[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

说明书

本发明公开了一种基于力匹配的铝电解熔盐体系力场拟合方法，对熔盐体系进行第一性原理分子动力学模拟；获取每一帧运动轨迹中离子的受力矩阵和位置矩阵；提取扩大后整个体系中离子的位置坐标；计算离子间的距离矩阵；计算任意离子所受的库仑力，对库伦力进行分解得到非库仑力；将Buckingham势函数对距离进行求导得到非库伦力的近似函数；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；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。基于本发明构建了适用于熔盐体系分子动力学模拟的势参数，克服了势参数匮乏的缺陷，为研究熔盐体系的离子结构和输运性质提供了技术支持。

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种基于力匹配的铝电解熔盐体系力场拟合方法。

背景技术

铝电解工业作为国民经济的支柱产业，一直以来受到人们的广泛关注，而铝电解中最为重要的就是铝电解质，作为电解铝的反应物之一，人们对其结构和性质的研究从未停止。但是由于实验条件的限制，熔盐电解质体系相关的性质很难通过实验获取，并且相关的作用机理也无法获悉。近年来，随着计算化学的逐渐发展，采用计算模拟的方法来研究物质的结构和性质受到越来越多人的认可。分子动力学模拟方法作为一种研究熔盐离子结构和输运性质较好的方法已经得到了广泛的应用，分子动力学模拟过程最为重要的就是找到合适的势函数以及势参数。但是适用于铝电解熔盐体系的势函数及相关的势参数匮乏，这成了研究的最大的阻碍。Buckingham作为一种二体势已经应用于硅酸盐体系的分子模拟中，考虑到铝电解熔盐体系同样属于高温体系，Buckingham势函数同样可以运用于铝电解熔盐体系的结构和性质的研究中。选择了合适的势函数以后，合适的势参数就成为计算能否成功的关键。

目前，急需开发一种简单有效的适合于铝电解熔盐体系分子动力学模拟的势参数构建方法，以适用于不同的铝电解熔盐体系，为铝电解生产提供有效指导。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种基于力匹配的铝电解熔盐体系力场拟合方法。该方法通过力匹配结合非线性拟合方法得到适用于铝电解熔盐体系分子动力学模拟的势参数，进而通过计算得到铝电解熔盐体系的离子结构和输运性质。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种基于力匹配的铝电解熔盐体系力场拟合方法，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。

进一步的，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。