粒子行为模拟方法以及粒子行为模拟系统与流程

本发明涉及粒子行为模拟方法以及粒子行为模拟系统。

背景技术：

通过模拟来对由多个粒子构成的粉体所存在的系统中的各粒子的行为进行预测或解析。例如，在专利文献1中记载有如下的模拟方法，即，通过使用计算机对表示由液相和作为固相的多个粒子构成的固液混相流的状态的解析对象数据实施基于离散要素法的运算处理，对多个粒子的行为进行解析，且该模拟方法具有粗视化模型生成工序，并对通过粗视化模型生成工序得到的粗视化模型数据实施基于离散要素法的运算处理，在该粗视化模型生成工序中，将由几个粒子构成的群作为粒径比粒子的粒径大的粗视化粒子而模型化，且对解析对象数据实施使在固液混相流中取决于粒径的大小而作用的规定的力在粒径大的粗视化粒子与构成粗视化粒子的粒径小的多个粒子之间一致的粗视化处理。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-108183号公报

专利文献1的模拟方法虽然能够通过粒子的粗视化来模拟大规模的系统中的粒子的行为，但由于失去比粗视化粒子小的微米级别的粒子的信息，因此存在模拟的精度受损这样的问题。为了通过模拟对混合工序进行高精度地解析，除了混合容器内的整体的粉体的动作之外，还需要模拟微米级别的粉体的状态。可是，在专利文献1那样的以往的粗视化方法中，这是困难的，另一方面，在不使用粗视化粒子的模拟方法中，存在粒子在大规模的系统(量产级别)中计算花费大量时间这样的问题点。

技术实现要素：

本发明是鉴于这样的现状而完成的，其目的在于提供一种能够迅速且准确地再现大规模的粒子系统中的各粒子的行为的粒子行为模拟方法以及粒子行为模拟系统。

用于解决课题的技术方案

用于解决上述课题的本发明的一技术方案为，具备处理器以及存储器的粒子行为模拟系统执行以下的处理：粗视化处理，将构成作为粒子系统的规定的粉体并相互混合的多个粒子再构成为由多个粒子构成的多个粒子群；作用力算出处理，算出作用于所述粒子群的作用力；以及混合状况算出处理，基于算出了的所述作用力，算出表示规定时间后的所述粒子群的构成粒子的混合状况的参数。

发明效果

根据本发明，能够迅速且准确地再现大规模的粒子系统中的各粒子的行为。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的粒子行为模拟系统1的结构的一例的图。

图2是说明粒子行为模拟装置10以及用户终端20所具备的硬件的一例的图。

图3是说明粒子行为模拟装置10所具备的功能的一个例子的图。

图4是说明用户终端20所具备的功能的一例的图。

图5是说明粒子行为模拟处理的一例的流程图。

图6是表示模拟请求300的一例的图。

附图标记说明

1、粒子行为模拟系统；10、粒子行为模拟装置。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示本实施方式所涉及的粒子行为模拟系统1的结构的一例的图。粒子行为模拟系统1构成为包括粒子行为模拟装置10、和一个或多个用户终端20。

粒子行为模拟装置10对构成作为粒子系统的规定的粉体(特别是大规模的系统的粉体)且相互混合的多个粒子的行为进行预测。

用户终端20访问粒子行为模拟装置10，执行粉体的模拟。并且，用户终端20从粒子行为模拟装置10接收并显示该模拟的结果(解析结果数据)。另外，用户终端20与粒子行为模拟装置10之间例如通过lan(localareanetwork；局域网)、wan(wideareanetwork；广域网)、因特网、专用线等有线或无线的通信网络5能够通信地连接。

本实施方式中的粉体例如是各种工业领域等中使用的固体的无机物或有机化合物或者它们的混合物，例如是陶瓷材料、金属材料、药品。另外，该粉体的系统也可以是固体与液体的混合物，例如也可以是胶体状的物质。另外，该粉体的系统也可以是泥石流、流沙、漂沙那样的自然物。

图2是说明粒子行为模拟装置10以及用户终端20所具备的硬件的一例的图。各装置是具备cpu(centralprocessingunit；中央处理单元)等处理器11、ram(randomaccessmemory；随机存取存储器)、rom(readonlymemory；只读存储器)等主存储装置12、hdd(harddiskdrive；硬盘驱动器)、ssd(solidstatedrive；固态硬盘)等辅助存储装置13、由键盘、鼠标、触摸面板等构成的输入装置14、由监视器(显示器)等构成的进行画面显示的输出装置15、和与各装置进行通信的通信装置16的信息处理装置。

接着，图3是说明粒子行为模拟装置10所具备的功能的一例的图。粒子行为模拟装置10存储有用于实现各功能的、粗视化程序111、离散要素法解析程序113和混合状况算出程序115。

粗视化程序111进行将构成规定的粉体并通过进行规定的运动而相互混合的多个粒子再构成(置换)为由多个粒子构成的多个粒子群(以下，将该粒子群称为粗视化粒子)的粗视化处理。另外，粗视化程序111进行算出作用于粒子群的作用力的作用力算出处理。

离散要素法解析程序113通过离散要素法(discreteelementmethod：dem)，进行计算粗视化粒子的运动的处理。

混合状况算出程序115基于离散要素法解析程序113算出的作用力，算出表示规定时间后的粒子群(粗视化粒子)的构成粒子的混合状况的参数。在本实施方式中，混合状况算出程序115算出表示粒子群的构成粒子的数量的变动比率的参数即混合比率。

更详细而言，混合状况算出程序115基于离散要素法解析程序113算出的作用力而算出粒子群(粗视化粒子)的位置，由此判定粒子群彼此的碰撞的有无，在判定为有碰撞的情况下，更新参数(混合比率)。

在该情况下，粒子行为模拟装置10在判定为存在粒子群彼此的碰撞的情况下，基于粒子替换参数(后述)而更新参数(混合比率)。

粒子行为模拟装置10将粒子替换参数作为取决于所碰撞的粒子群的碰撞速度的函数来存储。

另外，粒子行为模拟装置10存储有作为模拟所需的数据的基础数据200以及作为模拟的结果的信息的解析结果数据220。

粒子行为模拟装置10存储有粒子替换参数，该粒子替换参数是表示在粒子群(粗视化粒子)间的碰撞时构成粒子在粒子群间替换的可能性的参数。粒子替换参数被存储于基础数据200。

粒子替换参数取决于解析对象的粒子系统的流动性、凝聚性、比重等物性。因此，也可以是通过用户预先进行使用了规定的物性的粉体的混合实验等来决定粒子替换参数，粒子行为模拟装置10将其登记于基础数据200。另外，粒子行为模拟装置10也可以通过预先进行使用了粒子数少的实际级别(日文：実スケール)的粒子或粗视化粒子的小规模模型中的粒子行为模拟来决定粒子替换参数，并将其登记于基础数据200。

解析结果数据220包含预先设定的定时(在本实施方式中，设为规定时间间隔)的各粗视化粒子的位置、速度、旋转速度、混合比率等数据。

[用户终端]

接着，图4是说明用户终端20所具备的功能的一例的图。用户终端20存储有实现各功能的模拟请求程序211以及输出程序213。

模拟请求程序211对粒子行为模拟装置10发送模拟请求。

输出程序213接收粒子行为模拟装置10生成的解析结果数据220，并将接收到的数据的内容显示在规定的画面上。

以上说明的粒子行为模拟装置10以及用户终端20的功能通过各装置的硬件、或者通过各装置的处理器11读取并执行存储在主存储装置12或者辅助存储装置13中的各程序来实现。另外，这些程序例如被存储在二次存储设备或非易失性半导体存储器、硬盘驱动器、ssd等存储设备、或者ic卡、sd卡、dvd等能够由信息处理装置读取的非临时性数据存储介质中。

[处理说明]

接着，对粒子行为模拟系统1进行的处理进行说明。粒子行为模拟系统1进行由粒子行为模拟装置10执行用户终端20所指定的粒子行为模拟的粒子行为模拟处理。

图5是说明粒子行为模拟处理的一例的流程图。该处理例如以对粒子行为模拟装置10进行了规定的数据输入为契机而开始。

首先，粒子行为模拟装置10将用于进行粒子行为模拟的基础数据登记在基础数据200中(s101)。具体而言，例如，粒子行为模拟装置10从用户处受理确定粒子替换参数、收容粉体的收容体(例如搅拌槽、容器旋转式混合装置)的构造的信息(例如，cad数据(computer-aideddesign；计算机辅助设计))的输入。

另外，这些基础数据200也可以由用户终端20作为模拟请求发送。

接着，用户终端20向粒子行为模拟装置10发送模拟请求(s103)。

在此，图6是表示模拟请求300的一例的图。模拟请求300包含模拟对象的粉体的粒子数据301(例如，确定粒子的种类的信息、粒子的质量、粒子的初始配置、初始速度、粒子的初始旋转速度)、确定作用于粗视化粒子的力的种类的作用力数据303、确定模拟的结束时刻(在此为t)的结束时刻数据305。

此外，作用力数据303根据解析目的而适当选择。作用力数据303例如是由相邻的其它的粗视化粒子或其它的物体(例如，搅拌设备)产生的接触力(例如，弹性斥力、粘性衰减力、摩擦力)或附着力、重力、由周围介质所产生的流体阻力、或者电磁力等。

这些模拟请求300的信息的一部分或全部也可以预先由粒子行为模拟装置10存储。

如图5的s105所示，粒子行为模拟装置10在从用户终端20接收到模拟请求300时，将时刻初始化后(在此，设定为时刻t＝0)，执行粗视化处理。

即，首先，粒子行为模拟装置10将模拟请求300所示的各粒子变换为由预先设定的数量的粒子构成的粒子群即粗视化粒子。此时，粒子行为模拟装置10算出各粗视化粒子的质量以及作用于各粗视化粒子的力。

具体而言，例如，粒子行为模拟装置10将各粒子的集合模型化为球形及其它的规定的形状的粒子。粒子行为模拟装置10基于各粒子的动能等各种能量守恒定律，根据粗视化粒子的大小等对作用力进行缩放。这样的粗视化的方法例如被公开于“sakaietal.,advancedpowdertechnology,23,673-681(2012)”、“handbookofpharmaceuticalwetgranulation1stedition:theoryandpracticeinaqualitybydesignparadigm,pp.765-789”。需要说明的是，粗视化的方法不限于此，只要是将粒子群作为粗视化粒子进行处理的方法即可。

并且，粒子行为模拟装置10算出时刻t的作用于各粗视化粒子的作用力f。另外，粗视化粒子的作用力f的计算方法根据模拟请求300所指定的作用力f的种类而不同。例如，在作用力f的种类为附着力的情况下，粒子行为模拟装置10使用粗视化粒子的旋转速度来算出作用力f。

接着，粒子行为模拟装置10通过使用离散要素法等方法，算出各粗视化粒子的运动以及混合比率(s107～s115)。

首先，粒子行为模拟装置10使用在s105中算出了的作用力f以及以下的运动方程式(1)，算出时刻t+δt的各粗视化粒子的运动速度v(s107)。

在此，f是作用于某个粗视化粒子的作用力，m是某个粗视化粒子的质量，v是某个粗视化粒子的运动速度。

粒子行为模拟装置10根据时刻t的各粗视化粒子的位置和在s107中算出了的运动速度v，算出时刻t+δt的各粗视化粒子的位置。另外，粒子行为模拟装置10基于在s107中算出了的各粗视化粒子的作用力f，使用以下的运动方程式(2)，算出时刻t+δt的各粗视化粒子的旋转速度ω(s109)。

在此，r为粗视化粒子的半径向量，ft为作用于粗视化粒子的力的切线方向成分，i为惯性力矩。

接着，粒子行为模拟装置10基于在s109中算出了的时刻t+δt的各粗视化粒子的位置，判定各粗视化粒子是否与其它的粗视化粒子正在碰撞(s110)。并且，粒子行为模拟装置10对正在碰撞的各粗视化粒子进行混合比率的算出(更新)(s111)。

粗视化粒子的混合比率根据由粗视化粒子彼此的碰撞引起的粗视化粒子的构成粒子(实际级别粒子)的替换而变化。即，粒子行为模拟装置10使用以下的计算式(3)，算出时刻t+δt的粗视化粒子n内的粒子数mn(t+δt)，由此进行混合比率的算出。

mn(t+δt)＝mn(t)+∑i(mi(t)-mn(t))×a(δvn，i(t))×δvn，i(t)×δt(3)

在此，a为粒子替换参数，δvn，i为其它的粗视化粒子i相对于粗视化粒子n的碰撞速度的绝对值。即，混合比率取决于其它的所有的粗视化粒子的碰撞速度(相对于粗视化粒子n的碰撞速度)及其粒子替换参数。另外，由于假定粒子替换参数如计算式(3)所示那样取决于粗视化粒子彼此的碰撞速度，因此，粒子行为模拟装置10也可以将粒子替换参数以将粗视化粒子的碰撞速度作为变量的表或关系式的形式登记于基础数据200。

粒子行为模拟装置10判定时刻t+δt是否在模拟结束时刻t以后(s113)，在时刻t+δt比模拟结束时刻t靠前的情况下(s113：否)，使时刻前进δt(s115)，再次执行s107以后的处理。另一方面，在时刻t+δt为模拟结束时刻t以后的情况下(s113：是)，进行s117的处理。

在s117中，粒子行为模拟装置10将在s111之前计算出的解析结果数据(模拟结束时刻t的各粗视化粒子的位置、速度、旋转速度、混合比率等数据)发送到发送了模拟请求的用户终端20。然后，用户终端20将接收到的解析结果数据的信息显示于输出装置15(s119)。

另外，用户终端20也可以显示表示模拟结果的画面。例如，用户终端20显示表示了由模拟请求300指定的初始状态的信息401、解析结果数据的内容403(模拟结束后的粒子位置、混合比率的浓淡与cad图重合而成的图、以及选择位置的混合比率等)的画面。

如上所述，本实施方式的粒子行为模拟系统1将构成粉体并相互混合的多个粒子再构成为由多个粒子构成的多个粒子群(粗视化粒子)，基于作用于粗视化粒子的作用力，算出表示规定时间后的粒子群的构成粒子的混合状况的参数，因此，能够详细地解析粒子群的构成粒子的混合状况。另外，通过计算粗视化粒子的作用力，能够缩短计算时间，并且对于混合状况也进行基于粗视化粒子的计算，因此在这一点上计算时间也不会大幅变长。即，能够解析比粗视化粒子尺寸小的级别的混合状态，并以现实的时间模拟量产级别的混合工序中的大规模的粒子的行为。

这样，根据本实施方式的粒子行为模拟系统1，能够迅速且准确地再现大规模的粒子系统中的各粒子的行为。

以上的实施方式的说明是为了容易理解本发明的说明，并不限定本发明。本发明在不脱离其主旨的范围内能够进行变更、改良，并且在本发明中包含其等价物。

例如，也可以将用户终端20的功能的一部分或全部设置于粒子行为模拟装置10。例如，解析结果数据也可以不是由用户终端20而是由粒子行为模拟装置10输出。

另外，在本实施方式中，粒子行为模拟装置10基于由模拟请求300指定的实际级别的粒子的数据进行了粗视化处理，但也可以接收包含进行了粗视化处理的粒子的数据(粒子的尺寸、质量、作用于粒子的力等)的模拟请求300。

另外，在本实施方式中，粒子行为模拟装置10在算出粗视化粒子的运动速度之后，进一步在算出旋转速度之后算出了混合比率，但也可以在算出粗视化粒子的运动速度时算出混合比率。

另外，在本实施方式中，粒子行为模拟装置10事先算出了粒子替换参数，但粒子行为模拟装置10也可以预先存储通过规定的模拟解析而算出粒子替换参数的规定的程序，在粒子行为模拟处理中通过执行该程序来算出粒子替换参数。

根据以上的本说明书的记载，至少明确如下内容。即，上述粒子行为模拟系统也可以在上述混合状况算出处理中算出表示上述粒子群的构成粒子的数量的变动比率的参数即混合比率。

这样，通过算出表示粒子群的构成粒子的数量的变动比率的参数即混合比率，能够客观地判定粉体中的粒子的混合状况。

另外，上述粒子行为模拟系统也可以在上述混合状况算出处理中，基于算出了的上述作用力来算出上述粒子群的位置，从而判定上述粒子群彼此有无碰撞，在判定为有碰撞的情况下，更新上述参数。

这样，通过在判定为有粒子群彼此的碰撞的情况下更新参数(混合比率)，能够准确且高效地算出粒子的混合状况。

另外，也可以是，上述粒子行为模拟系统执行参数存储处理，该参数存储处理存储表示在上述粒子群间的碰撞时构成粒子在该粒子群间替换的可能性的参数即粒子替换参数，在上述混合状况算出处理中，在判定为有上述粒子群彼此的碰撞的情况下，基于上述粒子替换参数，更新上述参数。

这样，通过基于表示在粒子群间的碰撞时粒子在该粒子群间替换的可能性的粒子替换参数来更新参数(混合比率)，能够高精度地预测粒子的混合状况。

另外，上述粒子行为模拟系统也可以将上述粒子替换参数作为取决于所碰撞的上述粒子群的碰撞速度的函数来存储。

通过将粒子替换参数设为取决于粒子群的碰撞速度的函数，能够准确地再现粒子群的替换容易度。

另外，上述粒子行为模拟系统也可以执行输出算出了的上述参数的信息的输出处理。

这样，通过输出算出了的参数(混合比率)的信息，用户能够掌握粒子的混合状况的解析结果。