CN105760598A - 一种基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法，包括以下步骤:建立纳米线分子动力学仿真模型；设置仿真参数；采用分子动力学模拟方法计算并输出纳米材料的应力应变数据；将应力应变数据绘制出应力应变曲线；找到应力应变曲线上的第一峰值点和第一下屈服点；按照塑性模量的定义求出塑性模量值。本发明通过分子动力学模拟方法对纳米尺度下的塑性模量进行求解，既降低了计算费用，而且也提高了计算的精确度，同时相对于物理实验方法也提高了计算效率。

Description

一种基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法
技术领域
本发明涉及纳米器件设计制造领域，具体是一种基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法。
背景技术
纳米材料广泛应用于纳米器件设计制造领域，例如逻辑门、量子器械中的导线、力反馈传感器。作为制造微纳机电系统中微/纳器件的材料，纳米材料所具有的表面效应和尺寸效应使其表现出与宏观材料截然不同的力学特性，比如塑性模量。纳米尺度下的塑性模量表现出了与宏观弹性模量性质相反的特性，在纳力反馈传感器的设计制造中有重要应用前景。因此，对纳米材料的塑性模量进行分析研究势在必行。
塑性模量的计算方法有很多，而基于扫描电子显微镜和透射电子显微镜等设备的物理实验方法是最可靠，也是最有效的方法。然而，倘若直接利用扫描电子显微镜等设备对纳米材料和器件进行力学性能实验，往往很难实现，甚至是困难重重。其原因具体表现为：一、需要制造出适合拉伸实验和夹具装夹的微小试件；二、需要精度极高的测量装置；三、需要制造出适用于拉伸实验的试验台；四、研发周期的长和实验数据的可重复性；五、高昂的试验费用。因此，物理实验方法令研究学者们望而却步。
分子动力学模拟方法被公认为本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段，称之为“计算机实验”手段。采用分子动力学模拟方法不仅可以节约实验成本，有效、快捷地建立实验模拟环境，而且还可以观测瞬态原子运动状态。随着计算机速度、存储技术、硬件性能和并行处理技术的飞速发展，分子动力学模拟方法被广泛地应用于材料科学、生物物理和药品设计等科学研究中。目前，分子动力学模拟方法因其自身的突出特点已经成为研究纳米线力学性能机制的重要方法，并且正处在学术界和工业界全面重视的阶段。因此，采用分子动力学模拟方法计算纳米材料塑性模量是可行的。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种提高了计算方法的实用性和有效性的基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法，包括以下步骤:
步骤一、建立纳米线分子动力学仿真模型；
步骤二、设置仿真参数；
步骤三、采用分子动力学模拟方法计算并输出纳米材料的应力应变数据；
步骤四、将应力应变数据绘制出应力应变曲线；
步骤五、找到应力应变曲线上的第一峰值点和第一下屈服点；
步骤六、按照塑性模量的定义求出塑性模量值。
作为本发明进一步的方案：步骤一中，建立纳米线分子动力学仿真模型是指基于LAMMPS软件建立三维尺寸为30a*6a*6a的长方体或者长为30a横截面直径为6a的圆柱体纳米线三维分子动力学仿真模型，a为所研究材料的晶格常数。
作为本发明进一步的方案：步骤二中，仿真参数是在LAMMPS软件中确定分子动力学模拟计算所必须的相关参数，包括应变率、温度、压强、时间步、势函数、系综选择、边界条件确定、外部载荷类型、系统控温和控压方法。
作为本发明进一步的方案：步骤五中，第一峰值点是指弹性极限点，第一下屈服点是连接后续非周期性波动的第一个最低临界点，也是第一次应力骤降幅度最大区段与下一个应力波动周期的拐点。
作为本发明进一步的方案：步骤六，塑性模量的定义是指应力应变曲线上在第一峰值点之后到第一下屈服点之间的一段呈线性函数关系的应力与应变的比值，塑性模量的公式为（1）-（3）；
式中：m是指在应力应变曲线中第一峰值点之后到第一下屈服点之间的一段呈现线性函数关系的的曲线段的数据数目，第一下屈服点下的应力，为第一峰值点下的应力，第一下屈服点下的应变，为第一峰值点下的应变。
作为本发明进一步的方案：由于计算机模拟输出的数据数量及其庞大并且数据提取和计算容易受到人为主观因素的干扰，实际计算求解塑性模量的值时是使用线性拟合的数据处理方法对塑性模量曲线部分进行线性拟合，拟合后获得的斜率K作为塑性模量的值，斜率K的计算公式如公式（4）所示；
（4）。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过分子动力学模拟方法对纳米尺度下的塑性模量进行求解，既降低了计算费用，而且也提高了计算的精确度，同时相对于物理实验方法也提高了计算效率。
附图说明
图1为本发明所述基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法方法的流程图。
图2为纳米线分子动力学仿真模型。
图3为应变率和温度分别为2.5×108s-1和0.1K时的应力应变输出数据。
图4为应变率和温度分别为2.5×108s-1和0.1K时的应力应变曲线。
图5为第一峰值点和第一下屈服点的区间端点位置图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，图1为本发明所述方法的流程示意图，如图1所示，所述的基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法方法归纳起来分为以下步骤：步骤一、建立纳米线分子动力学仿真模型；步骤二、仿真参数设置；步骤三、采用分子动力学模拟方法计算并输出纳米材料的应力应变数据；步骤四、将应力应变数据绘制出应力应变曲线；步骤五、找到曲线上的第一峰值点和第一下屈服点；步骤六、按照塑性模量的定义求出塑性模量值。
该实例要求在应变率和温度分别为2.5×108s-1和0.1K时计算出单晶铜纳米材料的拉伸塑性模量。
首先，建立纳米线分子动力学仿真模型：
纳米线由fcc结构的理想单晶Cu组成，晶格常数a为0.361nm。在LAMMPS软件中建立三维尺寸为30a*6a*6a的长方体单晶铜纳米线三维分子动力学仿真模型。图2为建立的单晶铜纳米线分子动力学仿真模型，模型为长方体，尺寸为10.8nm×2.2nm×2.2nm。
其次，仿真参数设置：
在LAMMPS软件中确定分子动力学模拟计算所必须的相关参数，即应变率和温度温度分别为2.5×108s-1和0.1K，压强为0par、时间步为1飞秒，势函数为EAM势函数，系综选择为NVT，边界条件确定为ssp、外部载荷类型为单轴拉伸载荷、系统控温和控压方法为Nose-Hoover热浴。
再次，采用分子动力学模拟方法计算并输出纳米材料的应力应变数据：启动分子动力学模拟过程并输出纳米线拉伸变形过程的应力应变数据，如图3所示。
再次，将应力应变数据绘制出应力应变曲线：绘制的应力应变曲线，如图4所示。
再次，找到应力应变曲线上的第一峰值点和第一下屈服点：塑性模量所对应的第一峰值点和第一下屈服点的区间端点如图5所示；第一峰值点和第一下屈服点所对应的数据见表1。
表1
第一峰值点 第一下屈服点
应力 9.8478 5.8613
应变 0.0989 0.1107
最后，按照塑性模量的定义求出塑性模量值：按照塑性模量的计算公式，如下所示，计算塑性模量值，。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一、建立纳米线分子动力学仿真模型；
步骤二、设置仿真参数；
步骤三、采用分子动力学模拟方法计算并输出纳米材料的应力应变数据；
步骤四、将应力应变数据绘制出应力应变曲线；
步骤五、找到应力应变曲线上的第一峰值点和第一下屈服点；
步骤六、按照塑性模量的定义求出塑性模量值。
2.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法，其特征在于，步骤一中，建立纳米线分子动力学仿真模型是指基于LAMMPS软件建立三维尺寸为30a*6a*6a的长方体或者长为30a横截面直径为6a的圆柱体纳米线三维分子动力学仿真模型，a为所研究材料的晶格常数。
3.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法，其特征在于，步骤二中，仿真参数是在LAMMPS软件中确定分子动力学模拟计算所必须的相关参数，包括应变率、温度、压强、时间步、势函数、系综选择、边界条件确定、外部载荷类型、系统控温和控压方法。
4.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法，其特征在于，步骤五中，第一峰值点是指弹性极限点，第一下屈服点是连接后续非周期性波动的第一个最低临界点，也是第一次应力骤降幅度最大区段与下一个应力波动周期的拐点。
5.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法，其特征在于，步骤六，塑性模量的定义是指应力应变曲线上在第一峰值点之后到第一下屈服点之间的一段呈线性函数关系的应力与应变的比值，塑性模量的公式为（1）-（3）；
式中：m是指在应力应变曲线中第一峰值点之后到第一下屈服点之间的一段呈现线性函数关系的的曲线段的数据数目，第一下屈服点下的应力，为第一峰值点下的应力，第一下屈服点下的应变，为第一峰值点下的应变。
6.根据权利要求5所述的基于分子动力学模拟的纳米材料塑性模量计算方法，其特征在于，实际计算求解塑性模量的值时是使用线性拟合的数据处理方法对塑性模量的曲线部分进行线性拟合，拟合后获得的斜率K作为塑性模量的值，斜率K的计算公式如公式（4）所示；
（4）。
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