本发明涉及复合材料计算和材料性质预测研究技术，尤其涉及一种通用的跨尺度材料计算模拟系统及其方法。
背景技术：
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。研制复合材料时，研究如何确定不同性质材料的配比、不同配比对复合材料的宏观性能又有哪些影响等课题，一直是个具有挑战性的研究难题。
现有的材料计算研究方法多数是基于传统的“试错法”进行反复实验，由于成本高、研究周期长等不足而逐渐式微。当前最先进的材料计算研究方法，采用计算模拟、大数据和人工智能技术，能够帮助复测材料的配方设计和性质预测。例如，材料计算的主流软件materialstudio，其提供了不同尺度的计算程序模块forciteplus、mesocite等，并且还支持多种计算任务，如forciteplus模块，支持“结构优化-稳定构象-动力学平衡”。但在实际的材料应用研究中，通过计算模拟进行复合材料的配方设计和性质预测，往往还涉及多尺度计算(如微观-介观-宏观)的问题，即便在同一尺度下，还要涉及不同的计算任务(如结构优化-稳定构象-动力学平衡)等问题。不同尺度及不同任务间的计算需要一步一步的逐一开展。因此，使用起来仍然不方便。此外，还存在计算结果数据得不到有效保存和集中管理、计算结果数据极易丢失的不足，不利于利用人工智能技术对该材料数据开展进一步的数据挖掘和研究。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种通用的跨尺度材料计算模拟系统及其方法，将不同材料在“微观-介观-宏观”进行跨尺度、多任务的材料模拟计算，以一种一键式、全链条的模式，通过高通量筛选，实现高效、快捷的进行复合材料配方设计和性质预测的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种通用的跨尺度材料计算模拟系统，包括材料结构模型构建模块1，还包括任务定义及参数设置模块2、耦合模块容器3、材料数据库4、流程引擎模块5、多尺度计算定义模块6和多尺度计算软件服务器7；其中：
任务定义及参数设置模块2，用于定义同一尺度下不同的计算任务，该不同任务的参数设置，以及各计算任务的参数设置；
多尺度计算定义模块6，用于定义不同尺度的计算；
耦合模块容器3，用于管理不同尺度计算软件间的耦合模块；
流程引擎模块5，用于跨尺度多计算任务的协调和执行；
其中：所述材料结构模型构建模块1，用于定义待计算的复合材料结构模型；所述复合材料结构模型，具体是指材料的结构类型，包括晶体结构或分子结构。
所述任务定义及参数设置模块2中不同任务的参数设置，包括结构优化-稳定构象-动力学平衡-数据分析。
所述任务定义及参数设置模块2进一步包括结构优化子模块21、模拟退火子模块22和动力学平衡子模块23，用于根据材料计算的场景设置执行相应的计算任务。
所述多尺度计算定义模块6，用于定义不同尺度的计算，所述的不同尺度，包括微观-介观-宏观。
所述的耦合模块容器3，用于管理不同尺度计算软件间的耦合模块；所述耦合模块用于定义不同尺度，或/和定义不同计算任务间的参数耦合或/和参数传递。
所述的材料数据库4，用于统一存储管理不同尺度计算的材料数据或/和材料结果数据。
所述流程引擎模块5，用于跨尺度多计算任务的协调和执行；所述流程引擎，用于确保输入参数、任务执行、输出结果，在启动下一个计算任务时，各计算任务能够按预定的规划执行。
一种基于所述通用的跨尺度材料计算模拟系统的材料计算模拟方法，包括如下步骤：
a、通过材料结构模型构建模块1定义待计算的复合材料结构模型，所述复合材料结构模型，具体是指材料的结构类型，包括晶体结构或分子结构；
b、利用任务定义及参数设置模块2对多个不同的计算任务进行参数设置，包括结构优化-稳定构象-动力学平衡-数据分析；
c、利用多尺度计算定义模块6定义不同尺度的计算，所述的不同尺度，包括微观-介观-宏观；
d、利用耦合模块定义不同尺度，或/和定义不同计算任务间的参数耦合或/和参数传递过程，并通过耦合模块容器3管理所述不同尺度计算软件间的耦合模块；
e、利用流程引擎模块5进行跨尺度多计算任务的协调和执行；通过流程引擎，确保输入参数、任务执行、输出结果，并在启动下一个计算任务时，使各计算任务能够按预定的规划执行。
其中：步骤e之后还包括：
f、将所述的输出结果，即将材料结果数据，传送至材料数据库4中保存。
所述步骤d还包括将不同尺度间参数耦合传递、及同一尺度间参数传递耦合模块，部署到耦合模块容器3中的过程，具体包括：
d1、部署微观-介观尺度耦合模块；或/和
d2、部署微观尺度下不同任务间参数耦合的步骤；或/和
d3、部署介观尺度下不同计算任务耦合的步骤。
本发明提供的通用的材料计算模拟系统及其方法，具有如下有益效果：
1)本发明的跨尺度材料计算模拟系统，能够将同一尺度下不同的计算任务，和微观-介观-宏观不同尺度的计算，以自动流程化的计算方式自动完成，自动实现不同尺度计算间的参数耦合，从而使得通过计算模拟进行复合材料的配方设计和性质预测更加高效快捷。并能够实现不同尺度计算下，材料计算数据自动采集、处理和规范化加工，以及实现不同尺度计算下材料计算数据的统一存储和集中管理。
2)采用本发明，通过将复杂的跨微观-介观-宏观尺度计算、以及不同尺度下的多个计算任务，以一种一键式、全链条的模式，实现高通量筛选，进行材料配方设计和性质预测，能够高效的促进和加快复合材料的研发，并降低传统研究方式的成本和研发周期。同时，还实现了不同尺度计算下对复合材料计算数据的统一存储和集中管理，为进一步利用人工智能技术对该材料数据开展深度数据挖掘和研究提供了基础。
附图说明
图1为本发明实施例通用的跨尺度材料计算模拟系统的功能架构示意图；
图2为本发明实施例1的量子尺度的第一原理计算3个任务示意图；
图3为本发明实施例1的计算出的能带结果示意图；
图4为本发明实施例2在微观尺度建立环氧树脂模型的组分构成示意图；
图5为本发明实施例2在分子尺度建立环氧树脂模型进行材料性能计算及分析的过程示意图；
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例通用的跨尺度材料计算模拟系统的功能架构示意图。
如图1所示，该材料计算模拟系统，主要包括：材料结构模型构建模块1、任务定义及参数设置模块2、耦合模块容器3、材料数据库4、流程引擎模块5、多尺度计算定义模块6和多尺度计算软件服务器7。其中：
所述材料结构模型构建模块1，用于定义待计算的材料结构模型。这里，所述材料结构模型，具体是指材料的结构类型，如晶体结构，或分子结构等。
所述任务定义及参数设置模块2，用于定义同一尺度下不同的计算任务，该不同任务的参数设置(如结构优化-稳定构象-动力学平衡)，以及各计算任务的参数设置。
在本实施例中，所述任务定义及参数设置子模块2，还包括结构优化子模块21、模拟退火子模块22、动力学平衡子模块23等计算任务。这里，所述的计算任务是根据不同的材料结构来设置和定义的，也支持计算任务由使用者根据实际材料结构来进行扩充。因此，本发明实施例中并不限定所述计算任务的数量和具体名称。
下面对同一尺度下的不同计算任务，以及跨尺度计算过程举例进行说明。
所述多尺度计算定义模块6，用于定义不同尺度的计算(微观-介观-宏观)。这里，所述多尺度计算定义模块6，包括微观设置子模块61、介观设置子模块62、宏观设置子模块63等。在本实施例中，所述多尺度计算定义模块6，主要用于进行跨尺度的定义模块容器，由于该软件程序模块支持动态扩展，因此并不局限包括哪些具体的子模块。所述的多尺度计算定义模块6，定义了不同尺度的计算，与所述多尺度计算软件服务器7相对应。
所述耦合模块容器3，用于管理不同尺度计算软件间的耦合模块。具体的耦合模块可根据具体软件程序模块可动态地编制，存放入该耦合模块容器3中。在本发明实施例中，所述的耦合模块，用于定义不同尺度，或/和定义不同计算任务间的参数耦合或/和参数传递。这里，所述参数耦合，是指将不同尺度计算间的输入/输出格式(包括结构及性质的表示)进行转换。例如，不同尺度间的参数耦合，可以指通过上一个尺度a，计算筛选出的一系列晶体或分子结构以及它们的性质，供尺度b开展计算。然而，尺度a和尺度b对晶体或分子结构以及它们性质的格式要求是不一样的。
所述材料数据库4，用于统一存储管理不同尺度计算的材料数据或/和材料结果、材料性质数据。例如，(1)根据计算任务，对要存储的数据加上标签；(2)按上述标签从计算结果中抽取材料性质数据；(3)根据收集、开发、整理等经验模型/半经验模型(构成模型算法库)，对提取的性质数据，进行规范化加工，衍生出更多的材料性质数据(如能隙，剪切模量，杨氏模量，泊松比，反射率，形成能等)；(4)实现对上述材料数据、材料结果、材料性质数据等数据的可视化；(5)将上述的数据存入所述材料数据库4中。
所述流程引擎模块5，用于跨尺度多计算任务的协调和执行。这里，所述流程引擎，主要用于确保输入参数、任务执行、输出结果，在启动下一个计算任务时，各计算任务能够按预设的规划次序顺利执行。
下面结合具体实施例对本发明的材料计算模拟系统进行详细说明。
【实施例1】
在当代c、n、b等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅是应用最广泛、最经济的一种复合材料。我们以碳化硅(sic)为例，对同一尺度下的材料计算模拟过程进行详细说明。
碳化硅(sic)，又名“金刚砂”“碳硅石”，通常是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时还需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。
我们通过vasp软件计算微观量子尺度下的碳化硅(sic)能带。具体包括如下步骤：
步骤12：生成sic结构的步骤。具体为：通过材料结构模型构建模块1，上传sic的晶体结构si4c4，其空间群为im2m。
步骤13：微观量子尺度的第一原理计算的任务定义和参数设置的步骤。
步骤14：参数耦合传递的步骤。
在本实施例中，分别研发“结构优化-静态计算”耦合模块，“静态计算-能带计算”耦合模块。并将上述两个模块部署到所述耦合模块容器3中。通过所述的耦合模块分别负责上述不同3个任务间的输入输出参数传递。如图2所示。
步骤15：通过流程引擎模块5设置不同计算任务顺序和参数传递的步骤。
在本实施例中，我们研发或使用第三方的流程引擎软件，均可以用于设置不同任务间的执行顺序，以及输入输出的参数传递。这里，流程引擎具体用于按上述设定的流程顺序，将计算任务分别提交到所述多尺度计算软件服务器7中进行执行。最终得到sic的能带计算结果，如图3所示。
进一步的，还包括：
步骤16：利用材料数据库4存储不同尺度计算模拟和数据分析得到的结果数据。
在本实施例中，具体是通过所述材料数据库4进行存储上述不同尺度计算模拟和数据分析得到的结果数据，包括单点能、能带等。
【实施例2】
我们以环氧树脂基复合材料的微观-介观跨尺度计算模拟，进行配方设计和性能预测为例进行说明。
图4为本发明实施例2在微观尺度建立环氧树脂模型的组分构成示意图。
如图4所示，在微观尺度下建立环氧树脂模型，目前环氧树脂有6组分构成，组分可分成3类。
本实施例中，现计算只选取2类(如环氧树脂、固化剂)中的2种成分，如环氧树脂中的e54(dgeba)和固化剂中的双氰胺(dds)，控制组分dgeba:dds＝4：1(导入dgeba及dds分子模型，dgeba,79.7％约80％:dds:20.3％约20％＝4：1)。
图5为本发明实施例在分子尺度建立环氧树脂模型进行材料性能计算及分析的过程示意图。
如图5所示，所述在分子尺度建立环氧树脂模型进行材料性能计算及分析的过程，主要包括如下步骤：
在本实施例中，我们使用了结构模型构建软件(ac，amorphouscell)模块，微观尺度的分子动力学模块forciteplus软件，介观尺度的计算模拟软件mesosite软件。
步骤22：候选结构生成的步骤。
在本实施例中，按2类(如环氧树脂、固化剂)中的2种成分，如环氧树脂中的e54(dgeba)和固化剂中的双氰胺(dds)，控制组分dgeba:dds＝4：1(导入dgeba及dds分子模型，dgeba,79.7％约80％:dds:20.3％约20％＝4：1)，通过设置本发明的材料结构模型构建模块1，生成大批量的侯选结构，然后，再通过多尺度的材料计算模拟，进行筛选。如表1所示。
表1：
步骤23：部署微观尺度高通量筛选脚本程序的步骤。
在本发明实施例中，我们按玻璃化转变温度和杨氏模量为筛选准则，开发高通量筛选脚本程序，并将其部署到所述多尺度计算软件服务器7中。
步骤24：微观尺度的分子动力学任务定义和参数设置的步骤。
在本实施例中，我们用到了forciteplus的5个计算任务，分别是结构优化、模拟退火、动力学平衡、力学性能计算和数据分析，共5个计算任务；分别对应结构优化子模块21、模拟退火子模块22、动力学平衡子模块23、力学性能计算子模块(图1未示)和数据分析子模块24。
在该实施例中，在所述任务定义和参数设置模块2中，定义所述5个任务以及参数。相应地，通过执行模拟退火计算任务，可得到能量、熵、焓、自由能等热力学数据。通过执行力学性能计算任务，可得到弹性常数、体模量、剪切模量、杨氏模量，泊松比等力学数据。通过执行数据分析计算任务，可得到玻璃化转变温度。
步骤25：介观尺度的耗散动力学任务定义和参数设置的步骤。
在本实施例中，用到了mesocite介观尺度计算的3个任务，分别是结构优化、耗散动力学模拟和数据分析这3个任务。通过执行数据分析的任务，可得到密度随温度变化曲线。我们在所述任务定义和参数设置模块2中，定义所述介观尺度的3个任务以及参数。
步骤26：参数耦合传递的步骤。
我们研发不同尺度间参数耦合传递、以及同一尺度间参数传递耦合模块，并将其部署到所述耦合模块容器3中。具体过程如下：
步骤261：部署微观-介观尺度耦合模块的步骤。
在本实施例中，根据forciteplus和mesocite对结构格式要求的不同，研发“forciteplus–mesocite”尺度耦合模块，该耦合模块用于将forciteplus计算模输出的结构表达式，转化为mesocite所能识别的结构表达式。我们将将耦合模块部署到所述耦合模块容器4中。
步骤262：微观尺度下不同任务间参数耦合的步骤。
根据结构优化、模拟退火、动力学平衡、力学性质计算以及数据分析，这5个任务的输入输出，研发结构优化-模拟退火耦合模块，模拟退火-动力学平衡耦合模块，动力学平衡-数据分析耦合模块，动力学平衡-力学性质计算耦合模块，并将它们也部署到所述耦合模块容器4中。通过所述这些耦合模块分别完成上述不同任务间的输入输出的参数传递。
步骤263：介观尺度下不同计算任务耦合的步骤。
根据结构优化、耗散动力学模拟、数据分析这3个任务的输入输出，研发结构优化-耗散动力学耦合模块，耗散动力学-数据分析耦合模块，并将它们部署到所述耦合模块容器4中。通过所述这些耦合模块分别完成上述不同任务间的输入输出的参数传递。
步骤27：通过流程引擎模块5设置不同计算任务顺序和参数传递的步骤。
在本实施例中，我们研发或使用第三方流程引擎软件，完成不同任务间的顺序执行，以及输入输出的参数传递。这里，流程引擎具体用于按上述设定的流程顺序，将作业(即计算任务)分别提交到所述多尺度计算软件服务器7中执行。
步骤28：利用材料数据库4存储不同尺度计算模拟和数据分析得到的结果数据。
【实施例3】
该实施例，仍然使用图1所示通用的跨尺度材料计算模拟系统，对合金材料(如稀贵金属，镍基合金)在多尺度下的计算模拟过程进行说明。该材料计算过程如下：
步骤31：微观尺度的合金弹性常数、界面结构及能量的计算。
根据固溶体浓度自动化高通量建模，再进行高通量筛选，获得稳定结构，开展第一原理计算，以能量最低作为判据精筛掺杂最稳定结构；对获得的稳定结构开展各向异性弹性常数计算，获取弹性常数矩阵，同时采用多晶近似，计算体弹性模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比等。
通过高通量晶体界面结构建模算法分别寻找基体、析出相的所有可能稳定低能表面；针对筛选出的表面，建立共格、半共格、非共格界面结构模型。基于已建立的考虑界面组元、成分、界面取向等后产生的大量界面结构，开展第一原理计算获得界面能。考虑不同应变情况，开展第一原理计算，获得界面结合强度。
上述计算完成，形成材料数据库。
步骤32：介观尺度的合金微结构演化相场模拟。
在图1所示的多尺度计算软件服务器7中(一般是计算集群或超级计算机)，部署相场模拟软件(如openphase,micress)。接受上述步骤31的计算模拟参数，基于相场动力学模拟，研究合金形变与相变耦合条件下的微观组织形成和演化机制，探讨多种微观组织形成的关键控制因素，考虑不同因素(如弹性能，塑性变形，界面能等)对微观组织长期演变的影响。
步骤33：宏观尺度合金有限元计算模拟。
在图1所示的多尺度计算软件服务器7中，部署宏观有限元计算模拟软件(如moose)，结合上述步骤31微观计算模拟，和步骤32介观计算模拟所产生的数据，开展合金宏观尺度的有限元计算模拟，计算合金的一些宏观属性，如强度，硬度，疲劳寿命等，并形成该合金体系的材料数据库。
在本申请实施例中，微观-介观-宏观3个尺度的材料计算模拟，通过本专利所提出的方法，各尺度计算模拟分别形成不同尺度的材料计算数据库，通过这些数据库，实现了不同尺度计算间的参数传递。
以上所述仅为本申请的分别针对无机非金属，复合材料，以及合金的多尺度计算模拟的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。