JP2020060850A - Method of analyzing composite material and computer program for analyzing composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムに関し、例えば、2以上の物質を含む複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to a composite material analysis method and a composite material analysis computer program, for example, a composite material analysis method and a composite material analysis computer program containing two or more substances.
従来、分子動力学を用いた複合材料のシミュレーション方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の複合材料のシミュレーション方法では、モデル作成領域内にポリマーモデル及びフィラーモデルを作成した後、フィラーモデル表面の結合位置にポリマーモデルを結合する。これにより、特許文献1に記載の複合材料の解析方法では、フィラー表面におけるポリマー粒子の結合状態が、複合材料の材料特性に与える影響を解析することが可能となる。 Conventionally, a method for simulating a composite material using molecular dynamics has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In the composite material simulation method described in Patent Document 1, after a polymer model and a filler model are created in the model creation region, the polymer model is bonded to the bonding position on the surface of the filler model. Accordingly, the composite material analysis method described in Patent Document 1 makes it possible to analyze the influence of the bonding state of the polymer particles on the filler surface on the material characteristics of the composite material.
ところで、タイヤの耐摩耗性能を向上させるゴム材料の開発を加速させるためには、ゴム材料の変形に伴うナノ構造の破壊のメカニズムを明らかにすることが一助となる。変形前後のゴム材料のナノ構造の破壊を解析することにより、実際のタイヤに用いられるフィラー充填ゴムの破断強度向上の材料開発を加速させることができる。 By the way, in order to accelerate the development of rubber materials that improve the wear resistance of tires, it is helpful to clarify the mechanism of destruction of the nanostructure due to the deformation of the rubber material. By analyzing the fracture of the nanostructure of the rubber material before and after deformation, it is possible to accelerate the development of materials for improving the fracture strength of the filler-filled rubber used in actual tires.
しかしながら、従来の分子動力学による数値解析では、ゴム材料の変形に伴うナノ構造の破壊を解析するためには、ゴム材料中のポリマー粒子の粒子間結合を破断して消去する必要がある。このため、破断後のポリマーモデルを解析しても、粒子間結合が既に消滅しているので、破断箇所を特定することはできず、ゴム材料のナノ構造の破壊のメカニズムの解析が困難であった。また、破断箇所を特定できたとしても、ゴム材料の破断を予測することは困難であった。 However, in the conventional numerical analysis using molecular dynamics, in order to analyze the destruction of the nanostructure due to the deformation of the rubber material, it is necessary to break and erase the interparticle bond of the polymer particles in the rubber material. Therefore, even if the polymer model after fracture is analyzed, the interparticle bond has already disappeared, so it is not possible to identify the fracture site, and it is difficult to analyze the mechanism of destruction of the nanostructure of the rubber material. It was Further, even if the breakage point could be specified, it was difficult to predict the breakage of the rubber material.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、複合材料の破断を予測することのできる複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a composite material analysis method and a composite material analysis computer program capable of predicting fracture of the composite material.
本発明に係る複合材料の解析方法は、コンピュータを用いた分子動力学法による複合材料の解析方法であって、前記コンピュータが、複合材料をモデル化した複合材料モデルを含む複合材料の解析用モデルを作成する第1ステップと、前記解析用モデル内の解析対象となる複合材料モデルに属し、粒子間結合で結合された少なくとも一対の粒子の粒子間距離に閾値を設定する第2ステップと、前記粒子間距離が前記閾値以上の場合に、前記粒子間結合を破断処理して前記解析用モデルの第1数値解析を実行する第3ステップと、前記第2ステップで与えた条件とは異なる条件を設定し、前記解析用モデルの第2数値解析を実行する第4ステップと、少なくとも前記第1数値解析と、前記第2数値解析とに基づいて、前記複合材料の破断特性を算出する第5ステップと、を含むことを特徴とする。 A method for analyzing a composite material according to the present invention is a method for analyzing a composite material by a molecular dynamics method using a computer, wherein the computer includes a composite material model in which the composite material is modeled And a second step of setting a threshold value for the interparticle distance of at least a pair of particles that belong to the analysis target composite material model in the analysis model and are bonded by interparticle bonding, When the inter-particle distance is equal to or more than the threshold value, the third step of performing the first numerical analysis of the analysis model by breaking the inter-particle bond and the condition different from the condition given in the second step are set. The fracture characteristics of the composite material are set based on the fourth step of setting and executing the second numerical analysis of the analysis model, and at least the first numerical analysis and the second numerical analysis. A fifth step of leaving, characterized in that it comprises a.
本発明に係る複合材料の解析方法によれば、複数の異なる条件の数値解析を実行することができる。そのため、本発明に係る複合材料の解析方法は、複数の数値解析に基づいて破断特性を算出することができる。その結果、本発明に係る複合材料の解析方法は、より精度よく破断特性を算出することができる。そして、破断処理を疑似的に行うこともできるので、粒子間距離が閾値以上の領域においても、粒子間結合が破断によって消去されずに解析用モデルを数値解析することも可能となる。これにより、特定物質の解析方法は、破断に伴う粒子間結合の物理的な消滅を防ぐことができるので、粒子間結合の疑似的な破断を再現することが可能となる。 According to the composite material analysis method of the present invention, it is possible to perform numerical analysis under a plurality of different conditions. Therefore, the composite material analysis method according to the present invention can calculate the fracture characteristics based on a plurality of numerical analyses. As a result, the method for analyzing a composite material according to the present invention can calculate fracture characteristics more accurately. Since the breaking process can be performed in a pseudo manner, it is possible to numerically analyze the analysis model even if the interparticle distance is equal to or larger than the threshold value, because the interparticle bond is not erased by the break. Accordingly, the method for analyzing a specific substance can prevent physical disappearance of interparticle bonds due to breakage, so that pseudo breakage of interparticle bonds can be reproduced.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記第1数値解析と、前記第2数値解析とでは、それぞれ異なる前記分子動力学法を実行することが好ましい。この方法により、同一の解析用モデルにおいて、異なる条件の数値解析を実行することができる。その結果、複数の数値解析を実行することができるので、より精度よく破断特性を算出することができるようになる。 In the method for analyzing a composite material according to the present invention, it is preferable that the first numerical analysis and the second numerical analysis perform different molecular dynamics methods. By this method, numerical analysis under different conditions can be executed in the same analysis model. As a result, since a plurality of numerical analyzes can be executed, the fracture characteristics can be calculated with higher accuracy.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記コンピュータは、前記第1ステップにおいて、複数の前記解析用モデルを作成することが好ましい。この方法により、条件の異なる複数の解析用モデルを作成することができる。その結果、複合材料のナノ構造や、変形条件が複合材料の判断に与える影響を評価することができる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable that the computer creates a plurality of the analysis models in the first step. By this method, it is possible to create a plurality of analytical models with different conditions. As a result, it is possible to evaluate the nanostructure of the composite material and the influence of the deformation conditions on the judgment of the composite material.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記コンピュータは、前記第1ステップにおいて、有限要素法を実行するための前記解析用モデルを作成することが好ましい。この方法により、分子動力学法を実行するための解析用モデルに加えて、有限要素法を実行するための解析用モデルを作成することができる。その結果、複数の異なる方法で、数値解析を実行することができるようになる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable that the computer creates the analysis model for executing the finite element method in the first step. By this method, in addition to the analytical model for executing the molecular dynamics method, an analytical model for executing the finite element method can be created. As a result, it becomes possible to perform numerical analysis in a number of different ways.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記コンピュータは、前記第4ステップにおいて、前記分子動力学法と、前記有限要素法とを実行することが好ましい。この方法により、複数の異なる数値解析の結果を比較することができるようになる。その結果、より精度よく破断特性を算出することができるようになる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable that the computer executes the molecular dynamics method and the finite element method in the fourth step. This method makes it possible to compare the results of different numerical analyses. As a result, the fracture characteristics can be calculated with higher accuracy.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記コンピュータは、前記分子動力学法による数値解析の結果を反映させて、前記有限要素法を実行するための前記解析用モデルを作成することが好ましい。この方法により、分子動力学法の解析用モデルとはスケールの異なる、有限要素法の解析用モデルに、分子動力学法の数値解析の結果を含めることができる。その結果、より精度よく破断特性を算出することができるようになる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable that the computer reflects the result of the numerical analysis by the molecular dynamics method and creates the analysis model for executing the finite element method. By this method, the result of the numerical analysis of the molecular dynamics method can be included in the analytical model of the finite element method, which is different in scale from the analytical model of the molecular dynamics method. As a result, the fracture characteristics can be calculated with higher accuracy.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記コンピュータは、前記第4ステップにおいて、複数の前記解析用モデルの数値解析の結果に基づいて、前記破断特性を算出することが好ましい。この方法に、複数の解析用モデルに基づいて、破断特性を算出することができるようなる。これにより、解析用モデルに起因する、ばらつきの影響を除去することができる。その結果、より精度よく破断特性を算出することができるようになる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable that in the fourth step, the computer calculates the fracture characteristics based on a result of numerical analysis of the plurality of analysis models. With this method, the fracture characteristics can be calculated based on a plurality of analytical models. As a result, it is possible to eliminate the influence of variations caused by the analysis model. As a result, the fracture characteristics can be calculated with higher accuracy.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記コンピュータは、複数の前記解析用モデルの前記数値解析の結果を比較することが好ましい。これにより、条件の異なる複数の数値解析の結果を比較することができるようになる。これにより、複合材料のナノ構造や、変形条件の影響を評価することができる。その結果、より精度よく破断特性を算出することができるようなる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable that the computer compares the results of the numerical analysis of a plurality of the analysis models. As a result, it becomes possible to compare the results of a plurality of numerical analyzes under different conditions. This makes it possible to evaluate the nanostructure of the composite material and the influence of deformation conditions. As a result, the fracture characteristics can be calculated more accurately.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記コンピュータは、前記第4ステップにおいて、数値解析の結果に基づいた演算を実行し、演算結果に基づいて前記破断特性を算出することが好ましい。この方法により、数値解析の結果を利用して、複合材料の破断特性を分析することができる。その結果、より精度よく破断特性を算出することができるようになる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable that, in the fourth step, the computer execute an operation based on a result of the numerical analysis and calculate the fracture characteristics based on the operation result. By this method, the fracture characteristics of the composite material can be analyzed using the results of the numerical analysis. As a result, the fracture characteristics can be calculated with higher accuracy.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記コンピュータは、前記第3ステップにおいて、前記破断処理に伴う前記粒子間結合が破断するまでの経過を算出し、前記第4ステップにおいて、前記粒子間結合が破断するまでの経過に基づいて、前記複合材料の破断に関する特性値を算出することが好ましい。この方法により、粒子間結合を破断させることなく、破断特性を算出することができる。その結果、演算量を少なくすることができるので、効率的に破断特性を算出することができるようになる。 In the composite material analysis method of the present invention, in the third step, the computer calculates a progress until the inter-particle bond accompanying the breaking process is broken, and in the fourth step, the inter-particle bond is calculated. It is preferable to calculate the characteristic value regarding the fracture of the composite material based on the progress until the fracture. By this method, the breaking characteristics can be calculated without breaking the interparticle bond. As a result, the amount of calculation can be reduced, and the fracture characteristics can be efficiently calculated.
本発明の複合材料の解析用コンピュータプログラムは、上記複合材料の解析方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。 A computer program for analyzing a composite material of the present invention is characterized by causing a computer to execute the above-described method for analyzing a composite material.
本発明の複合材料の解析用コンピュータプログラムによれば、複数の異なる条件の数値解析を実行することができる。そのため、本発明に係る複合材料の解析方法は、複数の数値解析に基づいて破断特性を算出することができる。その結果、本発明に係る複合材料の解析方法は、より精度よく破断特性を算出することができる。そして、破断処理を疑似的に行うこともできるので、粒子間距離が閾値以上の領域においても、粒子間結合が破断によって消去されずに解析用モデルを数値解析することも可能となる。これにより、特定物質の解析方法は、破断に伴う粒子間結合の物理的な消滅を防ぐことができるので、粒子間結合の疑似的な破断を再現することが可能となる。 According to the computer program for analyzing a composite material of the present invention, it is possible to execute numerical analysis under a plurality of different conditions. Therefore, the composite material analysis method according to the present invention can calculate the fracture characteristics based on a plurality of numerical analyses. As a result, the method for analyzing a composite material according to the present invention can calculate fracture characteristics more accurately. Since the breaking process can be performed in a pseudo manner, it is possible to numerically analyze the analysis model even if the interparticle distance is equal to or larger than the threshold value, because the interparticle bond is not erased by the break. Accordingly, the method for analyzing a specific substance can prevent physical disappearance of interparticle bonds due to breakage, so that pseudo breakage of interparticle bonds can be reproduced.
本発明によれば、複合材料の破断を予測することのできる複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムを実現できる。 According to the present invention, a composite material analysis method and a composite material analysis computer program capable of predicting fracture of a composite material can be realized.
以下、本発明の各実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。なお、以下においては、解析対象となる複合材料がポリマー及びフィラーを含む例について説明しているが、本発明は、2種類の以上の物質を含有する複合材料にも適用可能である。また、本発明は、フィラー及びポリマー以外の物質を含有する複合材料にも適用可能である。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the present invention is not limited to each of the following embodiments and can be implemented by appropriately changing it. In addition, although an example in which the composite material to be analyzed includes a polymer and a filler is described below, the present invention is also applicable to a composite material containing two or more kinds of substances. The present invention is also applicable to composite materials containing substances other than fillers and polymers.
図1は、本実施形態に係る複合材料の解析方法の概略を示すフローチャートである。図1に示すように、本実施形態に係る複合材料の解析方法は、第1ステップST11と、第2ステップST12と、第3ステップST13と、第4ステップST14と、第5ステップST15とを含む、コンピュータを用いた分子動力学法による複合材料の解析方法である。 FIG. 1 is a flowchart showing an outline of a method for analyzing a composite material according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the composite material analysis method according to the present embodiment includes a first step ST11, a second step ST12, a third step ST13, a fourth step ST14, and a fifth step ST15. , A method for analyzing composite materials by a molecular dynamics method using a computer.
第1ステップST11では、コンピュータは、例えば、ポリマーをモデル化したポリマーモデル及びフィラーをモデル化したフィラーモデルを含む複合材料の解析用モデルを作成する。 In the first step ST11, the computer creates, for example, an analytical model of a composite material including a polymer model that models a polymer and a filler model that models a filler.
第2ステップST12では、コンピュータは、解析対象となる第1物質モデル又は第2物質モデルに属し、粒子間結合で結合された少なくとも一対の粒子の粒子間距離に閾値を設定する。 In the second step ST12, the computer sets a threshold value for the interparticle distance of at least a pair of particles that belong to the first substance model or the second substance model that is an analysis target and are coupled by interparticle coupling.
第3ステップST13では、コンピュータは、粒子間距離が閾値以上の場合に、粒子間結合を破断処理することで解析用モデルの第1数値解析を実行する。 In the third step ST13, the computer executes the first numerical analysis of the analysis model by breaking the interparticle bond when the interparticle distance is equal to or greater than the threshold value.
第4ステップST14では、コンピュータは、第2ステップST12で設定した条件とは異なる条件を解析用モデルに設定する。また、第4ステップST14では、設定された条件に従って、第2数値解析を実行する。 In the fourth step ST14, the computer sets conditions different from the conditions set in the second step ST12 in the analysis model. In the fourth step ST14, the second numerical analysis is executed according to the set conditions.
第5ステップST15では、コンピュータは、少なくとも、第3ステップST13で実行した第1数値解析の結果と、第4ステップST14で実行した第2数値解析との結果とに基づいて、複合材料の破断特性を算出する。 In the fifth step ST15, the computer at least based on the results of the first numerical analysis executed in the third step ST13 and the second numerical analysis executed in the fourth step ST14, the fracture characteristics of the composite material. To calculate.
図2は、本実施形態に係る複合材料の第1解析用モデル1−1の一例を示す概念図である。図2に示すように、第1解析用モデル1−1は、例えば、一辺の長さが距離Lの略立方体形状の仮想空間であるモデル作成領域A内でモデル化される。モデル作成領域Aは、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に広がる三次元空間となっている。第1解析用モデル1−1は、複数のフィラー粒子11a−1がモデル化された4つのフィラーモデル11A−1,11B−1,11C−1,11D−1と、複数のポリマー粒子21a−1及び結合鎖21b−1がモデル化された4つのポリマーモデル21−1とを含む。以下では特に区別を必要としない場合には、4つのフィラーモデル11A−1,11B−1,11C−1,11D−1のことを単にフィラーモデル11−1と呼ぶこともある。なお、図2に示す例では、第1解析用モデル1−1が、4つのフィラーモデル11A−1,11B−1,11C−1,11Dがモデル化された例について説明するが、モデル化されるフィラーモデルの数に制限はない。第1解析用モデル1−1は、4未満のフィラーモデル11−1を含んでいてもよく、4つを超えるフィラーモデル11−1を含んでいてもよい。また、図2においては、4つのポリマーモデル21−1のみを示しているが、第1解析用モデル1−1では、複数のポリマーモデル21がモデル作成領域A内の全域に亘って存在している。さらに、図2に示す例では、モデル作成領域Aが、略直方体形状の仮想空間である例について示しているが、球状、楕円状、直方体形状、多面体形状など任意の形状であってもよい。 FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the first analysis model 1-1 of the composite material according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the first analysis model 1-1 is modeled in a model creation area A, which is a virtual space of a substantially cubic shape with one side having a distance L, for example. The model creating area A is a three-dimensional space extending in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions that are orthogonal to each other. The first analysis model 1-1 includes four filler models 11A-1, 11B-1, 11C-1, 11D-1 in which a plurality of filler particles 11a-1 are modeled, and a plurality of polymer particles 21a-1. And four polymer models 21-1 in which the binding chain 21b-1 was modeled. Hereinafter, the four filler models 11A-1, 11B-1, 11C-1, 11D-1 may be simply referred to as the filler model 11-1 unless distinction is required. In the example shown in FIG. 2, the first analysis model 1-1 is an example in which four filler models 11A-1, 11B-1, 11C-1, 11D are modeled, but the first analysis model 1-1 is modeled. There is no limit to the number of filler models that can be used. The first analysis model 1-1 may include less than four filler models 11-1 and may include more than four filler models 11-1. Further, in FIG. 2, only four polymer models 21-1 are shown, but in the first analysis model 1-1, a plurality of polymer models 21 exist over the entire area of the model creation area A. There is. Further, in the example shown in FIG. 2, the model creating area A is an example of a virtual space having a substantially rectangular parallelepiped shape, but may have any shape such as a spherical shape, an elliptical shape, a rectangular parallelepiped shape, or a polyhedral shape.
フィラーモデル11−1は、複数のフィラー粒子11a−1がそれぞれ略球状体に集合した状態でモデル化される。また、フィラーモデル11−1は、互いに所定間隔をとって離れた状態で配置されている。なお、フィラーモデル11−1とは、相互に凝集した状態で外縁部が共有結合によって相互に連結されていてもよい。 The filler model 11-1 is modeled in a state where a plurality of filler particles 11a-1 are gathered in a substantially spherical body. Further, the filler models 11-1 are arranged in a state of being separated from each other by a predetermined distance. The outer edge portions of the filler model 11-1 and the filler model 11-1 may be covalently linked to each other in a state of being aggregated with each other.
フィラーとしては、例えば、カーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどが含まれる。フィラー粒子11aは、複数のフィラーの原子が集合されてモデル化される。また、フィラー粒子11a−1は、複数のフィラー粒子11a−1が集合してフィラー粒子群を構成する。フィラー粒子11a−1は、複数のフィラー粒子11a−1間の結合鎖(不図示)によって相対位置が特定されている。この結合鎖(不図示)は、フィラー粒子11a−1間の結合距離である平衡長とばね定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各フィラー粒子11a−1間を拘束している。結合鎖は、フィラー粒子11a−1の相対位置及び捻り、曲げなどによって力が発生するポテンシャルが定義されているボンドである。フィラーモデル11−1は、フィラーを分子動力学で取り扱うためのフィラー粒子11a−1の質量、体積、直径及び初期座標などを含む数値データである。フィラーモデル11−1の数値データは、コンピュータに入力される。 Examples of the filler include carbon black, silica, alumina and the like. The filler particles 11a are modeled by gathering a plurality of filler atoms. In addition, the filler particles 11a-1 constitute a filler particle group in which a plurality of filler particles 11a-1 are aggregated. The relative position of the filler particles 11a-1 is specified by the bonding chains (not shown) between the plurality of filler particles 11a-1. This bond chain (not shown) has a function as a spring in which the equilibrium length, which is the bond distance between the filler particles 11a-1, and the spring constant are defined, and binds between the filler particles 11a-1. . The bond chain is a bond in which the relative position of the filler particles 11a-1 and the potential at which a force is generated by twisting, bending, etc. are defined. The filler model 11-1 is numerical data including the mass, volume, diameter and initial coordinates of the filler particles 11a-1 for handling the filler by molecular dynamics. Numerical data of the filler model 11-1 is input to the computer.
ポリマーとしては、例えば、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどが含まれる。ポリマー粒子21a−1は、複数のポリマーの原子が集合されてモデル化される。また、ポリマー粒子21a−1は、複数のポリマー粒子21a−1が集合してポリマー粒子群を構成する。ポリマーには、フィラーとの親和性を高める変性剤が必要に応じて配合される。この変性剤としては、例えば、水酸基、カルボニル基、及び原子団の官能基などが含まれる。ポリマーモデル21−1は、複数のポリマー原子及び複数のポリマー原子の集合体であるポリマー粒子21a−1がモデル作成領域A内に所定密度で充填されてモデル化される。ポリマー粒子21a−1は、複数のポリマー粒子21a−1間の結合鎖21b−1によって結合されて相対位置が特定されている。この結合鎖21b−1は、ポリマー粒子21a−1間の結合距離である平衡長とばね定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各ポリマー粒子21a−1間を拘束している。結合鎖21b−1は、ポリマー粒子21a−1の相対位置及び捻り、曲げなどによって力が発生するポテンシャルが定義されているボンドである。また、結合鎖21b−1は、複数のポリマー粒子21aが直列状に連結されてなるポリマーモデル21−1間にも架橋結合(不図示)として結合されている。このポリマーモデル21−1は、ポリマーを分子動力学で取り扱うための数値データ(ポリマー粒子21a−1の質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。ポリマーモデル21−1の数値データは、コンピュータに入力される。 Examples of the polymer include rubber, resin, and elastomer. The polymer particles 21a-1 are modeled by gathering a plurality of polymer atoms. Further, the polymer particles 21a-1 form a polymer particle group by assembling a plurality of polymer particles 21a-1. A modifier, which enhances the affinity with the filler, is added to the polymer as needed. Examples of the modifier include a hydroxyl group, a carbonyl group, and a functional group of an atomic group. The polymer model 21-1 is modeled by packing a plurality of polymer atoms and polymer particles 21a-1 which are an aggregate of a plurality of polymer atoms in a model creating region A at a predetermined density. The polymer particles 21a-1 are linked by the linking chains 21b-1 between the plurality of polymer particles 21a-1, and the relative position is specified. The bonding chain 21b-1 has a function as a spring in which an equilibrium length, which is a bonding distance between the polymer particles 21a-1, and a spring constant are defined, and binds between the polymer particles 21a-1. The bonding chain 21b-1 is a bond in which the relative position of the polymer particle 21a-1 and the potential at which a force is generated due to twisting, bending, etc. are defined. Further, the binding chain 21b-1 is also bonded as a cross-linking bond (not shown) between the polymer models 21-1 in which a plurality of polymer particles 21a are connected in series. This polymer model 21-1 is numerical data (including mass, volume, diameter, initial coordinates, etc. of the polymer particles 21a-1) for handling the polymer by molecular dynamics. Numerical data of the polymer model 21-1 is input to the computer.
第1解析用モデル1−1は、分子動力学法による数値解析により各種物理量が取得される。数値解析としては、例えば、伸張解析、せん断解析などの変形解析及び緩和解析などの運動解析が挙げられる。これらの運動解析で取得する物理量は、運動解析の結果得られた変位などの値を用いてもよく、所定の演算処理を実行した歪みであってもよい。これらの中でも、運動解析としては、複合材料のコンパウンドの力学特性を解析可能となる観点から、変形解析が好ましい。 In the first analysis model 1-1, various physical quantities are acquired by numerical analysis by the molecular dynamics method. Examples of numerical analysis include deformation analysis such as extension analysis and shear analysis, and motion analysis such as relaxation analysis. As the physical quantity acquired by these motion analysis, a value such as a displacement obtained as a result of the motion analysis may be used, or a strain obtained by executing a predetermined calculation process may be used. Among these, as the motion analysis, the deformation analysis is preferable from the viewpoint that the mechanical properties of the compound of the composite material can be analyzed.
本実施形態では、破断特性を算出するために、第1解析用モデル1−1に加えて、第1解析用モデル1−1とは異なる第2解析用モデル1−2を作成する。図3は、第2解析用モデル1−2を示す概念図である。 In the present embodiment, in order to calculate the fracture characteristics, in addition to the first analysis model 1-1, a second analysis model 1-2 different from the first analysis model 1-1 is created. FIG. 3 is a conceptual diagram showing the second analysis model 1-2.
図3に示すように、第2解析用モデル1−2は、フィラーモデル11A−2,11B−2,11C−2,11D−2と、複数のポリマー粒子21a−2及び結合鎖21b−2がモデル化された4つのポリマーモデル21−2とを含む。4つのフィラーモデル11A−2,11B−2,11C−2,11D−2のことを単にフィラーモデル11−2と呼ぶこともある。フィラーモデル11−2は、複数のフィラー粒子11a−2がそれぞれ略球状体に集合した状態でモデル化される。この場合、第2解析用モデル1−2に含まれる各要素は、例えば、第1解析用モデル1−1に含まれる各要素と、同一の条件で作成されている。本実施形態は、第1解析用モデル1−1と、第2解析用モデル1−2とに対して異なる数値解析を実行する。そして、本実施形態は、第1解析用モデル1−1に対する数値解析の結果と、第2解析用モデル1−2に対する数値解析の結果とに基づいて、複合材料の破断特性を算出する。 As shown in FIG. 3, the second analytical model 1-2 includes filler models 11A-2, 11B-2, 11C-2, 11D-2, a plurality of polymer particles 21a-2, and a bonding chain 21b-2. And four polymer models 21-2 modeled. The four filler models 11A-2, 11B-2, 11C-2, 11D-2 may be simply referred to as the filler model 11-2. The filler model 11-2 is modeled in a state where a plurality of filler particles 11a-2 are aggregated into a substantially spherical body. In this case, each element included in the second analysis model 1-2 is created under the same condition as each element included in the first analysis model 1-1, for example. In the present embodiment, different numerical analyzes are performed on the first analysis model 1-1 and the second analysis model 1-2. Then, in the present embodiment, the fracture characteristics of the composite material are calculated based on the result of the numerical analysis for the first analysis model 1-1 and the result of the numerical analysis for the second analysis model 1-2.
なお、以下では、2つの解析用モデルの結果を比較する場合について説明するが、これは例示であり、本発明を限定するものではない。本発明では、例えば、3つ以上の解析用モデルで数値解析を実行し、その数値解析の結果に基づいて複合材料の破断を予測してもよい。 In the following, a case of comparing the results of two analysis models will be described, but this is an example and does not limit the present invention. In the present invention, for example, the numerical analysis may be executed using three or more analytical models, and the fracture of the composite material may be predicted based on the result of the numerical analysis.
また、図3には第2解析用モデル1−2として、分子動力学法を実行するためのモデルを示したが、これは例示であり、本発明を限定するものではない。具体的には、第2解析用モデル1−2は、連続体シミュレーションを実行するためのモデルであってもよい。より具体的には、第2解析用モデル1−2は、例えば、有限要素法(FEM:Finite Element Method)を実行するためのモデルであってもよい。以下では、第2解析用モデル1−2としてタイヤモデルについて説明するが、これは例示では、本発明の複合材料を限定するものではない。 3 shows a model for executing the molecular dynamics method as the second analysis model 1-2, but this is an example and does not limit the present invention. Specifically, the second analysis model 1-2 may be a model for executing a continuum simulation. More specifically, the second analysis model 1-2 may be, for example, a model for executing a finite element method (FEM). Hereinafter, a tire model will be described as the second analysis model 1-2, but this does not limit the composite material of the present invention by way of example.
図4は、第2解析用モデル1−2Aの一例を示す概念図である。図5は、第2解析用モデル1−2Aとしてのタイヤモデルの子午断面の一部を示す一部断面図である。図4に示すように、本実施形態に係る第2解析用モデル1−2Aは、例えば、複合材料としてのタイヤの形状も含めて立体的にモデル化された第1解析用モデル1−1より相対的に大きい複合材料の解析用モデルである。言い換えれば、第2解析用モデル1−2Aは、第1解析用モデル1−1とはスケールの異なる解析用モデルである。第2解析用モデル1−2Aは、有限要素法及び有限差分法などの数値解析手法を用いて固有値解析を行い、基本タイヤモデルを作成するために用いられるコンピュータで解析可能なモデル(解析モデル)である。第2解析用モデル1−2Aには、数学的モデルや数学的離散化モデルが含まれる。なお、本実施形態では、タイヤモデルを作成する際に用いる解析手法として、有限要素法を使用する。有限要素法は、構造解析に適した解析手法なので、特にタイヤのような構造体に対して好適に適用できる。 FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of the second analysis model 1-2A. FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a part of the meridional cross section of the tire model as the second analysis model 1-2A. As shown in FIG. 4, the second analysis model 1-2A according to the present embodiment is, for example, a three-dimensionally modeled first analysis model 1-1 including the shape of a tire as a composite material. It is a model for analysis of a relatively large composite material. In other words, the second analysis model 1-2A is an analysis model having a different scale from that of the first analysis model 1-1. The second analysis model 1-2A is a model that can be analyzed by a computer (analysis model) that is used to create a basic tire model by performing eigenvalue analysis using a numerical analysis method such as a finite element method and a finite difference method. Is. The second analysis model 1-2A includes a mathematical model and a mathematical discretized model. In this embodiment, the finite element method is used as the analysis method used when creating the tire model. Since the finite element method is an analysis method suitable for structural analysis, it can be suitably applied especially to a structure such as a tire.
第2解析用モデル1−2Aでは、タイヤを複数の節点で構成される有限個の要素に分割して、図4及び図5に示す基本タイヤモデルが作成される。解析に用いられる有限要素法では、タイヤの性能(例えば、耐摩耗性能や耐偏摩耗性能等)を評価するタイヤを有限個の要素E1、E2、・・・En等に分割して、基本タイヤモデルとしての第2解析用モデル1−2が作成される。また、それぞれの要素Eは、複数の節点N1によって構成される。例えば、2次元の解析モデルにおいて要素Eが四辺形要素である場合、一つの要素Eは4個の節点N1で構成される。また、3次元の解析モデルにおいて要素Eが六面体要素である場合、一つの要素Eは8個の節点N1で構成される。作成された第2解析用モデル1−2は、モデル作成部52a(図12参照)が記憶部54へ格納する。 In the second analysis model 1-2A, the tire is divided into a finite number of elements composed of a plurality of nodes, and the basic tire model shown in FIGS. 4 and 5 is created. In the finite element method used for analysis, a tire for evaluating tire performance (for example, wear resistance performance and uneven wear resistance performance) is divided into a finite number of elements E1, E2, ... A second analysis model 1-2 as a model is created. Each element E is composed of a plurality of nodes N1. For example, when the element E is a quadrilateral element in a two-dimensional analysis model, one element E is composed of four nodes N1. Further, when the element E is a hexahedral element in the three-dimensional analysis model, one element E is composed of eight nodes N1. The model creating unit 52 a (see FIG. 12) stores the created second analysis model 1-2 in the storage unit 54.
図6は、本発明の実施形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法の概念図である。第2解析用モデル1−2Aは、分子動力学法により求めた第1解析用モデル1−1がモデル作成領域A内でメッシュ状に複数分割されたものである。例えば、第2解析用モデル1−2は、モデル作成領域Bに5つのフィラーモデル11−2が分散したモデルとなる。ここでは、連続体モデルとなる第2解析用モデル1−2Aの各要素・領域のパラメータは、第1解析用モデル1−1の分子動力学の数値解析の結果から設定される。 FIG. 6 is a conceptual diagram of a method for creating an analysis model of a composite material according to the embodiment of the present invention. In the second analysis model 1-2A, the first analysis model 1-1 obtained by the molecular dynamics method is divided into a plurality of meshes in the model creation area A. For example, the second analysis model 1-2 is a model in which five filler models 11-2 are dispersed in the model creation area B. Here, the parameter of each element / region of the second analysis model 1-2A which is the continuum model is set from the result of the numerical analysis of the molecular dynamics of the first analysis model 1-1.
次に、本実施形態に係る複合材料の解析方法について詳細に説明する。第1ステップST11では、複数のフィラー粒子11aが集合してモデル化されたフィラーモデル11及び複数のポリマー粒子21aが結合鎖21bを介して連結されてモデル化されたポリマーモデル21を含む複合材料の第1解析用モデル1−1を作成する。なお、第2解析用モデル1−2として分子動力学を実行するためのモデルを作成する場合には、第1解析用モデル1−1を作成する方法と同じなので、説明は省略する。 Next, the method of analyzing the composite material according to this embodiment will be described in detail. In the first step ST11, a filler material 11 in which a plurality of filler particles 11a are aggregated and modeled, and a composite material including a polymer model 21 in which a plurality of polymer particles 21a are connected via a bonding chain 21b and modeled A first analysis model 1-1 is created. In addition, when creating a model for executing molecular dynamics as the second analysis model 1-2, the description is omitted because it is the same as the method of creating the first analysis model 1-1.
また、第1ステップST11では、作成したフィラーモデル11−1とポリマーモデル21−1との間に相互作用を設定する。フィラーモデル11−1とポリマーモデル21−1との間の相互作用としては、例えば、分子間力及び水素結合などの引力及び斥力などの化学的な相互作用、及び共有結合などの物理的な相互作用が挙げられる。なお、フィラーモデル11−1とポリマーモデル21−1との間の相互作用は、フィラー粒子11a−1間、ポリマー粒子21a−1間及びフィラー粒子11a−1とポリマー粒子21a−1との間に必要に応じて設定されるものである。そのため、必ずしも全てのフィラー粒子11a−1及びポリマー粒子21a−1に設定されるものではない。また、ポリマーモデル21−1が複数の種類のポリマー粒子21a−1で構成されている場合には、複数の種類のポリマー粒子21a−1にそれぞれ相互作用を設定してもよい。また、複数の種類の各ポリマー粒子21a−1とフィラーモデル11−1との相互作用は同一であってもよく、異なっていてもよい。例えば、ポリマー粒子Aとフィラー粒子11a−1の相互作用と、ポリマー粒子Bとフィラー粒子11a−1の相互作用とは異なる相互作用を設定してもよい。 In the first step ST11, the interaction is set between the created filler model 11-1 and polymer model 21-1. Examples of the interaction between the filler model 11-1 and the polymer model 21-1 include chemical interaction such as intermolecular force and attractive force such as hydrogen bond and repulsive force, and physical interaction such as covalent bond. The action is included. It should be noted that the interaction between the filler model 11-1 and the polymer model 21-1 is caused by the filler particles 11a-1, between the polymer particles 21a-1, and between the filler particles 11a-1 and the polymer particles 21a-1. It is set as needed. Therefore, not all the filler particles 11a-1 and the polymer particles 21a-1 are necessarily set. Further, when the polymer model 21-1 is composed of a plurality of types of polymer particles 21a-1, the interactions may be set to each of the plurality of types of polymer particles 21a-1. Further, the interaction between each of the plurality of types of polymer particles 21a-1 and the filler model 11-1 may be the same or different. For example, the interaction between the polymer particles A and the filler particles 11a-1 and the interaction between the polymer particles B and the filler particles 11a-1 may be set differently.
次に、第2ステップST12では、ポリマー粒子21−1aの粒子間距離に所定の閾値を設定する。粒子間距離としては、ポリマー粒子21a−1を連結する結合鎖21b−1の長さを用いてもよく、一対のポリマー粒子21a−1間の直線距離を用いてもよい。なお、本実施形態においては、第2ステップST12において、解析対象となる一対のポリマー粒子21a−1の粒子間距離に所定の閾値を設定する例について説明するが、これに限定されるものではない。粒子間距離の閾値は、解析対象となる複合材料に応じて一対のフィラー粒子11a−1間の粒子間距離に設定してもよい。 Next, in the second step ST12, a predetermined threshold value is set for the interparticle distance of the polymer particles 21-1a. As the interparticle distance, the length of the binding chain 21b-1 connecting the polymer particles 21a-1 may be used, or the linear distance between the pair of polymer particles 21a-1 may be used. Note that, in the present embodiment, an example in which a predetermined threshold is set for the interparticle distance of the pair of polymer particles 21a-1 to be analyzed in the second step ST12 will be described, but the present invention is not limited to this. . The threshold value of the interparticle distance may be set to the interparticle distance between the pair of filler particles 11a-1 according to the composite material to be analyzed.
次に、第3ステップST13では、ポリマー粒子21aの粒子間結合の結合エネルギー及び結合力の少なくとも一方を低下させる破断結合演算用関数を用いて粒子間結合を演算し、第1数値解析を実行する。 Next, in the third step ST13, the interparticle bond is calculated using the fracture bond calculation function that reduces at least one of the bond energy and the bond force of the interparticle bond of the polymer particles 21a, and the first numerical analysis is executed. .
次に、第4ステップST14では、第3ステップST13とは異なる条件を第1解析用モデル1−1に与える。また、第4ステップST14では、設定された条件に従って、第2数値解析を実行する。例えば、第2数値解析は、第1解析用モデル1−1における、ボイドの成長を評価するためのシミュレーションである。 Next, in the fourth step ST14, conditions different from those in the third step ST13 are given to the first analysis model 1-1. In the fourth step ST14, the second numerical analysis is executed according to the set conditions. For example, the second numerical analysis is a simulation for evaluating the growth of voids in the first analysis model 1-1.
次に、第5ステップST15では、少なくとも2つの解析結果に基づいて破断特性を算出する。本時実施形態では、例えば、第1数値解析と、第2数値解析との結果に基づいて、破断特性を算出する。 Next, in the fifth step ST15, the fracture characteristics are calculated based on at least two analysis results. In the present embodiment, for example, the fracture characteristics are calculated based on the results of the first numerical analysis and the second numerical analysis.
具体的には、本実施形態においては、一対のポリマー粒子21a−1の粒子間距離に所定の閾値を設定し、粒子間距離が閾値以上の場合には、粒子間距離が閾値S未満の場合に対して、粒子間結合の結合エネルギー及び結合力を低下させる破断結合演算用関数を用いて粒子間結合を演算する。当該破断結合演算用関数としては、例えば、下記式(1)に示すものが挙げられる。この破断結合演算用関数を用いることにより、ポリマー粒子間距離が所定の閾値未満の場合には、一対のポリマー粒子21a−1間の粒子間距離に応じて結合エネルギー及び結合力が増減し、粒子間距離が所定の閾値S以上の場合には、結合エネルギー及び結合力がゼロとなる。なお、下記式(1)については、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更可能である。なお、以下においては、結合エネルギーを低下させ例について説明するが、結合力を低下させる場合にも同様に実施可能である。 Specifically, in the present embodiment, a predetermined threshold is set for the interparticle distance between the pair of polymer particles 21a-1, and when the interparticle distance is equal to or greater than the threshold, the interparticle distance is less than the threshold S. On the other hand, the interparticle bond is calculated by using the breaking bond calculation function that reduces the bond energy and the bond force of the interparticle bond. Examples of the breakage bond calculation function include those shown in the following formula (1). By using this breaking bond calculation function, when the inter-polymer particle distance is less than a predetermined threshold value, the binding energy and the binding force are increased or decreased according to the inter-particle distance between the pair of polymer particles 21a-1. When the distance is equal to or greater than the predetermined threshold value S, the binding energy and the binding force are zero. In addition, about the following formula (1), it can be changed as appropriate within the range in which the effect of the present invention is exhibited. In the following, an example in which the binding energy is reduced will be described, but the same can be applied to the case where the binding force is reduced.
このように、上記実施形態によれば、粒子間距離が閾値以上の領域においては、粒子間結合の結合エネルギー及び結合力の少なくとも一方が低下するので、粒子間結合を破断することなく第1解析用モデル1−1の数値解析を継続することが可能となる。これにより、破断に伴う粒子間結合の物理的な消滅を防ぐことができるので、粒子間結合を物理的に消滅させずに疑似的な切断を再現することが可能となる。したがって、数値解析時に破断した粒子間結合の破断箇所を特定することが可能となる複合材料の解析方法を実現できる。 As described above, according to the above-described embodiment, in the region where the interparticle distance is equal to or more than the threshold value, at least one of the binding energy and the binding force of the interparticle bond decreases, and thus the first analysis without breaking the interparticle bond. It becomes possible to continue the numerical analysis of the application model 1-1. As a result, it is possible to prevent the physical disappearance of the interparticle bond due to the breakage, and it is possible to reproduce the pseudo disconnection without physically extinguishing the interparticle bond. Therefore, it is possible to realize a method for analyzing a composite material, which makes it possible to specify the fractured portion of the interparticle bond that has fractured during numerical analysis.
また、上述した実施形態では、ポリマー粒子21a−1の粒子間距離が閾値以上となると所定の破断結合演算用関数を適用して粒子間結合を演算する例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、粒子間距離の時間平均値が閾値以上となった場合に、粒子間結合の結合エネルギー及び結合力を低下させる破断結合演算用関数を用いて第1解析用モデル1−1の数値解析を実行してもよい。これにより、例えば、ブラウン運動などによって、一時的に粒子間距離が閾値以上となった一対のポリマー粒子21a−1における粒子間結合の結合エネルギー及び結合力を低下させる破断結合演算用関数を用いた演算を除外することができる。この結果、実際の複合材料における粒子間結合の破断を精度よく再現することが可能となる。 Further, in the above-described embodiment, an example in which the interparticle bond is calculated by applying a predetermined breaking bond calculation function when the interparticle distance of the polymer particles 21a-1 is equal to or greater than the threshold value has been described, but the present invention is not limited thereto. Not a thing. For example, when the time average value of the interparticle distance is equal to or more than the threshold value, the numerical analysis of the first analysis model 1-1 is performed using the fracture bond calculation function that reduces the bond energy and the bond force of the interparticle bond. You may execute. As a result, for example, a breakage bond calculation function that reduces the bond energy and bond force of the interparticle bond in the pair of polymer particles 21a-1 whose interparticle distance has temporarily become equal to or greater than the threshold due to Brownian motion or the like is used. Operations can be excluded. As a result, it becomes possible to accurately reproduce the breakage of the interparticle bond in the actual composite material.
ところで、粒子間結合によって連結された一対のポリマー粒子21a−1が複数存在する場合には、第1解析用モデル1−1の数値解析後、複数の一対のポリマー粒子21a−1の粒子間距離が順次閾値S以上となる。そして、粒子間結合の結合エネルギー及び結合力の少なくとも一方が順次低下した状態となる。この場合、粒子間結合の結合エネルギー及び結合力の少なくとも一方が低下したポリマーモデル21−1の座標をそれぞれ特定しても、必ずしも十分にそれぞれの正確な破断位置を評価することができない場合がある。 By the way, when there are a plurality of pairs of polymer particles 21a-1 connected by interparticle bonds, after the numerical analysis of the first analysis model 1-1, the interparticle distances of the plurality of pairs of polymer particles 21a-1. Sequentially becomes the threshold value S or more. Then, at least one of the binding energy and the binding force of the interparticle bond is sequentially lowered. In this case, even if each of the coordinates of the polymer model 21-1 in which at least one of the binding energy and the binding force of the interparticle bond is lowered is specified, it may not always be possible to sufficiently evaluate each accurate break position. .
そこで、上記実施形態においては、粒子間距離が閾値以上となった時点の粒子間結合の座標を破断位置として特定して評価してもよい。図7A〜図7Cは、モデル作成領域A内での粒子間結合の破断位置の説明図である。なお、図7Aにおいては、第1解析時間T1の状態を示し、図7Bにおいては、第2解析時間T2の状態を示し、図7Cにおいては、第3解析時間T3の状態を示している。 Therefore, in the above embodiment, the coordinates of the interparticle bond at the time when the interparticle distance becomes equal to or larger than the threshold value may be specified and evaluated as the fracture position. 7A to 7C are explanatory diagrams of fracture positions of interparticle bonds in the model creation region A. Note that FIG. 7A shows the state of the first analysis time T1, FIG. 7B shows the state of the second analysis time T2, and FIG. 7C shows the state of the third analysis time T3.
本実施形態では、複数の解析時間について、それぞれ粒子間結合の結合エネルギー及び結合力が低下した粒子間結合の位置を特定する。図7Aに示す例では、第1解析時間T1では、ポリマーモデル21A−1は、フィラーモデル11−1の近傍で粒子間距離が閾値S以上となり、結合エネルギー又は結合力が低下した破断結合鎖21bx−1が生じている。フィラーモデル11の近傍に存在するポリマーモデル21B−1,21C−1は、ポリマー粒子21a−1の粒子間距離が閾値S未満となり結合鎖21b−1が残存している。この第1解析時間T1では、ポリマーモデル21A−1の座標を破断座標X1として特定する。 In the present embodiment, the positions of the interparticle bonds where the binding energy and the binding force of the interparticle bonds have decreased are specified for each of a plurality of analysis times. In the example illustrated in FIG. 7A, at the first analysis time T1, the polymer model 21A-1 has a fracture bond chain 21bx in which the interparticle distance in the vicinity of the filler model 11-1 is the threshold value S or more and the binding energy or the binding force is decreased. -1 has occurred. In the polymer models 21B-1 and 21C-1 existing in the vicinity of the filler model 11, the interparticle distance of the polymer particles 21a-1 is less than the threshold value S, and the binding chain 21b-1 remains. At the first analysis time T1, the coordinates of the polymer model 21A-1 are specified as the break coordinates X 1 .
次に、所定時間経過後の第2解析時間T2では、ポリマーモデル21B−1は、フィラーモデル11−1の近傍で粒子間距離が閾値S以上となり、結合エネルギー又は結合力が低下した破断結合鎖21bx−1が生じている。フィラーモデル11−1の近傍に存在するポリマーモデル21C−1は、ポリマー粒子21a−1の粒子間距離が閾値S未満となり結合鎖21b−1が残存している。一方、移動によりフィラーモデル11−1から離れたポリマーモデル21A−1は、結合エネルギー又は結合力が低下した破断結合鎖21bx−1が維持されている。この第2解析時間T2では、ポリマーモデル21B−1の座標を新たな破断座標X2として特定し、第1解析時間T1で既に破断結合鎖21bx−1が生じたポリマーモデル21A−1の現座標は破断座標として新たに特定しない。 Next, at the second analysis time T2 after the lapse of a predetermined time, in the polymer model 21B-1, the interparticle distance in the vicinity of the filler model 11-1 becomes the threshold value S or more, and the bond energy or the bond strength is decreased. 21bx-1 has occurred. In the polymer model 21C-1 existing in the vicinity of the filler model 11-1, the interparticle distance of the polymer particles 21a-1 is less than the threshold value S, and the binding chain 21b-1 remains. On the other hand, in the polymer model 21A-1 separated from the filler model 11-1 by the movement, the broken bond chain 21bx-1 in which the bond energy or the bond strength is reduced is maintained. In the second analysis time T2, to identify the model polymer 21B-1 of the coordinates as the new fracture coordinates X 2, the current coordinates of the model polymer 21A-1 already has broken tether 21Bx-1 generated in the first analysis time T1 Is not newly specified as a break coordinate.
さらに、所定時間経過後の第3解析時間T3では、ポリマーモデル21C−1は、フィラーモデル11−1の近傍で粒子間距離が閾値S以上となり、結合エネルギー又は結合力が低下した破断結合鎖21bx−1が生じている。移動によりフィラーモデル11−1表面から離れたポリマーモデル21A−1,21B−1は、ポリマー粒子21a−1の粒子間結合が閾値S以上となり破断結合鎖21bx−1が維持されている。この第3解析時間T3では、ポリマーモデル21C−1の座標を破断座標X3として新たに特定する。そして、第1解析時間T1で既に破断結合鎖21bx−1が生じたポリマーモデル21Aの現座標及び第2解析時間T2で既に破断結合鎖21bx−1が生じたポリマーモデル21B−1の現座標は破断座標として特定しない。 Further, at the third analysis time T3 after the lapse of a predetermined time, in the polymer model 21C-1, the interparticle distance in the vicinity of the filler model 11-1 becomes the threshold value S or more, and the binding energy or the binding force is reduced. -1 has occurred. In the polymer models 21A-1 and 21B-1 separated from the surface of the filler model 11-1 by the movement, the interparticle bond of the polymer particles 21a-1 becomes the threshold value S or more and the broken bond chain 21bx-1 is maintained. At the third analysis time T3, the coordinates of the polymer model 21C-1 are newly specified as the break coordinates X3. The current coordinates of the polymer model 21A in which the broken bond chain 21bx-1 has already been generated at the first analysis time T1 and the current coordinates of the polymer model 21B-1 in which the broken bond chain 21bx-1 has already been generated at the second analysis time T2 are Not specified as break coordinates.
このように、連続する第1解析時間T1〜第3解析時間T3中に粒子間距離が閾値S以上となった破断座標X1〜X3を順次特定することにより、例えば、フィラーモデル11−1表面からの距離と破断座標の座標分布とが得られる。これにより、図7A〜図7Cに示した第1解析用モデル1−1の数値解析では、フィラーモデル11−1からの距離が近くなるにつれて破断座標X1〜X3の座標分布が増大することが分かる。この結果から、粒子間結合の破断されやすい場所を評価することができるので、フィラーモデル11−1表面からの距離と破断確率の関係などを評価することが可能となる。 In this way, for example, the filler model 11-1 is obtained by sequentially specifying the fracture coordinates X 1 to X 3 in which the interparticle distance becomes the threshold value S or more during the continuous first analysis time T1 to third analysis time T3. The distance from the surface and the coordinate distribution of the break coordinates are obtained. Thereby, in the numerical analysis of the first analysis model 1-1 shown in FIGS. 7A to 7C, the coordinate distribution of the fracture coordinates X 1 to X 3 increases as the distance from the filler model 11-1 becomes shorter. I understand. From this result, the place where the interparticle bond is likely to be broken can be evaluated, so that the relationship between the distance from the surface of the filler model 11-1 and the breaking probability can be evaluated.
なお、図7A〜図7Cに示した例では、粒子間結合に代表点を設定して破断位置(破断座標)を特定してもよい。例えば、図7Aに示した例では、粒子間結合である結合鎖21b−1における一対のポリマー粒子21a−1との重心(中点)又はポリマー粒子21a−1の座標と重なる端点などを代表点として破断位置として特定する。これにより、長さが増大した粒子間結合の代表点の座標を破断位置として評価することができるので、破断位置の評価が容易となる。 In the example shown in FIGS. 7A to 7C, a representative point may be set in the interparticle bond to specify the breakage position (breakage coordinate). For example, in the example shown in FIG. 7A, the center of gravity (middle point) with the pair of polymer particles 21a-1 in the bonding chain 21b-1 which is an interparticle bond, or the end point overlapping the coordinates of the polymer particles 21a-1 is a representative point. Is specified as the fracture position. This makes it possible to evaluate the coordinates of the representative point of the interparticle bond having the increased length as the fracture position, which facilitates the assessment of the fracture position.
また、図7A〜図7Cに示した例では、粒子間距離が所定値以上となった粒子間結合を可視化してもよい。これにより、疑似的に破断した一対のポリマー粒子21a−1間の粒子間結合である破断結合鎖21bx−1を目視で確認することができるので、数値解析時に破断した粒子間結合の破断箇所の特定が容易となる。同様に、粒子間結合が破断して破断結合鎖21bx−1が生じた破断座標X1〜X3を可視化してもよい。これにより、破断しやすい場所を目視で評価できるので、破断しやすい場所の評価が容易となる。また、代表点を可視化してもよい。これにより、長さが増大した粒子間結合の全体を可視化せずに代表点を可視化するので、破断した粒子間結合の確認が容易となる。粒子間結合の可視化は、例えば、破断結合鎖21bx−1以外の結合鎖21bを非表示としてもよく、結合鎖21b−1の透明度を高めてもよく、破断結合鎖21bx−1の色及び太さを結合鎖21b−1と変更して表示してもよい。これにより、破断結合鎖21bx−1を強調することができ、目視で容易に確認することが可能となる。 Further, in the example shown in FIGS. 7A to 7C, the inter-particle bond in which the inter-particle distance becomes a predetermined value or more may be visualized. Accordingly, since it is possible to visually confirm the broken bond chain 21bx-1 which is the interparticle bond between the pair of pseudo-broken polymer particles 21a-1, it is possible to confirm the broken portion of the broken interparticle bond during the numerical analysis. Identification becomes easy. Similarly, the breaking coordinates X 1 to X 3 in which the interparticle bond is broken and the broken bond chain 21bx-1 is generated may be visualized. This makes it possible to visually evaluate the locations where the breakage is likely to occur, and thus facilitate the evaluation of the locations where the breakage is likely to occur. Also, the representative points may be visualized. As a result, the representative point is visualized without visualizing the whole interparticle bond having the increased length, so that the broken interparticle bond can be easily confirmed. The visualization of the interparticle bond may be performed by, for example, hiding the bonding chains 21b other than the breaking bonding chain 21bx-1, increasing the transparency of the bonding chain 21b-1, and determining the color and the thickness of the breaking bonding chain 21bx-1. The length may be changed to the binding chain 21b-1 and displayed. As a result, the broken bond chain 21bx-1 can be emphasized and can be easily confirmed visually.
図8を用いて、本実施形態に係る第1解析用モデル1−1を用いて特性値を算出する方法について説明する。図8は、第1解析用モデル1−1を用いて特性値を算出する処理の一例を示すフローチャートである。 A method of calculating a characteristic value using the first analysis model 1-1 according to this embodiment will be described with reference to FIG. 8. FIG. 8 is a flowchart showing an example of a process of calculating a characteristic value using the first analysis model 1-1.
まず、本実施形態は、数値解析を実行するための第1解析用モデル1−1を作成する(ステップST21)。そして、本実施形態は、ステップST22に進む。 First, in the present embodiment, the first analysis model 1-1 for executing the numerical analysis is created (step ST21). Then, the present embodiment proceeds to step ST22.
次に、本実施形態は、第1解析用モデル1−1に対して、数値解析を実行するための第1解析条件を設定する(ステップST22)。ここで、第1解析用モデル1−1で複数の数値解析を実施するための、複数の解析条件を設定してもよい。そして、本実施形態は、ステップST23に進む。 Next, the present embodiment sets the first analysis condition for executing the numerical analysis on the first analysis model 1-1 (step ST22). Here, a plurality of analysis conditions for carrying out a plurality of numerical analyzes with the first analysis model 1-1 may be set. Then, the present embodiment proceeds to step ST23.
次に、本実施形態は、設定された第1解析条件に従って、第1数値解析を実施する(ステップST23)。ここで、ステップST22で複数の解析条件が設定されている場合には、複数の数値解析を実施してもよい。そして、本実施形態は、ステップST24に進む。 Next, in the present embodiment, the first numerical analysis is performed according to the set first analysis condition (step ST23). Here, when a plurality of analysis conditions are set in step ST22, a plurality of numerical analyzes may be performed. Then, the present embodiment proceeds to step ST24.
そして、本実施形態は、第1数値解析の解析結果に基づいて、第1特性値を算出する(ステップST24)。そして、本実施形態は、図5の処理を終了する。 Then, the present embodiment calculates the first characteristic value based on the analysis result of the first numerical analysis (step ST24). Then, in this embodiment, the process of FIG. 5 ends.
図9を用いて、本実施形態に係る第2解析用モデル1−2を用いて特性値を算出する方法について説明する。図9は、第1解析用モデル1−1を用いて特性値を算出する処理の一例を示すフローチャートである。 A method of calculating the characteristic value using the second analysis model 1-2 according to this embodiment will be described with reference to FIG. 9. FIG. 9 is a flowchart showing an example of a process of calculating a characteristic value using the first analysis model 1-1.
まず、本実施形態は、数値解析を実行するための第2解析用モデル1−2を作成する(ステップST31)。ここでは、第2解析用モデル1−2を第1解析用モデル1−1とは異なる条件で作成する。また、第2解析用モデル1−2が、例えば、有限要素法を実行するための解析用モデルである場合には、図8に図示の第1数値解析の結果に基づいて、第2解析用モデル1−2を作成することが好ましい。これにより、有限要素法の解析用モデルに、分子動力学法の数値解析の結果を含めることができる。その結果、より精度よく破断特性を算出することができるようになる。そして、本実施形態は、ステップST32に進む。 First, in the present embodiment, the second analysis model 1-2 for executing the numerical analysis is created (step ST31). Here, the second analysis model 1-2 is created under conditions different from those of the first analysis model 1-1. In addition, when the second analysis model 1-2 is, for example, an analysis model for executing the finite element method, the second analysis model 1-2 is based on the result of the first numerical analysis illustrated in FIG. It is preferable to create the model 1-2. Thereby, the result of the numerical analysis of the molecular dynamics method can be included in the analysis model of the finite element method. As a result, the fracture characteristics can be calculated with higher accuracy. Then, the present embodiment proceeds to step ST32.
次に、本実施形態は、第2解析用モデル1−2に対して、数値解析を実行するための第2解析条件を設定する(ステップST32)。ここでは、第2解析条件は、第1解析条件と同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、第2解析用モデル1−2で複数の数値解析を実施するために、複数の解析条件を設定してもよい。そして、本実施形態は、ステップST33に進む。 Next, in the present embodiment, the second analysis model 1-2 is set with the second analysis condition for executing the numerical analysis (step ST32). Here, the second analysis condition may be the same as or different from the first analysis condition. Further, a plurality of analysis conditions may be set in order to carry out a plurality of numerical analyzes with the second analysis model 1-2. Then, the present embodiment proceeds to step ST33.
次に、本実施形態は、設定された第2解析条件に従って、第2数値解析を実施する(ステップST33)。ここで、ステップS32で複数の解析条件が設定されている場合には、複数の数値解析を実施してもよい。そして、本実施形態は、ステップST34に進む。 Next, in the present embodiment, the second numerical analysis is performed according to the set second analysis condition (step ST33). Here, when a plurality of analysis conditions are set in step S32, a plurality of numerical analyzes may be performed. Then, the present embodiment proceeds to step ST34.
そして、本実施形態は、第2数値解析の解析結果に基づいて、第2特性値を算出する(ステップST34)。そして、本実施形態は、図9の処理を終了する。 Then, in the present embodiment, the second characteristic value is calculated based on the analysis result of the second numerical analysis (step ST34). Then, in the present embodiment, the processing of FIG. 9 ends.
次に、図10を用いて、破断特性値を算出する処理について説明する。図10は、破断特性値を算出する処理の流れを示すフローチャートである。 Next, the process of calculating the fracture characteristic value will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a flowchart showing the flow of processing for calculating the fracture characteristic value.
まず、本実施形態は、第1特性値及び第2特性値を取得する(ステップST41)。具体的には、本実施形態は、第1解析用モデル1−1で算出された第1特性値と、第2解析用モデル1−2で算出された第2特性値とを取得する。そして、本実施形態は、ステップST42に進む。 First, in the present embodiment, the first characteristic value and the second characteristic value are acquired (step ST41). Specifically, the present embodiment acquires the first characteristic value calculated by the first analysis model 1-1 and the second characteristic value calculated by the second analysis model 1-2. Then, the present embodiment proceeds to step ST42.
次に、本実施形態は、ステップST41で取得した、第1特性値及び第2特性値に基づいて、破断特性値を算出する(ステップST42)。そして、本実施形態は、図7の処理を終了する。 Next, in the present embodiment, the fracture characteristic value is calculated based on the first characteristic value and the second characteristic value acquired in step ST41 (step ST42). Then, in this embodiment, the processing of FIG. 7 ends.
図11を用いて、破断特性値を算出する方法について説明する。図11は、破断特性値を算出する方法を説明するための模式図である。 A method of calculating the fracture characteristic value will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the method of calculating the fracture characteristic value.
図11には、第1解析用モデル1−1と、第2解析用モデル1−2とに対し、数値解析Aと、数値解析Bとを実行した結果が示されている。図11では、各数値解析の結果が数字で示されており、ここでは、数値が小さい方が破断しにくいものとしているが、これは例示であり、本発明を限定するものではない。本発明では、例えば、破断特性の相対的によいものを「○」、相対的に悪いものを「×」などの記号で評価してもよい。なお、図11では、各解析用モデルに対して2つの数値解析を実行した場合を示しているが、各解析用モデルには3つ以上の数値解析を実行してもよい。 FIG. 11 shows the results of executing the numerical analysis A and the numerical analysis B on the first analysis model 1-1 and the second analysis model 1-2. In FIG. 11, the results of each numerical analysis are shown by numbers, and it is assumed here that the smaller the numerical value is, the more difficult it is to break, but this is an example and does not limit the present invention. In the present invention, for example, those having relatively good fracture characteristics may be evaluated by symbols such as “◯”, and those having relatively poor fracture characteristics may be evaluated by symbols such as “×”. Although FIG. 11 shows a case where two numerical analyzes are executed for each analysis model, three or more numerical analyzes may be executed for each analysis model.
具体的には、第1解析用モデル1−1に対し、数値解析Aを実行した結果は100である。第1解析用モデル1−1に対し、数値解析Bを実行した結果は100である。本実施形態は、例えば、(数値解析Aの結果+数値解析Bの結果)/2、のように各数値解析の結果に演算を施すことによって、第1解析用モデル1−1としてモデル化された複合材料のマクロ破断特性を算出する。図11に示す例の場合、本実施形態は、複合材料の判断特性を、(100+100)/2=100と算出する。 Specifically, the result of executing the numerical analysis A on the first analysis model 1-1 is 100. The result of executing the numerical analysis B on the first analysis model 1-1 is 100. The present embodiment is modeled as the first analysis model 1-1 by performing calculation on the results of each numerical analysis such as (result of numerical analysis A + result of numerical analysis B) / 2. Calculate the macro fracture characteristics of the composite material. In the case of the example shown in FIG. 11, the present embodiment calculates the judgment characteristic of the composite material as (100 + 100) / 2 = 100.
また、第2解析用モデル1−2に対し、数値解析Aを実行した結果は90である。第2解析用モデル1−2に対し、数値解析Bを実行した結果は80である。この場合、本実施形態は、モデル化された複合材料のマクロ破断特性を、(90+80)/2=85と算出する。 The result of executing the numerical analysis A on the second analysis model 1-2 is 90. The result of executing the numerical analysis B on the second analysis model 1-2 is 80. In this case, the present embodiment calculates the macro fracture properties of the modeled composite material as (90 + 80) / 2 = 85.
なお、図11では、各数値解析の結果をそのまま用いたが、これは例示であり、本発明を限定するものではない。本実施形態は、各数値解析の結果に重みを付けて、破断特性を算出してもよい。 In FIG. 11, the result of each numerical analysis is used as it is, but this is an example and does not limit the present invention. In the present embodiment, the fracture characteristics may be calculated by weighting the results of each numerical analysis.
また、図11では、各数値解析の結果の平均値を、その解析用モデルの破断特性として説明したが、これは例示であり、本発明を限定するものではない。本実施形態は、例えば、各数値解析の結果の中央値や、最頻値を破断特性として算出してもよい。この場合、数値解析の種類は、3つ以上であることが好ましい。 Further, in FIG. 11, the average value of the results of each numerical analysis is described as the fracture characteristic of the analysis model, but this is an example and does not limit the present invention. In the present embodiment, for example, the median value or the mode value of the results of each numerical analysis may be calculated as the fracture characteristic. In this case, the number of types of numerical analysis is preferably three or more.
さらに、本実施形態は、異なる条件で作成された各解析用モデルの各数値解析の結果を比較してもよい。図11に示す例の場合、第1解析用モデル1−1の数値解析Aの結果と、第2解析用モデル1−2の数値解析Aの結果とを比較してもよい。また、第1解析用モデル1−1の数値解析Bの結果と、第2解析用モデル1−2の数値解析Bの結果とを比較してもよい。これにより、複合材料のナノ構造や、変形条件が破断に与える影響を評価することができる。解析用モデルの違いとしては、架橋密度、架橋分布、架橋結合、フィラーの有無、フィラーのモルフォロジー、フィラーの体積分率、フィラー径などが挙げられる。また、解析用モデルの違いとしては、フィラーとポリマーとの間の相互作用、ポリマー種(伸張、ねじり、2面角エネルギーなど)、ポリマー構造(長さなど)、ブレンドポリマーなどが挙げられる。ここで挙げた、比較する解析用モデルは、例示であり、本発明を限定するものではない。本発明は、その他の異なる解析用モデルを比較してもよい。 Furthermore, the present embodiment may compare the results of each numerical analysis of each analysis model created under different conditions. In the case of the example shown in FIG. 11, the result of the numerical analysis A of the first analysis model 1-1 may be compared with the result of the numerical analysis A of the second analysis model 1-2. Further, the result of the numerical analysis B of the first analysis model 1-1 and the result of the numerical analysis B of the second analysis model 1-2 may be compared. This makes it possible to evaluate the nanostructure of the composite material and the effect of deformation conditions on fracture. Differences in the analytical model include crosslink density, crosslink distribution, crosslink, presence / absence of filler, morphology of filler, volume fraction of filler, and filler diameter. Further, differences in the analytical model include interaction between the filler and the polymer, polymer species (elongation, twist, dihedral angle energy, etc.), polymer structure (length, etc.), blend polymer, and the like. The analytical models for comparison given here are examples and do not limit the present invention. The present invention may compare other different analytical models.
次に、本実施形態に係る複合材料の解析方法、複合材料の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムについてより詳細に説明する。図12は、本実施形態に係る複合材料の解析方法及び複合材料の解析方法を実行する解析装置の機能ブロック図である。 Next, the composite material analysis method, the composite material analysis model creation computer program, the composite material analysis method, and the composite material analysis computer program according to the present embodiment will be described in more detail. FIG. 12 is a functional block diagram of a composite material analysis method and an analysis apparatus that executes the composite material analysis method according to the present embodiment.
図12に示すように、本実施形態に係る複合材料の解析方法は、処理部52と記憶部54とを含むコンピュータである解析装置50が実現する。この解析装置50は、入力手段53を備えた入出力装置51と電気的に接続されている。入力手段53は、複合材料の解析用モデルの作成対象であるポリマー及びフィラーの各種物性値、ポリマー及びフィラーを含有する複合材料を用いた伸張試験結果の実測結果、及び解析における境界条件などを処理部52又は記憶部54へ入力する。入力手段53としては、例えば、キーボード、マウスなどの入力デバイスが用いられる。 As shown in FIG. 12, the analysis method of the composite material according to the present embodiment is realized by the analysis device 50 which is a computer including the processing unit 52 and the storage unit 54. The analysis device 50 is electrically connected to an input / output device 51 having an input means 53. The input unit 53 processes various physical property values of a polymer and a filler that are targets for creating an analysis model of a composite material, an actual measurement result of an extension test result using a composite material containing the polymer and the filler, and boundary conditions in the analysis. Input to the unit 52 or the storage unit 54. As the input unit 53, for example, an input device such as a keyboard or a mouse is used.
処理部52は、例えば、中央演算装置(CPU:Central Processing Unit)及びメモリを含む。処理部52は、各種処理を実行する際にコンピュータプログラムを記憶部54から読み込んでメモリに展開する。メモリに展開されたコンピュータプログラムは、各種処理を実行する。例えば、処理部52は、記憶部54から予め記憶された各種処理に係るデータを必要に応じて適宜メモリ上の自身に割り当てられた領域に展開する。そして、処理部52は、展開したデータに基づいて複合材料の解析用モデルの作成及び複合材料の解析用モデルを用いた複合材料の解析に関する各種処理を実行する。 The processing unit 52 includes, for example, a central processing unit (CPU: Central Processing Unit) and a memory. The processing unit 52 reads the computer program from the storage unit 54 and expands it in the memory when executing various processes. The computer program loaded in the memory executes various processes. For example, the processing unit 52 expands the data relating to various processes stored in advance from the storage unit 54 into the area allocated to itself on the memory as needed. Then, the processing unit 52 executes various processes related to the creation of the composite material analysis model based on the developed data and the analysis of the composite material using the composite material analysis model.
処理部52は、モデル作成部52aと、条件設定部52bと、解析部52cとを含む。モデル作成部52aは、予め記憶部54に記憶されたデータに基づき、分子動力学法により複合材料の第1解析用モデル1−1を作成する際のフィラー及びポリマーなどの複合材料の粒子数、分子数、分子量、分子鎖長、分子鎖数、分岐、形状、大きさ、反応時間、反応条件及び作成する解析用モデルに含まれる分子数である目標分子数などの構成要素の配置、設定及び計算ステップ数などの粗視化モデルの設定を行う。また、モデル作成部52aは、フィラー粒子11a間、ポリマー粒子21a間及びフィラー・ポリマー粒子の水素結合、分子間力などの相互作用などの各種計算パラメータの初期条件の設定を行う。また、モデル作成部52aは、必要に応じてポリマーモデル21の架橋による架橋結合の作成などの架橋解析などを作成してもよい。 The processing unit 52 includes a model creating unit 52a, a condition setting unit 52b, and an analyzing unit 52c. The model creation unit 52a, based on the data stored in the storage unit 54 in advance, the number of particles of the composite material such as the filler and the polymer when creating the first analysis model 1-1 of the composite material by the molecular dynamics method, Arrangement and setting of the number of molecules, molecular weight, molecular chain length, number of molecular chains, branching, shape, size, reaction time, reaction conditions and the target number of molecules, which is the number of molecules included in the analytical model to be created, and setting. Set the coarse-grained model such as the number of calculation steps. The model creation unit 52a also sets initial conditions of various calculation parameters such as interactions between the filler particles 11a, between the polymer particles 21a, and hydrogen bonds between the filler / polymer particles, intermolecular forces, and the like. Further, the model creating unit 52a may create a cross-linking analysis such as creation of cross-linking by cross-linking the polymer model 21 as necessary.
フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用を調整する計算パラメータとしては、下記式(2)で表されるレナード・ジョーンズポテンシャルのσ、εを用い、これらが調整される。ポテンシャルを計算する上限距離(カットオフ距離)を大きくすることで、遠距離まで働いた引力、斥力を調整できる。なお、フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用が一定値になるまで順次、フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用のパラメータを小さくすることが好ましい。レナード・ジョーンズポテンシャルのσ、εを大きな値から徐々に本来の値に近づけることにより、分子を不自然な状態に導かない穏やかな速度で粒子の接近を行うことができる。また、カットオフ距離も徐々に小さくすることにより、適正な範囲で引力、斥力を調整できる。 As the calculation parameters for adjusting the interaction between the filler particles 11a and the interaction between the polymer particles 21a, σ and ε of the Leonard-Jones potential represented by the following formula (2) are used, and these are adjusted. By increasing the upper limit distance (cutoff distance) for calculating the potential, it is possible to adjust the attractive force and repulsive force that have worked to a long distance. It is preferable that the parameters of the interaction between the filler particles 11a and the interaction between the polymer particles 21a be successively decreased until the interaction between the filler particles 11a and the interaction between the polymer particles 21a reach a constant value. By gradually bringing the σ and ε of the Leonard-Jones potential from large values to the original values, particles can be approached at a moderate speed that does not lead the molecule to an unnatural state. Further, the attractive force and the repulsive force can be adjusted within an appropriate range by gradually reducing the cutoff distance.
条件設定部52bは、変温解析及び変圧解析などの数値解析、伸張解析、せん断解析などの変形解析及び緩和解析などの運動解析などの各種数値解析条件を設定する。 The condition setting unit 52b sets various numerical analysis conditions such as numerical analysis such as temperature change analysis and voltage transformation analysis, deformation analysis such as extension analysis and shear analysis, and motion analysis such as relaxation analysis.
解析部52cは、条件設定部52bによって設定された解析条件に基づいて第1解析用モデル1−1の各種数値解析を実行する。また、解析部52cは、モデル作成部52aによって作成された複合材料の第1解析用モデル1−1を用いて分子動力学法による数値解析を実行して物理量を取得する。ここでは、解析部52cは、数値解析として、伸張解析、せん断解析などの変形解析及び緩和解析などの運動解析などを実行する。また、解析部52cは、数値解析の結果得られた変位などの値又は得られた値に所定の演算処理を実行した歪みなどの物理量を取得する。 The analysis unit 52c executes various numerical analyzes of the first analysis model 1-1 based on the analysis conditions set by the condition setting unit 52b. Further, the analysis unit 52c uses the first analysis model 1-1 of the composite material created by the model creation unit 52a to perform a numerical analysis by the molecular dynamics method to acquire a physical quantity. Here, the analysis unit 52c executes, as numerical analysis, deformation analysis such as extension analysis and shear analysis, and motion analysis such as relaxation analysis. In addition, the analysis unit 52c acquires a value such as a displacement obtained as a result of the numerical analysis or a physical amount such as a distortion obtained by performing a predetermined calculation process on the obtained value.
また、解析部52cは、数値解析による運動解析の結果得られる運動変位及び公称応力又は運動変位を演算して得られる公称歪みなどの各種物理量を取得する。このような数値解析及び運動解析により、解析時間毎に変化する解析用モデル全体のポリマー分子の結合長及びポリマー粒子速度、架橋点間と自由末端の速度又は結合長、配向などの物理量などのセグメントの状態変化を表す数値と歪みとの関係などを評価できる。また、解析時間毎に変化するポリマー分子の結合長及びポリマー粒子速度などのセグメントの状態変化を表す数値と圧力又は解析時間との関係などを評価できる。さらに、解析時間毎に変化するポリマー分子の結合長及びポリマー粒子速度などのセグメントの状態変化を表す数値と温度又は解析時間との関係などを評価できる。これにより、ポリマー分子の局所的な分子状態変化のより詳細な解析が可能となる。 Further, the analysis unit 52c acquires various physical quantities such as a movement displacement obtained as a result of the movement analysis by numerical analysis and a nominal stress or a nominal strain obtained by calculating the movement displacement. By such numerical analysis and kinetic analysis, the segment such as physical length such as bond length and polymer particle velocity of polymer molecule of the whole analysis model, velocity or bond length between cross-linking points and free ends, orientation, etc., which changes with analysis time It is possible to evaluate the relationship between the numerical value that represents the state change and distortion. In addition, it is possible to evaluate the relationship between the pressure or the analysis time and the numerical value indicating the change in the state of the segment such as the bond length of the polymer molecule and the polymer particle velocity, which changes with each analysis time. Furthermore, it is possible to evaluate the relationship between the numerical value indicating the state change of the segment such as the bond length of the polymer molecule and the polymer particle velocity, which changes with each analysis time, and the temperature or the analysis time. This enables a more detailed analysis of local molecular state changes of polymer molecules.
また、解析部52cは、数値解析によって得られたポリマーモデル21の破断座標を特定し、特定した破断座標を評価する。ここでは、解析部52cは、破断した粒子間結合を可視化して評価してもよく、破断座標を可視化して評価してもよい。さらに、解析部52cは、複数のフィラーモデル11の周囲に発生した破断座標を集約して評価してもよく、複数のフィラーモデル11の周囲に発生した破断座標を1つの代表フィラーモデルに集約して評価してもよい。また、解析部52cは、複数の第1解析用モデル1−1を用いて別途解析した解析結果を集約して評価してもよい。解析部52cは、解析した複合材料の解析結果を記憶部54に格納する。 Further, the analysis unit 52c identifies the break coordinates of the polymer model 21 obtained by the numerical analysis, and evaluates the specified break coordinates. Here, the analysis unit 52c may visualize and evaluate the fractured interparticle bonds, or may visualize and evaluate the fracture coordinates. Furthermore, the analysis unit 52c may aggregate and evaluate the fracture coordinates generated around the plurality of filler models 11, and aggregate the fracture coordinates generated around the plurality of filler models 11 into one representative filler model. You may evaluate it. In addition, the analysis unit 52c may aggregate and evaluate the analysis results separately analyzed using the plurality of first analysis models 1-1. The analysis unit 52c stores the analysis result of the analyzed composite material in the storage unit 54.
記憶部54は、ハードディスク装置、光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ及びCD−ROMなどの読み出しのみが可能な記録媒体である不揮発性のメモリ、並びに、RAM(Random Access Memory)のような読み出し及び書き込みが可能な記録媒体である揮発性のメモリが適宜組み合わせられる。 The storage unit 54 includes a nonvolatile memory, which is a read-only recording medium such as a hard disk device, a magneto-optical disk device, a flash memory, and a CD-ROM, and a read / write device such as a RAM (Random Access Memory). A volatile memory that is a possible recording medium is appropriately combined.
記憶部54には、入力手段53を介して解析対象となる複合材料の解析用モデルを作成するためのデータであるゴムカーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどのフィラーのデータ、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどのポリマーのデータなどが格納されている。また、記憶部54には、予め設定した物理量履歴である応力歪み曲線及び本実施形態に係る複合材料の解析方法、複合材料の解析方法を実現するためのコンピュータプログラムなどが格納されている。このコンピュータプログラムは、コンピュータ又はコンピュータシステムに既に記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、本実施形態に係る複合材料の解析方法を実現できるものであってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OS(Operating System)及び周辺機器などのハードウェアを含むものとする。 In the storage unit 54, data of a filler such as rubber carbon black, silica, and alumina, which is data for creating an analysis model of a composite material to be analyzed via the input unit 53, rubber, resin, and elastomer. Stores data such as polymer data. Further, the storage unit 54 stores a stress-strain curve that is a preset physical quantity history, a composite material analysis method according to the present embodiment, a computer program for realizing the composite material analysis method, and the like. This computer program may be one that can realize the composite material analysis method according to the present embodiment in combination with a computer program already recorded in a computer or a computer system. The “computer system” here includes an OS (Operating System) and hardware such as peripheral devices.
表示手段55は、例えば、液晶表示装置等の表示用デバイスである。なお、記憶部54は、データベースサーバなどの他の装置内にあってもよい。例えば、解析装置50は、入出力装置51を備えた端末装置から通信により処理部52及び記憶部54にアクセスするものであってもよい。 The display unit 55 is, for example, a display device such as a liquid crystal display device. The storage unit 54 may be included in another device such as a database server. For example, the analysis device 50 may access the processing unit 52 and the storage unit 54 by communication from a terminal device including the input / output device 51.
[第1実施例]
本発明を用いた第1実施例として、純ゴムと、フィラーを充填させたフィラー充填ゴムの解析モデルを作成し、ボイドの発生のし易さと、き裂の進展のし易さとを数値解析によって算出した。そして、ボイドの発生のし易さと、き裂の進展のし易さとに基づいて、純ゴムと、フィラー充填ゴムとのマクロ破断特性を算出した。図13は、第1実施例の結果を示す表である。
[First embodiment]
As a first example using the present invention, an analysis model of pure rubber and filler-filled rubber filled with a filler is created, and the ease of occurrence of voids and the ease of propagation of cracks are numerically analyzed. It was calculated. Then, the macro rupture characteristics of the pure rubber and the filler-filled rubber were calculated based on the easiness of generation of voids and the easiness of crack propagation. FIG. 13 is a table showing the results of the first example.
図13に示すように、純ゴムのボイドの発生のし易さは60である。また、純ゴムのき裂の進展のし易さは100である。マクロ破断特性には、ボイドの発生のし易さよりも、き裂の進展のし易さの方がマクロ破断特性に与える影響が大きいため、き裂の進展のし易さに重みを付けて、マクロ破断特性を算出する。その結果、純ゴムのマクロ破断特性は、き裂の進展の値のとおり100と算出される。 As shown in FIG. 13, the easiness of generating voids of pure rubber is 60. Further, the crack easiness of pure rubber is 100. For macro rupture properties, the ease of crack propagation has a greater effect on macro rupture properties than the likelihood of occurrence of voids, so the ease of crack propagation is weighted, Calculate the macro fracture properties. As a result, the macro rupture property of pure rubber is calculated as 100, which is the value of the crack growth.
フィラー充填ゴムのボイドの発生のし易さは100である。また、フィラー充填ゴムのき裂の進展のし易さは20である。この場合、フィラー充填ゴムは、ボイドは発生し易いが、き裂が進展しにくいのでマクロ破断特性は50と算出される。 The ease of occurrence of voids in the filler-filled rubber is 100. Further, the easiness of crack growth of the filler-filled rubber is 20. In this case, in the filler-filled rubber, voids are likely to occur, but cracks are less likely to propagate, so the macro fracture property is calculated to be 50.
また、第1実施例において、純ゴムのボイドの発生のし易さと、フィラー充填ゴムのボイドの発生のし易さとを比較してもよい。これにより、モデルの違いに起因する、ボイドの発生のし易さを評価することができる。具体的には、フィラーの充填が、ボイドの発生のし易さに与える影響を評価することができる。同様に、純ゴムのき裂の進展のし易さと、フィラー充填ゴムのき裂の進展のし易さとを比較してもよい。これにより、フィラーの充填が、き裂の進展のし易さに与える影響を評価することができる。 In addition, in the first embodiment, the easiness of generating voids of pure rubber and the easiness of generating voids of filler-filled rubber may be compared. This makes it possible to evaluate the ease with which voids are generated due to the difference in models. Specifically, it is possible to evaluate the influence of the filling of the filler on the easiness of generating voids. Similarly, the easiness of crack growth of pure rubber and the easiness of crack growth of filler-filled rubber may be compared. This makes it possible to evaluate the effect of the filler filling on the ease of crack growth.
[第2実施例]
本発明の用いた第2実施例として、単一ポリマーと、ブレンドポリマーとの解析モデルを作成し、ボイドの発生のし易さと、き裂の進展のし易さとを数値解析によって算出した。そして、ボイドの発生のし易さと、き裂の進展のし易さとに基づいて、マクロ破断特性を算出した。図14は、第2実施例の結果を示す表である。
[Second embodiment]
As a second embodiment used in the present invention, an analytical model of a single polymer and a blended polymer was created, and the ease of void generation and the ease of crack propagation were calculated by numerical analysis. Then, the macro rupture property was calculated based on the easiness of void generation and the easiness of crack propagation. FIG. 14 is a table showing the results of the second embodiment.
図14に示すように、単一ポリマーのボイドの発生のし易さは100である。また、単一ポリマーのき裂の進展のし易さは100である。この場合、単一ポリマーのマクロ破断特性は100と算出される。 As shown in FIG. 14, the likelihood of occurrence of voids in a single polymer is 100. Further, the crack easiness of the single polymer is 100. In this case, the macro-rupture property of the single polymer is calculated as 100.
ブレンドポリマーのボイドの発生のし易さは80である。ブレンドポリマーのき裂の進展のし易さは90である。ボイドの発生のし易さよりも、き裂の進展のし易さの方がマクロ破断特性に与える影響が大きいため、マクロ破断特性は88と算出される。 The easiness of generation of voids in the blend polymer is 80. The easiness of crack growth of the blend polymer is 90. The macro rupture property is calculated to be 88, because the easiness of crack propagation has a greater effect on the macro rupture property than the easiness of generating voids.
また、第2実施例において、単一ポリマーのボイドの発生のし易さと、ブレンドポリマーのボイドの発生のし易さを比較してもよい。これにより、ポリマーの構造がボイドの発生に与える影響を評価することができる。同様に、単一ポリマーのき裂の進展と、ブレンドポリマーのき裂の進展とを比較してもよい。これにより、ポリマーの構造が、き裂の進展のし易さに与える影響を評価することができる。 In addition, in the second embodiment, the easiness of generating voids of a single polymer and the easiness of generating voids of a blend polymer may be compared. This makes it possible to evaluate the influence of the structure of the polymer on the occurrence of voids. Similarly, crack growth of a single polymer may be compared with that of a blend polymer. This makes it possible to evaluate the influence of the polymer structure on the easiness of crack growth.
1−1 第1解析用モデル
1−2 第2解析用モデル
11−1,11−2 フィラーモデル
11a−1,11a−2 フィラー粒子
21−1,21−2 ポリマーモデル
21a−1,21a−2 ポリマー粒子
21b−1,21b−2 結合鎖
21bx−1 破断結合鎖
50 解析装置
51 入出力装置
52 処理部
52a モデル作成部
52b 条件設定部
52c 解析部
53 入力手段
54 記憶部
55 表示手段
A モデル作成領域
X1,X2,X3 破断座標
1-1 First analysis model 1-2 Second analysis model 11-1, 11-2 Filler model 11a-1, 11a-2 Filler particles 21-1, 21-2 Polymer model 21a-1, 21a-2 Polymer particles 21b-1, 21b-2 Bonded chain 21bx-1 Broken bonded chain 50 Analysis device 51 Input / output device 52 Processing part 52a Model creation part 52b Condition setting part 52c Analysis part 53 Input means 54 Storage part 55 Display means A Model creation Area X1, X2, X3 Break coordinates
Claims (11)
前記コンピュータが、
複合材料をモデル化した複合材料モデルを含む複合材料の解析用モデルを作成する第1ステップと、
前記解析用モデル内の解析対象となる複合材料モデルに属し、粒子間結合で結合された少なくとも一対の粒子の粒子間距離に閾値を設定する第2ステップと、
前記粒子間距離が前記閾値以上の場合に、前記粒子間結合を破断処理して前記解析用モデルの第1数値解析を実行する第3ステップと、
前記第2ステップで与えた条件とは異なる条件を設定し、前記解析用モデルの第2数値解析を実行する第4ステップと、
少なくとも前記第1数値解析と、前記第2数値解析とに基づいて、前記複合材料の破断特性を算出する第5ステップと、
を含むことを特徴とする、複合材料の解析方法。 A method for analyzing a composite material by a molecular dynamics method using a computer,
The computer is
A first step of creating a model for analysis of a composite material including a composite material model modeling the composite material;
A second step of belonging to a composite material model to be analyzed in the analysis model, and setting a threshold value for an interparticle distance of at least a pair of particles bonded by interparticle bonding;
A third step of performing a first numerical analysis of the analysis model by performing a breaking process on the interparticle bond when the interparticle distance is equal to or greater than the threshold value,
A fourth step of setting a condition different from the condition given in the second step and executing a second numerical analysis of the analysis model;
A fifth step of calculating fracture characteristics of the composite material based on at least the first numerical analysis and the second numerical analysis;
A method for analyzing a composite material, comprising:
請求項1に記載の複合材料の解析方法。 The computer executes the different molecular dynamics methods in the first numerical analysis and the second numerical analysis,
The method for analyzing a composite material according to claim 1.
請求項1または2に記載の複合材料の解析方法。 The computer creates a plurality of the analysis models in the first step,
The method for analyzing a composite material according to claim 1 or 2.
請求項3に記載の複合材料の解析方法。 The computer creates the analysis model for executing the finite element method in the first step,
The method for analyzing a composite material according to claim 3.
請求項4に記載の複合材料の解析方法。 In the fourth step, the computer executes the molecular dynamics method and the finite element method,
The method for analyzing a composite material according to claim 4.
請求項4または5に記載の複合材料の解析方法。 The computer reflects the result of the numerical analysis by the molecular dynamics method to create the analytical model for executing the finite element method,
The method for analyzing a composite material according to claim 4 or 5.
請求項3〜6のいずれか1項に記載の複合材料の解析方法。 In the fourth step, the computer calculates the fracture characteristics based on a result of numerical analysis of the plurality of analysis models.
The method for analyzing the composite material according to claim 3.
請求項7に記載の複合材料の解析方法。 The computer compares the results of the numerical analysis of a plurality of the analytical models,
The method for analyzing a composite material according to claim 7.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の複合材料の解析方法。 In the fourth step, the computer executes a calculation based on the result of the numerical analysis, and calculates the fracture characteristic based on the calculation result.
The method for analyzing the composite material according to claim 1.
前記第3ステップにおいて、前記破断処理に伴う前記粒子間結合が破断するまでの経過を算出し、
前記第4ステップにおいて、前記粒子間結合が破断するまでの経過に基づいて、前記複合材料の破断に関する特性値を算出する、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の複合材料の解析方法。 The computer is
In the third step, the progress until the interparticle bond is broken due to the breaking treatment is calculated,
In the fourth step, a characteristic value regarding fracture of the composite material is calculated based on the progress until the interparticle bond is fractured.
The method for analyzing the composite material according to claim 1.
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