【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及分子模拟，特别是涉及一种金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法。
技术介绍
1、密封件是旋转机械、动力机械等精密仪器设备的关键组成部分。对于精密金属密封件，金属晶体结构缺陷、残余应力、工作应力等容易引发微裂纹，导致气体泄漏，破坏密封性能，进而对产品的性能、寿命和可靠性造成不利影响。因此，研究气体在金属密封件微裂纹中的泄漏行为与规律，对金属密封件的性能优化具有重要的理论指导意义。
2、不同于气体在宏观尺度裂纹中的流动，当微裂纹空间尺度减小至接近气体分子的平均自由程时，气体的稀薄效应和压缩性效应愈加突出，微裂纹中的气体泄漏倾向于分子流和过渡流状态，流体连续介质假设不再成立，传统基于连续介质假设的navier-stokes方程失效。同时，微裂纹中的泄漏气体还呈现粘性耗散效应、表面效应和非线性效应，决定了气体在微裂纹中泄漏行为的复杂性。基于此，传统实验手段和流体力学仿真均难以在微观尺度上有效描述、分析、解释泄漏气体在微裂纹中的运动机制。
3、分子动力学模拟是联系材料微观结构和宏观性能的一道桥梁，它既可以在原子和分子尺度上模拟分子的静态结构，还能模拟分子的动态行为，利用分子动力学可以模拟微小时间尺度内气体在微裂纹中的动态扩散行为。因而，若从微观角度出发，建立金属微裂纹气体泄漏的界面模型，并利用分子动力学模拟研究气体在金属微裂纹中的泄漏规律和机理，将为金属密封件的制造优化提供理论支撑，是提升精密仪器密封性能、寿命和可靠性的重要举措。
技术实现思路
1、为
2、(1)金属微裂纹建模
3、基于bcc铁晶胞构建a×b×c的周期性超晶胞铁模型；沿微裂纹在深度方向的延伸路径，根据微裂纹尺寸和形状在超晶胞铁模型中删除部分铁原子，得到预置中空微通道的微裂纹铁模型；
4、(2)气体建模与弛豫
5、将能量最小化处理后的气体分子置入周期性盒子中，得到周期性气体模型，再对周期性气体模型进行能量最小化处理；对能量最小化处理后气体模型进行nvt系综的分子动力学模拟，得到弛豫后的气体模型；
6、(3)泄漏界面建模和弛豫
7、构建真空层和隔离层，再依次拼接真空层、微裂纹铁模型、弛豫后的气体模型、隔离层，并固定铁原子的原子位置，得到层状的气体泄漏界面模型；对气体泄漏界面模型进行能量最小化处理，然后进行nvt系综的分子动力学模拟，得到分子动力学轨迹文件；
8、(4)模拟结果分析
9、基于分子动力学轨迹文件，分析气体分子的浓度分布变化、径向分布和均方位移，利用公式qt＝p1v-p2v计算气体在微裂纹中的泄漏速率，其中q表示气体在微裂纹中的泄漏速率，t表示泄漏时间，v表示气体体积，p1表示泄漏前的气体压强，p2表示泄漏后气体压强。
10、所述步骤(1)中，bcc铁晶胞为：jcpds no.6-0696；中空微通道的金属层壁厚为
11、所述步骤(2)中，气体包括：氦气、氩气、氖气、氮气、氢气、氧气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氨气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯其中的一种或几种。
12、所述步骤(2)中，周期性气体模型的a、b、α、β、γ与步骤(1)中的超晶胞铁模型保持一致，周期性气体模型的c由气体压强决定，气体压强为0.01-70atm。
13、所述步骤(2)中，分子动力学模拟力场包括：compass力场、cvff力场、pcff力场其中的一种，利用nosé-hoover热浴法控制温度，温度、动力学时间和时间步长分别为73.15-673.15k、2000-40000ps和0.5-2fs。
14、所述步骤(2)和步骤(3)中，能量最小化处理综合运用最速下降法、共轭梯度法和牛顿-拉夫逊迭代法，所用力场包括：compass力场、cvff力场、pcff力场其中的一种，最大能量变化、最大力、最大位移的收敛阈值分别为2×10-5-0.001kcal/mol、
15、所述步骤(3)中，隔离层是基于bcc铁晶胞构建的周期性超晶胞铁模型，隔离层的厚度c方向包括1-9层铁原子，隔离层的a、b、α、β、γ与微裂纹铁模型保持一致；真空层中不包含气体分子，真空层的a、b、α、β、γ与微裂纹铁模型保持一致，真空层的厚度cvacuum为周期性气体模型厚度cgas的0.2-2倍。
16、所述步骤(3)中，分子动力学模拟力场包括：compass力场、cvff力场、pcff力场其中的一种，利用nosé-hoover热浴法控制温度，模拟温度、动力学时间和时间步长分别设置为73.15-673.15k、100～3000ps和0.1-2fs。
17、与现有技术相比本专利技术具有如下优点：本专利方法能够构建纳米尺度的微裂纹气体泄漏界面模型，从纳米尺度上分析气体分子在微裂纹中的泄漏规律，得到微裂纹尺寸、结构与气体泄漏演变的内在联系，促进金属密封件的制造优化，提升产品的性能、寿命和可靠性，还具有计算效率高、仿真成本低的优点，有助于模拟方法的推广。
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1.一种金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于模拟步骤为：
2.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中，bcc铁晶胞为：JCPDS No.6-0696；中空微通道的金属层壁厚为
3.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，气体包括：氦气、氩气、氖气、氮气、氢气、氧气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氨气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯其中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，周期性气体模型的a、b、α、β、γ与步骤(1)中的超晶胞铁模型保持一致，周期性气体模型的c由气体压强决定，气体压强为0.01-70atm。
5.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，分子动力学模拟力场包括：COMPASS力场、cvff力场、pcff力场其中的一种，利用Nosé-Hoover热浴法控制温度，温度、动力学时间和
6.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)中，能量最小化处理综合运用最速下降法、共轭梯度法和牛顿-拉夫逊迭代法，所用力场包括：COMPASS力场、cvff力场、pcff力场其中的一种，最大能量变化、最大力、最大位移的收敛阈值分别为2×10-5-0.001kcal/mol、
7.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)中，隔离层是基于bcc铁晶胞构建的周期性超晶胞铁模型，隔离层的厚度c方向包括1-9层铁原子，隔离层的a、b、α、β、γ与微裂纹铁模型保持一致；真空层中不包含气体分子，真空层的a、b、α、β、γ与微裂纹铁模型保持一致，真空层的厚度cvacuum为周期性气体模型厚度cgas的0.2-2倍。
8.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)中，分子动力学模拟力场包括：COMPASS力场、cvff力场、pcff力场其中的一种，利用Nosé-Hoover热浴法控制温度，模拟温度、动力学时间和时间步长分别设置为73.15-673.15K、100～3000ps和0.1-2fs。
...【技术特征摘要】
1.一种金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于模拟步骤为：
2.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中，bcc铁晶胞为：jcpds no.6-0696；中空微通道的金属层壁厚为
3.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，气体包括：氦气、氩气、氖气、氮气、氢气、氧气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氨气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯其中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，周期性气体模型的a、b、α、β、γ与步骤(1)中的超晶胞铁模型保持一致，周期性气体模型的c由气体压强决定，气体压强为0.01-70atm。
5.如权利要求1所述的金属微裂纹中气体泄漏的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，分子动力学模拟力场包括：compass力场、cvff力场、pcff力场其中的一种，利用nosé-hoover热浴法控制温度，温度、动力学时间和时间步长分别为73.15-673.15k、2000-40000ps和0.5-2fs...
【专利技术属性】
技术研发人员：左镇，金鑫，刘沛媛，周思宇，高向萱，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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