JP6711201B2 - Polymer material simulation method - Google Patents
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Description
本発明は、高分子材料の解析に役立つ高分子材料のシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a method for simulating a polymer material that is useful for analyzing a polymer material.
近年、ゴム等の高分子材料の開発のために、高分子材料の性質を、コンピュータを用いて評価するためのシミュレーション方法(数値計算)が種々提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。
In recent years, in order to develop a polymer material such as rubber, various simulation methods (numerical calculation) for evaluating the properties of the polymer material using a computer have been proposed (for example, see
この種のシミュレーション方法では、先ず、コンピュータ上に定義された空間に、複数の粒子モデルを含む分子鎖モデルが配置された高分子材料モデルが定義される。この高分子材料モデルは、分子動力学に基づく緩和計算が行われる。そして、高分子材料モデルを用いた変形計算が実施され、高分子材料の性能等が解析されている。 In this kind of simulation method, first, a polymer material model in which a molecular chain model including a plurality of particle models is arranged in a space defined on a computer is defined. This polymer material model is subjected to relaxation calculation based on molecular dynamics. Then, the deformation calculation using the polymer material model is performed, and the performance of the polymer material is analyzed.
実際の高分子材料では、例えば大きな力が作用すると、分子鎖が切断することが知られている。しかしながら、上記のようなシミュレーション方法では、分子鎖モデルを切断する方法が確立されていなかったため、高分子材料を精度良く解析できないという問題があった。 In actual polymer materials, it is known that molecular chains are broken when a large force is applied. However, in the simulation method as described above, there has been a problem that the polymer material cannot be accurately analyzed because the method of cutting the molecular chain model has not been established.
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、高分子材料を精度良く解析することができる高分子材料のシミュレーション方法を提供することを主たる目的としている。 The present invention has been devised in view of the above circumstances, and its main object is to provide a method for simulating a polymer material, which enables accurate analysis of the polymer material.
本発明は、コンピュータを用いて、高分子材料の分子鎖の切断を解析するためのシミュレーション方法であって、前記分子鎖に基づいて、複数の粒子モデルと、前記粒子モデル間を結合するボンドモデルとを含む分子鎖モデルを、前記コンピュータに定義する工程、前記コンピュータ上に定義された空間に、少なくとも一つの前記分子鎖モデルを配置した高分子材料モデルを定義する工程、及び前記コンピュータが、予め定められた条件に基づいて、前記分子鎖モデルの切断を計算するための切断計算工程を含み、前記切断計算工程は、前記高分子材料モデルに基づいて、分子力学計算を行う第1分子力学計算工程と、前記第1分子力学計算工程後の前記分子鎖モデルについて、前記ボンドモデルを介して隣り合う粒子モデル間の距離が、予め定められた第1距離よりも大きい離反粒子モデル部が存在するか否かを判断する工程とを含み、前記離反粒子モデル部が存在すると判断された場合、前記離反粒子モデル部を含む非全体領域である第1領域を対象に量子力学計算を行う量子力学計算工程と、前記量子力学計算工程後の前記第1領域について、前記粒子モデル間の距離が、予め定められた第2距離よりも大きいときに、それらの間を切断する工程とを含むことを特徴とする。 The present invention is a simulation method for analyzing the breakage of a molecular chain of a polymer material by using a computer, wherein a plurality of particle models and a bond model connecting the particle models based on the molecular chain are used. Defining a molecular chain model including and in the computer, defining a polymer material model in which at least one of the molecular chain models is arranged in the space defined on the computer, and the computer in advance. A first molecular mechanics calculation for performing molecular mechanics calculation based on the polymer material model, including a cleavage calculation step for calculating the cleavage of the molecular chain model based on a predetermined condition. Regarding the step and the molecular chain model after the first molecular dynamics calculation step, there is a dissociated particle model part in which the distance between the particle models adjacent to each other via the bond model is larger than a predetermined first distance. If it is determined that the dissociated particle model portion exists, the quantum mechanical calculation is performed for the first region that is a non-whole region including the dissociated particle model portion. And a step of cutting between the particle models when the distance between the particle models is larger than a predetermined second distance in the first region after the quantum mechanical calculation step. And
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記分子力学計算での前記粒子モデル間の結合ポテンシャルには、結合解離ポテンシャルに近似するポテンシャルが定義されているのが望ましい。 In the simulation method of the polymer material according to the present invention, it is preferable that a potential close to a bond dissociation potential is defined as a bond potential between the particle models in the molecular mechanics calculation.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記分子力学計算での前記結合ポテンシャルは、前記結合解離ポテンシャルのエネルギーの下限値から、前記エネルギーの上限値の50%〜80%までの範囲において、前記結合解離ポテンシャルに近似する関数で定義されているのが望ましい。 In the method for simulating the polymer material according to the present invention, the binding potential in the molecular mechanics calculation is within a range from a lower limit value of energy of the bond dissociation potential to 50% to 80% of an upper limit value of the energy. , Is preferably defined by a function approximating the bond dissociation potential.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記結合解離ポテンシャルは、量子力学計算によって求められるのが望ましい。 In the polymer material simulation method according to the present invention, it is preferable that the bond dissociation potential be obtained by quantum mechanical calculation.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第1距離は、前記第2距離よりも小であるのが望ましい。 In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the first distance is preferably smaller than the second distance.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第2距離は、結合解離ポテンシャルについて、エネルギーの増分が小さくなる変曲点での粒子モデル間の距離に基づいて定義されているのが望ましい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, it is preferable that the second distance is defined based on a distance between particle models at an inflection point at which the energy increment is small for bond dissociation potential. ..
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記切断計算工程は、前記第1領域を対象に分子力学計算を行う第2分子力学計算工程をさらに含むのが望ましい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, it is preferable that the cutting calculation step further includes a second molecular dynamics calculation step of performing a molecular dynamics calculation on the first region.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記切断計算工程は、前記高分子材料モデルのエネルギーEtを含む物理量を計算する工程を含み、前記エネルギーEtは、下記式に基づいて計算されるのが望ましい。
Et=Ea−Eb+Ec
ここで、
Ea:第1分子力学計算工程で求められた高分子材料モデルのエネルギー
Eb:第2分子力学計算工程で求められた第1領域のエネルギー
Ec:量子力学計算工程で求められた第1領域のエネルギー
In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the cutting calculation step includes a step of calculating a physical quantity including the energy Et of the polymer material model, and the energy Et is calculated based on the following formula. Is desirable.
Et=Ea-Eb+Ec
here,
Ea: Energy of the polymer material model obtained in the first molecular mechanics calculation step Eb: Energy of the first region obtained in the second molecular mechanics calculation step Ec: Energy of the first region obtained in the quantum mechanics calculation step
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記切断計算工程は、前記高分子材料モデルに作用する力Ftを含む物理量を計算する工程を含み、前記力Ftは、下記式に基づいて計算されるのが望ましい。
Ft=Fa−Fb+Fc
ここで、
Fa:第1分子力学計算工程で求められた高分子材料モデルに作用する力
Fb:第2分子力学計算工程で求められた第1領域に作用する力
Fc:量子力学計算工程で求められた第1領域に作用する力
In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the cutting calculation step includes a step of calculating a physical quantity including a force Ft acting on the polymer material model, and the force Ft is calculated based on the following formula. It is desirable to be done.
Ft=Fa−Fb+Fc
here,
Fa: Force acting on the polymer material model obtained in the first molecular mechanics calculation step Fb: Force acting on the first region obtained in the second molecular mechanics calculation step Fc: No. determined in the quantum mechanics calculation step Force acting on one area
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記離反粒子モデル部は、前記ボンドモデルを介して隣り合う一対の第1粒子モデルを含み、前記第1領域は、前記第1粒子モデルに前記ボンドモデルを介して隣り合う少なくとも一つの第2粒子モデルをさらに含むのが望ましい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, the separated particle model unit includes a pair of first particle models adjacent to each other via the bond model, and the first region includes the first particle model in the first particle model. It is desirable to further include at least one second particle model adjacent to each other via the bond model.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第1領域は、前記第2粒子モデルに前記ボンドモデルを介して隣り合う少なくとも一つの第3粒子モデルをさらに含むのが望ましい。 In the polymer material simulation method according to the present invention, it is preferable that the first region further includes at least one third particle model adjacent to the second particle model via the bond model.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第1粒子モデルと前記第2粒子モデルとの間の前記ボンドモデルは、前記分子鎖を構成する一対の原子間の一重結合を定義した一重結合ボンドモデルを含み、前記第2粒子モデルと前記第3粒子モデルとの間の前記ボンドモデルは、前記分子鎖を構成する一対の原子間の二重結合を定義した二重結合ボンドモデルを含むのが望ましい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, the bond model between the first particle model and the second particle model defines a single bond between a pair of atoms forming the molecular chain. A bond bond model is included, and the bond model between the second particle model and the third particle model includes a double bond bond model defining a double bond between a pair of atoms constituting the molecular chain. Is desirable.
本発明の高分子材料のシミュレーション方法は、高分子材料の分子鎖に基づいて定義された分子鎖モデルの切断を計算するための切断計算工程を含んでいる。切断計算工程は、高分子材料モデルに基づいて、分子力学計算を行う第1分子力学計算工程と、第1分子力学計算工程後の分子鎖モデルについて、ボンドモデルを介して隣り合う粒子モデル間の距離が、予め定められた第1距離よりも大きい離反粒子モデル部が存在するか否かを判断する判断工程とを含んでいる。 The method for simulating a polymer material according to the present invention includes a cleavage calculation step for calculating the cleavage of a molecular chain model defined based on the molecular chain of the polymer material. The cutting calculation step includes a first molecular dynamics calculation step for performing a molecular dynamics calculation based on a polymer material model and a molecular chain model after the first molecular dynamics calculation step between adjacent particle models via a bond model. And a determination step of determining whether or not there is a separated particle model portion whose distance is greater than a predetermined first distance.
離反粒子モデル部が存在すると判断された場合、離反粒子モデル部を含む非全体領域である第1領域を対象に量子力学計算を行う量子力学計算工程と、量子力学計算工程後の第1領域について、粒子モデル間の距離が、予め定められた第2距離よりも大きいときに、それらの間を切断する工程とをさらに含んでいる。 If it is determined that the dissociated particle model part exists, the quantum mechanical calculation process for performing the quantum mechanical calculation for the first region that is the non-whole region including the dissociated particle model part, and the first region after the quantum mechanical calculation process And, when the distance between the particle models is larger than the second predetermined distance, the step of cutting between them is further included.
離反粒子モデル部は、分子鎖モデルにおいて、粒子モデル間で切断する可能性が高い部分である。この離反粒子モデル部を含んだ第1領域を対象に、分子力学計算よりも計算精度の高い量子力学計算が行われている。このため、本発明のシミュレーション方法では、粒子モデル間の切断を、実際の分子鎖の切断に近似させることができ、高分子材料を精度良く解析することができる。 The detached particle model portion is a portion in the molecular chain model that is likely to be cut between particle models. Quantum mechanical calculation with higher calculation accuracy than molecular mechanics calculation is performed for the first region including the dissociated particle model unit. Therefore, in the simulation method of the present invention, the breakage between particle models can be approximated to the breakage of an actual molecular chain, and a polymeric material can be analyzed with high accuracy.
また、離反粒子モデル部の有無は、量子力学計算よりも計算時間が短い分子力学計算に基づいて判断される。このため、高分子材料モデルの全体領域を対象とした量子力学計算を実施する必要がない。従って、本発明のシミュレーション方法では、計算時間を短縮することができる。 Further, the presence/absence of the dissociated particle model unit is determined based on the molecular mechanics calculation that requires a shorter calculation time than the quantum mechanics calculation. Therefore, it is not necessary to perform the quantum mechanical calculation for the entire area of the polymer material model. Therefore, the simulation method of the present invention can reduce the calculation time.
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態の高分子材料のシミュレーション方法(以下、単に「シミュレーション方法」ということがある)は、コンピュータを用いて、高分子材料の分子鎖の切断を解析するための方法である。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The polymer material simulation method of the present embodiment (hereinafter, also simply referred to as “simulation method”) is a method for analyzing the breakage of the molecular chain of the polymer material using a computer.
図1は、本実施形態のシミュレーション方法を実行するコンピュータの斜視図である。コンピュータ1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含んで構成されている。この本体1aには、例えば、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリ、磁気ディスクなどの記憶装置、及び、ディスクドライブ装置1a1、1a2が設けられている。また、記憶装置には、本実施形態のシミュレーション方法を実行するための処理手順(プログラム)が予め記憶されている。
FIG. 1 is a perspective view of a computer that executes the simulation method of this embodiment. The
高分子材料としては、例えば、ゴム、樹脂又はエラストマー等が含まれる。本実施形態の高分子材料は、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。)である。図2は、ポリイソプレンの構造式である。 Examples of the polymer material include rubber, resin, elastomer and the like. The polymer material of the present embodiment is cis-1,4 polyisoprene (hereinafter, simply referred to as “polyisoprene”). FIG. 2 is a structural formula of polyisoprene.
ポリイソプレンを構成する分子鎖2A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、高分子材料には、ポリイソプレン以外の高分子材料が用いられてもよい。
図3は、本実施形態のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。本実施形態のシミュレーション方法では、先ず、図2に示した分子鎖2Aに基づいて、分子鎖モデルがコンピュータ1に定義される(分子鎖モデル設定工程S1)。図4は、本実施形態の分子鎖モデル5の概念図である。
FIG. 3 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the simulation method of this embodiment. In the simulation method of this embodiment, first, a molecular chain model is defined in the
分子鎖モデル5は、全原子モデルとして構成されている。本実施形態の分子鎖モデル5は、一つの硫黄原子が架橋されたポリイソプレンとして設定されている。分子鎖モデル5は、複数の粒子モデル6と、粒子モデル6、6間を結合するボンドモデル7とを含んで構成されている。
The
粒子モデル6及びボンドモデル7は、図2に示した分子鎖2Aのモノマー3をなす単位構造に基づいて連結される。これにより、モノマーモデル9が設定される。このモノマーモデル9は、分子量(重合度)Mnに基づいて連結される。これにより、分子鎖モデル5が設定される。図5は、分子鎖モデル設定工程S1の処理手順の一例を示すフローチャートである。
The
本実施形態の分子鎖モデル設定工程S1では、先ず、図4に示されるように、粒子モデル6が設定される(工程S11)。粒子モデル6は、後述する分子動力学計算、分子力学計算、及び、量子力学計算に基づいたシミュレーションにおいて、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、粒子モデル6は、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。
In the molecular chain model setting step S1 of the present embodiment, first, as shown in FIG. 4, the
本実施形態の粒子モデル6は、図2に示した分子鎖2Aの炭素原子をモデル化した炭素粒子モデル6C、水素原子をモデル化した水素粒子モデル6H、及び、硫黄原子をモデル化した硫黄粒子モデル6Sを含んでいる。これらの粒子モデル6は、コンピュータ1に記憶される。
The
次に、分子鎖モデル設定工程S1では、ボンドモデル7が設定される(工程S12)。ボンドモデル7は、粒子モデル6、6間を拘束するものである。本実施形態のボンドモデル7は、主鎖7aと側鎖7bとを含んでいる。主鎖7aは、炭素粒子モデル6C、6Cを連結するものである。側鎖7bは、炭素粒子モデル6Cと水素粒子モデル6Hとの間、及び、炭素粒子モデル6Cと硫黄粒子モデル6Sとの間を連結するものである。さらに、ボンドモデル7には、一対の原子間の一重結合を定義した一重結合ボンドモデル10Aと、一対の原子間の二重結合を定義した二重結合ボンドモデル10Bとを含んでいる。一重結合ボンドモデル10A及び二重結合ボンドモデル10Bには、下記式(1)〜(3)に基づいて、異なる値のポテンシャルがそれぞれ定義される。
Next, in the molecular chain model setting step S1, the
次に、分子鎖モデル設定工程S1では、ボンドモデル7を介して隣り合う粒子モデル6、6間には、相互作用(斥力及び引力を含む)が生じさせるポテンシャルが定義される(工程S13)。図4に示されるように、ポテンシャルには、ボンドモデル7を介して隣り合う粒子モデル6、6間に定義される第1ポテンシャルP1と、ボンドモデル7を介さずに隣り合う粒子モデル6、6間に定義される第2ポテンシャルP2とが定義される。
Next, in the molecular chain model setting step S1, a potential that causes an interaction (including repulsive force and attractive force) between the
図6(a)〜(c)は、第1ポテンシャルP1を説明する分子鎖モデル5の部分図である。図6(a)〜(b)に示されるように、分子鎖モデル5には、各粒子モデル6、6間の結合長さである結合距離(結合長)r、及び、ボンドモデル7を介して連続する3つの粒子モデル6がなす角度である結合角θが定義されている。さらに、図6(c)に示されるように、分子鎖モデル5には、ボンドモデル7を介して連続する4つの粒子モデル6において、隣り合う3つの粒子モデル6が作る一方の平面8Aと他方の平面8Bとのなす角度ある二面角φが定義される。結合距離r、結合角θ及び二面角φは、分子鎖モデル5に作用する外力又は内力によって変化する。
6A to 6C are partial views of the
結合距離r、結合角θ及び二面角φは、下記式(1)で定義される結合ポテンシャルUbond(r)、下記式(2)で定義される結合角ポテンシャルUangle(θ)、及び、下記式(3)で定義される結合二面角ポテンシャルUtorsion(φ)によって設定される。
r:結合距離(結合長)
r0:平衡距離(平衡長)
k1、k2:ばね定数
θ:結合角
θ0:平衡角度
k3:二面角ポテンシャルの強度
N−1:二面角ポテンシャル多項式の次数
φ:二面角
An:二面角定数
なお、結合距離r及び平衡距離r0は、各粒子モデル6の中心(図示省略)間の距離として定義される。
The bond distance r, the bond angle θ, and the dihedral angle φ are the bond potential U bond (r) defined by the following formula (1), the bond angle potential U angle (θ) defined by the following formula (2), and , Is set by the bond dihedral angle potential U torsion (φ) defined by the following equation (3).
r: bond distance (bond length)
r 0 : Equilibrium distance (equilibrium length)
k 1 , k 2 : spring constant θ: bond angle θ 0 : equilibrium angle k 3 : strength of dihedral potential N−1: order of dihedral potential polynomial φ: dihedral angle A n : dihedral constant , The bond distance r and the equilibrium distance r 0 are defined as the distance between the centers (not shown) of each
各結合ポテンシャルUbond(r)、結合角ポテンシャルUangle(θ)、及び、結合二面角ポテンシャルUtorsion(φ)の各定数については、適宜設定することができる。なお、これらのポテンシャルは、論文(J. Phys. Chem. 94, 8897(1990))に基づいて、分子鎖Mcの構造に応じて設定されるのが望ましい。 Each constant of each bond potential U bond (r), bond angle potential U angle (θ), and bond dihedral angle potential U torsion (φ) can be appropriately set. Note that these potentials are preferably set according to the structure of the molecular chain Mc based on the paper (J. Phys. Chem. 94, 8897 (1990)).
結合ポテンシャルは、上記式(1)に限定されるわけではない。例えば、結合ポテンシャルは、下記式(4)で定義されるモース型関数で定義されてもよい。
E:結合ポテンシャル(ボンドポテンシャル)
ForceC:平衡位置近傍の曲率
Dlim:結合解離エネルギーに相当
R:結合距離(結合長)
RM:平衡距離(平衡長)
The binding potential is not limited to the above formula (1). For example, the binding potential may be defined by a Morse type function defined by the following equation (4).
E: Bond potential
ForceC: Curvature near the equilibrium position
Dlim: Equivalent to bond dissociation energy
R: Bond distance (bond length)
R M : Equilibrium distance (equilibrium length)
上記式(4)において、各定数及び変数は、適宜設定されうる。このようなモース型関数で定義されることにより、結合距離が大きくなるときに、結合ポテンシャルが過剰に大きく計算されるのを防ぐことができるため、シミュレーションの精度を高めることができる。 In the above formula (4), each constant and variable can be set appropriately. By being defined by such a Morse type function, it is possible to prevent the bond potential from being calculated excessively large when the bond distance becomes large, so that the accuracy of simulation can be improved.
第2ポテンシャルP2は、上述したように、ボンドモデル7を介さずに隣り合う粒子モデル6、6間に定義されるものである。本実施形態の第2ポテンシャルP2は、下記式(5)で定義されるLJポテンシャルULJ(rij)である。
As described above, the second potential P2 is defined between the
rij:粒子モデル間の距離
ε:粒子モデル間に定義されるLJポテンシャルの強度
σ:粒子モデルの直径に相当
なお、距離rijは、各粒子モデル6、6の中心(図示省略)間の距離として定義される。
r ij : Distance between particle models ε: Strength of LJ potential defined between particle models σ: Corresponding to diameter of particle model Note that the distance r ij is between the centers (not shown) of each
第2ポテンシャルP2は、粒子モデル間の距離rijがσよりも小さくなるほど、粒子モデル6、6間に作用する斥力が大きくなる。また、第2ポテンシャルP2は、粒子モデル間の距離rijが21/6σになるときに最小となり、粒子モデル6、6間に斥力や引力は働かない。さらに、第2ポテンシャルP2は、粒子モデル間の距離rijが21/6σよりも大になると、粒子モデル6、6間に作用する引力が働く。このように、第2ポテンシャルP2は、粒子モデル間の距離rijに応じて、斥力及び引力を定義することができる。
In the second potential P2, the repulsive force acting between the
本実施形態では、硫黄粒子モデル6S、6S間、炭素粒子モデル6C、6C間、炭素粒子モデル6Cと水素粒子モデル6Hとの間、硫黄粒子モデル6Sと炭素粒子モデル6Cとの間、及び、硫黄粒子モデル6Sと水素粒子モデル6Hとの間に、それぞれ異なる第2ポテンシャルP2が設定されている。各第2ポテンシャルP2は、上記式(5)の定数がそれぞれ異なっている。なお、各定数は、例えば、論文(J. Phys. Chem. 94, 8897(1990))に基づいて、適宜設定することができる。
In the present embodiment, between 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に、高分子材料モデルが定義される(工程S2)。図7は、高分子材料モデルの概念図である。高分子材料モデル16は、コンピュータ1上に定義され、かつ、高分子材料の一部に対応する空間(セル)17に、少なくとも一つの分子鎖モデル5が配置されることによって定義される。
Next, in the simulation method of this embodiment, a polymer material model is defined in the computer 1 (step S2). FIG. 7 is a conceptual diagram of a polymer material model. The
本実施形態の空間17は、互いに向き合う三対の平面17a、17bを有する直方体として定義されている。各平面17a、17bには、周期境界条件が定義されている。これにより、空間17では、例えば、一方の平面17aから出て行った分子鎖モデル5の一部が、反対側の平面17bから入ってくるように計算することができる。従って、一方の平面17aと、反対側の平面17b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。
The
空間17の一辺の長さL1、L2、L3は、適宜設定することができる。本実施形態の長さL1は、分子鎖モデル5の慣性半径(図示省略)の2倍以上が望ましい。慣性半径は、分子鎖モデル5の拡がりを示す量である。このような空間17では、分子動力学計算において、周期境界条件による自己のイメージとの衝突が起こりにくいため、分子鎖モデル5の空間的拡がりを適切に計算することができる。さらに、空間17の大きさは、例えば1気圧で安定な体積に設定される。このような空間17は、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。また、空間17に配置される分子鎖モデル5の個数については、適宜設定することができる。本実施形態の分子鎖モデル5の個数としては、例えば、1個以上、好ましくは30個以上に設定されるのが望ましい。
The lengths L1, L2, L3 of one side of the
本実施形態では、分子鎖モデル5が配置された空間17を用いて、分子動力学( Molecular Dynamics : MD )計算による緩和計算が実施される。これにより、高分子材料モデル16が設定される。
In the present embodiment, relaxation calculation by molecular dynamics (MD) calculation is performed using the
本実施形態の分子動力学計算では、例えば、空間17について所定の時間、分子鎖モデル5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、各時刻での粒子モデル6の動きが、単位時間ステップ毎に追跡される。このような構造緩和の計算は、例えばソフトマテリアル総合シミュレーター(OCTA)に含まれるCOGNACを用いて処理することができる。
In the molecular dynamics calculation of the present embodiment, for example, Newton's equation of motion is applied assuming that the
分子動力学計算では、空間17において、圧力及び温度が一定、又は体積及び温度が一定に保たれる。また、分子動力学計算では、分子鎖モデル5の人為的な初期配置が十分に排除されたとみなせるまで行われる。これにより、工程S2では、実際の高分子材料の分子運動に近似させて、分子鎖モデル5の初期配置を精度よく緩和することができる。このような緩和計算を経て、高分子材料モデル16が定義される。高分子材料モデル16は、コンピュータ1に記憶される。
In the molecular dynamics calculation, the pressure and temperature are kept constant, or the volume and temperature are kept constant in 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、予め定められた条件に基づいて、分子鎖モデル5の切断を計算する(切断計算工程S3)。本実施形態の切断計算工程S3では、図7に示した高分子材料モデル16を、一軸方向(例えば、Z軸方向)に伸長させる伸長シミュレーションが実施される。
Next, in the simulation method of the present embodiment, the
本実施形態の伸長シミュレーションでは、分子力学計算(Molecular Mechanics : MM)及び量子力学計算(Quantum Mechanics : QM)を用いて、単位時間ステップ毎に、高分子材料モデル16の伸長が計算される。そして、単位時間ステップを進展させることによって、予め定められた長さ(上限値)まで伸長した高分子材料モデル16が計算される。この高分子材料モデル16の伸長によって、分子鎖モデル5は、粒子モデル6、6間が離間する。この粒子モデル6、6間の離間に伴って、分子鎖モデル5を切断する状態が計算される。分子力学計算は、分子動力学計算と同様の上記ソフトウェアによって計算されうる。
In the extension simulation of the present embodiment, the extension of the
量子力学計算では、分子鎖モデル5が、原子核と電子とに基づく相互作用に従うものとして、シミュレーションの単位時間ステップ毎に、粒子モデル6の電子状態と動きとが追跡される。従って、量子力学計算は、分子力学計算に比べて計算精度が高い。このような量子力学計算は、Gaussian社製の量子化学計算プログラムGaussian03、又は、Gaussian09を用いて処理することができる。
In the quantum mechanical calculation, it is assumed that the
本実施形態では、高分子材料モデル16の全体領域を対象に、分子力学計算を用いて、伸長シミュレーションが実施される。そして、分子鎖モデル5のうち粒子モデル6、6間で切断しそうな部分のみを対象に、量子力学計算を用いて、分子鎖モデル5の切断が詳細に計算される。従って、本実施形態の切断計算工程S3では、例えば、高分子材料モデル16の全体領域を対象に量子力学計算を実施する場合に比べて、計算時間を大幅に短縮することができる。図8は、本実施形態の切断計算工程S3の処理手順の一例を示すフローチャートである。
In the present embodiment, the elongation simulation is performed on the entire region of the
本実施形態の切断計算工程S3では、先ず、高分子材料モデル16の伸長シミュレーションを実施するための初期条件が設定される(工程S31)。図9は、高分子材料モデル16の伸長シミュレーションを説明する側面図である。初期条件としては、高分子材料モデル16のポアソン比に基づいて、各単位時間ステップでの高分子材料モデル16の長さL1、L2、L3が定義される。これにより、切断計算工程S3では、高分子材料モデル16のポアソン比に基づいて、高分子材料モデルを一軸方向(例えば、Z軸方向)に伸長させるシミュレーションを実施することができる。
In the cutting calculation step S3 of the present embodiment, first, initial conditions for carrying out the extension simulation of the
高分子材料モデル16の一軸方向の伸長速度Vaについては、解析対象の高分子材料や、シミュレーション条件に応じて適宜設定することができる。本実施形態の伸長速度Vaは、例えば、50m/秒〜200m/秒に設定されている。これにより、本実施形態の切断計算工程S3では、高分子材料が高速に引き伸ばされた状態を計算することができる。これらの初期条件は、コンピュータ1に記憶される。
The uniaxial extension speed Va of the
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、分子力学計算で用いられる結合ポテンシャルPnが定義される(結合ポテンシャル定義工程S32)。結合ポテンシャルPn(図4に示す)は、分子鎖モデル5において、ボンドモデル7を介して隣り合う粒子モデル6、6間に定義されるものである。本実施形態の結合ポテンシャルPnとしては、結合解離ポテンシャルPu(図示省略)に近似するポテンシャルPnが定義される。結合解離ポテンシャルPuは、量子力学計算を用いて、粒子モデル6、6間のポテンシャルを計算したものである。このような結合ポテンシャルPnは、量子力学計算でのポテンシャルに近似するため、分子力学計算の結果と量子力学計算の結果との差異を、最小限にすることができる。
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, the bond potential Pn used in the molecular mechanics calculation is defined (bond potential defining step S32). The bond potential Pn (shown in FIG. 4) is defined between the
結合解離ポテンシャルPu(図示省略)は、結合する粒子モデル6の種類に応じてそれぞれ異なる。本実施形態では、硫黄粒子モデル6S、6S間、炭素粒子モデル6C、6C間、炭素粒子モデル6Cと水素粒子モデル6Hとの間、硫黄粒子モデル6Sと炭素粒子モデル6Cとの間、及び、硫黄粒子モデル6Sと水素粒子モデル6Hとの間に、それぞれ異なる結合解離ポテンシャルPuが求められる。
The bond dissociation potential Pu (not shown) differs depending on the type of
本実施形態の結合ポテンシャル定義工程S32では、一対の粒子モデル6、6を含む分子モデルを用いた量子力学計算によって、結合解離ポテンシャルPuが求められている。図10は、本実施形態の結合ポテンシャル定義工程S32の処理手順の一例を示すフローチャートである。図11は、結合解離ポテンシャルPuを求めるのに使用した分子モデル11を示す図である。
In the bond potential defining step S32 of this embodiment, the bond dissociation potential Pu is obtained by quantum mechanical calculation using a molecular model including a pair of
本実施形態の結合ポテンシャル定義工程S32では、先ず、分子モデル11が設定される(工程S321)。分子モデル11は、分子鎖モデル5において、一対の粒子モデル6、6の全ての組み合わせが設定される。本実施形態では、硫黄粒子モデル6S、6Sを結合した分子モデル11A、炭素粒子モデル6C、6Cを結合した分子モデル(図示省略)、炭素粒子モデル6Cと水素粒子モデル6Hとを結合した分子モデル(図示省略)、硫黄粒子モデル6Sと炭素粒子モデル6Cとを連結した分子モデル(図示省略)、及び、硫黄粒子モデル6Sと水素粒子モデル6Hとを連結した分子モデル(図示省略)が設定される。図11では、硫黄粒子モデル6S、6Sを結合した分子モデル11Aが代表して示されている。
In the binding potential defining step S32 of this embodiment, first, the
本実施形態の分子モデル11は、一対の粒子モデル6、6(本実施形態では、硫黄粒子モデル6S、6S)と、粒子モデル6、6間を連結するボンドモデル7とを含んでいる。なお、各粒子モデル6には、粒子モデル6でモデル化された原子の原子価(例えば、硫黄原子の場合:2)から、粒子モデル6の結合数(例えば、1)を減じた数の水素粒子モデル6H(例えば、1個)が、ボンドモデル7を介して連結される。これにより、分子モデル11は、量子力学計算において、安定した構造を維持することができる。このような方法に基づいて、上記した各分子モデル11がそれぞれ設定される。これらの分子モデル11は、コンピュータ1に記憶される。
The
次に、本実施形態の結合ポテンシャル定義工程S32では、各分子モデル11の粒子モデル6、6間に、量子力学計算に使用する理論及び基底関数が定義される(工程S322)。本実施形態で定義される理論としては、例えば、密度汎関数法(汎関数:B3LYP)が定義される。また、基底関数としては、例えば、基底関数(6−31G(d))が定義される。これらの量子力学計算に使用する理論及び基底関数は、上記した量子力学計算用のプログラムを用いることによって定義することができる。これらの理論及び基底関数は、コンピュータ1に記憶される。
Next, in the binding potential defining step S32 of the present embodiment, the theory and basis functions used for the quantum mechanical calculation are defined between the
次に、本実施形態の結合ポテンシャル定義工程S32では、分子モデル11を用いた量子力学計算を行うシミュレーションによって、各粒子モデル6、6間の結合解離ポテンシャルPuが求められる(工程S323)。
Next, in the bond potential defining step S32 of the present embodiment, the bond dissociation potential Pu between the
図11に示されるように、分子モデル11では、上記理論及び基底関数により、原子核と電子とに基づく相互作用のバランスによって、粒子モデル6、6の平衡距離r0が決定されている。本実施形態の工程S323では、例えば、粒子モデル6、6が当接した状態から、粒子モデル6、6間の距離rが平衡距離r0よりも大(例えば、4.5Å)になるまでの間、粒子モデル6、6を単位ステップ毎に0.1Åずつ離間させる量子力学計算が実施される。また、本実施形態の量子力学計算では、非制限密度汎関数法に基づいて、分子モデル11の全エネルギーが、単位ステップ毎に計算される。そして、粒子モデル6、6間の距離rと、分子モデル11の全エネルギーとの関係に基づいて、結合解離ポテンシャルPuを求めることができる。図12は、結合解離ポテンシャルPuを示すグラフである。平衡距離r0及び距離rは、粒子モデル6、6の中心6c、6c(図11に示す)間の距離として定義される。また、図12において、ポテンシャルエネルギーは、エネルギー最小を0とした相対エネルギーである。
As shown in FIG. 11, in the
図12のグラフにおいて、結合解離ポテンシャルPuは、粒子モデル6、6間の距離rが平衡距離r0(本実施形態では、2.1)よりも小さくなるほど、粒子モデル6、6間の斥力によって大きくなる。また、結合解離ポテンシャルPuは、距離rが2.1になるときにエネルギーが最小となり、粒子モデル6、6間に斥力や引力は作用しない。さらに、結合解離ポテンシャルPuは、距離rが平衡距離r0よりも大きくなると、粒子モデル6、6間の引力に起因して大きくなる。このように、結合解離ポテンシャルPuは、距離rに応じて、斥力及び引力を定義することができる。
In the graph of FIG. 12, the bond dissociation potential Pu depends on the repulsive force between the
結合解離ポテンシャルPuは、粒子モデル6、6間の距離rが平衡距離r0よりも大きい領域において、分子モデル11のポテンシャルエネルギーの増分が小さくなる変曲点13を有している。変曲点13は、変曲点13よりも距離rが大きいと予想される領域、及び、変曲点13よりも距離rが小さいと予想される領域において、結合解離ポテンシャルPuに近似する一対の直線15a、15bの交点で特定することができる。
The bond dissociation potential Pu has an
変曲点13よりも距離rが小さい領域Tbでは、変曲点13よりも粒子モデル6、6間の距離rが大きい領域Taに比べて、分子モデル11のポテンシャルエネルギーの増分が大きい。これは、変曲点13よりも小さい領域Tbにおいて、粒子モデル6、6間の結合が強固に維持されることを示している。また、変曲点13よりも距離rが大きい領域Taでは、粒子モデル6、6間で切断、又は、結合次数の減少が生じており、分子モデル11のポテンシャルエネルギーの増分が小さくなっている。従って、変曲点13は、粒子モデル6、6間の結合と解離との境界と考えることができる。
In the region Tb where the distance r is smaller than the
工程S323では、上記した各分子モデル11の全てについて、量子力学計算がそれぞれ実施される。これにより、硫黄粒子モデル6S、6S間の結合解離ポテンシャルPu、炭素粒子モデル6C、6C間の結合解離ポテンシャルPu、炭素粒子モデル6Cと水素粒子モデル6Hとの間の結合解離ポテンシャルPu、硫黄粒子モデル6Sと炭素粒子モデル6Cとの間の結合解離ポテンシャルPu、及び、硫黄粒子モデル6Sと水素粒子モデル6Hとの間の結合解離ポテンシャルPuがそれぞれ求められる。各結合解離ポテンシャルPuは、コンピュータ1に記憶される。
In step S323, quantum mechanical calculation is performed for each of the above-described
次に、本実施形態の結合ポテンシャル定義工程S32では、結合解離ポテンシャルPuに近似するポテンシャル(結合ポテンシャル)Pnが求められる(工程S324)。図13は、結合解離ポテンシャルPu及び結合ポテンシャルPnを示すグラフである。本実施形態の工程S324は、フックの法則に基づいた調和振動子型の関数を、結合解離ポテンシャルPuに近似させている。これにより、結合ポテンシャルPnが求められる。調和振動子型の関数は、下記式(6)で定義される。 Next, in the bond potential defining step S32 of the present embodiment, a potential (bond potential) Pn that approximates the bond dissociation potential Pu is obtained (step S324). FIG. 13 is a graph showing the bond dissociation potential Pu and the bond potential Pn. In step S324 of this embodiment, a harmonic oscillator-type function based on Hooke's law is approximated to the bond dissociation potential Pu. As a result, the coupling potential Pn is obtained. The harmonic oscillator type function is defined by the following equation (6).
V:分子モデルのエネルギー
k:バネ定数
r:粒子モデル間の距離
r0:粒子モデル間の平衡距離
V: Energy of molecular model k: Spring constant r: Distance between particle models r 0 : Equilibrium distance between particle models
上記式(6)の調和振動子型の関数は、粒子モデル6、6間の距離rと、分子モデルのエネルギーとの関係を示す二次関数である。本実施形態では、変曲点13よりも距離rが小さい領域Tb(図12に示す)において、調和振動子型の関数を、結合解離ポテンシャルPuに近似させることによって、結合ポテンシャルPnを求めている。従って、本実施形態の結合ポテンシャルPnは、粒子モデル6、6間で切断、又は、結合次数の減少が生じる前の結合解離ポテンシャルPuに近似するものである。
The harmonic oscillator type function of the above equation (6) is a quadratic function indicating the relationship between the distance r between the
調和振動子型の関数を、結合解離ポテンシャルPuに近似させる方法としては、例えば、最小二乗法を用いることができる。このような結合ポテンシャルPnでは、複雑な結合解離ポテンシャルPuを、簡単な調和振動子型の関数で表すことができる。 As a method of approximating the harmonic oscillator type function to the bond dissociation potential Pu, for example, the least square method can be used. With such a coupling potential Pn, the complex bond dissociation potential Pu can be expressed by a simple harmonic oscillator type function.
工程S324では、結合解離ポテンシャルPuのエネルギー(分子モデル11のエネルギー)の下限値(即ち、平衡距離r0)から、エネルギーの上限値の50%〜80%までの範囲において、調和振動子型の関数を、結合解離ポテンシャルPuに近似させるのが望ましい。これにより、結合ポテンシャルPnは、変曲点13よりも距離r0が小さい領域Tb(図12に示す)において、結合解離ポテンシャルPuに精度良く近似することができる。
In step S324, in the range from the lower limit value of the energy of bond dissociation potential Pu (energy of molecular model 11) (that is, equilibrium distance r 0 ) to 50% to 80% of the upper limit value of energy, a harmonic oscillator type It is desirable to approximate the function to the bond dissociation potential Pu. As a result, the bond potential Pn can be accurately approximated to the bond dissociation potential Pu in the region Tb (shown in FIG. 12) where the distance r 0 is smaller than the
なお、調和振動子型の関数に近似させる範囲において、結合解離ポテンシャルPuのエネルギーの上限値の80%を超えると、変曲点13よりも距離が大きい領域Ta(図12に示す)を含めて、調和振動子型の関数を近似させるおそれがある。逆に、結合解離ポテンシャルPuのエネルギーの上限値の50%未満であると、結合解離ポテンシャルPuに近似させる範囲が小さくなり、結合解離ポテンシャルPuに精度良く近似できないおそれがある。このような観点より、調和振動子型の関数に近似させる範囲において、より好ましくは、結合解離ポテンシャルPuのエネルギーの上限値の70%以下であり、より好ましくは60%以上である。
In the range approximated to the harmonic oscillator type function, when the upper limit of the energy of the bond dissociation potential Pu exceeds 80%, the region Ta (shown in FIG. 12) having a distance larger than the
工程S324では、硫黄粒子モデル6S、6S間の結合解離ポテンシャルPu、炭素粒子モデル6C、6C間の結合解離ポテンシャルPu、炭素粒子モデル6Cと水素粒子モデル6Hとの間の結合解離ポテンシャルPu、硫黄粒子モデル6Sと炭素粒子モデル6Cとの間の結合解離ポテンシャルPu、及び、硫黄粒子モデル6Sと水素粒子モデル6Hとの間の結合解離ポテンシャルPuについて、結合ポテンシャルPnがそれぞれ求められる。
In step S324, the bond dissociation potential Pu between the
工程S324では、図4に示した分子鎖モデル5において、ボンドモデル7を介して隣り合う粒子モデル6、6間に、第1ポテンシャルP1に代えて、結合ポテンシャルPnがそれぞれ定義される。なお、一重結合ボンドモデル10A及び二重結合ボンドモデル10Bには、それらの結合の強さに応じて、異なる大きさの結合ポテンシャルPnが定義される。また、ボンドモデル7を介さずに隣り合う粒子モデル6、6間に定義されている第2ポテンシャルP2については、維持される。
In step S324, a bond potential Pn is defined between the
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、高分子材料モデル16(図7に示す)を伸長させる変形計算が実施される(伸長工程S33)。本実施形態では、初期条件として設定されたポアソン比に基づいて、高分子材料モデル16の変形が計算される。
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, a deformation calculation for expanding the polymer material model 16 (shown in FIG. 7) is executed (expansion step S33). In this embodiment, the deformation of the
伸長工程S33では、現在の単位時間ステップにおいて、一軸方向に伸長した高分子材料モデル16が計算される。この高分子材料モデル16の伸長により、図7に示した分子鎖モデル5も一軸方向に引き伸ばされ、ボンドモデル7を介して隣り合う粒子モデル6、6間の距離r(図4に示す)の少なくとも一部が大きくなる。
In the stretching step S33, the
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、伸長工程S33で変形した高分子材料モデル16に基づいて、分子力学計算(Molecular Mechanics : MM)が実施される(第1分子力学計算工程S34)。第1分子力学計算工程S34では、高分子材料モデル16のエネルギーEaと、高分子材料モデル16に作用する力Faとを含む物理量が計算される。このようなエネルギーEaと、力Faとを含む物理量は、コンピュータ1に記憶される。
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, molecular mechanics calculation (Molecular Mechanics: MM) is performed based on the
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、第1分子力学計算工程S34後の分子鎖モデル5について、ボンドモデル7を介して隣り合う粒子モデル6、6間の距離r(図4に示す)が、予め定められた第1距離Laよりも大きい離反粒子モデル部21(図示省略)が存在するか否かが判断される(工程S35)。
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, for the
工程S35では、空間17に配置されている全ての分子鎖モデル5について、ボンドモデル7を介して隣り合う粒子モデル6、6間の距離rが計算される。なお、工程S35では、ボンドモデル7で拘束されていない粒子モデル6、6間の距離は計算されない。そして、ボンドモデル7を介して隣り合う粒子モデル6、6間の距離rが、第1距離Laよりも大きい一対の粒子モデル6、6(以下、単に「第1粒子モデル23A、23A」ということがある。)が、離反粒子モデル部21(図示省略)として判断される。
In step S35, the distance r between the
本実施形態の第1距離Laは、図13に示した結合解離ポテンシャルPuの変曲点13での粒子モデル6、6間の距離r(Ln)よりも小に設定されている。また、第1距離Laは、粒子モデル6、6の平衡距離r0よりも大に設定されている。上述したように、変曲点13は、粒子モデル6、6間の結合と解離との境界点と考えることができる。このため、距離rが第1距離Laよりも大きい離反粒子モデル部21(図示省略)では、粒子モデル6、6間で切断する可能性が高いと考えることができる。従って、工程S35では、粒子モデル6、6間で切断する可能性が高い離反粒子モデル部21の有無を判断することができる。
The first distance La of this embodiment is set to be smaller than the distance r(Ln) between the
また、第1距離Laについては、変曲点13での距離rよりも小さい値であれば、適宜設定することができる。本実施形態では、図13に示されるように、結合解離ポテンシャルPuと、結合ポテンシャルPnとの交点18での距離rを、第1距離Laとして求めている。これにより、量子力学計算よりも計算時間を短縮しうる分子力学計算に基づいて、離反粒子モデル部21の存在の有無を、精度良く判断することができる。
Further, the first distance La can be appropriately set as long as it is a value smaller than the distance r at the
工程S35において、離反粒子モデル部21が存在すると判断された場合(工程S35で、「Y」)、離反粒子モデル部21を対象に、次の量子力学計算工程S36が実施される。他方、離反粒子モデル部21が存在しないと判断された場合(工程S35で、「N」)、後述する工程S40が実施される。
When it is determined that the dissociated
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、離反粒子モデル部21を含む第1領域22を対象に、量子力学計算が行われる(量子力学計算工程S36)。図14は、量子力学計算工程S36の処理手順の一例を示すフローチャートである。図15は、第1領域22を示す図である。
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, quantum mechanical calculation is performed on the
本実施形態の量子力学計算工程S36では、先ず、離反粒子モデル部21を含む第1領域22が設定される(工程S361)。第1領域22は、高分子材料モデル16の分子鎖モデル5(図4に示す)から、離反粒子モデル部21のみを抜き出した非全体領域である。なお、高分子材料モデル16に、複数の離反粒子モデル部21が存在する場合、全ての離反粒子モデル部21が、第1領域22に含められる。
In the quantum mechanical calculation step S36 of the present embodiment, first, the
また、離反粒子モデル部21の各第1粒子モデル23Aには、第1粒子モデル23Aでモデル化された原子の原子価(例えば、炭素原子の場合:4)から、第1粒子モデル23Aの結合数(例えば、1)を減じた数の水素粒子モデル6H(例えば、3個)が、ボンドモデル7を介して連結される。これにより、量子力学計算において、安定した構造を有する離反粒子モデル部21を設定することができる。
In addition, to each
次に、本実施形態の量子力学計算工程S36では、離反粒子モデル部21の粒子モデル6に、量子力学計算に使用する理論及び基底関数が定義される(工程S362)。工程S362では、離反粒子モデル部21の第1粒子モデル23A、23A間に設定されている結合ポテンシャルPn(図4に示す)を無効にして、量子力学計算に使用する理論及び基底関数が定義される。なお、量子力学計算に使用する理論及び基底関数については、上述のとおりである。
Next, in the quantum mechanical calculation step S36 of the present embodiment, the theory and basis functions used for the quantum mechanical calculation are defined in the
次に、本実施形態の量子力学計算工程S36では、第1領域22(図15に示す)を対象に、量子力学計算が実施される(工程S363)。上述したように、量子力学計算では、原子核と電子とに基づく相互作用に従うものとして、シミュレーションの単位時間ステップ毎に、粒子モデル6の電子状態と動きとが追跡される。従って、工程S363では、分子力学計算に比べて、離反粒子モデル部21(即ち、一対の第1粒子モデル23A、23A間)の伸長を、高い精度で計算することができる。また、工程S363では、高分子材料モデル16から抜き出された第1領域22のみを対象に、量子力学計算が実施されている。このため、図7に示した高分子材料モデル16の全体領域を対象に量子力学計算が実施される場合に比べて、計算時間を大幅に短縮することができる。
Next, in the quantum mechanical calculation step S36 of the present embodiment, the quantum mechanical calculation is performed on the first region 22 (shown in FIG. 15) (step S363). As described above, in the quantum mechanical calculation, the electronic state and the movement of the
工程S363では、第1領域22のエネルギーEcと、第1領域22に作用する力Fcとを含む物理量が計算される。このようなエネルギーEc及び力Fcを含む物理量は、コンピュータ1に記憶される。
In step S363, a physical quantity including the energy Ec of the
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、第1領域22を対象に分子力学計算が行われる(第2分子力学計算工程S37)。図15に示されるように、第1領域22は、伸長工程S33で変形した高分子材料モデル16の分子鎖モデル5から、離反粒子モデル部21のみを抜き出した非全体領域である。従って、第2分子力学計算工程S37は、第1領域22のエネルギーEbと、第1領域22に作用する力Fbとを含む物理量が計算される。このようなエネルギーEbと力Fbとを含む物理量は、後述するONIOM法に従って、高分子材料モデル16のエネルギーEt、及び、高分子材料モデル16に作用する力Ftを求めるのに利用される。エネルギーEbと力Fbとを含む物理量は、コンピュータ1に記憶される。また、第2分子力学計算工程S37では、離反粒子モデル部21の粒子モデル6、6間に、結合ポテンシャルPnが設定される。
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, molecular mechanics calculation is performed on the first region 22 (second molecular mechanics calculation step S37). As shown in FIG. 15, the
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、高分子材料モデル16のエネルギーEtが計算される(工程S38)。本実施形態のエネルギーEtは、ONIOM ( Our own N-layered Integrated molecular Orbital and molecular Mechanics ) 法に従って、下記式(7)に基づいて計算される。
Et=Ea−Eb+Ec … (7)
ここで、
Ea:第1分子力学計算工程で求められた高分子材料モデルのエネルギー
Eb:第2分子力学計算工程で求められた第1領域のエネルギー
Ec:量子力学計算工程で求められた第1領域のエネルギー
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, the energy Et of the
Et=Ea-Eb+Ec (7)
here,
Ea: Energy of the polymer material model obtained in the first molecular mechanics calculation step Eb: Energy of the first region obtained in the second molecular mechanics calculation step Ec: Energy of the first region obtained in the quantum mechanics calculation step
上記式(7)において、第1分子力学計算工程S34で求められたエネルギーEaは、高分子材料モデル16の全体領域のエネルギーである。また、第2分子力学計算工程S37で求められたエネルギーEbは、第1領域22でのエネルギーである。これらのエネルギーEa、Ebは、分子力学計算で求められているため、量子力学計算に比べて、計算精度が低い。量子力学計算工程S36で求められたエネルギーEcは、第1領域22のエネルギーである。このエネルギーEcは、量子力学計算で求められているため、分子力学計算に比べて、計算精度が高い。
In the above formula (7), the energy Ea obtained in the first molecular dynamics calculation step S34 is the energy of the entire region of the
ONIOM法は、計算精度の異なる階層構造を組み合わせることによって最適解を得る方法である。本実施形態では、計算精度が比較的低い高分子材料モデルのエネルギーEaのうち、第1領域のエネルギーEbを、計算精度が比較的高い第1領域のエネルギーEcに置き換えることによって、高分子材料モデル16のエネルギーEtを求めている。このようなエネルギーEtは、分子鎖モデル5の切断による影響を詳細に考慮することができるため、計算精度を高めることができる。また、本実施形態では、例えば、量子力学計算に基づいた高分子材料モデル16の全体領域のエネルギーを求めることなく、高分子材料モデル16のエネルギーEtを求めることができるため、計算時間を短縮することができる。エネルギーEtは、コンピュータ1に記憶される。
The ONIOM method is a method of obtaining an optimum solution by combining hierarchical structures having different calculation accuracy. In the present embodiment, of the energy Ea of the polymer material model whose calculation accuracy is relatively low, the energy Eb of the first region is replaced with the energy Ec of the first region whose calculation accuracy is relatively high, so that the polymer material model The energy Et of 16 is sought. Since such an energy Et can take into account the influence of the cleavage of the
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、高分子材料モデル16に作用する力Ftが計算される(工程S39)。本実施形態の力Ftは、高分子材料モデルのエネルギーEtと同様に、ONIOM法に従って、下記式(8)に基づいて計算される。
Ft=Fa−Fb+Fc … (8)
ここで、
Fa:第1分子力学計算工程で求められた高分子材料モデルに作用する力
Fb:第2分子力学計算工程で求められた第1領域に作用する力
Fc:量子力学計算工程で求められた第1領域に作用する力
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, the force Ft acting on the
Ft=Fa−Fb+Fc (8)
here,
Fa: Force acting on the polymer material model obtained in the first molecular mechanics calculation step Fb: Force acting on the first region obtained in the second molecular mechanics calculation step Fc: No. determined in the quantum mechanics calculation step Force acting on one area
本実施形態では、計算精度が比較的低い高分子材料モデル16の力Faのうち、第1領域22の力Fbを、計算精度が比較的高い第1領域の力Fcに置き換えることによって、高分子材料モデル16の力Ftを求めている。このような力Ftは、分子鎖モデル5の切断による影響を詳細に考慮することができるため、計算精度を高めることができる。また、本実施形態では、量子力学計算に基づいた高分子材料モデル16の全体領域に作用する力を計算する必要がないため、計算時間を短縮することができる。この力Ftは、コンピュータ1に記憶される。
In the present embodiment, among the forces Fa of the
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、現在の単位時間ステップにおいて、分子鎖モデル5の各粒子モデル6の座標値及び速度が更新される(工程S40)。本実施形態では、ONIOM法で計算されたエネルギーEt及び力Ftから加速度を求める。そして、エネルギーEt及び力Ftから求めた加速度と、分子鎖モデル5の各粒子モデル6の座標値とから、各粒子モデル6の新たな座標値(即ち、次の単位時間ステップで用いられる座標値)が計算される。
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, the coordinate value and velocity of each
このような各粒子モデル6の座標値は、切断される可能性の高い第1領域22を量子力学計算した座標値が含められているため、分子鎖モデル5の切断を精度よく解析することができる。また、切断される可能性の低い部分については、比較的精度の低い分子力学計算が実施されるため、計算時間を短縮することができる。
Since the coordinate value of each
本実施形態では、第1分子力学計算工程S34、及び、第2分子力学計算工程S37において、結合解離ポテンシャルPuに近似する結合ポテンシャルPnが定義されている。このため、第2分子力学計算工程S37後の各粒子モデル6に作用する力と、量子力学計算工程S36後の各粒子モデル6に作用する力との間に生じる差異を最小限に抑えることができる。従って、ONIOM法に基づく、座標値の計算精度を高めることができる。また、各粒子モデル6の速度は、分子鎖モデル5の各粒子モデル6の座標値、高分子材料モデル16のエネルギーEt、及び、高分子材料モデル16に作用する力Ftに基づいて計算される。
In the present embodiment, a bond potential Pn that is close to the bond dissociation potential Pu is defined in the first molecular mechanics calculation step S34 and the second molecular mechanics calculation step S37. Therefore, it is possible to minimize the difference between the force acting on each
なお、上述した工程S35において、離反粒子モデル部21が存在しないと判断された場合(工程S35で、「N」)は、第1領域22を対象とした量子力学計算(工程S36)及び分子力学計算(工程S37)が実施されていない。この場合、工程S40では、高分子材料モデル16を対象とした分子力学計算によって求められた粒子モデル6の座標値、第1分子力学計算工程で求められたエネルギーEa、及び、第1分子力学計算工程で求められた力Faから、座標値及び速度が更新される。
If it is determined in step S35 described above that the dissociated
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、量子力学計算工程S36後、本実施形態では量子力学計算工程S36及び第2分子力学計算工程S37後の第1領域22について、第1粒子モデル23A、23A間の距離rが、予め定められた第2距離Lbよりも大きい離反粒子モデル部21が存在するか否かが判断される(工程S41)。工程S41では、工程S40で更新された分子鎖モデル5の各粒子モデル6の座標値に基づいて、第1領域22に配置されている全ての離反粒子モデル部21について、第1粒子モデル23A、23A間の距離rが計算される。
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, after the quantum mechanical calculation step S36, and in the present embodiment, the
本実施形態の第2距離Lbは、図13に示した結合解離ポテンシャルPuの変曲点13での粒子モデル6、6間の距離Lnに基づいて定義されている。本実施形態の第2距離Lbは、第1距離Laよりも大に設定されている。さらに、第2距離Lbは、変曲点13での粒子モデル間の距離Ln以上に設定されている。
The second distance Lb in the present embodiment is defined based on the distance Ln between the
上述したように、変曲点13は、粒子モデル6、6間の結合と解離との境界点と考えることができる。このため、第1粒子モデル23A、23A間の距離rが第2距離Lbよりも大きい場合、第1粒子モデル23A、23A間で切断すると判断できる。従って、工程S41では、第1粒子モデル23A、23A間の距離rが第2距離Lbよりも大きいか否かが判断されることにより、第1粒子モデル23A、23A間で切断される離反粒子モデル部21の有無を判断できる。なお、第1粒子モデル23A、23A間で切断される離反粒子モデル部21を精度良く判断するために、第2距離Lbは、変曲点13での粒子モデル6、6間の距離Lnよりも大(即ち、変曲点13での距離Lnの100%より大)が望ましい。
As described above, the
また、第2距離Lbが小さいと、切断された第1粒子モデル23A、23A間において、量子力学計算で求められる第1領域のエネルギーと、分子力学計算で求められる第1領域のエネルギーとの差が大きくなり、計算が異常終了しやすくなる。このため、第2距離Lbは、変曲点13での粒子モデル6、6間の距離Lnに1.0〜2.5Åを加えた値に設定されるのが望ましい。
When the second distance Lb is small, the difference between the energy of the first region obtained by the quantum mechanical calculation and the energy of the first region obtained by the molecular mechanical calculation between the cut
工程S41において、第1粒子モデル23A、23A間の距離rが第2距離Lb以上の離反粒子モデル部21が存在すると判断された場合(工程S41で、「Y」)、次の切断工程S42が実施される。他方、全ての離反粒子モデル部21において、第1粒子モデル23A、23A間の距離が第2距離Lb未満であると判断された場合(工程S41で、「N」)、高分子材料モデル16が予め定められた条件まで伸長したか否かを判断する後述の工程S43が実施される。
In step S41, when it is determined that the separated
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、粒子モデル6、6間が切断される(切断工程S42)。切断工程S42では、切断対象の離反粒子モデル部21の第1粒子モデル23A、23A(即ち、距離rが第2距離Lb以上であると判断された第1粒子モデル23A、23A)に対応する分子鎖モデル5(図4に示す)の粒子モデル6、6について、粒子モデル6、6間のボンドモデル7の定義を無効にしている。さらに、切断された粒子モデル6、6間に定義されていた結合ポテンシャルPnが無効とされ、ボンドモデル7を介さずに隣り合う粒子モデル6、6間に定義される第2ポテンシャルP2が定義される。これにより、分子鎖モデル5の粒子モデル6、6間の切断が定義される。
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, the
このように、本実施形態のシミュレーション方法では、離反粒子モデル部21を含んだ第1領域22を対象として、分子力学計算よりも計算精度の高い量子力学計算の結果に基づき、粒子モデル6、6間を切断している。従って、本実施形態では、分子鎖モデル5の切断を、実際の分子鎖の切断に近似させることができ、高分子材料を精度良く解析するのに役立つ。
As described above, in the simulation method according to the present embodiment, the
さらに、量子力学計算が実施される離反粒子モデル部21の有無は、工程S35において、量子力学計算よりも計算時間が短い分子力学計算の結果に基づいて判断される。このため、高分子材料モデル16の全体領域を対象とした量子力学計算を実施する必要がない。従って、本実施形態のシミュレーション方法では、計算時間を短縮することができる。
Further, the presence/absence of the dissociated
なお、切断された粒子モデル6、6には、例えば、粒子モデル6でモデル化された原子の原子価(例えば、硫黄原子の場合:2)から、粒子モデル6の結合数(例えば、1)を減じた数の水素粒子モデル6H(例えば、1個)が、ボンドモデル7を介して連結される。これにより、分子鎖モデル5は、安定した構造を維持することができる。
In the
次に、本実施形態の切断計算工程S3では、高分子材料モデル16が、予め定められた条件まで伸長したか否かが判断される(工程S43)。工程S43では、高分子材料モデル16が上限値まで伸長したと判断された場合(工程S43で、「Y」)、次の工程S4が実施される。他方、高分子材料モデル16が上限値まで伸長していないと判断された場合は(工程S43で、「N」)、単位時間ステップを一つ進展させて(工程S44)、工程S33〜工程S43が再度実施される。これにより、切断計算工程S3では、高分子材料モデルを上限値まで伸長させて、分子鎖モデル5の切断を解析することができる。
Next, in the cutting calculation step S3 of the present embodiment, it is determined whether or not the
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、高分子材料モデル16の物理量が、許容範囲内であるか否かが判断される(工程S4)。この工程S4では、高分子材料モデル16の物理量が許容範囲内であると判断された場合(工程S4で、「Y」)、高分子材料モデル16に基づいて、高分子材料が製造される(工程S5)。他方、高分子材料モデル16の物理量が、許容範囲外と判断された場合は(工程S4で、「N」)、分子鎖モデル5の諸条件が変更されて(工程S6)、工程S1〜工程S4が再度実施される。このように、本実施形態では、高分子材料モデル16の物理量が許容範囲内になるまで、分子鎖モデル5の諸条件が変更されるため、所望の性能を有する高分子材料を、効率よく設計することができる。
Next, in the simulation method of this embodiment, it is determined whether the physical quantity of the
図15に示したように、これまでの実施形態の第1領域22は、分子鎖モデル5を構成する粒子モデル6のうち、ボンドモデル7を介して隣り合う一対の第1粒子モデル23A、23Aによって構成された離反粒子モデル部21を含む態様が例示されたが、このような態様に限定されない。図16(a)は、分子鎖モデル5の一部を示す概念図である。図16(b)は、本発明のさらに他の実施形態の第1領域22の部分図である。なお、この実施形態において、前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。
As shown in FIG. 15, the
第1領域22には、第1粒子モデル23Aに、ボンドモデル7を介して隣り合う少なくとも一つの第2粒子モデル23Bを含んでいる。さらに、第1領域22には、第2粒子モデル23Bに、ボンドモデル7を介して隣り合う少なくとも一つの第3粒子モデル23Cをさらに含んでいる。
The
図2に示した分子鎖2Aは、切断される原子(切断で生じるラジカル)の近傍に二重結合を有する場合、二重結合と共鳴安定化することで、結合解離エネルギーが低下することが知られている。このようなラジカルの共鳴安定構造を考慮するために、図16(a)に示されるように、第1粒子モデル23Aと第2粒子モデル23Bとの間のボンドモデル7は、一重結合ボンドモデル10Aとして定義され、第2粒子モデル23Bと第3粒子モデル23Cとの間のボンドモデル7は、二重結合ボンドモデル10Bとして定義されるのが望ましい。
When the
このような第1領域22を対象とした量子力学計算(工程S363)では、離反時に生じるラジカルの非局在化に対して、分子鎖モデル5の第1粒子モデル23Aだけでなく、第1粒子モデル23Aに隣接する第2粒子モデル23B及び第3粒子モデル23Cの影響を考慮できる。
In the quantum mechanical calculation (step S363) for the
上記のような結合解離エネルギーの低下は、炭素原子と硫黄原子との結合が切断される場合や、ゴムなどの不飽和炭化水素の炭素原子間の結合が切断される場合に生じやすい。このため、一対の第1粒子モデル23A、23Aが、硫黄粒子モデル6Sと炭素粒子モデル6Cとによって構成される場合や、一対の炭素粒子モデル6C、6Cによって構成される場合に、第2粒子モデル23Bと第3粒子モデル23Cとの間のボンドモデル7として、二重結合ボンドモデル10Bが含まれるのが望ましい。これにより、離反粒子モデル部21(即ち、一対の第1粒子モデル23A、23A間)の伸長を、さらに高い精度で計算することができる。
The decrease in bond dissociation energy as described above is likely to occur when the bond between the carbon atom and the sulfur atom is broken or when the bond between the carbon atoms of unsaturated hydrocarbon such as rubber is broken. Therefore, when the pair of
本実施形態では、図16(a)の2点鎖線で囲まれる領域26に示されるように、全ての第3粒子モデル23C(本実施形態では、炭素粒子モデル6C及び水素粒子モデル6Hを含む)が、第1領域22に含まれるのが望ましい。これにより、離反時に生じるラジカルが、第1粒子モデル23A、第2粒子モデル23B及び第3粒子モデル23Cの間で非局在化する効果を考慮することができるため、離反粒子モデル部21の伸長を、高い精度で計算することができる。また、第3粒子モデル23Cには、第3粒子モデル23Cでモデル化された原子の原子価から、第3粒子モデル23Cの結合数を減じた数の水素粒子モデル6Hが、ボンドモデル7を介して連結されるのが望ましい。これにより、量子力学計算において、安定した構造を維持することができる。
In the present embodiment, all the
以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。 Although the particularly preferred embodiments of the present invention have been described above in detail, the present invention is not limited to the illustrated embodiments and can be modified into various modes.
[実施例A]
図3及び図5に示した処理手順に従って、分子鎖モデル及び高分子モデルが定義され、分子鎖モデルを切断する切断工程が実施された(実施例1、比較例)。
[Example A]
According to the procedure shown in FIGS. 3 and 5, a molecular chain model and a polymer model were defined, and a cutting step of cutting the molecular chain model was performed (Example 1, Comparative Example).
実施例1の切断工程では、図8、図10及び図14に示した処理手順に従って、高分子材料モデルに基づいて分子力学計算を行う工程、粒子モデル間の距離が第1距離Laよりも大きい離反粒子モデル部を含む第1領域を対象に、量子力学計算を行う工程、及び、第1領域を対象に分子力学計算を行う工程が実施され、上記式(7)、(8)に基づいて、高分子材料モデルのエネルギーEt及び高分子材料モデルに作用する力Ftが計算された。 In the cutting step of Example 1, the step of performing molecular mechanics calculation based on the polymer material model according to the processing procedure shown in FIGS. 8, 10 and 14, the distance between the particle models is larger than the first distance La. A step of performing quantum mechanics calculation and a step of performing molecular mechanics calculation for the first area are performed on the first region including the dissociated particle model unit, and based on the above equations (7) and (8). , The energy Et of the polymer material model and the force Ft acting on the polymer material model were calculated.
分子力学計算を行う工程では、分子鎖モデルの粒子モデル間に、結合解離ポテンシャルに近似する結合ポテンシャルが定義された。さらに、実施例1の切断工程では、粒子モデル間の距離が第2距離Lbよりも大きいときに、それらの間を切断する工程が実施された。 In the step of performing the molecular mechanics calculation, a bond potential approximate to the bond dissociation potential was defined between the particle models of the molecular chain model. Further, in the cutting step of Example 1, the step of cutting between the particle models was performed when the distance between the particle models was larger than the second distance Lb.
比較例の切断工程では、高分子材料モデルの全体領域について、量子力学計算が実施され、粒子モデル間の距離に応じて、分子鎖モデルの切断が計算された。なお、粒子モデル間に設定されるポテンシャルは、明細書に記載のとおりである。共通仕様は、次のとおりである。
コンピュータ:SGI社のワークステーション
CPUのコア数:12コア
搭載メモリ:64GB
高分子モデル:
1辺の長さL1:2.3nm
分子鎖モデルの個数:1個
分子鎖モデル:
ポリイソプレン(イソプレン分子:100重合)に硫黄(1原子)を架橋
粒子モデル(原子)の個数:1301個
変曲点での距離Ln:3.09Å
第1距離La:2.69Å
第2距離Lb:3.35Å
伸長シミュレーション:
伸長方向:一軸方向(Z軸方向)
伸長速度Va:250m/sec
第1領域:離反粒子モデル部(一対の第1粒子モデル)
In the cutting step of the comparative example, quantum mechanical calculation was performed for the entire region of the polymer material model, and the cutting of the molecular chain model was calculated according to the distance between the particle models. The potential set between the particle models is as described in the specification. The common specifications are as follows.
Computer: SGI workstation
Number of CPU cores: 12 cores
On-board memory: 64GB
Polymer model:
One side length L1: 2.3 nm
Number of molecular chain models: 1 Molecular chain model:
Crosslink sulfur (1 atom) to polyisoprene (isoprene molecule: 100 polymerization)
Number of particle models (atoms): 1301 Distance at inflection point Ln: 3.09Å
First distance La: 2.69Å
Second distance Lb: 3.35Å
Elongation simulation:
Extension direction: Uniaxial direction (Z-axis direction)
Extension speed Va: 250 m/sec
First region: disjointed particle model section (a pair of first particle models)
図17は、実施例1の粒子モデル間の切断個数と、高分子材料モデルの伸長率との関係を示したグラフである。図17に示されるように、実施例1では、高分子材料モデルが伸長するに従って、粒子モデル間で切断する個数が増加する状態を示すことができた。また、実施例1では、伸長率が300%程度でC−S結合の切断が計算され、伸長率が560%程度からC−C結合の切断が計算された。このように、実施例1では、粒子モデル毎に、切断が開始する伸長率を計算することができた。 FIG. 17 is a graph showing the relationship between the number of cuts between the particle models of Example 1 and the elongation rate of the polymer material model. As shown in FIG. 17, in Example 1, it was possible to show a state in which the number of cuts between the particle models increased as the polymer material model extended. In Example 1, the cleavage rate of the C—S bond was calculated at an extension rate of about 300%, and the cleavage rate of the C—C bond was calculated at an extension rate of about 560%. As described above, in Example 1, the elongation rate at which the cutting starts could be calculated for each particle model.
図18は、実施例1の高分子材料の応力と、高分子材料モデルの伸長率との関係を示したグラフである。図18に示されるように、伸長率が500%程度から応力が急激に大きくなっているが、伸長率が600%程度から応力が急激に減少している。これは、C−C結合の切断によって、応力が減少したためである。 FIG. 18 is a graph showing the relationship between the stress of the polymer material of Example 1 and the elongation rate of the polymer material model. As shown in FIG. 18, the stress sharply increases from the elongation rate of about 500%, but the stress sharply decreases from the elongation rate of about 600%. This is because the breakage of the C—C bond reduced the stress.
このように、実施例1では、高分子材料モデルを用いた伸長シミュレーションにより、分子鎖モデルの切断を精度良く計算できたため、高分子材料を精度良く解析することができた。実施例1では、粒子モデル間で切断する可能性が高い離反粒子モデル部を含む第1領域のみを対象に、量子力学計算が実施されるため、計算時間を短縮することができた。 As described above, in Example 1, since the breakage of the molecular chain model could be calculated accurately by the extension simulation using the polymer material model, the polymer material could be analyzed accurately. In Example 1, the quantum mechanical calculation was performed only for the first region including the dissociated particle model portion that is likely to be cut between particle models, so that the calculation time could be shortened.
他方、比較例では、高分子材料モデルの全体領域について、量子力学計算が実施されるため、実施例1と同様の変形シミュレーションを実施するには、上記コンピュータの処理能力において、事実上不可能であると考えられる。従って、比較例では、分子鎖モデルの切断を計算することができなかった。 On the other hand, in the comparative example, the quantum mechanical calculation is performed for the entire region of the polymer material model, so that it is practically impossible to perform the deformation simulation similar to that in Example 1 with the processing capacity of the computer. It is believed that there is. Therefore, in the comparative example, the cleavage of the molecular chain model could not be calculated.
[実施例B]
実施例Aの実施例1と同様の手順で、分子鎖モデル及び高分子モデルが定義され、分子鎖モデルを切断する切断工程が実施された(実施例2〜4)。
[Example B]
In the same procedure as in Example 1 of Example A, a molecular chain model and a polymer model were defined, and a cutting step of cutting the molecular chain model was performed (Examples 2 to 4).
実施例2の第1領域は、離反粒子モデル部(一対の第1粒子モデル)のみが含まれている。実施例3の第1領域は、一対の第1粒子モデル及び第2粒子モデルが含まれている。実施例4の第1領域は、一対の第1粒子モデル、第2粒子モデル及び第3粒子モデルが含まれている。 The first region of the second embodiment includes only the separated particle model unit (a pair of first particle models). The first region of Example 3 includes a pair of first particle model and second particle model. The first region of Example 4 includes a pair of first particle model, second particle model, and third particle model.
そして、実施例2〜4の分子鎖モデルについて、炭素粒子モデルと、硫黄粒子モデルとの結合が切断されるときの結合解離エネルギーが求められた。共通仕様は、実施例Aと同一であり、結果を表1に示す。 Then, for the molecular chain models of Examples 2 to 4, bond dissociation energy when the bond between the carbon particle model and the sulfur particle model was broken was obtained. The common specifications are the same as in Example A, and the results are shown in Table 1.
文献(大饗茂、「有機硫黄化学(反応機構編)」、化学同人、1982年9月、p.3)によれば、CH3=CH=CH2−SHにおいて、C−Sの結合解離エネルギーは、52kcal/molであることが記載されている。従って、第1粒子モデル及び第2粒子モデルを含む実施例3や、第3粒子モデルをさらに含む実施例4は、第1粒子モデルを第1領域に含む実施例2よりも、上記文献のC−Sの結合解離エネルギーに近似した。従って、第1領域に含まれる粒子モデルの個数が多いほど、実際の結合解離エネルギーに近似させることができ、高分子材料をより精度良く解析することができた。 According to the literature (Shigeru Ootsu, “Organic Sulfur Chemistry (Reaction Mechanism Edition)”, Kagaku Dojin, September 1982, p.3), the bond dissociation energy of C—S in CH 3 ═CH═CH 2 —SH. Is stated to be 52 kcal/mol. Therefore, in Example 3 including the first particle model and the second particle model, and Example 4 further including the third particle model, the C of the above document is more than that in Example 2 including the first particle model in the first region. It is close to the bond dissociation energy of -S. Therefore, the larger the number of particle models included in the first region, the closer the bond energy to the actual bond dissociation energy, and the more accurate the analysis of the polymer material.
[実施例C]
実施例Aの実施例1と同様の手順で、分子鎖モデル及び高分子モデルが定義され、分子鎖モデルを切断する切断工程が実施された(実施例5、実施例6)。
[Example C]
In the same procedure as in Example 1 of Example A, a molecular chain model and a polymer model were defined, and a cutting step of cutting the molecular chain model was carried out (Examples 5 and 6).
実施例5の第1領域は、分子鎖切断で生じたラジカルが共鳴安定化できる構造(C=C二重結合や、硫黄原子等)を構成する第2粒子モデル及び第3粒子モデルが含まれている。
実施例6の第1領域は、実施例5の第1粒子モデル〜第3粒子モデルだけでなく、第4粒子モデルがさらに含まれている。
The first region of Example 5 includes a second particle model and a third particle model that form a structure (C=C double bond, sulfur atom, etc.) in which radicals generated by molecular chain scission can be resonance-stabilized. ing.
The first region of Example 6 further includes not only the first particle model to the third particle model of Example 5, but also the fourth particle model.
そして、実施例5及び実施例6の分子鎖モデルについて、一対の炭素粒子モデル間の結合が切断されるときの結合解離エネルギーが求められた。共通仕様は、実施例Aと同一であり、結果を上記表1に示す。 Then, for the molecular chain models of Examples 5 and 6, bond dissociation energy when the bond between the pair of carbon particle models was broken was obtained. The common specifications are the same as in Example A, and the results are shown in Table 1 above.
一般的に知られているC−Cの結合解離エネルギーは、70kcal/molである。従って、実施例5及び実施例6は、上記文献のC−Cの結合解離エネルギーに近似した。また、実施例5の第1領域は、第1粒子モデル〜第3粒子モデルに限定されるため、第1粒子モデル〜第4粒子モデルを含む実施例6に比べて、計算精度を維持しつつ、計算時間を大幅に短縮することができた。 The generally known bond dissociation energy of C—C is 70 kcal/mol. Therefore, Example 5 and Example 6 approximated the bond dissociation energy of C—C in the above document. Further, since the first region of Example 5 is limited to the first particle model to the third particle model, the calculation accuracy is maintained as compared with Example 6 including the first particle model to the fourth particle model. , The calculation time could be shortened significantly.
2 高分子材料
2A 分子鎖
5 分子鎖モデル
6 粒子モデル
7 ボンドモデル
16 高分子材料モデル
17 空間
21 離反粒子モデル部
2
Claims (12)
前記分子鎖に基づいて、複数の粒子モデルと、前記粒子モデル間を結合するボンドモデルとを含む分子鎖モデルを、前記コンピュータに定義する工程、
前記コンピュータ上に定義された空間に、少なくとも一つの前記分子鎖モデルを配置した高分子材料モデルを定義する工程、及び
前記コンピュータが、予め定められた条件に基づいて、前記分子鎖モデルの切断を計算するための切断計算工程を含み、
前記切断計算工程は、前記高分子材料モデルに基づいて、分子力学計算を行う第1分子力学計算工程と、
前記第1分子力学計算工程後の前記分子鎖モデルについて、前記ボンドモデルを介して隣り合う粒子モデル間の距離が、予め定められた第1距離よりも大きい離反粒子モデル部が存在するか否かを判断する工程とを含み、
前記離反粒子モデル部が存在すると判断された場合、前記離反粒子モデル部を含む非全体領域である第1領域を対象に量子力学計算を行う量子力学計算工程と、
前記量子力学計算工程後の前記第1領域について、前記粒子モデル間の距離が、予め定められた第2距離よりも大きいときに、それらの間を切断する工程とを含むことを特徴とする高分子材料のシミュレーション方法。 A simulation method for analyzing the breakage of a molecular chain of a polymer material by using a computer,
A plurality of particle models based on the molecular chains, and a molecular chain model including a bond model that bonds between the particle models is defined in the computer,
In a space defined on the computer, a step of defining a polymer material model in which at least one of the molecular chain models is arranged, and the computer cuts the molecular chain model based on a predetermined condition. Including a cutting calculation step to calculate,
The cutting calculation step, a first molecular dynamics calculation step of performing a molecular dynamics calculation based on the polymer material model;
In the molecular chain model after the first molecular dynamics calculation step, whether or not there is a dissociated particle model part in which the distance between the particle models adjacent to each other via the bond model is larger than a predetermined first distance. And a step of determining
When it is determined that the dissociated particle model unit exists, a quantum mechanical calculation step of performing quantum mechanical calculation for a first region that is a non-whole region including the dissociated particle model unit,
The first region after the quantum mechanical calculation step, when the distance between the particle models is larger than a predetermined second distance, a step of cutting between them is included. Simulation method for molecular materials.
前記エネルギーEtは、下記式に基づいて計算される請求項7記載の高分子材料のシミュレーション方法。
Et=Ea−Eb+Ec
ここで、
Ea:第1分子力学計算工程で求められた高分子材料モデルのエネルギー
Eb:第2分子力学計算工程で求められた第1領域のエネルギー
Ec:量子力学計算工程で求められた第1領域のエネルギー The cutting calculation step includes a step of calculating a physical quantity including the energy Et of the polymer material model,
The method for simulating a polymer material according to claim 7, wherein the energy Et is calculated based on the following equation.
Et=Ea-Eb+Ec
here,
Ea: Energy of the polymer material model obtained in the first molecular mechanics calculation step Eb: Energy of the first region obtained in the second molecular mechanics calculation step Ec: Energy of the first region obtained in the quantum mechanics calculation step
前記力Ftは、下記式に基づいて計算される請求項8記載の高分子材料のシミュレーション方法。
Ft=Fa−Fb+Fc
ここで、
Fa:第1分子力学計算工程で求められた高分子材料モデルに作用する力
Fb:第2分子力学計算工程で求められた第1領域に作用する力
Fc:量子力学計算工程で求められた第1領域に作用する力 The cutting calculation step includes a step of calculating a physical quantity including a force Ft acting on the polymer material model,
The method for simulating a polymer material according to claim 8, wherein the force Ft is calculated based on the following formula.
Ft=Fa−Fb+Fc
here,
Fa: Force acting on the polymer material model obtained in the first molecular mechanics calculation step Fb: Force acting on the first region obtained in the second molecular mechanics calculation step Fc: No. determined in the quantum mechanics calculation step Force acting on one area
前記第1領域は、前記第1粒子モデルに前記ボンドモデルを介して隣り合う少なくとも一つの第2粒子モデルをさらに含む請求項1乃至9のいずれかに記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The separated particle model unit includes a pair of first particle models adjacent to each other via the bond model,
The method for simulating a polymer material according to claim 1, wherein the first region further includes at least one second particle model adjacent to the first particle model via the bond model.
前記第2粒子モデルと前記第3粒子モデルとの間の前記ボンドモデルは、前記分子鎖を構成する一対の原子間の二重結合を定義した二重結合ボンドモデルを含む請求項11に記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The bond model between the first particle model and the second particle model includes a single bond bond model that defines a single bond between a pair of atoms constituting the molecular chain,
The bond model between the second particle model and the third particle model includes a double bond bond model that defines a double bond between a pair of atoms forming the molecular chain. Simulation method for polymer materials.
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