一种基于Voronoi镶嵌法的可控纳米梯度多晶材料建模方法技术

本发明专利技术提出一种基于Voronoi镶嵌法的可控纳米梯度多晶材料建模方法，首先，根据用户需要的梯度方向、晶粒尺寸、晶粒层数等参数，初始化生成完美立方体的盒子模型，并保存各完美立方体晶粒的中心坐标；然后，将梯度方向的一维坐标和各晶粒在非梯度方向的二维坐标进行合并，得到完美立方体晶粒的节点列表；接着，对节点坐标加以随机扰动，并确保节点均位于模型盒子内；最后，将添加扰动后的节点列表传入ATOMSK软件中进行多晶模型建立，保存模拟盒子内的所有原子，作为模型文件输出，结束。本发明专利技术能构建不同尺寸、梯度比的纳米晶模型；简化梯度晶模型构建流程及参数筛选过程，极大提升获取纳米多晶材料模型的效率。取纳米多晶材料模型的效率。取纳米多晶材料模型的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Voronoi镶嵌法的可控纳米梯度多晶材料建模方法


[0001]本专利技术属于计算材料科学
，具体涉及一种基于Voronoi镶嵌法的可控纳米梯度多晶材料建模方法。

技术介绍

[0002]具有梯度结构的材料能够实现强度和韧性的协同提升，并且拥有更好的抗疲劳和抗腐蚀能力等优点。在纳米多晶材料中，位于不同晶粒之间的界面被称作晶界。晶界与位错有多种相互作用，晶界可以发射或吸收位错，促进位错运动；也可以成为位错运动的阻碍。纳米梯度多晶材料在变形过程中，梯度结构诱发各层塑性变形不均匀，导致纳米梯度材料中出现应力梯度不均匀，这种不均匀的位错分布使得纳米梯度晶的变形机制与非梯度多晶材料不同。
[0003]纳米梯度多晶材料适用于多种航空航天、微电子行业等诸多领域。目前国内外研究人员利用表面机械研磨等技术获得具有梯度结构的材料，并通过依靠传统的实验表征方法研究梯度材料的强化机制。在潜在的极端工况条件下，对于纳米梯度材料微观结构变化的研究实施成本高，难度大，分子动力学模拟可以为揭示其的微观变形原理提供指导。
[0004]实验室轧制的纳米多晶材料能够达到梯度均匀且大小可控的要求。然而，常规的纳米多晶材料的建模方法是基于随机数随机生成晶粒节点后，随机生成大小不一致且分布随机的纳米多晶模型，该方法只能根据晶粒数目随机生成模型，无法控制晶粒的尺寸梯度，不适合用于纳米梯度多晶材料的模拟研究。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提出一种基于Voronoi镶嵌法的可控纳米梯度多晶材料建模方法，借助ATOMSK软件，形成单元素、多元素晶体材料体系以及包含元素置换的体系模型的节点种子自动生成算法，实现梯度多晶模型的节点种子和建模命令的生成。提供良好的用户交互方式，通过输入梯度模式、晶粒尺寸和元素信息等相关参数，快速获得目标梯度多晶材料模型。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术具体采用的技术方案为：
[0007]提供一种基于Voronoi镶嵌法的可控纳米梯度多晶材料建模方法，该方法包括以下步骤：
[0008]S1：构建初始化生成完美立方体的盒子模型，获得各完美立方体晶粒的中心坐标；
[0009]S2：提取所述完美立方体晶粒的中心坐标，并分为梯度方向的一维坐标和各种大小晶粒在非梯度方向的二维坐标，根据设定的晶粒层数和晶粒个数进行合并，获得完美立方体晶粒的节点列表；
[0010]S3：提取所述完美立方体晶粒的节点列表加以随机扰动，获得新节点坐标，并逐个比对新节点坐标和模型盒子边界，确保节点均位于模型盒子内；
[0011]S4：提取步骤S1中获得的模型盒子尺寸信息和元素信息，提取步骤S3中获得的新
节点列表，一并传入ATOMSK软件中进行多晶模型建立，对原子周期性进行修正后保留模拟盒子大小内的所有原子，得到模型文件。
[0012]进一步的，步骤S1中，所述构建初始化生成完美立方体的盒子模型，具体包括以下步骤：
[0013]S11：设置纳米梯度晶材料的材料参数，包括梯度模式a:b:c、梯度方向x或y或z、小晶粒尺寸D1、晶粒层数L1、L2、L3、非梯度方向的小晶粒个数N1、N2、元素信息等参数；
[0014]S12：根据所述梯度模式、所述小晶粒尺寸、所述晶粒层数计算获得模型盒子的尺寸，计算方法如下：
[0015]梯度方向的边界：
[0016][0017]非梯度方向的边界：
[0018][0019]S13：根据所述梯度模式对所述模型盒子进行网格剖分；
[0020]S14：根据网格剖分后的模型盒子，获得各个完美立方体晶粒的边界坐标。
[0021]进一步的，步骤S2中，获得完美立方体晶粒的节点列表，具体包括以下步骤：
[0022]S21：根据梯度方向、晶粒尺寸、晶粒层数计算获得各个完美立方体晶粒的边界坐标列表，计算方法如下：
[0023]在梯度方向上：
[0024][0025]在非梯度方向上：
[0026]小晶粒：
[0027][0028]中晶粒：
[0029][0030]大晶粒：
[0031][0032]其中列表中，小晶粒尺寸D1、中晶粒尺寸D2、大晶粒尺寸D3；其余两个非梯度方向的小晶粒的个数分别为N1、N2；
[0033]S22：为保证周期性边界不被破坏，在模拟盒子尺寸内生成的完美晶粒外，设置与当前模型梯度相反的逆梯度节点，计算方法如下：
[0034]在梯度方向上，在列表(3)的基础上添加：
[0035][0036]在非梯度方向上，各个完美立方体晶粒的边界坐标保持不变；
[0037]S23：根据各个完美立方体晶粒的边界坐标，计算各个完美立方体晶粒的中心节点坐标。合并列表(3)和(7)，对于列表(3)至(6)和合并的列表中所有元素进行如下转化：
[0038]在梯度方向上：
[0039][0040]在非梯度方向上：
[0041]小晶粒：
[0042][0043]中晶粒：
[0044][0045]大晶粒：
[0046][0047]其中
[0048]S24：对梯度方向的完美立方体晶粒的中心节点一维坐标根据晶粒大小进行分类，分类后的列表如下：
[0049]完美立方体小晶粒在梯度方向的中心节点是列表(8)的前L1项和后L1项，分别为：
[0050][0051]完美立方体大晶粒在梯度方向的中心节点是列表(8)的第(L1+L2+1)项至第(L1+L2+2L3)项，为：
[0052][0053]列表(8)其余项为完美立方体中晶粒在梯度方向的中心节点；
[0054]S25：获得各种大小晶粒在非梯度方向的二维坐标(n1，n2)，生成方法为：
[0055]对于列表组(9)至(11)，使得列表Direction 1所有元素和列表Direction 2中所有元素均搭配一次，生成一系列二维坐标。
[0056]其中列表组(9)应生成N1N2个二维坐标，列表组(10)应生成个二维坐标，列表组(11)应生成个二维坐标；
[0057]S26：对梯度方向的一维坐标(g)和各种大小晶粒在非梯度方向的二维坐标(n1，n2)进行合并，获得完美立方体晶粒的中心节点的三维坐标(x,y,z)，占位规则如下:
[0058]若梯度方向为X方向：
[0059]一维坐标(g)占x位，二维坐标(n1，n2)占(y,z)位；
[0060]若梯度方向为Y方向：
[0061]一维坐标(g)占y位，二维坐标(n1，n2)占(x,z)位；
[0062]若梯度方向为Z方向：
[0063]一维坐标(g)占z位，二维坐标(n1，n2)占(x,y)位。
[0064]进一步的，步骤S3中，构建梯度晶晶粒中心节点列表，具体包括以下步骤：
[0065]S31：生成一组(
‑
1,1)的随机数列表rand，其元素数等同于步骤S25中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Voronoi镶嵌法的可控纳米梯度多晶材料建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：构建初始化生成完美立方体的盒子模型，获得各完美立方体晶粒的中心坐标；S2：提取所述完美立方体晶粒的中心坐标，并分为梯度方向的一维坐标和各种大小晶粒在非梯度方向的二维坐标，根据设定的晶粒层数和晶粒个数进行合并，获得完美立方体晶粒的节点列表；S3：提取所述完美立方体晶粒的节点列表加以随机扰动，获得新节点坐标，并逐个比对新节点坐标和模型盒子边界，确保节点均位于模型盒子内；S4：提取步骤S1中获得的模型盒子尺寸信息和元素信息，提取步骤S3中获得的新节点列表，一并传入ATOMSK软件中进行多晶模型建立，对原子周期性进行修正后保留模拟盒子大小内的所有原子，得到模型文件。2.根据权利要求1所述的基于Voronoi镶嵌法的可控纳米梯度多晶材料建模方法，其特征在于，步骤S1中，所述构建初始化生成完美立方体的盒子模型，具体包括以下步骤：S11：设置纳米梯度晶材料的材料参数，包括梯度模式a:b:c、梯度方向x或y或z、小晶粒尺寸D1、晶粒层数L1、L2、L3、非梯度方向的小晶粒个数N1、N2、元素信息；S12：根据所述梯度模式、所述小晶粒尺寸、所述晶粒层数计算获得模型盒子的尺寸，计算方法如下：梯度方向的边界：非梯度方向的边界：S13：根据所述梯度模式对所述模型盒子进行网格剖分；S14：根据网格剖分后的模型盒子，获得各个完美立方体晶粒的边界坐标。3.根据权利要求2所述的可控纳米梯度多晶材料建模方法，其特征在于，步骤S2中，获得完美立方体晶粒的节点列表，具体包括以下步骤：S21：根据梯度方向、晶粒尺寸、晶粒层数计算获得各个完美立方体晶粒的边界坐标列表，计算方法如下：在梯度方向上：[0，D1，2D1，
…
，L1D1，L1D1+D2，L1D1+2D2，
…
，L1D1+L2D2，L1D1+L2D2+D3，L1D1+L2D2+2D3，
…
，L1D1+L2D2+L3D3]
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(3)在非梯度方向上：小晶粒：中晶粒：
大晶粒：其中列表中，小晶粒尺寸D1、中晶粒尺寸D2、大晶粒尺寸D3；其余两个非梯度方向的小晶粒的个数分别为N1、N2；S22：为保证周期性边界不被破坏，在模拟盒子尺寸内生成的完美晶粒外，设置与当前模型梯度相反的逆梯度节点，计算方法如下：在梯度方向上，在列表(3)的基础上添加：[L1D1+L2D2+(L3+1)D3，
…
，L1D1+L2D2+2L3D3，L1D1+(L2+1)D2+2L3D3，
…
，L1D1+2L2D2+2L3D3，(L1+1)D1+2L2D2+2L3D3，
…
，2L1D1+2L2D2+2L3D3]
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(7)在非梯度方向上，各个完美立方体晶粒的边界坐标保持不变；S23：根据各个完美立方体晶粒的边界坐标，计算各个完美立方体晶粒的中心节点坐标。合并列表(3)和(7)，对于列表(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：史俊勤，江宇轩，王钧义，范晓丽，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：