[发明专利]一种基于力匹配的铝电解熔盐体系力场拟合方法

权利要求书

1.一种基于力匹配的铝电解熔盐体系力场拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据铝电解熔盐体系的密度和熔点建立计算模型，对模型进行第一性原理分子动力学模拟，得到稳定状态下的熔盐中离子的运动轨迹；

步骤2：提取步骤1中稳定状态下每一帧运动轨迹中离子的受力矩阵B和位置矩阵C；

步骤3：设定周期性边界条件，将模拟体系在三维坐标系下进行n*n*n倍的扩大，提取扩大后整个体系中离子的位置坐标矩阵D；

步骤4：根据步骤3中扩大的整个体系中离子坐标计算离子间的距离矩阵E；

步骤5：根据步骤4中离子间的距离矩阵计算任意离子所受的库仑力；

步骤6：对步骤5中的库伦力进行分解得到非库仑力；

步骤7：将Buckingham势函数对距离进行求导得到非库伦力的近似函数；

步骤8：结合步骤6和7进行非线性拟合得到适用于铝电解熔盐体系分子动力学模拟的势参数；

步骤9：根据所构建的势参数对熔盐体系进行分子动力学模拟，计算熔盐体系的离子结构和输运性质。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6中的库伦力分解过程按如下公式计算：

G＝B-F

其中，G表示体系中任意离子所受的非库伦力矩阵，将所有离子对的库仑力进行叠加后计算得到每个离子所受的库仑力，结果按顺序记录在矩阵F中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤7中Buckingham势函数以及相应的非库伦力的近似函数形式如下：

其中，V(r_ij)为体系的Buckingham势能，A_ij，β_ij，C_ij是Buckingham势参数，用来描述两离子间的相互作用，r_ij表示离子间距离，F_f(r_ij)为任意两离子间的非库仑力，将离子间的非库伦力进行叠加得到所有离子所受的非库仑力矩阵记为H。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤8中的非线性拟合方法根据如下公式计算：

min∑(H(x,y)-G(x,y))²

基于最小二乘原理，在MATLAB中对函数进行非线性拟合得到适用于熔盐体系分子动力学模拟的Buckingham势参数。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：步骤1中第一性原理分子动力学模拟的体系大小设置为100-200个离子，模拟时间为10-20ps，稳定状态取最后的10ps的离子运动轨迹。

6.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：步骤2中离子的受力矩阵和位置矩阵来自于步骤1中稳定状态下每一帧运动轨迹文件，所有的矩阵均表示向量形式。

7.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：步骤3中n的值根据模拟盒子的边长来定，只考虑中心模拟盒子以内的范德华力和库仑力，n的取值按如下公式计算：

其中，表示向上取整符号，l表示模型盒子的边长。

8.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：步骤4中离子距离r按如下公式计算：

9.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：步骤5中的库仑力按如下公式计算：

其中，F_c(r_ij)表示任意两离子间库仑力，k表示库伦常数，q_i和q_j分别表示离子所带电荷，r_ij表示离子间距离。

10.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：步骤9中离子结构和输运性质的计算过程如下：

(1)根据熔盐体系的密度和熔点建立计算模型；

(2)基于所构建的势参数，对计算模型进行分子动力学模拟，收集稳定状态下的粒子轨迹数据；

(3)对得到的粒子轨迹数据进行统计分析，得到熔盐体系的离子结构和输运性质。