[發明專利]探測單分散顆粒體系結晶相前驅體微觀結構的方法及系統

有效

• 申請號: 202011295201.0
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112287563B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 曹學興;張一博;馬剛;龐博慧;周偉;常曉林;關少恒;梅江洲
• 申請（專利權）人: 華能瀾滄江水電股份有限公司;武漢大學;華能集團技術創新中心有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06N20/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 俞琳娟

本發明提供探測單分散顆粒體系結晶相前驅體微觀結構的方法及系統，方法包括：獲取剪切實驗過程中不同時刻單分散顆粒體系內所有顆粒的位置坐標信息；計算不同時刻每個顆粒的微觀結構特征，使用鍵取向序參數和局部體積分數判斷顆粒在某時刻是否處于結晶相；選取顆粒體系內接近處于結晶相的顆粒與等量處于無序向的顆粒并提取其特征組成機器學習數據集；構造機器學習模型，將數據集劃分為訓練集、驗證集和測試集，通過交叉驗證優化模型參數，得到最優參數組合并保存模型；調用機器學習模型，探測單分散顆粒體系結晶相前驅體微觀結構；提取無序相、結晶相和機器學習模型探測出的結晶相前驅體顆粒，分析其結構特征的區別和三者的相關關系。

技術領域

本發明屬于顆粒材料力學研究領域，具體涉及探測單分散顆粒體系結晶相前驅體微觀結構的方法及系統。

技術背景

顆粒材料被廣泛地應用于包括農業、食品業、制藥業、化工業、礦業、建筑業在內的諸多行業，它表現出許多不同于固、液、氣物質的奇特現象和獨特的運動規律。顆粒材料通常以一種長程無序的結構狀態存在。但是，對于單分散顆粒材料而言，當顆粒體系受到一些特殊的外在擾動，它會產生從無序相到結晶相的相位轉變，這通常稱為顆粒材料的自組織性質。從無序相到結晶相的轉變導致顆粒體系的物理性質發生顯著變化，包括密實度、運動特性和受力特性等等。所以，研究顆粒材料的結晶相轉變是一項基礎且重要的內容。

大量的研究結果表明，顆粒材料從無序相到結晶相的轉變是一個連續的持續不斷的過程，即這種轉變不是一蹴而就的，存在某種中間狀態將兩者聯系起來，我們稱之為結晶相前驅體結構或非穩定結晶相。例如，在顆粒材料的循環剪切實驗中，起初，顆粒材料處于無序相狀態，隨著連續不斷的剪切，顆粒材料內部存在少數顆粒轉變為結晶相狀態，隨著剪切過程的深入，越來越多的顆粒逐漸完成相位轉變并以一種穩定的結晶相狀態持續存在。所以，研究顆粒材料的結晶前驅體微觀結構更有助于揭示顆粒材料的結晶動力學行為。

結晶相前驅體結構在定義上具有模糊性，結構識別上具有隱蔽性。即，第一、在顆粒材料結晶化轉變中，可以明確定義處于無序相或結晶相的顆粒并加以識別，通常定義在一定時間內轉變為結晶相的顆粒為結晶相前驅體，這是其在定義上的模糊性；第二、結晶相前驅體顆粒常常隱匿于無序相顆粒和結晶相顆粒間，在結構特征上與無序相和結晶相顆粒均有相似處，難以區分，這是其在結構識別上的隱蔽性。

由于顆粒前驅結構具有以上特性，因此難以被探測，目前研究都止步于結晶相的轉變和統計分析，無法探測晶核的生成過程。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種探測單分散顆粒體系結晶相前驅體微觀結構的方法及系統。

本發明為了實現上述目的，采用了以下方案：

方法

本發明提供一種探測單分散顆粒體系結晶相前驅體微觀結構的方法，其特征在于，包括：

步驟1.獲取剪切實驗過程中不同時刻單分散顆粒體系內所有顆粒的位置坐標信息；例如，對某長方體顆粒材料試樣進行循環剪切，取一次剪切為時間間隔ΔT，共剪切n次，則可取n個不同時刻顆粒體系內所有顆粒的位置坐標信息；

步驟2.計算不同時刻每個顆粒的微觀結構特征，使用鍵取向序參數(BOOP) 和局部體積分數(φ_local)判斷顆粒在某時刻是否處于結晶相；

步驟2-1.基于所有顆粒的位置坐標信息，判斷每個顆粒的鄰接顆粒；

步驟2-2.基于顆粒的鄰接網絡計算顆粒的短程結構特征(SRO)；

步驟2-3.計算顆粒的中程結構序特征(MRO)；

步驟2-4.提取所有顆粒的鍵取向序參數q₆和局部體積分數φ_local；