一种材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法、系统、设备及介质

本发明属于3d打印，具体涉及一种材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、3d打印技术，又称增材制造，是一种通过逐层添加材料来创建三维物体的制造过程。3d打印在诸如精密制造、生物医药、航空航天等行业中展现出巨大的应用潜力和经济价值。熔融沉积成型(fdm)通过逐层熔融和沉积热塑性材料来完成增材制造过程，其凭借成本低、操作简便、材料选择多样性等优点成为3d打印技术的一种重要实现手段。

2、熔融沉积成型技术中涉及到材料的熔融挤出以及冷却固化等加工工艺，加工过程中材料的的流变以及传热传质特性对和打印效率与最终的打印质量有着重要影响。通过深入研究熔融沉积成型过程中材料的流变以及传热传质动力学行为，进而对优化材料选择、打印参数和环境控制提供理论指导，能够有效提升fdm打印的效果，进一步拓宽fdm技术的应用性能和适用范围。分子动力学模拟作为一种强大的计算工具，通过解决牛顿运动方程，可以跟踪大量粒子的运动轨迹，研究系统在动态过程中的微观结构演化，以及剪切应力、热质传递等动力学行为的演变。提供原子级别的详细信息，揭示微观机制，处理复杂的非线性问题并建立有效的构效关系，在研究材料的流变学性质、传热和传质过程中具有独特的优势。

3、然而针对于fdm打印过程中多场耦合与多动态过程串联的特点，需要建立一个连续性分子动力学模拟过程，明确加工历史对最终动力学行为的影响，而目前的分子动力学计算程序为单过程程序，无法全过程模拟fdm打印过程，缺失对不同分段过程中的状态传递，从而无法得到精准的结果。

技术实现思路

1、为克服现有技术中无法得到精准的fdm打印结果的问题，本发明的目的在于提供一种材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法、系统、设备及介质，利用分子动力学模拟方法对材料的熔融沉积成型工艺能够进行全过程模拟，明确不同加工历史对最终动力学行为的影响，提高了对于材料熔融沉积成型过程中分子动力学数值模拟的计算过程的准确性与计算结果的可靠性。

2、为解决实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法，包括以下步骤：

4、获取熔融沉积成型材料；

5、根据熔融沉积成型材料，构建分子动力学模拟盒子，进行能量最小化模拟，生成第一输出文件；

6、将第一输出文件作为输入条件，于正则系综中进行模拟，生成第二输出文件；

7、将第二输出文件作为输入条件，对分子动力学模拟盒子进行deform剪切模拟计算，生成第三输出文件；

8、创建基板的data文件；

9、将第三输出文件与基板的data文件进行合并，得到计算文件；

10、根据计算文件进行沉积成型分子动力学模拟。

11、进一步的，进行能量最小化模拟前，对分子动力学模拟盒子赋予分子动力学力场。

12、进一步的，于正则系综中进行模拟时，边界条件设定为xyz三方向均为非周期性边界条件。

13、进一步的，对分子动力学模拟盒子进行deform剪切模拟计算时，于正则系综中进行。

14、进一步的，对分子动力学模拟盒子进行deform剪切模拟计算时，边界条件设定为xyz三方向均为非周期性边界条件。

15、进一步的，将基板的data文件在z方向上分为三等份，由下至上分别为刚性层、控温层以及自由层。

16、进一步的，计算文件包括基板部分与材料部分，基板部分的刚性层在x方向上保持匀速运动，控温层保持正则系综，温度控制为室温，材料部分赋予z轴负方向速度。

17、一种材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟系统，包括：材料获取模块、第一输出文件生成模块、第二输出文件生成模块、第三输出文件生成模块、基板的data文件创建模块、合并模块与沉积成型分子动力学模拟模块；

18、材料获取模块，用于获取熔融沉积成型材料；

19、第一输出文件生成模块，用于根据熔融沉积成型材料，构建分子动力学模拟盒子，进行能量最小化模拟，生成第一输出文件；

20、第二输出文件生成模块，用于将第一输出文件作为输入条件，于正则系综中进行模拟，生成第二输出文件；

21、第三输出文件生成模块，用于将第二输出文件作为输入条件，对分子动力学模拟盒子进行deform剪切模拟计算，生成第三输出文件；

22、基板的data文件创建模块，用于创建基板的data文件；

23、合并模块，用于将第三输出文件与基板的data文件进行合并，得到计算文件；

24、沉积成型分子动力学模拟模块，用于根据计算文件进行沉积成型分子动力学模拟。

25、一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述的材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法。

26、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述的材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

28、本发明提出的基于分子动力学模拟的材料熔融沉积成型过程的程序建立方法，将材料熔融沉积成型的模拟过程分解为了材料熔融过程、高温剪切过程以及沉积固化成型过程。在材料熔融过程阶段，模拟材料从固态转变为熔融态的过程，确保材料在熔融状态下具有正确流动性质。高温剪切过程中模拟了熔融材料在喷嘴挤出过程中受到的剪切应力和变形，确保材料能够顺利流动。在沉积固化成型过程中，同时进行了材料的沉积固化与拉伸动力学模拟，对温度场与速度场进行有效耦合，整个过程中符合实际熔融沉积成型的操作工况。同时由于在整个模拟程序中三过程串联进行，即将上过程输出结果作为下一过程的输入条件，能够保证在不同分段过程中的动力学特性的精准传递，保留加工历史对最终动力学影响，提升了数值模拟过程的准确性，同时也保证了最终计算结果的可靠性。

技术特征：

1.一种材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，进行能量最小化模拟前，对分子动力学模拟盒子赋予分子动力学力场。

3.根据权利要求1所述的材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，于正则系综中进行模拟时，边界条件设定为xyz三方向均为非周期性边界条件。

4.根据权利要求1所述的材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，对分子动力学模拟盒子进行deform剪切模拟计算时，于正则系综中进行。

5.根据权利要求1或4所述的材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，对分子动力学模拟盒子进行deform剪切模拟计算时，边界条件设定为xyz三方向均为非周期性边界条件。

6.根据权利要求1所述的材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，将基板的data文件在z方向上分为三等份，由下至上分别为刚性层、控温层以及自由层。

7.根据权利要求1或6所述的材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，计算文件包括基板部分与材料部分，基板部分的刚性层在x方向上保持匀速运动，控温层保持正则系综，温度控制为室温，材料部分赋予z轴负方向速度。

8.一种材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟系统，其特征在于，包括：材料获取模块、第一输出文件生成模块、第二输出文件生成模块、第三输出文件生成模块、基板的data文件创建模块、合并模块与沉积成型分子动力学模拟模块；

9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1至7中任意一项所述的材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法。

技术总结本发明公开了一种材料熔融沉积成型过程的分子动力学模拟方法、系统、设备及介质，根据熔融沉积成型材料，构建分子动力学模拟盒子，进行能量最小化模拟，生成第一输出文件；将第一输出文件作为输入条件，于正则系综中进行模拟，生成第二输出文件；将第二输出文件作为输入条件，对分子动力学模拟盒子进行剪切模拟计算，生成第三输出文件；将第三输出文件与基板的DATA文件进行合并后，进行沉积成型分子动力学模拟。由于在整个模拟程序中三过程串联进行，即将上过程输出结果作为下一过程的输入条件，能够保证在不同分段过程中的动力学特性的精准传递，保留加工历史对最终动力学影响，提升了数值模拟过程的准确性，同时也保证了最终计算结果的可靠性。技术研发人员：刘冬洁,刘子璐,陈飞受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14