[發(fā)明專利]一種基于密度分布矩陣的大規(guī)模仿真體系的表征方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810023129.9
• 申請(qǐng)日: 2008-07-29
• 公開（公告）號(hào): CN101339585A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙健偉;尹星
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 趙健偉
• 主分類號(hào): G06F19/00
• 分類號(hào): G06F19/00;G06T11/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信息處理、計(jì)算機(jī)軟件和計(jì)算材料科學(xué)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算中利用密度分布矩陣檢測(cè)晶粒取向、結(jié)晶程度，或者進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)的方法。

背景技術(shù)

大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)仿真是研究微納尺度物質(zhì)性質(zhì)的有效方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速提高，目前的模擬規(guī)模可以達(dá)到上億個(gè)原子，相當(dāng)于一個(gè)約100納米的立方體。但是，如何表征所模擬的樣品仍然是一個(gè)較為復(fù)雜的問題。對(duì)于原子在空間中的排布，通常采用計(jì)算機(jī)直接顯示、鍵對(duì)分析和徑向分布函數(shù)(Radial?Distribution?Function，RDF)分析等分析手段。若采用一般的三維顯示技術(shù)，把每一個(gè)原子按照空間位置直接顯示出來，則對(duì)于上億規(guī)模的體系，按照計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展規(guī)律，近期內(nèi)無法完成這樣的任務(wù)。而且，通過直接顯示技術(shù)僅僅可以觀察到處于晶體表面的原子，對(duì)于晶體內(nèi)部的原子則被表面原子所遮擋，無法直接觀察，更無法判定它們的結(jié)晶情況。鍵對(duì)分析(或稱為“公共近鄰分析”)可以檢測(cè)出樣品中的結(jié)晶區(qū)域和非結(jié)晶區(qū)域，并檢測(cè)出材料或器件的局部是否具有FCC(面心立方)或者HCP(密排六方)等結(jié)構(gòu)。但是該方法計(jì)算繁雜，對(duì)大規(guī)模體系的分析耗時(shí)太多，所以分析大塊晶體中的各晶粒的具體取向仍有不足之處。RDF分析是對(duì)整個(gè)體系平均化，雖然可以根據(jù)RDF峰的尖銳程度得到所模擬體系晶化程度的信息，但缺乏對(duì)局部結(jié)構(gòu)的分析和進(jìn)一步定量分析的能力。

對(duì)于一個(gè)連續(xù)的機(jī)械過程，例如拉伸和壓縮，或者金屬結(jié)晶和融化，晶體的表征是動(dòng)態(tài)的。不僅要求能大量地記錄下多個(gè)相鄰時(shí)刻的有關(guān)信息，而且要求能對(duì)過程加以實(shí)時(shí)地跟蹤和顯示。此外，對(duì)于大規(guī)模的體系，若仿真過程中精確記錄所有原子的位置以供后續(xù)分析，則數(shù)據(jù)記錄文件過大。即使對(duì)于目前105量級(jí)的原子，數(shù)據(jù)記錄文件也可達(dá)100MB，因此不可能頻繁地，實(shí)時(shí)地記錄數(shù)據(jù)文件。這導(dǎo)致仿真過程中所經(jīng)歷的許多動(dòng)力學(xué)過程的細(xì)節(jié)無法被記錄下來。特別是對(duì)于仿真體系的一些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，由于缺乏細(xì)節(jié)，只能依靠推測(cè)等經(jīng)驗(yàn)手段，嚴(yán)重地妨礙了對(duì)整個(gè)過程的理解。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在針對(duì)大規(guī)模計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果中的可能的周期性晶體結(jié)構(gòu)，提出一種檢測(cè)其中晶粒的晶體取向并判定其結(jié)晶程度的方法。該方法既可以檢測(cè)局部的結(jié)晶情況，又可以反映大范圍內(nèi)的整體有序程度。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種基于密度分布矩陣的大規(guī)模仿真體系表征方法，包括以下步驟：

(1)統(tǒng)計(jì)一個(gè)有限空間中所有點(diǎn)的原子存在情況，對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，根據(jù)原子密度分布函數(shù)得到了一個(gè)一維的、二維的或三維的原子密度分布矩陣；

(2)把密度分布矩陣投影到一個(gè)或多個(gè)平面上；

(3)對(duì)原子密度分布矩陣進(jìn)行采樣。

上述步驟(3)中，當(dāng)采樣頻率低于奈奎斯特頻率，即欠采樣頻率條件下，利用大范圍花紋的產(chǎn)生規(guī)律判定晶向與結(jié)晶程度。

上述步驟(3)中，當(dāng)采樣頻率高于奈奎斯特頻率，即足夠采樣頻率條件下，利用對(duì)稱性和晶面間距分析晶向與結(jié)晶程度。

有益效果：大規(guī)模體系仿真結(jié)果的有效表征是將分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)用到納米工程領(lǐng)域的一個(gè)瓶頸。常用的直接顯示、鍵對(duì)分析和徑向分布函數(shù)等基于原子位置的表征手段或者消耗計(jì)算機(jī)資源過大，無法用于超大規(guī)模的體系；或者無法充分表現(xiàn)體系的細(xì)節(jié)；或者中間數(shù)據(jù)文件較大，難以保存足夠的數(shù)據(jù)，從而損失動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)。本發(fā)明可以在仿真過程中實(shí)時(shí)地按照一定的分辨率要求生成類似于透射電鏡的照片的平面投影結(jié)果，并可進(jìn)一步利用晶體學(xué)的知識(shí)對(duì)所體系進(jìn)行分析。對(duì)于目前納米研究中比較受關(guān)注的一維或準(zhǔn)一維體系，還可以得到縱向密度分布函數(shù)，并直接引用信息科學(xué)中有關(guān)信號(hào)處理的理論進(jìn)行分析。同時(shí)，本表征方法所生成的數(shù)據(jù)記錄文件是傳統(tǒng)方法(直接記錄原子位置)所生成文件大小的1/50～1/100，因此可以大大增加記錄頻率，捕捉動(dòng)力學(xué)過程的細(xì)節(jié)以深入理解整個(gè)體系的動(dòng)態(tài)規(guī)律。

附圖說明

圖1是不同采樣率下的二維原子密度投影；

圖2是采樣頻率等于特征頻率時(shí)的投影示意圖；

圖3兩種采樣情形示意圖；

圖4晶粒取向推測(cè)；

圖5弛豫后空心金納米球的密度投影。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述以上步驟。

首先闡明本發(fā)明的原理：

1.密度分布矩陣的引入