[發明專利]一種三維空間多顆粒填充動力學模擬方法

有效

• 申請號: 202010696340.8
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111883215B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 魯濟豹;付雪瓊;孫蓉
• 申請（專利權）人: 深圳先進電子材料國際創新研究院
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C60/00
• 代理公司: 深圳紫藤知識產權代理有限公司 44570
• 代理人: 官建紅

本申請提供一種三維空間多顆粒填充動力學模擬方法，通過在第一預設溫度下粒子系統各熱力學量的統計服從正則系綜，計算粒子系統在穩定時對應的第一壓強；在粒子系統各熱力學量的統計服從等溫等壓系綜，粒子系統保持第一壓強，由所述第一預設溫度降低至第二預設溫度，實現模擬盒子動態壓縮；粒子系統溫度保持第二預設溫度，壓強由第一壓強降低至第二預設壓強，實現模擬盒子準靜態膨脹，從而獲得在第二預設溫度下，粒子系統穩態時相應的粒子的填充體積分數、以及粒子的填充空間構型。本申請提供的分子動力學模擬算法中，模擬盒子可動態壓縮和靜態膨脹，可以模擬粒子的機械壓縮過程，以及模擬顆粒在隨機填充和緊密填充情況下的最高填充體積分數。

技術領域

本申請涉及分子模擬技術領域，具體涉及一種三維空間多顆粒填充動力學模擬方法。

背景技術

在聚合物基體中添加金屬填料或無機填料，可使復合材料整體的熱學、力學、電學性能得到顯著提升，因此，研究填料在聚合物基體中的最大填充體積分數、以及填料的填充形態對提升聚合物基復合材料的性能具有重要的指導意義。考慮到聚合物基復合材料的實驗研究成本高、實驗周期長等問題，目前國內外研究顆粒隨機填充問題多采用計算模擬方法。

分子動力學方法是一種依靠牛頓經典力學來模擬分子體系的運動的方法，其能夠對原子在三維空間內的運動軌跡和演變過程進行精確的描述，因而在計算模擬方法中具有廣泛的應用。目前已有的分子動力學模擬方法是通過增加顆粒半徑實現體積壓縮，無法模擬機械壓縮過程，且現有模擬方法大部分只能模擬顆粒在隨機填充情況下的最高填充體積分數，僅有少數模擬方法可模擬隨機填充情況下的最高填充體積分數和顆粒在緊密填充情況下的填充體積分數，但其模擬計算過程復雜，使用受到限制。

發明內容

本申請提供一種三維空間多顆粒填充的動力學模擬方法，旨在解決現有的分子動力學模擬算法無法模擬機械壓縮過程，以及在模擬隨機填充情況下的最高填充體積分數和顆粒在緊密填充情況下的填充體積分數時計算過程復雜的技術問題。

本申請一方面提供一種三維空間多顆粒填充動力學模擬方法，包括以下步驟：

獲取填充模擬粒子的特性參數、模擬盒子參數、粒子在模擬盒子中的初始填充密度、以及不同粒子之間相互作用的勢函數；

根據所述初始填充密度、所述粒子的特性參數、所述模擬盒子參數，在所述模擬盒子中隨機填充相應數量的粒子，形成粒子系統；

獲取所述粒子系統中各粒子的初始坐標，基于粒子的所述初始坐標對各粒子的坐標進行調整，使所述粒子系統達到平衡狀態；

當所述粒子系統各熱力學量的統計服從正則系綜，以及在所述粒子系統保持在第一預設溫度時，計算所述粒子系統的第一壓強，其中，所述第一壓強為所述粒子系統在初始填充密度下達到平衡狀態時對應的壓強，所述第一預設溫度為粒子可自由運動的溫度；

當所述粒子系統各熱力學量的統計服從等溫等壓系綜，以及在所述粒子系統保持所述第一壓強時，將所述粒子系統由所述第一預設溫度降低至第二預設溫度，所述模擬盒子動態壓縮；

當所述粒子系統保持所述第二預設溫度時，將所述粒子系統由第一壓強降低至所述第二預設壓強，所述模擬盒子準靜態膨脹；

輸出在所述第二預設溫度下，所述粒子系統達到平衡狀態時相應的所述粒子的填充體積分數、以及粒子的填充空間構型。

在本申請一種可能的實現方式中，控制所述粒子系統由所述第一預設溫度降溫至所述第二溫度的降溫速度可模擬所述粒子的隨機填充情況和緊密填充情況。

在本申請一種可能的實現方式中，所述計算所述粒子系統的第一壓強的步驟前，還包括在第一預設溫度下賦予所有粒子初始速度，各粒子的運動服從牛頓第二定律，采用Verlet算法對各粒子的位置和速度進行更新。

在本申請一種可能的實現方式中，所述勢函數為，