[发明专利]一种三维空间多颗粒填充动力学模拟方法

说明书

本申请提供一种三维空间多颗粒填充动力学模拟方法，通过在第一预设温度下粒子系统各热力学量的统计服从正则系综，计算粒子系统在稳定时对应的第一压强；在粒子系统各热力学量的统计服从等温等压系综，粒子系统保持第一压强，由所述第一预设温度降低至第二预设温度，实现模拟盒子动态压缩；粒子系统温度保持第二预设温度，压强由第一压强降低至第二预设压强，实现模拟盒子准静态膨胀，从而获得在第二预设温度下，粒子系统稳态时相应的粒子的填充体积分数、以及粒子的填充空间构型。本申请提供的分子动力学模拟算法中，模拟盒子可动态压缩和静态膨胀，可以模拟粒子的机械压缩过程，以及模拟颗粒在随机填充和紧密填充情况下的最高填充体积分数。

技术领域

本申请涉及分子模拟技术领域，具体涉及一种三维空间多颗粒填充动力学模拟方法。

背景技术

在聚合物基体中添加金属填料或无机填料，可使复合材料整体的热学、力学、电学性能得到显著提升，因此，研究填料在聚合物基体中的最大填充体积分数、以及填料的填充形态对提升聚合物基复合材料的性能具有重要的指导意义。考虑到聚合物基复合材料的实验研究成本高、实验周期长等问题，目前国内外研究颗粒随机填充问题多采用计算模拟方法。

分子动力学方法是一种依靠牛顿经典力学来模拟分子体系的运动的方法，其能够对原子在三维空间内的运动轨迹和演变过程进行精确的描述，因而在计算模拟方法中具有广泛的应用。目前已有的分子动力学模拟方法是通过增加颗粒半径实现体积压缩，无法模拟机械压缩过程，且现有模拟方法大部分只能模拟颗粒在随机填充情况下的最高填充体积分数，仅有少数模拟方法可模拟随机填充情况下的最高填充体积分数和颗粒在紧密填充情况下的填充体积分数，但其模拟计算过程复杂，使用受到限制。

发明内容

本申请提供一种三维空间多颗粒填充的动力学模拟方法，旨在解决现有的分子动力学模拟算法无法模拟机械压缩过程，以及在模拟随机填充情况下的最高填充体积分数和颗粒在紧密填充情况下的填充体积分数时计算过程复杂的技术问题。

本申请一方面提供一种三维空间多颗粒填充动力学模拟方法，包括以下步骤：

获取填充模拟粒子的特性参数、模拟盒子参数、粒子在模拟盒子中的初始填充密度、以及不同粒子之间相互作用的势函数；

根据所述初始填充密度、所述粒子的特性参数、所述模拟盒子参数，在所述模拟盒子中随机填充相应数量的粒子，形成粒子系统；

获取所述粒子系统中各粒子的初始坐标，基于粒子的所述初始坐标对各粒子的坐标进行调整，使所述粒子系统达到平衡状态；

当所述粒子系统各热力学量的统计服从正则系综，以及在所述粒子系统保持在第一预设温度时，计算所述粒子系统的第一压强，其中，所述第一压强为所述粒子系统在初始填充密度下达到平衡状态时对应的压强，所述第一预设温度为粒子可自由运动的温度；

当所述粒子系统各热力学量的统计服从等温等压系综，以及在所述粒子系统保持所述第一压强时，将所述粒子系统由所述第一预设温度降低至第二预设温度，所述模拟盒子动态压缩；

当所述粒子系统保持所述第二预设温度时，将所述粒子系统由第一压强降低至所述第二预设压强，所述模拟盒子准静态膨胀；

输出在所述第二预设温度下，所述粒子系统达到平衡状态时相应的所述粒子的填充体积分数、以及粒子的填充空间构型。

在本申请一种可能的实现方式中，控制所述粒子系统由所述第一预设温度降温至所述第二温度的降温速度可模拟所述粒子的随机填充情况和紧密填充情况。

在本申请一种可能的实现方式中，所述计算所述粒子系统的第一压强的步骤前，还包括在第一预设温度下赋予所有粒子初始速度，各粒子的运动服从牛顿第二定律，采用Verlet算法对各粒子的位置和速度进行更新。

在本申请一种可能的实现方式中，所述势函数为，