[发明专利]一种基于材料真实微观结构的分子动力学建模方法

说明书

本发明涉及一种基于材料真实微观结构的分子动力学建模方法，该方法包括以下步骤：⑴获取材料真实微观结构的照片；⑵利用图像处理技术将步骤⑴的照片转化为二值图像；⑶将二值图像转化为掩码文件；⑷在分子动力学软件中建立步骤⑶的二值图像主体成分的单一微观结构分子动力学几何模型；⑸将步骤⑷中的几何模型进行蒙版处理，得到考虑材料真实微观结构的几何模型；⑹将步骤⑸中得到的几何模型导入到可视化软件中进行可视化处理，并与二值图像中的灰度图像进行对比，验证几何模型的准确性。本发明方法简单、易于实现，解决了因忽略材料非主要微观结构导致材料性能预测精度低的问题，可在微观层面上进一步提高材料性能仿真的精度。

技术领域

本发明涉及材料微观建模技术领域，尤其涉及一种基于材料真实微观结构的分子动力学建模方法。

背景技术

材料的微观结构决定着材料的性能，不同微观组分的比例与形态对材料的性能有着极大的影响，如铸铁材料的石墨等级与形态影响着其宏观力学性能。此外，在加工制备过程中，材料的微观组织中不可避免地会产生偏析、夹杂等微观缺陷，这些缺陷也会对材料的性能造成一定的影响。因此，建立具有更加精准微观结构的几何模型是开展材料性能仿真计算的重要前提。

分子动力学是一种在微观尺度上采用牛顿力学理论开展系统性质研究的模拟方法，适用于金属、陶瓷、复合材料、有机物等材料体系。目前，该方法已在性能预测方面具有较为成熟的应用。以往的分子动力学模拟计算大多是以构造材料理想微观结构为基础的研究，而忽略了材料真实的微观结构，往往影响最终预测结果的准确性。

图像处理技术的发展将从实验手段获取的材料微观组织的图片转变为计算机数值几何模型成为了可能。专利CN201410279062.0中提出了一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法，该方法通过对SEM扫描图片进行各种数字图像技术处理，并经过由位图到矢量图的转化，可以将真实微观结构映射到二维有限元模型中。目前，尚无利用图像处理技术将材料微观组织的图片转变为分子动力学几何模型的相关报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、快速、易于实现的基于材料真实微观结构的分子动力学建模方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种基于材料真实微观结构的分子动力学建模方法，包括以下步骤：

⑴获取材料真实微观结构的照片；

⑵利用图像处理技术将步骤⑴的照片转化为二值图像；

⑶将所述二值图像转化为掩码文件；

⑷在分子动力学软件中建立步骤⑶的二值图像主体成分的单一微观结构分子动力学几何模型；

⑸将步骤⑷中的几何模型进行蒙版处理，得到考虑材料真实微观结构的几何模型；

⑹将步骤⑸中得到的几何模型导入到可视化软件中进行可视化处理，并与二值图像中的灰度图像进行对比，验证几何模型的准确性。

所述步骤⑴中的照片为通过实验手段获取的具有材料真实微观组织的照片。

所述照片的格式为JPEG、BMP、PCX、TIFF、PNG、GIF、HDF、ICO、CUR、XWD、RAS、PBM、PGM、PPM中的一种。

所述步骤⑵中图像处理技术所用图像处理软件为Matlab、Adobe Photoshop、ImageJ中的一种。

所述步骤⑶中二值图像转化为掩码文件是指将二值图像中每个像素点转变为数字；其中二值图像中所占面积较多颜色对应的区域设定为数字“0”；二值图像中所占面积较少颜色对应的区域设定为数字“1”，并将设定后的数字保存在掩码文件中。

所述二值图像中所占面积较多颜色对应的区域为步骤⑴照片中材料主体成分所占的面积。

所述二值图像中所占面积较少颜色对应的区域为步骤⑴照片中材料非主体成分所占的面积。

所述步骤⑶中掩码文件为txt格式的文档。