[发明专利]一种用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法

权利要求书

1.一种用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法，其特征在于：包括以下步骤：1)确定不同颗粒间相互作用的类硬球势参数；2)模型初始设置，三维立方模拟盒子采用周期边界条件，颗粒被约束在虚拟空间内；3)非均匀分布颗粒数量确定，对连续颗粒体积分布进行合理的离散化，使得离散之后的颗粒尺寸和数量可以代表原来的颗粒体积分布；4)计算体系颗粒位置初始化及能量最小化，根据颗粒总数N，颗粒直径d以及初始填充体积分数Φ₀确定模拟盒子大小，采用几何优化算法对初始模拟体系进行能量最小化，消除任意两颗粒因初始位置过近导致的重叠，当任意颗粒受力都小于阈值时，能量最小化过程结束；5)模拟盒子体积压缩，通过同步增大立方模拟盒子三个主方向的维里压强P实现盒子等轴压缩，每次盒子体积改变后都采用几何优化算法迭代调整各颗粒坐标；6)模拟盒子体积膨胀，通过同步减小立方模拟盒子三个主方向的维里压强P实现盒子等轴膨胀，减弱过压缩引起的颗粒交叉效应；7)实时计算结果输出。

2.根据权利要求1所述的用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法，其特征在于，步骤1)中，采用修正的Lennard-Jones势：

E_smooth(r)＝E(r)*f(r)

E(r)为标准12-6Lennard-Jones势：

其中，ε表示势井深度，σ表示势能为零时对应的原子间距，对于类硬球势函数，σ与颗粒直径相同，r表示原子间距；

f(r)为平滑函数：

其中，r_m表示内截断半径，r_cut表示外截断半径；

对于不同直径的颗粒，通过二分法确定相应的ε，使得势函数接近理想硬球势函数。

3.根据权利要求2所述的用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法，其特征在于，步骤2)中，采用LAMMPS软件，设置计算体系的单位为real，粒子类型为sphere，力场类型为lj/mdf，其中，势函数的内截断半径设置为外截断半径设置为σ。

4.根据权利要求1所述的用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法，其特征在于，步骤3)中，确定非均匀分布粒子数量时遵循两个准则：最大颗粒的最少数量为N^min，同时最小颗粒的总体积不小于V^min，其中d_max为最大颗粒的直径。

5.根据权利要求1所述的用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法，其特征在于，步骤4)中，模拟盒子大小通过初始填充体积分数Φ₀和k类不同大小颗粒的总体积V_P确定，具体计算公式如下：

其中，V_P为k类不同大小颗粒的总体积，d_k为第k类颗粒的直径，N_k为第k类颗粒的数量，V为模拟盒子体积。

6.根据权利要求1所述的用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法，其特征在于，步骤5)中，压强P的计算公式如下：

其中，r_i和f_i是原子i的位置矢量和力矢量，D是系统维数，V是模拟盒子体积，·表示矢量点乘；

盒子体积改变后连续进行多次能量最小化，使体系压强更接近目前压强，盒子体积压缩过程分为两个阶段，第一个阶段0-0.8P_f压强增加的幅值ΔP＝10000atm，第二个阶段0.8P_f-P_f压强增加的幅值ΔP＝1000atm；最终，体系压强P_f＝1000000atmn，颗粒之间存在明显交叉效应，体系达到过压缩状态。