本發(fā)明涉及材料性質(zhì)模擬，尤其涉及一種含能材料輻照損傷多尺度耦合模擬方法。
背景技術(shù)：
1、含能材料是一類當(dāng)受到充分外界刺激時，通過自身氧化還原反應(yīng)而快速釋放大量熱量和氣體的物質(zhì)，在其使用過程中會面臨眾多的外部環(huán)境考驗，其中輻照環(huán)境是含能材料面臨的嚴峻應(yīng)用環(huán)境之一，在輻照條件下會對含能材料的使用性能造成影響。由于含能材料本身是一種涉及化學(xué)反應(yīng)的高功率能量釋放材料，對外部環(huán)境較為敏感，其輻照損傷實驗難度大、周期長、程序繁瑣且成本高昂。因此少量針對性實驗結(jié)果結(jié)合計算機模擬技術(shù)是研究含能材料輻照損傷與老化機理的主要方法。
2、在現(xiàn)有技術(shù)中對于含能材料模擬的研究，主要集中在微觀尺度下分解機理的模擬研究上，而在材料輻照領(lǐng)域，雖然已經(jīng)建立了對應(yīng)的金屬材料輻照多尺度耦合方法，但由于含能材料涉及到分子間化學(xué)反應(yīng)，其損傷機理與金屬材料存在較大差別，針對金屬材料的分析方法無法有效應(yīng)用于含能材料上。目前仍未形成針對含能材料輻照損傷的模擬方法與跨尺度模擬體系。同時由于缺乏用于輻照模擬的勢函數(shù)，如何設(shè)置針對含能材料輻照化學(xué)反應(yīng)的分子動力學(xué)物理模型也尚不清楚，需要分析的數(shù)據(jù)和計算的性質(zhì)還沒有明確的參考，從而無法實現(xiàn)含能材料在輻照環(huán)境下的損傷與老化機理的模擬研究。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明意在提供一種含能材料輻照損傷多尺度耦合模擬方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)在含能材料輻照損傷模擬中單一尺度模擬的局限性問題。本發(fā)明方法整合了第一性原理計算、蒙特卡洛、分子動力學(xué)以及加速分子動力學(xué)等多種計算手段，將這些不同尺度的模擬技術(shù)進行串聯(lián)和耦合，借助并行計算技術(shù)，從而克服單一尺度模擬的局限，實現(xiàn)含能材料在輻照條件下從原子尺度的缺陷生成到微觀結(jié)構(gòu)表征的長時間、大規(guī)模模擬。
2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
3、s1、第一性原理計算：利用dft計算方法構(gòu)建用于分子動力學(xué)中原子間短程相互作用描述的初始力場，并對構(gòu)建的初始力場進行驗證。
4、s2、蒙特卡洛步驟:通過隨機采樣模擬物理過程，利用大量隨機數(shù)來模擬粒子在介質(zhì)中的輸運過程，從而得到次級粒子的能量分布情況，用于分子動力學(xué)模擬的初始輸入?yún)?shù)；
5、s3、分子動力學(xué)步驟：初始化系統(tǒng)，并依據(jù)步驟s1確定的初始力場，步驟s2確定的次級粒子參數(shù)，采用分子動力學(xué)方法，使用初始力場來模擬由次級粒子引發(fā)的級聯(lián)碰撞過程，并在相同的初始條件下多次模擬，通過分析模擬結(jié)果確定關(guān)鍵信息。
6、s4、加速分子動力學(xué)步驟：在步驟s3分子動力學(xué)模擬的基礎(chǔ)上進行，依據(jù)步驟s3分子動力學(xué)計算得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)能量，通過連續(xù)抬升原子勢能的方法，實現(xiàn)對缺陷原子越過能量勢壘的加速，將分子動力學(xué)微秒級別的模擬時間尺度擴展到天以上。
7、步驟s1具體為：以dft計算的能量和力為基準，通過比較dft與reaxff勢能預(yù)測的能量和力，將ziegler-biersack-littmark排斥勢能(zbl勢)與reaxff勢能進行平滑連接，采用最小化殘差和rss來確定過渡區(qū)域內(nèi)的最佳參數(shù)，從而生成用于分子動力學(xué)中原子間短程相互作用描述的初始力場，構(gòu)建完成后對初始力場進行驗證。
8、步驟s2具體為：利用geant4程序模擬中子在材料中的輸運過程，得到次級粒子的能譜與坐標分布，確定次級粒子的百分比及能量范圍，并確定概率最大的能量值，得到的次級粒子信息作為分子動力學(xué)模擬的初始輸入；
9、步驟s3具體為：初始化系統(tǒng)，依據(jù)步驟s1確定的初始力場，步驟s2確定的次級粒子參數(shù)，指定初級離位原子的入射方向和能量，同時為原子設(shè)定初始坐標、速度以及鄰位原子信息，采用分子動力學(xué)方法，使用初始力場來模擬由次級粒子引發(fā)的級聯(lián)碰撞過程，并在相同的初始條件下多次模擬，通過分子動力學(xué)模擬結(jié)果的深入統(tǒng)計分析確定關(guān)鍵信息。
10、進一步地，步驟s1中的驗證包括平衡態(tài)性質(zhì)驗證和高能碰撞驗證
11、進一步地，步驟s3中對系統(tǒng)進行初始化，詳細設(shè)定包括系統(tǒng)、溫度、壓力在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)。
12、進一步地，步驟s3中的關(guān)鍵信息包括初始缺陷分布、關(guān)鍵數(shù)據(jù)能量、力學(xué)性能變化、微觀結(jié)構(gòu)演化、化學(xué)產(chǎn)物以及反應(yīng)路徑等
13、進一步地，步驟s4中還可以通過高溫模擬的方法，實現(xiàn)對缺陷原子越過能量勢壘的加速。
14、技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明方法將第一性原理計算方法(dft)、蒙特卡洛(mc)、分子動力學(xué)(md)和加速分子動力學(xué)(amd)四種不同尺度的模擬方法耦合起來，借助并行計算技術(shù)，可以突破單一尺度限制，實現(xiàn)對含能材料在輻照環(huán)境下的輻照射線相互作用、原子尺度缺陷產(chǎn)生、缺陷演化過程到微觀結(jié)構(gòu)表征的長時間、大規(guī)模和較為精確的計算機模擬過程，從而能夠深入理解含能材料輻照損傷機理，預(yù)測含能材料在輻照后的性能變化，為含能材料的設(shè)計和性能預(yù)測提供便捷高效的科學(xué)手段。
1.一種含能材料輻照損傷多尺度耦合模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含能材料輻照損傷多尺度耦合模擬方法，其特征在于：所述步驟s1中的驗證包括平衡態(tài)性質(zhì)驗證和高能碰撞驗證。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含能材料輻照損傷多尺度耦合模擬方法，其特征在于：所述步驟s3中對系統(tǒng)進行初始化，詳細設(shè)定包括系統(tǒng)、溫度、壓力在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含能材料輻照損傷多尺度耦合模擬方法，其特征在于：所述步驟s3中的關(guān)鍵信息包括初始缺陷分布、關(guān)鍵數(shù)據(jù)能量、力學(xué)性能變化、微觀結(jié)構(gòu)演化、化學(xué)產(chǎn)物以及反應(yīng)路徑等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含能材料輻照損傷多尺度耦合模擬方法，其特征在于：所述步驟s4中還可以通過高溫模擬的方法，實現(xiàn)對缺陷原子越過能量勢壘的加速。