基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的納米金屬材料模擬分析

張?jiān)戮?，王鳳舞

（甘肅省定西市臨洮農(nóng)業(yè)學(xué)校，甘肅 定西 730500）

1 基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的納米金屬材料模擬分析

納米金屬材料是指在立體三維空間內(nèi)至少有一維在納米承接范圍以內(nèi),值得說明的是，我們平時(shí)所講的納米尺度指的是1nm～100nm的范圍內(nèi)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)模擬出來的金屬納米微粒具有尺寸較小、表面能很高等特殊屬性,造成其過程中的反應(yīng)活性和催化篩選性等性能相比于傳統(tǒng)材料來說擁有明顯的優(yōu)勢(shì),也正是因?yàn)檫@樣，有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究與計(jì)算機(jī)模擬專業(yè)人員均十分重視這一研究領(lǐng)域[1]。

1.1 有限元模型的建立

納米金屬材料中的基本晶粒在整個(gè)材料晶體中具體表現(xiàn)為無規(guī)律排序,晶粒的尺寸大小和形狀均是統(tǒng)一規(guī)定的,而且對(duì)于宏觀多晶體來說，晶粒的運(yùn)動(dòng)方向也均是隨機(jī)抽取的[2]。對(duì)于納米多晶金屬材料在宏觀表現(xiàn)上是各具同向性的,所以在其模擬分析中能夠在一定程度上忽視晶粒與晶界的統(tǒng)一性和方向性,認(rèn)為晶粒與晶界的成分均是各個(gè)同向性材料所構(gòu)成的。本文模擬分析工作主要是初步摸索的階段,還假設(shè)晶粒具備統(tǒng)一的尺寸大小與具體形狀,且具備一定的周期性規(guī)律。每個(gè)單元體之中,具體包括晶粒、晶界以及多叉晶界幾個(gè)部分構(gòu)成,其中晶粒具備一定規(guī)律的立方體形狀,晶粒的尺寸大小也能夠隨便調(diào)改。如果納米金屬固體材料是由這種單元體根據(jù)一定動(dòng)作規(guī)律在有限空間內(nèi)無限積累而形成的宏觀構(gòu)造。三種納米金屬晶界平衡態(tài)的模型均已經(jīng)建立完成，而晶粒部分則被認(rèn)為是各個(gè)同向性的線彈性材料,其模型分析取值需要取近似普通晶粒的彈性模量,多叉晶界實(shí)際上就是一種類似微空洞的結(jié)構(gòu),其模型構(gòu)造量取值為零。按照上述納米金屬材料的構(gòu)造模型和相關(guān)參數(shù),用有限元源自動(dòng)生成系統(tǒng)feplp軟件需要的三維有限元網(wǎng)格。而在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元體元內(nèi),主要包括一個(gè)晶粒單元、五個(gè)晶界單元、六個(gè)孔隙單元。

1.2 納米金屬材料下分子動(dòng)力方程的數(shù)值模擬

在分子材料學(xué)中，Verlet概念中包括的Verlet算法應(yīng)該算是現(xiàn)在普及最為廣泛的而且是起源最早的計(jì)算方法，具體運(yùn)算公式即：

將上面兩個(gè)式子相加得到公式：

式中，n代表運(yùn)動(dòng)次數(shù)，t是納米分子的運(yùn)動(dòng)時(shí)刻，?代表某個(gè)特定時(shí)刻，t-?表當(dāng)前時(shí)刻，t+?表示下一時(shí)刻。其主要理念是：通過t時(shí)刻的具體位置、速度以及時(shí)刻t與t-?時(shí)刻的具體位置，去計(jì)算t+?時(shí)刻的精準(zhǔn)位置，將納米金屬材料的晶粒的位置展開為Taylor級(jí)數(shù)。

Verlet算法的最關(guān)鍵的特征技術(shù)通過簡(jiǎn)單的物理、數(shù)學(xué)計(jì)算知識(shí)就能夠完成單獨(dú)的求解過程，使用比較便捷，對(duì)專業(yè)人員的技術(shù)性依賴比較小?？墒撬陨硪泊嬖谝欢ǖ娜秉c(diǎn)。在計(jì)算過程中，為了使計(jì)算結(jié)果得到最大程度的精準(zhǔn)，其積分步距普遍來說會(huì)比較小，計(jì)算量也比較大，極其容易造成一定范圍的誤差。另外一方面，在材料運(yùn)動(dòng)方程中并沒有出現(xiàn)速度選項(xiàng)，它為了可以獲取到當(dāng)前時(shí)刻的最佳速度與動(dòng)量參數(shù)，對(duì)下一個(gè)時(shí)刻的位移數(shù)據(jù)的依賴性會(huì)比較大。

最重要的是，對(duì)于剛開始發(fā)生時(shí)刻的位移數(shù)據(jù)要求只有一個(gè)，對(duì)于其他某些時(shí)刻的位移數(shù)據(jù)仍然需要聯(lián)系一些范圍的條件單獨(dú)列出。

2 方法實(shí)驗(yàn)與效果分析

為了更加清楚、具體的看出此納米金屬材料模擬分析方法的實(shí)際應(yīng)用效果，特與傳統(tǒng)的納米金屬材料模擬分析方法進(jìn)行比較，對(duì)其結(jié)果的精確性進(jìn)行比較。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，將兩種納米金屬材料模擬分析方法均置于相同的試驗(yàn)環(huán)境之下，進(jìn)行精確性能力的試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置主要見下表。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中，通過兩種不同的納米金屬材料模擬分析方法同時(shí)在相同環(huán)境下進(jìn)行工作，分析其精確性的變化。實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比圖見圖1所示。

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，可以看出隨著實(shí)驗(yàn)材料數(shù)量的增多，精確度也隨之增加，但是本文設(shè)計(jì)的基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的納米金屬材料模擬相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)要更具有顯著的優(yōu)勢(shì)，結(jié)果精確性明顯高于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)語

本文對(duì)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的納米金屬材料模擬進(jìn)行分析，依托計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，根據(jù)納米金屬材料模擬的一系列實(shí)驗(yàn)特性，實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)論證表明，本文設(shè)計(jì)的方法具備極高的有效性。

希望本文的研究能夠?yàn)榛谟?jì)算機(jī)技術(shù)的納米金屬材料模擬分析的方法提供理論依據(jù)。