脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法

本发明涉及金属材料表面强化领域，具体涉及一种脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法。

背景技术：

1、钛及其合金因具有比强度高、耐腐蚀性好以及服役温度范围广等优点，被广泛应用于航空装备制造领域。但是，钛合金关键结构件的服役环境十分苛刻，在外界循环激励条件下极易发生疲劳失效，进而大幅度降低关键零部件的服役寿命及安全性能。因此，预防钛合金构件的疲劳失效已成为航空装备制造领域亟需解决的关键问题。

2、本专利的发明人考虑到，利用激光束产生的等离子冲击波在材料表面形成高幅值的残余压应力和高密度缺陷结构，可以有效提升结构材料的抗疲劳性能。但是，激光冲击强化诱导的应力和组织强化效应在高温、高压以及循环载荷下极易发生松弛现象。而脉冲电场处理是一种在极短时间内将巨大的热-电-力耦合能量输入至金属材料，可以诱发已于常态的微观结构和力学性能。

3、基于此，利用脉冲电流提高激光冲击的强化效应，是一个可以研究、探索的方向。而金属材料内部的微观结构演变速度极快，难以通过实验方法进行观察和分析，因此，亟需设计一种脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的模拟方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，它可以准确得到合金的微观结构组态，从而为分析脉冲电场辅助激光冲击强化提供指导。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，方法包括：

3、s1，使用分子建模软件建立钛合金模型；

4、s2，通过可视化软件将钛合金目标模型输出为带电的钛合金模型，并对带电的钛合金模型进行初步弛豫，优化为能量最小化体系；

5、s3，设置周期性边界及npt系综，配合势函数及电荷平衡文件将能量最小化体系弛豫至平衡态；

6、s4，将钛合金模型沿冲击方向的始端设置为活塞，冲击方向改为自由边界，以采用活塞法产生冲击波模拟激光冲击，系综改为nve系综，脉冲电场为矩形波，设置活塞以恒定速度向钛合金模型冲击；

7、s5，将活塞法与电脉冲耦合作用下的模型数据信息输入可视化软件中，观察分析钛合金模型微观结构。

8、进一步，步骤s1具体包括：

9、s11，生成单晶晶胞：使用分子建模软件根据晶格常数生成钛原子单晶晶胞，依照坐标信息生成为数据文件；

10、s12，建立多晶参数文件：建立参数文件，设置多晶模型x、y、z方向尺寸，以及晶粒数量和位置；

11、s13、生成多晶文件：将数据文件依照参数文件，通过周期性边界将单晶细胞拓展成多晶模型；

12、s14、生成钛铝合金：将多晶模型按比例将钛原子替换成铝原子，得到目标原子组分的钛合金模型。

13、进一步，步骤s11中的单晶细胞为hcp结构。

14、进一步，步骤s12中的参数文件内容关于晶粒的位置及大小设置为随机分配。

15、进一步，步骤s2中，通过cg共轭梯度法对带电的钛合金模型进行初步弛豫。

16、进一步，步骤s3中，势函数表达式为：

17、

18、其中，fi是嵌入函数，表示将该位置的原子i嵌入背景电子密度ρi所需的能量，φij是多体屏蔽因子，φij(rij)是原子i和j之间的相互作用势。

19、进一步，步骤s3中的周期性边界为三维周期性边界，打开牛顿第三定律开关。

20、进一步，步骤s5中，模型数据信息包括原子的位置、电荷、质量、速度信息。

21、进一步，步骤s5中，对不同原子种类选用不同颜色进行着色处理，区分钛原子和铝原子；识别原子排列及晶粒，给不同晶粒着色；给不同晶体结构着色。

22、采用上述技术方案后，本发明可以从原子的微观层面研究脉冲电场辅助激光冲击强化机理，从而可以直观研究脉冲电场辅助激光冲击强化合金材料微观结构的动态变化过程，为分析脉冲电场辅助激光冲击强化提供指导，为高端装备关键构件的设计与制造提供先期的理论预测和科学依据。

技术特征：

1.一种脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，其特征在于，

4.根据权利要求2所述的脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法，其特征在于，

技术总结本发明涉及金属材料表面强化领域，具体涉及一种脉冲电场耦合激光冲击强化钛合金的分子动力学模拟方法。方法包括：S1，建立钛合金模型；S2，模型初始能量最小化；S3，模型的电荷平衡及弛豫；S4，采用活塞法产生冲击波模拟激光冲击、耦合脉冲电场模拟强化过程；S5，可视化软件观察分析模型微观结构。本发明方法基于分子动力学理论，通过将活塞法与脉冲电场相结合，模拟脉冲电场辅助激光强化合金过程，准确得到合金的微观结构组态，通过可视化软件在原子层面得到脉冲电场对于激光冲击波的强化作用，弥补了实验无法在原子级结构分析的不足。技术研发人员：李京,卢玮宁,刘麟,孙磊,潘海军,赵玉杰,张镇,孙泽,刘雅玄受保护的技术使用者：常州大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13