CN115859548A - 一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法及系统，基于海缆接头用防水密封胶和硅橡胶的类型，确定防水密封胶分子式以及硅橡胶分子式；建立防水密封胶分子模型，建立硅橡胶分子模型；分别对防水密封胶分子模型和硅橡胶分子模型进行处理；分别基于处理后的模型建立硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元；分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行处理；基于处理后的周期单元建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型；对复合层结构模型进行分子动力学仿真；基于完成分子动力学仿仿真后的硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，基于仿真参数数对海缆接头用防水密封胶的分子渗透特性进行评估。
Description
技术领域
本发明涉及分子动力学仿真技术领域，更具体地，涉及一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法及系统。
背景技术
硅橡胶绝缘因其具有优良的电气、机械与耐热性能，被广泛应用于海底电缆维修接头绝缘材料。根据现已进行的500kV海底电缆维修接头预鉴定试验，发现在运行工况下硅橡胶绝缘会发生色泽改变的现象。初步研究表明，海缆接头用防水密封胶向硅橡胶绝缘中发生了分子渗透现象，并导致硅橡胶绝缘的老化与性能下降。分子动力学是一种通过力场势函数描述分子运动、构象与能量的方法。分子动力学在绝缘材料状态评估研究中广泛应用于变压器油纸绝缘的评估，其用于对于海底电缆接头的状态评估尚未见相关报道。
因此，需要一种技术，以实现基于分子动力学对海缆接头用防水密封胶渗透特性进行评估。
发明内容
本发明技术方案提供一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法及系统，以解决如何基于分子动力学对海缆接头用防水密封胶进行渗透特性评估的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法，所述方法包括：
基于海缆接头用防水密封胶和硅橡胶的类型，确定防水密封胶分子式以及硅橡胶分子式；基于所述防水密封胶分子式建立防水密封胶分子模型，基于所述硅橡胶分子式建立硅橡胶分子模型；
分别对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子模型进行处理；
分别基于处理后的所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型建立硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元；
分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行处理；
基于处理后的所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型；
对所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真；
基于完成分子动力学仿仿真后的所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，基于所述仿真参数数对海缆接头用防水密封胶的分子渗透特性进行评估。
优选地，所述建立硅橡胶分子式模型，包括：
构建聚合物，所述聚合物包括：均聚物、嵌段共聚物、随机共聚物和树枝共聚物；所述均聚物的聚合度为10-100。
优选地，所述分别对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子模型进行处理，包括：
通过Smart算法对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算。
优选地，所述建立硅橡胶非晶态周期单元，包括：
对每个硅橡胶非晶态周期单元放置10至100个所述硅橡胶分子模型，生成硅橡胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K，目标密度为0.8～1.2g/cm3；
所述建立防水密封胶非晶态周期单元，包括：
对每个防水密封胶非晶态周期单元放置5～50个防水密封胶分子模型，生成防水密封胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K。
优选地，所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行处理，包括：
通过Smart算法对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算；
对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行体积松弛处理，设置NPT系统，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长25～100ps。
优选地，所述建立所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型，包括：
设置层1为硅橡胶分子层，设置层2为防水密封胶分子层，所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型的调整方式为恒定体积。
优选地，所述对所述建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真，包括：
设置NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，步长1fs，仿真时长25～1000ps，优选500ps，每10ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法。
优选地，所述基于完成分子动力学仿仿真后的所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，包括：
通过Forcite模块的Energy指令进行相互作用能计算；
通过Forcite模块的Analysis指令进行均方位移计算；
通过Properties窗口提取粒子坐标数据后进行扩散位移和渗透轨迹。
基于本发明的另一方面，本发明提供一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的系统，所述系统包括：
初始单元，用于基于海缆接头用防水密封胶和硅橡胶的类型，确定防水密封胶分子式以及硅橡胶分子式；基于所述防水密封胶分子式建立防水密封胶分子模型，基于所述硅橡胶分子式建立硅橡胶分子模型；
第一处理单元，用于分别对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子模型进行处理；
第一建立单元，用于分别基于处理后的所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型建立硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元；
第二处理单元，用于分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行处理；
第二建立单元，用于基于处理后的所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型；
仿真单元，用于对所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真；
评估单元，用于基于完成分子动力学仿仿真后的所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，基于所述仿真参数数对海缆接头用防水密封胶的分子渗透特性进行评估。
优选地，所述初始单元，用于建立硅橡胶分子式模型，包括：
构建聚合物，所述聚合物包括：均聚物、嵌段共聚物、随机共聚物和树枝共聚物；所述均聚物的聚合度为10-100。
优选地，所述第一处理单元，用于分别对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子模型进行处理，包括：
通过Smart算法对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算。
优选地，所述第一建立单元，用于建立硅橡胶非晶态周期单元，包括：
对每个硅橡胶非晶态周期单元放置10至100个所述硅橡胶分子模型，生成硅橡胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K，目标密度为0.8～1.2g/cm3；
所述建立防水密封胶非晶态周期单元，包括：
对每个防水密封胶非晶态周期单元放置5～50个防水密封胶分子模型，生成防水密封胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K。
优选地，所述第二处理单元，用于分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行处理，包括：
通过Smart算法对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算；
对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行体积松弛处理，设置NPT系统，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长25～100ps。
优选地，所述第二建立单元，用于建立所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型，包括：
设置层1为硅橡胶分子层，设置层2为防水密封胶分子层，所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型的调整方式为恒定体积。
优选地，所述仿真单元，用于对所述建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真，包括：
设置NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，步长1fs，仿真时长25～1000ps，优选500ps，每10ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法。
优选地，所述评估单元，用于基于完成分子动力学仿仿真后的所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，包括：
通过Forcite模块的Energy指令进行相互作用能计算；
通过Forcite模块的Analysis指令进行均方位移计算；
通过Properties窗口提取粒子坐标数据后进行扩散位移和渗透轨迹。
本发明技术发提供了一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法及系统，其中方法包括：基于海缆接头用防水密封胶和硅橡胶的类型，确定防水密封胶分子式以及硅橡胶分子式；基于防水密封胶分子式建立防水密封胶分子模型，基于硅橡胶分子式建立硅橡胶分子模型；分别对防水密封胶分子模型和硅橡胶分子模型进行处理；分别基于处理后的防水密封胶分子模型和硅橡胶分子式模型建立硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元；分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行处理；基于处理后的硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型；对硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真；基于完成分子动力学仿仿真后的硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，基于仿真参数数对海缆接头用防水密封胶的分子渗透特性进行评估。本发明技术方案基于分子动力学对海缆接头用防水密封胶的分子渗透特性进行评估，便于对不同温度下、不同压力下的渗透特性进行比较，从微观层面探究其渗透机理与影响因素，从而优选具有低渗透率适用于海缆接头的防水密封胶材料。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施方式的一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法流程图；
图2为根据本发明优选实施方式的不同类型防水密封胶在不同温度下的均方位移曲线；
图3为根据本发明优选实施方式的不同类型防水密封胶在不同温度下的相互作用能曲线；
图4为根据本发明优选实施方式的不同类型防水密封胶在不同温度下的扩散位移曲线；
图5为根据本发明优选实施方式的1、2、3、4的分子渗透轨迹及其在三个坐标平面上的投影轨迹图；以及
图6为根据本发明优选实施方式的一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的系统结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施方式的一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法流程图。本发明基于分子动力学仿真，通过相互作用能、均方位移、扩散位移和渗透轨迹等参数，评价了不同类型防水密封胶的分子渗透程度，探明防水密封胶向硅橡胶绝缘中分子渗透的机理与影响因素，并优选具有低渗透率的防水密封胶材料。
如图1所示，本发明提供一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法，方法包括：
步骤101：基于海缆接头用防水密封胶和硅橡胶的类型，确定防水密封胶分子式以及硅橡胶分子式；基于防水密封胶分子式建立防水密封胶分子模型，基于硅橡胶分子式建立硅橡胶分子模型；
优选地，建立硅橡胶分子式模型，包括：构建聚合物，聚合物包括：均聚物、嵌段共聚物、随机共聚物和树枝共聚物；均聚物的聚合度为10-100。
本发明根据海缆接头用防水密封胶和硅橡胶的类型，确定两者的分子式，并通过Materials Studio软件Visualizer模块构建防水密封胶和硅橡胶的分子模型。
本发明上述步骤中，硅橡胶分子模型建立的具体方法为：使用BuildPolymers指令构建聚合物，可以构建均聚物、嵌段共聚物、随机共聚物和树枝共聚物，优选均聚物，聚合度10～100，优选20；防水密封胶分子模型建立的具体方法为：确定防水密封胶的成分与分子式，依此构建防水密封胶分子模型。
步骤102：分别对防水密封胶分子模型和硅橡胶分子模型进行处理；优选地，分别对防水密封胶分子模型和硅橡胶分子模型进行处理，包括：
通过Smart算法对防水密封胶分子模型和硅橡胶分子式模型进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对防水密封胶分子模型和硅橡胶分子式模型进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算。
本发明对建立完成的硅橡胶模型和防水密封胶模型通过Forcite模块的GeometryOptimization指令和Anneal指令分别进行结构优化和退火处理。
本发明的上述步骤中，结构优化的具体方法为：使用Smart算法，迭代步数500～2000步，优选2000步；退火处理的具体方法为：退火处理轮次5～20次，优选20次，退火温度300K至500K，每轮次中包含5～10次温升阶跃，优选10次，每次阶跃包含500～1000步计算，优选1000步。上述结构优化与退火处理均基于PCFF、UFF或Dreiding力场，优选Dreiding力场。
步骤103：分别基于处理后的防水密封胶分子模型和硅橡胶分子式模型建立硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元；
优选地，建立硅橡胶非晶态周期单元，包括：
对每个硅橡胶非晶态周期单元放置10至100个硅橡胶分子模型，生成硅橡胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K，目标密度为0.8～1.2g/cm3；
建立防水密封胶非晶态周期单元，包括：
对每个防水密封胶非晶态周期单元放置5～50个防水密封胶分子模型，生成防水密封胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K。
本发明对处理完成的两个模型通过AmorphousCell模块的Construction指令分别建立硅橡胶非晶态周期单元与防水密封胶非晶态周期单元。
本发明的上述步骤中，构建硅橡胶非晶态周期单元具体方法为：每个单元放置10～100个硅橡胶分子模型，优选20个，生成温度298～408K，优选363K或408K，目标密度0.8～1.2g/cm3，优选1.0g/cm3；构建防水密封胶非晶态周期单元的具体方法为：每个单元放置5～50个防水密封胶分子模型，优选20个，生成温度298～408K，优选363K或408K，目标密度由防水密封胶类型决定。上述构建非晶态周期单元均基于PCFF或COMPASS力场，优选PCFF力场。
步骤104：分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行处理；
优选地，分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行处理，包括：
通过Smart算法对分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算；
对分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行体积松弛处理，设置NPT系统，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长25～100ps。
本发明对建立完成的两个非晶态周期单元通过Forcite模块的GeometryOptimization指令、Anneal指令和Dynamics指令分别进行结构优化、退火处理和体积松弛。
本发明的上述步骤中，结构优化的具体方法为：使用Smart算法，迭代步数500～2000步，优选2000步；退火处理的具体方法为：退火处理轮次5～20次，优选20次，退火温度300K至500K，每轮次中包含5～10次温升阶跃，优选10次，每次阶跃包含500～1000步计算，优选1000步；体积松弛的具体方法为：设置NPT系综，粒子初始速率随机分布，温度设置298～408K，优选363K或408K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长25～100ps，优选100ps，每1ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法，压强控制使用Berendsen方法。上述结构优化、退火处理与体积松弛均基于PCFF、UFF或Dreiding力场，优选Dreiding力场。
步骤105：基于处理后的硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型；
优选地，建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型，包括：
设置层1为硅橡胶分子层，设置层2为防水密封胶分子层，硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型的调整方式为恒定体积。
本发明对处理完成的两个非晶态周期单元通过Visualizer模块的BuildLayer指令构建“硅橡胶-防水密封胶”复合层结构模型。
本发明的上述步骤中，构建复合层结构的具体方法为：设置层1为硅橡胶分子层，设置层2为防水密封胶分子层，调整方式为恒定体积。
步骤106：对建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真；
优选地，对建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真，包括：
设置NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，步长1fs，仿真时长25～1000ps，优选500ps，每10ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法。
本发明对建立完成的复合层结构模型通过Forcite模块的Dynamics指令进行分子动力学仿真，模拟防水密封胶分子渗透过程。
本发明的上述步骤中，分子动力学仿真的具体方法为：设置NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度设置298～408K，优选363K或408K，步长1fs，仿真时长25～1000ps，优选500ps，每10ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法。上述仿真过程均基于PCFF、UFF或Dreiding力场，优选Dreiding力场。
步骤107：基于完成分子动力学仿仿真后的硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，基于仿真参数数对海缆接头用防水密封胶的分子渗透特性进行评估。
优选地，基于完成分子动力学仿仿真后的硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，包括：
通过Forcite模块的Energy指令进行相互作用能计算；
通过Forcite模块的Analysis指令进行均方位移计算；
通过Properties窗口提取粒子坐标数据后进行扩散位移和渗透轨迹。
本发明对仿真完成的复合层结构模型计算仿真参数，完成对海缆接头用防水密封胶的分子渗透现象的评价。
本发明的上述步骤中，参数计算的具体方法为：相互作用能通过Forcite模块的Energy指令进行计算；均方位移通过Forcite模块的Analysis指令进行计算；扩散位移和渗透轨迹通过Properties窗口提取粒子坐标数据后进行计算。上述计算过程均基于PCFF、UFF或Dreiding力场，优选Dreiding力场。
本发明实施方式基于分子动力学对海缆接头用防水密封胶的分子渗透特性进行评估，便于对不同温度下、不同压力下的渗透特性进行比较，从微观层面探究其渗透机理与影响因素，从而优选具有低渗透率适用于海缆接头的防水密封胶材料。
以下通过实施例1-4对本发明实施方式进行具体说明
实施例1
一种对沥青类海缆接头用防水密封胶分子渗透特性的评估方法，包括以下步骤：
S1、通过Materials Studio软件Visualizer模块构建硅橡胶分子模型和沥青类防水密封胶分子模型。其中，硅橡胶为甲基硅橡胶(C2H6OSi)n，聚合度n＝20，分子式为C42H126O19Si20，相对分子质量为1497.15；沥青类防水密封胶内包含多种芳香族化合物，选择相对分子质量最小的萘用于表征沥青类防水密封胶中会发生渗透的小分子，分子式为C10H8，相对分子质量为128.17。
S2、对建立完成的硅橡胶模型和防水密封胶模型通过Forcite模块的GeometryOptimization指令和Anneal指令分别进行结构优化和退火处理。其中，结构优化基于Dreiding力场，采用Smart算法，迭代500步；退火处理基于Dreiding力场，退火轮次10次，退火温度300K至500K，每轮次中包含10次温升阶跃，每次阶跃包含500步计算。
S3、对建立完成的硅橡胶模型和防水密封胶模型通过Amorphous Cell模块的Construction指令分别建立硅橡胶非晶态周期单元与防水密封胶非晶态周期单元。其中，硅橡胶非晶态周期单元包含20个硅橡胶分子模型，生成温度363K，目标密度1.0g/cm3；防水密封胶非晶态周期单元包含20个萘分子模型，生成温度363K，目标密度0.6g/cm3。建立两者非晶态周期单元均基于PCFF力场。
S4、对建立完成的两个非晶态周期单元通过Forcite模块的GeometryOptimization指令、Anneal指令和Dynamics指令分别进行结构优化、退火处理和体积松弛。其中，结构优化基于Dreiding力场，使用Smart算法，迭代步数500步；退火处理基于Dreiding力场，退火轮次10次，退火温度300K至500K，每轮次中包含10次温升阶跃，每次阶跃包含500步计算；体积松弛基于Dreiding力场，采用NPT系综，温度设置363K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长100ps，每1ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法，压强控制使用Berendsen方法。
S5、对处理完成的两个非晶态周期单元通过Visualizer模块的Build Layer指令构建“硅橡胶-防水密封胶”复合层结构模型。其中，层1为硅橡胶分子层，设置层2为沥青类防水密封胶分子层，调整方式为恒定体积。
S6、对建立完成的复合层结构模型通过Forcite模块的Dynamics指令进行分子动力学仿真，模拟防水密封胶分子渗透过程。其中，分子动力学基于Dreiding力场，采用NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度设置363K，步长1fs，仿真时长500ps，每10ps采集一次数据，前100ps用于平衡系统，后400ps用于计算参数，温度控制采用Nose方法。
S7、对仿真完成的复合层结构模型计算仿真参数。其中，相互作用能通过Forcite模块的Energy指令基于Dreiding力场进行计算(如图2所示)；均方位移通过Forcite模块的Analysis指令进行计算(如图3所示)；扩散位移和渗透轨迹通过Properties窗口提取粒子坐标数据后进行计算(如图4、图5所示)。
实施例2
一种对沥青类海缆接头用防水密封胶分子渗透特性的评估方法，包括以下步骤：
S1、同“实施例1”S1。
S2、同“实施例1”S2。
S3、对建立完成的硅橡胶模型和防水密封胶模型通过AmorphousCell模块的Construction指令分别建立硅橡胶非晶态周期单元与防水密封胶非晶态周期单元。其中，硅橡胶非晶态周期单元包含20个硅橡胶分子模型，生成温度408K，目标密度1.0g/cm3；防水密封胶非晶态周期单元包含20个萘分子模型，生成温度408K，目标密度0.6g/cm3。建立两者非晶态周期单元均基于PCFF力场。
S4、结构优化与退火处理同“实施例1”S4；体积松弛基于Dreiding力场，采用NPT系综，温度设置484K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长100ps，每1ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法，压强控制使用Berendsen方法。
S5、同“实施例1”S5。
S6、对建立完成的复合层结构模型通过Forcite模块的Dynamics指令进行分子动力学仿真，模拟防水密封胶分子渗透过程。其中，分子动力学基于Dreiding力场，采用NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度设置408K，步长1fs，仿真时长500ps，每10ps采集一次数据，前100ps用于平衡系统，后400ps用于计算参数，温度控制采用Nose方法。S7、同“实施例1”S7。
实施例3
一种对聚氨酯类海缆接头用防水密封胶分子渗透特性的评估方法，包括以下步骤：
S1、通过Materials Studio软件Visualizer模块构建硅橡胶分子模型和聚氨酯类防水密封胶分子模型。其中，硅橡胶为甲基硅橡胶(C2H6OSi)n，聚合度n＝20，分子式为C42H126O19Si20，相对分子质量为1497.15；聚氨酯类防水密封胶特征基团为氨基甲酸酯，选取聚合度n＝20，分子式为C20H22N20O20，相对分子质量为862.52。
S2、对建立完成的硅橡胶模型和防水密封胶模型通过Forcite模块的GeometryOptimization指令和Anneal指令分别进行结构优化和退火处理。其中，结构优化基于Dreiding力场，采用Smart算法，迭代500步；退火处理基于Dreiding力场，退火轮次10次，退火温度300K至500K，每轮次中包含10次温升阶跃，每次阶跃包含500步计算。
S3、对建立完成的硅橡胶模型和防水密封胶模型通过Amorphous Cell模块的Construction指令分别建立硅橡胶非晶态周期单元与防水密封胶非晶态周期单元。其中，硅橡胶非晶态周期单元包含20个硅橡胶分子模型，生成温度363K，目标密度1.0g/cm3；防水密封胶非晶态周期单元包含5个聚氨酯分子模型，生成温度363K，目标密度1.0g/cm3。建立两者非晶态周期单元均基于PCFF力场。
S4、对建立完成的两个非晶态周期单元通过Forcite模块的GeometryOptimization指令、Anneal指令和Dynamics指令分别进行结构优化、退火处理和体积松弛。其中，结构优化基于Dreiding力场，使用Smart算法，迭代步数500步；退火处理基于Dreiding力场，退火轮次10次，退火温度300K至500K，每轮次中包含10次温升阶跃，每次阶跃包含500步计算；体积松弛基于Dreiding力场，采用NPT系综，温度设置363K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长100ps，每1ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法，压强控制使用Berendsen方法。
S5、对处理完成的两个非晶态周期单元通过Visualizer模块的Build Layer指令构建“硅橡胶-防水密封胶”复合层结构模型。其中，层1为硅橡胶分子层，设置层2为聚氨酯类防水密封胶分子层，调整方式为恒定体积。
S6、对建立完成的复合层结构模型通过Forcite模块的Dynamics指令进行分子动力学仿真，模拟防水密封胶分子渗透过程。其中，分子动力学基于Dreiding力场，采用NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度设置363K，步长1fs，仿真时长500ps，每10ps采集一次数据，前100ps用于平衡系统，后400ps用于计算参数，温度控制采用Nose方法。
S7、对仿真完成的复合层结构模型计算仿真参数。其中，相互作用能通过Forcite模块的Energy指令基于Dreiding力场进行计算(图1)；均方位移通过Forcite模块的Analysis指令进行计算(图3；扩散位移和渗透轨迹通过Properties窗口提取粒子坐标数据后进行计算(图4、图5)。
实施例4
S1、同“实施例3”S1。
S2、同“实施例3”S2。
S3、对建立完成的硅橡胶模型和防水密封胶模型通过Amorphous Cell模块的Construction指令分别建立硅橡胶非晶态周期单元与防水密封胶非晶态周期单元。其中，硅橡胶非晶态周期单元包含20个硅橡胶分子模型，生成温度408K，目标密度1.0g/cm3；防水密封胶非晶态周期单元包含5个聚氨酯分子模型，生成温度408K，目标密度1.0g/cm3。建立两者非晶态周期单元均基于PCFF力场。
S4、结构优化与退火处理同“实施例3”S4；体积松弛基于Dreiding力场，采用NPT系综，温度设置484K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长100ps，每1ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法，压强控制使用Berendsen方法。
S5、同“实施例3”S5。
S6、对建立完成的复合层结构模型通过Forcite模块的Dynamics指令进行分子动力学仿真，模拟防水密封胶分子渗透过程。其中，分子动力学基于Dreiding力场，采用NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度设置408K，步长1fs，仿真时长500ps，每10ps采集一次数据，前100ps用于平衡系统，后400ps用于计算参数，温度控制采用Nose方法。
S7、同“实施例3”S7。
如图2均方位移曲线所示，在同一温度下，聚氨酯类防水密封胶的分子渗透程度小于沥青类防水密封胶；而且随温度的升高，各类防水密封胶的分子渗透程度均有所加强。
如图3相互作用能曲线所示，在同一温度下，相较于沥青类防水密封胶，聚氨酯类防水密封胶具有更强的相互作用能，粒子间具有更强的吸引趋势，更不容易发生渗透现象；而且随温度的升高，各类防水密封胶的相互作用能均有所减弱。
如图4扩散位移曲线所示，在同一温度下，相较于沥青类防水密封胶，聚氨酯类防水密封胶具有更缓慢的吸附过程，且扩散位移更小；而且随温度的升高，各类防水密封胶的扩散位移有所增大。
如图5渗透轨迹曲线所示，比较两种防水密封胶渗透轨迹在三个坐标面上的投影轨迹，可以看出在同一温度下，沥青类防水密封胶具有更广泛的渗透轨迹，意味着其渗透程度强于聚氨酯类防水密封胶；而且随温度的升高，各类防水密封胶的渗透轨迹范围有所扩大。
综上所述，通过本发明，评估了沥青类防水密封胶和聚氨酯类防水密封胶分别在90℃和135℃下的分子渗透现象，可以得出结论：在相同温度下，聚氨酯类防水密封胶分子渗透程度明显弱于沥青类防水密封胶分子渗透程度；而且随温度升高，两种防水密封胶的分子渗透程度均有所加强。
本发明公开一种基于分子动力学海缆接头用防水密封胶渗透特性评估方法，包含以下步骤：S1、根据海缆接头用防水密封胶和硅橡胶类型，构建防水密封胶和硅橡胶的分子模型；S2、对建立完成的硅橡胶模型和防水密封胶模型进行结构优化和退火处理；S3建立硅橡胶非晶态周期单元与防水密封胶非晶态周期单元；S4、对建立完成的两个非晶态周期单元进行结构优化、退火处理和体积松弛；S5、对处理完成的两个非晶态周期单元通过Visualizer模块的Build Layer指令构建“硅橡胶-防水密封胶”复合层结构模型；S6、对建立完成的复合层结构模型进行分子动力学仿真，模拟防水密封胶分子渗透过程；S7、完成对海缆接头用防水密封胶的分子渗透现象的评价。
图6为根据本发明优选实施方式的一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的系统结构图。如图6所示，本发明提供一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的系统，系统包括：
初始单元601，用于基于海缆接头用防水密封胶和硅橡胶的类型，确定防水密封胶分子式以及硅橡胶分子式；基于防水密封胶分子式建立防水密封胶分子模型，基于硅橡胶分子式建立硅橡胶分子模型；
优选地，初始单元604，用于建立硅橡胶分子式模型，包括：
构建聚合物，聚合物包括：均聚物、嵌段共聚物、随机共聚物和树枝共聚物；均聚物的聚合度为10-100。
第一处理单元602，用于分别对防水密封胶分子模型和硅橡胶分子模型进行处理；
优选地，第一处理单元602，用于分别对防水密封胶分子模型和硅橡胶分子模型进行处理，包括：
通过Smart算法对防水密封胶分子模型和硅橡胶分子式模型进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对防水密封胶分子模型和硅橡胶分子式模型进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算。
第一建立单元603，用于分别基于处理后的防水密封胶分子模型和硅橡胶分子式模型建立硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元；
优选地，第一建立单元603，用于建立硅橡胶非晶态周期单元，包括：
对每个硅橡胶非晶态周期单元放置10至100个硅橡胶分子模型，生成硅橡胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K，目标密度为0.8～1.2g/cm3；
建立防水密封胶非晶态周期单元，包括：
对每个防水密封胶非晶态周期单元放置5～50个防水密封胶分子模型，生成防水密封胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K。
第二处理单元604，用于分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行处理；
优选地，第二处理单元604，用于分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行处理，包括：
通过Smart算法对分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算；
对分别对硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元进行体积松弛处理，设置NPT系统，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长25～100ps。
第二建立单元605，用于基于处理后的硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型；
优选地，第二建立单元605，用于建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型，包括：
设置层1为硅橡胶分子层，设置层2为防水密封胶分子层，硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型的调整方式为恒定体积。
仿真单元606，用于对建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真；
优选地，仿真单元606，用于对建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真，包括：
设置NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，步长1fs，仿真时长25～1000ps，优选500ps，每10ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法。
评估单元607，用于基于完成分子动力学仿仿真后的硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，基于仿真参数数对海缆接头用防水密封胶的分子渗透特性进行评估。
优选地，评估单元607，用于基于完成分子动力学仿仿真后的硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，包括：
通过Forcite模块的Energy指令进行相互作用能计算；
通过Forcite模块的Analysis指令进行均方位移计算；
通过Properties窗口提取粒子坐标数据后进行扩散位移和渗透轨迹。
本发明优选实施方式的一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的系统600与本发明优选实施方式的一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法100相对应，在此不再进行赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (16)
1.一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的方法，所述方法包括：
基于海缆接头用防水密封胶和硅橡胶的类型，确定防水密封胶分子式以及硅橡胶分子式；基于所述防水密封胶分子式建立防水密封胶分子模型，基于所述硅橡胶分子式建立硅橡胶分子模型；
分别对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子模型进行处理；
分别基于处理后的所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型建立硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元；
分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行处理；
基于处理后的所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型；
对所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真；
基于完成分子动力学仿仿真后的所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，基于所述仿真参数数对海缆接头用防水密封胶的分子渗透特性进行评估。
2.根据权利要求1所述的方法，所述建立硅橡胶分子式模型，包括：
构建聚合物，所述聚合物包括：均聚物、嵌段共聚物、随机共聚物和树枝共聚物；所述均聚物的聚合度为10-100。
3.根据权利要求1所述的方法，所述分别对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子模型进行处理，包括：
通过Smart算法对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算。
4.根据权利要求1所述的方法，所述建立硅橡胶非晶态周期单元，包括：
对每个硅橡胶非晶态周期单元放置10至100个所述硅橡胶分子模型，生成硅橡胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K，目标密度为0.8～1.2g/cm3；
所述建立防水密封胶非晶态周期单元，包括：
对每个防水密封胶非晶态周期单元放置5～50个防水密封胶分子模型，生成防水密封胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K。
5.根据权利要求1所述的方法，所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行处理，包括：
通过Smart算法对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算；
对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行体积松弛处理，设置NPT系统，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长25～100ps。
6.根据权利要求1所述的方法，所述建立所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型，包括：
设置层1为硅橡胶分子层，设置层2为防水密封胶分子层，所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型的调整方式为恒定体积。
7.根据权利要求1所述的方法，所述对所述建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真，包括：
设置NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，步长1fs，仿真时长25～1000ps，优选500ps，每10ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法。
8.根据权利要求1所述的方法，所述基于完成分子动力学仿仿真后的所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，包括：
通过Forcite模块的Energy指令进行相互作用能计算；
通过Forcite模块的Analysis指令进行均方位移计算；
通过Properties窗口提取粒子坐标数据后进行扩散位移和渗透轨迹。
9.一种用于对防水密封胶渗透特性进行评估的系统，所述系统包括：
初始单元，用于基于海缆接头用防水密封胶和硅橡胶的类型，确定防水密封胶分子式以及硅橡胶分子式；基于所述防水密封胶分子式建立防水密封胶分子模型，基于所述硅橡胶分子式建立硅橡胶分子模型；
第一处理单元，用于分别对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子模型进行处理；
第一建立单元，用于分别基于处理后的所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型建立硅橡胶非晶态周期单元和防水密封胶非晶态周期单元；
第二处理单元，用于分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行处理；
第二建立单元，用于基于处理后的所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型；
仿真单元，用于对所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真；
评估单元，用于基于完成分子动力学仿仿真后的所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，基于所述仿真参数数对海缆接头用防水密封胶的分子渗透特性进行评估。
10.根据权利要求9所述的系统，所述初始单元，用于建立硅橡胶分子式模型，包括：
构建聚合物，所述聚合物包括：均聚物、嵌段共聚物、随机共聚物和树枝共聚物；所述均聚物的聚合度为10-100。
11.根据权利要求9所述的系统，所述第一处理单元，用于分别对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子模型进行处理，包括：
通过Smart算法对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对所述防水密封胶分子模型和所述硅橡胶分子式模型进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算。
12.根据权利要求9所述的系统，所述第一建立单元，用于建立硅橡胶非晶态周期单元，包括：
对每个硅橡胶非晶态周期单元放置10至100个所述硅橡胶分子模型，生成硅橡胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K，目标密度为0.8～1.2g/cm3；
所述建立防水密封胶非晶态周期单元，包括：
对每个防水密封胶非晶态周期单元放置5～50个防水密封胶分子模型，生成防水密封胶非晶态周期单元的温度范围包括298～408K。
13.根据权利要求9所述的系统，所述第二处理单元，用于分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行处理，包括：
通过Smart算法对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行迭代，迭代步数为500-2000步；
对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行5-20轮次退火处理，每轮次退火处理中包括5-10次温升阶跃，每次阶跃包括500-1000步计算；
对所述分别对所述硅橡胶非晶态周期单元和所述防水密封胶非晶态周期单元进行体积松弛处理，设置NPT系统，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，压强设置101.3kPa，步长1fs，仿真时长25～100ps。
14.根据权利要求9所述的系统，所述第二建立单元，用于建立所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型，包括：
设置层1为硅橡胶分子层，设置层2为防水密封胶分子层，所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型的调整方式为恒定体积。
15.根据权利要求9所述的系统，所述仿真单元，用于对所述建立硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型进行分子动力学仿真，包括：
设置NVT系综，粒子初始速率随机分布，温度范围包括298～408K，步长1fs，仿真时长25～1000ps，优选500ps，每10ps采集一次数据，温度控制采用Nose方法。
16.根据权利要求9所述的系统，所述评估单元，用于基于完成分子动力学仿仿真后的所述硅橡胶及防水密封胶复合层结构模型计算仿真参数，包括：
通过Forcite模块的Energy指令进行相互作用能计算；
通过Forcite模块的Analysis指令进行均方位移计算；
通过Properties窗口提取粒子坐标数据后进行扩散位移和渗透轨迹。
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|---|---|---|---|---|
| CN117744451A (zh) * | 2024-02-20 | 2024-03-22 | 山东理工大学 | 基于有限元和分子动力学的sers基底仿真优化方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117744451A (zh) * | 2024-02-20 | 2024-03-22 | 山东理工大学 | 基于有限元和分子动力学的sers基底仿真优化方法 |
| CN117744451B (zh) * | 2024-02-20 | 2024-05-14 | 山东理工大学 | 基于有限元和分子动力学的sers基底仿真优化方法 |
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