CN107133466B - 一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法 - Google Patents

一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107133466B
CN107133466B CN201710294720.7A CN201710294720A CN107133466B CN 107133466 B CN107133466 B CN 107133466B CN 201710294720 A CN201710294720 A CN 201710294720A CN 107133466 B CN107133466 B CN 107133466B
Authority
CN
China
Prior art keywords
crystal
section
dimensional
growth
simulated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201710294720.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107133466A (zh
Inventor
刘永志
张世勋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhengzhou University
Original Assignee
Zhengzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhengzhou University filed Critical Zhengzhou University
Priority to CN201710294720.7A priority Critical patent/CN107133466B/zh
Publication of CN107133466A publication Critical patent/CN107133466A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107133466B publication Critical patent/CN107133466B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/80—Data visualisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明提供一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法，其中，结晶过程分为晶体成核和晶体生长两个阶段，在模拟晶体成核时，晶核的位置在三维区域内模拟，晶体的生长和碰撞过程在三维模拟区域内特定的截面或者截线上模拟。发明采用的方法是在三维空间中模拟晶体的成核点位置，在三维模拟空间内特定的截面或者截线上进行晶体的生长和碰撞过程的模拟，与二维经典模拟算法以及三维经典算法相比，克服了二维和三维的数值模拟方案中存在的求解速度和计算精度的矛盾。

Description

一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法
技术领域
本发明属于计算机软件领域，特别涉及一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法。
背景技术
材料的结晶一般分为晶体成核和晶体生长两个过程，在晶体生长的过程中相邻的晶体可能发生碰撞而形成晶界，从而使得晶体的生长局部停止。晶体的尺寸、形态分布、晶界的位置以及结晶度是影响结晶型材料性能的关键因素，也是计算机数值模拟软件需要模拟计算的重要内容。结晶的计算机数值模拟技术是：基于一定的科学原理在计算机上模拟仿真晶体的形成过程的一门技术。计算区域的选择对模拟软件的模拟精度、计算速度和以及占用内存的数量影响巨大。晶体数值模拟的计算区域从空间上讲，主要有二维和三维两种。在三维空间中进行模拟的优点是：晶体的成核和生长在三维空间模拟，能够综合考虑多种因素(比如：三维的应力作用、非均匀温度、压力等)对结晶过程的影响，计算精度高；缺点是：三维空间的几何信息量大，计算软件需要的运行内存空间大，计算速度慢。而在二维空间进行的模拟一般需要对三维空间进行一定的几何简化。二维模拟的优点是：计算速度快，所需的计算机内存小；缺点是：晶体的成核和生长都只能在二维空间进行，能够模拟的影响因素少，计算精度低。在二维和三维的数值模拟方案中存在求解速度和计算精度的矛盾。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种求解速度快、需要计算机内存小并且计算精度高的材料结晶过程的计算机数值模拟方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法，其中，结晶过程分为晶体成核和晶体生长两个阶段，在模拟晶体成核时，晶核的位置在三维区域内模拟，晶体的生长和碰撞过程在三维模拟区域内特定的截面或者截线上模拟。
基于上述，在三维模拟区域内特定的截面模拟晶体的生长和碰撞过程为：选择三维模拟区域V内特定的一个或n个截面Ai，计算所有晶体和特定截面Ai相交的图像；计算与某一截面Ai相交的晶体在这个截面内不同方向的生长速度，并以该速度模拟该晶体在这个截面内的生长过程，在所选定的特定截面Ai内模拟相邻晶体的碰撞过程；在计算机模拟的每个时间步长内，计算截面Ai内晶体的面密度，运用德莱赛定律，将晶体的某个面密度或者几个面密度的统计平均值与晶体在三维空间的体密度等价，获得三维空间的晶体相对结晶度。
基于上述，在三维模拟区域内特定的截线上模拟晶体的生长和碰撞过程为：选择三维模拟区域V内特定的一个或n个截线Li，计算所有晶体和这些特定截线Li的相交线；计算与某一截线Li相交的晶体在这个截线Li内不同方向的生长速度，并模拟该晶体沿该截线Li的生长过程；在所选定的特定截线Li上模拟相邻晶体的碰撞过程；在计算机模拟的每个时间步长内，计算截线Li上的晶体的线密度，运用罗西瓦尔定律，将晶体的某个线密度或者几个线密度的统计平均值与晶体的体密度等价，获得三维空间中晶体的相对结晶度。
基于上述，在模拟晶体的生长和碰撞过程中，晶体在截面Ai或截线Li上的形貌可以输出保存。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明采用的方法是在三维空间中模拟晶体的成核点位置，在三维模拟空间内特定的截面或者截线上进行晶体的生长和碰撞过程的模拟，与二维经典模拟算法以及三维经典算法相比，克服了二维和三维的数值模拟方案中存在的求解速度和计算精度的矛盾。
附图说明
图1应用本发明方法输出的晶体形貌图。
图2应用经典三维模拟方法输出的晶体形貌图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法，其中，结晶过程分为晶体成核和晶体生长两个阶段，在模拟晶体成核时，晶核的位置在三维区域内模拟，晶体的生长和碰撞过程在三维模拟区域内特定的截面或者截线上模拟。
在三维模拟区域内特定的截面模拟晶体的生长和碰撞过程为：
选择三维模拟区域V内特定的一个或n个截面Ai，计算所有晶体和特定截面Ai相交的图像；计算与某一截面Ai相交的晶体在这个截面内不同方向的生长速度，并以该速度模拟该晶体在这个截面内的生长过程，在所选定的特定截面Ai内模拟相邻晶体的碰撞过程；计算截面Ai内晶体的面密度，运用德莱赛定律，将晶体的某个面密度或者几个面密度的统计平均值与晶体在三维空间的体密度等价，获得三维空间的晶体相对结晶度。
在三维模拟区域内特定的截线上模拟晶体的生长和碰撞过程为：
选择三维模拟区域V内特定的一个或n个截线Li，计算所有晶体和这些特定截线Li的相交线；计算与某一截线Li相交的晶体在这个截线Li内不同方向的生长速度，并模拟该晶体沿该截线Li的生长过程；在所选定的特定截线Li上模拟相邻晶体的碰撞过程；在每个时间步长内计算截线Li上的晶体的线密度，运用罗西瓦尔定律，将晶体的某个线密度或者几个线密度的统计平均值与晶体的体密度等价，获得三维空间中晶体的相对结晶度。
在具体的计算模拟过程中，以100*100*100个节点的三维空间为例，模拟空间的节点个数为106个，而其中一个正交截面上的节点数为100*100＝104个，一个正交截线上的节点个数为102个，采用本发明方法，在模拟晶体生长和碰撞时，计算软件中仅需要保留与截面Ai或截线Li相关的几何信息，相对于三维空间需要存贮的节点信息少，节省了计算机的内存空间，而且，由于仅处理相邻晶体在截面Ai内或截线Li上的碰撞过程，处理的信息量少，使得计算机的模拟时间减少，提升了求解速度。
另外，在模拟晶体的生长和碰撞过程中，晶体在截面Ai或截线Li上的形貌可以通过计算机软件输出保存。如图1和图2所示是在同一个时间步长，应用本发明的方法和经典三维模拟方法输出的晶体形貌图。从图中可以看出，两者的相对结晶度相同，应用本发明的方法输出的晶体形貌图与应用经典三维模拟方法输出的晶体形貌图的一个截面图相似。
对比算例：
采用本发明中的在三维模拟区域内特定的截面模拟晶体的生长和碰撞过程，其中，先结合蒙特卡洛方法生成晶核位置，模拟过程中，采用像素法模拟晶体碰撞过程，并采用公式N(T)＝N0 exp[ψΔT]计算晶核数量，公式
Figure GDA0002568319190000041
计算晶体生长速度；三维空间采用200*200*200个节点，截面采用200*200个节点，参数N0＝17.4×106/m3，ψ＝0.155K-1，G0＝2.1×1010μm/s，U*/R＝755K，Kg＝534858K2，Tm＝467K，T∞＝236K；模拟400K温度的等温结晶过程，时间步长为60s；用于运行模拟的计算机配置为：CPUIntel Core I7-4790，8核，主频3.6GHz，内存8G，软件系统：Windows10(64位)专业版。
将应用本发明的方法和经典三维模拟的方法对比，分别运行5次，得到相对结晶度的平均值以及运行软件消耗的平均CPU时间。各步长的对比结果见表1和表2。从表中可以看出应用本发明方法计算得到的相对结晶度结果与三维模拟的结果非常接近，而应用本发明方法模拟消耗的CPU计算时间比经典三维的模拟方法少2-5个数量级。
表1相对结晶度模拟结果对比
Figure GDA0002568319190000051
表2相对模拟计算速度对比
Figure GDA0002568319190000052
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (2)

1.一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法，其中，结晶过程分为晶体成核和晶体生长两个阶段，其特征在于：在模拟晶体成核时，晶核的位置在三维区域内模拟，晶体的生长和碰撞过程在三维模拟区域内特定的截面或者截线上模拟；
在三维模拟区域内特定的截面模拟晶体的生长和碰撞过程为：
选择三维模拟区域V内特定的一个或n个截面Ai，计算所有晶体和特定截面Ai相交的图像；
计算与某一截面Ai相交的晶体在这个截面内不同方向的生长速度，并以该速度模拟该晶体在这个截面内的生长过程，在所选定的特定截面Ai内模拟相邻晶体的碰撞过程；
在计算机模拟的每个时间步长内，计算截面Ai内晶体的面密度，运用德莱赛定律，将晶体的某个面密度或者几个面密度的统计平均值与晶体在三维空间的体密度等价，获得三维空间的晶体相对结晶度；
在三维模拟区域内特定的截线上模拟晶体的生长和碰撞过程为：
选择三维模拟区域V内特定的一个或n个截线Li，计算所有晶体和这些特定截线Li的相交线；
计算与某一截线Li相交的晶体在这个截线Li内不同方向的生长速度，并模拟该晶体沿该截线Li的生长过程；在所选定的特定截线Li上模拟相邻晶体的碰撞过程；
在计算机模拟的每个时间步长内，计算截线Li上的晶体的线密度，运用罗西瓦尔定律，将晶体的某个线密度或者几个线密度的统计平均值与晶体的体密度等价，获得三维空间中晶体的相对结晶度。
2.根据权利要求1所述的材料结晶过程的计算机数值模拟方法，其特征在于：在模拟晶体的生长和碰撞过程中，晶体在截面Ai或截线Li上的形貌可以输出保存。
CN201710294720.7A 2017-04-28 2017-04-28 一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法 Expired - Fee Related CN107133466B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710294720.7A CN107133466B (zh) 2017-04-28 2017-04-28 一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710294720.7A CN107133466B (zh) 2017-04-28 2017-04-28 一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107133466A CN107133466A (zh) 2017-09-05
CN107133466B true CN107133466B (zh) 2020-08-18

Family

ID=59716844

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710294720.7A Expired - Fee Related CN107133466B (zh) 2017-04-28 2017-04-28 一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107133466B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001302394A (ja) * 2000-04-27 2001-10-31 Mitsubishi Materials Silicon Corp シリコン単結晶の点欠陥領域と微小欠陥分布のシミュレーション方法
CN103320864A (zh) * 2012-03-19 2013-09-25 株式会社理光 第13族氮化物晶体和第13族氮化物晶体基板
CN103556225A (zh) * 2009-02-16 2014-02-05 日本碍子株式会社 13族氮化物晶体
CN104120488A (zh) * 2013-04-23 2014-10-29 浙江特锐新能源有限公司 一种大尺寸c轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法
CN104657625A (zh) * 2015-02-09 2015-05-27 天津大学 一种模拟线性聚合物结晶的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001302394A (ja) * 2000-04-27 2001-10-31 Mitsubishi Materials Silicon Corp シリコン単結晶の点欠陥領域と微小欠陥分布のシミュレーション方法
CN103556225A (zh) * 2009-02-16 2014-02-05 日本碍子株式会社 13族氮化物晶体
CN103320864A (zh) * 2012-03-19 2013-09-25 株式会社理光 第13族氮化物晶体和第13族氮化物晶体基板
CN104120488A (zh) * 2013-04-23 2014-10-29 浙江特锐新能源有限公司 一种大尺寸c轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法
CN104657625A (zh) * 2015-02-09 2015-05-27 天津大学 一种模拟线性聚合物结晶的方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A three-dimensional numerical simulator of phase-change memory by random nucleation and growth approach;Jianwei Zhao 等;《2015 15th Non-Volatile Memory Technology Symposium (NVMTS)》;20160425;全文 *
Computer Modeling and Simulation for 3D Crystallization of Polymers.I.Isothermal Case;Ruan, CL 等;《POLYMER-PLASTICS TECHNOLOGY AND ENGINEERING》;20121230;全文 *
温度场的有限元数值模拟及其在塑件和模具冷却分析中的应用;刘永志;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士)工程科技Ⅰ辑》;20040315;全文 *
聚合物结晶动力学参数测定及结晶度预测;张世勋;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士)工程科技Ⅰ辑》;20040315;全文 *
过硫酸铵连续结晶器流场模拟;魏婷;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》;20160215;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107133466A (zh) 2017-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106846425B (zh) 一种基于八叉树的散乱点云压缩方法
Johannessen et al. Isogeometric analysis using LR B-splines
CN107862411A (zh) 一种大规模柔性作业车间调度优化方法
DE102017104220A1 (de) Aufgabenanordnung zur SIMD-Verarbeitung
JP5427640B2 (ja) 決定木生成装置、決定木生成方法、及びプログラム
Xu et al. A mapping-based approach to eliminating self-intersection of offset paths on mesh surfaces for CNC machining
CN106960088A (zh) 面向工序更改的三维工序模型自动更新方法
Ziff Correction-to-scaling exponent for two-dimensional percolation
Kwak et al. Remeshing for metal forming simulations—Part I: Two‐dimensional quadrilateral remeshing
DE102017120965A1 (de) Prozessor in nichtflüchtigem Ablagespeicher
CN106273441A (zh) 打印温度的控制方法及其装置
CN114969860A (zh) 一种六面体非结构网格自动生成方法
CN107133466B (zh) 一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法
DE202014011350U1 (de) FFT- Beschleuniger
Shang et al. Effective re-parameterization and GA based knot structure optimization for high quality T-spline surface fitting
CN111783977B (zh) 一种基于分区域梯度更新的神经网络训练过程中间值存储压缩方法和装置
CN107945273A (zh) 地形网格的处理方法和装置、存储介质及终端
Mohamad et al. Development of genetic algorithm toolbox using MATLAB in cutting tool path optimization
CN107577894B (zh) 一种四边形单元实时二分式加密-减密方法
CN107256281B (zh) 一种基于裁剪法的fpga可重构资源非矩形布局方法
CN115394364B (zh) 原子动力学蒙特卡洛模拟的原子指纹计算方法及装置
DE102013018141A1 (de) Technik zur Simulierung des dynamischen Verhaltens von Haar
CN117649545B (zh) 基于人工智能的喷涂轨迹规划方法及系统
CN113239480B (zh) 一种基于对比分析的结构拓扑优化方法
CN115374567B (zh) 叶盘轮毂加工路径生成方法、装置、介质和电子设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20200818