(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210815280.6 (22)申请日 2022.07.11 (71)申请人 北京科技大 学 地址 100083 北京市海淀区学院路3 0号 (72)发明人 陈晓华　范伟杰　王自东　虞鑫宁　 郭文文　 (74)专利代理 机构 北京市广友专利事务所有限 责任公司 1 1237 专利代理师 张仲波 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G16C 10/00(2019.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种基于分子动力学的流场作用下金属凝 固的模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于分子动力学的流场 作用下金属凝固的模拟方法， 属于计算材料领 域。 所述模拟方法包括： 建立基于分子动力学的 三维金属模型； 选取模拟体系的势函数； 系综以 及边界条件的设置； 设置熔化温度， 并设置该熔 化温度下的弛豫时间； 设置 冷却速度以及冷却目 标温度； 设置等温时间， 在等 温过程中施加流场， 模拟金属在流场作用下的等 温凝固过程。 由于流 场的本质是速度场， 所以施加速度场之后要对等 温阶段的温度进行修正。 本发明可以揭示流场对 金属凝固过程中形核和长大过程的影 响规律， 对 铸造中施加流场工艺的制定具有指导作用。 权利要求书1页 说明书6页 附图1页 CN 114943159 A 2022.08.26 CN 114943159 A 1.一种基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法， 其特征在于， 包括如下步 骤： 建立基于分子动力学的三维金属模型； 基于所述 三维金属模型及金属种类， 选择进行分子动力学模拟的势函数； 设置进行分子动力学模拟的系综以及边界条件； 设置好系综以及边界条件之后， 将模型温度设置为当前金属熔点及以上， 并设置弛豫 时间， 模拟金属由固态熔化至熔融状态； 再将模型温度设置为冷却目标温度， 并设置冷却速度， 模拟熔融状态金属降温过程； 在冷却目标温度下， 设置等温保温时间， 并在保温时间内对金属模型施加至少一个方 向的速度场， 通过施加速度场达到施加 流场的效果， 模拟金属模型在流场作用下从熔融状 态到形核和长大的凝固过程； 对三维金属模型的凝固过程进行可视化观察， 并求解形核率、 临界形核半径以及形核 和长大过程中的特 征生长因子， 研究流场对凝固形核和长大的影响规 律。 2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法， 其特征 在于， 所述金属模型采用lam mps软件建立。 3.根据权利要求1所述的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法， 其特征 在于， 所述凝固过程势函数， 选自EAM、 A ‑EAM、 MEAM和ADP势函数中的一种或多种。 4.根据权利要求1所述的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法， 其特征 在于， 所述系综采用等温等压系综， 温度由Noose ‑Hoover恒温器控制； 所有模拟在x， y， z方 向均采用 周期性边界条件。 5.根据权利要求1所述的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法， 其特征 在于， 施加速度场的过程， 使用lam mps中的vel ocity命令来实现。 6.根据权利要求5所述的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法， 其特征 在于， 所述施加速度场， 同时施加x、 y、 z三个方向的速度场。 7.根据权利要求6所述的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法， 其特征 在于， 所述施加速度场， 同时施加x、 y或y、 z或x、 z 两个方向的速度场。 8.根据权利要求1 ‑6任一项所述的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方 法， 其特征在于， 在施加速度场的同时， 对当前温度进行温度修 正。 9.根据权利要求8所述的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法， 其特征 在于， 所述温度修 正， 使用fix_modify和thermo_modify命令对温度进行修 正。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114943159 A 2一种基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方 法 技术领域 [0001]本发明属于计算材料领域， 具体涉及一种基于分子动力学的流场作用下金属凝固 的模拟方法。 背景技术 [0002]铸造过程中， 控制好晶粒尺寸对提高金属的力学性能至关重要。 传统的金属晶粒 细化方式主要有化学细化法、 物理细化法和工艺细化法。 其中， 复合剪切流铸造工艺是一种 新型铸造工艺， 通过在熔体凝固时对其施加复合剪切流场， 使其在流场作用下发生凝固， 相 对于传统铸造方式， 复合剪切流铸 造能达到组织均匀和晶粒细化的目的。 例如， 在凝固过程 中施加复合流场之后， A l‑7Si合金在凝固后的晶粒得到明显细化， 合金的强度、 塑性和韧性 都明显提高。 [0003]但是， 由于金属的凝固发生在高温下， 金属熔体 的形核和长大是一个非常复杂的 过程， 而均匀形核只发生在理想情况下， 同时实际形核过程从过冷熔体的内部开始， 由于金 属的不透明性很难通过实验直接观察形核过程， 无法对合金进行均匀形核的研究； 另外， 固‑液界面自由能及其各向异 性的量化很困难， 因此， 很难通过实验研究流场作用下晶粒的 形核和长大及流场下 金属熔体中晶粒细化的机理。 发明内容 [0004]有鉴于此， 本发明实施例提供一种基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟 方法， 加深对凝固行为的认 识， 揭示流场对金属凝固过程的具体作用规 律。 [0005]为达到上述目的， 本发明的实施例采用如下技 术方案： 一种基于分子动力学的流场作用下 金属凝固的模拟方法， 包括如下步骤： 建立基于分子动力学的三维金属模型； 基于所述 三维金属模型及金属种类， 选择进行分子动力学模拟的势函数； 设置进行分子动力学模拟的系综以及边界条件； 设置好系综以及边界条件之后， 将模型温度设置为当前金属熔点及以上， 并设置 弛豫时间， 模拟金属由固态熔化至熔融状态； 再将模型温度设置为冷却目标温度， 并设置冷却速度， 模拟熔融状态金属降温过 程； 在冷却目标温度下， 设置等温保温时间， 并在保温时间内对金属模型施加至少一 个方向速度场， 通过施加速度场达到施加 流场的效果， 模拟金属模型在流场作用下从熔融 状态到形核和长大的凝固过程； 对三维金属模型的凝固过程进行可视化观察， 并求解形核率、 临界形核半径以及 形核和长大 过程中的特 征生长因子， 研究流场对凝固形核和长大的影响规 律。 [0006]作为本发明的一个优选实施例， 所述金属模型采用lam mps软件建立。 [0007]作为本发明的一个优选实施例， 所述凝固过程势函数， 选自EAM、 A ‑EAM、 MEAM和ADP说　明　书 1/6 页 3 CN 114943159 A 3