一种基于重位点阵搜索的扭转和倾斜晶界自动建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于重位点阵搜索的扭转和倾斜晶界自动建模方法，属于金属材料技术领域。所述方法由四部分组成，分别是重位点阵自动搜索、扭转晶界模型自动构建、倾斜晶界模型自动构建、点阵重合度自动计算。本发明专利技术可以批量构建符合周期性边界条件的扭转和倾斜晶界，以实现高通量材料界面计算模拟，方便用户构建大量模型，以分析材料失效机理，本发明专利技术方法能够在微观尺度上了解晶界与位错之间的关系，对新材料设计提供有利的帮助。

【技术实现步骤摘要】
一种基于重位点阵搜索的扭转和倾斜晶界自动建模方法
本专利技术属于金属材料
，具体涉及一种基于重位点阵搜索的扭转和倾斜晶界自动建模方法。
技术介绍
多数晶体物质由许多晶粒所组成，位向不同的晶粒之间的界面称为晶界，晶界与决定材料塑性的位错之间关系紧密。晶界可以发生位错，可以吸收位错，可以阻碍位错运动，所以晶界与材料强度关系紧密，近年分子模拟的热门课题，包括位错形核机理的研究、纳米晶尺寸效应、多层膜冲击等研究方向。然而界面建模仍停留在特定小指数晶界上，构建扭转、倾斜晶界仍然停留在根据米勒指数构建单晶再进行切割来构建模型，这样做容易造成模型缺失、而且无法实现自动构建模型，也无法计算点阵重合度，更无法实现高通量模型构建。
技术实现思路
本专利技术为实现高通量自动化扭转、倾斜晶界的构建，提出了一种基于重位点阵搜索的扭转和倾斜晶界自动建模方法，该方法由四部分组成，分别是重位点阵自动搜索、扭转晶界模型自动构建、倾斜晶界模型自动构建、点阵重合度自动计算。本专利技术可以批量构建符合周期性边界条件的扭转和倾斜晶界，以实现高通量材料界面计算模拟，方便用户构建大量模型，以分析材料失效机理，对新材料设计提供预测与指导。为实现上述目的，本专利技术的一种基于重位点阵搜索的扭转和倾斜晶界自动建模方法采用的技术方案是：第一步，重位点阵自动搜索：包括读取文件、预处理、寻找重位点阵、重位点阵配对和计算重位点阵的错配度。所述读取文件是指读取建模过程中必要的输入文件：包括分析原子总数、方形单晶盒子(以下简称为盒子)大小及各原子在方形单晶盒子内的坐标值。所述的读取文件需要读取两次lammpsdata格式的单晶文件，分别定义为文件1和文件2，需要注意的是，文件1和文件2可以是同一文件也可以是不同文件。另外，需要用户设定并输入三个参数：最大搜索范围、最大盒子大小和最大点阵错配度。所述的重位点阵自动搜索包括如下步骤：1.1预处理：首先需要用户指定原子类型，以区分所处环境不同的原子；之后需要拓展晶胞使得晶胞大小刚好大于用户设定的最大配对距离。分别定义文件1和文件2中的第一个原子为核心原子，并将所述的第一个原子移动至盒子几何中心，在盒子外的原子利用周期性边界条件移动盒子边长的距离使之回到盒子内部。定义盒子坐标系中的x轴为旋转轴，定义过核心原子垂直于旋转轴的平面为点阵平面。1.2寻找重位点阵：当某一个原子到点阵平面的距离小于设定误差时定义该原子在点阵平面内，当点阵平面内原子与核心原子类型相同时定义该原子为点阵原子，点阵原子到核心原子矢量为点阵矢量，当点阵矢量绝对值大于用户规定最大搜索范围则将该原子及其对应的矢量从点阵原子、点阵矢量中剔除。利用余弦定理：其中，均为待计算向量，固定向量为(0,0,1)，α为向量和向量的夹角。计算点阵矢量与y＝0的夹角，定义为坐标角θ，并由yz坐标正负确定坐标角所在象限，用以下公式(2)对坐标角进行相应修正，其中，θ为待求坐标角，单位为度。by、bz分别为向量在y轴与z轴上的分量。坐标角相等且点阵矢量绝对值较大时，将该原子及其对应的矢量从点阵原子、点阵矢量中剔除，并定义坐标角之差为-270°、90°或450°的为一组重位点阵。1.3重位点阵配对：将文件1、文件2均做步骤1.1和步骤1.2的处理之后遍历文件1中获得的重位点阵，与文件2中的重位点阵两两配对，定义一组重位点阵配对信息为：文件1的其中一组重位点阵的点阵矢量坐标角较小者的坐标角θ1，这组重位点阵坐标角由小到大排列，对应的点阵矢量的绝对值为d11和d12。同理，有文件2中的一组重位点阵中的点阵矢量的较小坐标角θ2、坐标角由小到大排列后，对应的点阵矢量的绝对值d21和d22。步骤1.4需要计算盒子边长y和z，重位点阵的错配度my,mz。1.4计算重位点阵的错配度my,mz：将d11,d12,d21,d22带入错配度公式：my＝min[n·d11-d21·INT(n·d11/d21),-n·d11+d21·INT(n·d11/d21+1)](3)mz＝min[n·d12-d22·INT(n·d12/d22),-n·d12+d22·INT(n·d12/d22+1)](4)其中min表示二者取其较小，INT表示向下取整。公式(3)的两输入量中前者小于后者时，用公式(5)计算盒子边长y，反之用公式(6)计算盒子边长y，公式(4)中两输入量中前者小于后者时，用公式(7)计算盒子边长z，反之用公式(8)计算盒子边长z；其中n是从1开始循环增加的整型变量，当两错配度平均值小于用户预设最大点阵错配度时就停止循环，若循环至盒子大小大于用户预设最大盒子大小时，就输出这期间出现的最小错配度。这一阶段完成后输出含步骤1.3中定义的重位点阵配对信息的日志文件，可以用Excel表格进行进一步编辑筛选。第二步，扭转晶界模型自动构建：这部分包括读取文件、预处理、旋转模型、模型切割。所述读取文件是指读取建模过程中必要的输入文件：包括分析原子总数、超胞格子大小、及各原子坐标(是原子在直角坐标系中的实际坐标)，读取三次文件和输入六个参数，所述的文件分别为步骤1.1的文件1，文件2和步骤1.4输出的日志文件，所述的六个参数分别为：坐标角θ1、坐标角θ2、最大盒子大小、最大点阵错配度、界面厚度和真空层厚度。2.1预处理：在重位点阵配对信息中挑选满足如下三条的重位点阵配对信息：最大点阵错配度小于用户输入、最大盒子大小小于用户输入的、坐标角差最小。将文件1和文件2的盒子边长乘以整数倍，通过原子复制、平移盒子原边长整数倍使得原子填满新盒子，至盒子任一边长刚好大于盒子对角线的两倍，将盒子中心与盒子的直角坐标系的原点通过平移对齐，并移动文件1的核心原子使其y坐标与z坐标刚好位于盒子中心位置，移动文件2的核心原子至文件1的核心原子所处位置，此过程同步骤1.1一样应用周期性边界条件。另外仅在做扭转时将文件1和文件2盒子边长乘以整数倍，其中原子复制、平移盒子原边长整数倍使得原子填满新盒子，至盒子x轴长度刚好大于界面厚度与真空层厚度之和的两倍。2.2旋转模型：以核心原子为中心，通过公式(9)：其中，y和z分别是未经旋转的原子在y轴和z轴的坐标，y'和z'分别是经旋转后的原子在y轴和z轴的坐标，y0和z0分别是核心原子在y轴和z轴的坐标。对文件1、文件2分别带入-θ1，-θ2至公式(9)中，获得旋转模型。2.3模型切割：定义安全常数用于防止由于周期性边界条件出错，将文件1与文件2沿y轴和z轴分别移动安全常数的距离，以文件1的盒子的中心为原点，将y、z坐标分别小于负对应方向(-y和-z方向)盒子大小的一半，y、z坐标分别大于正对应方向(+y和+z方向)盒子大小的一半的原子删除。将文件1中x坐标小于安全常数、大于正界面厚度的原子删除，将文件2中x坐标大于安全常数、小于负面厚度的原子删除，之后按公式(10)：其中tv是真空层厚度，tl是界面厚度，y1、z1分别为文件1的y轴、z轴长度，y、z对应步骤1.3中定义的盒子边长。以lammpsdata格式写入盒子坐标、文件1、文件2的原子坐标即可获得对应角度扭转晶界模型。第三步，倾斜晶界自动构建：与第二步基本相同，在模型切割步骤中出现分歧。3.1同步骤2.1。3.2同步骤2.2。3.3模型切割：定义安本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于重位点阵搜索的扭转和倾斜晶界自动建模方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤，第一步，重位点阵自动搜索：包括读取文件、预处理、寻找重位点阵、重位点阵配对和计算重位点阵的错配度；所述读取文件是指读取建模过程中必要的输入文件：包括分析原子总数、方形单晶盒子大小及各原子在方形单晶盒子内的坐标值；所述的读取文件需要读取两次lammps data格式的单晶文件，分别定义为文件1和文件2，用户设定并输入三个参数：最大搜索范围、最大盒子大小和最大点阵错配度；所述的重位点阵自动搜索包括如下步骤：1.1预处理：首先需要用户指定原子类型，以区分所处环境不同的原子；之后需要拓展晶胞使得晶胞大小刚好大于用户设定的最大配对距离；分别定义文件1和文件2中的第一个原子为核心原子，并将所述的第一个原子移动至盒子几何中心，在盒子外的原子利用周期性边界条件移动盒子边长的距离使之回到盒子内部；定义盒子坐标系中的x轴为旋转轴，定义过核心原子垂直于旋转轴的平面为点阵平面；1.2寻找重位点阵：当某一个原子到点阵平面的距离小于设定误差时定义该原子在点阵平面内，当点阵平面内原子与核心原子类型相同时定义该原子为点阵原子，点阵原子到核心原子矢量为点阵矢量，当点阵矢量绝对值大于用户规定最大搜索范围则将该原子及其对应的矢量从点阵原子、点阵矢量中剔除；1.3重位点阵配对：将文件1、文件2均做步骤1.1和步骤1.2的处理之后遍历文件1中获得的重位点阵，与文件2中的重位点阵两两配对，定义一组重位点阵配对信息为：文件1的其中一组重位点阵的点阵矢量坐标角较小者的坐标角θ1，这组重位点阵坐标角由小到大排列，对应的点阵矢量的绝对值为d11和d12；同理，有文件2中的一组重位点阵中的点阵矢量的较小坐标角θ2、坐标角由小到大排列后，对应的点阵矢量的绝对值d21和d22；步骤1.4需要计算盒子边长y和z，重位点阵的错配度my,mz；1.4计算重位点阵的错配度my,mz：将d11,d12,d21,d22带入错配度公式：my＝min[n·d11‑d21·INT(n·d11/d21),‑n·d11+d21·INT(n·d11/d21+1)] (3)mz＝min[n·d12‑d22·INT(n·d12/d22),‑n·d12+d22·INT(n·d12/d22+1)] (4)其中min表示二者取其较小，INT表示向下取整；公式(3)的两输入量中前者小于后者时，用公式(5)计算盒子边长y，反之用公式(6)计算盒子边长y，公式(4)中两输入量中前者小于后者时，用公式(7)计算盒子边长z，反之用公式(8)计算盒子边长z；...

【技术特征摘要】
1.一种基于重位点阵搜索的扭转和倾斜晶界自动建模方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤，第一步，重位点阵自动搜索：包括读取文件、预处理、寻找重位点阵、重位点阵配对和计算重位点阵的错配度；所述读取文件是指读取建模过程中必要的输入文件：包括分析原子总数、方形单晶盒子大小及各原子在方形单晶盒子内的坐标值；所述的读取文件需要读取两次lammpsdata格式的单晶文件，分别定义为文件1和文件2，用户设定并输入三个参数：最大搜索范围、最大盒子大小和最大点阵错配度；所述的重位点阵自动搜索包括如下步骤：1.1预处理：首先需要用户指定原子类型，以区分所处环境不同的原子；之后需要拓展晶胞使得晶胞大小刚好大于用户设定的最大配对距离；分别定义文件1和文件2中的第一个原子为核心原子，并将所述的第一个原子移动至盒子几何中心，在盒子外的原子利用周期性边界条件移动盒子边长的距离使之回到盒子内部；定义盒子坐标系中的x轴为旋转轴，定义过核心原子垂直于旋转轴的平面为点阵平面；1.2寻找重位点阵：当某一个原子到点阵平面的距离小于设定误差时定义该原子在点阵平面内，当点阵平面内原子与核心原子类型相同时定义该原子为点阵原子，点阵原子到核心原子矢量为点阵矢量，当点阵矢量绝对值大于用户规定最大搜索范围则将该原子及其对应的矢量从点阵原子、点阵矢量中剔除；1.3重位点阵配对：将文件1、文件2均做步骤1.1和步骤1.2的处理之后遍历文件1中获得的重位点阵，与文件2中的重位点阵两两配对，定义一组重位点阵配对信息为：文件1的其中一组重位点阵的点阵矢量坐标角较小者的坐标角θ1，这组重位点阵坐标角由小到大排列，对应的点阵矢量的绝对值为d11和d12；同理，有文件2中的一组重位点阵中的点阵矢量的较小坐标角θ2、坐标角由小到大排列后，对应的点阵矢量的绝对值d21和d22；步骤1.4需要计算盒子边长y和z，重位点阵的错配度my,mz；1.4计算重位点阵的错配度my,mz：将d11,d12,d21,d22带入错配度公式：my＝min[n·d11-d21·INT(n·d11/d21),-n·d11+d21·INT(n·d11/d21+1)](3)mz＝min[n·d12-d22·INT(n·d12/d22),-n·d12+d22·INT(n·d12/d22+1)](4)其中min表示二者取其较小，INT表示向下取整；公式(3)的两输入量中前者小于后者时，用公式(5)计算盒子边长y，反之用公式(6)计算盒子边长y，公式(4)中两输入量中前者小于后者时，用公式(7)计算盒子边长z，反之用公式(8)计算盒子边长z；其中n是从1开始循环增加的整型变量，当两错配度平均值小于用户预设最大点阵错配度时就停止循环，若循环至盒子大小大于用户预设最大盒子大小时，就输出这期间出现的最小错配度；这一阶段完成后输出含步骤1.3中定义的重位点阵配对信息的日志文件，用Excel表格进行进一步编辑筛选；第二步，扭转晶界模型自动构建：这部分包括读取文件、预处理、旋转模型、模型切割；所述读取文件是指读取建模过程中必要的输入文件：包括分析原子总数、超胞格子大小、及各原子坐标，读取三次文件和输入六个参数，所述的文件分别为步骤1.1的文件1，文件2和步骤1.4输出的日志文件，所述的六个参数分别为：坐标角θ1、坐标角θ2、最大盒子大小、最大点阵错配度、界面厚度和真空层厚度；2.1预处理：在重位点阵配对信息中挑选满足如下三条的重位点阵配对信息：最大点阵错配度小于用户输入、最大盒子大小小于用户输入的、坐标角差最小；将文件1和文件...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞丰，刘昭睿，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11