【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料离子注入，特别涉及一种基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法。
技术介绍
1、粗糙度为零件表面状态的重要表征参数之一，粗糙度的降低会减少应力集中，降低摩擦系数，明显改善接触性能。离子注入工艺是利用高能离子轰击零件表面，通过表面原子溅射、粘性流动及扩散等降低零件表面粗糙度的方式，近年来受到越来越密切地关注，广泛应用于各个行业。
2、现有技术中，一般是利用白光干涉仪或原子力显微镜检测离子注入下材料的粗糙度。但是，通过白光干涉仪或原子力显微镜进行检测，不仅操作麻烦，成本高，而且不方便进行离子注入下材料表面粗糙度的变化预测。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，能够在考虑研究材料初始表面粗糙度的情况下，预测在离子注入下研究材料表面的粗糙度的变化，进而对研究离子注入下材料表面粗糙度的演变机理提供理论指导，而且相比于现有通过检测仪进行检测的方式，操作更加简单，成本更低。
2、根据本专利技术第一方面实施例的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，包括以下步骤：
3、根据本专利技术的一些实施例，包括以下步骤：
4、s1.根据设定的三维粗糙度参数sq的值构建研究材料的表面点高度矩阵m；
5、s2.构建所述研究材料的光滑表面靶体模型，并根据所述研究材料的表面点高度矩阵m，将所述光滑表面靶体模型变化为粗糙表面靶体
6、s3.读取所述粗糙表面靶体模型，之后构建离子注入所述粗糙表面靶体模型时的分子动力学模型并进行仿真计算；
7、s4.提取离子注入过程中所述粗糙表面靶体模型的靶体表面形貌，并根据所述靶体表面形貌计算表面粗糙度变化趋势。
8、根据本专利技术实施例的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，至少具有如下有益效果：
9、本专利技术中，首先考虑研究材料初始表面的粗糙度，构建研究材料的表面点高度矩阵m，之后结合研究材料的表面点高度矩阵m和根据研究材料所建立的光滑表面靶体模型，得到粗糙表面靶体模型，之后构建离子注入粗糙表面靶体模型时的分子动力学模型并进行仿真计算，最后提取离子注入过程中，粗糙表面靶体模型的靶体表面形貌，根据靶体表面形貌即可计算表面粗糙度变化趋势，进而对研究离子注入下材料表面粗糙度的演变机理提供理论指导，而且相比于现有通过检测仪进行检测的方式，操作更加简单，成本更低。
10、根据本专利技术的一些实施例，步骤s1中，所述三维粗糙度参数sq表示物体表面的点高度hi到基准平面的距离的均方根，所述基准平面的高度为物体表面的所有点高度hi的平均值。
11、根据本专利技术的一些实施例，步骤s1中，将所述研究材料的表面分解为n个子表面，所述研究材料的表面点高度矩阵m满足关系：
12、
13、式中，dsur为所述研究材料的表面的相邻表面点的间距，为所述子表面的相邻表面点的间距，mi′为各个所述子表面的表面点高度矩阵，权重因子ki(i＝1，2，……，n)之和为1。
14、根据本专利技术的一些实施例，步骤s1中，所述子表面的表面点高度矩阵mi′的构建方法为：利用python的random函数将所有所述子表面的表面点初始高度矩阵mi赋予随机值，所有所述子表面的表面点初始高度矩阵mi服从高斯分布，即mi～ni(0,kisq2)；
15、利用python的interpolate函数对所述子表面的表面点初始高度矩阵mi进行插值，将其构建为子表面的表面点高度矩阵mi′。
16、根据本专利技术的一些实施例，步骤s1中，所述研究材料的表面点高度矩阵m的行数和列数均设置为m，m表示为：
17、
18、式中，d为所述研究材料的表面的边长，dsur为所述研究材料的表面的相邻表面点的间距。
19、根据本专利技术的一些实施例，所述步骤s2具体包括如下步骤：
20、步骤s201.构建所述光滑表面靶体模型，并储存所述光滑表面靶体模型的所有原子的三维坐标值(xi，yi，zi)，其中i为原子序号；
21、步骤s202.将所述光滑表面靶体模型中同一竖直线上的原子与所述研究材料的表面点高度矩阵m中的一个元素相对应，根据同一竖直线上的原子在水平面上的投影的坐标值(xi，yi)，计算所述研究材料的表面点高度矩阵m中对应的元素的行序号rowi和列序号coli；
22、步骤s203.利用行序号rowi和列序号coli，读取所述研究材料的表面点高度矩阵m中对应的元素的数值：
23、hi＝m(rowi，coli)；
24、步骤s204.判断同一竖直线上的原子的高度值zi与对应元素的数值hi的大小，若zi≤hi，保留对应的原子，否则，删除对应的原子；
25、步骤s205.根据所有被保留的原子的相关信息构建所述粗糙表面靶体模型。
26、根据本专利技术的一些实施例，步骤s3中，读取所述粗糙表面靶体模型，并对所述粗糙表面靶体模型设置x方向、y方向为周期性边界条件，z正方向为自由边界条件，z负方向为固定边界条件，将所述粗糙表面靶体模型由下至上分成边界层、恒温层和牛顿层，其中，所述牛顿层为离子注入区域。
27、根据本专利技术的一些实施例，所述分子动力学模型中，离子注入的方式设置为：
28、离子从所述粗糙表面靶体模型上方设定高度处的真空区域的随机位置产生，离子的注入方向与z方向呈夹角，离子根据设定时间间隔依次注入所述粗糙表面靶体模型中，离子的注入速度为：
29、
30、式中，e为注入能量，单位为j；m为注入的离子的质量，单位为kg。
31、根据本专利技术的一些实施例，所述步骤s4具体包括如下步骤：
32、步骤s401.构造一个矩阵sm，并将其初始化为零矩阵，其中第p行第q列的元素表示为sm(p,q)；
33、步骤s402.所述粗糙表面靶体模型的原子的三维坐标值为(xi′，yi′，zi′)，将所述粗糙表面靶体模型中位于同一竖直线上的原子与所述矩阵sm中的一个元素相对应，根据同一竖直线上的原子在水平面上的投影的坐标值(xi′，yi′)，计算所述矩阵sm中对应的元素的行序号rowi′和列序号coli′；
34、步骤s403.对比元素的数值sm(rowi′，coli′)与对应原子的高度值zi′的大小，若sm(rowi′，coli′)<zi′，则令sm(rowi′，coli′)＝zi′，否则，保持sm(rowi′，coli′)不变；
35、步骤s404.直至所有原子迭代完成，将所述矩阵sm作为离子注入过程中所述粗糙表面靶体模型的靶体表面形貌。
36、根据本专利技术的一些实施例，所述步骤s4还包括如下步骤：
37、步骤s405.利用所述步骤s404得到的所述矩阵sm，计算离子注入过程中所述粗本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，步骤S1中，所述三维粗糙度参数Sq表示物体表面的点高度hi到基准平面的距离的均方根，所述基准平面的高度为物体表面的所有点高度hi的平均值。
3.根据权利要求2所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，步骤S1中，将所述研究材料的表面分解为n个子表面，所述研究材料的表面点高度矩阵M满足关系：
4.根据权利要求3所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，步骤S1中，所述子表面的表面点高度矩阵M′i的构建方法为：
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，步骤S1中，所述研究材料的表面点高度矩阵M的行数和列数均设置为m，m表示为：
6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：
7.
8.根据权利要求7所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，所述分子动力学模型中，离子注入的方式设置为：
9.根据权利要求1至4中任一项所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，所述步骤S4还包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，步骤s1中，所述三维粗糙度参数sq表示物体表面的点高度hi到基准平面的距离的均方根，所述基准平面的高度为物体表面的所有点高度hi的平均值。
3.根据权利要求2所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，步骤s1中，将所述研究材料的表面分解为n个子表面，所述研究材料的表面点高度矩阵m满足关系：
4.根据权利要求3所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，步骤s1中，所述子表面的表面点高度矩阵m′i的构建方法为：
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于分子动力学的离子注入材料时粗糙度仿真方法，其特征在于，步骤s1中，所述研究材料的表面点高度矩阵m的行数和列数均设置为m，m表示为：
6.根据权...
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