本发明涉及材料结构建模技术领域，尤其是一种基于mpt工具包构建材料周期性多晶结构的方法。
背景技术：
分子动力学是一门结合物理、数学和化学的综合技术。分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。分子动力学模拟作为揭示多晶材料各项性能微观机理和机制的重要手段，合理的构建和选取多晶结构对模拟结果的正确性起到决定性的影响，在分子动力学模拟过程中，多晶结构的构建受到计算机硬件和时间的限制，通常，多晶结构通过引入周期性边界条件来获取合适大小的模拟体系。
目前，材料周期性多晶模型都是基于空间划分的voronoi方法，如专利申请号为：201310671920.1，名称为“一种建立多相多晶原子结构模型的方法”的中国专利，该专利通过结合qhull和fortran90软件获得多相多晶模型的原子坐标文件的方法，为了表达出晶粒几何形状和晶界的不规则形，利用voronoi方法进行建模，利用qhull软件可以获得晶粒的顶点坐标，并通过判定多面体内外点的方法，用fortran编程选取出位于晶粒内部的各相超胞坐标，由于不同研究者编辑程序的差异，直接影响到多晶结构构建过程程序实现的复杂程度、硬件需求和计算执行效率。其具体差异体现在以下四点：(1)程序语言的选取，(2)周期性结构获取方式，(3)晶核点voronoi空间的划分，(4)voronoi空间原子的填充。另外，通过c或者fortran等计算机语言构建材料多晶结构需要编写较多的具有特定功能的子函数模块，程序实现过程较为繁杂。然而，一些通过复制相同晶粒进行拼接构建周期性多晶结构的方法却过于简单，构建的多晶结构中各晶粒尺寸一致，掩盖了多晶结构中晶核随机生长的材料学特性，如宋海洋的《纳米多晶金属材料力学性能的模拟研究》。还有，如马文的《冲击压缩下纳米多晶金属塑性及相变机制的分子动力学研究》，该文按照周期性定义构建多晶结构，由于voronoi空间原子的填充样本过于庞大(一般是多晶结构边长的数倍)，虽然能够满足结构构建的要求，但是对计算机内存要求较高，并且计算执行效率不高。
在matlab中的multi-parametrictoolbox工具包(简称mpt工具包)中，自带有mpt_voronoi函数、inhull函数、knnsearch函数，其中，mpt_voronoi函数用于绘制voronoi图，inhull函数则是用作对n维凸包内的点进行有效测试，knnsearch函数作为查找相邻距离使用。目前，本领域内未涉及到用于mpt工具包构建材料周期多晶结构，并且上述函数在原有使用范围内也未给出运用到材料结构建模技术领域的启示。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于mpt工具包构建材料周期性多晶结构的方法，主要解决现有技术中存在的构建过程执行速率慢、占用运行内存以及无法同时满足材料周期性要求等问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于mpt工具包构建材料周期性多晶结构的方法，包括以下步骤：
(1)根据多晶尺寸建立三维的第一长方体结构，设定近邻距离修正系数，并在该第一长方体结构内随机产生n个晶核点，其中，n为大于零的自然数。
(2)根据多晶结构的周期性维度数m，将第一长方体结构进行复制，获得共3m个第一长方体结构，并构成以步骤(1)中的第一长方体结构为中心的第二长方体结构；其中，m为大于等于1且小于等于3的自然数，并且其取值为1、2、3分别表示一维、二维、三维周期性多晶体结构。
(3)调用mpt工具包的mpt_voronoi函数对所述第二长方体结构内的所有晶核点进行空间划分，获得晶核点划分后的多面体。
(4)选取步骤(1)中的第一长方体结构内的任一晶核点，该晶核点与多面体的顶点最大距离为rmax；以该晶核点为中心，(2×rmax)为边长构建原子的空间群结构。
(5)以步骤(4)中的晶核点为坐标原点，将其余晶核点分别沿x轴旋转角度φ1、沿y轴旋转角度φ2、沿z轴旋转角度φ3，获得具有随机趋向的原子排布结构，其中，角度φ1、φ2、φ3均大于等于0且小于360度。
(6)调用mpt工具包的inhull函数对所述具有随机趋向的原子排布结构进行选取，去除所述多面体外的原子，实现空间群结构的原子填充，并将步骤(1)中的第一长方体结构外的原子平移至该第一长方体结构内，获得过渡性的多晶原子结构。
(7)将材料原子直径乘以设定的近邻距离修正系数，获得二者的乘值，利用mpt工具包的knnsearch函数获得所述过渡性的多晶原子结构中所有原子的第一近邻距离，并与乘值进行对比，去除第一近邻距离小于乘值的原子，得到周期性的多晶结构。
具体地，所述步骤(4)中，空间群结构为面心立方、密排六方或体心立方体结构中的任意一种。
优选地，所述第一长方体结构为正六面体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明巧妙地利用matlab软件中的mpt工具包，将mpt_voronoi函数作为空间划分使用，将inhull函数作为空间内原子填充判断使用，并且采用knnsearch函数求取近邻原子距离。简化了程序编辑，解决了因研究者程序差异带来的实现复杂、硬件需求高和执行效率低等问题。另外，该方法以随机取向原子排布点阵的构建的单个晶核点到其包围的多面体顶点最大距离为判据，进行空间原子填充，大大减少了原子填充过程所需的原子数目，减少计算时占用过多的内存，从而，提高材料周期性多晶结构构建的效率。
(2)本发明通过设置修正系数，对晶界附近原子相距较近不合理的点进行删除修正，从而，使得多晶结构更为稳定性可靠。另外，根据周期性维度数m确定立方体的个数，通过构建一维、二维、三维周期性多晶体结构以满足晶体相性质分析、力学拉伸(压缩)、表面原子吸附和溅射沉积等多方面的理论模拟需求。
附图说明
图1为w材料的三维周期性多晶结构构建模型。
图2为w材料的多面体结构示意图。
图3为晶核点voronoi空间中原子填充范围示意图。
图4为w材料的三维周期过渡性多晶原子结构。
图5为w材料的三维周期性多晶原子结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
本发明提供了一种基于mpt工具包构建材料周期性多晶结构的方法，以w材料三维周期性多晶结构构建为例，其一维、二维周期性多晶结构构建过程相同，在此不予以赘述，构建三维周期性多晶结构具体如下：
第一步，如图1所述，根据多晶结构的三维(x、y、z)方向长度分别为1、2、4，建立第一长方体结构，设定近邻距离修正系数β为0.9，并在该第一长方体结构内随机产生10个晶核点。
第二步，复制26个所述第一长方体结构，并且构成以第一步中的第一长方体结构为中心的第二长方体结构。
第三步，调用mpt工具包的mpt_voronoi函数对第二长方体结构内的所有晶核点进行空间划分，获得晶核点划分后的多面体，其结构如图2所示。
第五步，以第四步中的晶核点为基点，剩余晶核点分别沿三维x、y、z轴方向旋转角度21°、210°、115°，从而获得具有随机取向原子分布的立方体，由于该立方体是以rmax为半径球体的外切立方体，因此根据voronoi多面体大小选取原子填充范围，一方面可以减少填充的样本原子数目，另一方面也可以确保所选原子填充范围能完全覆盖晶核voronoi空间区域。
第六步，调用mpt工具包的inhull函数对所述具有随机趋向的原子排布结构进行选取，对位于晶核voronoi空间内的w原子予以保留，同时去除晶核voronoi空间外的w原子，当10个晶核点voronoi空间都被w原子填满后，对所述第一长方体结构外的原子进行平移至其内部，获得如图4所示的过渡性的多晶原子结构，该过渡性的多晶原子结构中含有的原子数目为16002个。
第七步，将材料原子直径d乘以设定的近邻距离修正系数β，获得二者的乘值，利用mpt工具包的knnsearch函数获得所述过渡性的多晶原子结构中所有原子的第一近邻距离，并与乘值进行对比，去除第一近邻距离小于乘值的原子，得到周期性的多晶结构。最终获得如图5所示的三维周期性w多晶原子结构，其原子总数为15702个。
本发明巧妙的利用matlab软件中的mpt工具包，调用所需函数实现空间划分、原子填充判断和近邻原子距离，简化了程序编辑，提高多晶结构构建的效率的同时，也能减少计算占用的运行内存。另外，在调用mpt工具包的函数实现材料周期性多晶结构方面，实为创新突破，解决传统材料构建时存在的问题，延伸了调用函数的使用领域。不仅如此，本发明通过近邻距离修正系数，对晶界附近原子相距较近不合理的点进行删除修正，使得多晶结构更为稳定性可靠，可以有效地降低原子在晶界处的受力，避免原子在弛豫过程中受力过大而使模拟体系崩溃。综上所述，本发明具有执行速率块、程序编辑简便、占用运行内存小以及构建的晶体结构可靠等特点，可以说，与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，在材料结构建模技术领域具有广阔的市场前景和推广价值。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。