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晶粒生长的蒙特卡洛模拟方法研究

作　者: 曹小虎
导　师: 付相君; 李建华
学　校: 华东理工大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 晶粒生长 Potts/strain模型 晶粒生长指数
分类号: TP304
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


计算机材料模拟是利用计算机进行模拟实验,它为新型材料的生产和研究提供了可靠的工具。本文主要分析了基于Potts模型的蒙特卡洛方法在模拟晶粒生长现象上存在的缺陷,提出了基于Potts/Strain模型的多种改进的蒙特卡洛方法。首先根据传统蒙特卡洛方法不能用于模拟具有形变属性晶粒生长的角度实现了基于Potts/Strain的蒙特卡洛方法。其次根据传统蒙特卡洛方法在模拟过程中可能出现的“重新形核”现象以及模拟效率不高的特性,提出了基于晶界迁移的蒙特卡洛方法。以上两种方法都未能体现能量在模拟晶粒生长过程中的重要性,在模拟方法中考虑能量因素进行晶粒生长模拟时,模拟系统中可能出现网格点重新取向前后能量未发生变化的现象,然后从这两个角度出发,提出了基于能量和接受概率蒙特卡洛方法。最后实现了基于LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)和SPPARKS (kinetic and Metropolis Monte Carlo simulator)的交互模拟系统,用于完成具有形变量属性材料的晶粒生长模拟。晶粒生长指数的理论值为0.5。首先使用传统蒙特卡洛方法进行晶粒生长模拟,根据模拟结果可以得出晶粒生长指数为0.465,然后使用基于晶界迁移的蒙特卡洛方法进行晶粒生长模拟,可以得出的晶粒生长指数为0.481,最后使用基于能量和接受概率相结合的蒙特卡洛方法进行晶粒生长模拟,可以得出的晶粒生长指数为0.489。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-14
    1.2.1 计算机模拟技术在材料微观组织结构中的研究  10-11
    1.2.2 分子动力学模拟计算的研究  11
    1.2.3 蒙特卡洛方法模拟晶粒生长的研究  11-13
    1.2.4 目前研究中存在的问题  13-14
  1.3 研究内容和目标  14-15
  1.4 本文的组织结构  15-16
  1.5 本章小结  16-17
第2章 晶粒生长的影响因素及模拟技术  17-31
  2.1 晶粒生长  17-18
  2.2 影响晶粒生长模拟的因素  18-24
    2.2.1 晶界能对晶粒生长的影响  18-21
    2.2.2 弹性变形对晶粒生长的影响  21-22
    2.2.3 塑性变形对晶粒生长的影响  22-24
  2.3 计算机模拟技术  24-25
  2.4 LAMMPS系统与SPPARKS系统介绍  25-30
    2.4.1 LAMMPS系统  26-29
    2.4.2 SPPARKS系统  29-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章 基于Potts/Strain模型的蒙特卡洛方法研究  31-43
  3.1 模拟方法性能评价  31-33
  3.2 传统的MC Potts/Strain模拟方法  33-36
    3.2.1 模拟体系中的网格点布局  33-34
    3.2.2 传统MC Potts/Strain模型概述  34-35
    3.2.3 估计量的统计  35-36
    3.2.4 传统MC模拟的缺陷  36
  3.3 基于晶界迁移的MC Potts/Strain方法  36-39
  3.4 基于能量和接受概率的MC Potts/Strain方法  39-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章 LAMMPS和SPPARKS交互模拟系统的实现  43-50
  4.1 MPI并行编程模型  43-45
  4.2 LAMMPS与SPPARKS交互的实现  45-49
    4.2.1 LAMMPS与其他代码的交互  45-47
    4.2.2 SPPARKS与其他代码的交互  47-48
    4.2.3 LAMMPS与SPPARKS的交互  48-49
  4.3 本章小结  49-50
第5章 模拟系统的实验与分析  50-60
  5.1 实验环境  50
  5.2 传统的MC Potts/Strain方法性能分析  50-52
  5.3 基于晶界迁移的MC Potts/Strain方法性能分析  52-54
  5.4 基于能量和接受概率的MC Potts/Strain方法的性能分析  54-56
  5.5 对比分析  56-58
    5.5.1 模拟结果对比  56-57
    5.5.2 晶粒生长指数对比  57
    5.5.3 能量对比  57-58
    5.5.4 晶粒数对比  58
  5.6 本章小结  58-60
第6章 总结与展望  60-62
参考文献  62-65
致谢  65

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 一般性问题 > 材料
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