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JP6911512B2 - Calculation method of bond dissociation potential between atoms and simulation method of polymer material - Google Patents
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Calculation method of bond dissociation potential between atoms and simulation method of polymer material Download PDF

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Description

本発明は、原子間の結合解離ポテンシャルを計算する方法、及び、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 calculating the bond dissociation potential between atoms and a method for simulating 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, various simulation methods for evaluating the properties of polymer materials using a computer have been proposed for the development of polymer materials such as rubber (see, for example, Patent Document 1 below).

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(セル)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。この粒子モデルは、高分子鎖の原子に対応している。また、高分子材料モデルの粒子モデル間には、粒子モデル間の距離の関数であるポテンシャルが定義される。このような高分子材料モデルは、上記空間内で分子動力学に基づく緩和計算が行われる。その後、例えば、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 (cell) defined on a computer is defined. This particle model corresponds to the atoms of the polymer chain. In addition, the potential, which is a function of the distance between the particle models, is defined between the particle models of the polymer material model. In such a polymer material model, relaxation calculation based on molecular dynamics is performed in the above space. After that, for example, deformation calculation using a polymer material model is performed, and the performance of the polymer material and the like are analyzed.

特開2013−195220号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-195220

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未だ十分に確立されていない。このような分子鎖モデルの切断を計算するには、粒子モデル間に、高分子鎖の原子間の結合及び解離を精度よく表現しうるポテンシャルを定義することが重要である。 In an actual polymer material, for example, it is known that a molecular chain is cleaved when a large force is applied. However, in the above simulation method, a method for cleaving the molecular chain model has not yet been sufficiently established. In order to calculate the breakage of such a molecular chain model, it is important to define the potential between the particle models that can accurately express the bonds and dissociations between the atoms of the polymer chain.

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、原子間の結合及び解離を精度よく表現できるポテンシャルを定義しうる結合解離ポテンシャルの計算方法及び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 provides a method for calculating a bond dissociation potential and a method for simulating a polymer material, which can define a potential capable of accurately expressing a bond and dissociation between atoms. The main purpose is that.

本発明は、コンピュータを用いて、分子を構成する原子間の結合解離ポテンシャルを計算するための方法であって、前記原子をモデル化した粒子モデルを互いに結合した分子モデルを、前記コンピュータに定義する工程と、前記コンピュータが、前記分子モデルを用いた量子力学計算によって波動関数を計算する計算工程と、前記コンピュータが、前記波動関数が安定しているか否かを判定する評価工程とを含み、前記波動関数が安定していると判定した場合、前記波動関数に基づいて、前記粒子モデル間の結合解離ポテンシャルを求める工程が実施され、前記波動関数が安定していないと判定した場合、前記波動関数のエネルギーが低くなるように、前記波動関数を再計算する再計算工程が実施されることを特徴とする。 The present invention is a method for calculating the bond dissociation potential between atoms constituting a molecule using a computer, and defines the computer as a molecular model in which particle models modeling the atoms are bonded to each other. The step includes a calculation step in which the computer calculates a wave function by quantum mechanics calculation using the molecular model, and an evaluation step in which the computer determines whether or not the wave function is stable. When it is determined that the wave function is stable, a step of obtaining the coupling dissociation potential between the particle models is carried out based on the wave function, and when it is determined that the wave function is not stable, the wave function is obtained. It is characterized in that the recalculation step of recalculating the wave function is carried out so that the energy of the wave function becomes low.

本発明に係る前記原子間の結合解離ポテンシャルの計算方法において、前記量子力学計算は、密度汎関数法に基づいて行われるのが望ましい。 In the method for calculating the bond dissociation potential between atoms according to the present invention, it is desirable that the quantum mechanics calculation is performed based on the density functional theory.

本発明に係る前記原子間の結合解離ポテンシャルの計算方法において、前記計算工程は、前記波動関数のエネルギーを計算する工程を含み、前記評価工程は、前記エネルギーを前記波動関数で2次変分した固有値に、負の固有値が含まれない場合に、前記波動関数が安定していると判定するのが望ましい。 In the method for calculating the bond dissociation potential between atoms according to the present invention, the calculation step includes a step of calculating the energy of the wave function, and the evaluation step is a quadratic variation of the energy by the wave function. When the eigenvalue does not include a negative eigenvalue, it is desirable to determine that the wavefunction is stable.

本発明に係る前記原子間の結合解離ポテンシャルの計算方法において、前記再計算工程は、前記負の固有値が無くなるように、前記波動関数を再計算するのが望ましい。 In the method for calculating the bond dissociation potential between atoms according to the present invention, it is desirable that the recalculation step recalculates the wave function so that the negative eigenvalue disappears.

本発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の計算方法で求められた前記結合解離ポテンシャルを用いて、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、複数の前記粒子モデルと、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の前記粒子モデル間に、前記結合解離ポテンシャルに近似する結合ポテンシャルを定義する工程を含むことを特徴とすることを特徴とする。 The present invention is a simulation method for analyzing the breakage of a molecular chain of a polymer material by using the bond dissociation potential obtained by the calculation method according to any one of claims 1 to 4, wherein the molecule A step of defining a molecular chain model including a plurality of the particle models and a bond model that binds the particle models to the computer based on the chain, at least one of the molecules in the space defined by the computer. The step of defining the polymer material model in which the chain model is arranged and the step of cutting calculation in which the computer calculates the cutting of the molecular chain model based on predetermined conditions are included, and the cutting calculation step includes the step of calculating the cutting of the molecular chain model. It is characterized by including a step of defining a binding potential close to the binding dissociation potential between the particle models of the polymer material 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るのが望ましい。 In the method for simulating the polymer material according to the present invention, the bond potential is set to the bond dissociation potential in the range from the lower limit of the energy of the bond dissociation potential to 50% to 80% of the upper limit of the energy. It is desirable to be defined by an approximate function.

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前記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をさらに含み、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のが望ましい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, in the cutting calculation step, the distance between the particle models adjacent to each other via the bond model is predetermined for the molecular chain model after the molecular mechanics calculation step. Further including a step of determining whether or not there is a detached particle model portion larger than the first distance, and when it is determined that the detached particle model portion exists, in the non-overall region including the detached particle model portion. When the distance between the particle models is larger than the predetermined second distance between the quantum mechanics calculation step of performing the quantum mechanics calculation for a certain first region and the first region after the quantum mechanics calculation step. It is desirable to include a step of cutting between them.

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 method for simulating a polymer material according to the present invention, it is desirable that the first distance is 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、前記結合解離ポテンシャルについて、そのエネルギーの増分が小さくなる変曲点での前記粒子モデル間の距離に基づいて定義されるのが望ましい。 In the method of simulating the polymer material according to the present invention, the second distance is defined based on the distance between the particle models at the inflection point where the increment of energy of the bond dissociation potential becomes smaller. Is desirable.

本願の第1の発明の原子間の結合解離ポテンシャルの計算方法は、コンピュータが、分子モデルを用いた量子力学計算によって波動関数を計算する計算工程を含んでいる。 The method for calculating the bond dissociation potential between atoms according to the first invention of the present application includes a calculation step in which a computer calculates a wave function by quantum mechanics calculation using a molecular model.

発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、計算工程において、安定しない波動関数が計算される場合があり、安定しない波動関数から結合解離ポテンシャルを求めると、原子間の結合及び解離を精度良く表現できないことを知見した。さらに、発明者らは、量子力学計算で用いられる条件を緩和することにより、安定した波動関数を求めることができることを知見した。 As a result of intensive research, the inventors may calculate an unstable wave function in the calculation process, and when the bond dissociation potential is obtained from the unstable wave function, the bond and dissociation between atoms are accurately expressed. I found that I couldn't do it. Furthermore, the inventors have found that a stable wave function can be obtained by relaxing the conditions used in quantum mechanics calculations.

これらの知見に基づいて、本願の第1の発明では、結合解離ポテンシャルを求める工程に先立ち、波動関数が安定しているか否かを判定する評価工程を含んでいる。そして、波動関数が安定していると判定した場合、波動関数に基づいて、粒子モデル間の結合解離ポテンシャルを求める工程が実施され、波動関数が安定していないと判定した場合、前記波動関数のエネルギーが低くなるように、波動関数を再計算する再計算工程が実施される。 Based on these findings, the first invention of the present application includes an evaluation step of determining whether or not the wave function is stable prior to the step of obtaining the bond dissociation potential. Then, when it is determined that the wave function is stable, a step of obtaining the coupling dissociation potential between the particle models is carried out based on the wave function, and when it is determined that the wave function is not stable, the said wave function A recalculation step is performed to recalculate the wavefunction so that the energy is low.

このように、本願の第1の発明では、安定した波動関数に基づいて、結合解離ポテンシャルが求められる。しかも、波動関数が安定していない場合には、前記波動関数のエネルギーが低くなるように波動関数が再計算されることで、安定した波動関数を求めることができる。このため、本願の第1の発明では、原子間の結合及び解離を精度良く表現しうる結合解離ポテンシャルを確実に求めることができる。 As described above, in the first invention of the present application, the bond dissociation potential is obtained based on the stable wave function. Moreover, when the wave function is not stable, the stable wave function can be obtained by recalculating the wave function so that the energy of the wave function becomes low. Therefore, in the first invention of the present application, it is possible to surely obtain the bond dissociation potential capable of accurately expressing the bond and dissociation between atoms.

本願の第2の発明の高分子材料のシミュレーション方法は、コンピュータが、予め定められた条件に基づいて、分子鎖モデルの切断を計算する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を定義する工程を含んでいる。 The method for simulating a polymer material of the second invention of the present application includes a cutting calculation step in which a computer calculates the cutting of a molecular chain model based on predetermined conditions. The cutting calculation step includes a step of defining a bond potential that approximates the bond dissociation potential between the particle models of the polymer material model.

結合解離ポテンシャルは、本願の第1の発明の計算方法で求められるため、原子間の結合及び解離を精度良く表現しうる。このため、本願の第2の発明では、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る。 Since the bond dissociation potential is obtained by the calculation method of the first invention of the present application, the bond and dissociation between atoms can be accurately expressed. Therefore, in the second invention of the present application, the breakage between particle models can be approximated to the breakage of an actual molecular chain.

本実施形態の原子間の結合解離ポテンシャルの計算方法を実行するコンピュータの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the computer which executes the calculation method of the bond dissociation potential between atoms of this embodiment. 原子間の結合解離ポテンシャルの計算方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure of the calculation method of the bond dissociation potential between atoms. 分子モデルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of a molecular model. 分子モデル定義工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure of a molecular model definition process. (a)〜(c)は、ポテンシャルを説明する図である。(A) to (c) are diagrams for explaining the potential. 図3の分子モデルの側面図である。It is a side view of the molecular model of FIG. 結合解離ポテンシャルの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a bond dissociation potential. ポリイソプレンの構造式である。It is a structural formula of polyisoprene. 高分子材料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。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure of the simulation method of a polymer material. 分子鎖モデルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of a molecular chain model. 分子鎖モデル設定工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure of the molecular chain model setting process. 高分子材料モデルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of a polymer material model. 切断計算工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure of a cutting calculation process. 高分子材料モデルの伸長シミュレーションの一例を説明する側面図である。It is a side view explaining an example of the elongation simulation of a polymer material model. 結合ポテンシャル定義工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure of the coupling potential definition process. 結合解離ポテンシャルを求めるのに使用した分子モデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the molecular model used to obtain the bond dissociation potential. 結合解離ポテンシャル及び結合ポテンシャルを示すグラフである。It is a graph which shows the bond dissociation potential and the bond potential. 量子力学計算工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure of the quantum mechanics calculation process. 第1領域を示す図である。It is a figure which shows the 1st region. 実施例及び比較例の結合解離ポテンシャルのグラフである。It is a graph of the bond dissociation potential of Examples and Comparative Examples. 実施例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。It is a graph which showed the relationship between the number of cuts between the particle models of an Example, and the elongation rate of a polymer material model. 実施例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。It is a graph which showed the relationship between the stress of the polymer material of an Example, and the elongation rate of a polymer material model.

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態の原子間の結合解離ポテンシャルの計算方法(以下、単に「計算方法」ということがある)は、コンピュータを用いて、分子を構成する原子間の結合及び解離を表現するポテンシャルを求めるためのものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The method for calculating the bond-dissociation potential between atoms of the present embodiment (hereinafter, may be simply referred to as "calculation method") is for obtaining the potential for expressing the bond and dissociation between atoms constituting the molecule by using a computer. belongs to.

図1は、本実施形態の計算方法を実行するコンピュータの一例を示す斜視図である。コンピュータ1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含んで構成されている。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、本実施形態の計算方法、及び、後述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 showing an example of a computer that executes the calculation method of the present embodiment. The computer 1 includes a main body 1a, a keyboard 1b, a mouse 1c, and a display device 1d. The main body 1a is provided with, for example, an arithmetic processing unit (CPU), a ROM, a working memory, a storage device such as a magnetic disk, and disk drive devices 1a1 and 1a2. Further, the storage device stores in advance the calculation method of the present embodiment and the processing procedure (program) for executing the simulation method described later.

本実施形態の計算方法では、メタンチオール(CH3SH)の炭素原子と硫黄原子との間の結合解離ポテンシャルが計算される態様が例示される。なお、メタンチオールに限定されるわけではなく、様々な分子を構成している原子間の結合解離ポテンシャルを計算することができる。図2は、本実施形態の計算方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。 In the calculation method of the present embodiment, an embodiment in which the bond dissociation potential between the carbon atom and the sulfur atom of methanethiol (CH 3 SH) is calculated is exemplified. It should be noted that the bond dissociation potential between the atoms constituting various molecules can be calculated without being limited to methanethiol. FIG. 2 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the calculation method of the present embodiment.

本実施形態の計算方法では、先ず、分子モデルが、コンピュータ1に定義される(分子モデル定義工程S1)。図3は、分子モデルの一例を示す概念図である。 In the calculation method of the present embodiment, the molecular model is first defined in the computer 1 (molecular model definition step S1). FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a molecular model.

分子モデル2は、全原子モデルとして構成されている。分子モデル2は、複数の粒子モデル3を含んでおり、これらの粒子モデル3が互いに結合されている。本実施形態の分子モデル2には、粒子モデル3間を結合するボンドモデル4が含まれている。図4は、分子モデル定義工程S1の処理手順の一例を示すフローチャートである。 The molecular model 2 is configured as an all-atomic model. The molecular model 2 includes a plurality of particle models 3, and these particle models 3 are bound to each other. The molecular model 2 of the present embodiment includes a bond model 4 that bonds between the particle models 3. FIG. 4 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the molecular model definition step S1.

本実施形態の分子モデル定義工程S1では、先ず、図3に示されるように、コンピュータ1に、粒子モデル3が設定される(工程S11)。粒子モデル3は、後述する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3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 model definition step S1 of the present embodiment, first, as shown in FIG. 3, the particle model 3 is set in the computer 1 (step S11). The particle model 3 is treated as a mass point of the equation of motion in a simulation based on quantum mechanics calculation described later. That is, in the particle model 3, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined.

本実施形態の粒子モデル3は、分子(本実施形態では、メタンチオール)について、炭素原子をモデル化した炭素粒子モデル3C、水素原子をモデル化した水素粒子モデル3H、及び、硫黄原子をモデル化した硫黄粒子モデル3Sを含んでいる。 The particle model 3 of this embodiment models a carbon particle model 3C that models a carbon atom, a hydrogen particle model 3H that models a hydrogen atom, and a sulfur atom for a molecule (methanethiol in this embodiment). Includes the sulfur particle model 3S.

次に、本実施形態の分子モデル定義工程S1では、コンピュータ1に、ボンドモデル4が設定される(工程S12)。ボンドモデル4は、粒子モデル3、3間を拘束するものである。本実施形態のボンドモデル4は、炭素粒子モデル3Cと硫黄粒子モデル3Sとの間、炭素粒子モデル3Cと水素粒子モデル3Hとの間、及び、硫黄粒子モデル3Sと水素粒子モデル3Hとの間にそれぞれ設けられている。 Next, in the molecular model definition step S1 of the present embodiment, the bond model 4 is set in the computer 1 (step S12). The bond model 4 constrains between the particle models 3 and 3. The bond model 4 of the present embodiment is between the carbon particle model 3C and the sulfur particle model 3S, between the carbon particle model 3C and the hydrogen particle model 3H, and between the sulfur particle model 3S and the hydrogen particle model 3H. Each is provided.

次に、本実施形態の分子モデル定義工程S1では、隣り合う粒子モデル3、3間に、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5(a)〜(c)は、ポテンシャルを説明する図である。 Next, in the molecular model definition step S1 of the present embodiment, the potential for interaction (including repulsive force and attractive force) to occur between the adjacent particle models 3 and 3 is defined (step S13). 5 (a) to 5 (c) are diagrams for explaining the potential.

図5(a)〜(b)に示されるように、分子モデル2には、各粒子モデル3、3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4を介して連続する3つの粒子モデル3がなす角度である結合角θが定義されている。さらに、図5(c)に示されるように、分子モデル2には、ボンドモデル4を介して連続する4つの粒子モデル3において、隣り合う3つの粒子モデル3が作る一方の平面5Aと他方の平面5B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、分子モデル2に作用する外力又は内力によって変化する。 As shown in FIGS. 5 (a) to 5 (b), the molecular model 2 is provided with a bond distance (bond length) r, which is a bond length between the particle models 3 and 3, and a bond model 4. A bond angle θ, which is an angle formed by three consecutive particle models 3, is defined. Further, as shown in FIG. 5 (c), in the molecular model 2, one plane 5A and the other plane 5A formed by the three adjacent particle models 3 in the four continuous particle models 3 via the bond model 4 are shown. An angled dihedral angle φ with the plane 5B is defined. The bond distance r, the bond angle θ, and the dihedral angle φ change depending on the external force or the internal force acting on the molecular model 2.

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。

Figure 0006911512
Figure 0006911512
Figure 0006911512
ここで、各定数及び変数は、次のとおりである。
r:結合距離
0:平衡距離(平衡長)
1、k2:ばね定数
θ:結合角
θ0:平衡角度
3:二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
n: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3の中心3c(図6に示す)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 equation (1), the bond angle potential U angle (θ) defined by the following equation (2), and the bond angle potential U angle (θ). , It is set by the bond angle potential U torsion (φ) defined by the following equation (3).
Figure 0006911512
Figure 0006911512
Figure 0006911512
Here, each constant and variable is as follows.
r: Bond distance r 0 : Equilibrium distance (equilibrium length)
k 1 , k 2 : Spring constant θ: Bond angle θ 0 : Equilibrium angle k 3 : Dihedral angle potential strength N-1: Dihedral angle potential Polygon order φ: Dihedral angle An : Dihedral angle constant Note that , Bond angle r and equilibrium distance r 0 are defined as the distance between the centers 3c (shown in FIG. 6) of each particle model 3.

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。 The constants 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. It is desirable that these potentials are set according to the structure of the molecular chain Mc based on the paper (J. Phys. Chem. 94, 8897 (1990)).

これらのポテンシャルが、隣り合う粒子モデル3、3間に定義されることにより、図3に示した分子モデル2が定義される。分子モデル2は、コンピュータに記憶される。 By defining these potentials between the adjacent particle models 3 and 3, the molecular model 2 shown in FIG. 3 is defined. The molecular model 2 is stored in the computer.

次に、本実施形態の計算方法では、粒子モデル3、3間に、後述の量子力学計算で使用する理論及び基底関数が定義される(工程S2)。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、Gaussian社製の量子化学計算プログラムGaussian03、又は、Gaussian09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 calculation method of the present embodiment, the theory and basis functions used in the quantum mechanics calculation described later are defined between the particle models 3 and 3 (step S2). As a theory defined in this embodiment, for example, a density functional theory (functional: B3LYP) is defined. Further, as the basis function, for example, a basis function (6-31G (d)) is defined. The theory and basis functions used for these quantum mechanics calculations can be defined by using the quantum chemistry calculation program Gaussian03 or Gaussian09 manufactured by Gaussian. These theories and basis functions are stored in computer 1.

次に、本実施形態の計算方法では、量子力学計算で用いられる条件(制約)が定義される(工程S3)。条件は、分子軌道に関するものである。条件の一例としては、電荷、スピン多重度、空間軌道、及び、対称性に関する制限等が含まれる。これらの条件は、量子力学計算に用いられるパラメータであり、コンピュータ1に記憶される。 Next, in the calculation method of the present embodiment, the conditions (constraints) used in the quantum mechanics calculation are defined (step S3). The conditions relate to molecular orbitals. Examples of conditions include charges, spin multiplicity, spatial orbits, symmetry restrictions, and the like. These conditions are parameters used in the quantum mechanics calculation and are stored in the computer 1.

次に、本実施形態の計算方法では、コンピュータ1が、分子モデル2を用いた量子力学計算によって波動関数を計算する(計算工程S4)。計算工程S4では、上記工程S3で予め定められた条件(制約)に基づいて、量子力学計算が行われる。 Next, in the calculation method of the present embodiment, the computer 1 calculates the wave function by quantum mechanics calculation using the molecular model 2 (calculation step S4). In the calculation step S4, the quantum mechanics calculation is performed based on the conditions (constraints) predetermined in the above step S3.

量子力学計算では、分子モデル2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3の電子状態が追跡される。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、上記した量子化学計算プログラムを用いて処理することができる。 In quantum mechanics calculations, the electronic state of the particle model 3 is tracked at each unit-time step of the simulation, assuming that the molecular model 2 follows an interaction based on nuclei and electrons. Therefore, the quantum mechanics calculation has higher calculation accuracy than the molecular mechanics calculation. Such quantum mechanics calculations can be processed using the quantum chemistry calculation program described above.

図6は、図3の分子モデルの側面図である。図6に示されるように、分子モデル2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3、3の平衡距離r0が決定されている。本実施形態の計算工程S4では、例えば、粒子モデル3、3が当接した状態から、粒子モデル3、3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3、3を単位時間ステップ毎に0.1Åずつ離間させる量子力学計算が実施され、波動関数のエネルギーが計算される。 FIG. 6 is a side view of the molecular model of FIG. As shown in FIG. 6, in the molecular model 2, the equilibrium distance r 0 of the particle models 3 and 3 is determined by the balance of the interaction based on the nucleus and the electron according to the above theory and the basis function. In the calculation step S4 of the present embodiment, for example, from the state where the particle models 3 and 3 are in contact with each other until the distance r between the particle models 3 and 3 becomes larger than the equilibrium distance r 0 (for example, 4.5 Å). During that time, a quantum mechanics calculation is performed to separate the particle models 3 and 3 by 0.1 Å per unit time step, and the energy of the wave function is calculated.

本実施形態の計算工程S4では、スピン多重度が一重項(singlet)に設定されている。これにより、計算工程S4では、不対電子を有さない波動関数のエネルギーが計算される。波動関数のエネルギーは、コンピュータ1に入力される。 In the calculation step S4 of the present embodiment, the spin multiplicity is set to a singlet. As a result, in the calculation step S4, the energy of the wave function having no unpaired electrons is calculated. The energy of the wave function is input to the computer 1.

次に、図2に示されるように、本実施形態の計算方法では、コンピュータ1が、波動関数が安定しているか否かを判定する(評価工程S5)。波動関数は、そのエネルギーが低くなるほど安定している。一般に、現在の波動関数のエネルギーをその波動関数で2次変分した固有値に、負の固有値が含まれる場合、よりエネルギーの低い安定した波動関数が存在することを意味している。このような場合、現在の波動関数は、不安定であると判定することができる。このような波動関数の不安定性は、とりわけ単一の電子配置しか考慮しない密度汎関数法において、原子間距離が非常に長い分子を計算する場合に発生しやすい。本実施形態の評価工程S5は、波動関数のエネルギーをその波動関数で2次変分した固有値に、負の固有値が含まれない(即ち、全て正の固有値である)場合に、波動関数が安定していると判定している。これにより、本実施形態の評価工程S5では、安定した波動関数を確実に判定することができる。 Next, as shown in FIG. 2, in the calculation method of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the wave function is stable (evaluation step S5). The wave function becomes more stable as its energy decreases. In general, if the eigenvalue of the current wavefunction energy is quadratically varied by the wavefunction and contains a negative eigenvalue, it means that there is a stable wavefunction with lower energy. In such a case, the current wave function can be determined to be unstable. Such instability of the wave function is likely to occur when calculating molecules with very long interatomic distances, especially in the density functional theory, which considers only a single electron configuration. In the evaluation step S5 of the present embodiment, the wave function is stable when the eigenvalues obtained by subdividing the energy of the wave function by the wave function do not include negative eigenvalues (that is, they are all positive eigenvalues). It is judged that it is. As a result, in the evaluation step S5 of the present embodiment, a stable wave function can be reliably determined.

評価工程S5において、コンピュータ1が、波動関数が安定していると判定した場合(評価工程S5で、「Y」)、安定した波動関数に基づいて、粒子モデル3、3(図6に示す)間の結合解離ポテンシャルが求められる(工程S6)。他方、コンピュータ1が、波動関数が安定していないと判定した場合(評価工程S5で、「N」)、現在の波動関数のエネルギーが低くなるように、波動関数を再計算する再計算工程S7が実施される。 When the computer 1 determines in the evaluation step S5 that the wave function is stable (“Y” in the evaluation step S5), the particle models 3 and 3 (shown in FIG. 6) are based on the stable wave function. The bond dissociation potential between them is obtained (step S6). On the other hand, when the computer 1 determines that the wave function is not stable (“N” in the evaluation step S5), the recalculation step S7 recalculates the wave function so that the energy of the current wave function becomes low. Is carried out.

結合解離ポテンシャルを求める工程S6では、波動関数に基づいて、単位時間ステップの結合解離ポテンシャルが求められている。即ち、結合解離ポテンシャルは、粒子モデル3、3(図6に示す)間の距離rと、波動関数のエネルギーとの関係に基づいて求められる。結合解離ポテンシャルは、コンピュータ1に入力される。 In step S6 for obtaining the bond dissociation potential, the bond dissociation potential in a unit time step is obtained based on the wave function. That is, the bond dissociation potential is obtained based on the relationship between the distance r between the particle models 3 and 3 (shown in FIG. 6) and the energy of the wave function. The bond dissociation potential is input to computer 1.

本実施形態の再計算工程S7では、現在の波動関数のエネルギーをその波動関数で2次変分した固有値に、負の固有値が無くなる(即ち、全て正の固有値になる)ように、電子の配置又は軌道の順序の入れ替えが行われる。このような電子の配置及び軌道の順序の入れ替えは、上記した量子化学計算プログラムにおいて、オプション「Stable=Opt」を追加することにより計算することができる。これにより、再計算工程S7では、よりエネルギーの低い波動関数を計算することができる。 In the recalculation step S7 of the present embodiment, the electrons are arranged so that the eigenvalues obtained by quadratic variation of the energy of the current wavefunction by the wavefunction have no negative eigenvalues (that is, all have positive eigenvalues). Alternatively, the order of the orbits is changed. Such rearrangement of electron arrangement and orbital order can be calculated by adding the option "Stable = Opt" in the above-mentioned quantum chemistry calculation program. As a result, in the recalculation step S7, a wave function having a lower energy can be calculated.

次に、図2に示されるように、本実施形態の計算方法では、コンピュータ1が、粒子モデル3、3(図6に示す)が、予め定められた距離(例えば、4.5Å)まで離間したか否かが判断する(工程S8)。工程S8において、粒子モデル3、3が予め定められた距離まで離間したと判断された場合(工程S8で、「Y」)、本実施形態の計算方法の一連の処理が終了する。 Next, as shown in FIG. 2, in the calculation method of the present embodiment, the computer 1 separates the particle models 3 and 3 (shown in FIG. 6) by a predetermined distance (for example, 4.5 Å). It is determined whether or not this has been done (step S8). When it is determined in step S8 that the particle models 3 and 3 are separated by a predetermined distance (“Y” in step S8), a series of processes of the calculation method of the present embodiment is completed.

他方、工程S8において、粒子モデル3、3(図6に示す)が予め定められた距離まで離間していないと判断された場合(工程S6で、「N」)、単位時間ステップを一つ進展させて(工程S9)、計算工程S4〜工程S8が再度実施される。これにより、粒子モデル3、3が当接した状態から、粒子モデル3、3間の距離rが平衡距離r0よりも大(例えば、4.5Å)になるまでの結合解離ポテンシャルを求めることができる。なお、計算工程S4では、再計算工程S7で緩和された条件を、元の条件に再定義した後に、波動関数が計算される。 On the other hand, in step S8, when it is determined that the particle models 3 and 3 (shown in FIG. 6) are not separated by a predetermined distance (“N” in step S6), one unit time step is advanced. (Step S9), the calculation steps S4 to S8 are carried out again. As a result, it is possible to obtain the bond dissociation potential from the state in which the particle models 3 and 3 are in contact until the distance r between the particle models 3 and 3 becomes larger than the equilibrium distance r 0 (for example, 4.5 Å). can. In the calculation step S4, the wave function is calculated after redefining the conditions relaxed in the recalculation step S7 to the original conditions.

図7は、結合解離ポテンシャルPuの一例を示すグラフである。図7のグラフにおいて、結合解離ポテンシャルPuは、図6に示した粒子モデル3、3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、波動関数のポテンシャルエネルギー(粒子モデル3、3間の斥力)が大きくなる。また、結合解離ポテンシャルPuは、距離rが2.1になるときにポテンシャルエネルギーが最小となり、粒子モデル3、3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よりも大きくなるほど、波動関数のポテンシャルエネルギー(粒子モデル3、3間の引力)が大きくなる。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。 FIG. 7 is a graph showing an example of the bond dissociation potential Pu. In the graph of FIG. 7, the bond dissociation potential Pu is the potential of the wave function as the distance r between the particle models 3 and 3 shown in FIG. 6 becomes smaller than the equilibrium distance r 0 (2.1 in this embodiment). The energy (repulsive force between particle models 3 and 3) increases. Further, the bond dissociation potential Pu has the minimum potential energy when the distance r becomes 2.1, and no repulsive force or attractive force acts between the particle models 3 and 3. Further, in the bond dissociation potential Pu, as the distance r becomes larger than the equilibrium distance r 0 , the potential energy of the wave function (the attractive force between the particle models 3 and 3) becomes larger. In this way, the bond dissociation potential Pu can define the repulsive force and the attractive force according to the distance r.

結合解離ポテンシャルPuは、粒子モデル3、3(図6に示す)間の距離rが平衡距離r0よりも大きい領域において、波動関数のエネルギーの増分が小さくなる変曲点8を有している。変曲点8は、変曲点8よりも距離rが大きいと予想される領域、及び、変曲点8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9a、9bの交点で特定することができる。 The bond dissociation potential Pu has an inflection point 8 in which the increment of the energy of the wave function becomes small in the region where the distance r between the particle models 3 and 3 (shown in FIG. 6) is larger than the equilibrium distance r 0. .. The inflection point 8 is a pair that approximates the coupling dissociation potential Pu in the region where the distance r is expected to be larger than the inflection point 8 and the region where the distance r is expected to be smaller than the inflection point 8. It can be specified at the intersection of the straight lines 9a and 9b.

変曲点8よりも距離rが小さい領域Tbでは、変曲点8よりも粒子モデル3、3(図6に示す)間の距離rが大きい領域Taに比べて、波動関数のエネルギーの増分が大きい。これは、変曲点8よりも小さい領域Tbにおいて、粒子モデル3、3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8よりも距離rが大きい領域Taでは、粒子モデル3、3間で切断、又は、結合次数の減少が生じており、波動関数のエネルギーの増分が小さくなっている。従って、変曲点8は、粒子モデル3、3間の結合と解離との境界と考えることができる。従って、本実施形態の結合解離ポテンシャルPuは、原子間の結合及び解離を精度良く表現することができる。 In the region Tb where the distance r is smaller than the inflection point 8, the increase in the energy of the wave function is larger than in the region Ta where the distance r between the particle models 3 and 3 (shown in FIG. 6) is larger than the inflection point 8. big. This indicates that the bond between the particle models 3 and 3 is firmly maintained in the region Tb smaller than the inflection point 8. Further, in the region Ta where the distance r is larger than the inflection point 8, cutting or bond order is reduced between the particle models 3 and 3, and the increment of the energy of the wave function is small. Therefore, the inflection point 8 can be considered as the boundary between the bond and the dissociation between the particle models 3 and 3. Therefore, the bond dissociation potential Pu of the present embodiment can accurately represent the bond and dissociation between atoms.

このように、本実施形態の計算方法は、安定した波動関数のみを用いて、結合解離ポテンシャルPuを求めることができる。しかも、波動関数が安定していない場合には、波動関数が安定するまで再計算される。このため、本実施形態の計算方法は、原子間の結合及び解離を精度良く表現しうる結合解離ポテンシャルPuを確実に求めることができる。 As described above, in the calculation method of the present embodiment, the bond dissociation potential Pu can be obtained by using only the stable wave function. Moreover, if the wavefunction is not stable, it is recalculated until the wavefunction is stable. Therefore, the calculation method of the present embodiment can surely obtain the bond dissociation potential Pu capable of accurately expressing the bond and dissociation between atoms.

また、本実施形態では、密度汎関数法(DFT)に基づいて量子力学計算が行われているため、他の理論(例えば、MP2、CCSDT、CASSCF及びMRCI等)に比べて、計算時間を短縮することができる。従って、本実施形態の計算方法では、原子間の結合及び解離を精度良く表現しうる結合解離ポテンシャルPuを、短時間で求めることができる。 Further, in the present embodiment, since the quantum mechanics calculation is performed based on the density functional theory (DFT), the calculation time is shortened as compared with other theories (for example, MP2, CCSDT, CASSCF, MRCI, etc.). can do. Therefore, in the calculation method of the present embodiment, the bond dissociation potential Pu capable of accurately expressing the bond and dissociation between atoms can be obtained in a short time.

次に、本実施形態の計算方法で求められた結合解離ポテンシャルを用いて、高分子材料の分子鎖の切断を解析するため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)について説明する。 Next, a polymer material simulation method for analyzing the breakage of molecular chains of the polymer material using the bond dissociation potential obtained by the calculation method of the present embodiment (hereinafter, simply referred to as “simulation method”). Yes) will be explained.

本実施形態のシミュレーション方法は、コンピュータ1(図1に示す)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。分子鎖の切断を計算するには、高分子鎖の原子間の結合及び解離を精度よく表現しうるポテンシャルを定義することが重要である。本実施形態では、上記した計算方法で求められた結合解離ポテンシャルPuが用いられるため、分子鎖の切断を、精度よく解析するのに役立つ。 The simulation method of this embodiment is a method for analyzing the breakage of a molecular chain of a polymer material by using a computer 1 (shown in FIG. 1). In order to calculate the breakage of a molecular chain, it is important to define the potential that can accurately express the bond and dissociation between atoms of the polymer chain. In this embodiment, since the bond dissociation potential Pu obtained by the above calculation method is used, it is useful for accurately analyzing the breakage of the molecular chain.

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8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, may be simply referred to as "polyisoprene"). FIG. 8 is a structural formula of polyisoprene.

ポリイソプレンを構成する分子鎖11Aは、メチン基等(例えば、−CH=、>C=)、メチレン基(−CH−)、及び、メチル基(−CH)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)12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11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。 The molecular chain 11A constituting the polyisoprene is an isoprene monomer composed of a methine group or the like (for example, -CH =,> C =), a methylene group (-CH 2- ), and a methyl group (-CH 3). (Isoprene molecule) 12 is linked at a degree of polymerization n. A polymer material other than polyisoprene may be used as the polymer material 11.

図9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8に示した分子鎖11A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S21)。図10は、分子鎖モデル13の一例を示す概念図である。 FIG. 9 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the simulation method of the present embodiment. In the simulation method of the present embodiment, first, a molecular chain model is defined in the computer 1 based on the molecular chain 11A shown in FIG. 8 (molecular chain model setting step S21). FIG. 10 is a conceptual diagram showing an example of the molecular chain model 13.

分子鎖モデル13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13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13は、複数の粒子モデル3と、粒子モデル3、3間を結合するボンドモデル4とを含んで構成されている。 The molecular chain model 13 is configured as an all-atomic model. The molecular chain model 13 of this embodiment is set as a polyisoprene in which one sulfur atom is crosslinked. The molecular chain model 13 includes a plurality of particle models 3 and a bond model 4 that connects the particle models 3 and 3.

粒子モデル3及びボンドモデル4は、図8に示した分子鎖11Aのモノマー12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14が設定される。このモノマーモデル14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13が設定される。図11は、分子鎖モデル設定工程S21の処理手順の一例を示すフローチャートである。 The particle model 3 and the bond model 4 are linked based on the unit structure forming the monomer 12 of the molecular chain 11A shown in FIG. As a result, the monomer model 14 is set. The monomer model 14 is linked based on the molecular weight (degree of polymerization) Mn. As a result, the molecular chain model 13 is set. FIG. 11 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the molecular chain model setting step S21.

本実施形態の分子鎖モデル設定工程S21では、先ず、図10に示されるように、粒子モデル3が設定される(工程S211)。粒子モデル3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3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 S21 of the present embodiment, the particle model 3 is first set as shown in FIG. 10 (step S211). The particle model 3 is treated as a mass point of the equation of motion in a simulation based on molecular dynamics calculation, molecular mechanics calculation, and quantum mechanics calculation, which will be described later. That is, in the particle model 3, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined.

本実施形態の粒子モデル3は、炭素粒子モデル3C、水素粒子モデル3H及び硫黄粒子モデル3Sを含んでいる。これらの粒子モデル3は、コンピュータ1に記憶される。 The particle model 3 of the present embodiment includes a carbon particle model 3C, a hydrogen particle model 3H, and a sulfur particle model 3S. These particle models 3 are stored in the computer 1.

次に、分子鎖モデル設定工程S21では、ボンドモデル4が設定される(工程S212)。ボンドモデル4は、粒子モデル3、3間を拘束するものである。本実施形態のボンドモデル4は、主鎖4aと側鎖4bとを含んでいる。主鎖4aは、炭素粒子モデル3C、3Cを連結するものである。側鎖4bは、炭素粒子モデル3Cと水素粒子モデル3Hとの間、及び、炭素粒子モデル3Cと硫黄粒子モデル3Sとの間を連結するものである。これらのボンドモデル4は、コンピュータ1に記憶される。 Next, in the molecular chain model setting step S21, the bond model 4 is set (step S212). The bond model 4 constrains between the particle models 3 and 3. The bond model 4 of the present embodiment includes a main chain 4a and a side chain 4b. The main chain 4a connects the carbon particle models 3C and 3C. The side chain 4b connects between the carbon particle model 3C and the hydrogen particle model 3H, and between the carbon particle model 3C and the sulfur particle model 3S. These bond models 4 are stored in the computer 1.

次に、分子鎖モデル設定工程S21では、ボンドモデル4を介して隣り合う粒子モデル3、3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(ポテンシャル定義工程S213)。図10に示されるように、ポテンシャルには、ボンドモデル4を介して隣り合う粒子モデル3、3間に定義される第1ポテンシャルP1と、ボンドモデル4を介さずに隣り合う粒子モデル3、3間に定義される第2ポテンシャルP2とが定義される。第1ポテンシャルP1は、図3及び図5に示した分子モデル2と同様に、上記式(1)〜(3)に基づいて設定される。 Next, in the molecular chain model setting step S21, the potential for interaction (including repulsive force and attractive force) is defined between the adjacent particle models 3 and 3 via the bond model 4 (potential definition step S213). ). As shown in FIG. 10, the potential includes the first potential P1 defined between the adjacent particle models 3 and 3 via the bond model 4 and the adjacent particle models 3 and 3 without passing through the bond model 4. The second potential P2 defined between them is defined. The first potential P1 is set based on the above formulas (1) to (3), similarly to the molecular model 2 shown in FIGS. 3 and 5.

第2ポテンシャルP2は、下記式(4)で定義される LJポテンシャルULJ(rij)である。 The second potential P2 is the LJ potential ULJ (r ij ) defined by the following equation (4).

Figure 0006911512

ここで、各定数及び変数は、Lennard-Jones ポテンシャルのパラメータであり、次のとおりである。
ij: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3、3の中心(図示省略)間の距離として定義される。
Figure 0006911512

Here, each constant and variable is a parameter of the Lennard-Jones potential and is as follows.
r ij : Distance between particle models ε: Strength of LJ potential defined between particle models σ: Corresponds to the diameter of the particle model Note that the distance r ij is between the centers of the particle models 3 and 3 (not shown). Defined as a distance.

第2ポテンシャルP2は、粒子モデル3、3間の距離rijがrよりも小さくなるほど、粒子モデル3、3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rになるときに最小となり、粒子モデル3、3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rよりも大になると、粒子モデル3、3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。 The second potential P2 is as the distance r ij between particles model 3 and 3 is smaller than r c, increases the repulsive force acting between the particles model 3,3. The second potential P2 becomes a minimum when the distance r ij between particles model becomes r c, does not work repulsion or attraction between particles model 3,3. Further, the second potential P2, when the distance r ij between particles model is larger than r c, it acts attractive force acting between the particles model 3,3. In this way, the second potential P2 can define the repulsive force and the attractive force according to the distance r ij between the particle models.

本実施形態では、硫黄粒子モデル3S、3S間、炭素粒子モデル3C、3C間、炭素粒子モデル3Cと水素粒子モデル3Hとの間、硫黄粒子モデル3Sと炭素粒子モデル3Cとの間、及び、硫黄粒子モデル3Sと水素粒子モデル3H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(4)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 this embodiment, between sulfur particle models 3S and 3S, between carbon particle models 3C and 3C, between carbon particle model 3C and hydrogen particle model 3H, between sulfur particle model 3S and carbon particle model 3C, and sulfur. Different second potentials P2 are set between the particle model 3S and the hydrogen particle model 3H. Each second potential P2 has a different constant in the above equation (4). Each constant can be appropriately set based on, for example, a paper (J. Phys. Chem. 94, 8897 (1990)).

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S22)。図12は、高分子材料モデルの一例を示す概念図である。高分子材料モデル15は、コンピュータ1上に定義された空間16に、少なくとも一つの分子鎖モデル13が配置されることによって定義される。 Next, in the simulation method of the present embodiment, the polymer material model is defined in the computer 1 (step S22). FIG. 12 is a conceptual diagram showing an example of a polymer material model. The polymer material model 15 is defined by arranging at least one molecular chain model 13 in the space 16 defined on the computer 1.

本実施形態の空間16は、互いに向き合う三対の平面16a、16bを有する直方体として定義されている。各平面16a、16bには、周期境界条件が定義されている。これにより、空間16では、例えば、一方の平面16aから出て行った分子鎖モデル13の一部が、反対側の平面16b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16aと、反対側の平面16b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 space 16 of this embodiment is defined as a rectangular parallelepiped having three pairs of planes 16a and 16b facing each other. Periodic boundary conditions are defined on the planes 16a and 16b. Thereby, in the space 16, for example, it is possible to calculate so that a part of the molecular chain model 13 that has exited from one plane 16a enters from the opposite plane 16b. Therefore, it can be treated as if one plane 16a and the other plane 16b are continuous (connected).

空間16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13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13の拡がりを示す量である。このような空間16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難くなり、分子鎖モデル13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16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16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16に配置される分子鎖モデル13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13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, and L3 of one side of the space 16 can be appropriately set. It is desirable that the length L1 of this embodiment is at least twice the inertial radius (not shown) of the molecular chain model 13. The radius of inertia is a quantity indicating the spread of the molecular chain model 13. In such a space 16, collision with the self-image due to the periodic boundary condition is less likely to occur in the molecular dynamics calculation, and the spatial extent of the molecular chain model 13 can be appropriately calculated. Further, the size of the space 16 is set to a stable volume at, for example, 1 atm. Such a space 16 can define the volume of at least a part of the polymer material. Further, the number of molecular chain models 13 arranged in the space 16 can be appropriately set. The number of molecular chain models 13 of the present embodiment is preferably set to, for example, one or more, preferably 30 or more.

本実施形態では、分子鎖モデル13が配置された空間16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15が設定される。 In this embodiment, relaxation calculation by molecular dynamics (MD) calculation is performed using the space 16 in which the molecular chain model 13 is arranged. As a result, the polymer material model 15 is set.

本実施形態の分子動力学計算では、例えば、空間16について所定の時間、分子鎖モデル13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3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 molecular chain model 13 follows classical mechanics for a predetermined time in space 16. Then, the movement of the particle model 3 at each time is tracked for each unit time step. Such structural relaxation calculations can be processed using, for example, COGNAC included in the Soft Material Comprehensive Simulator (OCTA).

分子動力学計算では、空間16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13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S22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13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15が定義される。高分子材料モデル15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 space 16. Further, in the molecular dynamics calculation, the artificial initial arrangement of the molecular chain model 13 is performed until it can be considered that the artificial initial arrangement is sufficiently excluded. As a result, in step S22, the initial arrangement of the molecular chain model 13 can be accurately relaxed by approximating the molecular motion of the actual polymer material. The polymer material model 15 is defined through such relaxation calculations. The polymer material model 15 is stored in the computer 1.

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13の切断を計算する(切断計算工程S23)。本実施形態の切断計算工程S23では、図12に示した高分子材料モデル15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 computer 1 calculates the cleavage of the molecular chain model 13 based on predetermined conditions (cutting calculation step S23). In the cutting calculation step S23 of the present embodiment, an elongation simulation is performed in which the polymer material model 15 shown in FIG. 12 is elongated in the uniaxial direction (for example, the Z-axis direction).

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15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15が計算される。この高分子材料モデル15の伸長によって、分子鎖モデル13は、粒子モデル3、3間が離間する。この粒子モデル3、3間の離間に伴って、分子鎖モデル13が切断され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 elongation simulation of the present embodiment, the elongation of the polymer material model 15 is calculated for each unit time step by using the molecular mechanics calculation (Molecular Mechanics: MM) and the quantum mechanics calculation (Quantum Mechanics: QM). Then, by advancing the unit time step, the polymer material model 15 extended to a predetermined length (upper limit value) is calculated. Due to the extension of the polymer material model 15, the molecular chain model 13 is separated from the particle models 3 and 3. The state in which the molecular chain model 13 is cut is calculated as the particle models 3 and 3 are separated from each other. The molecular mechanics calculation can be calculated by the above software similar to the molecular dynamics calculation.

量子力学計算では、分子鎖モデル13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3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、上記した量子化学計算プログラムを用いて処理することができる。 In the quantum mechanics calculation, the electronic state and movement of the particle model 3 are tracked at each unit time step of the simulation, assuming that the molecular chain model 13 follows the interaction based on the nucleus and the electron. Therefore, the quantum mechanics calculation has higher calculation accuracy than the molecular mechanics calculation. Such quantum mechanics calculations can be processed using the quantum chemistry calculation program described above.

本実施形態では、高分子材料モデル15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13のうち粒子モデル3、3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13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S23では、例えば、高分子材料モデル15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13は、本実施形態の切断計算工程S23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 carried out by using the molecular mechanics calculation for the entire region of the polymer material model 15. Then, the cutting of the molecular chain model 13 is calculated in detail by using the quantum mechanics calculation only for the portion of the molecular chain model 13 that is likely to be cut between the particle models 3 and 3. Therefore, in the cutting calculation step S23 of the present embodiment, the calculation time can be significantly shortened as compared with the case where the quantum mechanics calculation is performed for the entire region of the polymer material model 15, for example. FIG. 13 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the cutting calculation step S23 of the present embodiment.

本実施形態の切断計算工程S23では、先ず、高分子材料モデル15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14は、高分子材料モデル15の伸長シミュレーションの一例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15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15の長さL1、L2、L3が定義される。これにより、切断計算工程S23では、高分子材料モデル15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 S23 of the present embodiment, first, the initial conditions for carrying out the elongation simulation of the polymer material model 15 are set (step S31). FIG. 14 is a side view illustrating an example of an elongation simulation of the polymer material model 15. As an initial condition, the lengths L1, L2, and L3 of the polymer material model 15 at each unit time step are defined based on the Poisson's ratio of the polymer material model 15. As a result, in the cutting calculation step S23, it is possible to carry out a simulation of extending the polymer material model in the uniaxial direction (for example, the Z-axis direction) based on the Poisson's ratio of the polymer material model 15.

高分子材料モデル15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、50〜200m/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S23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 elongation rate Va in the uniaxial direction of the polymer material model 15 can be appropriately set according to the polymer material to be analyzed and the simulation conditions. The extension speed Va of this embodiment is set to, for example, 50 to 200 m / sec. As a result, in the cutting calculation step S23 of the present embodiment, it is possible to calculate the state in which the polymer material is stretched at high speed. These initial conditions are stored in the computer 1.

次に、本実施形態の切断計算工程S23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は、分子鎖モデル13において、ボンドモデル4を介して隣り合う粒子モデル3、3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、上記した計算方法で求められた結合解離ポテンシャルPu(図7に示す)に近似するポテンシャルが定義される。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 S23 of the present embodiment, the bond potential Pn used in the molecular mechanics calculation is defined (bond potential definition step S32). The binding potential Pn is defined in the molecular chain model 13 between the adjacent particle models 3 and 3 via the bond model 4. As the bond potential Pn of the present embodiment, a potential close to the bond dissociation potential Pu (shown in FIG. 7) obtained by the above calculation method is defined. Since such a coupling potential Pn approximates the potential in the quantum mechanics calculation, the difference between the result of the molecular mechanics calculation and the result of the quantum mechanics calculation can be minimized.

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3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3S、3S間、炭素粒子モデル3C、3C間、炭素粒子モデル3Cと水素粒子モデル3Hとの間、硫黄粒子モデル3Sと炭素粒子モデル3Cとの間、及び、硫黄粒子モデル3Sと水素粒子モデル3H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。図15は、本実施形態の結合ポテンシャル定義工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。図16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2の一例を示す図である。 The bond dissociation potential Pu (not shown) differs depending on the type of particle model 3 to be bonded. In this embodiment, between sulfur particle models 3S and 3S, between carbon particle models 3C and 3C, between carbon particle model 3C and hydrogen particle model 3H, between sulfur particle model 3S and carbon particle model 3C, and sulfur. Different bond dissociation potentials Pu are required between the particle model 3S and the hydrogen particle model 3H. FIG. 15 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the coupling potential definition step of the present embodiment. FIG. 16 is a diagram showing an example of the molecular model 2 used to obtain the bond dissociation potential Pu.

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2が設定される(工程S321)。分子モデル2は、分子鎖モデル13において、一対の粒子モデル3、3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3S、3Sを結合した分子モデル2A、炭素粒子モデル3C、3Cを結合した分子モデル(図示省略)、炭素粒子モデル3Cと水素粒子モデル3Hとを結合した分子モデル(図示省略)、硫黄粒子モデル3Sと炭素粒子モデル3Cとを連結した分子モデル(図示省略)、及び、硫黄粒子モデル3Sと水素粒子モデル3Hとを連結した分子モデル(図示省略)が設定される。図16では、硫黄粒子モデル3S、3Sを結合した分子モデル2Aが代表して示されている。 In the binding potential definition step S32 of the present embodiment, the molecular model 2 is first set (step S321). In the molecular model 2, all combinations of the pair of particle models 3 and 3 are set in the molecular chain model 13. In the present embodiment, a molecular model 2A in which sulfur particle models 3S and 3S are bonded, a molecular model in which carbon particle models 3C and 3C are bonded (not shown), and a molecular model in which carbon particle model 3C and hydrogen particle model 3H are bonded (not shown). A molecular model (not shown) in which the sulfur particle model 3S and the carbon particle model 3C are connected (not shown), and a molecular model (not shown) in which the sulfur particle model 3S and the hydrogen particle model 3H are connected are set. In FIG. 16, the molecular model 2A in which the sulfur particle models 3S and 3S are bound is represented as a representative.

本実施形態の分子モデル2は、一対の粒子モデル3、3(本実施形態では、硫黄粒子モデル3S、3S)と、ボンドモデル4とを含んでいる。なお、各粒子モデル3には、粒子モデル3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3の結合数(例えば、1)を減じた数の水素粒子モデル3H(例えば、1個)が、ボンドモデル4を介して連結される。これにより、分子モデル2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2がそれぞれ設定される。これらの分子モデル2は、コンピュータ1に記憶される。 The molecular model 2 of the present embodiment includes a pair of particle models 3 and 3 (in this embodiment, sulfur particle models 3S and 3S) and a bond model 4. In each particle model 3, the number of hydrogens obtained by subtracting the number of bonds (for example, 1) of the particle model 3 from the valence of the atom modeled in the particle model 3 (for example, in the case of sulfur atom: 2) The particle model 3H (for example, one) is connected via the bond model 4. As a result, the molecular model 2 can maintain a stable structure in the quantum mechanics calculation. Based on such a method, each of the above-mentioned molecular models 2 is set. These molecular models 2 are stored in the computer 1.

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2の粒子モデル3、3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)。理論及び基底関数は、上記した計算方法と同様のものが定義され、コンピュータ1に記憶される。 Next, in the binding potential definition step S32 of the present embodiment, the theory and basis functions used for quantum mechanics calculation are defined between the particle models 3 and 3 of each molecular model 2 (step S322). The theory and basis functions similar to the above-mentioned calculation method are defined and stored in the computer 1.

次に、本実施形態の結合ポテンシャル定義工程S32では、上記した計算方法に基づいて、分子モデル2の各粒子モデル3、3間の結合解離ポテンシャルPu(図7に示す)が求められる(工程S323)。工程S323では、上記した各分子モデル2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3S、3S間の結合解離ポテンシャルPu、炭素粒子モデル3C、3C間の結合解離ポテンシャルPu、炭素粒子モデル3Cと水素粒子モデル3Hとの間の結合解離ポテンシャルPu、硫黄粒子モデル3Sと炭素粒子モデル3Cとの間の結合解離ポテンシャルPu、及び、硫黄粒子モデル3Sと水素粒子モデル3H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。 Next, in the bond potential definition step S32 of the present embodiment, the bond dissociation potential Pu (shown in FIG. 7) between the particle models 3 and 3 of the molecular model 2 is obtained based on the above calculation method (step S323). ). In step S323, quantum mechanics calculations are performed for all of the above-mentioned molecular models 2. As a result, the bond dissociation potential Pu between the sulfur particle models 3S and 3S, the bond dissociation potential Pu between the carbon particle models 3C and 3C, the bond dissociation potential Pu between the carbon particle model 3C and the hydrogen particle model 3H, and the sulfur particle model The bond dissociation potential Pu between the 3S and the carbon particle model 3C and the bond dissociation potential Pu between the sulfur particle model 3S and the hydrogen particle model 3H are obtained, respectively. Each bond dissociation potential Pu is stored in computer 1.

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17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(5)で定義される。 Next, in the bond potential definition step S32 of the present embodiment, a potential (bond potential) Pn that approximates the bond dissociation potential Pu is obtained (step S324). FIG. 17 is a graph showing the bond dissociation potential Pu and the bond potential Pn. In step S324 of the present embodiment, the 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 (5).

Figure 0006911512
ここで、
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
0:粒子モデル間の平衡距離
Figure 0006911512
here,
V: Energy of the molecular model k: Spring constant r: Distance between particle models r 0 : Equilibrium distance between particle models

上記式(5)の調和振動子型の関数は、粒子モデル3、3間の距離rと、分子モデルのエネルギー(波動関数のエネルギー)との関係を示す二次関数である。本実施形態では、図7に示した変曲点8よりも距離rが小さい領域Tb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3、3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 (5) is a quadratic function showing the relationship between the distance r between the particle models 3 and 3 and the energy of the molecular model (energy of the wave function). In the present embodiment, the bond potential Pn is obtained by approximating the harmonic oscillator type function to the bond dissociation potential Pu in the region Tb where the distance r is smaller than the inflection point 8 shown in FIG. Therefore, the bond potential Pn of the present embodiment is close to the bond dissociation potential Pu before cutting or a decrease in bond order occurs between the particle models 3 and 3.

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 squares method can be used. In such a bond potential Pn, a complex bond dissociation potential Pu can be represented 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2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、図7に示した変曲点8よりも距離r0が小さい領域Tb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, the harmonic oscillator type is used in the range from the lower limit of the energy of the bond dissociation potential Pu (the energy of the molecular model 2) (that is, the equilibrium distance r 0 ) to 50% to 80% of the upper limit of the energy. 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 where the distance r 0 is smaller than the inflection point 8 shown in FIG.

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、図7に示した変曲点8よりも距離が大きい領域Ta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 80% of the upper limit of the energy of the bond dissociation potential Pu is exceeded, the region Ta having a distance larger than the inflection point 8 shown in FIG. 7 is included. There is a risk of approximating the harmonic oscillator type function. On the contrary, if it is less than 50% of the upper limit of the energy of the bond dissociation potential Pu, the range to be approximated to the bond dissociation potential Pu becomes small, and there is a possibility that the bond dissociation potential Pu cannot be approximated accurately. From such a viewpoint, it is more preferably 70% or less, more preferably 60% or more of the upper limit value of the energy of the bond dissociation potential Pu in the range approximated to the harmonic oscillator type function.

工程S324では、図16に示した硫黄粒子モデル3S、3S間の結合解離ポテンシャルPu、炭素粒子モデル3C、3C間の結合解離ポテンシャルPu、炭素粒子モデル3Cと水素粒子モデル3Hとの間の結合解離ポテンシャルPu、硫黄粒子モデル3Sと炭素粒子モデル3Cとの間の結合解離ポテンシャルPu、及び、硫黄粒子モデル3Sと水素粒子モデル3H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 sulfur particle models 3S and 3S, the bond dissociation potential Pu between the carbon particle models 3C and 3C, and the bond dissociation between the carbon particle model 3C and the hydrogen particle model 3H shown in FIG. The bond potential Pn is obtained for the potential Pu, the bond dissociation potential Pu between the sulfur particle model 3S and the carbon particle model 3C, and the bond dissociation potential Pu between the sulfur particle model 3S and the hydrogen particle model 3H, respectively.

工程S324では、図10に示した分子鎖モデル13において、ボンドモデル4を介して隣り合う粒子モデル3、3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、ボンドモデル4を介さずに隣り合う粒子モデル3、3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, in the molecular chain model 13 shown in FIG. 10, a binding potential Pn is defined in place of the first potential P1 between the adjacent particle models 3 and 3 via the bond model 4, respectively. The second potential P2 defined between the adjacent particle models 3 and 3 without going through the bond model 4 is maintained.

次に、本実施形態の切断計算工程S23では、高分子材料モデル15(図12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15の変形が計算される。 Next, in the cutting calculation step S23 of the present embodiment, a deformation calculation for stretching the polymer material model 15 (shown in FIG. 12) is performed (stretching step S33). In this embodiment, the deformation of the polymer material model 15 is calculated based on the Poisson's ratio set as the initial condition.

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15(図14に示す)が計算される。この高分子材料モデル15の伸長により、図12に示した分子鎖モデル13も一軸方向に引き伸ばされ、ボンドモデル4を介して隣り合う粒子モデル3、3間の距離r(図10に示す)の少なくとも一部が大きくなる。 In the stretching step S33, the polymer material model 15 (shown in FIG. 14) stretched in the uniaxial direction is calculated in the current unit time step. Due to the elongation of the polymer material model 15, the molecular chain model 13 shown in FIG. 12 is also elongated in the uniaxial direction, and the distance r (shown in FIG. 10) between the adjacent particle models 3 and 3 via the bond model 4 is determined. At least part of it gets bigger.

次に、本実施形態の切断計算工程S23では、伸長工程S33で変形した高分子材料モデル15に対して、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15のエネルギーEaと、高分子材料モデル15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 S23 of the present embodiment, molecular mechanics calculation (MM) is performed on the polymer material model 15 deformed in the elongation step S33 (first molecular mechanics calculation step S34). .. In the first molecular mechanics calculation step S34, a physical quantity including the energy Ea of the polymer material model 15 and the force Fa acting on the polymer material model 15 is calculated. A physical quantity including such energy Ea and force Fa is stored in the computer 1.

次に、本実施形態の切断計算工程S23では、第1分子力学計算工程S34後の分子鎖モデル13について、ボンドモデル4を介して隣り合う粒子モデル3、3間の距離r(図10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が存在するか否かが判断される(工程S35)。 Next, in the cutting calculation step S23 of the present embodiment, with respect to the molecular chain model 13 after the first molecular mechanics calculation step S34, the distance r between the adjacent particle models 3 and 3 via the bond model 4 (shown in FIG. 10). ) Is determined whether or not there is a detached particle model unit 21 larger than the predetermined first distance La (step S35).

工程S35では、空間16に配置されている全ての分子鎖モデル13について、ボンドモデル4を介して隣り合う粒子モデル3、3間の距離rが計算される。なお、工程S35では、ボンドモデル4で拘束されていない粒子モデル3、3間の距離は計算されない。そして、粒子モデル3、3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3、3及びボンドモデル4を、離反粒子モデル部21として判断される。 In step S35, the distance r between the adjacent particle models 3 and 3 is calculated via the bond model 4 for all the molecular chain models 13 arranged in the space 16. In step S35, the distance between the particle models 3 and 3 not constrained by the bond model 4 is not calculated. Then, the pair of particle models 3 and 3 and the bond model 4 in which the distance r between the particle models 3 and 3 is larger than the first distance La is determined as the separation particle model unit 21.

本実施形態の第1距離Laは、図17に示した結合解離ポテンシャルPuの変曲点8での粒子モデル3、3間の距離r(Ln)よりも小に設定されている。上述したように、変曲点8は、粒子モデル3、3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では、粒子モデル3、3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3、3間で切断する可能性が高い離反粒子モデル部21(図19に示す)の有無を判断することができる。 The first distance La of the present embodiment is set to be smaller than the distance r (Ln) between the particle models 3 and 3 at the inflection point 8 of the bond dissociation potential Pu shown in FIG. As described above, the inflection point 8 can be considered as the boundary point between the bond and the dissociation between the particle models 3 and 3. Therefore, in the separated particle model unit 21 in which the distance r is larger than the first distance La, it can be considered that there is a high possibility of cutting between the particle models 3 and 3. Therefore, in step S35, it is possible to determine the presence or absence of the detached particle model portion 21 (shown in FIG. 19) that is likely to be cut between the particle models 3 and 3.

また、第1距離Laについては、変曲点8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17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22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 smaller than the distance r at the inflection point 8. In the present embodiment, as shown in FIG. 17, the distance r at the intersection point 22 between the bond dissociation potential Pu and the bond potential Pn is determined as the first distance La. As a result, the presence or absence of the detached particle model unit 21 can be accurately determined based on the molecular mechanics calculation that can shorten the calculation time as compared with the quantum mechanics calculation.

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 in step S35 that the detached particle model unit 21 exists (“Y” in step S35), the next quantum mechanics calculation step S36 is carried out for the detached particle model unit 21. On the other hand, when it is determined that the detached particle model unit 21 does not exist (“N” in step S35), step S40 described later is carried out.

次に、本実施形態の切断計算工程S23では、離反粒子モデル部21を含む第1領域23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18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。 Next, in the cutting calculation step S23 of the present embodiment, the quantum mechanics calculation is performed for the first region 23 including the detached particle model unit 21 (quantum mechanics calculation step S36). FIG. 18 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the quantum mechanics calculation step S36.

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23が設定される(工程S361)。図19は、第1領域23を示す図である。第1領域23は、高分子材料モデル15の分子鎖モデル13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15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23に含められる。 In the quantum mechanics calculation step S36 of the present embodiment, first, the first region 23 including the detached particle model unit 21 is set (step S361). FIG. 19 is a diagram showing the first region 23. The first region 23 is a non-overall region obtained by extracting only the detached particle model portion 21 from the molecular chain model 13 of the polymer material model 15. When a plurality of separated particle model parts 21 are present in the polymer material model 15, all the separated particle model parts 21 are included in the first region 23.

また、離反粒子モデル部21の各粒子モデル3には、粒子モデル3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、粒子モデル3の結合数(例えば、1)を減じた数の水素粒子モデル3H(例えば、3個)が、ボンドモデル4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。 Further, in each particle model 3 of the detached particle model unit 21, the number of bonds of the particle model 3 (for example, 1) is obtained from the valence of the atom modeled by the particle model 3 (for example, in the case of a carbon atom: 4). The number of hydrogen particle models 3H (for example, 3) obtained by subtracting the above is connected via the bond model 4. This makes it possible to set the detached particle model unit 21 having a stable structure in the quantum mechanics calculation.

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3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の粒子モデル3、3間に設定されている結合ポテンシャルPn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 mechanics calculation step S36 of the present embodiment, the theory and basis functions used for the quantum mechanics calculation are defined in the particle model 3 of the detached particle model unit 21 (step S362). In step S362, the theory and basis functions used in the quantum mechanics calculation are defined by disabling the coupling potential Pn set between the particle models 3 and 3 of the separated particle model unit 21. The theory and basis functions used in the quantum mechanics calculation are as described above.

次に、本実施形態の量子力学計算工程S36では、初期条件として設定されたポアソン比に基づいて、第1領域23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3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、第1領域23及び離反粒子モデル部21の伸長を、高い精度で計算することができる。また、工程S363では、高分子材料モデル15から抜き出された第1領域23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12に示した高分子材料モデル15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 mechanics calculation step S36 of the present embodiment, the quantum mechanics calculation is carried out in the first region 23 based on the Poisson's ratio set as the initial condition (step S363). As described above, in the quantum mechanics calculation, the electronic state and motion of the particle model 3 are tracked for each unit time step of the simulation, as follows the interaction based on the nucleus and the electron. Therefore, in step S363, the elongation of the first region 23 and the detached particle model unit 21 can be calculated with higher accuracy than the molecular mechanics calculation. Further, in step S363, the quantum mechanics calculation is performed only for the first region 23 extracted from the polymer material model 15. Therefore, the calculation time can be significantly shortened as compared with the case where the quantum mechanics calculation is performed for the entire region of the polymer material model 15 shown in FIG.

工程S363では、第1領域23のエネルギーEcと、第1領域23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 first region 23 and the force Fc acting on the first region 23 is calculated. The physical quantity including such energy Ec and force Fc is stored in the computer 1.

次に、本実施形態の切断計算工程S23では、第1領域23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19に示されるように、第1領域23は、伸長工程S33で変形した高分子材料モデル15の分子鎖モデル13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23のエネルギーEbと、第1領域23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15のエネルギーEt、及び、高分子材料モデル15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3、3間に、結合ポテンシャルPnが設定される。 Next, in the cutting calculation step S23 of the present embodiment, the molecular mechanics calculation is performed for the first region 23 (second molecular mechanics calculation step S37). As shown in FIG. 19, the first region 23 is a non-overall region obtained by extracting only the detached particle model portion 21 from the molecular chain model 13 of the polymer material model 15 deformed in the stretching step S33. Therefore, in the second molecular mechanics calculation step S37, a physical quantity including the energy Eb of the first region 23 and the force Fb acting on the first region 23 is calculated. Such a physical quantity including the energy Eb and the force Fb is used to obtain the energy Et of the polymer material model 15 and the force Ft acting on the polymer material model 15 according to the ONIOM method described later. The physical quantity including the energy Eb and the force Fb is stored in the computer 1. Further, in the second molecular mechanics calculation step S37, the coupling potential Pn is set between the particle models 3 and 3 of the separated particle model unit 21.

次に、本実施形態の切断計算工程S23では、高分子材料モデル15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(6)に基づいて計算される。
Et=Ea−Eb+Ec … (6)
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 S23 of the present embodiment, the energy Et of the polymer material model 15 is calculated (step S38). The energy Et of the present embodiment is calculated based on the following equation (6) according to the ONIOM (Our own N-layered Integrated molecular Orbital and molecular Mechanics) method.
Et = Ea-Eb + Ec ... (6)
here,
Ea: Energy of the polymer material model obtained in the first molecular mechanics calculation process Eb: Energy of the first region obtained in the second molecular mechanics calculation process Ec: Energy of the first region obtained in the quantum mechanics calculation process

上記式(6)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15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23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23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 (6), the energy Ea obtained in the first molecular mechanics calculation step S34 is the energy in the entire region of the polymer material model 15. Further, the energy Eb obtained in the second molecular mechanics calculation step S37 is the energy in the first region 23. Since these energies Ea and Eb are obtained by molecular mechanics calculation, the calculation accuracy is lower than that of quantum mechanics calculation. The energy Ec obtained in the quantum mechanics calculation step S36 is the energy of the first region 23. Since this energy Ec is obtained by quantum mechanics calculation, the calculation accuracy is higher than that of molecular mechanics calculation.

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15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13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15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15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, among the energies Ea of the polymer material model having relatively low calculation accuracy, the energy Eb in the first region is replaced with the energy Ec in the first region having relatively high calculation accuracy. We are looking for 15 energy Ets. Since such energy Et can consider the influence of the cleavage of the molecular chain model 13 in detail, the calculation accuracy can be improved. Further, in the present embodiment, for example, the energy Et of the polymer material model 15 can be obtained without obtaining the energy of the entire region of the polymer material model 15 based on the quantum mechanics calculation, so that the calculation time is shortened. be able to. The energy Et is stored in the computer 1.

次に、本実施形態の切断計算工程S23では、高分子材料モデル15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(7)に基づいて計算される。
Ft=Fa−Fb+Fc … (7)
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 S23 of the present embodiment, the force Ft acting on the polymer material model 15 is calculated (step S39). The force Ft of this embodiment is calculated based on the following equation (7) according to the ONIOM method, similarly to the energy Et of the polymer material model.
Ft = Fa-Fb + Fc ... (7)
here,
Fa: Force acting on the polymer material model obtained in the first molecular mechanics calculation process Fb: Force acting on the first region obtained in the second molecular mechanics calculation process Fc: Force obtained in the quantum mechanics calculation process 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15の力Faのうち、第1領域23の力Fbを、計算精度が比較的高い第1領域23の力Fcに置き換えることによって、高分子材料モデル15の力Ftを求めている。このような力Ftは、分子鎖モデル13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15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 polymer material model 15 having relatively low calculation accuracy, the force Fb in the first region 23 is replaced with the force Fc in the first region 23 having relatively high calculation accuracy. The force Ft of the molecular material model 15 is obtained. Since such a force Ft can consider the influence of the cleavage of the molecular chain model 13 in detail, the calculation accuracy can be improved. Further, in the present embodiment, it is not necessary to calculate the force acting on the entire region of the polymer material model 15 based on the quantum mechanics calculation, so that the calculation time can be shortened. This force Ft is stored in the computer 1.

次に、本実施形態の切断計算工程S23では、現在の単位時間ステップにおいて、分子鎖モデル13の各粒子モデル3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から加速度に基づいて、第1分子力学計算工程S34が実施される前の分子鎖モデル13の各粒子モデル3の座標値から、各粒子モデル3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 S23 of the present embodiment, the coordinate values and velocities of each particle model 3 of the molecular chain model 13 are updated in the current unit time step (step S40). In this embodiment, the acceleration is obtained from the energy Et and the force Ft calculated by the ONIOM method. Then, based on the acceleration from the energy Et and the force Ft, from the coordinate values of each particle model 3 of the molecular chain model 13 before the first molecular mechanics calculation step S34 is executed, new coordinate values of each particle model 3 ( That is, the coordinate value used in the next unit time step) is calculated.

このような各粒子モデル3の座標値は、切断される可能性の高い第1領域23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13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 values of each particle model 3 include the coordinate values calculated by quantum mechanics of the first region 23 that is likely to be cut, it is possible to accurately analyze the cut of the molecular chain model 13. can. Further, since the molecular mechanics calculation with relatively low accuracy is performed for the portion having a low possibility of being cut, the calculation time can be shortened.

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3に作用する力と、量子力学計算工程S36後の各粒子モデル3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3の速度は、分子鎖モデル13の各粒子モデル3の座標値、高分子材料モデル15のエネルギーEt、及び、高分子材料モデル15に作用する力Ftに基づいて計算される。 In the present embodiment, the bond potential Pn that approximates 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 particle model 3 after the second molecular mechanics calculation step S37 and the force acting on each particle model 3 after the quantum mechanics calculation step S36. can. Therefore, the calculation accuracy of the coordinate values based on the ONIOM method can be improved. The velocity of each particle model 3 is calculated based on the coordinate values of each particle model 3 of the molecular chain model 13, the energy Et of the polymer material model 15, and the force Ft acting on the polymer material model 15. ..

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23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15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3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。 When it is determined in the above-mentioned step S35 that the separated particle model unit 21 does not exist (“N” in the step S35), the quantum mechanics calculation (step S36) and the molecular mechanics for the first region 23 are performed. The calculation (step S37) has not been performed. In this case, in step S40, the coordinate values of the particle model 3 obtained by the molecular mechanics calculation for the polymer material model 15, the energy Ea obtained in the first molecular mechanics calculation step, and the first molecular mechanics calculation. The coordinate values and speeds are updated from the force Fa obtained in the process.

次に、本実施形態の切断計算工程S23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23について、粒子モデル3、3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S51)。工程S51では、工程S40で更新された分子鎖モデル13の各粒子モデル3の座標値に基づいて、第1領域23に配置されている全ての離反粒子モデル部21について、粒子モデル3、3間の距離rが計算される。 Next, in the cutting calculation step S23 of the present embodiment, the particle models 3, 3 are obtained for the first region 23 after the quantum mechanics calculation step S36, and in the present embodiment, after the quantum mechanics calculation step S36 and the second molecular mechanics calculation step S37. It is determined whether or not there is a detached particle model unit 21 in which the distance r between them is larger than the predetermined second distance Lb (step S51). In step S51, based on the coordinate values of each particle model 3 of the molecular chain model 13 updated in step S40, all the separated particle model portions 21 arranged in the first region 23 are between the particle models 3 and 3. Distance r is calculated.

本実施形態の第2距離Lbは、図17に示した結合解離ポテンシャルPuの変曲点8での粒子モデル3、3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8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 of the present embodiment is defined based on the distance Ln between the particle models 3 and 3 at the inflection point 8 of the bond dissociation potential Pu shown in FIG. The second distance Lb of the present embodiment is set to be larger than the first distance La. Further, the second distance Lb is set to be equal to or greater than the distance Ln between the particle models at the inflection point 8.

上述したように、変曲点8は、粒子モデル3、3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、粒子モデル3、3間の距離rが第2距離Lbよりも大きい場合、粒子モデル3、3間で切断すると判断できる。従って、工程S51では、粒子モデル3、3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、粒子モデル3、3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、粒子モデル3、3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8での粒子モデル3、3間の距離Lnよりも大が望ましく、変曲点8での距離Lnの100%より大が望ましく、また、130%以下が望ましい。 As described above, the inflection point 8 can be considered as the boundary point between the bond and the dissociation between the particle models 3 and 3. Therefore, when the distance r between the particle models 3 and 3 is larger than the second distance Lb, it can be determined that the particles are cut between the particle models 3 and 3. Therefore, in step S51, the presence or absence of the detached particle model unit 21 that is cut between the particle models 3 and 3 by determining whether or not the distance r between the particle models 3 and 3 is larger than the second distance Lb. Can be judged. The second distance Lb is larger than the distance Ln between the particle models 3 and 3 at the inflection point 8 in order to accurately determine the separated particle model portion 21 cut between the particle models 3 and 3. It is desirable that the distance Ln at the inflection point 8 is greater than 100%, and 130% or less is desirable.

工程S51において、粒子モデル3、3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S51で、「Y」)、次の切断工程S52が実施される。他方、全ての離反粒子モデル部21において、粒子モデル3、3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S51で、「N」)、高分子材料モデル15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S53が実施される。 In step S51, when it is determined that the separated particle model portion 21 having a distance r between the particle models 3 and 3 is equal to or greater than the second distance Lb (“Y” in step S51) exists, the next cutting step S52 is performed. NS. On the other hand, when it is determined in all the separated particle model units 21 that the distance between the particle models 3 and 3 is less than the second distance Lb (“N” in step S51), the polymer material model 15 is predetermined. Step S53, which will be described later, is carried out to determine whether or not the particles have been extended to the specified conditions.

次に、本実施形態の切断計算工程S23では、粒子モデル3、3間が切断される(切断工程S52)。切断工程S52では、距離rが第2距離Lb以上であると判断された粒子モデル3、3について、粒子モデル3、3間のボンドモデル4の定義を無効にする。これにより、粒子モデル3、3間の切断が定義される。なお、粒子モデル3、3間の切断が定義されるのは、図19に示した第1領域23の粒子モデル3ではなく、第1領域23の粒子モデル3に対応する分子鎖モデル13(図10に示す)の粒子モデル3、3間において、切断が定義される。 Next, in the cutting calculation step S23 of the present embodiment, the particle models 3 and 3 are cut (cutting step S52). In the cutting step S52, the definition of the bond model 4 between the particle models 3 and 3 is invalidated for the particle models 3 and 3 determined that the distance r is equal to or greater than the second distance Lb. This defines the break between the particle models 3 and 3. It should be noted that the break between the particle models 3 and 3 is defined not by the particle model 3 of the first region 23 shown in FIG. 19 but by the molecular chain model 13 corresponding to the particle model 3 of the first region 23 (FIG. Cleavage is defined between the particle models 3 and 3 (shown in 10).

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23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3、3間を切断している。従って、本実施形態では、分子鎖モデル13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 of the present embodiment, the particle models 3 and 3 are targeted at the first region 23 including the separated particle model unit 21 based on the result of the quantum mechanics calculation having higher calculation accuracy than the molecular mechanics calculation. There is a gap. Therefore, in the present embodiment, the cutting of the molecular chain model 13 can be approximated to the actual cutting of the molecular chain, which is useful for accurately analyzing the polymer material.

また、結合解離ポテンシャルPuは、本実施形態の計算方法に基づいて求められるため、原子間の結合及び解離を精度良く表現しうる。このため、本実施形態のシミュレーション方法では、粒子モデル3、3間の切断を、実際の分子鎖の切断により近似させることができる。 Further, since the bond dissociation potential Pu is obtained based on the calculation method of the present embodiment, the bond and dissociation between atoms can be accurately expressed. Therefore, in the simulation method of the present embodiment, the cleavage between the particle models 3 and 3 can be approximated by the actual cleavage of the molecular chain.

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15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 or absence of the detached particle model unit 21 on which the quantum mechanics calculation is performed is determined in step S35 based on the result of the molecular mechanics calculation whose calculation time is shorter than that of the quantum mechanics calculation. Therefore, it is not necessary to carry out the quantum mechanics calculation for the entire region of the polymer material model 15. Therefore, in the simulation method of the present embodiment, the calculation time can be shortened.

なお、切断の定義は、粒子モデル3、3間を拘束しているボンドモデル4を無効にすることによって設定することができる。また、切断された粒子モデル3、3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4を介さずに隣り合う粒子モデル3、3間に定義される第2ポテンシャルP2が定義される。 The definition of cutting can be set by invalidating the bond model 4 that constrains the particle models 3 and 3. Further, the binding potential Pn defined between the cut particle models 3 and 3 is invalidated, and the second potential P2 defined between the adjacent particle models 3 and 3 is defined without going through the bond model 4. NS.

切断された粒子モデル3、3には、例えば、粒子モデル3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3の結合数(例えば、1)を減じた数の水素粒子モデル3H(例えば、1個)が、ボンドモデル4を介して連結される。これにより、分子鎖モデル13は、安定した構造を維持することができる。 For the cleaved particle models 3 and 3, for example, the number of bonds of the particle model 3 (for example, 1) is subtracted from the valence of the atom modeled in the particle model 3 (for example, in the case of a sulfur atom: 2). A number of hydrogen particle models 3H (eg, one) are linked via a bond model 4. As a result, the molecular chain model 13 can maintain a stable structure.

次に、本実施形態の切断計算工程S23では、高分子材料モデル15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S53)。工程S53では、高分子材料モデル15が上限値まで伸長したと判断された場合(工程S53で、「Y」)、次の工程S24が実施される。他方、高分子材料モデル15が上限値まで伸長していないと判断された場合は(工程S53で、「N」)、単位時間ステップを一つ進展させて(工程S54)、工程S33〜工程S53が再度実施される。これにより、切断計算工程S23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13の切断を解析することができる。 Next, in the cutting calculation step S23 of the present embodiment, it is determined whether or not the polymer material model 15 is stretched to a predetermined condition (step S53). In step S53, when it is determined that the polymer material model 15 has extended to the upper limit value (“Y” in step S53), the next step S24 is carried out. On the other hand, when it is determined that the polymer material model 15 has not extended to the upper limit value (“N” in step S53), one unit time step is advanced (step S54), and steps S33 to S53 Will be implemented again. As a result, in the cutting calculation step S23, the polymer material model can be extended to the upper limit value and the cutting of the molecular chain model 13 can be analyzed.

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15の物理量が、許容範囲内であるか否かが判断される(工程S24)。物理量の許容範囲としては、例えば、高分子材料に求められる性能に基づいて、適宜設定されうる。工程S24において、高分子材料モデル15の物理量が許容範囲内であると判断された場合(工程S24で、「Y」)、高分子材料モデル15に基づいて、高分子材料が製造される(工程S25)。他方、高分子材料モデル15の物理量が、許容範囲外と判断された場合は(工程S24で、「N」)、分子鎖モデル13の諸条件が変更されて(工程S26)、工程S21〜工程S24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15の物理量が許容範囲内になるまで、分子鎖モデル13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 the present embodiment, it is determined whether or not the physical quantity of the polymer material model 15 is within the permissible range (step S24). The permissible range of the physical quantity can be appropriately set based on, for example, the performance required for the polymer material. When it is determined in step S24 that the physical quantity of the polymer material model 15 is within the permissible range (“Y” in step S24), the polymer material is manufactured based on the polymer material model 15 (step S24). S25). On the other hand, when the physical quantity of the polymer material model 15 is determined to be out of the permissible range (“N” in step S24), the conditions of the molecular chain model 13 are changed (step S26), and steps S21 to 1 to step 2 S24 is carried out again. As described above, in the present embodiment, since the conditions of the molecular chain model 13 are changed until the physical quantity of the polymer material model 15 is within the permissible range, the polymer material having desired performance is efficiently designed. can do.

以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。 Although the particularly preferable embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the illustrated embodiments and can be modified into various embodiments.

[実施例A]
図2及び図4に示した処理手順に従って、分子を構成する原子間の結合解離ポテンシャルが計算された(実施例1)。実施例1では、密度汎関数法(DFT)の理論に基づいて量子力学計算が行われ、安定した波動関数のみから結合解離ポテンシャルが計算された。
[Example A]
The bond dissociation potential between the atoms constituting the molecule was calculated according to the processing procedure shown in FIGS. 2 and 4 (Example 1). In Example 1, quantum mechanics calculations were performed based on the theory of density functional theory (DFT), and bond dissociation potentials were calculated only from stable wavefunctions.

比較のために、従来の方法と同様の手順に基づいて、波動関数が安定しているか否かを判定する評価工程を行わずに、結合解離ポテンシャルが計算された(比較例1〜5)。即ち、比較例1〜5の結合解離ポテンシャルは、安定した波動関数、及び、不安定な波動関数の双方から計算される。比較例1〜5では、表1に示した理論に基づいて、量子力学計算が実施された。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
分子:メタンチオール
図20は、実施例1及び比較例1〜5の結合解離ポテンシャルのグラフである。計算時間を表1に示す。
For comparison, the bond dissociation potential was calculated based on the same procedure as the conventional method without performing an evaluation step for determining whether or not the wave function is stable (Comparative Examples 1 to 5). That is, the bond dissociation potential of Comparative Examples 1 to 5 is calculated from both a stable wave function and an unstable wave function. In Comparative Examples 1 to 5, quantum mechanics calculations were performed based on the theory shown in Table 1. The common specifications are as follows.
Computer: SGI workstation
Number of CPU cores: 12 cores
On-board memory: 64GB
Molecules: Methanethiol FIG. 20 is a graph of bond dissociation potentials of Examples 1 and Comparative Examples 1-5. The calculation time is shown in Table 1.

Figure 0006911512
Figure 0006911512

テストの結果、実施例1の結合解離ポテンシャルは、実施例1と同一の理論(DFT)に基づいて計算された比較例1に比べて、最も計算精度が高い理論(MRCI)に基づいて計算された比較例2の結合解離ポテンシャルに近似させることができた。従って、実施例は、原子間の結合及び解離を精度よく表現できるポテンシャルを定義できた。表1に示されるように、実施例1は、比較例2〜5に比べて、計算時間を大幅に短縮できた。従って、実施例1は、計算時間を短縮しつつ、結合解離ポテンシャルを精度よく求めることができた。 As a result of the test, the bond dissociation potential of Example 1 was calculated based on the theory (MRCI) with the highest calculation accuracy as compared with Comparative Example 1 calculated based on the same theory (DFT) as in Example 1. It was possible to approximate the bond dissociation potential of Comparative Example 2. Therefore, the examples could define the potential to accurately represent the bonds and dissociations between atoms. As shown in Table 1, Example 1 was able to significantly reduce the calculation time as compared with Comparative Examples 2 to 5. Therefore, in Example 1, the bond dissociation potential could be obtained accurately while shortening the calculation time.

[実施例B]
図9及び図11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2、比較例6)。
[Example B]
A molecular chain model and a polymer model were defined according to the processing procedure shown in FIGS. 9 and 11, and a cutting step of cutting the molecular chain model was carried out (Example 2, Comparative Example 6).

実施例2の切断工程では、図13、図15及び図18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(6)、(7)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 2, the step of performing molecular mechanics calculation based on the polymer material model according to the processing procedure shown in FIGS. 13, 15 and 18, and the distance between the particle models is larger than the first distance La. A step of performing quantum mechanics calculation for the first region including the separated particle model part and a step of performing molecular mechanics calculation for the first region are carried out, based on the above equations (6) and (7). , 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近似ポテンシャルが定義された。なお、結合解離ポテンシャルは、図2及び図4に示した処理手順に従って、安定した波動関数のみから求められた。実施例2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 process of performing molecular mechanics calculation, an approximate potential close to the bond dissociation potential was defined between the particle models of the molecular chain model. The bond dissociation potential was obtained only from the stable wave function according to the processing procedure shown in FIGS. 2 and 4. In the cutting step of Example 2, when the distance between the particle models was larger than the second distance Lb, a step of cutting between them was carried out.

比較例6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、次のとおりであり、使用されたコンピュータは、実施例Aと同一である。
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
In the cutting step of Comparative Example 6, quantum mechanics calculation was performed for the entire region of the polymer material model, and cutting of the molecular chain model was calculated according to the distance between the particle models. The potentials set between the particle models are as described in the specification. The common specifications are as follows, and the computer used is the same as in Example A.
Polymer model:
Length of one side 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: 3.09 Å
First distance La: 2.69 Å
Second distance Lb: 3.35 Å
Stretch simulation:
Extension direction: Uniaxial direction (Z-axis direction)
Elongation speed Va: 250 m / sec

図21は、実施例2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21に示されるように、実施例2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2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2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. 21 is a graph showing the relationship between the number of cuts between the particle models of Example 2 and the elongation rate of the polymer material model. As shown in FIG. 21, in Example 2, it was possible to show a state in which the number of cuts between the particle models increases as the polymer material model grows. Further, in Example 2, the cleavage of the CS bond was calculated when the elongation rate was about 300%, and the cleavage of the CC bond was calculated when the elongation rate was about 560%. As described above, in Example 2, it was possible to calculate the elongation rate at which cutting starts for each particle model.

図22は、実施例2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15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. 22 is a graph showing the relationship between the stress of the polymer material of Example 2 and the elongation rate of the polymer material model. As shown in FIG. 15, 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 stress was reduced by breaking the CC bond.

このように、実施例2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。また、実施例2では、本発明の計算方法に基づいて、安定した波動関数のみから結合解離ポテンシャルが計算されるため、実際の分子鎖の切断に近似させることができた。さらに、実施例2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 2, the elongation simulation using the polymer material model was able to calculate the cutting of the molecular chain model with high accuracy, so that the polymer material could be analyzed with high accuracy. Further, in Example 2, since the bond dissociation potential is calculated only from the stable wave function based on the calculation method of the present invention, it can be approximated to the actual breakage of the molecular chain. Further, in Example 2, since the quantum mechanics calculation is performed only for the first region including the separated particle model portion which is likely to be cut between the particle models, the calculation time can be shortened.

他方、比較例6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2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6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 Comparative Example 6, since the quantum mechanical calculation is performed for the entire region of the polymer material model, it is practically impossible to carry out the same deformation simulation as in Example 2 due to the processing power of the computer. Is considered to be. Therefore, in Comparative Example 6, the cleavage of the molecular chain model could not be calculated.

S1 分子モデルを定義する工程
S4 計算工程
S5 評価工程
S6 結合解離ポテンシャルを求める工程
S7 再計算工程
S1 Step to define molecular model S4 Calculation step S5 Evaluation step S6 Find bond dissociation potential S7 Recalculation step

Claims (8)

コンピュータを用いて、分子を構成する原子間の結合解離ポテンシャルを計算するための方法であって、
前記原子をモデル化した粒子モデルを互いに結合した分子モデルを、前記コンピュータに定義する工程と、
前記コンピュータが、前記分子モデルを用いた量子力学計算によって波動関数を計算する計算工程と、
前記コンピュータが、前記波動関数が安定しているか否かを判定する評価工程とを含み、
前記波動関数が安定していると判定した場合、前記波動関数に基づいて、前記粒子モデル間の結合解離ポテンシャルを求める工程が実施され、
前記波動関数が安定していないと判定した場合、前記波動関数のエネルギーが低くなるように、前記波動関数を再計算する再計算工程が実施され
前記計算工程は、前記波動関数のエネルギーを計算する工程を含み、
前記評価工程は、前記エネルギーを前記波動関数で2次変分した固有値に、負の固有値が含まれない場合に、前記波動関数が安定していると判定し、
前記再計算工程は、前記負の固有値が無くなるように、前記波動関数を再計算することを特徴とする原子間の結合解離ポテンシャルの計算方法。
A method for calculating the bond dissociation potential between the atoms that make up a molecule using a computer.
The process of defining a molecular model in which the particle models that model the atoms are bonded to each other in the computer, and
A calculation process in which the computer calculates the wave function by quantum mechanics calculation using the molecular model.
The computer includes an evaluation step of determining whether or not the wave function is stable.
When it is determined that the wave function is stable, a step of obtaining the bond dissociation potential between the particle models is carried out based on the wave function.
When it is determined that the wave function is not stable, a recalculation step of recalculating the wave function is carried out so that the energy of the wave function becomes low .
The calculation step includes a step of calculating the energy of the wave function.
The evaluation step determines that the wave function is stable when the eigenvalue obtained by quadratic variation of the energy by the wave function does not include a negative eigenvalue.
The recalculation step is a method for calculating a bond dissociation potential between atoms , which comprises recalculating the wave function so that the negative eigenvalue disappears.
前記量子力学計算は、密度汎関数法に基づいて行われる請求項1記載の原子間の結合解離ポテンシャルの計算方法。 The method for calculating the bond dissociation potential between atoms according to claim 1, wherein the quantum mechanics calculation is performed based on the density functional theory. 前記再計算工程は、前記負の固有値が無くなるように、前記分子モデルの電子の配置
又は軌道の順序の入れ替えを行う請求項1又は2記載の原子間の結合解離ポテンシャルの計算方法。
The recalculation step arranges the electrons in the molecular model so that the negative eigenvalues disappear.
Alternatively, the method for calculating a bond dissociation potential between atoms according to claim 1 or 2 , wherein the order of the orbitals is changed.
請求項1乃至3のいずれかに記載の計算方法で求められた前記結合解離ポテンシャルを用いて、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、複数の前記粒子モデルと、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の前記粒子モデル間に、前記結合解離ポテンシャルに近似する結合ポテンシャルを定義する工程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 the bond dissociation potential obtained by the calculation method according to any one of claims 1 to 3.
A step of defining in the computer a molecular chain model including a plurality of the particle models and a bond model that binds the particle models based on the molecular chains.
A step of defining a polymer material model in which at least one of the molecular chain models is arranged in a space defined by the computer, and a process of defining the polymer material model.
The computer comprises a cleavage calculation step of calculating the cleavage of the molecular chain model based on predetermined conditions.
The cutting calculation step is a method for simulating a polymer material, which comprises a step of defining a bond potential close to the bond dissociation potential between the particle models of the polymer material model .
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る請求項4記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The high value according to claim 4, wherein the bond potential is defined by a function that approximates the bond dissociation potential in the range from the lower limit of the energy of the bond dissociation potential to 50% to 80% of the upper limit of the energy. Simulation method for molecular materials. 前記切断計算工程は、
前記高分子材料モデルを伸長させる変形計算を実施する伸長工程と、
前記伸長工程で変形した高分子材料モデルに対して、分子力学計算を実施する第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前記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さらに含み、
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請求項4又は5記載の高分子材料のシミュレーション方法。
The cutting calculation step is
An extension step for performing deformation calculation for extending the polymer material model, and
The first molecular mechanics calculation step of performing the molecular mechanics calculation on the polymer material model deformed in the elongation step, and
Regarding the molecular chain model after the first molecular mechanics calculation step, whether or not there is a detached particle model portion in which the distance between the adjacent particle models via the bond model is larger than the predetermined first distance. Including the process of determining whether
When it is determined that the detached particle model portion exists, the quantum mechanics calculation step of performing the quantum mechanics calculation for the first region, which is a non-whole region including the detached particle model portion, and
4. The fourth or fifth aspect of the first region after the quantum mechanics calculation step, which includes a step of cutting between the particle models when the distance between the particle models is larger than a predetermined second distance. Method of simulating polymer materials.
前記第1距離は、前記第2距離よりも小である請求項6記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The method for simulating a polymer material according to claim 6, wherein the first distance is smaller than the second distance. 前記第2距離は、前記結合解離ポテンシャルについて、そのエネルギーの増分が小さくなる変曲点での前記粒子モデル間の距離に基づいて定義される請求項6又は7記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The method for simulating a polymer material according to claim 6 or 7, wherein the second distance is defined based on the distance between the particle models at an inflection point where the increment of energy of the bond dissociation potential becomes smaller.
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