JP7204470B2 - Method, system and program for simulating uniaxial stretching of polymer model - Google Patents

Method, system and program for simulating uniaxial stretching of polymer model Download PDF

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Description

本発明は、架橋ゴム等の高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションする方法、システム及びプログラムに関する。 The present invention relates to a method, system and program for simulating uniaxial stretching of a polymer model such as crosslinked rubber.

例えば未加硫ゴムに硫黄などの架橋剤を加えて分子同士を結合(架橋)させた架橋高分子(いわゆる架橋ゴム)について一軸伸長試験が行われている。CAE(Computer Aided Engineering)を用いたコンピュータシミュレーションにおいても一軸伸長試験をシミュレーションできることが望まれる。架橋ゴムを一軸伸長するにあたり、一定の張力で引っ張れば、クリープ現象が生じ、やがて破断することは知られている。 For example, a uniaxial elongation test is performed on a crosslinked polymer (so-called crosslinked rubber) obtained by adding a crosslinking agent such as sulfur to an unvulcanized rubber to bond (crosslink) the molecules. It is desired that a computer simulation using CAE (Computer Aided Engineering) can also simulate a uniaxial elongation test. It is known that when a crosslinked rubber is uniaxially stretched, if it is pulled with a constant tension, a creep phenomenon occurs and eventually it breaks.

ゴムに限らず、分子シミュレーションにおいて、複数の粒子を含む高分子モデルは立体の計算領域に配置され、環境に応じた所定圧力及び所定温度の解析条件のもと分子動力学計算が実行される。計算領域の体積が高分子の体積となる。一軸伸長を模擬するための一つの手段として、計算領域をx軸に少しずつ拡張し、計算領域のy軸及びz軸については体積が一定となるようにx軸の拡張に併せて縮小させることが考えられる。 In a molecular simulation, not limited to rubber, a polymer model including a plurality of particles is placed in a three-dimensional calculation area, and a molecular dynamics calculation is performed under analysis conditions of a predetermined pressure and a predetermined temperature according to the environment. The volume of the computational domain is the volume of the polymer. As a means of simulating uniaxial expansion, the computational domain is gradually expanded along the x-axis, and the y- and z-axes of the computational domain are contracted so that the volumes remain constant as the x-axis is expanded. can be considered.

しかしながら、体積を一定に制御する方法では、高分子モデルが破断を始めるであろう伸長比に到達しても応力が0にならず、破断が模擬できないことが分かった。 However, in the method of controlling the volume to be constant, it was found that the stress did not become 0 even when the elongation ratio at which the polymer model would start to break was reached, and the break could not be simulated.

破断を模擬するための方法として、特許文献1に記載の方法は、結合している粒子同士の距離が閾値よりも大きいときに結合を切断する切断処理を設けるようである。しかし、閾値の適切な設定が必要であり、また、距離に応じて切断する方法が妥当であるかを検討する必要があり、クリープ現象が再現可能であるかの言及がない。 As a method for simulating breakage, the method described in Patent Document 1 seems to provide a cutting process for cutting bonds when the distance between bonded particles is greater than a threshold value. However, it is necessary to appropriately set the threshold value, and it is necessary to examine whether the method of cutting according to the distance is appropriate, and there is no mention of whether the creep phenomenon can be reproduced.

破断を模擬するための別の方法として、特許文献2に記載の方法は、ゴム要素の歪又は応力が閾値を超えていることを条件として、ポアソン比を変更し、破断を模擬するようである。しかし、ポアソン比を変化させることが妥当であるかを検討する必要があり、クリープ現象が再現可能であるかの言及がない。 As another method for simulating rupture, the method described in US Pat. . However, it is necessary to examine whether it is appropriate to change the Poisson's ratio, and there is no mention of whether the creep phenomenon can be reproduced.

破断をも模擬するための別の方法として、非特許文献1に記載の方法は、計算領域のy軸及びy軸の大きさを固定したまま、x軸を少しずつ拡張させるようである。しかし、太さ(y軸及びz軸)が変化せず、ポアソン比0にてx軸に伸長することが現実におけるゴム等の高分子の破断現象を模擬できているとは言い難い。また、クリープ現象が再現可能であるかの言及がない。 As another method for simulating fracture, the method described in Non-Patent Document 1 seems to extend the x-axis little by little while keeping the y-axis and y-axis sizes of the computational domain fixed. However, it is difficult to say that stretching along the x-axis at a Poisson's ratio of 0 without changing the thickness (y-axis and z-axis) simulates the actual fracture phenomenon of polymers such as rubber. Also, there is no mention of whether the creep phenomenon is reproducible.

特開2017-97841号公報JP 2017-97841 A 特許第6405183号公報Japanese Patent No. 6405183

平成25年度「京」産業利用報告書、大規模粗視化分子動力学法を用いたゴム破壊現象の解明による高性能・長寿命タイヤの開発、岸本浩通、課題番号hp120032、一般財団法人高度情報科学技術研究機構2013 K computer industrial use report, Development of high-performance, long-life tires by elucidation of rubber destruction phenomena using large-scale coarse-grained molecular dynamics method, Hiromichi Kishimoto, project number hp120032, Advanced Information Foundation National Institute of Science and Technology

本発明の目的は、高分子モデルのクリープ現象及び破断を再現可能な高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションする方法、システム及びプログラムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a method, system and program for simulating uniaxial elongation of a polymer model that can reproduce the creep phenomenon and breakage of the polymer model.

本発明の高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションする方法は、
1又は複数のプロセッサが実行する方法であって、
複数の粒子を有し、一部の粒子と他の粒子とが結合ポテンシャルで結合している高分子モデルを、立体の計算領域に配置し、
前記計算領域に対して外部から作用するx軸、y軸及びz軸の圧力値が所定圧力であり及び所定温度を含む所定解析条件にて分子動力学計算を実行し、
前記y軸及び前記z軸を通る前記計算領域の断面積を算出し、
前記y軸及び前記z軸の圧力値を前記所定圧力とし、前記x軸の圧力値を、一定値の張力を前記断面積で割った値を前記所定圧力から差し引いた値に設定し、
所定ステップ分子動力学計算を実行し、
前記断面積の算出と、前記x軸の圧力値の更新と、前記所定ステップの分子動力学計算とを繰り返し実行する。
The method of simulating the uniaxial elongation of the polymer model of the present invention comprises:
A method, performed by one or more processors, comprising:
arranging a macromolecular model having a plurality of particles, in which some particles and other particles are connected by a bond potential, in a three-dimensional computational domain;
performing a molecular dynamics calculation under predetermined analysis conditions including a predetermined pressure and a predetermined temperature in the x-axis, y-axis, and z-axis pressure values acting from the outside on the calculation area;
calculating the cross-sectional area of the calculation region passing through the y-axis and the z-axis;
The pressure values of the y-axis and the z-axis are set as the predetermined pressure, and the pressure value of the x-axis is set to a value obtained by subtracting a value obtained by dividing a constant tension value by the cross-sectional area from the predetermined pressure,
perform a predetermined step molecular dynamics calculation,
The calculation of the cross-sectional area, the update of the x-axis pressure value, and the molecular dynamics calculation of the predetermined step are repeatedly executed.

このように、y軸及びz軸を通る計算領域の断面積の算出と、x軸の圧力値の更新と、所定ステップの分子動力学計算とを繰り返し実行することで、高分子モデルをx軸方向に一定値の張力で引っ張るシミュレーションを実現でき、クリープ現象及びクリープ破壊を再現可能となる。 In this way, by repeatedly executing the calculation of the cross-sectional area of the calculation region passing through the y-axis and z-axis, the update of the pressure value on the x-axis, and the molecular dynamics calculation of a predetermined step, the polymer model is converted to the x-axis It is possible to realize a simulation in which the material is pulled with a constant tension in a direction, and it is possible to reproduce the creep phenomenon and creep rupture.

本発明の高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションするシステムを示す図A diagram showing a system for simulating uniaxial elongation of a polymer model of the present invention. システムが実行する処理のフローチャートFlowchart of processing performed by the system 高分子モデル及び計算領域を示す図Diagram showing polymer model and computational domain FENE-LJと、切断可能ポテンシャル(quartic)と、を示す図Diagram showing FENE-LJ and cleavable potential (quartic) 一軸伸長のクリープ現象のシミュレーションにおける計算領域の変化及び設定圧力値を示す図Diagram showing changes in calculation area and set pressure value in simulation of creep phenomenon in uniaxial extension 実施例について経過時間と初期状態に対する伸長比を示す図A diagram showing the elongation ratio to the elapsed time and the initial state for the example 実施例について更に長時間の結果を示す図FIG. 10 shows longer-term results for the example.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションするシステム]
本実施形態のシステム1は、ゴムなどの高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションし、クリープ現象及び破断現象が再現可能に構成されている。
[System for simulating uniaxial stretching of polymer models]
The system 1 of the present embodiment is configured to simulate uniaxial elongation of a polymer model such as rubber, and reproduce creep and rupture phenomena.

図1に示すように、システム1は、高分子モデル取得部10と、設定部11と、モデル配置部12と、分子動力学計算実行部13と、断面積算出部14と、圧力値設定部15と、を有する。これら各部10~15は、プロセッサ、メモリ、各種インターフェイス等を備えたコンピュータにおいて予め記憶されている図2に示す処理ルーチンをプロセッサが実行することによりソフトウェア及びハードウェアが協働して実現される。本実施形態では、1つの装置におけるプロセッサが各部の処理を実行しているが、これに限定されない。例えば、ネットワークを用いて分散させ、複数のプロセッサが各部の処理を実行するように構成してもよい。すなわち、1又は複数のプロセッサが処理を実行する。 As shown in FIG. 1, the system 1 includes a polymer model acquisition unit 10, a setting unit 11, a model placement unit 12, a molecular dynamics calculation execution unit 13, a cross-sectional area calculation unit 14, and a pressure value setting unit. 15 and. These units 10 to 15 are implemented by cooperation of software and hardware when the processor executes the processing routine shown in FIG. In this embodiment, the processor in one device executes the processing of each unit, but the present invention is not limited to this. For example, it may be distributed using a network so that a plurality of processors execute the processing of each unit. That is, one or more processors perform processing.

高分子モデル取得部10は、複数の粒子を有し、一部の粒子と他の粒子が結合ポテンシャルで結合している高分子モデルD1(データ)を取得する。高分子モデル取得部10は、高分子モデルD1を外部から取得してもよいし、高分子モデルD1を生成してもよい。本実施形態の高分子モデルD1は、図3に示すように、複数のポリマー粒子20が直鎖状又は分岐状に連なる複数のポリマーモデル2と、複数の架橋剤粒子3と、を有し、ポリマーモデル2と架橋剤粒子3とが結合している。ポリマー粒子20には、他の粒子との間に非結合ポテンシャルが設定されていると共に、結合関係にあるポリマー粒子20との間に結合ポテンシャルが設定されている。架橋剤粒子3には、他の粒子の間に非結合ポテンシャルが設定されていると共に、結合関係にあるポリマー粒子20との間に結合ポテンシャルが設定されている。非結合ポテンシャルとして、FENE-LJ(レナードジョーンズ)やWCA(斥力のみのLJポテンシャル)が採用可能である。結合ポテンシャルとしては、遠距離側にてポテンシャルが無限大とならない切断可能ポテンシャルが設定されている。図4は、FENE-LJと、切断可能ポテンシャル(quarticと表記する)と、を示す。横軸が粒子間距離rを示し、縦軸がポテンシャル[Vbond(r)]を示す。図4に示すようにNENE-LJは、近距離側及び遠距離側のいずれ側においてもポテンシャルが無限大となる。一方、切断可能ポテンシャル(quartic)は、近距離側にてポテンシャルが無限大となるが、遠距離側にてポテンシャルが無限大とならず、粒子間距離rがある程度大きくなると、ポテンシャル(引力)がそれほど大きくないため、切断が許容される。本実施形態において、切断可能ポテンシャルは、ポリマー粒子20とポリマー粒子20の間の結合ポテンシャルと、架橋剤粒子3とポリマー粒子20との間の結合ポテンシャルとの双方に設定されているが、これに限定されない。例えば、切断可能ポテンシャルを、ポリマー粒子20とポリマー粒子20の間の結合ポテンシャルのみに設定してもよいし、架橋剤粒子3とポリマー粒子20との間の結合ポテンシャルのみに設定してもよい。すなわち、2以上の結合ポテンシャルが存在する場合には、少なくともいずれかの結合ポテンシャルに設定すればよい。勿論、これらのポテンシャルは一例であって、その他の設定が可能である。 The polymer model acquisition unit 10 acquires a polymer model D1 (data) that has a plurality of particles and in which some particles and other particles are bonded with a bond potential. The polymer model acquisition unit 10 may acquire the polymer model D1 from the outside, or may generate the polymer model D1. As shown in FIG. 3, the polymer model D1 of the present embodiment includes a plurality of polymer models 2 in which a plurality of polymer particles 20 are linearly or branched, and a plurality of cross-linking agent particles 3. A polymer model 2 and cross-linking agent particles 3 are bonded. The polymer particles 20 have a non-bonding potential with other particles and have a bonding potential with the polymer particles 20 having a bonding relationship. The cross-linking agent particles 3 have a non-bonding potential with other particles and have a bonding potential with the polymer particles 20 in a bonding relationship. FENE-LJ (Leonard Jones) and WCA (LJ potential with repulsive force only) can be used as the non-bonded potential. As the coupling potential, a severable potential is set so that the potential does not become infinite on the long-distance side. FIG. 4 shows the FENE-LJ and the cleavable potential (denoted as quartic). The horizontal axis indicates the distance r between particles, and the vertical axis indicates the potential [V bond (r)]. As shown in FIG. 4, the NENE-LJ has an infinite potential on both the short distance side and the long distance side. On the other hand, the severable potential (quartic) becomes infinite on the short distance side, but does not become infinite on the long distance side. It is not very large, so cutting is acceptable. In this embodiment, the cleavable potential is set to both the bond potential between the polymer particles 20 and the bond potential between the crosslinker particles 3 and the polymer particles 20. Not limited. For example, the cleavable potential may be set only to the bond potential between the polymer particles 20 or only to the bond potential between the crosslinker particles 3 and the polymer particles 20 . That is, when there are two or more coupling potentials, at least one coupling potential should be set. Of course, these potentials are only examples, and other settings are possible.

設定部11は、高分子モデルD1の一軸伸長シミュレーションに用いる解析条件を設定する。解析条件としては、所定圧力P、所定温度、計算領域の初期形状、一定である張力Fの大きさ等が挙げられる。所定圧力は大気圧、所定温度は大気温度が挙げられる。計算領域Ar1は、高分子モデルD1が配置される立体空間である。計算領域Ar1は、制約条件がない限り、内部の高分子モデルD1が収まる最小形状となるように常に変形する。それゆえ、計算領域Ar1の体積は、高分子モデルD1の体積を意味する。本実施形態における計算領域Ar1は、直方体をなしているが、これに限定されず、種々の形状を採用可能である。本実施形態では計算領域Ar1は周期境界条件が設定されているが、境界条件は定義変更可能である。 The setting unit 11 sets analysis conditions used for the uniaxial extension simulation of the polymer model D1. Analysis conditions include the predetermined pressure P, the predetermined temperature, the initial shape of the calculation area, the magnitude of the constant tension F, and the like. The predetermined pressure may be atmospheric pressure, and the predetermined temperature may be atmospheric temperature. The computational domain Ar1 is a three-dimensional space in which the polymer model D1 is arranged. The computational region Ar1 is always deformed so as to have the minimum shape in which the macromolecule model D1 inside can be accommodated, unless there are constraints. Therefore, the volume of the computational domain Ar1 means the volume of the polymer model D1. Although the calculation area Ar1 in this embodiment is a rectangular parallelepiped, it is not limited to this, and various shapes can be adopted. In this embodiment, periodic boundary conditions are set for the calculation region Ar1, but the definition of the boundary conditions can be changed.

モデル配置部12は、図3に示すように、初期形状の計算領域Ar1に対して高分子モデルD1を配置する。ワーキングメモリD2で行う。 As shown in FIG. 3, the model placement unit 12 places the polymer model D1 in the initial shape calculation area Ar1. This is done in working memory D2.

分子動力学計算実行部13は、所定圧力P及び所定温度を含む解析条件にて分子動力学計算を実行する。本実施形態では、LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)を使用しているが、これに限定されない。分子動力学計算実行部13は、平衡化処理が実行可能である。平衡化処理は、所定圧力及び所定温度において高分子モデルD1のエネルギーが最小化するまで高分子モデルD1の分子動力学計算を繰り返し実行する処理である。最小化するとは、高分子モデルD1のエネルギーがほぼ一定になる(エネルギー変動が閾値以下となる)まで各粒子30の挙動を計算する。高分子モデルD1の配置直後、後述する計算領域Ar1の変更直後は、分子動力学計算において安定状態であるとは必ずしもいえないためである。具体的には、計算領域Ar1に外から作用するx軸方向の圧力値Pxと、y軸方向の圧力値Pyと、z軸方向の圧力値Pzとは全て同一値であり、これらの圧力値Px、Py、Pzは所定圧力Pと同値である。 The molecular dynamics calculation execution unit 13 executes molecular dynamics calculations under analysis conditions including a predetermined pressure P and a predetermined temperature. Although LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) is used in this embodiment, it is not limited to this. The molecular dynamics calculation execution unit 13 can execute balancing processing. The equilibration process is a process of repeatedly executing molecular dynamics calculations of the polymer model D1 until the energy of the polymer model D1 is minimized at a predetermined pressure and temperature. To minimize is to calculate the behavior of each particle 30 until the energy of the polymer model D1 becomes substantially constant (the energy fluctuation becomes equal to or less than the threshold). This is because it cannot necessarily be said that the molecular dynamics calculation is in a stable state immediately after the arrangement of the polymer model D1 and immediately after the calculation area Ar1, which will be described later, is changed. Specifically, the pressure value Px in the x-axis direction, the pressure value Py in the y-axis direction, and the pressure value Pz in the z-axis direction acting from the outside on the calculation area Ar1 are all the same value, and these pressure values Px, Py, and Pz are equal to the predetermined pressure P.

断面積算出部14は、図5に示すように、y軸及びz軸を通る計算領域Ar1の断面積Sを算出する。図中において、断面積Sを斜線で示している。 The cross-sectional area calculator 14 calculates a cross-sectional area S of a calculation area Ar1 passing through the y-axis and the z-axis, as shown in FIG. In the drawing, the cross-sectional area S is indicated by oblique lines.

圧力値設定部15は、計算領域Ar1に対して外部から作用する圧力値を、x軸、y軸及びz軸毎に個別に設定する。圧力値設定部15は、y軸の圧力値Pyを所定圧力Pに設定する。圧力値設定部15は、z軸の圧力値Pzを所定圧力Pに設定する。圧力値設定部15は、断面積算出部14が算出した断面積Sを用いてx軸の圧力値Pxを設定する。具体的には、x軸の圧力値Pxを、一定の張力Fを断面積Sで割った値を所定圧力Pから差し引いた値に設定する。式で表現すれば、Px=P-F/Sである。このように圧力値Px、Py、Pzを設定すれば、Py及びPzに比べてPxのみ外部からの圧力が(F/S)低くなる。これは、x軸に一定の張力Fで引っ張ることを意味する。 The pressure value setting unit 15 individually sets the pressure value acting from the outside on the calculation area Ar1 for each of the x-axis, the y-axis, and the z-axis. The pressure value setting unit 15 sets the pressure value Py on the y-axis to a predetermined pressure P. FIG. The pressure value setting unit 15 sets the pressure value Pz on the z-axis to a predetermined pressure P. As shown in FIG. The pressure value setting unit 15 uses the cross-sectional area S calculated by the cross-sectional area calculating unit 14 to set the pressure value Px on the x-axis. Specifically, the x-axis pressure value Px is set to a value obtained by subtracting the value obtained by dividing the constant tension F by the cross-sectional area S from the predetermined pressure P. Expressed as a formula, Px=PF/S. If the pressure values Px, Py, and Pz are set in this way, the external pressure of only Px is (F/S) lower than that of Py and Pz. This means pulling with a constant tension F in the x-axis.

図5に示すように、x軸の圧力値PxをP-F/Sとし、y軸及びz軸の圧力値Py、PzをPに設定して、分子動力学計算実行部13が分子動力学計算を実行すれば、x軸の圧力がy軸及びz軸の圧力よりも弱いので、計算領域Ar1における高分子モデルD1がx軸に一定値の張力Fで引っ張られていることになる。そうすれば、計算領域Ar1における高分子モデルD1がx軸に伸びるように動き、高分子モデルD1がy軸及びz軸に縮小するように移動し、計算領域Ar1が追従して変形する。分子動力学計算実行部13が所定ステップ分子動力学計算を実行し、計算領域Ar1の変形により断面積Sも変化する。断面積算出部14が断面積Sを算出し、圧力値設定部15が最新の断面積Sに基づき圧力値Pxを設定(更新)する。このように、断面積算出部14による計算領域Ar1の断面積Sの算出と、圧力値設定部15による断面積Sに基づきx軸の圧力値Pxの更新と、分子動力学計算実行部13による所定ステップの分子動力学計算とを繰り返し実行する。そうすれば、図5に示すように、高分子モデルD1をx軸方向に一定値の張力Fで引っ張るシミュレーションを実現でき、クリープ現象及びクリープ破壊を再現可能となる。上記の繰り返しは、所定終了条件が成立すれば、終了する。所定終了条件は、例えば、分子動力学計算の実行するタイムステップが閾値を超えたことなどが挙げられる。 As shown in FIG. 5, the pressure value Px on the x-axis is set to PF/S, the pressure values Py and Pz on the y-axis and z-axis are set to P, and the molecular dynamics calculation execution unit 13 performs molecular dynamics If the calculation is executed, the pressure on the x-axis is weaker than the pressure on the y- and z-axes, so the polymer model D1 in the calculation area Ar1 is pulled by a constant tension F on the x-axis. Then, the macromolecular model D1 in the calculation area Ar1 moves so as to extend along the x-axis, and the macromolecule model D1 moves so as to contract along the y-axis and z-axis, and the calculation area Ar1 follows and deforms. The molecular dynamics calculation execution unit 13 executes a predetermined step molecular dynamics calculation, and the cross-sectional area S also changes due to the deformation of the calculation region Ar1. The cross-sectional area calculation unit 14 calculates the cross-sectional area S, and the pressure value setting unit 15 sets (updates) the pressure value Px based on the latest cross-sectional area S. In this way, the calculation of the cross-sectional area S of the calculation region Ar1 by the cross-sectional area calculation unit 14, the update of the x-axis pressure value Px based on the cross-sectional area S by the pressure value setting unit 15, and the molecular dynamics calculation execution unit 13 A predetermined step of molecular dynamics calculation is repeatedly executed. Then, as shown in FIG. 5, a simulation can be realized in which the polymer model D1 is pulled in the x-axis direction with a constant tension F, and the creep phenomenon and creep rupture can be reproduced. The above repetition ends when a predetermined end condition is satisfied. Predetermined termination conditions include, for example, that the time step for executing the molecular dynamics calculation exceeds a threshold.

[高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションする方法]
図1に示すシステム1における1又は複数のプロセッサが実行する、高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションする方法について、図2を用いて説明する。
[Method for simulating uniaxial elongation of polymer model]
A method of simulating uniaxial stretching of a macromolecule model executed by one or more processors in the system 1 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.

まず、ステップST1において、高分子モデル取得部10は、複数の粒子(2、3)を有し、一部の粒子と他の粒子とが結合ポテンシャルで結合している高分子モデルD1であって、結合ポテンシャルとして、遠距離側にてポテンシャルが無限大とならない切断可能ポテンシャルが設定されている高分子モデルD1を取得する。次のステップST2において、設定部11は、高分子モデルD1の一軸伸長シミュレーションに用いる解析条件を設定する。ステップST1と2は順不同である。 First, in step ST1, the polymer model acquisition unit 10 obtains a polymer model D1 that has a plurality of particles (2, 3) and that some particles and other particles are coupled by a coupling potential. , obtains a polymer model D1 in which a severable potential that does not become infinite on the long-distance side is set as a bond potential. In the next step ST2, the setting unit 11 sets analysis conditions used for the uniaxial elongation simulation of the polymer model D1. The order of steps ST1 and ST2 is random.

次のステップST3において、モデル配置部12は、高分子モデルD1を、立体の計算領域Ar1に配置する。 In the next step ST3, the model placement unit 12 places the polymer model D1 in the three-dimensional calculation area Ar1.

次のステップST4において、分子動力学計算実行部13は、計算領域Ar1に対して外部から作用するx軸、y軸及びz軸の圧力値Px、Py、Pzが所定圧力Pであり及び所定温度を含む所定解析条件にて分子動力学計算を実行する。この処理において平衡化処理を行っていることが好ましい。 In the next step ST4, the molecular dynamics calculation execution unit 13 determines that the pressure values Px, Py, and Pz on the x-axis, y-axis, and z-axis acting from the outside on the calculation area Ar1 are a predetermined pressure P and a predetermined temperature. A molecular dynamics calculation is performed under predetermined analysis conditions including It is preferable to carry out an equilibration process in this process.

次のステップST5において、所定終了条件が成立しているかを判定し、所定終了条件が成立していないと判定された場合には、ステップST6の実行に移行する。所定終了条件が成立したと判定された場合には、処理の実行を終了する。所定終了条件は適宜設定可能であるが、例えば、分子動力学計算の実行するタイムステップが閾値を超えたことが挙げられる。 In the next step ST5, it is determined whether or not a predetermined termination condition is satisfied, and if it is determined that the predetermined termination condition is not satisfied, the process proceeds to step ST6. If it is determined that the predetermined termination condition is met, the execution of the process is terminated. The predetermined termination condition can be set as appropriate, and includes, for example, that the time step for executing the molecular dynamics calculation exceeds a threshold.

次のステップST6において、断面積算出部14は、y軸及びz軸を通る計算領域Ar1の断面積Sを算出する。 In the next step ST6, the cross-sectional area calculator 14 calculates the cross-sectional area S of the calculation area Ar1 passing through the y-axis and the z-axis.

次のステップST7において、圧力値設定部15は、y軸及びz軸の圧力値Py、Pzを所定圧力Pとし、x軸の圧力値Pxを、一定値の張力Fを断面積Sで割った値(F/S)を所定圧力Pから差し引いた値(P-F/S)に設定する。 In the next step ST7, the pressure value setting unit 15 sets the pressure values Py and Pz on the y-axis and z-axis to a predetermined pressure P, and divides the pressure value Px on the x-axis by the cross-sectional area S of the constant tension value F. A value (PF/S) obtained by subtracting the value (F/S) from the predetermined pressure P is set.

次のステップST8において、分子動力学計算実行部13が、所定ステップ、分子動力学計算を実行する。 In the next step ST8, the molecular dynamics calculation execution unit 13 executes predetermined steps of molecular dynamics calculation.

本発明のシミュレーション方法の結果を説明する。図6は、横軸が経過時間を示し、縦軸が初期状態に対する伸長比を示す。本発明のシミュレーション方法によれば、クリープ現象を再現できていることがわかる。図7は、図6を更に長時間行った結果である。最後にクレープ破断が生じて言うことがわかる。 The results of the simulation method of the present invention will be explained. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the elapsed time, and the vertical axis indicates the expansion ratio with respect to the initial state. According to the simulation method of the present invention, it can be seen that the creep phenomenon can be reproduced. FIG. 7 is the result of performing FIG. 6 for a longer time. Finally, it can be seen that crepe rupture occurs.

以上のように、本実施形態の高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションする方法は、
1又は複数のプロセッサが実行する方法であって、
複数の粒子(ポリマー粒子20、架橋剤粒子3)を有し、一部の粒子と他の粒子とが結合ポテンシャルで結合している高分子モデルD1を、立体の計算領域Ar1に配置し(ST3)、
計算領域Ar1に対して外部から作用するx軸、y軸及びz軸の圧力値Px、Py、Pzが所定圧力Pであり及び所定温度を含む所定解析条件にて分子動力学計算を実行し(ST4)、
y軸及びz軸を通る計算領域Ar1の断面積Sを算出し(ST6)、
y軸及びz軸の圧力値Py、Pzを所定圧力Pとし、x軸の圧力値Pxを、一定値の張力Fを断面積Sで割った値(F/S)を所定圧力Pから差し引いた値(P-F/S)に設定し(ST7)、
所定ステップ分子動力学計算を実行し(ST8)、
断面積の算出(ST6)と、x軸の圧力値Pxの更新(ST7)と、所定ステップの分子動力学計算(ST8)とを繰り返し実行する。
As described above, the method for simulating the uniaxial elongation of the polymer model of the present embodiment includes:
A method, performed by one or more processors, comprising:
A polymer model D1 having a plurality of particles (polymer particles 20, cross-linking agent particles 3), some of which are bonded to other particles by bonding potentials, is arranged in a three-dimensional calculation area Ar1 (ST3 ),
The pressure values Px, Py, and Pz on the x-axis, y-axis, and z-axis acting from the outside on the calculation area Ar1 are a predetermined pressure P, and the molecular dynamics calculation is performed under predetermined analysis conditions including a predetermined temperature ( ST4),
Calculate the cross-sectional area S of the calculation area Ar1 passing through the y-axis and the z-axis (ST6),
The pressure values Py and Pz on the y-axis and z-axis are set to a predetermined pressure P, and the pressure value Px on the x-axis is obtained by dividing the constant tension F by the cross-sectional area S (F/S), which is subtracted from the predetermined pressure P. Set to the value (PF/S) (ST7),
Predetermined step molecular dynamics calculation is executed (ST8),
Calculation of the cross-sectional area (ST6), updating of the pressure value Px on the x-axis (ST7), and molecular dynamics calculation of predetermined steps (ST8) are repeatedly executed.

本実施形態の高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションするシステムは、
複数の粒子(ポリマー粒子20、架橋剤粒子3)を有し、一部の粒子と他の粒子とが結合ポテンシャルで結合している高分子モデルD1を、立体の計算領域Ar1に配置するモデル配置部12と、
計算領域Ar1に対して外部から作用するx軸、y軸及びz軸の圧力値Px、Py、Pzが所定圧力Pであり及び所定温度を含む所定解析条件にて分子動力学計算を実行する分子動力学計算実行部13と、
y軸及びz軸を通る計算領域Ar1の断面積Sを算出する断面積算出部14と、
y軸及びz軸の圧力値Py、Pzを所定圧力Pとし、x軸の圧力値Pxを、一定値の張力Fを断面積Sで割った値(F/S)を所定圧力Pから差し引いた値(P-F/S)に設定する圧力値設定部15と、
を備え、
断面積算出部14による断面積Sの算出と、圧力値設定部15によるx軸の圧力値Pxの更新と、分子動力学計算実行部13による所定ステップの分子動力学計算とを繰り返し実行するように構成されている。
The system for simulating the uniaxial elongation of the polymer model of this embodiment includes:
A model arrangement in which a polymer model D1 having a plurality of particles (polymer particles 20, cross-linking agent particles 3) and in which some particles and other particles are coupled by a coupling potential is arranged in a three-dimensional calculation area Ar1. Part 12;
A molecule for which the pressure values Px, Py, and Pz on the x-, y-, and z-axes acting from the outside on the calculation area Ar1 are a predetermined pressure P, and for which a molecular dynamics calculation is performed under predetermined analysis conditions including a predetermined temperature. a dynamics calculation execution unit 13;
a cross-sectional area calculation unit 14 that calculates the cross-sectional area S of the calculation area Ar1 passing through the y-axis and the z-axis;
The pressure values Py and Pz on the y-axis and z-axis are set to a predetermined pressure P, and the pressure value Px on the x-axis is obtained by dividing the constant tension F by the cross-sectional area S (F/S), which is subtracted from the predetermined pressure P. A pressure value setting unit 15 that sets the value (PF/S);
with
Calculation of the cross-sectional area S by the cross-sectional area calculation unit 14, updating of the x-axis pressure value Px by the pressure value setting unit 15, and molecular dynamics calculation of predetermined steps by the molecular dynamics calculation execution unit 13 are repeatedly executed. is configured to

このように、y軸及びz軸を通る計算領域Ar1の断面積Sの算出と、x軸の圧力値Pxの更新と、所定ステップの分子動力学計算とを繰り返し実行することで、高分子モデルD1をx軸方向に一定値の張力Fで引っ張るシミュレーションを実現でき、クリープ現象及びクリープ破壊を再現可能となる。 In this way, by repeatedly executing the calculation of the cross-sectional area S of the calculation area Ar1 passing through the y-axis and the z-axis, the update of the pressure value Px on the x-axis, and the molecular dynamics calculation of predetermined steps, the polymer model A simulation in which D1 is pulled in the x-axis direction with a constant tension F can be realized, and the creep phenomenon and creep rupture can be reproduced.

本実施形態のように、高分子モデルD1は、複数のポリマー粒子20が直鎖状又は分岐状に連なる複数のポリマーモデル2と、複数の架橋剤粒子3と、を有し、ポリマーモデル2と架橋剤粒子3とが結合した架橋高分子モデルであることが好ましい。 As in the present embodiment, the polymer model D1 has a plurality of polymer models 2 in which a plurality of polymer particles 20 are linearly or branched, and a plurality of cross-linking agent particles 3. It is preferably a crosslinked polymer model to which the crosslinker particles 3 are bonded.

本発明の好ましい適用例である。 It is a preferred application example of the present invention.

本実施形態に係るプログラムは、上記方法をコンピュータに実行させるプログラムである。このプログラムを実行することによっても、上記方法の奏する作用効果を得ることが可能となる。 A program according to the present embodiment is a program that causes a computer to execute the above method. By executing this program, it is possible to obtain the effects of the above method.

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, it should be considered that the specific configuration is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated not only by the description of the above embodiments but also by the scope of claims, and includes all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of claims.

例えば、図1に示す各部10~15は、所定プログラムをコンピュータのプロセッサで実行することで実現しているが、各部を専用回路で構成してもよい。また、本実施形態では1つのコンピュータにおけるプロセッサが各部10~15を実装しているが、少なくとも1又は複数のプロセッサに分散して実装してもよい。 For example, each unit 10 to 15 shown in FIG. 1 is realized by executing a predetermined program by a processor of a computer, but each unit may be configured by a dedicated circuit. In addition, in the present embodiment, the processors in one computer implement the units 10 to 15, but they may be installed in at least one or a plurality of processors in a distributed manner.

上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 It is possible to adopt the structure adopted in each of the above embodiments in any other embodiment. The specific configuration of each part is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible without departing from the scope of the present invention.

本実施形態では、高分子モデルD1が、ポリマーモデル2と架橋剤粒子3とで構成されるモデルを例として挙げているが、結合ポテンシャル(結合相互作用)で結合された粒子を有する高分子であれば、適用可能である。 In this embodiment, the polymer model D1 is a model composed of the polymer model 2 and the cross-linking agent particles 3. If so, it is applicable.

12 モデル配置部
13 分子動力学計算実行部
14 断面積算出部
15 圧力値設定部
2 ポリマーモデル
20 ポリマー粒子
3 架橋剤粒子
D1 高分子モデル
Ar1 計算領域
12 model placement unit 13 molecular dynamics calculation execution unit 14 cross-sectional area calculation unit 15 pressure value setting unit 2 polymer model 20 polymer particles 3 cross-linking agent particles D1 polymer model Ar1 calculation region

Claims (5)

1又は複数のプロセッサが実行する方法であって、
複数の粒子を有し、一部の粒子と他の粒子とが結合ポテンシャルで結合している高分子モデルを、立体の計算領域に配置し、
前記計算領域に対して外部から作用するx軸、y軸及びz軸の圧力値が所定圧力であり及び所定温度を含む所定解析条件にて分子動力学計算を実行し、
前記x軸を法線とする面を通る前記計算領域の断面積を算出し、
前記y軸及び前記z軸の圧力値を前記所定圧力とし、前記x軸の圧力値を、一定値の張力を前記断面積で割った値を前記所定圧力から差し引いた値に設定し、
所定ステップ分子動力学計算を実行し、
前記断面積の算出と、前記x軸の圧力値の更新と、前記所定ステップの分子動力学計算とを繰り返し実行する、高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションする方法。
A method, performed by one or more processors, comprising:
arranging a macromolecular model having a plurality of particles, in which some particles and other particles are connected by a bond potential, in a three-dimensional computational domain;
performing a molecular dynamics calculation under predetermined analysis conditions including a predetermined pressure and a predetermined temperature in the x-axis, y-axis, and z-axis pressure values acting from the outside on the calculation area;
calculating a cross-sectional area of the calculation region passing through a plane normal to the x-axis ;
The pressure values of the y-axis and the z-axis are set to the predetermined pressure, and the pressure value of the x-axis is set to a value obtained by subtracting a value obtained by dividing a constant tension value by the cross-sectional area from the predetermined pressure,
perform a predetermined step molecular dynamics calculation,
A method for simulating uniaxial stretching of a macromolecular model, wherein the calculation of the cross-sectional area, the updating of the x-axis pressure value, and the molecular dynamics calculation of the predetermined steps are repeatedly executed.
前記高分子モデルは、複数のポリマー粒子が直鎖状又は分岐状に連なる複数のポリマーモデルと、複数の架橋剤粒子と、を有し、前記ポリマーモデルと前記架橋剤粒子とが結合した架橋高分子モデルである、請求項1に記載の方法。 The polymer model includes a plurality of polymer models in which a plurality of polymer particles are connected in a linear or branched manner, and a plurality of cross-linking agent particles, and the polymer model and the cross-linking agent particles are bonded to form a cross-linking height. 2. The method of claim 1, which is a molecular model. 複数の粒子を有し、一部の粒子と他の粒子とが結合ポテンシャルで結合している高分子モデルを、立体の計算領域に配置するモデル配置部と、
前記計算領域に対して外部から作用するx軸、y軸及びz軸の圧力値が所定圧力であり及び所定温度を含む所定解析条件にて分子動力学計算を実行する分子動力学計算実行部と、
前記x軸を法線とする面を通る前記計算領域の断面積を算出する断面積算出部と、
前記y軸及び前記z軸の圧力値を前記所定圧力とし、前記x軸の圧力値を、一定値の張力を前記断面積で割った値を前記所定圧力から差し引いた値に設定する圧力値設定部と、を備え、
前記断面積算出部による前記断面積の算出と、前記圧力値設定部による前記x軸の圧力値の更新と、前記分子動力学計算実行部による所定ステップの分子動力学計算とを繰り返し実行するように構成されている、高分子モデルの一軸伸長をシミュレーションするシステム。
a model placement unit that places a macromolecular model having a plurality of particles, in which some particles are bonded to other particles by a bond potential, in a three-dimensional computational domain;
a molecular dynamics calculation execution unit for executing molecular dynamics calculations under predetermined analysis conditions including a predetermined pressure and a predetermined temperature in the x-axis, y-axis, and z-axis pressure values acting on the calculation area from the outside; ,
a cross-sectional area calculation unit that calculates a cross-sectional area of the calculation region passing through a plane normal to the x-axis ;
Pressure value setting in which the pressure values of the y-axis and the z-axis are set to the predetermined pressure, and the pressure value of the x-axis is set to a value obtained by subtracting a value obtained by dividing a constant tension value by the cross-sectional area from the predetermined pressure. and
Calculation of the cross-sectional area by the cross-sectional area calculation unit, updating of the x-axis pressure value by the pressure value setting unit, and molecular dynamics calculation of predetermined steps by the molecular dynamics calculation execution unit are repeatedly executed. A system that simulates uniaxial stretching of polymer models.
前記高分子モデルは、複数のポリマー粒子が直鎖状又は分岐状に連なる複数のポリマーモデルと、複数の架橋剤粒子と、を有し、前記ポリマーモデルと前記架橋剤粒子とが結合した架橋高分子モデルである、請求項3に記載のシステム。 The polymer model includes a plurality of polymer models in which a plurality of polymer particles are connected in a linear or branched manner, and a plurality of cross-linking agent particles, and the polymer model and the cross-linking agent particles are bonded to form a cross-linking height. 4. The system of claim 3, which is a molecular model. 請求項1又は2に記載の方法をプロセッサに実行させるプログラム。 A program that causes a processor to execute the method according to claim 1 or 2.
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