルを作成する第4ステップST14とを含む。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a flow chart showing an outline of a method for creating an analysis model of a composite material according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the method for creating an analysis model according to the present embodiment is a method for creating an analysis model for a composite material by a molecular dynamics method using a computer. The method for creating the analysis model of the composite material includes the first step ST11 for creating a composite material model including a plurality of polymer models in which the polymer is modeled by a plurality of polymer particles and a plurality of filler models in which the filler is modeled. The second step ST12 for setting the interaction setting region around the filler model, the third step ST13 for extracting the polymer particles in the interaction setting region as the interaction setting particles, and the interaction setting via the interaction setting particles. Includes a fourth step ST14, in which interactions are set on the polymer particles in the region to create an analytical model for the composite.
図2は、本実施の形態に係る複合材料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2に示すように、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデル1は、例えば、一辺の長さが距離Lの略立方体形状の仮想空間であるモデル作成領域A内でモデル化される。この解析用モデル1は、複数のフィラー粒子11a,12aがモデル化されてなる一対の第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12と、複数のポリマー粒子21a及び結合鎖21bがモデル化されてなる複数のポリマーモデル21とを有する。なお、本実施の形態では、解析対象となる複合材料がフィラー及び高分子材料であるポリマーを含有する例について説明するが、本発明は、2種類の以上の物質を含有する複合材料にも適用可能である。また、図2に示す例では、解析用モデル1が、2つの第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12と、複数のポリマーモデル21とを有する例について説明したが、3つ以上のフィラーモデルを配置してもよい。また、図2に示す例では、解析用モデル1が、4つのポリマーモデル21を有する例を示しているが、ポリマーモデル21は、複数のポリマーモデル21がモデル作成領域A内の全域に亘って存在している。さらに、図2に示す例では、モデル作成領域Aが、略直方体形状の仮想空間である例について示しているが、球状、楕円状、直方体形状、多面体形状など任意の形状であってもよい。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the
第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12は、複数のフィラー粒子11a,12aがそれぞれ略球状体に集合した状態でモデル化される。また、第1フィラーモデル11及び第2フィラーモデル12は、互いに所定間隔をとって離れた状態で配置されている。なお、第1フィラーモデル11と第2フィラーモデル12とは、相互に凝集した状態で外縁部が共有結合によって相互に連結されていてもよい。
The
フィラーとしては、例えば、カーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどが含まれる。フィラー粒子11a,12aは、複数のフィラーの原子が集合されてモデル化される。また、フィラー粒子11a,12aは、複数のフィラー粒子11a,12aが集合してフィラー粒子群を構成する。フィラー粒子11a,12aは、複数のフィラー粒子11a,12a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,12a間の結合距離である平衡長とばね定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各フィラー粒子11a,12a間を拘束している。結合鎖は、フィラー粒子11a,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。この第1フィラーモデル11、12は、フィラーを分子動力学で取り扱うための数値データ(フィラー粒子11a,12aの質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。第1フィラーモデル11、12の数値データは、コンピュータに入力される。
Examples of the filler include carbon black, silica, alumina and the like. The
ポリマーとしては、例えば、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどが含まれる。ポリマー粒子21aは、複数のポリマーの原子が集合されてモデル化される。また、ポリマー粒子21aは、複数のポリマー粒子21aが集合してポリマー粒子群を構成する。ポリマーには、フィラーとの親和性を高める変性剤が必要に応じて配合される。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。ポリマーモデル21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21aがモデル作成領域A内に所定密度で充填されてモデル化される。ポリマー粒子21aは、複数のポリマー粒子21a間の結合鎖21bによって結合されて相対位置が特定されている。この結合鎖21bは、ポリマー粒子21a間の結合距離である平衡長とばね定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各ポリマー粒子21a間を拘束している。結合鎖21bは、ポリマー粒子21a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。また、結合鎖21bは、複数のポリマー粒子が直列状に連結されてなるポリマーモデル21間にも架橋結合(不図示)として結合されている。このポリマーモデル21は、ポリマーを分子動力学で取り扱うための数値データ(ポリマー粒子21aの質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。ポリマーモデル21の数値データは、コンピュータに入力される。
Polymers include, for example, rubbers, resins, and elastomers. The
次に、図3〜図6を参照して、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法について詳細に説明する。図3〜図6は、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法の一例を示す説明図である。なお、図3〜図6においては、図2に示した第1フィラーモデル11の近傍の領域を拡大して示している。
Next, with reference to FIGS. 3 to 6, a method for creating an analysis model of the composite material according to the present embodiment will be described in detail. 3 to 6 are explanatory views showing an example of a method for creating an analysis model of a composite material according to the present embodiment. In addition, in FIGS. 3 to 6, the region in the vicinity of the
第1ステップST11では、図3に示すように、複数のフィラー粒子11aが集合してモデル化された第1フィラーモデル11及び複数のポリマー粒子21aが結合鎖21bを介して連結されてモデル化されたポリマーモデル21を含む複合材料モデルを作成する。図3に示す例では、第1フィラーモデル11から離れた領域に2つのポリマーモデル21Aが配置され、第1フィラーモデル11の近傍の領域に2つのポリマーモデル21Bが配置される。
In the first step ST11, as shown in FIG. 3, the
次に、第2ステップST12では、図4に示すように、第1フィラーモデル11周囲の領域に相互作用設定領域A11を設定する。これにより、図4に示す例では、第1フィラーモデル11から離れた領域に配置された2つのポリマーモデル21Aが相互作用設定領域A11の範囲外となり、第1フィラーモデル11の近傍に配置された2つのポリマーモデル21Bが相互作用設定領域A11の範囲内となる。
Next, in the second step ST12, as shown in FIG. 4, the interaction setting region A11 is set in the region around the
相互作用設定領域A11は、第1フィラーモデル11の中心から所定距離内の領域に設定してもよく、第1フィラーモデル11の表面から所定距離内(例えば、第1フィラーモデル11表面のフィラー粒子11aとポリマーモデル21との間の最短距離)内の領域に設定してもよい。相互作用設定領域A11は、例えば、第1フィラーモデル11の近傍の領域に設定される。また、相互作用設定領域A11は、複合材料の解析用モデル1を用いた解析精度を向上する観点から、第1フィラーモデル11とポリマーモデル21との間の相互作用の影響範囲内に設定することが好ましい。
The interaction setting region A11 may be set in a region within a predetermined distance from the center of the
第1フィラーモデル11とポリマーモデル21との間の相互作用は、フィラー粒子間、ポリマー粒子間及びフィラー粒子11aとポリマー粒子12aとの間に設定されるものであり、必ずしも全てのフィラー粒子11a及びポリマー粒子12aに設定する必要はない。第1フィラーモデル11とポリマーモデル21との間の相互作用としては、例えば、分子間力及び水素結合などの引力及び斥力などの化学的な相互作用、及び共有結合などの物理的な相互作用が挙げられる。また、ポリマーモデル21が複数の種類のポリマー粒子21aで構成されている場合には、複数の種類のポリマー粒子21aにそれぞれ相互作用を設定してもよい。また、複数の種類の各ポリマー粒子21aと第1フィラーモデル11との相互作用は同一であってもよく、異なっていてもよい。例えば、ポリマー粒子Aとフィラー粒子の相互作用とポリマー粒子Bとフィラー粒子の相互作用とは異なる相互作用を設定してもよい。
The interaction between the
次に、第3ステップST13では、図5に示すように、相互作用設定領域A11内のポリマー粒子21aを相互作用設定粒子21cとして抽出する。図5に示す例では、相互作用設定領域A11内に配置された2つのポリマーモデル21Bの全てのポリマー粒子21aを相互作用設定粒子21cとして抽出している。なお、相互作用設定粒子21cとしては、相互作用設定領域A11内に配置された一部のポリマー粒子21bを抽出してもよい。このように、ポリマー粒子21aを相互作用設定粒子21cとして抽出することにより、ポリマーモデル21に相互作用を設定することができるので、フィラー周囲に存在するポリマー粒子の相互作用が複合材料の材料特性に及ぼす影響を正確に解析可能な解析用モデルを作成できる。
Next, in the third step ST13, as shown in FIG. 5, the
次に、第4ステップST14では、図6に示すように、相互作用設定粒子21cを介して相互作用設定領域A1内のポリマー粒子21aに相互作用を設定して複合材料の解析用モデル1を作成する。ここでは、ポリマー粒子21aに設定する相互作用としては、例えば、上述した第1フィラーモデル11とポリマーモデル21との間の相互作用と同様のものが用いられる。なお、図6に示す例では、各ポリマー粒子21a間に引力を設定して各ポリマー粒子21aが互いに引き付け合うように相互作用を設定した例を示しているが、各ポリマー粒子21a間に設定する相互作用は、斥力であってもよく、分子間力及び水素結合などの化学的な相互作用及び共有結合などの物理的な相互作用であってもよい。
Next, in the fourth step ST14, as shown in FIG. 6, an interaction is set with the
各ポリマー粒子21aに設定する相互作用としては、第1フィラーモデル11の周囲のポリマーモデル21群が収縮した状態の材料特性を解析することが可能となる観点から、引力が好ましい。
As the interaction set for each
以上説明したように、本実施の形態によれば、相互証設定領域A11内で抽出した相互作用設定粒子21cを介して、相互作用設定領域A11内のポリマー粒子間に相互作用を設定できるので、相互作用設定領域A11内のポリマーモデル21間に任意の相互作用を設定できる。これにより、複合材料の解析用モデル1の作成方法は、第1フィラーモデル11の周囲のポリマーモデル21間の斥力及び引力などの相互作用を任意に調整することができるので、フィラー周囲のポリマー間の相互作用が材料特性に及ぼす影響を解析可能な複合材料の解析用モデルを作成できる。
As described above, according to the present embodiment, the interaction can be set between the polymer particles in the interaction setting region A11 via the
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、以下においては、上述した第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。また、上述した第1の実施の形態と共通する構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the following, the differences from the above-described first embodiment will be mainly described. Further, the components common to the above-described first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法の概略を示すフロー図である。図7に示すように、本実施の形態に係る解析用モデルの作成方法は、複数のポリマー粒子によってポリマーをモデル化した複数のポリマーモデル及びフィラーをモデル化した複数のフィラーモデルを含む複合材料モデルを作成する第1ステップST21と、ポリマーモデルを架橋解析により架橋する第2ステップST22と、フィラーモデルの周囲に相互作用設定領域を設定する第3ステップST23と、相互作用設定領域内のポリマー粒子を相互作用設定粒子として抽出する第4ステップST24と、相互作用設定粒子を介して相互作用設定領域内のポリマー粒子に相互作用を設定して複合材料の解析用モデルを作成する第5ステップST25とを含む。 FIG. 7 is a flow chart showing an outline of a method for creating an analysis model of a composite material according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the method for creating an analysis model according to the present embodiment is a composite material model including a plurality of polymer models in which a polymer is modeled by a plurality of polymer particles and a plurality of filler models in which fillers are modeled. The first step ST21 for creating the polymer model, the second step ST22 for cross-linking the polymer model by cross-linking analysis, the third step ST23 for setting the interaction setting region around the filler model, and the polymer particles in the interaction setting region. The fourth step ST24 of extracting as the interaction setting particles and the fifth step ST25 of creating an analysis model of the composite material by setting the interaction with the polymer particles in the interaction setting region via the interaction setting particles. Including.
次に、図8〜図11を参照して、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法について詳細に説明する。図8〜図11は、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法の一例を示す説明図である。なお、図8〜図11においては、図2に示した第1フィラーモデル11の近傍の領域を拡大して示している。
Next, with reference to FIGS. 8 to 11, a method for creating an analysis model of the composite material according to the present embodiment will be described in detail. 8 to 11 are explanatory views showing an example of a method for creating an analysis model of a composite material according to the present embodiment. In addition, in FIGS. 8 to 11, the area in the vicinity of the
第1ステップST21では、上述した第1の実施の形態と同様に、第1フィラーモデル11及びポリマーモデル21を含む複合材料モデルを作成する。
In the first step ST21, a composite material model including the
次に、第2ステップST22では、作成したポリマーモデル21に架橋解析などにより架橋結合21eを作成する。図8に示す例では、第1フィラーモデル11から離れた領域の一対のポリマーモデル21Aの間に2つの架橋結合21eが形成され、第1フィラーモデル11の近傍の領域の一対のポリマーモデル21Bの間に2つの架橋結合21eが形成される。
Next, in the second step ST22, a
次に、第3ステップST23では、図9に示すように、上述した第1の実施の形態と同様に、第1フィラーモデル11の周囲の領域に相互作用設定領域A11を設定する。
Next, in the third step ST23, as shown in FIG. 9, the interaction setting region A11 is set in the region around the
次に、第4ステップST24では、図10に示すように、上述した第1の実施の形態と同様に、相互作用設定領域A11内のポリマー粒子21aを相互作用設定粒子21cとして抽出する。
Next, in the fourth step ST24, as shown in FIG. 10, the
次に、第5ステップST25では、図11に示すように、上述した第1の実施の形態と同様に、相互作用設定粒子21cと相互作用設定粒子21cの周囲に存在する粒子間に相互作用を設定して複合材料の解析用モデル1を作成する。これにより、ポリマーモデル21A,21Bがそれぞれ架橋結合21eによって連結された状態で、第1フィラーモデル11の近傍の相互作用設定領域A11内のポリマー粒子21aに相互作用が設定される。
Next, in the fifth step ST25, as shown in FIG. 11, the interaction between the
なお、上記実施の形態においては、解析用モデル1の作成直後に架橋解析を実行して架橋結合21eを作成する例について説明したが、架橋結合21eは、相互作用設定粒子21cを介した相互作用を設定する前であれば、必ずしも解析用モデル1の作成直後に作成する必要はない。
In the above embodiment, an example in which the cross-linking analysis is executed immediately after the creation of the
図12A及び図12Bは、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法におけるポリマーモデル12の結合密度と相互作用の説明図である。本実施の形態では、図12Aに示すように、第1フィラーモデル11及びポリマーモデル21がモデル作成領域A内に作成された後、ポリマーモデル21が架橋結合21eを介して略均一な結合密度で連結される。そして、図12Bに示すように、第1フィラーモデル11の周囲に設定された相互作用設定領域A11内のポリマー粒子21aに相互作用が設定される。これにより、複合材料の解析用モデルの作成方法は、モデル作成領域A内の相互作用設定領域A11外に対して、第1フィラーモデル11の周囲の相互作用設定領域A11内が、ポリマー粒子21aの相互作用に基づくポリマーモデル21が収縮した環境となるので、フィラー周囲のポリマー間の相互作用が材料特性に及ぼす影響を解析可能な複合材料の解析用モデル1を作成できる。
12A and 12B are explanatory views of the bond density and interaction of the
以上説明したように、上記実施の形態によれば、架橋結合21eを介してポリマーモデル11を予め架橋した状態で第1フィラーモデル11の周囲のポリマーモデル12の相互作用を設定できるので、フィラー周囲のポリマーモデルの相互作用が材料特性に及ぼす影響をより正確に解析可能な複合材料の解析用モデルを作成できる。
As described above, according to the above embodiment, the interaction of the
次に、本実施の形態に係る複合材料の解析方法について説明する。本実施の形態に係る複合材料の解析方法は、上記各実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法で作成した複合材料の解析用モデルを用いて分子動力学法による運動解析を実行して物理量を取得するものである。運動解析としては、例えば、伸張解析、せん断解析などの変形解析及び緩和解析などが挙げられる。これらの運動解析で取得する物理量は、運動解析の結果得られた変位などの値を用いてもよく、所定の演算処理を実行した歪みであってもよい。これらの中でも、運動解析としては、複合材料のコンパウンドの力学特性を解析可能となる観点から、変形解析が好ましい。また、複合材料の解析方法においては、運動解析の実行中に、相互作用設定粒子21cを相互作用設定領域A11内の他のポリマー粒子21aに変更することが好ましい。
Next, a method for analyzing the composite material according to the present embodiment will be described. In the composite material analysis method according to the present embodiment, the motion analysis by the molecular dynamics method is executed using the composite material analysis model created by the method for creating the composite material analysis model according to each of the above embodiments. To obtain the physical quantity. Examples of the motion analysis include deformation analysis and relaxation analysis such as extension analysis and shear analysis. As the physical quantity acquired by these motion analyzes, a value such as displacement obtained as a result of the motion analysis may be used, or a strain obtained by executing a predetermined arithmetic process may be used. Among these, as the motion analysis, deformation analysis is preferable from the viewpoint of being able to analyze the mechanical properties of the compound of the composite material. Further, in the method of analyzing the composite material, it is preferable to change the
図13A〜図13Cは、本実施の形態に係る複合材料の運動解析の説明図である。なお、図13Aに示す例では、相互作用設定領域A11内の2つのポリマーモデル21B−1,21B−2が存在し、一方のポリマーモデル21B−2の全てのポリマー粒子21aを相互作用設定粒子21cとして抽出し、他方のポリマーモデル21B−1の全てをポリマー粒子21aとした状態を示している。図13Bを示すように、図13Aの状態から運動解析を実行すると、一方のポリマーモデル21B−2が相互作用設定領域A11外に移動し、他方のポリマーモデル21B−1が相互作用設定領域A11内に残存し、相互作用設定領域A11外の相互作用設定粒子21cを介して相互作用を設定しても、所望の解析結果が得られない場合がある。このような場合には、図13Cに示すように、一方のポリマーモデル21B−1の全ての相互作用設定粒子21cをポリマー粒子21aとし、他方のポリマーモデル21B−2の全てのポリマー粒子21aを相互作用設定粒子21cとして再抽出することにより、相互作用設定領域A11内の相互作用設定粒子21cを介して相互作用を設定することにより、再現性の良い解析結果を得ることが可能となる。
13A to 13C are explanatory views of motion analysis of the composite material according to the present embodiment. In the example shown in FIG. 13A, there are two
相互作用設定粒子21cの再抽出は、例えば、解析時間中で連続的に再抽出してもよく、予め設定された所定の解析時間毎に段階的に再抽出してもよい。また、相互作用設定粒子21cの再抽出は、第1フィラーモデル11の表面から相互作用設定粒子21cが所定距離離れた場合に実行してもよい。このように、相互作用設定粒子21cを再抽出することにより、運動解析時に相互作用設定粒子21cが相互作用設定領域A11外に移動した場合であっても、複合材料の解析用モデル1を用いた運動解析の再現性が向上する。
The re-extraction of the
このように、本実施の形態に係る複合材料の解析方法によれば、相互作用設定領域A11内のポリマーモデル11間に任意の相互作用を設定した解析用モデル1を用いるので、第1フィラーモデル11の周囲のポリマーモデル21の相互作用を任意に調整することができ、フィラー周囲のポリマー間の相互作用が材料特性に及ぼす影響を解析可能となる。
As described above, according to the composite material analysis method according to the present embodiment, since the
次に、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法、複合材料の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムについてより詳細に説明する。図14は、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法及び複合材料の解析方法を実行する解析装置の機能ブロック図である。 Next, a method for creating a model for analyzing a composite material, a computer program for creating a model for analyzing a composite material, a method for analyzing a composite material, and a computer program for analyzing a composite material according to the present embodiment will be described in more detail. .. FIG. 14 is a functional block diagram of an analysis device that executes a method for creating an analysis model for a composite material and a method for analyzing a composite material according to the present embodiment.
図14に示すように、本実施の形態に係る複合材料の解析方法は、処理部52と記憶部54とを含むコンピュータである解析装置50が実現する。この解析装置50は、入力手段53を備えた入出力装置51と電気的に接続されている。入力手段53は、複合材料の解析用モデルの作成対象であるポリマー及びフィラーの各種物性値、ポリマー及びフィラーを含有する複合材料を用いた伸張試験結果の実測結果、及び解析における境界条件などを処理部52又は記憶部54へ入力する。入力手段53としては、例えば、キーボード、マウスなどの入力デバイスが用いられる。
As shown in FIG. 14, the method of analyzing the composite material according to the present embodiment is realized by the
処理部52は、例えば、中央演算装置(CPU:Central Processing Unit)及びメモリを含む。処理部52は、各種処理を実行する際にコンピュータプログラムを記憶部54から読み込んでメモリに展開する。メモリに展開されたコンピュータプログラムは、各種処理を実行する。例えば、処理部52は、記憶部54から予め記憶された各種処理に係るデータを必要に応じて適宜メモリ上の自身に割り当てられた領域に展開し、展開したデータに基づいて複合材料の解析用モデルの作成及び複合材料の解析用モデルを用いた複合材料の解析に関する各種処理を実行する。
The
処理部52は、モデル作成部52aと、条件設定部52bと、解析部52cとを含む。モデル作成部52aは、予め記憶部54に記憶されたデータに基づき、分子動力学法により複合材料の解析用モデル1を作成する際のフィラー及びポリマーなどの複合材料の粒子数、分子数、分子量、分子鎖長、分子鎖数、分岐、形状、大きさ、反応時間、反応条件及び作成する解析用モデルに含まれる分子数である目標分子数などの構成要素の配置、設定及び計算ステップ数などの粗視化モデルの設定、分子鎖間などの相互作用などの各種計算パラメーターの初期条件の設定を行う。また、モデル作成部52aは、第1フィラーモデル11周囲の相互作用設定領域A11の設定、相互作用設定粒子21cを介してポリマー粒子21aへの相互作用の設定及びポリマーモデル21の架橋による架橋結合21eの作成などの架橋解析などを実行する。
The
フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用を調整する計算パラメーターとしては、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21a間の相互作用が一定値になるまで順次、フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用のパラメータ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。
As the calculation parameters for adjusting the interaction between the
条件設定部52bは、変温解析及び変圧解析などの数値解析及び伸張解析、せん断解析などの変形解析及び緩和解析などの運動解析などの各種解析条件を設定する。
The
解析部52cは、条件設定部52bによって設定された解析条件に基づいて解析用モデル1の各種数値解析を実行する。また、解析部52は、モデル作成部52aによって作成された複合材料の解析用モデル1を用いて分子動力学法による運動解析を実行して物理量を取得する。ここでは、解析部52cは、運動解析として、伸張解析、せん断解析などの変形解析及び緩和解析などを実行する。また、解析部52cは、運動解析の結果得られた変位などの値又は得られた値に所定の演算処理を実行した歪みなどの物理量を取得する。
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複合材料の解析用モデルを作成するためのデータであるゴムカーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどのフィラーのデータ、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどのポリマーのデータ、予め設定した物理量履歴である応力歪み曲線及び本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法、複合材料の解析方法を実現するためのコンピュータプログラムなどが格納されている。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複合材料の解析方法を実現できるものであってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OS(Operating System)及び周辺機器などのハードウェアを含むものとする。
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, for example, a display device such as a liquid crystal display device. The
次に、再び図1を参照して、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法についてより詳細に説明する。 Next, with reference to FIG. 1 again, a method of creating an analysis model of the composite material according to the present embodiment will be described in more detail.
図1に示すように、モデル作成部52aが、所定のモデル作成領域A内にポリマー粒子21a及び結合鎖21bを含む未架橋のポリマーモデル21を作成すると共にフィラー粒子11aを含む第1フィラーモデル11を作成する(ステップST11)。未架橋のポリマーモデル21は、図2に示したように、複数のポリマー粒子21aが結合鎖21bによって連結されてなるものである。ここでは、モデル作成部52aは、必要に応じて複数の第1フィラーモデル11及び複数のポリマーモデル21を作成する。次に、モデル作成部52aは、作成した第1フィラーモデル11中に未架橋のポリマーモデル21を配置する。ここでは、モデル作成部52aは、初期条件の設定の後、平衡化計算を行う。平衡化計算では、所定の温度、密度及び圧力で、初期設定後の各種構成要素が平衡状態に到達する所定の時間、分子動力学計算を行う。そして、モデル作成部52aは、初期条件の設定及び平衡化の計算処理後に、計算領域内に設定した複合材料の解析用モデルを作成するモデル作成領域A内に、ポリマーモデル21及び第1フィラーモデル11を作成する。また、モデル作成部52aは、必要に応じてポリマーにフィラーとの親和性を高める水酸基、カルボニル基、及び原子団の官能基などの変性剤を配合してもよい。また、モデル作成部52aは、作成したポリマーモデル21に架橋解析により架橋結合21eを導入してもよい。
As shown in FIG. 1, the
次に、モデル作成部52aは、第1フィラーモデル11の周囲に相互作用設定領域A11を設定する(ステップST12)。ここでは、モデル作成部52aは、第1フィラーモデル11の中心からの距離に基づいて相互作用設定領域A11を設定してもよく、第1フィラーモデル11の表面からの距離に基づいて相互作用設定領域A11を設定してもよく、第1フィラーモデル11とポリマーモデル21の相互作用の影響範囲に相互作用設定領域A11を設定してもよい。
Next, the
次に、モデル作成部52aは、相互作用設定領域A11内のポリマー粒子21aを相互作用設定粒子21cとして抽出する(ステップST13)。ここでは、モデル作成部52aは、相互作用設定領域A11内の全てのポリマー粒子21aを相互作用設定粒子21cとして抽出してもよく、相互作用設定領域A11内の一部のポリマー粒子21aを相互作用設定粒子21cとして抽出してもよい。
Next, the
次に、モデル作成部52aは、相互作用設定粒子21cを介して相互作用設定領域A11内のポリマー粒子21aに相互作用を設定して複合材料の解析用モデル1を作成する
(ステップST14)。ここでは、モデル作成部52aは、分子間力及び水素結合などの引力及び斥力などの化学的な相互作用、及び共有結合などの物理的な相互作用を設定してもよい。
Next, the
次に、条件設定部52bが、モデル作成部52aで作成した複合材料の解析用モデル1を用いた分子動力学法による架橋解析、数値解析及び運動解析(シミュレーション)を実行するための各種条件を設定する。条件設定部52bは、入力手段53からの入力及び記憶部54に記憶されている情報に基づいて各種条件を設定する。各種条件としては、解析を実行する第1フィラーモデル11の位置及び数、フィラー原子、フィラー原子団、フィラー粒子11a及びフィラー粒子群の位置及び数、フィラー粒子番号、ポリマーの分子鎖の位置及び数、ポリマー原子、ポリマー原子団、ポリマー粒子21a及びポリマー粒子群の位置及び数、ポリマー粒子番号、結合鎖21bの位置及び数、結合鎖21bの番号、予め設定した物理量履歴である応力歪み曲線及び条件を変更しない固定値などが含まれる。
Next, the
次に、解析部52cが、解析用モデル1に相互作用を設定して変温解析、変圧解析などの各種数値解析を実施する。解析部52cは、必要に応じて、例えば、フィラー粒子11a間、ポリマー粒子21a間、フィラー粒子11aとポリマー粒子21aとの間の相互作用及びフィラー粒子11aとポリマー粒子21aとが結合鎖で結合した状態の相互作用などを設定する。次に、解析部52cは、複合材料の解析用モデル1を用いた分子動力学法による緩和解析、伸張解析、及びせん断解析などの変形解析などの各種運動解析を実行する。また、解析部52cは、数値解析による運動解析の結果得られる運動変位及び公称応力又は運動変位を演算して得られる公称歪みなどの各種物理量を取得する。このような数値解析及び運動解析により、解析時間毎に変化する解析用モデル全体のポリマー分子の結合長及びポリマー粒子速度、架橋点間と自由末端の速度又は結合長、配向などの物理量などのセグメントの状態変化を表す数値と歪みとの関係、解析時間毎に変化するポリマー分子の結合長及びポリマー粒子速度などのセグメントの状態変化を表す数値と圧力又は解析時間との関係、及び解析時間毎に変化するポリマー分子の結合長及びポリマー粒子速度などのセグメントの状態変化を表す数値と温度又は解析時間との関係などを評価できるので、ポリマー分子の局所的な分子状態変化のより詳細な解析が可能となる。また、解析部52cは、運動解析の実行中に、相互作用設定粒子21cを相互作用設定領域A11内の他のポリマー粒子21aに再抽出して変更してもよい。次に、解析部52cは、次に、解析部52cは、解析した複合材料の解析結果を記憶部54に格納する。
Next, the
(実施例)
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
(Example)
Next, an example carried out for clarifying the effect of the present invention will be described. The present invention is not limited to the following examples.
本発明者らは、相互作用設定粒子21cを介して、第1フィラーモデル11周囲の相互作用設定領域A11内のポリマー粒子21aに強い相互作用を設定した第1解析用モデルと、第1解析用モデルに対して相対的に弱い相互作用を設定した第2解析用モデルと、相互作用設定領域A11内に相互作用設定粒子21cを設定しなかった第3解析用モデルとを作成し、作成した第1解析用モデル、第2解析用モデル及び第3解析用モデルの力学特性を調べた。以下、本発明者らが調べた内容について説明する。
The present inventors set a strong interaction with the
図15は、本発明の実施例に係る複合材料の解析用モデルの応力歪曲線を示す図である。図15に示すように、第1解析用モデル、第2解析用モデル及び第3解析用モデルの応力歪曲線を対比すると、応力の増大に伴う歪みの増大が、第1解析用モデル(実線L1参照)、第2解析用モデル(一点鎖線L2参照)、第3解析用モデル(点線L3)の順に小さくなることが分かる。この結果は、第1フィラーモデル11の周囲のポリマーモデル21の相互作用がが、第3解析用モデルに対して第2解析用モデルの方が大きく、第2解析用モデルに対して第1解析用モデルの方が大きかったために、相互作用が大きくなるにつれて、応力の増大に対して第1フィラーモデル11の周囲のポリマーモデル12が強く影響して歪みが増大したためと考えられる。
FIG. 15 is a diagram showing a stress strain curve of a model for analysis of a composite material according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 15, when the stress strain curves of the first analysis model, the second analysis model, and the third analysis model are compared, the increase in strain as the stress increases is the first analysis model (solid line L1). (See), the second analysis model (see the one-point chain line L2), and the third analysis model (dotted line L3), in that order. As a result, the interaction of the
このように、上述した実施例によれば、第1フィラーモデル11周囲のポリマーモデル21の相互作用を変化させることにより、変形解析の結果が変化することが分かるので、フィラー周囲の粒子の結合密度が材料特性に及ぼす影響を解析可能となることが分かる。
As described above, according to the above-described embodiment, it can be seen that the result of the deformation analysis is changed by changing the interaction of the
1 解析用モデル
11 第1フィラーモデル
12 第2フィラーモデル
11a,12a フィラー粒子
21,21A,21B ポリマーモデル
21a ポリマー粒子
21b 結合鎖
21c 相互作用設定粒子
21e 架橋結合
50 解析装置
51 入出力装置
52 処理部
52a モデル作成部
52b 条件設定部
52c 解析部
53 入力手段
54 記憶部
55 表示手段
A モデル作成領域
A11 相互作用設定領域
1
Claims (8)
複数のポリマー粒子によってポリマーをモデル化した複数のポリマーモデル及びフィラーをモデル化した複数のフィラーモデルを含む複合材料モデルを作成する第1ステップと、
前記フィラーモデルの周囲に相互作用設定領域を設定する第2ステップと、
前記相互作用設定領域内のポリマー粒子を相互作用設定粒子として抽出する第3ステップと、
前記相互作用設定粒子を介して前記相互作用設定領域内のポリマー粒子に対して、前記相互作用設定領域内のポリマー粒子同士に作用する相互作用を設定して複合材料の解析用モデルを作成する第4ステップとを含むことを特徴とする、複合材料の解析用モデルの作成方法。 It is a method of creating a model for analysis of composite materials by molecular dynamics using a computer.
The first step in creating a composite material model that includes multiple polymer models that model the polymer with multiple polymer particles and multiple filler models that model the fillers,
The second step of setting the interaction setting area around the filler model and
The third step of extracting the polymer particles in the interaction setting region as the interaction setting particles, and
A model for analyzing a composite material is created by setting the interaction between the polymer particles in the interaction setting region with respect to the polymer particles in the interaction setting region via the interaction setting particles. A method for creating a model for analysis of a composite material, which comprises four steps.
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