[發明專利]一種材料結晶過程的計算機數值模擬方法

有效

• 申請號: 201710294720.7
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN107133466B
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 劉永志;張世勛
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: G16C20/80
• 分類號: G16C20/80;G06T17/00
• 代理公司: 鄭州德勤知識產權代理有限公司 41128
• 代理人: 黃紅梅

本發明提供一種材料結晶過程的計算機數值模擬方法，其中，結晶過程分為晶體成核和晶體生長兩個階段，在模擬晶體成核時，晶核的位置在三維區域內模擬，晶體的生長和碰撞過程在三維模擬區域內特定的截面或者截線上模擬。發明采用的方法是在三維空間中模擬晶體的成核點位置，在三維模擬空間內特定的截面或者截線上進行晶體的生長和碰撞過程的模擬，與二維經典模擬算法以及三維經典算法相比，克服了二維和三維的數值模擬方案中存在的求解速度和計算精度的矛盾。

技術領域

本發明屬于計算機軟件領域，特別涉及一種材料結晶過程的計算機數值模擬方法。

背景技術

材料的結晶一般分為晶體成核和晶體生長兩個過程，在晶體生長的過程中相鄰的晶體可能發生碰撞而形成晶界，從而使得晶體的生長局部停止。晶體的尺寸、形態分布、晶界的位置以及結晶度是影響結晶型材料性能的關鍵因素，也是計算機數值模擬軟件需要模擬計算的重要內容。結晶的計算機數值模擬技術是：基于一定的科學原理在計算機上模擬仿真晶體的形成過程的一門技術。計算區域的選擇對模擬軟件的模擬精度、計算速度和以及占用內存的數量影響巨大。晶體數值模擬的計算區域從空間上講，主要有二維和三維兩種。在三維空間中進行模擬的優點是：晶體的成核和生長在三維空間模擬，能夠綜合考慮多種因素(比如：三維的應力作用、非均勻溫度、壓力等)對結晶過程的影響，計算精度高；缺點是：三維空間的幾何信息量大，計算軟件需要的運行內存空間大，計算速度慢。而在二維空間進行的模擬一般需要對三維空間進行一定的幾何簡化。二維模擬的優點是：計算速度快，所需的計算機內存小；缺點是：晶體的成核和生長都只能在二維空間進行，能夠模擬的影響因素少，計算精度低。在二維和三維的數值模擬方案中存在求解速度和計算精度的矛盾。

為了解決以上存在的問題，人們一直在尋求一種理想的技術解決方案。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種求解速度快、需要計算機內存小并且計算精度高的材料結晶過程的計算機數值模擬方法。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種材料結晶過程的計算機數值模擬方法，其中，結晶過程分為晶體成核和晶體生長兩個階段，在模擬晶體成核時，晶核的位置在三維區域內模擬，晶體的生長和碰撞過程在三維模擬區域內特定的截面或者截線上模擬。

基于上述，在三維模擬區域內特定的截面模擬晶體的生長和碰撞過程為：選擇三維模擬區域V內特定的一個或n個截面A_i，計算所有晶體和特定截面A_i相交的圖像；計算與某一截面A_i相交的晶體在這個截面內不同方向的生長速度，并以該速度模擬該晶體在這個截面內的生長過程，在所選定的特定截面A_i內模擬相鄰晶體的碰撞過程；在計算機模擬的每個時間步長內，計算截面A_i內晶體的面密度，運用德萊賽定律，將晶體的某個面密度或者幾個面密度的統計平均值與晶體在三維空間的體密度等價，獲得三維空間的晶體相對結晶度。

基于上述，在三維模擬區域內特定的截線上模擬晶體的生長和碰撞過程為：選擇三維模擬區域V內特定的一個或n個截線L_i，計算所有晶體和這些特定截線L_i的相交線；計算與某一截線L_i相交的晶體在這個截線L_i內不同方向的生長速度，并模擬該晶體沿該截線L_i的生長過程；在所選定的特定截線L_i上模擬相鄰晶體的碰撞過程；在計算機模擬的每個時間步長內，計算截線L_i上的晶體的線密度，運用羅西瓦爾定律，將晶體的某個線密度或者幾個線密度的統計平均值與晶體的體密度等價，獲得三維空間中晶體的相對結晶度。

基于上述，在模擬晶體的生長和碰撞過程中，晶體在截面A_i或截線L_i上的形貌可以輸出保存。