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JP7400538B2 - Simulation method for polymer materials - Google Patents
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本発明は、高分子材料のシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a method for simulating polymer materials.

下記特許文献1には、フィラーとポリマーとを含む高分子材料の破壊特性を評価するためのシミュレーション方法が記載されている。この方法では、先ず、数値計算用の高分子材料モデルのポリマーの少なくとも一部に空孔が形成されるような変形条件の下で、高分子材料モデルの変形が計算されている。 Patent Document 1 listed below describes a simulation method for evaluating the fracture characteristics of a polymer material containing a filler and a polymer. In this method, first, the deformation of a polymer material model for numerical calculation is calculated under deformation conditions such that pores are formed in at least a portion of the polymer of the polymer material model for numerical calculation.

特開2019-032278号公報JP2019-032278A

上記の方法において、高分子材料モデルに形成された空孔とは、ポリマー(ポリマーモデル)などが何も存在しない所謂ボイドである。このような空孔は、それを特定するための位置情報を有していない。このため、上記の方法では、空孔の位置や大きさ等を定量的に解析できないという問題があった。 In the above method, the pores formed in the polymer material model are so-called voids in which no polymer (polymer model) or the like exists. Such holes do not have positional information for specifying them. For this reason, the above method has a problem in that it is not possible to quantitatively analyze the position, size, etc. of the pores.

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、空孔を定量的に解析することが可能な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 was devised in view of the above-mentioned circumstances, and its main purpose is to provide a simulation method that allows quantitative analysis of pores.

本発明は、高分子材料のシミュレーション方法であって、前記高分子材料に基づいて、数値計算用の高分子材料モデルをコンピュータに入力する工程を含み、前記コンピュータが、前記高分子材料モデルの内部の少なくとも一部に空孔が形成されるように、予め定められた条件に基づいて、前記高分子材料モデルの変形を計算する工程と、前記空孔が形成された前記高分子材料モデルの内部に、複数の空孔粒子モデルを配置する工程と、前記空孔粒子モデルが前記空孔内に集まるような相互作用を、前記空孔粒子モデルと前記高分子材料モデルとの間に定義する工程と、前記相互作用に基づいて、前記空孔が形成された前記高分子材料モデルと前記空孔粒子モデルとの構造緩和を計算する工程と、前記構造緩和後の前記空孔粒子モデルの位置情報を取得する工程とを実行することを特徴とする。 The present invention is a polymer material simulation method, which includes the step of inputting a polymer material model for numerical calculation into a computer based on the polymer material, and the computer a step of calculating deformation of the polymer material model based on predetermined conditions so that holes are formed in at least a portion of the interior of the polymer material model in which the holes are formed; , a step of arranging a plurality of hole particle models, and a step of defining an interaction between the hole particle model and the polymer material model such that the hole particle models gather in the hole. a step of calculating structural relaxation between the polymer material model in which the holes are formed and the hole particle model based on the interaction; and position information of the hole particle model after the structural relaxation. The method is characterized by performing the step of obtaining the .

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、前記相互作用は、一対の前記空孔粒子モデル間に引力を作用させる第1ポテンシャルを含んでもよい。 In the polymer material simulation method according to the present invention, the interaction may include a first potential that applies an attractive force between the pair of hole particle models.

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、前記高分子材料モデルは、ポリマーをモデリングしたポリマーモデルを含み、前記相互作用は、前記空孔粒子モデルと前記ポリマーモデルとの間に斥力を作用させる第2ポテンシャルを含んでもよい。 In the polymer material simulation method according to the present invention, the polymer material model includes a polymer model in which a polymer is modeled, and the interaction exerts a repulsive force between the hole particle model and the polymer model. It may also include a second potential that causes

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、前記構造緩和を計算する工程は、前記高分子材料モデルの内部での前記ポリマーモデルの位置を固定した状態で行われてもよい。 In the polymer material simulation method according to the present invention, the step of calculating the structural relaxation may be performed while the position of the polymer model within the polymer material model is fixed.

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、前記高分子材料モデルは、フィラーをモデリングしたフィラーモデルを含み、前記相互作用は、前記空孔粒子モデルと前記フィラーモデルとの間に斥力を作用させる第3ポテンシャルを含んでもよい。 In the polymer material simulation method according to the present invention, the polymer material model includes a filler model in which a filler is modeled, and the interaction exerts a repulsive force between the hole particle model and the filler model. It may also include a third potential that causes

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、前記構造緩和を計算する工程は、前記高分子材料モデルの内部での前記フィラーモデルの位置を固定した状態で行われてもよい。 In the polymer material simulation method according to the present invention, the step of calculating the structural relaxation may be performed while the position of the filler model within the polymer material model is fixed.

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、前記位置情報を取得する工程は、前記空孔粒子モデルの動径分布関数を取得してもよい。 In the polymer material simulation method according to the present invention, the step of acquiring the position information may acquire a radial distribution function of the void particle model.

本発明の高分子材料のシミュレーション方法は、前記高分子材料モデルの内部に形成された前記空孔に、前記空孔粒子モデルが集まるような相互作用に基づいて、前記空孔が形成された前記高分子材料モデルと前記空孔粒子モデルとの構造緩和が計算される。そして、本発明では、構造緩和後の空孔粒子モデルから取得された前記位置情報に基づいて、前記空孔を特定することができる。したがって、本発明は、前記空孔を定量的に解析することが可能となる。 The polymer material simulation method of the present invention is based on an interaction in which the pore particle model gathers in the pores formed inside the polymer material model. Structural relaxation between the polymer material model and the void particle model is calculated. In the present invention, the pores can be specified based on the position information acquired from the pore particle model after structural relaxation. Therefore, the present invention makes it possible to quantitatively analyze the pores.

本発明の高分子材料のシミュレーション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。FIG. 1 is a perspective view showing an example of a computer that executes the polymer material simulation method of the present invention. 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。2 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of a polymer material simulation method. 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。3 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of a model setting step. フィラーモデル、ポリマーモデル、及び、カップリング剤モデルが配置されたセルの一例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of a cell in which a filler model, a polymer model, and a coupling agent model are arranged. フィラー粒子モデルの拡大図である。It is an enlarged view of a filler particle model. ポリマーモデルの一例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of a polymer model. フィラーモデル、ポリマーモデル及びカップリング剤モデルのポテンシャルの一例を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining an example of the potential of a filler model, a polymer model, and a coupling agent model. フィラーモデルとポリマーモデルとを連結したカップリング剤モデル、及び、架橋モデルで連結された一対のポリマー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 the coupling agent model which connected the filler model and the polymer model, and a pair of polymer model which were connected by the crosslinking model. (a)は、変形計算前の高分子材料モデルの一部を示す概念図、(b)は、変形計算後の高分子材料モデルの一部を示す概念図である。(a) is a conceptual diagram showing a part of the polymer material model before deformation calculation, and (b) is a conceptual diagram showing part of the polymer material model after deformation calculation. 空孔粒子モデルが配置された高分子材料モデルの一部分を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing a portion of a polymer material model in which a hole particle model is arranged. 構造緩和計算後の高分子材料モデル及び空孔粒子モデルの一例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of a polymer material model and a hole particle model after structural relaxation calculations. 空孔粒子モデルの動径分布関数の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the radial distribution function of a hole particle model. 変形計算後の高分子材料モデルを示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a polymer material model after deformation calculation. 構造緩和計算後の高分子材料モデル及び空孔粒子モデルの一例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of a polymer material model and a hole particle model after structural relaxation calculations. 空孔粒子モデルの動径分布関数の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the radial distribution function of a hole particle model.

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態の高分子材料のシミュレーション方法(以下、単に「シミュレーション方法」ということがある。)は、高分子材料の破壊特性が評価される。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described based on the drawings.
In the polymer material simulation method (hereinafter sometimes simply referred to as "simulation method") of the present embodiment, the fracture characteristics of the polymer material are evaluated.

図1は、本発明の高分子材料のシミュレーション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、本実施形態のシミュレーション方法を実行するためのソフトウェア等が予め記憶されている。 FIG. 1 is a perspective view showing an example of a computer that executes the polymer material simulation method of the present invention. 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, a processing unit (CPU), a ROM, a working memory, a storage device such as a magnetic disk, and disk drive devices 1a1 and 1a2. Further, software and the like for executing the simulation method of this embodiment are stored in advance in the storage device.

本実施形態の高分子材料には、ポリマーとフィラーとが含まれている。なお、高分子材料は、ポリマーのみが含まれるものでもよい。さらに、本実施形態の高分子材料には、ポリマーとフィラーとを結合させるためのカップリング剤が含まれている。 The polymer material of this embodiment contains a polymer and a filler. Note that the polymer material may include only a polymer. Furthermore, the polymer material of this embodiment contains a coupling agent for bonding the polymer and the filler.

ポリマー、フィラー及びカップリング剤としては、例えば、上記の特許文献1に記載さられたものが適宜採用されうる。本実施形態において、ポリマーとしては、cis-1,4ポリイソプレン(以下、単に「ポリイソプレン」ということがある。)が例示される。フィラーとしては、シリカである場合が例示される。カップリング剤としては、例えば、シランカップリング剤(TESPD)である場合が例示される。 As the polymer, filler, and coupling agent, for example, those described in the above-mentioned Patent Document 1 can be appropriately employed. In this embodiment, cis-1,4 polyisoprene (hereinafter sometimes simply referred to as "polyisoprene") is exemplified as the polymer. An example of the filler is silica. An example of the coupling agent is a silane coupling agent (TESPD).

図2は、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。本実施形態のシミュレーション方法では、先ず、高分子材料に基づいて、数値計算用の高分子材料モデルが、コンピュータ1に入力される(モデル設定工程S1)。図3は、モデル設定工程S1の処理手順の一例を示すフローチャートである。 FIG. 2 is a flowchart showing an example of a processing procedure of a polymer material simulation method. In the simulation method of this embodiment, first, a polymer material model for numerical calculation is input into the computer 1 based on the polymer material (model setting step S1). FIG. 3 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the model setting step S1.

本実施形態のモデル設定工程S1では、先ず、高分子材料の一部に対応する仮想空間であるセルが、コンピュータ1に定義される(工程S11)。図4は、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8が配置されたセル4の一例を示す概念図である。図4では、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8が、それぞれ一つのみ表示されている。 In the model setting step S1 of this embodiment, first, a cell, which is a virtual space corresponding to a part of the polymer material, is defined in the computer 1 (step S11). FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of a cell 4 in which a filler model 6, a polymer model 7, and a coupling agent model 8 are arranged. In FIG. 4, only one polymer model 7 and only one coupling agent model 8 are displayed.

セル4は、少なくとも互いに向き合う一対の面5、5、本実施形態では、互いに向き合う三対の面5、5を有しており、直方体又は立方体(本実施形態では、立方体)として定義されている。各面5、5には、周期境界条件が定義されている。セル4の一辺の各長さL1は、例えば、上記の特許文献1の記載に基づいて、適宜設定されうる。セル4は、コンピュータ1に記憶される。 The cell 4 has at least a pair of surfaces 5, 5 facing each other, in this embodiment, three pairs of surfaces 5, 5 facing each other, and is defined as a rectangular parallelepiped or a cube (in this embodiment, a cube). . A periodic boundary condition is defined for each surface 5, 5. Each length L1 of one side of the cell 4 can be set as appropriate, for example, based on the description in Patent Document 1 mentioned above. Cell 4 is stored in computer 1.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、フィラーをモデリングしたフィラーモデル6が定義される(工程S12)。本実施形態のフィラーモデル6は、上記の特許文献1と同様に、セル4の内部で凝集した複数のフィラー粒子モデル11によって定義されている。本実施形態では、実際の高分子材料の電子線透過画像のフィラーの一次粒子の位置に基づいて、フィラー粒子モデル11が配置されている。これにより、フィラーモデル6は、実際のフィラーの形状を精度よく表現することができる。 Next, in the model setting step S1 of the present embodiment, a filler model 6 that models the filler is defined (step S12). The filler model 6 of this embodiment is defined by a plurality of filler particle models 11 aggregated inside the cell 4, similar to the above-mentioned Patent Document 1. In this embodiment, filler particle models 11 are arranged based on the positions of primary filler particles in an electron beam transmission image of an actual polymer material. Thereby, the filler model 6 can accurately represent the shape of the actual filler.

図5は、フィラー粒子モデル11の拡大図である。各フィラー粒子モデル11は、複数の小粒子12を含んで構成されている。フィラー粒子モデル11には、隣接する小粒子12、12間の相対位置を固定する拘束条件が定義されてもよいし、隣接する小粒子12、12間を拘束する結合鎖モデル(図示省略)が定義されても良い。小粒子12、12間を拘束する結合鎖モデル(図示省略)は、上記の特許文献1の記載に基づいて、適宜定義されうる。また、フィラー粒子モデル11の外面を構成する小粒子12には、例えば、官能基をモデル化した官能基モデル(図示省略)が設けられてもよい。フィラーモデル6は、コンピュータ1に記憶される。 FIG. 5 is an enlarged view of the filler particle model 11. Each filler particle model 11 includes a plurality of small particles 12. In the filler particle model 11, a constraint condition that fixes the relative position between the adjacent small particles 12, 12 may be defined, or a bond chain model (not shown) that constrains the adjacent small particles 12, 12 may be defined. May be defined. A bonding chain model (not shown) that binds the small particles 12, 12 may be appropriately defined based on the description in Patent Document 1 mentioned above. Further, the small particles 12 constituting the outer surface of the filler particle model 11 may be provided with, for example, a functional group model (not shown) in which a functional group is modeled. Filler model 6 is stored in computer 1.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、図4に示されるように、ポリマーをモデリングしたポリマーモデル7が定義される(工程S13)。本実施形態では、セル4の内部において、フィラーモデル6が配置されてない領域に、少なくとも一つ(例えば、10個~1,000,000個)のポリマーモデル7が配置される。 Next, in the model setting step S1 of this embodiment, as shown in FIG. 4, a polymer model 7 that models a polymer is defined (step S13). In this embodiment, at least one (for example, 10 to 1,000,000) polymer models 7 are arranged inside the cell 4 in a region where no filler model 6 is arranged.

図6は、ポリマーモデル7の一例を示す概念図である。本実施形態のポリマーモデル7は、ポリマーの分子構造に基づいて、ポリマーを構成する原子の数よりも少ない複数の粗視化粒子15でモデリングしたものである。したがって、ポリマーモデル7は、粗視化分子モデル(本例では、Kremer-Grestモデル)として表現されている。なお、ポリマーモデル7は、Kremer-Grestモデルよりも粗視化度合いが大きいDPD(散逸粒子動力学法)に基づくモデルであってもよい。また、ポリマーモデル7は、ポリマーの実際の構造に基づいた全原子モデル(図示省略)や、ユナイテッドアトムモデル(図示省略)であってもよい。 FIG. 6 is a conceptual diagram showing an example of the polymer model 7. The polymer model 7 of this embodiment is modeled using a plurality of coarse-grained particles 15, the number of which is smaller than the number of atoms constituting the polymer, based on the molecular structure of the polymer. Therefore, polymer model 7 is expressed as a coarse-grained molecular model (in this example, a Kremer-Grest model). Note that the polymer model 7 may be a model based on DPD (dissipative particle dynamics method), which has a larger degree of coarse-graining than the Kremer-Grest model. Further, the polymer model 7 may be an all-atom model (not shown) or a united atom model (not shown) based on the actual structure of the polymer.

本実施形態の粗視化粒子15は、ポリマーのモノマー又はモノマーの一部分をなす構造単位を置換したものである。このような粗視化粒子15は、例えば、上記特許文献1の記載に基づいて、適宜設定されうる。隣接する粗視化粒子15、15の間は、結合鎖モデル16で連結されている。 The coarse-grained particles 15 of this embodiment are obtained by replacing a polymer monomer or a structural unit forming a part of the monomer. Such coarse-grained particles 15 can be appropriately set, for example, based on the description in Patent Document 1 mentioned above. Adjacent coarse-grained particles 15, 15 are connected by a bond chain model 16.

図7は、フィラーモデル6、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8のポテンシャルの一例を説明する概念図である。結合鎖モデル16は、粗視化粒子15、15間に、伸びきり長が設定されたポテンシャルP1によって定義される。ポテンシャルP1については、適宜定義することができ、例えば、上記の特許文献1の記載に基づいて、LJ(Lennard-Jones)ポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義されうる。ポリマーモデル7は、コンピュータ1に記憶される。 FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating an example of the potential of the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8. The bonded chain model 16 is defined by a potential P1 with a fully extended length set between the coarse-grained particles 15, 15. The potential P1 can be defined as appropriate, and for example, based on the description in Patent Document 1 mentioned above, it can be defined as the sum of the LJ (Lennard-Jones) potential and the FENE potential. Polymer model 7 is stored in computer 1.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、図4に示されるように、カップリング剤をモデリングしたカップリング剤モデル8が定義される(工程S14)。本実施形態では、セル4の内部において、フィラーモデル6及びポリマーモデル7が配置されてない領域に、少なくとも一つ(例えば、10個~1000個)のカップリング剤モデル8が配置される。 Next, in the model setting step S1 of this embodiment, as shown in FIG. 4, a coupling agent model 8 modeling a coupling agent is defined (step S14). In this embodiment, at least one (for example, 10 to 1000) coupling agent models 8 are arranged inside the cell 4 in a region where the filler model 6 and the polymer model 7 are not arranged.

図7に示されるように、カップリング剤モデル8は、カップリング剤の分子構造に基づいて、カップリング剤を構成する原子の数よりも少ない複数の粗視化粒子19でモデリングしたものである。したがって、カップリング剤モデル8は、粗視化分子モデル(本例では、Kremer-Grestモデル)として表現されている。なお、カップリング剤モデル8は、DPD(散逸粒子動力学法)に基づくモデルであってもよいし、全原子モデル(図示省略)や、ユナイテッドアトムモデル(図示省略)であってもよい。 As shown in FIG. 7, the coupling agent model 8 is modeled using a plurality of coarse-grained particles 19, which is smaller in number than the number of atoms constituting the coupling agent, based on the molecular structure of the coupling agent. . Therefore, the coupling agent model 8 is expressed as a coarse-grained molecular model (in this example, a Kremer-Grest model). The coupling agent model 8 may be a model based on DPD (dissipative particle dynamics method), an all-atom model (not shown), or a united atom model (not shown).

各粗視化粒子19は、例えば、特許文献1の記載に基づいて、適宜設定することができる。隣接する粗視化粒子19、19の間は、結合鎖モデル20で連結されている。結合鎖モデル20は、粗視化粒子19、19間に伸びきり長が設定されたポテンシャルP2によって定義される。ポテンシャルP2については、適宜定義することができる。ポテンシャルP2は、適宜定義することができ、例えば、上記の特許文献1の記載に基づいて、LJポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義されうる。カップリング剤モデル8は、コンピュータ1に記憶される。 Each coarse-grained particle 19 can be appropriately set, for example, based on the description in Patent Document 1. Adjacent coarse-grained particles 19, 19 are connected by a bond chain model 20. The bonded chain model 20 is defined by a potential P2 in which an extended length is set between the coarse-grained particles 19, 19. The potential P2 can be defined as appropriate. The potential P2 can be defined as appropriate, and for example, based on the description in Patent Document 1 mentioned above, it can be defined as the sum of the LJ potential and the FENE potential. Coupling agent model 8 is stored in computer 1.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、隣接するフィラーモデル6、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8に、ポテンシャルが定義される(工程S15)。本実施形態の工程S15では、図7に示されるように、フィラーモデル6の小粒子12、ポリマーモデル7の粗視化粒子15、及び、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19に、下記のポテンシャルP3~P8が定義される。これらのポテンシャルP3~P8は、上記の特許文献1の記載に基づいて、LJポテンシャルで定義されうる。ポテンシャルP3~P8は、コンピュータ1に記憶される。
ポテンシャルP3:フィラーモデル6の小粒子12と
フィラーモデル6の小粒子12との間
ポテンシャルP4:ポリマーモデル7の粗視化粒子15と
ポリマーモデル7の粗視化粒子15との間
ポテンシャルP5:カップリング剤モデル8の粗視化粒子19と
カップリング剤モデル8の粗視化粒子19との間
ポテンシャルP6:フィラーモデル6の小粒子12と
ポリマーモデル7の粗視化粒子15との間
ポテンシャルP7:フィラーモデル6の小粒子12と
カップリング剤モデル8の粗視化粒子19との間
ポテンシャルP8:ポリマーモデル7の粗視化粒子15と
カップリング剤モデル8の粗視化粒子19との間
Next, in the model setting step S1 of this embodiment, potentials are defined for the adjacent filler model 6, polymer model 7, and coupling agent model 8 (step S15). In step S15 of this embodiment, as shown in FIG. Potentials P3 to P8 are defined. These potentials P3 to P8 can be defined as LJ potentials based on the description in Patent Document 1 mentioned above. Potentials P3 to P8 are stored in computer 1.
Potential P3: with small particles 12 of filler model 6
Between the small particles 12 of the filler model 6 Potential P4: Between the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7
Between coarse-grained particles 15 of polymer model 7 Potential P5: Between coarse-grained particles 19 of coupling agent model 8
Between the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8 Potential P6: Between the small particles 12 of the filler model 6
Between the coarse grained particles 15 of the polymer model 7 Potential P7: Between the small particles 12 of the filler model 6
Between coarse-grained particles 19 of coupling agent model 8 Potential P8: Between coarse-grained particles 15 of polymer model 7
Between coupling agent model 8 and coarse-grained particles 19

次に、本実施形態のモデル設定工程S1は、コンピュータ1が、分子動力学計算に基づいて、図4に示したセル4の構造緩和を計算する(工程S16)。本実施形態の分子動力学計算は、例えば、セル4について所定の時間、フィラーモデル6、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8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、各時刻でのフィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8の動きが、シミュレーションの単位時間毎に追跡される。このような分子動力学計算は、上記の特許文献1の記載に基づいて、適宜実施される。 Next, in the model setting step S1 of this embodiment, the computer 1 calculates the structural relaxation of the cell 4 shown in FIG. 4 based on the molecular dynamics calculation (step S16). In the molecular dynamics calculation of this embodiment, Newton's equation of motion is applied to the cell 4 for a predetermined time, assuming that the filler model 6, polymer model 7, and coupling agent model 8 follow classical mechanics, for example. The movements of the filler model 6, polymer model 7, and coupling agent model 8 at each time are tracked for each unit time of simulation. Such molecular dynamics calculations are appropriately performed based on the description in Patent Document 1 mentioned above.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、コンピュータ1が、カップリング剤モデル8を介して、フィラーモデル6とポリマーモデル7とを連結する(工程S17)。図8は、フィラーモデル6とポリマーモデル7とを連結したカップリング剤モデル8、及び、架橋モデル17で連結された一対のポリマーモデル7、7の一例を示す概念図である。図8では、1つの粗視化粒子19で構成されたカップリング剤モデル8が例示されている。 Next, in the model setting step S1 of this embodiment, the computer 1 connects the filler model 6 and the polymer model 7 via the coupling agent model 8 (step S17). FIG. 8 is a conceptual diagram showing an example of a coupling agent model 8 that connects a filler model 6 and a polymer model 7, and a pair of polymer models 7, 7 that are connected by a crosslinking model 17. In FIG. 8, a coupling agent model 8 composed of one coarse-grained particle 19 is illustrated.

工程S18では、上記の特許文献1の記載に基づいて、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19とフィラーモデル6の小粒子12との間、及び、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19とポリマーモデル7の粗視化粒子15との間が連結されている。これらの粒子を結合させる結合鎖モデル23は、伸びきり長が設定されたポテンシャルP9によって定義される。このポテンシャルP9は、例えば、LJポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義される。 In step S18, based on the description of Patent Document 1 above, between the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8 and the small particles 12 of the filler model 6, and between the coarse-grained particles of the coupling agent model 8. 19 and the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 are connected. A bonding chain model 23 that connects these particles is defined by a potential P9 with a set extension length. This potential P9 is defined, for example, as the sum of the LJ potential and the FENE potential.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、隣接するポリマーモデル7を連結する架橋モデル17が定義される(工程S18)。架橋モデル17は、ポリマーモデル7の粗視化粒子15、15間を連結するためのものである。ポテンシャルP10には、例えば、従来と同様に、LJポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義することができる。 Next, in the model setting step S1 of this embodiment, a crosslinked model 17 that connects adjacent polymer models 7 is defined (step S18). The crosslinking model 17 is for connecting the coarse grained particles 15, 15 of the polymer model 7. For example, the potential P10 can be defined as the sum of the LJ potential and the FENE potential, as in the conventional case.

次に、本実施形態のモデル設定工程S1では、コンピュータ1が、分子動力学計算に基づいて、セル4(図5に示す)の構造緩和を再計算する(工程S19)。構造緩和の再計算は、工程S16と同一の処理手順で実施され、カップリング剤モデル8を介して連結されたフィラーモデル6及びポリマーモデル7、並びに、架橋モデル17で連結されたポリマーモデル7が十分に緩和できるまで計算される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、カップリング反応後、かつ、架橋された高分子材料を再現した高分子材料モデル10を定義することができる。高分子材料モデル10は、コンピュータ1に記憶される。 Next, in the model setting step S1 of this embodiment, the computer 1 recalculates the structural relaxation of the cell 4 (shown in FIG. 5) based on the molecular dynamics calculation (step S19). Recalculation of the structural relaxation is performed using the same processing procedure as step S16, and the filler model 6 and polymer model 7 connected via the coupling agent model 8 and the polymer model 7 connected via the crosslinking model 17 are Calculations are made until sufficient relaxation is achieved. Thereby, in the simulation method of this embodiment, it is possible to define a polymer material model 10 that reproduces a crosslinked polymer material after a coupling reaction. The polymer material model 10 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、高分子材料モデル10の内部の少なくとも一部に空孔が形成されるように、予め定められた条件に基づいて、高分子材料モデル10の変形を計算する(工程S2)。本実施形態の工程S2では、図4に示されるように、高分子材料モデル10を、予め定められた方向に引っ張る単軸引張試験が計算される。高分子材料モデル10を引っ張る方向については、適宜選択することができ、本例では、z軸方向に引っ張っている。 Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 creates the polymer material model 10 based on predetermined conditions so that pores are formed in at least a portion of the interior of the polymer material model 10. The deformation of is calculated (step S2). In step S2 of this embodiment, as shown in FIG. 4, a uniaxial tensile test is calculated in which the polymer material model 10 is pulled in a predetermined direction. The direction in which the polymer material model 10 is pulled can be selected as appropriate, and in this example, it is pulled in the z-axis direction.

高分子材料モデル10の変形計算は、例えば、上記の特許文献1及び特許文献(特開2016-81297号公報)に記載された内容の手順に従って行われうる。即ち、本実施形態では、z軸方向において、高分子材料モデル10の一端(図4に示したセル4の一方側の面5a)、及び、高分子材料モデル10の他端(図4に示したセル4の他方側の面5b)が互いに離間するように、高分子材料モデル10の伸長が計算される。 The deformation calculation of the polymer material model 10 can be performed, for example, according to the procedures described in the above-mentioned Patent Document 1 and Patent Document (Japanese Patent Laid-Open No. 2016-81297). That is, in this embodiment, in the z-axis direction, one end of the polymer material model 10 (the surface 5a on one side of the cell 4 shown in FIG. 4) and the other end of the polymer material model 10 (the surface 5a on one side of the cell 4 shown in FIG. 4) The elongation of the polymer material model 10 is calculated so that the surfaces 5b) on the other side of the cell 4 are spaced apart from each other.

図9(a)は、変形計算前の高分子材料モデル10の一部を示す概念図である。図9(b)は、変形計算後の高分子材料モデル10の一部を示す概念図である。図9(b)では、空孔21が二点鎖線で示されている。 FIG. 9(a) is a conceptual diagram showing a part of the polymer material model 10 before deformation calculation. FIG. 9(b) is a conceptual diagram showing a part of the polymer material model 10 after deformation calculation. In FIG. 9(b), the holes 21 are indicated by two-dot chain lines.

図9(a)に示されるように、変形計算前の高分子材料モデル10には、上述した構造緩和計算(図3に示した工程S16及び工程S19)によって、図9(b)に二点鎖線で示した空孔(ボイド)21が形成されていない。ここで、空孔21とは、高分子材料モデル10のセル4において、フィラーモデル6、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8が存在しない領域である。 As shown in FIG. 9(a), the polymer material model 10 before the deformation calculation has two points shown in FIG. The voids 21 shown by the chain lines are not formed. Here, the void 21 is a region in the cell 4 of the polymer material model 10 where the filler model 6, polymer model 7, and coupling agent model 8 are not present.

空孔21は、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8の大きさに基づいて適宜定義されうる。本実施形態の空孔21は、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8が存在しない領域のうち、その領域の直径(楕円の場合には、短軸の長さ)L1が、ポリマーモデル7の粗視化粒子15の直径L3以上(即ち、直径L1が直径L3の1倍以上)の領域として定義される。 The pores 21 can be defined as appropriate based on the sizes of the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8. The hole 21 of this embodiment has a diameter (in the case of an ellipse, the length of the short axis) L1 of the region in which the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8 are not present. , is defined as a region where the diameter L3 or more of the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 is greater than or equal to the diameter L3 (that is, the diameter L1 is one or more times the diameter L3).

工程S2では、高分子材料モデル10の伸長計算により、フィラーモデル6、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8の熱運動が計算される。このような熱運動は、高分子材料モデル10に与えられた歪み、図7及び図8に示した上記ポテンシャルP1~P10、及び、運動方程式に基づいて計算される。これにより、図9(b)に示されるように、セル4には、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8が何も存在しない上述の空孔(ボイド)21が形成される。このような空孔21により、高分子材料モデル10において、高分子材料の破壊が再現される。変形させるための条件としては、高分子材料モデル10の内部に、空孔21を形成することができれば、例えば、上記の特許文献1の記載に基づいて、適宜設定することができる。 In step S2, thermal motion of the filler model 6, polymer model 7, and coupling agent model 8 is calculated by elongation calculation of the polymer material model 10. Such thermal motion is calculated based on the strain given to the polymer material model 10, the potentials P1 to P10 shown in FIGS. 7 and 8, and the equation of motion. As a result, as shown in FIG. 9(b), the above-mentioned voids 21 in which no filler model 6, polymer model 7, and coupling agent model 8 are present are formed in the cell 4. Ru. Due to such holes 21, destruction of the polymer material is reproduced in the polymer material model 10. Conditions for the deformation can be appropriately set, for example, based on the description in Patent Document 1 mentioned above, as long as the pores 21 can be formed inside the polymer material model 10.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、図2に示されるように、コンピュータ1が、空孔21が形成された高分子材料モデル10の内部に、複数の空孔粒子モデルを配置する(工程S3)。図10は、空孔粒子モデル22が配置された高分子材料モデル10の一部分を示す概念図である。図10では、空孔粒子モデル22を区別しやすいように、空孔粒子モデル22が色付けされている。 Next, in the simulation method of this embodiment, as shown in FIG. S3). FIG. 10 is a conceptual diagram showing a portion of the polymer material model 10 in which the void particle model 22 is arranged. In FIG. 10, the hole particle models 22 are colored to make it easier to distinguish between the hole particle models 22.

空孔粒子モデル22は、空孔21を特定するためのものである。したがって、空孔粒子モデル22は、フィラーモデル6、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8とは異なり、高分子材料に含まれる成分(本例では、ポリマー、フィラー及びカップリング剤等)に基づくものではない。 The pore particle model 22 is for specifying the pores 21. Therefore, unlike the filler model 6, polymer model 7, and coupling agent model 8, the void particle model 22 is based on components contained in a polymeric material (in this example, a polymer, a filler, a coupling agent, etc.). isn't it.

空孔粒子モデル22については、適宜設定することができる。本実施形態の空孔粒子モデル22は、分子動力学計算において、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、空孔粒子モデル22は、粗視化粒子15と同様に、例えば、直径、質量、電荷又は初期座標などのパラメータが定義される。 The pore particle model 22 can be set as appropriate. The hole particle model 22 of this embodiment is treated as a mass point in the equation of motion in molecular dynamics calculations. That is, in the hole particle model 22, parameters such as diameter, mass, electric charge, or initial coordinates are defined similarly to the coarse-grained particles 15.

空孔粒子モデル22の直径L2については、上記した空孔21として定義される直径L1(図9(b)に示す)以下であれば、適宜設定することができる。本実施形態の空孔粒子モデル22の直径L2は、ポリマーモデル7の粗視化粒子15の直径L3と同一に設定されている。また、空孔粒子モデル22の質量は、適宜設定することができ、例えば、ポリマーモデル7の粗視化粒子15の質量と同一に設定されている。 The diameter L2 of the hole particle model 22 can be set as appropriate as long as it is equal to or less than the diameter L1 (shown in FIG. 9(b)) defined as the hole 21 described above. The diameter L2 of the void particle model 22 of this embodiment is set to be the same as the diameter L3 of the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7. Further, the mass of the void particle model 22 can be set as appropriate, and is set to be the same as the mass of the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7, for example.

空孔粒子モデル22は、ポリマーモデル7とは異なり、他の空孔粒子モデル22と結合鎖モデル等で結合されていない。本実施形態の空孔粒子モデル22には、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8との重なりが許容される条件が定義されている。工程S3では、高分子材料モデル10の内部において、フィラーモデル6が配置されていない領域に、空孔粒子モデル22がランダムに配置される。このように、フィラーモデルが配置されていない領域に空孔粒子モデル22を配置する理由としては、強固なフィラーモデル6の内部に空孔21が形成されないためである。 Unlike the polymer model 7, the hole particle model 22 is not connected to other hole particle models 22 by a bonding chain model or the like. Conditions are defined for the void particle model 22 of this embodiment to allow overlap with the polymer model 7 and the coupling agent model 8. In step S3, the pore particle models 22 are randomly arranged inside the polymer material model 10 in areas where the filler models 6 are not arranged. The reason why the pore particle model 22 is arranged in a region where no filler model is arranged in this way is that the pores 21 are not formed inside the strong filler model 6.

空孔粒子モデル22の個数については、適宜設定することができる。本実施形態の空孔粒子モデル22の個数は、空孔21の合計体積を、1つの空孔粒子モデル22の体積で除した値に設定されている。これにより、空孔粒子モデル22の合計体積と、空孔21の合計体積とを同一にすることができる。また、空孔21の合計体積は、図9(b)に示した変形後の高分子材料モデル10(セル4)の体積から、図9(a)に示した変形前の高分子材料モデル10(セル4)の体積を減じることで求められる。空孔粒子モデル22は、コンピュータ1に記憶される。 The number of hole particle models 22 can be set as appropriate. The number of hole particle models 22 in this embodiment is set to a value obtained by dividing the total volume of holes 21 by the volume of one hole particle model 22. Thereby, the total volume of the pore particle model 22 and the total volume of the pores 21 can be made the same. In addition, the total volume of the pores 21 can be calculated from the volume of the polymer material model 10 (cell 4) after deformation shown in FIG. 9(b) to the volume of the polymer material model 10 before deformation shown in FIG. 9(a). It is obtained by subtracting the volume of (cell 4). The pore particle model 22 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、図2及び図10に示されるように、コンピュータ1が、空孔粒子モデル22が空孔21内に集まるような相互作用を、空孔粒子モデル22と高分子材料モデル10との間に定義する(工程S4)。 Next, in the simulation method of this embodiment, as shown in FIG. 2 and FIG. and the polymer material model 10 (step S4).

相互作用については、後述の構造緩和を計算する工程S5において、空孔粒子モデル22が空孔21内に集まることができれば、適宜設定されうる。本実施形態の相互作用には、第1ポテンシャルP11が含まれる。 The interaction can be appropriately set as long as the pore particle model 22 can be gathered within the pores 21 in step S5 of calculating structural relaxation, which will be described later. The interaction in this embodiment includes the first potential P11.

第1ポテンシャルP11は、一対の空孔粒子モデル22、22間に引力を作用させるためのものである。本実施形態の第1ポテンシャルP11は、LJポテンシャルで定義される。このような第1ポテンシャルP11は、後述の構造緩和の計算において、互いに近づいた空孔粒子モデル22、22に引力を作用させて、空孔粒子モデル22のクラスター(集団)を、空孔21内で形成するのに役立つ。 The first potential P11 is for applying an attractive force between the pair of hole particle models 22, 22. The first potential P11 of this embodiment is defined by the LJ potential. Such a first potential P11 applies an attractive force to the hole particle models 22 and 22 that are close to each other in the calculation of structural relaxation described later, and causes a cluster (group) of the hole particle models 22 to move inside the holes 21. It helps to form.

第1ポテンシャル(LJポテンシャル)P11に定義される各定数は、例えば、論文1( Kurt Kremer & Gary S. Grest 著、「Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation」、J. Chem Phys. vol.92, No.8, 15 April 1990、p5057-5086)の記載に基づいて、適宜設定されうる。第1ポテンシャルP11は、コンピュータ1に記憶される。 Each constant defined in the first potential (LJ potential) P11 is, for example, described in paper 1 (Kurt Kremer & Gary S. Grest, "Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation", J. Chem Phys. vol.92, No.8, 15 April 1990, p5057-5086). The first potential P11 is stored in the computer 1.

さらに、本実施形態の相互作用には、第2ポテンシャルP12が含まれる。第2ポテンシャルP12は、空孔粒子モデル22とポリマーモデル7との間に斥力を作用させるためのものである。本実施形態の第2ポテンシャルP12は、空孔粒子モデル22と、ポリマーモデル7の粗視化粒子15との間に設定されている。さらに、本実施形態の第2ポテンシャルP12は、空孔粒子モデル22と、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19との間に設定されている。 Furthermore, the interaction in this embodiment includes the second potential P12. The second potential P12 is for applying a repulsive force between the hole particle model 22 and the polymer model 7. The second potential P12 of this embodiment is set between the void particle model 22 and the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7. Furthermore, the second potential P12 of this embodiment is set between the hole particle model 22 and the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8.

本実施形態の第2ポテンシャルP12としては、下記式(1)のソフトコアポテンシャルUsoftが定義される。 As the second potential P12 of this embodiment, the soft core potential U soft of the following formula (1) is defined.

Figure 0007400538000001
ここで、定数及び変数は、次のとおりである。
A:斥力の高さ(強度)に対応する定数
ij:粗視化粒子間の距離
c:カットオフ距離
なお、粗視化粒子間の距離rij及びカットオフ距離rcは、粒子(粒子モデル)の中心間の距離として定義される。
Figure 0007400538000001
Here, the constants and variables are as follows.
A: Constant corresponding to the height (strength) of repulsive force r ij : Distance between coarse-grained particles r c : Cutoff distance Note that the distance r ij between coarse-grained particles and the cutoff distance r c are particle model).

ソフトコアポテンシャルUsoftは、散逸粒子動力学法(DPD)に基づくものである。ソフトコアポテンシャルUsoftでは、距離rijがカットオフ距離rc以上となる場合に、斥力が0となる。一方、距離rijがカットオフ距離rc未満となる場合には、斥力が大きくなる。さらに、距離rijが0に収束しても、斥力は有限値となる。したがって、ソフトコアポテンシャルUsoftは、粒子間の距離が小さくなるほど無限に大きくなるポテンシャルとは異なり、無限大に発散することがない。 The soft core potential U soft is based on dissipative particle dynamics (DPD). In the soft core potential U soft , the repulsive force becomes 0 when the distance r ij is equal to or greater than the cutoff distance r c . On the other hand, when the distance r ij is less than the cutoff distance r c , the repulsive force becomes large. Furthermore, even if the distance r ij converges to 0, the repulsive force becomes a finite value. Therefore, the soft core potential U soft does not diverge to infinity, unlike a potential that increases infinitely as the distance between particles becomes smaller.

上記式(1)の定数Aは、ポテンシャルの高さ(強さ)を調整するためのものである。本実施形態の第2ポテンシャルP12では、上記式(1)の定数Aが、第3ポテンシャルP13に比べて小さく設定されている。これにより、第2ポテンシャルP12は、距離rijが0に収束したときの斥力を小さくすることができ、空孔粒子モデル22とポリマーモデル7(及びカップリング剤モデル8)との重なりが許容されうる。定数Aについては、空孔粒子モデル22とポリマーモデル7(及びカップリング剤モデル8)との重なりが許容されれば、適宜設定されうる。定数Aは、0.5~2.0に設定されるのが望ましい。 The constant A in the above formula (1) is for adjusting the height (strength) of the potential. In the second potential P12 of this embodiment, the constant A in the above equation (1) is set smaller than in the third potential P13. As a result, the second potential P12 can reduce the repulsive force when the distance r ij converges to 0, and the overlap between the hole particle model 22 and the polymer model 7 (and the coupling agent model 8) is allowed. sell. The constant A can be appropriately set as long as the void particle model 22 and the polymer model 7 (and the coupling agent model 8) are allowed to overlap. It is desirable that the constant A is set between 0.5 and 2.0.

第2ポテンシャルP12において、上記式(1)の他の定数及び変数の値は、適宜設定されうる。本実施形態の値は、論文2(Robert D. Groot and Patrick B. Warren 著「Dissipative particle dynamics: Bridging the gap between atomistic and mesoscopic simulation」、J. Chem Phys. vol.107, No.11, 15 September 1997)に基づいて適宜設定される。第2ポテンシャルP12は、コンピュータ1に記憶される。 In the second potential P12, the values of other constants and variables in the above equation (1) can be set as appropriate. The values of this embodiment are based on paper 2 (Robert D. Groot and Patrick B. Warren, "Dissipative particle dynamics: Bridging the gap between atomic and mesoscopic simulation", J. Chem Phys. vol.107, No.11, 15 September 1997) as appropriate. The second potential P12 is stored in the computer 1.

さらに、本実施形態の相互作用には、第3ポテンシャルP13が含まれる。第3ポテンシャルP13は、空孔粒子モデル22とフィラーモデル6との間に斥力を作用させるためのものである。本実施形態の第3ポテンシャルP13は、空孔粒子モデル22と、フィラーモデル6(フィラー粒子モデル11)の小粒子12との間に設定されている。本実施形態の第3ポテンシャルP13としては、第2ポテンシャルP12と同様に、上記式(1)のソフトコアポテンシャルUsoftが定義される。 Furthermore, the interaction in this embodiment includes the third potential P13. The third potential P13 is for applying a repulsive force between the hole particle model 22 and the filler model 6. The third potential P13 of this embodiment is set between the hole particle model 22 and the small particles 12 of the filler model 6 (filler particle model 11). As the third potential P13 of this embodiment, the soft core potential U soft of the above equation (1) is defined similarly to the second potential P12.

本実施形態の第3ポテンシャルP13の上記式(1)の定数Aは、第2ポテンシャルP12の定数Aに比べて大きく設定されている。これにより、第3ポテンシャルP13は、距離rijが0に収束したときの斥力を大きくすることができ、空孔粒子モデル22とフィラーモデル6との重なりを防ぐことができる。したがって、後述の構造緩和を計算する工程S5において、空孔21が形成されないフィラーモデル6の内部に、空孔粒子モデル22が配されるの防ぐことができる。 The constant A in the above equation (1) of the third potential P13 of this embodiment is set larger than the constant A of the second potential P12. Thereby, the third potential P13 can increase the repulsive force when the distance r ij converges to 0, and can prevent the hole particle model 22 and the filler model 6 from overlapping. Therefore, in step S5 of calculating structural relaxation, which will be described later, it is possible to prevent the pore particle model 22 from being placed inside the filler model 6 in which the pores 21 are not formed.

なお、定数Aについては、空孔粒子モデル22とフィラーモデル6との重なりを防ぐことができれば、適宜設定されうる。定数Aは、50~150に設定されるのが望ましい。第3ポテンシャルP13において、上記式(1)の他の定数及び変数の値は、上記の論文2に基づいて適宜設定されうる。第3ポテンシャルP13は、コンピュータ1に記憶される。 Note that the constant A can be set as appropriate as long as it is possible to prevent the void particle model 22 and the filler model 6 from overlapping. It is desirable that the constant A is set between 50 and 150. In the third potential P13, the values of other constants and variables in the above equation (1) can be appropriately set based on the above paper 2. The third potential P13 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、相互作用に基づいて、空孔21が形成された高分子材料モデル10と空孔粒子モデル22との構造緩和を計算する(工程S5)。工程S5では、工程S4で定義された相互作用(本例では、第1ポテンシャルP11~第3ポテンシャルP13)に基づいて、分子動力学計算に基づく構造緩和が計算される。分子動力学計算は、上記の特許文献1の記載に基づいて、適宜実施される。図11は、構造緩和計算後の高分子材料モデル10及び空孔粒子モデル22の一例を示す概念図である。 Next, in the simulation method of this embodiment, the computer 1 calculates the structural relaxation between the polymer material model 10 in which the holes 21 are formed and the hole particle model 22 based on the interaction (step S5). . In step S5, structural relaxation based on molecular dynamics calculation is calculated based on the interactions defined in step S4 (in this example, first potential P11 to third potential P13). Molecular dynamics calculations are appropriately performed based on the description in Patent Document 1 mentioned above. FIG. 11 is a conceptual diagram showing an example of the polymer material model 10 and the void particle model 22 after structural relaxation calculation.

工程S5では、第2ポテンシャルP12(図10に示す)によって、空孔粒子モデル22とポリマーモデル7(及びカップリング剤モデル8)との間に、斥力が作用する。このような斥力により、工程S5では、空孔粒子モデル22を、ポリマーモデル7(カップリング剤モデル8)が配されていない空孔21に移動させることができる。さらに、工程S5では、第3ポテンシャルP13(図10に示す)による空孔粒子モデル22とフィラーモデル6との間に斥力により、空孔粒子モデル22を、フィラーモデル6が配されていない空孔21に移動させることができる。これにより、工程S5では、高分子材料モデル10の空孔21に、空孔粒子モデル22を配置することができる。 In step S5, a repulsive force acts between the hole particle model 22 and the polymer model 7 (and the coupling agent model 8) due to the second potential P12 (shown in FIG. 10). Due to such repulsive force, in step S5, the pore particle model 22 can be moved to the pores 21 in which the polymer model 7 (coupling agent model 8) is not arranged. Further, in step S5, a repulsive force between the pore particle model 22 and the filler model 6 due to the third potential P13 (shown in FIG. 10) causes the pore particle model 22 to It can be moved to 21. Thereby, in step S5, the pore particle model 22 can be placed in the pores 21 of the polymer material model 10.

工程S5では、高分子材料モデル10の内部でのポリマーモデル7の位置が固定された状態で、構造緩和が計算されるのが望ましい。さらに、工程S5では、高分子材料モデル10の内部でのフィラーモデル6の位置を固定した状態で、構造緩和が計算されるのが望ましい。これにより、工程S5では、工程S2で形成された空孔21の形状を維持しつつ、それらの空孔21に空孔粒子モデル22を配置することができる。 In step S5, it is desirable that the structural relaxation be calculated while the position of the polymer model 7 inside the polymer material model 10 is fixed. Furthermore, in step S5, it is desirable that the structural relaxation be calculated while the position of the filler model 6 inside the polymer material model 10 is fixed. Thereby, in step S5, the pore particle models 22 can be placed in the pores 21 while maintaining the shapes of the pores 21 formed in step S2.

工程S5では、一対の空孔粒子モデル22、22間に定義された第1ポテンシャルP11(図10に示す)による引力により、空孔21に配置された空孔粒子モデル22のクラスター(集団)25が形成される。これにより、工程S5では、空孔21内に配置された空孔粒子モデル22が、空孔21の外に配置されるのを防ぎつつ、空孔粒子モデル22を空孔21内に集合させることができる。高分子材料モデル10と空孔粒子モデル22との構造緩和の計算結果は、コンピュータ1に記憶される。 In step S5, a cluster (group) 25 of the pore particle models 22 arranged in the pores 21 is generated by the attraction force due to the first potential P11 (shown in FIG. 10) defined between the pair of pore particle models 22, 22. is formed. As a result, in step S5, the pore particle models 22 placed inside the pores 21 are prevented from being placed outside the pores 21, and the pore particle models 22 are collected inside the pores 21. I can do it. The calculation results of structural relaxation of the polymer material model 10 and the void particle model 22 are 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、構造緩和後の空孔粒子モデル22の位置情報を取得する(工程S6)。位置情報は、空孔粒子モデル22との構造緩和後の高分子材料モデル10(セル4)において、そのセル4の内部での空孔粒子モデル22の座標値が取得される。 Next, in the simulation method of this embodiment, the computer 1 acquires position information of the pore particle model 22 after structural relaxation (step S6). As for the position information, in the polymer material model 10 (cell 4) after structural relaxation with the hole particle model 22, the coordinate values of the hole particle model 22 inside the cell 4 are acquired.

上述したように、空孔粒子モデル22は、空孔21内に配されている。このため、工程S6では、空孔粒子モデル22の位置情報(座標値)によって、高分子材料モデル10(セル4)に形成された空孔21の位置を特定することが可能となる。さらに、空孔粒子モデル22の密度の大きさによって、空孔21の大きさを特定することが可能となる。 As described above, the hole particle model 22 is placed inside the hole 21 . Therefore, in step S6, the position of the pores 21 formed in the polymer material model 10 (cell 4) can be specified based on the position information (coordinate values) of the pore particle model 22. Furthermore, the size of the pores 21 can be specified based on the density of the pore particle model 22.

このように、本実施形態のシミュレーション方法では、空孔粒子モデル22の位置情報から、高分子材料モデル10の内部に形成された空孔21を特定することができる。したがって、本実施形態のシミュレーション方法では、高分子材料において、破壊(空孔)が発生しやすい箇所や、破壊(空孔)の発生因子等を特定することが可能になり、耐破壊性に優れる高分子材料の開発に役立たせることができる。 In this way, in the simulation method of this embodiment, the pores 21 formed inside the polymer material model 10 can be specified from the position information of the pore particle model 22. Therefore, the simulation method of the present embodiment makes it possible to identify locations where fractures (vacancies) are likely to occur and the factors that cause fractures (vacancies) in a polymer material, resulting in excellent fracture resistance. It can be useful for the development of polymer materials.

さらに、本実施形態では、図10に示されるように、空孔粒子モデル22の大きさ(直径L2)が、ポリマーモデル7の粗視化粒子15の大きさ(直径L3)と同一に設定されている。このため、空孔粒子モデル22の位置情報が特定されることにより、高分子材料モデル10の内部に形成された空孔21を、粗視化粒子15と同じ尺度で、定量的に特定することができる。 Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 10, the size (diameter L2) of the pore particle model 22 is set to be the same as the size (diameter L3) of the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7. ing. Therefore, by specifying the positional information of the pore particle model 22, the pores 21 formed inside the polymer material model 10 can be quantitatively specified on the same scale as the coarse-grained particles 15. I can do it.

工程S6では、空孔粒子モデル22の位置情報として、空孔粒子モデル22の動径分布関数が取得されるのが望ましい。本実施形態の動径分布関数は、各カップリング剤モデル8の粗視化粒子19からの距離r(図示省略)において、空孔粒子モデル22が存在する確率密度を表す関数である。動径分布関数の計算は、例えば、特許文献(特開2015-56002号公報)の記載に基づいて適宜行われる。図12は、空孔粒子モデル22の動径分布関数の一例を示すグラフである。 In step S6, it is desirable that the radial distribution function of the void particle model 22 is acquired as the position information of the void particle model 22. The radial distribution function of this embodiment is a function representing the probability density that the hole particle model 22 exists at a distance r (not shown) from the coarse-grained particle 19 of each coupling agent model 8. Calculation of the radial distribution function is performed as appropriate based on, for example, the description in patent document (Japanese Patent Laid-Open No. 2015-56002). FIG. 12 is a graph showing an example of the radial distribution function of the hole particle model 22.

一般に、カップリング剤は、ポリマーとフィラーとを結合させて、高分子材料の強度を向上させるためのものである。このため、高分子材料モデル10において、カップリング剤モデル8による補強効果が高い場合には、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19の付近に、空孔21は形成され難くなる。この場合、図12に示したグラフにおいて、距離rが小さいほど、そこに空孔粒子モデル22が存在する確率が低くなり、動径分布が小さくなる。 Generally, a coupling agent is used to bond a polymer and a filler to improve the strength of a polymeric material. Therefore, in the polymer material model 10, when the reinforcing effect of the coupling agent model 8 is high, the pores 21 are less likely to be formed near the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8. In this case, in the graph shown in FIG. 12, the smaller the distance r, the lower the probability that the hole particle model 22 exists there, and the smaller the radial distribution becomes.

このように、工程S6では、空孔粒子モデル22の動径分布関数が取得されることにより、空孔21を定量的に解析することが可能となる。空孔粒子モデル22の位置情報は、コンピュータ1に記憶される。 In this manner, in step S6, the radial distribution function of the pore particle model 22 is acquired, thereby making it possible to quantitatively analyze the pores 21. The position information of the hole particle model 22 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、高分子材料モデル10の空孔21の大きさが、予め定められた閾値よりも小さいか否かを判断する(工程S7)。本実施形態の工程S7では、空孔21の大きさが、空孔粒子モデル22の位置情報(本例では、動径分布関数)に基づいて取得される。また、閾値は、高分子材料に求められる強度や、カップリング剤に求められる補強強化等に基づいて適宜設定される。 Next, in the simulation method of this embodiment, the computer 1 determines whether the size of the pores 21 in the polymer material model 10 is smaller than a predetermined threshold (step S7). In step S7 of this embodiment, the size of the pores 21 is acquired based on the position information of the pore particle model 22 (in this example, the radial distribution function). Further, the threshold value is appropriately set based on the strength required of the polymer material, the reinforcement required of the coupling agent, and the like.

工程S7において、空孔21の大きさが閾値よりも小さい場合(工程S7で、「Y」)、高分子材料モデル10が、所望の耐破壊性を有していると評価されうる。このため、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10に設定された諸条件に基づいて、高分子材料が製造される(工程S8)。 In step S7, if the size of the pores 21 is smaller than the threshold value (“Y” in step S7), the polymer material model 10 can be evaluated as having desired fracture resistance. Therefore, in the simulation method of this embodiment, a polymer material is manufactured based on the conditions set in the polymer material model 10 (step S8).

一方、工程S7において、空孔21の大きさが閾値以上である場合(工程S7で、「N」)、高分子材料モデル10が所望の耐破壊性を有していないと評価することができる。このため、本実施形態のシミュレーション方法では、高分子材料の諸条件(例えば、カップリング剤の分子構造や架橋剤の分子構造)が変更され(工程S9)、モデル設定工程S1~工程S7が再度実施される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法は、耐破壊性、及び、耐摩耗性に優れる高分子材料を製造することができる。 On the other hand, in step S7, if the size of the pores 21 is equal to or larger than the threshold value ("N" in step S7), it can be evaluated that the polymer material model 10 does not have the desired fracture resistance. . Therefore, in the simulation method of this embodiment, the conditions of the polymer material (for example, the molecular structure of the coupling agent and the molecular structure of the crosslinking agent) are changed (step S9), and the model setting steps S1 to S7 are repeated. Implemented. As a result, the simulation method of this embodiment can produce a polymer material with excellent fracture resistance and wear resistance.

これまでの実施形態の高分子材料モデル10は、フィラーモデル6、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8が含まれたが、このような態様に限定されない。高分子材料モデル10は、例えば、解析対象の高分子材料の成分に基づいて、フィラーモデル6や、カップリング剤モデル8が省略されてもよいし、他の成分をモデリングしたものが含まれてもよい。 The polymer material model 10 of the embodiments so far included a filler model 6, a polymer model 7, and a coupling agent model 8, but is not limited to such aspects. For example, the polymer material model 10 may omit the filler model 6 and the coupling agent model 8, or may include models in which other components are modeled, based on the components of the polymer material to be analyzed. Good too.

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 particularly preferred 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 and implemented in various ways.

図3に示した処理手順に基づいて、カップリング剤モデルの個数が異なる2つの高分子材料モデル(以下、それぞれ「高分子材料モデルa」、「高分子材料モデルb」という。)が、コンピュータに入力された(実施例)。高分子材料モデルbは、高分子材料モデルaに比べて、カップリング剤モデルの個数が多く入力された。そして、実施例では、図2に示した処理手順に基づいて、高分子材料モデルa及びbの一部に空孔が形成されるように、これらの高分子材料モデルa及びbの変形が計算された。図13は、変形計算後の高分子材料モデルbを示す概念図である。 Based on the processing procedure shown in FIG. (Example) In the polymer material model b, a larger number of coupling agent models were input than in the polymer material model a. In the example, the deformation of these polymer material models a and b is calculated based on the processing procedure shown in FIG. 2 so that holes are formed in some of the polymer material models a and b. It was done. FIG. 13 is a conceptual diagram showing the polymer material model b after deformation calculation.

実施例では、空孔が形成された高分子材料モデルa及びbの内部に、複数の空孔粒子モデルがそれぞれ配置された。空孔粒子モデルと高分子材料モデル(ポリマーモデルの粗視化粒子、フィラーモデルの小粒子及びカップリング剤モデルの粗視化粒子)との間に、空孔粒子モデルが空孔内に集まるような相互作用が定義された。相互作用としては、一対の空孔粒子モデル間の第1ポテンシャル、空孔粒子モデルとポリマーモデルとの間の第2ポテンシャル、及び、空孔粒子モデルとフィラーモデルとの間の第3ポテンシャルが定義された。 In the example, a plurality of pore particle models were placed inside polymer material models a and b in which pores were formed, respectively. Between the pore particle model and the polymer material model (coarse-grained particles in the polymer model, small particles in the filler model, and coarse-grained particles in the coupling agent model), the pore particle model is created so that it gathers within the pores. interactions were defined. The interactions are defined as a first potential between a pair of hole particle models, a second potential between the hole particle model and the polymer model, and a third potential between the hole particle model and the filler model. It was done.

そして、実施例では、相互作用に基づいて、空孔が形成された高分子材料モデルa及びbと空孔粒子モデルとの構造緩和が計算された。この構造緩和の計算では、高分子材料モデルa及びbの内部でのフィラーモデルの位置、及び、ポリマーモデルの位置が固定された状態で行われた。 In the example, the structural relaxation between the polymer material models a and b in which holes were formed and the hole particle model was calculated based on the interaction. This structural relaxation calculation was performed with the positions of the filler model and the polymer model inside the polymer material models a and b fixed.

図14は、構造緩和計算後の高分子材料モデルb及び空孔粒子モデルの一例を示す概念図である。実施例では、高分子材料モデルの内部に形成された空孔21に、空孔粒子モデルのクラスター(集団)25が形成された。そして、実施例では、構造緩和後の空孔粒子モデルの位置情報が取得された。共通仕様等は、次のとおりである。
セル:
一辺の長さL1:350σ
フィラーモデル:
フィラー粒子モデル:
半径:12σ
(σ:粗視化MDシミュレーションの長さの単位)
個数:4個
1つのフィラー粒子モデルの小粒子:16、589個
ポリマーモデル:
個数:500本
1つのポリマーモデルを構成する粗視化粒子:200個
架橋点:714点
カップリング剤モデルの粗視化粒子の数:
高分子材料モデルa:114個
高分子材料モデルb:700個
変形計算:
ポアソン比:0
ひずみ速度:50%/600τ
(τ:粗視化MDシミュレーションの時間の単位)
空孔粒子モデル:
個数:17412個
第1ポテンシャル(LJポテンシャル)
ε:1
c:21/6
第2ポテンシャル(ソフトコアポテンシャル):
A:15.0
c:21/6
第3ポテンシャル(ソフトコアポテンシャル):
A:100.0
c:21/6
FIG. 14 is a conceptual diagram showing an example of a polymer material model b and a hole particle model after structural relaxation calculation. In the example, a cluster (group) 25 of the pore particle model was formed in the pores 21 formed inside the polymer material model. In the example, positional information of the pore particle model after structural relaxation was obtained. The common specifications are as follows.
cell:
Length of one side L1: 350σ
Filler model:
Filler particle model:
Radius: 12σ
(σ: unit of length of coarse-grained MD simulation)
Number of pieces: 4 pieces
Small particles in one filler particle model: 16,589 pieces Polymer model:
Quantity: 500 pieces
Coarse-grained particles constituting one polymer model: 200 Crosslinking points: 714 points Number of coarse-grained particles in coupling agent model:
Polymer material model a: 114 pieces
Polymer material model b: 700 pieces Deformation calculation:
Poisson's ratio: 0
Strain rate: 50%/600τ
(τ: unit of time for coarse-grained MD simulation)
Hole particle model:
Number: 17412 1st potential (LJ potential)
ε:1
rc :2 1/6
Second potential (soft core potential):
A:15.0
rc :2 1/6
Third potential (soft core potential):
A:100.0
rc :2 1/6

図13に示されるように、変形計算後の高分子材料モデルでは、空孔が形成されていることが確認できるが、空孔では位置情報が取得できないため、空孔を定量的に解析することができない。しかしながら、実施例では、図14に示されるように、高分子材料モデルの空孔に、空孔粒子モデルを集めることができたため、空孔粒子モデルの位置情報に基づいて、空孔を定量的に解析することができた。 As shown in Figure 13, it can be confirmed that pores are formed in the polymer material model after the deformation calculation, but since position information cannot be obtained for the pores, it is necessary to quantitatively analyze the pores. I can't. However, in the example, as shown in FIG. 14, since the vacancy particle models were able to be collected in the pores of the polymer material model, the vacancies could be quantitatively identified based on the position information of the vacancy particle models. I was able to analyze it.

図15は、空孔粒子モデルの動径分布関数の一例を示すグラフである。図15では、高分子材料モデルaが実線で示されており、高分子材料モデルbが破線で示されている。図15に示されるように、高分子材料モデルbは、高分子材料モデルaに比べて、距離rが小さい部分において、空孔粒子モデルが存在する確率(動径分布関数g(r))が低くなっており、補強効果が高いことが示されている。したがって、実施例は、カップリング剤が大きいほど、高分子材料の強度が高いことを、定量的に示すことができた。 FIG. 15 is a graph showing an example of the radial distribution function of the void particle model. In FIG. 15, the polymer material model a is shown by a solid line, and the polymer material model b is shown by a broken line. As shown in FIG. 15, the polymer material model b has a higher probability (radial distribution function g(r)) of the existence of the pore particle model in the portion where the distance r is smaller than that of the polymer material model a. This shows that the reinforcing effect is high. Therefore, the example was able to quantitatively demonstrate that the larger the coupling agent, the higher the strength of the polymer material.

S1 高分子材料モデルを入力する工程
S2 高分子材料モデルの変形を計算する工程
S3 高分子材料モデルの内部に、複数の空孔粒子モデルを配置する工程
S4 空孔粒子モデルと高分子材料モデルとの間に、相互作用を定義する工程
S5 高分子材料モデルと空孔粒子モデルとの構造緩和を計算する工程
S6 構造緩和後の空孔粒子モデルの位置情報を取得する工程
S1 Step of inputting the polymer material model S2 Step of calculating deformation of the polymer material model S3 Step of arranging a plurality of hole particle models inside the polymer material model S4 Step of combining the hole particle model and the polymer material model In between, a step of defining the interaction S5 a step of calculating structural relaxation between the polymer material model and the hole particle model S6 a step of acquiring position information of the hole particle model after structural relaxation

Claims (7)

高分子材料のシミュレーション方法であって、
前記高分子材料に基づいて、数値計算用の高分子材料モデルをコンピュータに入力する工程を含み、
前記コンピュータが、
前記高分子材料モデルの内部の少なくとも一部に空孔が形成されるように、予め定められた条件に基づいて、前記高分子材料モデルの変形を計算する工程と、
前記空孔が形成された前記高分子材料モデルの内部に、複数の空孔粒子モデルを配置する工程と、
前記空孔粒子モデルが前記空孔内に集まるような相互作用を、前記空孔粒子モデルと前記高分子材料モデルとの間に定義する工程と、
前記相互作用に基づいて、前記空孔が形成された前記高分子材料モデルと前記空孔粒子モデルとの構造緩和を計算する工程と、
前記構造緩和後の前記空孔粒子モデルの位置情報を取得する工程とを実行する、
高分子材料のシミュレーション方法。
A simulation method for polymer materials, the method comprising:
A step of inputting a polymer material model for numerical calculation into a computer based on the polymer material,
The computer,
calculating a deformation of the polymer material model based on predetermined conditions so that pores are formed in at least a portion of the interior of the polymer material model;
arranging a plurality of pore particle models inside the polymer material model in which the pores are formed;
defining an interaction between the void particle model and the polymer material model such that the void particle model gathers within the void;
calculating structural relaxation between the polymer material model in which the vacancies are formed and the vacancy particle model based on the interaction;
acquiring positional information of the hole particle model after the structural relaxation;
Simulation methods for polymer materials.
前記相互作用は、一対の前記空孔粒子モデル間に引力を作用させる第1ポテンシャルを含む、請求項1記載の高分子材料のシミュレーション方法。 2. The polymer material simulation method according to claim 1, wherein the interaction includes a first potential that applies an attractive force between the pair of hole particle models. 前記高分子材料モデルは、ポリマーをモデリングしたポリマーモデルを含み、
前記相互作用は、前記空孔粒子モデルと前記ポリマーモデルとの間に斥力を作用させる第2ポテンシャルを含む、請求項1又は2記載の高分子材料のシミュレーション方法。
The polymer material model includes a polymer model modeling a polymer,
3. The polymer material simulation method according to claim 1, wherein the interaction includes a second potential that causes a repulsive force to act between the hole particle model and the polymer model.
前記構造緩和を計算する工程は、前記高分子材料モデルの内部での前記ポリマーモデルの位置を固定した状態で行われる、請求項3記載の高分子材料のシミュレーション方法。 4. The polymer material simulation method according to claim 3, wherein the step of calculating the structural relaxation is performed while the position of the polymer model within the polymer material model is fixed. 前記高分子材料モデルは、フィラーをモデリングしたフィラーモデルを含み、
前記相互作用は、前記空孔粒子モデルと前記フィラーモデルとの間に斥力を作用させる第3ポテンシャルを含む、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の高分子材料のシミュレーション方法。
The polymer material model includes a filler model modeling a filler,
5. The polymer material simulation method according to claim 1, wherein the interaction includes a third potential that causes a repulsive force to act between the hole particle model and the filler model.
前記構造緩和を計算する工程は、前記高分子材料モデルの内部での前記フィラーモデルの位置を固定した状態で行われる、請求項5記載の高分子材料のシミュレーション方法。 6. The polymer material simulation method according to claim 5, wherein the step of calculating the structural relaxation is performed while the position of the filler model within the polymer material model is fixed. 前記位置情報を取得する工程は、前記空孔粒子モデルの動径分布関数を取得する、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の高分子材料のシミュレーション方法。 7. The polymer material simulation method according to claim 1, wherein the step of acquiring the position information acquires a radial distribution function of the hole particle model.
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