基于跨尺度的多晶铝材料辐射损伤下的弹性模量计算方法

1.本发明属于铝材料辐射损伤计算机模拟技术领域，具体涉及一种基于跨尺度的多晶铝材料辐射损伤下的弹性模量计算方法。


背景技术：

2.伴随着航天任务的复杂化，引入小型核反应堆动力系统，从而提升空间飞行器的整体性能越来越受到各国的关注。核反应堆关键结构部件长期处于高温、高压、辐射的严苛服役环境中，其力学安全性能分析是重要的一环，材料辐照损伤失效是空间飞行器服役寿命降低的关键问题。
3.分子动力学已分子力场为基础，利用势函数、牛顿方程和统计力学方法，可以追踪由辐射导致的级联碰撞体系中粒子的运动过程，在适当范围内计算精度与计算时间上具有一定优势。辐射产生的级联碰撞以离位损伤为主，结构材料会因辐照在内部引发晶格缺陷，其中点缺陷(间隙原子和空位)对材料力学性能的影响具有重要意义。
4.材料辐射环境下的力学性能损伤分析，是微观尺度下的分子动力学问题和细观到宏观的经典力学问题的复杂混合，存在考虑空间尺度同时兼顾时间尺度影响的跨尺度分析。传统的方案对于材料在长时间高辐射计量下的分子动力学模拟实现了微观结构表征，但对于辐照条件下的宏观力学模量损伤并未形成一套完整计算方案体系。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于跨尺度的多晶铝材料辐射损伤下的弹性模量计算方法，可以更精确的预测辐射损伤下材料的力学的弹性模量。
6.多晶铝材料辐射损伤下的弹性模量计算方法，包括如下步骤：
7.步骤1、构建铝原子长方体单晶初始模型，采用gaussian控温机制进行弛豫，获得稳定的铝原子单晶模型；
8.步骤2、选取铝原子单晶模型的中心原子作为初级离位原子，设定该初级离位原子的回弹能量和入射方向，由此模拟铝原子单晶模型在辐照下的原子级联碰撞；
9.针对每个原子及其近邻原子列表，得到各个原子的受力状态；计算更新各个原子的状态参数；基于原子状态参数对间隙原子和空位原子进行识别，得到缺陷对，继而得到缺陷分布及缺陷密度；
10.保持入射方向不变，给初级离位原子设置不同的回弹能量，得到不同回弹能量下的缺陷分布及缺陷密度；
11.步骤3、针对每一种回弹能量，在其造成的铝原子单晶模型的缺陷对的基础上，基于该情形下缺陷分布及缺陷密度，采用随机删除和插入原子的方式，在铝原子单晶模型中引入更高浓度的缺陷对，以此模拟更长时间辐照下的原子缺陷情况；
12.对提高缺陷对浓度的铝原子单晶模型测试其拉伸、压缩弹性模量；
13.步骤4、建立多晶铝有限元模型；将步骤3获得的不同回弹能量下的铝原子单晶模
型拉伸、压缩弹性模量作为输入，对多晶铝有限元模型进行有限元单轴拉伸试验，得到弹性变形下的多晶体应力应变曲线，最后通过曲线拟合得到铝材料的辐射损伤下宏观力学弹性模量。
14.较佳的，所述步骤1中，采用npt系综进行弛豫。
15.较佳的，所述步骤2中，辐照过程选择nve系综。
16.较佳的，采用wigner
‑
seitz元胞方法识别缺陷对。
17.较佳的，所述步骤2中，模拟铝原子单晶模型在辐照下的原子级联碰撞时，设置模拟总时间和总步数，再根据上一步的原子状态参数，获得下一步原子状态参数；当达到模拟总时间或者达到总步数时，停止模拟原子级联碰撞，基于此时原子状态参数识别缺陷对。
18.较佳的，所述步骤1中，采用108000个以上的铝原子构建铝原子长方体单晶初始模型。
19.本发明具有如下有益效果：
20.本发明的一种基于跨尺度的多晶铝材料辐射损伤下的弹性模量计算方法，通过研究受辐材料在弹性小变形下的力学性能，忽略非线性影响，通过分子动力学模拟、细观力学验证以及多晶有限元仿真，得到多晶铝辐射损伤后的平均化弹性模量，实现了多物理、跨尺度的损伤模量计算方案设计，对于研究结构材料在长时间辐射损伤后的疲劳破坏具有重要意义；
21.对于形成高缺陷对浓度的级联碰撞模拟将导致大量计算时间的问题，通过使用引入等量间隙原子及空位的方法来实现高剂量辐射效果，此种方式与直接辐照结果相比，随着辐照剂量的增加，误差逐渐减小，结合细观力学中自洽方法的有效模量结果，是一种兼顾计算效率及计算准确性下的适用可行方法。
附图说明
22.图1是辐照环境下的材料模量跨尺度计算流程图。
23.图2是辐射损伤的级联碰撞分子动力学模拟流程图。
24.图3是铝材二维多边形晶粒有限元几何模型。
具体实施方式
25.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
26.通过分子动力学模拟实现单晶铝辐照后的力学性能变化，得到弹性常数与缺陷对浓度的关系。并于基于细观力学的损伤理论进行比较分析，验证了方法的可靠性。
27.材料辐照损伤问题涉及多物理、多尺度过程，对于多晶本构问题中辐照应变较小的情形，构建多晶体几何结构模型，参数化多晶体的微观组织结构网格划分，对每个晶粒赋予随机取向的材料属性。之后通过建立多晶铝拉伸模型，计算应力应变关系，采用云图宏观展示和单元量统计的分析方法，研究辐照效应对宏观力学本构关系的影响。
28.本发明的技术方案如下：多晶铝材料辐射损伤的多物理尺度分析研究方法，包括如下步骤：
29.(1)首先构建单晶铝原子体系初始模型，由大量铝原子构成的长方体模型，选择晶向、势函数并给定原子初始位置、初始速度，邻近原子；
30.设置温度、压力，并采用npt系综；
31.进行弛豫至热平衡状态，初始时间步长τ0,通过动态调整步长保证时间步内的任一原子移动距离r
m
为原子移动距离判据，直至时间达到t0。
32.(2)对弛豫后的初始构型进行不同初始离位原子能量下的级联碰撞模拟，具体步骤如下：
33.(2
‑
1)选取中心原子作为初级离位原子，赋予对应的回弹能量速度，并固定初级离位原子入射方向；
34.(2
‑
2)在辐照模拟中设置系综以及分子动力学模拟总时间t
a
，总步数n
a
；
35.(2
‑
3)判断当模拟时间t1≤t
a
且模拟步长n1≤n
a
成立，则进入步骤(2
‑
4)，否则进入(2
‑
6)。
36.(2
‑
4)通过访问原子及其近邻列表，得受力状态；
37.(2
‑
5)计算更新体系中各个点的位置、速度以及加速度，赋值t1＝t1+τ，n1＝n1+1，更新邻近列表，并返回步骤(2
‑
2)；
38.(2
‑
6)记录体系原子状态参数进行存储，之后设置不同初始离位原子能量e
k
，若k>m，则停止模拟，否则模拟时间t1，步数n1归零返回步骤(2
‑
1)；
39.(3)通过随机删除和插入原子在体系中引入等量的空位和间隙原子，研究高缺陷对浓度下的单轴拉伸、压缩弹性模量。
40.本发明将得到的级联碰撞原子体系文件，通过构建缺陷分布均匀化的方式，导入空位和间隙原子，保证局部浓度的同时提高体系的整体缺陷对浓度，解决长时间辐照下材料的微观结构缺陷模拟。
41.对辐照样品进行单轴拉伸、压缩测试，设置应变率。
42.对应力应变曲线进行拟合，得到样品的拉伸、压缩模量。
43.拟合拉伸压缩下的模量与缺陷对浓度的变化关系，与基于细观力学的损伤自洽理论中损伤材料有效模量的相关结果进行对比，验证分子动力学模拟结果的可靠性。
44.(4)建立多晶有限元分析模型，将单晶铝辐射损伤的力学参数通过随机材料属性赋予，进行单轴拉伸试验，得到弹性变形下的多晶体应力应变曲线，通过曲线拟合得到材料的辐射损伤宏观力学弹性模量。
45.通过设置脚本建立有限元多晶几何模型，建立基体并通过库函数对基体进行切割，实现随机多边形晶粒几何建模。
46.对多晶几何结构模型赋予材料属性，将分子动力学模拟结果中单晶铝在不同高缺陷对浓度下的微观力学参数作为输入，具体步骤如下：
47.(4
‑
1)赋予随机取向；
48.(4
‑
2)建立section；
49.(4
‑
3)把section赋予给一个晶粒；
50.(4
‑
4)循环(4
‑
1)，(4
‑
2)，(4
‑
3)，直至所有晶粒都具有材料属性。
51.对多晶有限元模型施加单轴应力拉伸状态，得到弹性形变下的多晶体应力应变曲线，通过曲线拟合得到材料的不同辐射损伤下的宏观力学弹性模量。
52.实施例：
53.本发明通过结合分子动力学、细观力学以及有限元的方法，对材料辐射损伤问题
进行多级物理环境下的力学分析，形成如图1所示的辐照环境弹性小变形下的材料模量跨尺度分析方案。
54.(1)构建级联碰撞初始构型并进行弛豫获得稳定的初始模型：
55.首先构建由大量铝原子(数量一般在108000个)构成的长方体单晶初始模型；
56.选择晶向、势函数并给定原子初始位置、初始速度，邻近原子；
57.设置边界条件、初始温度、压力，并采用npt系综；
58.进行gaussian控温机制进行弛豫，初始时间步长τ0，通过动态调整步长保证时间步内的任一原子移动距离r
m
为晶格距离判据；
59.更新体系中的原子信息，赋值t＝t+τ0，直至时间达到t0，获得稳定初始模型。
60.(2)通过给定初级离位原子不同初始能量的方式模拟级联碰撞，模拟具体步骤如图2所示。
61.(2
‑
1)辐照过程选择nve系综，选取中心原子作为初级离位原子，赋予对应的回弹能量速度，并固定初级离位原子入射方向；
62.(2
‑
2)设置初始模拟时间t1＝0，步数n1＝0；
63.(2
‑
3)设置分子动力学模拟总时间t
a
，总步数n
a
，原子作用势及截断半径r1；判断当模拟时间t1≤t
a
且模拟步长n1≤n
a
成立，则进入步骤(2
‑
4)，否则进入(2
‑
7)。
64.(2
‑
4)通过访问每个原子及其近邻原子列表，得到各个原子的受力状态；
65.(2
‑
5)计算更新体系中各个原子的位置、速度以及加速度；
66.(2
‑
6)赋值t1＝t1+τ，n1＝n1+1，更新邻近原子列表，并返回步骤(2
‑
3)；
67.(2
‑
7)采用nvt系综对体系进行弛豫：
68.(2
‑
8)记录体系原子状态参数进行存储，通过wigner
‑
seitz元胞方法对间隙原子和空位原子进行识别，设置截断半径r0，得到缺陷分布及缺陷密度。
69.设置不同初始离位原子能量e
k
，若k>m，则停止模拟，否则返回步骤(2
‑
1)；
70.(3)通过随机删除和插入原子在体系中引入等量的空位和间隙原子，研究高缺陷对浓度下的单轴拉伸、压缩弹性模量。
71.加载方向x方向，设置应变率，边界条件为周期边界，对辐照样品进行单轴拉伸、压缩测试；
72.应用最高二次的多项式函数拟合应力应变曲线，并控制拟合的数据范围来减小非线性影响，得到样品的拉伸、压缩模量；
73.拟合拉伸压缩下的模量与缺陷对浓度的变化关系；
74.基于细观力学的损伤自洽理论，分析损伤材料有效模量，与单轴拉伸、压缩模量结果进行对比，验证分子动力学模拟结果的可靠性。
75.(4)建立多晶铝有限元模型，将高缺陷比浓度单晶损伤模量结果作为输入，进行有限元单轴拉伸试验，得到材料的宏观力学弹性模量。
76.(4
‑
1)通过脚本设置建立多晶铝有限元模型，设置种子点的个数，模型长度和宽度等初始变量；
77.(4
‑
2)建立基体，设置边界条件；
78.(4
‑
3)voronoi类对象数据生成，生成随机的种子点，然后实例化一个对象，进行函数设置，用来判断多边形的顶点和边；
79.(4
‑
4)实例化后的顶点坐标信息放置在vertices属性中，边信息放置在ridge_vertices属性中；
80.(4
‑
5)利用partition face根据草图对基体进行切割，得到铝材二维多边形晶粒有限元几何模型如图3。
81.(4
‑
6)对多晶几何结构模型赋予材料属性，对单晶铝在不同缺陷对浓度下的微观力学参数结果进行输入，通过如下方式：
82.(a)赋予随机取向；
83.(b)建立section；
84.(c)把section赋予给一个晶粒。
85.循环(a)，(b)，(c)，直至赋予全部晶粒材料属性。
86.(4
‑
7)进行单轴拉伸试验，得到弹性变形下的多晶体应力应变曲线，通过曲线拟合得到材料的辐射损伤宏观力学弹性模量。
87.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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。