基于計算機技術的納米金屬材料模擬分析

張月娟，王鳳舞

（甘肅省定西市臨洮農業學校，甘肅 定西 730500）

1 基于計算機技術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至少有一維在納米承接范圍以內,值得說明的是，我們平時所講的納米尺度指的是1nm～100nm的范圍內。因為計算機技術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活性和催化篩選性等性能相比于傳統材料來說擁有明顯的優勢,也正是因為這樣，有關的實驗研究與計算機模擬專業人員均十分重視這一研究領域[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材料晶體中具體表現為無規律排序,晶粒的尺寸大小和形狀均是統一規定的,而且對于宏觀多晶體來說，晶粒的運動方向也均是隨機抽取的[2]。對于納米多晶金屬材料在宏觀表現上是各具同向性的,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一性和方向性,認為晶粒與晶界的成分均是各個同向性材料所構成的。本文模擬分析工作主要是初步摸索的階段,還假設晶粒具備統一的尺寸大小與具體形狀,且具備一定的周期性規律。每個單元體之中,具體包括晶粒、晶界以及多叉晶界幾個部分構成,其中晶粒具備一定規律的立方體形狀,晶粒的尺寸大小也能夠隨便調改。如果納米金屬固體材料是由這種單元體根據一定動作規律在有限空間內無限積累而形成的宏觀構造。三種納米金屬晶界平衡態的模型均已經建立完成，而晶粒部分則被認為是各個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,多叉晶界實際上就是一種類似微空洞的結構,其模型構造量取值為零。按照上述納米金屬材料的構造模型和相關參數,用有限元源自動生成系統feplp軟件需要的三維有限元網格。而在一個標準單元體元內,主要包括一個晶粒單元、五個晶界單元、六個孔隙單元。

1.2 納米金屬材料下分子動力方程的數值模擬

在分子材料學中，Verlet概念中包括的Verlet算法應該算是現在普及最為廣泛的而且是起源最早的計算方法，具體運算公式即：

將上面兩個式子相加得到公式：

式中，n代表運動次數，t是納米分子的運動時刻，?代表某個特定時刻，t-?表當前時刻，t+?表示下一時刻。其主要理念是：通過t時刻的具體位置、速度以及時刻t與t-?時刻的具體位置，去計算t+?時刻的精準位置，將納米金屬材料的晶粒的位置展開為Taylor級數。

Verlet算法的最關鍵的特征技術通過簡單的物理、數學計算知識就能夠完成單獨的求解過程，使用比較便捷，對專業人員的技術性依賴比較小。可是它自身也存在一定的缺點。在計算過程中，為了使計算結果得到最大程度的精準，其積分步距普遍來說會比較小，計算量也比較大，極其容易造成一定范圍的誤差。另外一方面，在材料運動方程中并沒有出現速度選項，它為了可以獲取到當前時刻的最佳速度與動量參數，對下一個時刻的位移數據的依賴性會比較大。

最重要的是，對于剛開始發生時刻的位移數據要求只有一個，對于其他某些時刻的位移數據仍然需要聯系一些范圍的條件單獨列出。

2 方法實驗與效果分析

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際應用效果，特與傳統的納米金屬材料模擬分析方法進行比較，對其結果的精確性進行比較。

2.1 實驗準備

為保證試驗的準確性，將兩種納米金屬材料模擬分析方法均置于相同的試驗環境之下，進行精確性能力的試驗。試驗環境設置主要見下表。

表1 試驗參數設置

2.2 實驗結果分析

試驗過程中，通過兩種不同的納米金屬材料模擬分析方法同時在相同環境下進行工作，分析其精確性的變化。實驗效果對比圖見圖1所示。

通過實驗對比結果，可以看出隨著實驗材料數量的增多，精確度也隨之增加，但是本文設計的基于計算機技術的納米金屬材料模擬相比于傳統設計要更具有顯著的優勢，結果精確性明顯高于傳統設計。

圖1 實驗結果對比圖

3 結語

本文對基于計算機技術的納米金屬材料模擬進行分析，依托計算機技術的日益發展和成熟，根據納米金屬材料模擬的一系列實驗特性，實現本文設計。實驗論證表明，本文設計的方法具備極高的有效性。

希望本文的研究能夠為基于計算機技術的納米金屬材料模擬分析的方法提供理論依據。