基于速率理论和团簇动力学的辐照损伤仿真系统及方法与流程

本发明涉及计算机仿真技术领域，更具体地说，它涉及基于速率理论和团簇动力学的辐照损伤仿真系统及方法。

背景技术：

随着近年来计算机技术发展，数值模拟作为一个重要的研究手段在材料科学研究中得到了越来越广泛的应用。使用多尺度数值模拟方法，借助高性能计算系统开展数值模拟的优点是实验成本较低、时间可控，能够实现实验所不能达到或即使达到所需代价极高的实验条件；缺点是模型建立较为困难，计算结果的实验验证方法尚待探索，不同尺度数值模拟方法间的接口问题很难解决。采用多尺度多物理耦合的数值模拟技术建立模型，可以从纳观、微观、介观和宏观多个尺度模拟锆合金基体及包壳的辐照损伤行为。

目前，以团簇动力学方法和反应速率理论计算为代表的介观尺度的数值模拟研究是开展锆合金辐照损伤行为多尺度数值模拟研究的关键。团簇动力学方法是通过建立团簇之间的动力学方程计算辐照缺陷的演化过程的一种数值模拟方法。速率理论是一种基于点缺陷、点缺陷团簇和点缺陷阱(位错、位错环、晶界、相界面、自由表面)之间准化学反应的介观方法。

然而，由于团簇动力学将材料中每一个点缺陷、缺陷团簇以及团簇中的单个缺陷看作实体，因此受到模拟计算量的限制，只能计算辐照初期小尺寸缺陷团簇的分布。而速率理论方法由于使用了平均场近似，可以计算较长时间尺度下缺陷团簇的分布，同样也能够实现对位错环演化的模拟，这两种计算方法各有利弊。当前，国际上还没有公开一种能够结合反应速率理论以及团簇动力学方法计算锆合金辐照损伤的技术。因此，如何研究设计一种基于速率理论和团簇动力学的辐照损伤仿真系统及方法是我们目前急需解决的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于速率理论和团簇动力学的辐照损伤仿真系统及方法，为更加全面的模拟锆合金辐照效应产生的各个阶段提供了技术支撑。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了基于速率理论和团簇动力学的辐照损伤仿真系统，包括核心计算模块、控制模块、网页客户端以及api接口；

网页客户端通过api接口以请求/响应的方式使用json格式协议访问核心计算模块的应用程序功能，控制模块控制核心计算模块进行仿真计算；

核心计算模块包括团簇动力学模块、速率理论模块、模式选择模块；其中，

团簇动力学模块，用于在低辐照剂量下采用团簇动力学方法模拟点缺陷团簇的形成和生长阶段直至位错环的形成；

速率理论模块，用于在高辐照剂量下采用速率理论方法模拟位错环的生长阶段；

模式选择模块，用于根据离位损伤率和累积剂量确定辐照剂量高低，并根据确定结果选择团簇动力学模块或速率理论计算模块进行仿真。

进一步的，所述辐照剂量高低的确定具体为：若离位损伤率为10^-6dpa/s，累积剂量小于0.1dpa时为低剂量，累积剂量大于0.1dpa时为高剂量。

进一步的，所述速率理论计算模块仿真时以数据库中的小尺寸缺陷团簇数密度数据作为输入数据。

进一步的，所述速率理论计算模块仿真时以团簇动力学模块输出的小尺寸缺陷团簇的浓度、平均团簇尺寸数据作为速率理论计算模块的输入数据。

进一步的，所述团簇动力学模块的计算过程包括：

根据大小、缺陷数量分析缺陷团簇分布；

平均团簇尺寸与合金元素含量、晶粒尺寸、温度、剂量率的相关性分析；

平均团簇生长速度与合金元素含量、晶粒尺寸、温度、剂量率的相关性分析。

进一步的，所述速率理论模块的计算过程包括：

间隙型和空位型位错环的形成和生长速度分析；

辐照期间的位错环尺寸、密度和造成的硬化程度分析；

位错环半径与合金元素含量、晶粒尺寸、温度、剂量率的相关性分析。

进一步的，所述控制模块包括：

根据一组输入参数生成计算任务，且控制多个计算任务并行运行；

根据计算任务自动分析获取的数据以获得计算数据的参数相关性；

以及，通过控制管理计算任务以实现输出数据可视化、监视和验证计算过程后将输出数据导出至外部绘图软件。

进一步的，所述网页客户端包括网页界面、集群管理器、节点客户端；

网页界面，用于以可视化方式预先评估实时计算结果、使用图形界面分析输出数据、提供实时计算任务状态信息；

集群管理器，用于通过http-api与网页界面的应用程序进行交互、接收用户任务并执行、提供实时计算任务状态和进度监控、维护任务历史数据库，以及通过基于json的ssl协议与节点客户端交互；

节点客户端，用于接收计算任务并执行、实时监控计算任务状态和进度、控制计算任务以及向群集管理器发送实时数据。

进一步的，所述应用程序包括主节点、数据存储节点以及计算节点；

主节点包含共享软件、共享空间，主节点通过nfs协议与数据存储节点交互；

数据存储节点通过nfs协议与计算节点交互；

计算节点包括计算任务、共享软件、共享空间以及节点客户端，模拟得到的计算数据储存在数据存储节点，计算节点的节点客户端与主节点的管理器通过双向socks协议进行交互。

第二方面，提供了基于速率理论和团簇动力学的辐照损伤仿真方法，包括以下步骤：

网页客户端通过api接口以请求/响应的方式使用json格式协议访问核心计算模块的应用程序功能，控制模块控制核心计算模块进行仿真计算；

通过团簇动力学模块在低辐照剂量下采用团簇动力学方法模拟点缺陷团簇的形成和生长阶段直至位错环的形成；

通过速率理论模块在高辐照剂量下采用速率理论方法模拟位错环的生长阶段；

根据离位损伤率和累积剂量确定辐照剂量高低，并根据确定结果选择团簇动力学模块或速率理论计算模块进行仿真。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将基于速率理论方法和基于团簇动力学方法的两种锆基合金辐照损伤方法集成在同一个软件中，可以实现对辐照初期以及辐照中后期锆基合金中辐照损伤的全周期模拟，从而可以预测缺陷结构的发展和缺陷团簇的稳定性，创造性的克服了由于团簇动力学和率理论方法的仿真原理过程不同而导致两种之间无法直接结合的问题；此外，该方法还可以研究当锡和铌作为锆合金中的合金元素相时，元素含量对团簇生长动力学、位错环生长动力学、辐照硬化和辐照生长的影响，为将来开发更具有抗辐照性能的包壳材料提供理论基础。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中的系统架构图；

图2是本发明实施例中的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-2，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

团簇动力学基于点缺陷(空位、间隙原子)浓度、被捕获的缺陷浓度、含2个以上缺陷的点缺陷团簇(空位团、间隙团)浓度/尺寸、二次析出相浓度/尺寸的速率方程。标准反应速率理论基于以下速率方程：点缺陷浓度、被捕获的点缺陷浓度、点缺陷团簇浓度、点缺陷团中的缺陷数量、位错环数密度、位错环半径(在所有晶向)、辐照生长(在所有晶向)，二次析出相的浓度/尺寸的方程组。计算包括团簇与缺陷阱的局部相互作用，温度、合金元素含量对缺陷浓度的影响、缺陷阱对点缺陷浓度的影响以及β-nb沉淀对位错环生长的影响。

实施例1：基于速率理论和团簇动力学的辐照损伤仿真系统，如图1所示，包括核心计算模块、控制模块consoleapp、网页客户端以及api接口。网页客户端webgui通过api接口以请求/响应的方式使用json格式协议访问核心计算模块的应用程序功能，控制模块控制核心计算模块进行仿真计算。

核心计算模块包括团簇动力学模块cldn、速率理论模块rrt、模式选择模块；其中，团簇动力学模块，用于在低辐照剂量下采用团簇动力学方法模拟点缺陷团簇的形成和生长阶段直至位错环的形成。速率理论模块，用于在高辐照剂量下采用速率理论方法模拟位错环的生长阶段。模式选择模块，用于根据离位损伤率和累积剂量确定辐照剂量高低，并根据确定结果选择团簇动力学模块或速率理论计算模块进行仿真。

辐照剂量高低的确定具体为：若离位损伤率为10^-6dpa/s，累积剂量小于0.1dpa时为低剂量，累积剂量大于0.1dpa时为高剂量。

速率理论计算模块仿真时以数据库中的小尺寸缺陷团簇数密度数据作为输入数据，可以更快捷、更有针对性的探索中子辐照下锆基合金种缺陷团簇形成阶段和位错环形成阶段的物理规律。速率理论计算模块仿真时还可以团簇动力学模块输出的小尺寸缺陷团簇的浓度、平均团簇尺寸数据作为速率理论计算模块的输入数据，可以更好的实现软件的通用性和普适性，在特定辐照条件下，数据库中的小尺寸缺陷团簇数密度数据不完整时，只能选择此方式进行计算。

团簇动力学模块的计算过程包括：根据大小、缺陷数量分析缺陷团簇分布；平均团簇尺寸与合金元素含量、晶粒尺寸、温度、剂量率的相关性分析；平均团簇生长速度与合金元素含量、晶粒尺寸、温度、剂量率的相关性分析。

速率理论模块的计算过程包括：间隙型和空位型位错环的形成和生长速度分析；辐照期间的位错环尺寸、密度和造成的硬化程度分析；位错环半径与合金元素含量、晶粒尺寸、温度、剂量率的相关性分析。

控制模块包括：根据一组输入参数生成计算任务，且控制多个计算任务并行运行；根据计算任务自动分析获取的数据以获得计算数据的参数相关性；以及，通过控制管理计算任务以实现输出数据可视化、监视和验证计算过程后将输出数据导出至外部绘图软件。需要注意的是控制模块中的控制台应用程序cldn-con和rrt-con均是使用perl语言开发的。

网页客户端包括网页界面、集群管理器、节点客户端；网页界面，用于以可视化方式预先评估实时计算结果、使用图形界面分析输出数据、提供实时计算任务状态信息；集群管理器，用于通过http-api与网页界面的应用程序进行交互、接收用户任务并执行、提供实时计算任务状态和进度监控、维护任务历史数据库，以及通过基于json的ssl协议与节点客户端交互；节点客户端，用于接收计算任务并执行、实时监控计算任务状态和进度、控制计算任务以及向群集管理器发送实时数据。

应用程序包括主节点、数据存储节点以及计算节点；主节点包含共享软件、共享空间，主节点通过nfs协议与数据存储节点交互；数据存储节点通过nfs协议与计算节点交互；计算节点包括计算任务、共享软件、共享空间以及节点客户端，模拟得到的计算数据储存在数据存储节点，计算节点的节点客户端与主节点的管理器通过双向socks协议进行交互。需要注意的是，主节点和计算节点同时包括共享软件、共享空间，是由于共享软件、共享空间的具备主节点、计算节点划分的双重功能，而节点客户端属于计算节点是由于节点客户端具备计算节点划分的功能。

实施例2：基于速率理论和团簇动力学的辐照损伤仿真方法，如图2所示，包括以下步骤：

s101：网页客户端通过api接口以请求/响应的方式使用json格式协议访问核心计算模块的应用程序功能，控制模块控制核心计算模块进行仿真计算；

s102：通过团簇动力学模块在低辐照剂量下采用团簇动力学方法模拟点缺陷团簇的形成和生长阶段直至位错环的形成；

s103：通过速率理论模块在高辐照剂量下采用速率理论方法模拟位错环的生长阶段；

s104：根据离位损伤率和累积剂量确定辐照剂量高低，并根据确定结果选择团簇动力学模块或速率理论计算模块进行仿真。

本发明提供的仿真系统为r2t-rex软件，该软件可以在windows和linux操作系统下运行，具有共享nfs文件系统和共享用户目录。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。