一种基于原子构型的合金分类方法及系统与流程

本发明涉及材料科学技术领域，特别是涉及一种基于原子构型的合金分类方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

合金结构中内部原子的排列方式以原子为中心，以包围该原子的多面体表示原子构型，根据表示原子构型的多面体的面进行多边形的识别和统计，辅助分析合金的硬度、延展性等性质，对合金分类。

现有技术中，较为普遍采用的技术是基于周期性边界条件的逐次切割构算法，在计算机模拟所获瞬态构象经周期性边界条件扩展的基础上，对一个从粒子提供的面中选构出来的初始四面体，用其余各粒子提供的面逐一进行切割来获得voronoi多面体；在逐次切割的过程中，根据各种不同的切割情况不断地修正多面体的侧面、顶点、棱等信息，从而最终获得voronoi多面体的一切几何信息。

而，发明人发现，利用该方法对voronoi多面体进行分析计算时，在切割的过程中，积累了中间多面体的顶点、侧面、棱的全部信息；也就是说，在切割过程中需要不断地记忆和修正中间多面体的全部信息，由于这样的记忆和修正必须区别各种不同的切割情况，如考虑是否有侧面或棱被切去等不同情况进行，因此这样的信息积累显然是极其繁复的，也可能因为考虑不当对多面体的信息出现重复统计或者部分统计的情况。

另外，现有方法大都利用原子间的成键半径方法确定中心原子的近邻原子集，以中心原子与其近邻原子连线的垂直平分面形成封闭的多面体，但是发明人发现原子间的成键半径是与原子类型、温度等有关系。例如，因此在不同的温度下，中心原子的近邻原子集会发生变化，并且不是统一值，如果利用成键半径的方法来确定中心原子的近邻原子集，在分析不同的数据时，还需要该数据所对应的原子类型、实验温度值等条件，而且由于数据的不统一性，容易出现多面体边统计不全的问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于原子构型的合金分类方法及系统，以中心原子与其近邻原子连线的垂直平分面形成封闭的多面体，通过对多面体的面、边进行统计形成该多面体的特征向量，实现全面统计与识别边的数量与分布，准确判断合金类型。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于原子构型的合金分类方法，包括：

根据合金原子分布构建立体仿真模型，以中心原子与近邻原子连线的垂直平分面构建多面体；

根据多面体的边在立体仿真模型截面上的分布得到多面体中多边形的个数及边数，根据多边形的个数及边数构建特征向量；

对特征向量进行分类，并根据数量最多的特征向量类型判断合金类型。

第二方面，本发明提供一种基于原子构型的合金分类系统，包括：

仿真模块，用于根据合金原子分布构建立体仿真模型，以中心原子与近邻原子连线的垂直平分面构建多面体；

统计模块，用于根据多面体的边在立体仿真模型截面上的分布得到多面体中多边形的个数及边数，根据多边形的个数及边数构建特征向量；

判断模块，用于对特征向量进行分类，并根据数量最多的特征向量类型判断合金类型。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明将除中心原子以外的所有原子都视为该中心原子的近邻原子，逐个统计落在中心原子与其他近邻原子连线的垂直平分面上的边，可以毫无遗漏地找全中心原子对应的多面体的所有面，避免采用现有方法中以成键半径判断近邻原子集的方法，解决成键半径随温度变化的问题，能够防止出现重复统计和部分统计等问题，具有统计全、兼容小边长的优点。

现有的基于周期性边界条件的voronoi多面体逐次切割构算法是从粒子提供的面中选构出一个适当的初始四面体，用其余粒子提供的面进行逐次切割而最终得到voronoi多面体；而本发明提出的基于原子构型的合金分类方法摒弃了现有技术中先构建初始四面体然后切割初始四面体的思想，而是直接统计是否有闭合多边形落在中心原子与其他原子连线的垂直平分面上，或者立方体盒子截面上，然后再汇总得到所有的闭合多边形，即为某一中心原子的voronoi多面体的所有面；不存在切割思想，因此不会产生中间多面体，也不会积累中间多面体的顶点、侧面、棱等信息。

本发明判断多面体的面是否落在立体盒子的截面上、落在哪几个截面上以及分布情况的方法能够清楚、准确地判断出哪几个中心原子更接近立方体盒子的截面、哪8个中心原子位于立方体盒子的8个顶角，能够更加准确地推测出合金的一些相关性质。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的基于原子构型的合金分类方法流程图；

图2(a)-2(d)为本发明实施例1提供的垂直平分面上边的分布图；

图3(a)-3(b)为本发明实施例1提供的端点落在立方模型截面的两种情况图；

图4(a)-4(c)为本发明实施例1提供的边在立方模型截面上的三种分布图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于原子构型的合金分类方法，包括：

s1：根据合金原子分布构建立体仿真模型，以中心原子与近邻原子连线的垂直平分面构建多面体；

s2：根据多面体的边在立体仿真模型截面上的分布得到多面体中多边形的个数及边数，根据多边形的个数及边数构建特征向量；

s3：对特征向量进行分类，并根据数量最多的特征向量类型判断合金类型。

在本实施例中，合金结构中包含原子和包围原子的多面体，对多面体的各个面进行多边形的识别与统计辅助分析合金的类型与性能；

在所述步骤s1中，将合金材料建模为立体仿真模型，包含m个原子，原子坐标集合为s，选择任意一个原子为中心原子，除中心原子之外的所有原子均为该中心原子的近邻原子，逐个统计在中心原子和与其他近邻原子连线的垂直平分面上的边，避免采用现有方法中利用成键半径判断近邻原子集的方法，本实施例能够无遗漏的找全中心原子对应的多面体vi的所有面；

在上述多面体的面中存在多余面，需要对多面体的面、边进行识别与统计，并删除多余的、不属于多面体的面或边；多面体的边集合l包括两部分：第一部分是中心原子与其各近邻原子连线的垂直平分面相互切割所形成的边l1，第二部分是中心原子与某个近邻原子连线的垂直平分面与立方体模型截面之间以及立方体截面与截面之间相互切割所形成的边l2。

在本实施例中，首先，判断一条边是否落在中心原子与某近邻原子连线的垂直平分面上，包括：

s1-1：如果一个点到某中心原子与到某近邻原子的距离相等，那么这个点就落在该中心原子与该近邻原子连线的垂直平分面上；

s1-2：如果一条边的两个端点都满足s1-1，则这条边落在该中心原子与该近邻原子连线的垂直平分面上；

s1-3：遍历多面体的边集合l中所有不同的边，确定一条边是否落在某一垂直平分面上；

如图2(a)-2(d)所示，在遍历完边集合l中所有不同的边后，如果有边落在某一垂直平分面上，会出现3种分布情况：①所有的边恰好组合成了一个封闭多边形；②所有的边未组合成封闭多边形；③所有的边组合成封闭多边形后，仍有多余边。

其次，判断某个垂直平分面是否多余或某个垂直平分面上的边是否多余，包括：

s1-4：统计落在垂直平分面上的边的端点出现次数，舍弃端点只出现一次的边，计算垂直平分面上剩余边的数量；

通过步骤s1-4可以删除垂直平分面上除闭合多边形以外的所有边，当垂直平分面上的剩余边数为0时，就代表该垂直平分面不存在，这样便删除多余的垂直平分面；图2(b)中出现所有的边未组合成封闭多边形的情况也是因为垂直平分面不存在；根据上述步骤将多面体边的第一部分数据l1组合成相应的多面体vi的面。

所述步骤s2中，对多面体面数、各个面的边数以及具有相同边数的面数进行识别统计，包括：

s2-1：判断多面体vi是否有面落在立方体模型的截面上，因为多面体vi的边是由垂直平分面或立方体模型截面相互切割所形成的，所以同一条边会在两个面上各出现一次，具体为：

s2-1.1：统计落在每个垂直平分面上的边的出现次数；

s2-1.2：如果所有的边均出现了两次，说明多面体vi没有面落在立方体模型的截面上；如果有边只出现了一次，说明多面体vi有面落在立方体模型的截面上。

s2-2：判断多面体vi的面落在了立方体模型的哪几个截面上；

s2-2.1：根据面上点的坐标值判断面属于哪个截面；

如图3(a)-3(b)所示，假设点a落在截面x＝9.7上，则点a(x,y,z)坐标中的x是9.7；假设点b既落在截面x＝9.7和截面z＝9.7上，那么点b(x,y,z)坐标中的x和z均为9.7；

s2-2.2：落在截面上有几个端点，即为几边形，即得到平面多边形；

根据步骤s2-2找出落在立方体模型不同截面上的端点，继而判断立方体模型的截面上是几边形。

由于原子间成键半径的距离限制，因此不可能出现多面体vi的边同时落在立方体模型对立面上的情况；如图4(a)-4(c)所示，立方体模型截面上的边有三种分布情况：①落在一个截面上；②落在相邻两个截面上；③落在相邻三个截面上；对于情况③，在计算时会丢失立方体模型三个截面相互切割形成的端点o，

故，s2-3：判断多面体vi的边在立方体模型的截面上是哪种分布情况；

根据多面体欧拉定理验证多面体：在凸多面体中，顶点数-棱边数+面数＝2，即v-e+f＝2时判定该多面体合理；由于多面体vi都是凸多面体，计算多面体vi中顶点数、棱边数和面数：

s2-3.1：对于多面体vi完全在立方体模型内部以及有边分布在立方体模型截面上的部分情况，即图4(a)-4(b)对应的情况①和情况②，根据步骤s1、s2-1和s2-2求出对应的多面体vi的顶点数、棱边数和面数；

s2-3.2：对于多面体vi有边同时分布在立方体模型三个截面上的情况，即图4(c)对应的情况③，可以求出多面体vi的面数，但是由于统计时忽略了一个端点，导致顶点数和棱边数的统计结果比实际偏小；

利用编程可以求得情况③中，多面体欧拉定理得到的计算结果为2.5，所以当多面体欧拉定理的计算结果为2.5时，说明多面体vi有边同时分布在立方体模型的三个截面上；此时，对立方体模型有边分布的截面上，每个面上的边数补加1，总顶点数补加1。

通过上述步骤，得到多面体中多边形的个数及边数，根据多边形的个数及边数构建特征向量，即<n3,n4,n5,n6,…,ni>，其中ni表示具有i条边的面的数目；

以每个原子为中心原子求得每个原子对应的特征向量，不同的特征向量对应不同的拓扑结构，利用该特征向量可以辅助研究材料的硬度、延展性等特性；

可以理解的，多边形的边数最小为3。

所述步骤s3中，对ni求和即可获得多面体vi某一中心原子的配位数，例如对于特征向量<0,1,3,2>表示该多面体具有0个三角形，1个四边形，3个五边形，2个六边形等，该中心原子的配位数为6；

几种典型的多面体拓扑结构中：如<0,4,4,0>对应于单帽阿基米德反棱柱结构，配位数为8；<0,3,6,0>对应于冠状三棱柱结构，配位数为9；<0,0,12,0>对应于二十面体结构，配位数为12；<0,6,0,8>对应于体心立方结构，配位数为14；<0,12,0,0>对应于面心立方结构，配位数为12；

计算出某个材料里的所有voronoi多面体的特征向量，对特征向量进行分类，统计哪几类特征向量占比最多，占比最多的前几类特征向量视为占据主导地位的特征向量，根据主导地位的特征向量所对应的多面体拓扑结构预测材料的性能，判断合金类型；

如，在某个材料中多面体特征向量<0,3,6,4>、<0,1,10,2>和<0,0,12,0>占据主导地位，那该材料具有非晶铁材料的相关性能；在某个材料中多面体特征向量<0,3,6,4>、<0,2,8,2>和<0,3,6,3>占据主导地位，那该材料具有纯铁的过热熔体的相关性能。

实施例2

本实施例提供一种基于原子构型的合金分类系统，包括：

仿真模块，用于根据合金原子分布构建立体仿真模型，以中心原子与近邻原子连线的垂直平分面构建多面体；

统计模块，用于根据多面体的边在立体仿真模型截面上的分布得到多面体中多边形的个数及边数，根据多边形的个数及边数构建特征向量；

判断模块，用于对特征向量进行分类，并根据数量最多的特征向量类型判断合金类型。

此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中的步骤s1至s3，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元cpu，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。