JP6962160B2 - Coarse-grained molecular dynamics simulation method for polymer materials - Google Patents
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Description
本発明は、コンピュータを用いて、複数種類の高分子材料の性能を比較するための方法に関する。 The present invention relates to a method for comparing the performance of a plurality of types of polymer materials using a computer.
下記非特許文献1は、コンピュータを用いた高分子材料のシミュレーション方法を提案している。下記非特許文献1のシミュレーション方法では、先ず、複数種類の高分子材料の分子鎖に基づいて、数値計算用の高分子材料モデルがコンピュータにそれぞれ設定される。各高分子材料モデルは、分子鎖のモノマー又はモノマーの一部分をなす構造単位を置換した複数の粒子を含んで構成されている。
The following Non-Patent
各高分子材料モデルの粒子間には、斥力又は引力を作用させるための相互作用ポテンシャルが定義される。各高分子材料の相互作用ポテンシャルの強度は、それぞれ異なっている。そして、下記非特許文献1のシミュレーション方法では、相互作用ポテンシャルに基づいて、粒子の密度及び温度が互いに同一となる条件の下で、各高分子材料モデルの構造緩和がそれぞれ計算される。
Interatomic potentials for exerting repulsive or attractive forces are defined between the particles of each polymer material model. The strength of the interaction potential of each polymer material is different. Then, in the simulation method of Non-Patent
各高分子材料モデルは、相互作用ポテンシャルの強度がそれぞれ異なるため、緩和計算後の粒子の分布もそれぞれ異なる。緩和計算後の粒子の分布がそれぞれ異なると、各高分子材料モデルは、緩和計算後の内部応力が互いに異なる値に計算される。このため、上記非特許文献1では、その後に計算される各高分子材料モデルの変形に伴う物理量を、精度良く比較できないという問題があった。
Since each polymer material model has a different intensity of interaction potential, the distribution of particles after relaxation calculation is also different. If the distribution of particles after the relaxation calculation is different, each polymer material model calculates the internal stress after the relaxation calculation to a different value. Therefore, in
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、複数種類の高分子材料モデルの変形に伴う物理量を精度よく比較することができる高分子材料の粗視化分子動力学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 above circumstances, and is a coarse-grained molecular dynamics simulation method for polymer materials that can accurately compare physical quantities associated with deformation of a plurality of types of polymer material models. The main purpose is to provide.
本発明は、コンピュータを用いて、第1高分子材料と第2高分子材料とを少なくとも含む複数種類の高分子材料の性能を比較するための方法であって、前記第1高分子材料に基づいて、複数の第1粒子を含むとともに、前記第1粒子間に第1相互作用ポテンシャルが定義された第1高分子材料モデルを前記コンピュータに設定する工程と、前記第2高分子材料に基づいて、複数の第2粒子を含むとともに、前記第2粒子間に第2相互作用ポテンシャルが定義された第2高分子材料モデルを前記コンピュータに設定する工程と、前記コンピュータが、前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルの構造緩和をそれぞれ計算する工程と、前記コンピュータが、構造緩和後の前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルをそれぞれ変形させ、前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルの前記変形に伴う物理量をそれぞれ計算する工程とを含み、前記構造緩和を計算する工程は、前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルにおいて、圧力及び温度が互いに同一となる条件の下で実行されることを特徴とする。 The present invention is a method for comparing the performance of a plurality of types of polymer materials including at least a first polymer material and a second polymer material using a computer, and is based on the first polymer material. Based on the step of setting the first polymer material model in the computer, which includes a plurality of first particles and in which the first interaction potential is defined between the first particles, and the second polymer material. , A step of setting a second polymer material model in the computer, which includes a plurality of second particles and in which a second interaction potential is defined between the second particles, and the computer causes the first polymer material. The step of calculating the structural relaxation of the model and the second polymer material model, and the computer deforming the first polymer material model and the second polymer material model after the structural relaxation, respectively, and the first The steps of calculating the structural relaxation include the steps of calculating the physical quantities of the polymer material model and the second polymer material model due to the deformation, respectively, and the steps of calculating the structural relaxation include the first polymer material model and the second polymer material. The model is characterized in that it is performed under conditions where the pressure and temperature are the same as each other.
本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記第1相互作用ポテンシャルの強度と、前記第2相互作用ポテンシャルの強度とは、互いに異なってもよい。 In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention, the strength of the first interaction potential and the strength of the second interaction potential may be different from each other.
本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記第1相互作用ポテンシャル及び前記第2相互作用ポテンシャルは、レナードジョーンズポテンシャルであり、前記強度は、前記レナードジョーンズポテンシャルのポテンシャルの深さεであってもよい。 In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention, the first interaction potential and the second interaction potential are Lennard-Jones potentials, and the intensity is the potential of the Lennard-Jones potentials. Depth ε may be.
本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記第1高分子材料モデルは、前記第1粒子のみからなってもよい。 In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention, the first polymer material model may consist of only the first particles.
本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記第1高分子材料モデルは、前記第1粒子と、前記第2粒子とからなり、前記第1粒子と前記第2粒子との間に第3相互作用ポテンシャルが定義されてもよい。 In the coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to the present invention, the first polymer material model comprises the first particles and the second particles, and the first particles and the second particles. A third interaction potential may be defined with the particle.
本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記物理量は、前記第1高分子材料モデルの応力、及び、前記第2高分子材料モデルの応力を含んでもよい。 In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention, the physical quantity may include the stress of the first polymer material model and the stress of the second polymer material model.
本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記物理量は、前記第1高分子材料モデルの空孔に関するパラメータ、及び、前記第2高分子材料モデルの空孔に関するパラメータを含んでもよい。 In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention, the physical quantity is a parameter relating to the pores of the first polymer material model and a parameter relating to the pores of the second polymer material model. May include.
本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記空孔に関するパラメータは、前記空孔の合計体積、前記第1高分子材料モデルの体積に対する前記空孔の前記合計体積の割合、又は、前記第2高分子材料モデルの体積に対する前記空孔の前記合計体積の割合であってもよい。 In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention, the parameters relating to the vacancies are the total volume of the vacancies and the total volume of the vacancies with respect to the volume of the first polymer material model. Or the ratio of the total volume of the pores to the volume of the second polymer material model.
本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記コンピュータが、前記第1高分子材料モデルの前記物理量と、前記第2高分子材料モデルの前記物理量とを比較する工程をさらに含んでもよい。 In the coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to the present invention, the computer compares the physical quantity of the first polymer material model with the physical quantity of the second polymer material model. May be further included.
本発明の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法は、コンピュータが、第1高分子材料モデル及び第2高分子材料モデルの構造緩和をそれぞれ計算する工程と、前記コンピュータが、構造緩和後の前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルをそれぞれ変形させ、前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルの前記変形に伴う物理量をそれぞれ計算する工程とを含んでいる。 In the coarse-visual molecular dynamics simulation method of the polymer material of the present invention, the computer calculates the structural relaxation of the first polymer material model and the second polymer material model, respectively, and the computer performs the structural relaxation after the structural relaxation. Each of the first polymer material model and the second polymer material model is deformed, and the physical quantities of the first polymer material model and the second polymer material model due to the deformation are calculated respectively. I'm out.
前記構造緩和を計算する工程は、前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルにおいて、圧力及び温度が互いに同一となる条件の下で実行される。これにより、本発明の粗視化分子動力学シミュレーション方法は、構造緩和後の前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルの内部応力を互いに近似させることができる。したがって、本発明の粗視化分子動力学シミュレーション方法は、前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルの変形に伴う物理量を、精度よく比較できる。 The step of calculating the structural relaxation is performed in the first polymer material model and the second polymer material model under the condition that the pressure and the temperature are the same as each other. Thereby, the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the present invention can make the internal stresses of the first polymer material model and the second polymer material model after structural relaxation approximate to each other. Therefore, the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the present invention can accurately compare the physical quantities associated with the deformation of the first polymer material model and the second polymer material model.
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粗視化分子動力学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。)では、コンピュータを用いて、複数種類の高分子材料の性能が比較される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material of the present embodiment (hereinafter, may be simply referred to as “simulation method”), the performances of a plurality of types of polymer materials are compared using a computer.
図1は、高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法を実行するためのコンピュータの一例を示す斜視図である。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ソフトウェア等が予め記憶されている。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a computer for executing a coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material. The
高分子材料としては、適宜選択することができる。高分子材料の一例としては、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリイソプレン、ポリエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン等が含まれる。図2は、高分子材料の一例を示す構造式である。 The polymer material can be appropriately selected. Examples of the polymer material include polybutadiene, polystyrene, polyisoprene, polyethylene, polyacrylonitrile, polytetrafluoroethylene and the like. FIG. 2 is a structural formula showing an example of a polymer material.
図2では、cis-1,4ポリイソプレン(以下、単に「ポリイソプレン」ということがある。)が例示される。ポリイソプレンを構成する分子鎖2は、メチン基等(例えば、−CH=、>C=)、メチレン基(−CH2−)、及び、メチル基(−CH3)によって構成されるイソプレンのモノマー(イソプレン分子)3が、重合度nで連結されて構成されている。なお、ポリマーには、ポリイソプレン以外のものが用いられてもよい。
In FIG. 2, cis-1,4 polyisoprene (hereinafter, may be simply referred to as "polyisoprene") is exemplified. The
本実施形態のシミュレーション方法において、性能が比較される複数種類の高分子材料には、第1高分子材料と第2高分子材料とが少なくとも含まれる。本実施形態のシミュレーション方法では、第1高分子材料の性能と、第2高分子材料の性能とが比較される。第1高分子材料及び第2高分子材料としては、例えば、上記の高分子材料の中から、互いに異なる高分子材料が選択される。これらの第1高分子材料及び第2高分子材料は、分子鎖2、2間の相互作用が互いに異なっている。本実施形態の第2高分子材料は、第1高分子材料よりも相互作用が強いものとして例示されるが、第1高分子材料よりも相互作用が弱いものであってもよい。
In the simulation method of the present embodiment, the plurality of types of polymer materials whose performances are compared include at least a first polymer material and a second polymer material. In the simulation method of the present embodiment, the performance of the first polymer material and the performance of the second polymer material are compared. As the first polymer material and the second polymer material, for example, different polymer materials are selected from the above-mentioned polymer materials. These first polymer materials and second polymer materials have different interactions between the
本実施形態の相互作用としては、物理吸着である場合が例示される。分子鎖2、2間の物理吸着は、主に分子鎖2、2間に働くファンデルワールス相互作用及び静電相互作用によって、分子鎖2、2同士が吸着される現象である。分子鎖2、2間の物理吸着が強いほど、高分子材料の耐破壊性が向上すると期待される。このような物理吸着の強弱は、実際の高分子材料において、例えば、分子の化学構造を調節することで適宜設定することができる。
As the interaction of the present embodiment, the case of physical adsorption is exemplified. The physical adsorption between the
図3は、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は、先ず、第1高分子材料モデルが、コンピュータ1に設定される(第1モデル設定工程S1)。図4は、第1高分子材料モデル10Aの一例を示す概念図である。
FIG. 3 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the simulation method. In the simulation method of this embodiment, first, the first polymer material model is set in the computer 1 (first model setting step S1). FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of the first
第1モデル設定工程S1では、第1高分子材料に基づいて、複数の第1粒子13(図7に示す)を含む第1高分子材料モデル10Aが定義される。図5は、第1モデル設定工程S1の処理手順の一例を示すフローチャートである。
In the first model setting step S1, a first
本実施形態の第1モデル設定工程S1では、先ず、第1高分子材料の一部に対応する仮想空間であるセル4が、コンピュータ1に定義される(工程S11)。セル4は、少なくとも互いに向き合う一対の面5、5、本実施形態では、互いに向き合う三対の面5、5を有しており、直方体又は立方体(本例では、立方体)として定義されている。各面5、5には、周期境界条件が定義されている。このようなセル4が用いられることにより、後述の粗視化分子動力学計算において、例えば、第1高分子材料の分子鎖2(図2に示す)をモデル化した後述の第1分子鎖モデル11について、一方側の面5aから出て行った第1分子鎖モデル11の一部が、他方側の面5bから入ってくるように計算することができる。したがって、セル4は、一方側の面5aと、他方側の面5bとが連続している(繋がっている)ものとして取り扱うことができる。
In the first model setting step S1 of the present embodiment, first, the
セル4の一辺の各長さL1は、適宜設定することができる。本実施形態の長さL1は、後述の第1分子鎖モデル11の拡がりを示す量である慣性半径(図示省略)の3倍以上が望ましい。これにより、後述の粗視化分子動力学計算では、周期境界条件による自己のイメージとの衝突の発生を防いで、第1分子鎖モデル11の空間的拡がりを適切に計算することができる。また、セル4の大きさは、例えば1気圧で安定な体積に設定される。これにより、セル4は、解析対象の高分子材料の少なくとも一部の体積を定義することができる。
Each length L1 of one side of the
図6は、図4のA部拡大図である。セル4の内部には、例えば、立方体状に区分された複数の小領域9が定義されている。各小領域9には、節点9tが設定されている。このような小領域9は、後述する分子動力学計算において、後述の第1粒子13(図7に示す)の追跡等に用いられる。小領域9の1辺の長さL2は、例えば、第1粒子13の直径に対して0.1〜5倍程度に設定されるのが望ましい。
FIG. 6 is an enlarged view of part A of FIG. Inside the
次に、本実施形態の第1モデル設定工程S1では、図4に示したセル4の内部に、第1高分子材料の分子鎖2(図2に示す)をモデル化した第1分子鎖モデル11が定義される(工程S12)。工程S12では、セル4の内部において、少なくとも一つ(例えば、10個〜1,000,000個)の第1分子鎖モデル11が配置される。
Next, in the first model setting step S1 of the present embodiment, the first molecular chain model in which the molecular chain 2 (shown in FIG. 2) of the first polymer material is modeled inside the
図7は、第1分子鎖モデル11の一例を示す概念図である。本実施形態の第1分子鎖モデル11は、第1高分子材料の分子鎖2(図2に示す)の分子構造に基づいて定義されている。第1分子鎖モデル11は、複数の第1粒子13を含んでいる。本実施形態の第1高分子材料モデル10Aは、第1粒子13のみからなる。隣接する第1粒子13、13間は、第1結合鎖モデル15で連結されている。
FIG. 7 is a conceptual diagram showing an example of the first
第1粒子13は、第1高分子材料の分子鎖2(図2に示す)のモノマー3(図2に示す)又はモノマー3の一部分をなす構造単位を置換したものである。これにより、第1分子鎖モデル11には、複数(例えば、10〜5000個)の第1粒子13が設定される。第1粒子13は、後述の粗視化分子動力学計算において、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、第1粒子13には、例えば、質量、直径、電荷又は初期座標などのパラメータが定義される。
The
図8は、第1粒子13、13間の相互作用ポテンシャルの一例を示す概念図である。第1結合鎖モデル15は、相互作用ポテンシャルP3で定義される。相互作用ポテンシャルP3には、第1粒子13、13間の伸びきり長が定義されている。
FIG. 8 is a conceptual diagram showing an example of the interaction potential between the
相互作用ポテンシャルP3については、適宜定義することができる。相互作用ポテンシャルP3には、例えば、従来と同様に、レナードジョーンズポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義することができる。各ポテンシャルに定義される定数については、例えば、論文( Kurt Kremer & Gary S. Grest 著、「Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation」、J. Chem Phys. vol.92, No.8, 15 April 1990、p5057-5086)に基づいて、適宜設定することができる。これにより、工程S12では、第1粒子13が伸縮自在に拘束された直鎖状の第1分子鎖モデル11を定義することができる。
The interaction potential P3 can be appropriately defined. The interaction potential P3 can be defined by, for example, the sum of the Lennard-Jones potential and the FENE potential as in the conventional case. For the constants defined for each potential, see, for example, the paper (Kurt Kremer & Gary S. Grest, "Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation", J. Chem Phys. Vol.92, No. 8 , 15 April 1990, p5057-5086), and can be set as appropriate. Thereby, in step S12, it is possible to define a linear first
次に、本実施形態の第1モデル設定工程S1では、第1粒子13、13間に、第1相互作用ポテンシャルP1が定義される(工程S13)。本実施形態の第1相互作用ポテンシャルP1は、隣接する第1分子鎖モデル11、11の第1粒子13、13間に定義されている。第1相互作用ポテンシャルP1は、例えば、従来と同様に、レナードジョーンズポテンシャルである。第1相互作用ポテンシャルP1の定数については、上記論文に基づいて、適宜設定することができる。第1高分子材料モデル10Aは、コンピュータ1に記憶される。
Next, in the first model setting step S1 of the present embodiment, the first interaction potential P1 is defined between the
次に、本実施形態のシミュレーション方法は、第2高分子材料モデル10B(図10に示す)が、コンピュータ1に設定される(第2モデル設定工程S2)。第2モデル設定工程S2では、第2高分子材料に基づいて、複数の第2粒子14(図10に示す)を含む第2高分子材料モデル10Bが定義される。図9は、第2モデル設定工程S2の処理手順の一例を示すフローチャートである。
Next, in the simulation method of the present embodiment, the second
本実施形態の第2モデル設定工程S2では、先ず、第2高分子材料の一部に対応する仮想空間であるセルが、コンピュータ1に定義される(工程S21)。図4に示されるように、工程S21では、第1モデル設定工程S1の工程S11と同様の手順で、セル4が定義される。第2高分子材料モデル10B(図示省略)のセル4の一辺の各長さL1は、後述の第2分子鎖モデル12(図10に示す)の拡がりを示す量である慣性半径(図示省略)の3倍以上が望ましい。セル4の内部には、第1高分子材料モデル10Aのセル4と同様に、立方体状に区分された複数の小領域9(図6に示す)が定義されている。
In the second model setting step S2 of the present embodiment, first, a cell which is a virtual space corresponding to a part of the second polymer material is defined in the computer 1 (step S21). As shown in FIG. 4, in the step S21, the
次に、本実施形態の第2モデル設定工程S2では、図4に示したセル4の内部に、第2高分子材料の分子鎖2(図2に示す)をモデル化した第2分子鎖モデル12(図10に示す)が定義される(工程S22)。工程S22では、セル4の内部において、少なくとも一つ(例えば、10個〜1,000,000個)の第2分子鎖モデル12が配置される。
Next, in the second model setting step S2 of the present embodiment, the second molecular chain model in which the molecular chain 2 (shown in FIG. 2) of the second polymer material is modeled inside the
図10は、第2粒子14、14間の相互作用ポテンシャルの一例を示す概念図である。本実施形態の第2分子鎖モデル12は、第2高分子材料の分子鎖2(図2に示す)の分子構造に基づいて定義されている。第2分子鎖モデル12は、複数の第2粒子14を含んでいる。本実施形態の第2高分子材料モデル10Bは、第2粒子14のみからなる。隣接する第2粒子14、14間には、第2結合鎖モデル16で連結されている。
FIG. 10 is a conceptual diagram showing an example of the interaction potential between the
第2粒子14は、第2高分子材料の分子鎖2のモノマー3(図2に示す)又はモノマー3の一部分をなす構造単位を置換したものである。これにより、第2分子鎖モデル12には、複数(例えば、10〜5000個)の第2粒子14が設定される。第2粒子14は、後述の粗視化分子動力学計算において、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、第2粒子14には、例えば、質量、直径、電荷又は初期座標などのパラメータが定義される。
The
第2結合鎖モデル16は、相互作用ポテンシャルP4で定義される。相互作用ポテンシャルP4には、第2粒子14、14間の伸びきり長が定義されている。相互作用ポテンシャルP4については、適宜定義することができる。相互作用ポテンシャルP4には、例えば、従来と同様に、レナードジョーンズポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義することができる。各ポテンシャルに定義される定数については、上記論文に基づいて、適宜設定される。これにより、工程S22では、第2粒子14が伸縮自在に拘束された直鎖状の第2分子鎖モデル12を定義することができる。
The second bound
次に、本実施形態の第2モデル設定工程S2では、第2粒子14、14間に、第2相互作用ポテンシャルP2が定義される(工程S23)。本実施形態の第2相互作用ポテンシャルP2は、隣接する第2分子鎖モデル12、12の第2粒子14、14間に定義されている。第2相互作用ポテンシャルP2は、第1相互作用ポテンシャルP1と同様に、レナードジョーンズポテンシャルである。第2相互作用ポテンシャルP2の定数については、上記論文に基づいて、適宜設定することができる。
Next, in the second model setting step S2 of the present embodiment, the second interaction potential P2 is defined between the
上述したように、本実施形態の第1高分子材料及び第2高分子材料は、図2に示した分子鎖2、2間の相互作用が互いに異なっている。このため、本実施形態の工程S23では、第2相互作用ポテンシャルP2(図10に示す)の強度と、第1相互作用ポテンシャルP1(図8に示す)の強度とを、互いに異ならせている。さらに、本実施形態の第2高分子材料は、第1高分子材料よりも相互作用が強い。このため、本実施形態の工程S23では、第2相互作用ポテンシャルP2の強度が、第1相互作用ポテンシャルP1の強度よりも大きく設定される。
As described above, the first polymer material and the second polymer material of the present embodiment have different interactions between the
第1相互作用ポテンシャルP1の強度及び第2相互作用ポテンシャルP2の強度は、レナードジョーンズポテンシャルのポテンシャルの深さεで定義される。本実施形態では、第2相互作用ポテンシャルP2の深さεが、第1相互作用ポテンシャルP1の深さεよりも大きく設定される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、第1相互作用ポテンシャルP1の強度及び第2相互作用ポテンシャルP2の強度が互いに異なる第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bをそれぞれ設定することができる。第1相互作用ポテンシャルP1の深さε及び第2相互作用ポテンシャルP2の深さεについては、適宜設定することができ、一例としては以下のとおりである。第2高分子材料モデル10Bは、コンピュータ1に記憶される。
第1相互作用ポテンシャルの深さε:1.0
第2相互作用ポテンシャルの深さε:2.0
The intensity of the first interaction potential P1 and the intensity of the second interaction potential P2 are defined by the potential depth ε of the Lennard-Jones potential. In the present embodiment, the depth ε of the second interaction potential P2 is set to be larger than the depth ε of the first interaction potential P1. As a result, in the simulation method of the present embodiment, the first
Depth of first interaction potential ε: 1.0
Depth of second interaction potential ε: 2.0
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bの構造緩和をそれぞれ計算する(工程S3)。本実施形態の工程S3では、粗視化分子動力学計算に基づいて、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bの構造緩和がそれぞれ計算される。
Next, in the simulation method of the present embodiment, the
本実施形態の粗視化分子動力学計算では、例えば、セル4(図4に示す)について所定の時間、第1分子鎖モデル11(図8に示す)及び第2分子鎖モデル12(図10に示す)が古典力学に従うものとして、ニュートンの運動方程式が適用される。そして、各時刻での第1分子鎖モデル11及び第2分子鎖モデル12の動きが、シミュレーションの単位時間毎に追跡される。構造緩和の計算は、例えば(株)JSOL社製のソフトマテリアル総合シミュレーター(J−OCTA)に含まれるCOGNAC、又は、VSOPを用いて処理することができる。
In the coarse-grained molecular dynamics calculation of the present embodiment, for example, for cell 4 (shown in FIG. 4), the first molecular chain model 11 (shown in FIG. 8) and the second molecular chain model 12 (shown in FIG. 10) are used for a predetermined time. Newton's equation of motion is applied as if (shown in) follows classical mechanics. Then, the movements of the first
ところで、従来のシミュレーション方法において、複数種類の高分子材料の性能を比較するために定義された各高分子材料モデル(図示省略)は、相互作用ポテンシャルの強度がそれぞれ異なっていた。そして、従来のシミュレーション法では、相互作用ポテンシャルに基づいて、粒子の密度及び温度が互いに同一となる条件の下で、各高分子材料モデルの構造緩和がそれぞれ計算されていた。このため、各高分子材料モデルは、緩和計算後の粒子の分布がそれぞれ異なり、緩和計算後の内部応力が互いに異なる値に計算されていた。したがって、従来のシミュレーション方法では、その後に計算される各高分子材料モデルの変形に伴う物理量を、精度良く比較できないという問題があった。 By the way, in the conventional simulation method, each polymer material model (not shown) defined for comparing the performance of a plurality of types of polymer materials has different strengths of interaction potentials. Then, in the conventional simulation method, the structural relaxation of each polymer material model is calculated based on the interaction potential under the condition that the density and temperature of the particles are the same as each other. Therefore, in each polymer material model, the distribution of particles after the relaxation calculation is different, and the internal stress after the relaxation calculation is calculated to have different values. Therefore, in the conventional simulation method, there is a problem that the physical quantities due to the deformation of each polymer material model calculated after that cannot be compared accurately.
本実施形態の工程S3では、第1高分子材料モデル10A(図8に示す)及び第2高分子材料モデル10B(図10に示す)において、圧力及び温度が互いに同一となる条件の下で、構造緩和が計算される。さらに、本実施形態の工程S3では、第1粒子13及び第2粒子14の数(総数)がそれぞれ一定となる条件の下で、構造緩和が計算される。
In step S3 of the present embodiment, in the first
本実施形態の工程S3では、先ず、第1高分子材料モデル10A(図8に示す)の構造緩和が計算される。この構造緩和の計算は、第1高分子材料モデル10Aの圧力、温度、並びに、粒子の数(本例では、第1粒子13)が一定となる条件(即ち、NPTアンサンブル)の下で、第1分子鎖モデル11の初期配置が十分に緩和されるまで計算される。これにより、工程S3では、第1分子鎖モデル11の平衡状態(構造が緩和した状態)を計算することができる。なお、この構造緩和の計算は、第1高分子材料モデル10Aの体積、温度、並びに、粒子の数(本例では、第1粒子13)が一定となる条件(即ち、NVTアンサンブル)の下で、第1分子鎖モデル11の初期配置が十分に緩和されるまで計算されてもよい。構造緩和された第1高分子材料モデル10Aは、コンピュータ1に記憶される。
In step S3 of the present embodiment, first, the structural relaxation of the first
次に、本実施形態の工程S3では、第2高分子材料モデル10B(図8に示す)の構造緩和が計算される。第2高分子材料モデル10Bの構造緩和の計算は、第2高分子材料モデル10Bの圧力、及び、温度が、図8に示した第1高分子材料モデル10Aの圧力、及び、温度とそれぞれ同一となる条件の下で、第2分子鎖モデル12の初期配置が十分に緩和されるまで計算される。さらに、本実施形態の構造緩和は、第2粒子14の数が一定となる条件で計算される。
Next, in step S3 of the present embodiment, the structural relaxation of the second
第2高分子材料モデル10Bの圧力の制御は、例えば、アンダーソン(Andersen)の圧力制御や、パリネロ・ラーマン(Parrinello-Rahman)等の圧力制御に基づいて実施される。工程S3では、第2分子鎖モデル12の平衡状態(構造が緩和した状態)を計算することができる。
The pressure control of the second
図11は、第2高分子材料モデル10Bの初期の体積に対する体積分率と、時刻との関係を示すグラフである。図12は、第1高分子材料モデル10Aの内部応力及び第2高分子材料モデル10Bの内部応力と、時刻との関係を示すグラフである。本実施形態では、第2高分子材料モデル10Bの第2相互作用ポテンシャルP2の強度が、第1高分子材料モデル10Aの第1相互作用ポテンシャルP1の強度に比べて大きい。このような場合、工程S3では、図11に示されるように、第2高分子材料モデル10Bの体積を、初期の体積よりも小さくして、第2高分子材料モデル10Bの構造緩和が計算される。これにより、第2高分子材料モデル10Bの第2粒子14の分布と、第1高分子材料モデル10Aの第1粒子13の分布とが異なっていても、図12に示されるように、第2高分子材料モデル10Bの内部応力を、第1高分子材料モデル10Aの内部応力に近似させることができる。
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the volume fraction with respect to the initial volume of the second
このように、工程S3では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bにおいて、圧力及び温度が互いに同一となる条件の下で、構造緩和を計算することができるため、緩和計算後の各高分子材料モデル10A、10Bの内部応力を近似させることができる。さらに、本実施形態では、第1粒子13及び第2粒子14の数がそれぞれ一定となる条件の下で実施されるため、緩和計算後の各高分子材料モデル10A、10Bの内部応力を確実に近似させることができる。構造緩和された第2分子鎖モデル12は、コンピュータ1に記憶される。
As described above, in step S3, in the first
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bをそれぞれ変形させて、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bの変形に伴う物理量をそれぞれ計算する(工程S4)。
Next, in the simulation method of the present embodiment, the
工程S4では、図4に示されるように、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bを、予め定められた方向に引っ張る単軸引張試験が計算される。高分子材料モデルを引っ張る方向については、適宜選択することができ、本例では、z軸方向に引っ張っている。
In step S4, as shown in FIG. 4, a uniaxial tensile test for pulling the first
第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bの変形計算は、例えば、特許文献(特開2016−81297号公報)に記載された内容の手順に従い、z軸方向において、高分子材料モデル10A、10Bの一端(図5に示したセル4の一方側の面5a)、及び、高分子材料モデル10A、10Bの他端(図5に示したセル4の他方側の面5b)が互いに離間するように、高分子材料モデル10A、10Bの伸長が計算される。高分子材料モデル10A、10Bの伸長計算は、分子動力学計算に基づいて計算される。
The deformation calculation of the first
図13(a)は、変形計算前の第1高分子材料モデル10Aの一部を示す概念図である。図13(b)は、変形計算後の第1高分子材料モデル10Aの一部を示す概念図である。図13(a)に示されるように、各高分子材料(本例では、第1高分子材料モデル10A)の変形計算前において、セル4の内部の各小領域9には、上述した構造緩和計算により、第1分子鎖モデル11の第1粒子13が配置されている。
FIG. 13A is a conceptual diagram showing a part of the first
工程S4では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bの伸長計算により、第1分子鎖モデル11及び第2分子鎖モデル12(図示省略)の熱運動が計算される。このような熱運動は、各高分子材料モデル10A、10Bに与えられた歪み、図8及び図10に示した上記相互作用ポテンシャルP1〜P4、及び、運動方程式に基づいて計算される。これにより、図13(b)に示されるように、セル4には、第1分子鎖モデル11の第1粒子13、及び、第2分子鎖モデル12の第2粒子14(図示省略)が配置されない小領域9が形成される。このような小領域9は、各高分子材料モデル10A、10Bに形成された空孔(ボイド)26として定義される。このような空孔26により、各高分子材料モデルの破壊が再現される。
In step S4, the thermal motions of the first
変形条件としては、第1分子鎖モデル11の第1粒子13、及び、第2分子鎖モデル12の第2粒子(図示省略)が配置されていた領域の少なくとも一部に、空孔26を形成することができれば、適宜設定することができる。変形条件の一例としては、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bに与えられる歪みが0.1〜0.3程度であり、また、1歪み当たりの変形速度V1(図4に示す)が1000〜10000τ程度である。
As a deformation condition, pores 26 are formed in at least a part of the region where the
工程S4では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10B(図示省略)の変形開始から変形終了までの間、分子動力学計算の単位ステップ(MDステップ)毎に、各高分子材料モデル10A、10Bの変形に伴う物理量が計算される。物理量としては、適宜採用することができる。本実施形態の物理量は、第1高分子材料モデル10Aの応力、及び、第2高分子材料モデル10Bの応力が含まれる。工程S4では、各高分子材料モデル10A、10Bに与えられる歪毎に、高分子材料モデル10A、10Bの伸長方向の応力成分がそれぞれ計算される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、各高分子材料モデル10A、10Bの応力と歪との関係を示す応力−歪曲線を取得することができる。
In step S4, from the start of deformation to the end of deformation of the first
さらに、本実施形態の物理量としては、第1高分子材料モデル10Aの空孔26(図13(b)に示す)に関するパラメータ、及び、第2高分子材料モデル10Bの空孔26(図示省略)に関するパラメータを含んでもよい。空孔26に関するパラメータについては、例えば、第1高分子材料モデル10Aの系全体に形成された空孔26の合計体積、第2高分子材料モデル10Bの系全体に形成された空孔26の合計体積、第1高分子材料モデル10Aの体積に対する空孔26の合計体積の割合(以下、単に、「空孔の体積分率」ということがある。)、又は、第2高分子材料モデル10Bの空孔の体積分率など、適宜選択することができる。
Further, as the physical quantities of the present embodiment, the parameters relating to the pores 26 (shown in FIG. 13B) of the first
本実施形態の工程S4では、各高分子材料モデル10A、10Bに与えられる歪毎に、高分子材料モデルの系全体に形成される空孔26の合計体積がそれぞれ計算される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、各高分子材料モデル10A、10Bの空孔26に関するパラメータ(空孔の体積分率)と、歪との関係を示すグラフを取得することができる。なお、空孔の体積分率は、上記変形計算によって生じたひずみによる高分子材料モデル(セル4)の体積変化量に対する空孔26の体積の割合であってもよい。
In step S4 of the present embodiment, the total volume of the
本実施形態の工程S4では、構造緩和後の内部応力を互いに近似させた第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bについて、各高分子材料モデル10A、10Bの変形がそれぞれ計算される。このため、各高分子材料モデル10A、10Bの物理量の尺度を互いに揃えることができる。したがって、本実施形態のシミュレーション方法では、第1相互作用ポテンシャルP1及び第2相互作用ポテンシャルP2の相互作用を考慮した各高分子材料モデル10A、10Bの変形を、物理量の尺度を揃えて計算することができるため、各高分子材料モデル10A、10Bの変形に伴う物理量を精度良く比較することができる。各高分子材料モデル10A、10Bの物理量は、コンピュータ1に記憶される。
In step S4 of the present embodiment, the deformations of the
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bの物理量を比較する(工程S5)。工程S5では、各高分子材料モデル10A、10Bについて、応力及び空孔に関するパラメータがそれぞれ比較される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、分子鎖2、2間の相互作用(本例では、物理吸着)が互いに異なる高分子材料について、それらの性能(例えば、破壊特性等)を評価できるため、高分子材料の開発に役立つ。また、本実施形態のシミュレーション方法では、第1粒子13、13間又は第2粒子14、14間に、様々な相互作用ポテンシャルを設定して、高分子材料モデル10A、10Bの物理量を評価するパラメータスタディにより、高分子材料の開発の方向性を提示することが可能となる。
Next, in the simulation method of the present embodiment, the
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、物理量が良好な高分子材料モデルが存在するか否かを判断する(工程S6)。工程S6では、予め定められた閾値に基づいて、各高分子材料モデル10A、10Bの物理量の良否が判断される。本実施形態では、各高分子材料モデル10A、10Bの応力が閾値よりも大きい場合に、耐破壊性能に優れていると判断される。さらに、本実施形態では、各高分子材料モデル10A、10Bの空孔26に関するパラメータが閾値よりも小さい場合に、耐破壊性能に優れていると判断される。なお、閾値については、例えば、高分子材料に求められる耐破壊性能等に応じて適宜設定することができる。
Next, in the simulation method of the present embodiment, the
工程S6において、物理量が良好な高分子材料モデル(第1高分子材料モデル10A又は第2高分子材料モデル10B)が存在すると判断された場合(工程S6において、「Y」)、物理量が良好な高分子材料モデルに設定された諸条件に基づいて、高分子材料が製造される(工程S7)。他方、工程S6において、物理量が良好な高分子材料モデルが存在しないと判断された場合(工程S6において、「N」)、第1相互作用ポテンシャルP1(図8に示す)又は第2相互作用ポテンシャルP2(図10に示す)が変更され(工程S8)、工程S3〜工程S6が再度実施される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法は、耐破壊性能に優れる高分子材料を開発することができる。
When it is determined in step S6 that a polymer material model having a good physical quantity (first
本実施形態の第1高分子材料モデル10Aは、第1粒子13のみからなるものが例示されたが、このような態様に限定されない。第1高分子材料モデル10Aは、第1粒子13と、第2粒子14とからなるものでもよい。これにより、第1高分子材料モデル10Aは、複数種類の高分子材料(本例では、第1高分子材料及び第2高分子材料)をブレンドした第3高分子材料をモデル化することができる。この実施形態において、第2高分子材料は、第1高分子材料よりも相互作用が強いものとして例示される。図14は、第1粒子13と第2粒子14とを含む第1高分子材料モデル10Aの一例を示す概念図である。なお、この実施形態において、これまでの実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省略することがある。
The first
この実施形態の第1モデル設定工程S1では、第3高分子材料に基づいて、複数の第1粒子13と、複数の第2粒子14とを含む第1高分子材料モデル10Aが定義される。図15は、本発明の他の実施形態の第1モデル設定工程S1の処理手順の一例を示すフローチャートである。
In the first model setting step S1 of this embodiment, the first
この実施形態の第1モデル設定工程S1では、セル4の内部に、第1分子鎖モデル11及び第2分子鎖モデル12が定義される(工程S14)。工程S14では、セル4の内部において、少なくとも一つ(例えば、5個〜500,000個)の第1分子鎖モデル11、及び、少なくとも一つ(例えば、5個〜500,000個)の第2分子鎖モデル12が配置される。
In the first model setting step S1 of this embodiment, the first
第1分子鎖モデル11は、第3高分子材料を構成する第1高分子材料の分子鎖2(図2に示す)の分子構造に基づいて定義されている。第1分子鎖モデル11の詳細については、前実施形態で説明したとおりである。これにより、工程S14では、直鎖状の第1分子鎖モデル11が定義される。
The first
第2分子鎖モデル12は、第3高分子材料を構成する第2高分子材料の分子鎖2(図2に示す)の分子構造に基づいて定義されている。第2分子鎖モデル12の詳細については、前実施形態で説明したとおりである。これにより、工程S14では、直鎖状の第2分子鎖モデル12が定義される。
The second
次に、この実施形態の第1モデル設定工程S1では、第1粒子13、13間に、第1相互作用ポテンシャルP1が定義され(工程S13)、第2粒子14、14間に、第2相互作用ポテンシャルP2が定義される(工程S15)。第1相互作用ポテンシャルP1は、隣接する第1分子鎖モデル11、11の第1粒子13、13間に定義される。第2相互作用ポテンシャルP2は、隣接する第2分子鎖モデル12、12の第2粒子14、14間に定義される。第1相互作用ポテンシャルP1及び第2相互作用ポテンシャルP2の詳細については、前実施形態で説明したとおりである。
Next, in the first model setting step S1 of this embodiment, the first interaction potential P1 is defined between the
次に、この実施形態の第1モデル設定工程S1では、第1粒子13と第2粒子14との間に、第3相互作用ポテンシャルP7が定義されている(工程S16)。第3相互作用ポテンシャルP7は、隣接する第1分子鎖モデル11の第1粒子13と、第2分子鎖モデル12の第2粒子14との間に定義される。第3相互作用ポテンシャルP7は、例えば、従来と同様に、レナードジョーンズポテンシャルである。第3相互作用ポテンシャルP7の定数については、上記論文に基づいて、適宜設定することができる。この実施形態の第3相互作用ポテンシャルの深さεは、例えば、1.0に設定される。この実施形態の第1高分子材料モデル10Aは、コンピュータ1に記憶される。
Next, in the first model setting step S1 of this embodiment, the third interaction potential P7 is defined between the
次に、この実施形態の工程S3では、前実施形態の工程S3と同様に、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bにおいて、圧力及び温度が互いに同一となる条件の下で、構造緩和がそれぞれ計算される。さらに、この実施形態の工程S3では、前実施形態の工程S3と同様に、第1粒子13及び第2粒子14の数(総数)がそれぞれ一定となる条件の下で、構造緩和が計算されるのが望ましい。
Next, in the step S3 of this embodiment, similarly to the step S3 of the previous embodiment, in the first
この実施形態の第2高分子材料モデル10Bは、第1相互作用ポテンシャルP1よりも強い第2相互作用ポテンシャルP2のみが定義されている。このような場合、工程S3では、第2高分子材料モデル10Bの体積を、第1高分子材料モデル10Aの体積よりも小さくして、第2高分子材料モデル10Bの構造緩和が計算される。これにより、第2高分子材料モデル10Bの第2粒子14の分布と、第1高分子材料モデル10Aの第1粒子13及び第2粒子14の分布とが異なっていても、第2高分子材料モデル10Bの内部応力を、第1高分子材料モデル10Aの内部応力に近似させることができる。
In the second
この実施形態の工程S4では、構造緩和後の内部応力を互いに近似させた第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bについて、変形計算が行われる。この実施形態のシミュレーション方法では、これまでの実施形態と同様に、第1相互作用ポテンシャルP1、第2相互作用ポテンシャルP2、及び、第3相互作用ポテンシャルP3の相互作用を考慮した各高分子材料モデル10A、10Bの変形を、物理量の尺度を揃えて計算することができる。したがって、この実施形態のシミュレーション方法は、各高分子材料モデル10A、10Bの変形に伴う物理量を精度良く比較することができる。
In step S4 of this embodiment, deformation calculation is performed on the first
これまでの実施形態の第2高分子材料モデル10B(図10に示す)は、第2粒子14のみからなるものが例示されたが、このような態様に限定されない。第2高分子材料モデル10Bは、例えば、前実施形態の第1高分子材料モデル10A(図14に示す)と同様に、第1粒子13と、第2粒子14とからなるものでもよい。
The second
これまでの実施形態の第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bは、第1粒子13又は第2粒子14からなるものが例示されたが、このような態様に限定されない。第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bは、例えば、第1粒子13及び第2粒子14とは異なる粒子(図示省略)を含むとともに、その粒子間に、第1相互作用ポテンシャルP1、第2相互作用ポテンシャルP2、及び、第3相互作用ポテンシャルP7とは異なる相互作用ポテンシャル(図示省略)が定義されてもよい。このような第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bには、様々な相互作用ポテンシャルを定義することができるため、耐破壊性能に優れる高分子材料の開発に役立つ。
The first
さらに、セル4の内部には、高分子材料に含まれるフィラーをモデル化したフィラーモデルを構成する粒子(図示省略)や、分子鎖2をフィラーに結合させるためのカップリング剤をモデリングしたカップリング剤モデルを構成する粒子(図示省略)がさらに定義されてもよい。これらの粒子は、第1粒子13又は第2粒子14として定義されてもよい。これにより、シミュレーション方法では、カップリング反応後の高分子材料モデルについて、変形に伴う物理量を精度よく比較することができる。
Further, inside the
これまでの実施形態のシミュレーション方法では、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bを設定して、高分子材料の性能が比較されたが、このような態様に限定されない。例えば、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bとともに、第3高分子材料モデル(図示省略)を設定して、高分子材料の性能が比較されてもよい。このような第3高分子材料モデルは、構造緩和を計算する工程S3において、第1高分子材料モデル10A及び第2高分子材料モデル10Bの圧力及び温度が互いに同一となる条件の下で、構造緩和が計算される。これにより、第3高分子材料モデルの内部応力を、第1高分子材料モデル10Aの内部応力及び第2高分子材料モデル10Bの内部応力に近似させることができる。したがって、第1高分子材料モデル10A、第2高分子材料モデル10B、及び、第3高分子材料モデルの各物理量の尺度を互いに揃えることができるため、各高分子材料モデルの変形に伴う物理量を精度良く比較することができる。なお、工程S3では、これまでの実施形態と同様に、各高分子材料の粒子の数が一定となる条件の下で、構造緩和が計算されるのが望ましい。また、第1高分子材料モデル10A、第2高分子材料モデル10B、及び、第3高分子材料モデル以外にも、複数の高分子材料モデルが設定されて、高分子材料の性能が比較されてもよい。
In the simulation methods of the conventional embodiments, the first
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。 Although the particularly preferable embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the illustrated embodiments and can be modified into various embodiments.
図3に示した処理手順に基づいて、第1高分子材料、第2高分子材料、並びに、第1高分子材料及び第2高分子材料をブレンドした第3高分子材料の性能が比較された(実施例及び比較例)。実施例及び比較例では、第1高分子材料をモデル化した第1高分子材料モデル、第2高分子材料をモデル化した第2高分子材料モデル、及び、第3高分子材料をモデル化した第3高分子材料モデルがそれぞれ設定された。 Based on the treatment procedure shown in FIG. 3, the performances of the first polymer material, the second polymer material, and the third polymer material blended with the first polymer material and the second polymer material were compared. (Examples and comparative examples). In the examples and comparative examples, the first polymer material model that models the first polymer material, the second polymer material model that models the second polymer material, and the third polymer material are modeled. A third polymer material model was set for each.
第1高分子材料モデルは、第1粒子のみで構成されており、第1粒子間に第1相互作用ポテンシャルが定義されている。第2高分子材料モデルは、第2粒子のみで構成されており、第2粒子間に第2相互作用ポテンシャルが定義されている。第3高分子材料モデルは、第1粒子及び第2粒子を含んで構成されており、第1相互作用ポテンシャル、第2相互作用ポテンシャル、及び、第1粒子と前記第2粒子との間に第3相互作用ポテンシャルが定義されている。 The first polymer material model is composed of only the first particles, and the first interaction potential is defined between the first particles. The second polymer material model is composed of only the second particles, and the second interaction potential is defined between the second particles. The third polymer material model is composed of the first particle and the second particle, and has a first interaction potential, a second interaction potential, and a second particle between the first particle and the second particle. 3 Interaction potentials are defined.
そして、実施例及び比較例では、第1高分子材料モデル、第2高分子材料モデル、及び、第3高分子材料モデルの構造緩和が計算され、構造緩和後の変形に伴う物理量が計算された。 Then, in the examples and comparative examples, the structural relaxations of the first polymer material model, the second polymer material model, and the third polymer material model were calculated, and the physical quantities associated with the deformation after the structural relaxation were calculated. ..
実施例の構造緩和を計算する工程は、各高分子材料モデルにおいて、圧力及び温度が互いに同一となる条件の下で実行された。さらに、実施例では、第1粒子及び第2粒子の数(総数)が一定となる条件の下で、構造緩和が計算された。一方、比較例では、特許文献(特開2016−81297号公報)のシミュレーション方法と同様に、各高分子材料モデルの体積、温度、並びに、第1粒子及び第2粒子の数が一定となる条件の下で、各高分子材料モデルの構造緩和が計算された。 The step of calculating the structural relaxation of the examples was performed in each polymer material model under the condition that the pressure and temperature were the same as each other. Further, in the examples, the structural relaxation was calculated under the condition that the number (total number) of the first particles and the second particles was constant. On the other hand, in the comparative example, the volume and temperature of each polymer material model and the conditions under which the numbers of the first particles and the second particles are constant are the same as the simulation method of Patent Document (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-81297). Under, the structural relaxation of each polymer material model was calculated.
実施例の変形計算は、下記の摩擦係数及び変形速度に基づいて、z軸方向の引張計算が実施された。比較例の変形計算は、下記の初期摩擦係数及び初期変形速度に基づいて、z軸方向の引張計算が実施された後に、摩擦係数を上記論文の摩擦係数と同一に設定し、かつ、高分子材料モデルの体積を固定して、138τの緩和計算が実施された。実施例及び比較例の共通仕様については、次のとおりである。 In the deformation calculation of the example, the tension calculation in the z-axis direction was performed based on the following friction coefficient and deformation speed. In the deformation calculation of the comparative example, after the tensile calculation in the z-axis direction is performed based on the following initial friction coefficient and initial deformation rate, the friction coefficient is set to be the same as the friction coefficient in the above paper, and the polymer is polymerized. A relaxation calculation of 138τ was performed with the volume of the material model fixed. The common specifications of the examples and the comparative examples are as follows.
セル:
一辺の長さL1:22.74σ(粗視化粒子密度:0.85(1/σ3))
小領域の一辺の長さL2:1.5σ
第1高分子材料モデル:
第1分子鎖モデルの本数:500本
第1分子鎖モデルを構成する第1粒子:20個
第1相互作用ポテンシャルの強度(深さε):1.0
第2高分子材料モデル:
第2分子鎖モデルの本数:500本
第2分子鎖モデルを構成する第2粒子:20個
第2相互作用ポテンシャルの強度(深さε):2.0
第3高分子材料モデル:
第1分子鎖モデルの本数:250本
第1分子鎖モデルを構成する第1粒子:20個
第1相互作用ポテンシャルの強度(深さε):1.0
第2分子鎖モデルの本数:250本
第2分子鎖モデルを構成する第2粒子:20個
第2相互作用ポテンシャルの強度(深さε):2.0
第3相互作用ポテンシャルの強度(深さε):1.0
架橋密度:0.007245(1/σ3)
変形計算:
歪み:0.3
実施例:
摩擦係数:上記論文の摩擦係数と同一
変形速度:460τ/歪み
比較例:
初期摩擦係数:上記論文の10倍
初期変形速度:0.4τ/歪み
cell:
One side length L1: 22.74σ (coarse grained particle density: 0.85 (1 / σ 3 ))
Length of one side of small area L2: 1.5σ
First polymer material model:
Number of first molecular chain models: 500
First particles constituting the first molecular chain model: 20
Intensity of first interaction potential (depth ε): 1.0
Second polymer material model:
Number of second molecular chain models: 500
Second particles constituting the second molecular chain model: 20
Intensity of second interaction potential (depth ε): 2.0
Third polymer material model:
Number of first molecular chain models: 250
First particles constituting the first molecular chain model: 20
Intensity of first interaction potential (depth ε): 1.0
Number of second molecular chain models: 250
Second particles constituting the second molecular chain model: 20
Intensity of second interaction potential (depth ε): 2.0
Intensity of third interaction potential (depth ε): 1.0
Crosslink density: 0.0072245 (1 / σ 3 )
Deformation calculation:
Distortion: 0.3
Example:
Friction coefficient: Same as the friction coefficient in the above paper
Deformation speed: 460τ / distortion
Comparative example:
Initial coefficient of friction: 10 times that of the above paper
Initial deformation rate: 0.4τ / distortion
図16は、実施例の初期の体積に対する各高分子材料モデルの体積分率と、時刻との関係を示すグラフである。図17は、実施例の第1高分子材料モデルの内部応力、第2高分子材料モデルの内部応力及び第3高分子材料モデルの内部応力と、時刻との関係を示すグラフである。実施例では、図16に示されるように、第2高分子材料モデル及び第3高分子材料モデルの体積を、初期の体積よりも小さくして、第2高分子材料モデル及び第3高分子材料モデルの構造緩和が計算された。これにより、図17に示されるように、第2高分子材料モデルの内部応力及び第3高分子材料モデルの内部応力を、第1高分子材料モデルの内部応力に近似させることができた。 FIG. 16 is a graph showing the relationship between the volume fraction of each polymer material model and the time of day with respect to the initial volume of the example. FIG. 17 is a graph showing the relationship between the internal stress of the first polymer material model, the internal stress of the second polymer material model, the internal stress of the third polymer material model, and the time of the embodiment. In the embodiment, as shown in FIG. 16, the volumes of the second polymer material model and the third polymer material model are made smaller than the initial volume, and the second polymer material model and the third polymer material are made smaller. The structural relaxation of the model was calculated. As a result, as shown in FIG. 17, the internal stress of the second polymer material model and the internal stress of the third polymer material model could be approximated to the internal stress of the first polymer material model.
図18は、実施例の応力と歪みとの関係を示すグラフである。図19は、実施例の空孔の体積分率と歪みとの関係を示すグラフである。なお、体積分率は、ひずみ0.3によるセルの体積変形量に対する空孔の体積の割合として計算された。図18に示されるように、第2高分子材料モデル及び第3高分子材料モデルは、第1高分子材料モデルに比べて、応力が大きく計算された。図19に示されるように、10〜30%歪において、第2高分子材料モデル及び第3高分子材料モデルが、第1高分子材料モデルに比べて、空孔の体積分率が小さく計算された。このように、実施例は、各高分子材料モデルの物理量の尺度を互いに揃えることができたため、第1相互作用ポテンシャル〜第3相互作用ポテンシャル(物理吸着)を考慮した各高分子材料モデルの変形を計算することができた。これらの計算結果は、実際の第1高分子材料、第2高分子材料、及び、第3高分子材料の変形に伴う物理量の測定結果に近似している。したがって、実施例は、各高分子材料モデルの変形に伴う物理量を、精度良く比較することができた。 FIG. 18 is a graph showing the relationship between stress and strain in Examples. FIG. 19 is a graph showing the relationship between the volume fraction of the pores of the embodiment and the strain. The volume fraction was calculated as the ratio of the volume of the pores to the amount of volume deformation of the cell due to the strain of 0.3. As shown in FIG. 18, the stress of the second polymer material model and the third polymer material model was calculated to be larger than that of the first polymer material model. As shown in FIG. 19, at 10 to 30% strain, the volume fraction of the pores of the second polymer material model and the third polymer material model is calculated to be smaller than that of the first polymer material model. rice field. In this way, in the examples, since the scales of the physical quantities of each polymer material model could be aligned with each other, the deformation of each polymer material model in consideration of the first interaction potential to the third interaction potential (physical adsorption). Was able to be calculated. These calculation results are close to the actual measurement results of physical quantities due to deformation of the first polymer material, the second polymer material, and the third polymer material. Therefore, in the examples, the physical quantities associated with the deformation of each polymer material model could be compared with high accuracy.
図20は、比較例の各高分子材料モデルの内部応力と時刻との関係を示すグラフである。図21は、比較例の空孔の体積分率と時刻との関係を示すグラフである。図20に示されるように、比較例では、構造緩和後の各高分子材料モデルの内部応力が互いに大きく異なった。したがって、比較例は、各高分子材料モデルの物理量の尺度を互いに揃えることができなかった。これにより、比較例は、第1相互作用ポテンシャル〜第3相互作用ポテンシャル(物理吸着)を考慮した各高分子材料モデルの変形を計算できなかったため、図21に示されるように、第1高分子材料モデルは、第2高分子材料モデル及び第3高分子材料モデルに比べて、空孔の体積分率が小さく計算された。したがって、比較例は、各高分子材料モデルの変形に伴う物理量を、精度良く比較することができなかった。 FIG. 20 is a graph showing the relationship between the internal stress and the time of each polymer material model of the comparative example. FIG. 21 is a graph showing the relationship between the volume fraction of the pores of the comparative example and the time. As shown in FIG. 20, in the comparative example, the internal stresses of the polymer material models after structural relaxation were significantly different from each other. Therefore, the comparative examples could not align the physical quantity scales of each polymer material model with each other. As a result, in the comparative example, the deformation of each polymer material model considering the first interaction potential to the third interaction potential (physisorption) could not be calculated. Therefore, as shown in FIG. 21, the first polymer In the material model, the body integration rate of the pores was calculated to be smaller than that in the second polymer material model and the third polymer material model. Therefore, in the comparative example, the physical quantities associated with the deformation of each polymer material model could not be compared accurately.
S3 第1高分子材料モデル及び第2高分子材料モデルの構造緩和を計算する工程
S4 第1高分子材料モデル及び第2高分子材料モデルの物理量を計算する工程
S3 Step of calculating the structural relaxation of the first polymer material model and the second polymer material model S4 Step of calculating the physical quantities of the first polymer material model and the second polymer material model
Claims (9)
前記第1高分子材料に基づいて、複数の第1粒子を含むとともに、前記第1粒子間に第1相互作用ポテンシャルが定義された第1高分子材料モデルを前記コンピュータに設定する工程と、
前記第2高分子材料に基づいて、複数の第2粒子を含むとともに、前記第2粒子間に第2相互作用ポテンシャルが定義された第2高分子材料モデルを前記コンピュータに設定する工程と、
前記コンピュータが、前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルの構造緩和をそれぞれ計算する工程と、
前記コンピュータが、構造緩和後の前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルをそれぞれ変形させ、前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルの前記変形に伴う物理量をそれぞれ計算する工程とを含み、
前記構造緩和を計算する工程は、前記第1高分子材料モデル及び前記第2高分子材料モデルにおいて、圧力及び温度が互いに同一となる条件の下で実行される、
高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。 A method for comparing the performance of a plurality of types of polymer materials including at least a first polymer material and a second polymer material using a computer.
A step of setting a first polymer material model in the computer, which includes a plurality of first particles based on the first polymer material and in which a first interaction potential is defined between the first particles.
A step of setting a second polymer material model in the computer, which includes a plurality of second particles based on the second polymer material and in which a second interaction potential is defined between the second particles.
A step in which the computer calculates the structural relaxation of the first polymer material model and the second polymer material model, respectively.
The computer deforms the first polymer material model and the second polymer material model after structural relaxation, respectively, and calculates the physical quantities of the first polymer material model and the second polymer material model due to the deformation. Including each calculation process
The step of calculating the structural relaxation is performed in the first polymer material model and the second polymer material model under the condition that the pressure and the temperature are the same as each other.
Coarse-grained molecular dynamics simulation method for polymer materials.
前記強度は、前記レナードジョーンズポテンシャルのポテンシャルの深さεである請求項2に記載の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。 The first interaction potential and the second interaction potential are Lennard-Jones potentials.
The coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to claim 2, wherein the strength is the potential depth ε of the Lennard-Jones potential.
前記第1粒子と前記第2粒子との間に第3相互作用ポテンシャルが定義される、請求項1乃至3のいずれかに記載の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。 The first polymer material model comprises the first particles and the second particles.
The coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to any one of claims 1 to 3, wherein a third interaction potential is defined between the first particle and the second particle.
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