一种基于加权泰森多边形的可控纳米复合多晶建模方法技术

本发明专利技术提出一种基于加权泰森多边形的可控纳米复合多晶建模方法，属于金属材料领域，具体为：首先，初始化生成均匀的多晶节点，并保存到节点列表；然后，对列表中的每个多晶节点分别赋予一个多晶取向矩阵和一组权重；接着对列表中的多晶节点进行周期性扩充，选出扩充后的核心节点；接着、循环对每个核心节点进行判定，得到各核心节点填充的判定原子坐标和类型，将晶粒拓展与取向应用到原子坐标；最后、逐个选择各核心节点对应的判定原子，对原子的周期性进行修正后保存模型盒子大小，将修正后的原子坐标与原子类型输出到文件中，结束。本发明专利技术能构建不同轴比的纳米晶模型并构建相对大小成比例的多相纳米晶模型；对新材料设计提供有利的帮助。有利的帮助。有利的帮助。

【技术实现步骤摘要】
一种基于加权泰森多边形的可控纳米复合多晶建模方法


[0001]本专利技术属于金属材料领域，具体涉及一种基于加权泰森多边形的可控纳米复合多晶建模方法。

技术介绍

[0002]多数晶体物质由许多晶粒组成，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。晶界可以发射位错，可以吸收位错，也可以阻碍位错运动，所以晶界与材料强度关系紧密，晶粒尺寸小于100纳米的多晶被称为纳米晶，晶界密度大幅度增加使得纳米晶具有很多独特的性质，例如纳米晶屈服应力尺寸效应，晶界非晶化对纳米晶强度的影响等，均是近年分子模拟的热门课题。
[0003]然而，常规的基于随机数生成纳米多晶节点的原子建模，生成的纳米晶模型晶粒大小不一致，可能对模拟结果造成不必要的影响；与反复轧制实验制备的纳米晶不同，传统原子建模的纳米晶模型的轴比不可控，导致纳米晶轴比大小与纳米晶强度之间的关系研究缺失；通常情况下多相纳米晶不同相组成的晶粒大小无法保证基本一致，旧原子建模的纳米晶模型同样未包含对这种情况的处理方法。
[0004]经检索发现存在申请号为2013106719201的《一种建立多相多晶原子结构模型的方法》，但是，该申请无法控制纳米晶模型晶界的分布与晶粒的相对大小，且该方法需要依赖外部软件Qhull。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提出了一种基于加权泰森多边形的可控纳米复合多晶建模方法，不依赖任何除C语言的外部软件，解决了纳米晶原子模型的晶界分布控制与相对大小的问题；可以构建晶粒轴比可控或是晶粒相对大小可控的纳米晶原子模型，以实现材料纳米晶性能的计算，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。
[0006]所述的基于加权泰森多边形的可控纳米复合多晶建模方法，具体步骤如下：
[0007]步骤一、初始化生成均匀的多晶节点，并保存到节点列表；
[0008]首先，初始化各种参数：用户设定削减系数R
d
；削减计数器P
d
；错误计数器P
e
；错误计数器上限P
emax
；模型盒子大小(x
b
,y
b
,z
b
)；总晶粒数N；清空节点列表；
[0009]然后、用模型盒子大小(x
b
,y
b
,z
b
)计算初始截断半径为R0；
[0010]计算公式为：
[0011][0012]接着、不断生成随机节点并逐个判断与初始截断半径R0的条件，将满足判定条件的节点添加到节点列表；
[0013]随机节点的生成公式为：
[0014](x
i
·
y
i
·
z
i
)＝[Rand()
·
x
b
,Rand()
·
y
b
,Rand()
·
z
b
]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]其中(x
i
,y
i
,z
i
)为随机节点的坐标，Rand()是随机生成的0到1之间的数；
[0016]将第一个随机生成的节点无条件保存到节点列表中；从第二个节点开始判断是否满足以下条件：
[0017][0018]其中(x
j
,y
j
,z
j
)为节点列表内已有的节点坐标；n
x
分别循环代入
‑
1，0和1；n
y
分别循环代入
‑
1，0和1；n
z
分别循环代入
‑
1，0和1；即节点列表内每个节点都进行27次判定。
[0019]当第二个节点的27次判定均满足判定公式(3)，将第二个节点保存到节点列表；否则，将第二个节点删除，并将错误计数器P
e
增1。
[0020]同理，选择第三个随机节点重复判断，以此类推，直至节点列表内的节点数等于总晶粒数，结束；
[0021]将随机节点添加至节点列表期间，当错误计数器P
e
达到上限P
emax
，则削减计数器P
d
自增1，重新初始化错误计数器P
e
进行判断。
[0022]步骤二、对节点列表中的每个多晶节点分别赋予一个多晶取向矩阵；
[0023]多晶取向矩阵的生成模式共三种，分别是：自文件读取取向矩阵，全随机生成取向矩阵和择优取向随机生成取向矩阵；用户根据需要任选一种生成模式即可。
[0024]针对第一种自文件读取取向矩阵模式：包含N个3
×
3临时矩阵，并满足正交条件，即：
[0025][0026]i,k表示在1到3中任意两个不相等的数值；3
×
3临时矩阵内的所有组元为用于计算节点取向(O
ij
)3×3；
[0027]当N个3
×
3临时矩阵读取完毕后，执行矩阵单位化；即将N个3
×
3临时矩阵的所有元素带入节点取向(O
ij
)3×3计算公式，将结果保存至节点列表结束。
[0028][0029]针对第二种全随机生成取向矩阵模式：
[0030]首先，生成3
×
3临时矩阵的以下组元：
[0031]D
23
＝(
‑
D
11
D
21
‑
D
12
D
22
)/D
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0032]D
32
＝D
31
(D
11
D
22
‑
D
12
D
21
)/(D
22
D
13
‑
D
12
D
23
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0033]D
33
＝(
‑
D
11
D
31
‑
D
12
D
32
)/D
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0034]然后，其余六个组元D
11
，D
12
，D
13
，D
21
，D
22
，D
31
均为
‑
0.5到0.5之间的随机数，将生成的3
×
3临本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于加权泰森多边形的可控纳米复合多晶建模方法，其特征在于，具体步骤包括：首先，初始化生成均匀的多晶节点，并保存到节点列表；然后，对节点列表中的每个多晶节点分别赋予一个多晶取向矩阵和一组对应x，y，z轴方向的权重(u,v,w)；并对节点列表中的多晶节点进行周期性扩充，选出扩充后的新节点列表的核心节点；接着、循环对扩充的新节点列表中每个核心节点进行判定，得到各核心节点填充的判定原子坐标和类型，将晶粒拓展与取向应用到原子坐标；最后、逐个选择各核心节点对应的判定原子，对原子的周期性进行修正后保存模型盒子大小，将修正后的原子坐标与原子类型输出到文件中，结束。2.如权利要求1所述的一种基于加权泰森多边形的可控纳米复合多晶建模方法，其特征在于，所述的生成均匀的多晶节点，具体过程为：首先，初始化各种参数：用户设定削减系数R
d
；削减计数器P
d
；错误计数器P
e
；错误计数器上限P
emax
；模型盒子大小(x
b
,y
b
,z
b
)；总晶粒数N；清空节点列表；然后、用模型盒子大小(x
b
,y
b
,z
b
)计算初始截断半径为R0；计算公式为：接着、不断生成随机节点并逐个判断与初始截断半径R0的条件，将满足判定条件的节点添加到节点列表；随机节点的生成公式为：(x
i
·
y
i
·
z
i
)＝[Rand()
·
x
b
,Rand()
·
y
b
,Rand()
·
z
b
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中(x
i
,y
i
,z
i
)为随机节点的坐标，Rand()是随机生成的0到1之间的数；将第一个随机生成的节点无条件保存到节点列表中；从第二个节点开始判断是否满足以下条件：其中(x
j
,y
j
,z
j
)为节点列表内已有的节点坐标；n
x
分别循环代入
‑
1，0和1；n
y
分别循环代入
‑
1，0和1；n
z
分别循环代入
‑
1，0和1；即节点列表内每个节点都进行27次判定；当第二个节点的27次判定均满足判定公式(3)，将第二个节点保存到节点列表；否则，将第二个节点删除，并将错误计数器P
e
增1；同理，选择第三个随机节点重复判断，以此类推，直至节点列表内的节点数等于总晶粒数，结束；将随机节点添加至节点列表期间，当错误计数器P
e
达到上限P
emax
，则削减计数器P
d
自增1，重新初始化错误计数器P
e
进行判断。3.如权利要求1所述的一种基于加权泰森多边形的可控纳米复合多晶建模方法，其特征在于，所述的多晶取向矩阵的生成模式共三种，分别是：自文件读取取向矩阵，全随机生成取向矩阵和择优取向随机生成取向矩阵；用户根据需要任选一种生成模式即可；针对第一种自文件读取取向矩阵模式：包含N个3
×
3临时矩阵，并满足正交条件，即：
i,k表示在1到3中任意两个不相等的数值；3
×
3临时矩阵内的所有组元为用于计算节点取向(O
ij
)3×3；当N个3
×
3临时矩阵读取完毕后，执行矩阵单位化；即将N个3
×
3临时矩阵的所有元素带入节点取向(O
ij
)3×3计算公式，将结果保存至节点列表结束；针对第二种全随机生成取向矩阵模式：首先，生成3
×
3临时矩阵的以下组元：D
23
＝(
‑
D
11
D
21
‑
D
12
D
22
)/D
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)D
32
＝D
31
(D
11
D
22
‑
D
12
D
21
)/(D
22
D
13
‑
D
12
D
23
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)D
33
＝(
‑
D
11
D
31
‑
D
12
D
32
)/D
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)然后，其余六个组元D
11
，D
12
，D
13
，D
21
，D
22
，D
31
均为
‑
0.5到0.5之间的随机数，将生成的3
×
3临时矩阵的所有元素带入节点取向(O
ij
)3×3计算公式，将结果保存至节点列表结束；针对第三种择优取向随机生成取向矩阵模式：首先，用户指定一个正交的3
×
3临时矩阵，将临时矩阵单位化后，对矩阵乘由三个角度α，β，θ定义的旋转矩阵；α，β，θ由随机数产生，分别代表沿x，y，z轴旋转的角度；随机数的上下限由用户指定，需要沿某个方向呈择优取向的场合，应当提升沿该方向旋转角度的上限，降低其它方向旋转角度的上限，结果保存至节点列表并结束。4.如权利要求1所述的一种基于加权泰森多边形的可控纳米复合多晶建模方法，其特征在于，所述的给每个多晶节点赋予权重具体包括：通过降低或提高所有晶粒在1个方向上的权重，使...

【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：