专利名称：一种含能化合物的计算机辅助设计系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种计算机辅助设计系统，特别是一种含能化合物的计算机 辅助设计系统，该系统能根据含能材料研发人员的需求，辅助设计新型的含 能化合物，并预测其爆轰性能。
背景技术：
自十九世纪以来，世界各国已经研制出数千种含能化合物，但由于合成 之前缺乏必要的性能预估手段，致使合成出的含能化合物有的因性能不佳被 放弃研制，有的因为稳定性差而无法应用，真正被用于武器装备的含能化合
物少之又少；另一方面，目前，我国新型含能化合物的设计开发还主要依靠 合成设计人员依靠丰富的经验进行合成，缺乏计算机辅助设计的强大支持功 能，含能化合物的合成费时、费力，具有一定的盲目性。以上因素决定了当 前的含能化合物设计开发缺乏创新性，也难以满足目前武器弹药对新型含能 化合物的需求。
随着计算机技术的应用与普及，如何将含能化合物的设计由目前的人脑 加经验合成的方式转化为通过功能强大的计算机来实现，并开发出一种计算 机辅助设计系统用于指导含能化合物的设计，以方便科研人员使用，成为亟 待解决的重要研究课题之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种含 能化合物的计算机辅助设计系统，该系统能够生成上万种新型的含能化合 物，可以让含能化合物研发人员从含能化合物分子组合库设计出上万种新型 的含能化合物中筛选出性能优异的化合物分子，并在合成其之前利用系统爆轰参数预测模块对其爆轰性能进行预测，从而避免盲目合成新化合物，并
对新型的含能化合物的设计提供一些理论依据。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案 一种含能化合物的计算机辅助设计系统，利用计算机对含能化合物的分
子结构进行设计以及对含能化合物分子性能进行预测，以开发新的含能化合
物，其特征在于，该系统至少包括
用户输入模块，用于用户通过鼠标绘制含能化合物分子的二维平面结
构；
文件输入/输出模块，用于对已输入的含能化合物分子结构的文件进行 读取、修改和存储；
分子结构转换模块,用于将含能化合物分子的二维平面结构转换成空间 三维结构；
显示模块，用于显示打开的含能化合物分子结构文件或用户绘制的含能 化合物分子结构；
爆轰参数预测模块，用于根据含能化合物分子结构的性质来预测分子结 构的爆轰参数；以及
分子组合库生成模块，用于利用组合化学原理生成含能化合物分子组合 库，为爆轰参数预测模块提供分子结构信息；
用户输入模块与文件输入/输出模块分别与分子结构转换模块连接，分 子结构转换模块通过连接的显示模块与爆轰参数预测模块连接；爆轰参数预 测模块上还连接有分子组合库生成模块。
本发明的含能化合物的计算机辅助设计系统，能够提供给用户一套全面 的系统来从头开始设计含能化合物分子，用户既可以从含能化合物分子组合 库中选择相应的结构分析，又可以根据需要绘制出相应的含能化合物分子结 构。具有很好的灵活性、可扩充性，还可以广泛适用于除含能化合物以外的其它化合物分子的设计。
图1是本发明的系统结构示意图； 图2是本发明的流程图3是本发明的爆轰参数预测模块工作流程图。
图4是本发明基于smile化学表达式生成含能化合物二环组合库的流程
图5是本发明基于smile化学表达式生成含能化合物三环组合库的流程
图6是本发明基于smile化学表达式生成含能化合物多环组合库的流程
图7是图4的第一种方法实施例图； 图8是图5的第二种方法实施例图； 图9是图6的第三种方法实施例下面将参照附图和实施例对本发明的进行进一步的详细说明。
具体实施例方式
本发明的含能化合物分子的计算机辅助设计系统，其设计基本思路是提 供给用户一套全面的计算机系统，从头开始设计含能化合物分子。用户可以 根据自身的需要自行选择或者绘制符合其技术条件的含能分子结构。用户可 以通过借助由分子组合库生成模块产生的上万种新型含能化合物分子中选 择需要的含能化合物分子，直接计算预测其分子结构爆轰参数；另一方面用 户也可以从无到有，绘制新的含能化合物分子结构，并通过二维转三维模块， 将绘制的分子结构，转化成三维结构，通过程序提供的接口利用量化的方法 对三维分子结构进一步优化，并计算其分子量化信息，最后预测分子的爆轰
参数参见图l，本发明的含能化合物的计算机辅助设计系统，利用计算机对 含能化合物的分子结构进行设计以及对含能化合物分子性能进行预测，以开 发新的含能化合物，由六个主要单元模块构成，各单元模块具有各自不同功
能。系统采用Visual Studio 2005开发，使用C十+语言进行程序开发，图形 库使用OpenGL。
该系统至少包括
用户输入模块，用于用户通过鼠标绘制含能化合物分子的二维平面结
构；
文件输入/输出模块，用于对已输入的含能化合物分子结构的文件进行 读取、修改和存储；
分子结构转换模块，用于将含能化合物分子的二维平面结构转换成空间 三维结构；
显示模块，用于显示打开的含能化合物分子结构文件或用户绘制的含能 化合物分子结构；
爆轰参数预测模块，用于根据含能化合物分子结构的性质来预测分子的 爆轰参数；以及
分子组合库生成模块，用于利用组合化学原理生成含能化合物分子组合 库，为爆轰参数预测模块提供分子信息；
用户输入模块与文件输入/输出模块分别与分子结构转换模块连接，分 子结构转换模块通过连接的显示模块与爆轰参数预测模块连接；爆轰参数预 测模块上还连接有分子组合库生成模块。
上述所述的用户输入模块能够进一步对现有的含能化合物分子结构进 行编辑，或者添加新的原子组成新的含能化合物分子结构；该用户输入/输 出模块还包含一个元素周期表，用于选择当前绘制的原子和察看原子的已知 性质。
7上述的含能化合物分子结构文件包括Mo12文件、pdb文件和Mol文件。 上述的分子结构转换模块进一步对含能化合物分子结构进行遍历，将环
和长链分开进行处理，最后将环结构和长链进行组合，形成完整的含能化合
物分子三维结构。
上述的显示模块进一步对含能化合物分子结构进行旋转、平移和縮放， 并能够全屏显示含能化合物分子结构；显示模块所支持的模型有线形模型、 CPK模型、球棍模型或棍状模型。
上述的爆轰参数预测模块进一步与量化计算结合，直接提取量化计算结 果来进行爆轰参数预测，或者根据实验获得数据进行爆轰参数预测。
上述的爆轰参数预测模块进一步通过输入含能化合物分子名称、或者含 能化合物分子式，以及输入含能化合物分子密度和含能化合物分子生成焓， 便能够进行计算，得到含能化合物分子的爆温、爆速和爆压参数。
上述的分子组合库生成模块进一步将单环化合物分子结构信息生成一 系列二环、三环、及多环化合物分子结构，该化合物分子结构的活性位点能 够进行取代基取代；将所得到的含能化合物分子结构信息直接输入到爆轰参 数预测模块，并对含能化合物分子进行爆温、爆速和爆压参数计算。
系统程序界面使用MFC编写，使用的是单文档结构，用户执行可执行 程序之后进入程序界面，程序界面中上部是菜单条和工具栏；左边是树形列 表，用树形结构来表示分子结构；下部是命令编辑框兼输出框，用于输入命 令和输出计算结果；右部是显示区域，用来显示分子结构。
图2为本发明的具体实施方式
流程图。
用户可以根据自身的需要选择绘制方式或者选择方式。绘制分子方式即 用户需要通过执行可执行程序分别通过用户输入模块、文件输入/输出模块、 分子结构转换模块、显示模块以及爆轰参数预测模块来实现。分子选择方式 即用户直接通过分子组合库生成模块筛选出符合需要的分子结构，然后将分子信息直接通过分子组合库生成模块通入到爆轰参数预测模块。
参见图2，如果用户需要根据自身的需要自行绘制符合其技术条件的含 能分子结构时，需要借助以下模块进行操作
当用户通过鼠标执行可执行程序之后进入程序界面，在用户输入模块 中，用户可以在程序界面右部显示区域上直接绘制含能化合物分子结构，与 此同时可以对现有含能化合物分子结构进行编辑，可以在现有含能化合物分 子结构基础上添加新的原子，构成新的含能化合物分子结构。此模块先由 MFC处理鼠标在屏幕上点击位置，然后传递给OpenGL (Open Graphics Library开放的图形程序接口)， OpenGL通过坐标变换来计算鼠标点击屏幕 位置在三维坐标中的位置，确定好含能化合物的二维分子结构。
在用户输入模块中还设有一个元素周期表，该元素周期表是一个由108 个按钮的组成的对话框，每个按钮代表一个元素，用户可以通过元素周期表 来选择所要绘制的原子，并可以改变此元素的显示颜色和察看原子的已知信 息。
用户也可以通过文件输入/输出模块提供对用户分子结构文件的操作， 用户可以打开或保存常用的分子文件格式，比如Mo12、 Mol和pdb格式文件。
在文件输入/输出模块中，提供了对Gaussian的支持，通过执行程序， 用户可以直接生成Gaussian的Job文件，并且调用Gaussian进行量化计算， 最终程序将自动分析量化计算结果，取出需要的结果。
将用户输入模块或者文件输入/输出模块绘制好的含能化合物分子二维 结构，通过分子结构转化模块，将二维含能化合物的分子结构转换成为三维 结构。或者将不正确的含能化合物分子的三维构象，转化为正确的三维构象。
该分子结构转换模块先用深度优先算法对含能化合物分子结构进行遍 历，将环和长链分开进行处理。长链根据长链上的原子类型赋予原子之间键
9长、键角、二面角及非键作用角度。如果含能化合物分子结构是环状的话， 先搜索环模板库，取出和其匹配的结构附上其坐标，如果无匹配结构，将环 拆开成多个环，再进行搜索。最后将环结构和长链进行组合，形成完整的含 能化合物分子三维结构。
将分子结构转化模块中的三维含能化合物分子结构通过显示模块显示。
首先利用OpenGL图形库建立世界坐标系，世界坐标系是一个4阶方阵，其 子矩阵分别代表xyz轴的方向、原点位置以及縮放比例，还有一个子矩阵代 表错切变化比例，本系统暂且不用到。利用世界坐标系，用户可以对含能化 合物分子三维结构进行旋转、平移和縮放。
然后运用计算机图形学知识，利用OpenGL图形库，对含能化合物分子 三维结构建立模型，使其能够显示在屏幕上，支持的模型有线形模型、CPK 模型、球棍模型和棍状模型。
线形模型是将化学键抽象成一条直线，利用直线来表述原子之间作用， 通过圆柱两端不同的颜色来标记两端的原子类型，从而建立分子结构的模 型。此模型比较简单，适用于原子数较多的时候，提高显示速度。
CPK模型是将每个原子抽象成一个圆球，圆球的半径是其范德华半径。 这种模型更接近分子的真实样子。
球棍模型是将每个原子抽象成一个圆球，将化学键抽象成一个圆柱。此 模型比CPK模型更能体现出分子中原子之间的相互作用。
棍状模型是将化学键抽象成一个圆柱，通过圆柱两端不同的颜色来标记 两端的原子类型。这种模型在强调分子中原子之间的相互作用时常用到。
将显示模块表征的三维含能分子结构，通过爆轰参数预测模块，计算出 所需的相关爆温、爆速和爆压爆轰参数；计算出含能化合物分子的爆轰性能 工作在此模块中完成，在此模块中有两种方法可供选择，用户可以根据不同 需要选择适合的方法进行爆轰参数预测参照图3所示，用户输入或者文件输入两种方法输入的参数是一致的， 用户都只需要输入含能化合物的分子名称(可选)、分子式、分子密度和分 子的生成焓，便可以开始运算。两种方法分别是基于VLW状态方程的炸药 爆轰性能计算方法和基于Glenn方程的计算方法在第一种方法中，Python 脚本将生成一个文本文件作为中间文件，然后调用VLW状态方程计算炸药
的爆轰参数，此方法基于//° -//2°98 =<^ +c2r+c3r2 +c4r3 +c5r4的拟合计算；
在第二种方法中则是基于Glenn方程用最小二乘法对 c(r)/及- "J-2 +^7^ +a3 +fl4r + a5r2 +"6r3 +fl7r4中的数据进行拟合得到C-J 点，然后计算得到含能化合物C-J点的轰爆参数。
如果用户通过借助由分子组合库生成模块产生的上万种新型含能化合 物分子中筛选需要的含能化合物分子结构时，需要借助分子组合库生成模块 和爆轰参数预测模块来实现。
需要说明的是，本系统中所述的分子组合库生成模块是基于smile化学 表达式生成的含能含能化合物分子组合库。单环分子及取代基基团均用基于 smile的表达式进行描述。smile (String of Mloecule Interpretative Language Expression),同时该化合物分析组合物使用0++语言开发该方法的应用程 序，可以快速、准确地生成相应的多环化合物分子，在含能化合物分子高通 量筛选中具有良好的使用效果。
以下是发明人给出的分子组合库生成模块的生成含能化合物分子的具 体实施例，需要说明的是本发明不限于这些实施例。 实施例1:
图4是基于smile化学表达式生成含能化合物二环组合库的流程图，以 下结合图4说明其流程
启动程序，读入包含单环smile式的文本文件，通过循环随机选出两个 单环a和b的smile式字符串，分别在a环和b环上随机选出两点c、 d和e、f点，如果四个点对应的原子满足相应原子类型和杂化类型的要求，那么继续操作，否则返回循环继续选点直到四个点均满足要求为止。接着如果a环 上的c点和b环上的e点，a环上的d点和b环上的f点分别对应的原子类 型一致，或a环上的c点和b环上的f点，a环上的d点和b环上的e点分 别对应的原子类型一致，那么继续操作，否则返回循环继续选点直到四个点 均满足要求为止。接着依据表达式al+bl+a2， al+b2 + a2，选取相应的 函数将a环smile式的全部与b环smile式以e、 f点分割的两部分smile式 分别进行加和，从而生成二元环的smile式。接着在从单环smile式的文本 文件中通过循环随机选出一个单环c环，分别在二元环a环和单环c环上随 机选出两点g、 h和i、 j点，如上一步的要求类似，依据表达式al+(cl) + a2， al + (c2) + a2，将c环上以i、 j点分割的两部分smile式作为二元环的 支链与a环进行加和，从而生成三元环的smile式。 以下结合图7对上述实施例1进行说明随机选取单环a环，smile式为C1CCNCC1;单环b环，smile式为 NlCCCCl 。方式为单环a的全部与单环b的两个部分分别进行加和。a环上 选取c、 d两点，b环上选取e、 f两点，四点均满足原子类型、杂化类型的 要求，可以作为活性位点继续连接支链，而且a[c]=b[fl=N&&a[d]=b[e]=C， 故按照al+bl/b2+a2，将a环分别与b环由e、 f点分割的两部分smile式进 行加和，得到两个二元环abl和ab2， smile式分别为C1N2CCC1CC2， C1CN2CCC1CC2。继续随机读入单环c， smile式为ClCCCCl ，在abl上选 取g、 h两点，c环上选取两点i、 j，四点均满足原子类型、杂化类型的要求， 可以作为活性位点继续连接支链，而且同时满足a[c]=b[e]=C && a[d]=b[f]=C; a[c]=b[f]=C && a[d]=b[e]=C,故按照al+cl/c2+a2,将abl环分 别与c环由i、 j点分割的两部分smile式进行加和，得到四个三元环ablcl 和ablcl、， ablc2和ablc2、 ， smile式分别为C1N2C3C(C3)C1CC2 ，C1N2C3C(C3)C1CC2， C1N2C3C(CC3)C1CC2， C1N2C3C(CC3)C1CC2。同 理，ab2与abl类似，也可得到四个smile式，分别为C1CN2C3C(C3)C1CC2， C1CN2C3C(C3)C1CC2， C1CN2C3C(CC3)C1CC2， C1CN2C3C(CC3)C1CC2， 八个三元环的smile式除去重复的，最后留有四个smile式，分别为 C1N2C3C(C3)C1CC2 ， C1N2C3C(CC3)C1CC2 , C1CN2C3C(C3)C1CC2 ， C1CN2C3C(CC3)C1CC2。 实施例2:图5是基于smile化学表达式生成含能化合物三环组合库的流程图；以 下结合图5说明生成流程启动程序，读入包含单环smile式的文本文件，通过循环随机选出两个 单环a和b的smile式字符串，分别在a环和b环上随机选出两点c、 d和e、 f点，如果四个点均为大写A标记的原子(代表sp3杂化碳)则继续操作， 否则返回循环继续选点直到四个点均满足要求为止。接着依据表达式al + (bl)(b2) + a2，选取相应的函数将a环smile式的全部与b环smile的全部进 行加和，从而生成三元环的smile式，并在标记A (代表sp3杂化碳)、B (代 表sp2杂化碳)、T (代表sp3杂化氮)活性原子上进行取代基取代。同时也 可再读入单环smile式的文本文件，通过循环随机选出单环c的smile式字 符串，分别在二元环a环和单环c环上随机选出两点g、 h和i、 j点，如上 一步的要求类似，依据表达式al + (cl)(c2) + a2，选取相应的函数将二元环 a的smile式的全部与b环smile的全部进行加和，从而生成五元环的smile 式，并在剩余的标记A (代表sp3杂化碳)、B (代表sp2杂化碳)、T (代表 sp3杂化氮)活性原子上进行取代基取代。以下结合附图8，说明实施例2:随机选取单环a环，smile式为A1CTAB=C1;单环b环，smile式为 A1ACAAC1。方式为单环a的全部与单环b的全部smile式进行全加和。a13环上选取c、 d两点，b环上选取e、 f两点，a[c]=b[f]=a[d]=b[e]=A (sp3杂 化碳)，a环上一个sp2杂化碳和一个sp3杂化氮分别用大写的B和T标记， 表示可以作为活性位点进行取代。按照al+(bl)(b2)+a2，将a环与b环由e、 f点分割的两部分smile式作为支链进行加和，得到两个三元环，并且两个 三元环结构相同，接着在活性位点A、 A、 B进行碳取代，取代基为(-N02)， T上进行氮取代，取代基为(-F)，得到ab三元环smile式 C1C(F)C(C(N(=0)=0)C2)(CC(N(=0)=0)3)C(N(=0)=0)=CC123。同时也可读 入单环c， smile式为A1CCACC1，在ab上选取g、 h两点，c环上选取两 点i、j， a[g]=b[i]=a[h]=b[j]=A(sp3杂化碳)，按照al+(cl)(c2)+a2，将ab环 与c环由i、 j点分割的两部分smile式作为支链进行加和，得到五元环abc， 并在 B 、 T 进行取代 ，abc 的 smile 式为 C1 C(F)C(C45C2)(CC(CC4)(CC5)3)C(N(=0)=0)=CC 123 。 实施例3:图6是基于smile化学表达式生成含能化合物多环组合库的流程图，以 下结合图6说明其流程启动程序，读入包含单环smile式的文本文件，分别为包括三个活性位 点、四个活性位点、五个活性位点的smile式库文件，在每个不同的文件中， 通过循环随机选出两个单环a和b的smile式字符串，按照字符串中活性原 子A (代表sp3杂化碳、sp2杂化碳)、T (代表sp3杂化氮)的顺序，依据 表达式a + b，选取相应的函数将a环smile式的全部与b环smile的全部进 行加和，从而生成笼形分子，类似于立方垸结构的多环分子smile式，进而 在标记有*的原子上进行取代基取代。结合附图9，说明实施例3:随机选取单环a环，smile式为A1ATA*C1;单环b环，smile式为 A1A*TA1，两个均为具有四个活性位点的单环smile式。方式为单环a的全部与单环b的全部smile式进行全加和。a环上三个sp3杂化碳和一个sp3 杂化氮分别用大写的A和T标记，表示可以作为生成笼形分子的活性位点。 B环，同理。按照字符串中活性原子A、 T的顺序，依据表达式a + b，生成 笼形分子，并在标记有*的位置进行取代，取代基为(-N02),最终ab笼形 分子的smile式为C1C2(N(=0)=0)N3C4C1C1C4(N(=0)=0)N3C12。
权利要求
1、一种含能化合物的计算机辅助设计系统，利用计算机对含能化合物分子结构进行设计以及对含能化合物分子爆轰性能进行预测，以开发新的含能化合物，其特征在于，该系统至少包括用户输入模块，用于用户通过鼠标绘制含能化合物分子的二维平面结构；文件输入/输出模块，用于对已输入的含能化合物分子结构的文件进行读取、修改和存储；分子结构转换模块，用于将含能化合物分子的二维平面结构转换成空间三维结构；显示模块，用于显示打开的含能化合物分子结构文件或用户绘制的含能化合物分子结构；爆轰参数预测模块，用于根据含能化合物分子结构的性质来预测分子的爆轰参数；以及分子组合库生成模块，用于利用组合化学原理生成含能化合物分子组合库，为爆轰参数预测模块提供分子结构信息；用户输入模块与文件输入/输出模块分别与分子结构转换模块连接，分子结构转换模块通过连接的显示模块与爆轰参数预测模块连接；爆轰参数预测模块上还连接有分子组合库生成模块。
2、 如权利要求1所述的含能化合物的计算机辅助设计系统，其特征在 于，所述的用户输入模块能够进一步对现有的含能化合物分子结构进行编 辑，或者添加新的原子组成新的含能化合物分子结构；该用户输入/输出模 块还包含一个元素周期表，用于选择当前绘制的原子和察看原子的已知性 质。
3、 如权利要求1所述的含能化合物的计算机辅助设计系统，其特征在于所述的含能化合物分子结构文件包括Mol2文件、pdb文件和Mol文件。
4、 如权利要求1所述的含能化合物的计算机辅助设计系统，其特征在 于，所述的分子结构转换模块进一步对含能化合物分子结构进行遍历，将环 和长链分开进行处理，最后将环结构和长链进行组合，形成完整的含能化合 物分子三维结构。
5、 如权利要求1所述的含能化合物的计算机辅助设计系统，其特征在 于，所述的显示模块进一步对含能化合物分子结构进行旋转、平移和縮放， 并能够全屏显示含能化合物分子结构；显示模块所支持的模型有线形模型、 CPK模型、球棍模型和棍状模型。
6、 如权利要求1所述的含能化合物的计算机辅助设计系统，其特征在 于，所述的爆轰参数预测模块进一步与量化计算结合，直接提取量化计算结 果来进行爆轰参数预测，或者根据实验获得数据进行爆轰参数预测。
7、 如权利要求1所述的含能化合物的计算机辅助设计系统，其特征在 于，所述的爆轰参数预测模块进一步通过输入含能化合物分子名称、或者含 能化合物分子式，以及输入含能化合物分子密度和含能化合物分子生成焓， 便能够进行计算，得到含能化合物分子的爆温、爆速和爆压参数。
8、 如权利要求1所述的含能化合物的计算机辅助设计系统，其特征在 于，所述的分子组合库生成模块进一步将单环化合物分子结构信息生成一系 列二环、三环、及多环化合物分子结构，该化合物分子结构的活性位点能够 进行取代基取代；将所得到的含能化合物分子结构信息直接输入到爆轰参数 预测模块，并对含能化合物分子进行爆温、爆速和爆压参数计算。
全文摘要
本发明公开了一种计算机辅助设计含能化合物分子的系统，该系统用于辅助设计、开发新型含能化合物分子结构，并预测其爆轰性能。该系统至少包括①用户输入模块，所述模块用于绘制分子平面结构；②文件输入/输出模块，所述模块可以对已有文件格式进行读取、修改和存储；③分子结构转换模块，所述模块可将用户绘制分子的平面结构转换成三维结构；④显示模块，所述模块能够显示打开的分子结构文件或用户绘制的分子结构；⑤爆轰参数预测模块，所述模块可根据分子的性质来预测爆轰参数；⑥分子组合库生成模块，所述模块利用组合化学原理生成含能化合物分子组合库。
文档编号G06F19/00GK101504679SQ20091002160
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月19日 优先权日2009年3月19日
发明者鹏 廉, 张琦军, 张鑫贲, 朱维良, 宁 李, 来蔚鹏, 段红霞, 王伯周, 肖建峰, 葛忠学, 珍 龚 申请人:西安近代化学研究所