[发明专利]一种用于物质和材料的计算机仿真模拟方法及装置

权利要求书

1.一种用于物质和材料的计算机仿真模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，针对待进行计算机仿真模拟的物质和材料，构建一个该物质和材料系统的多粒子模型，实现如下，

对于含有N个粒子的任意物质和材料系统，所有粒子构成的集合记为{1,2,…,N}，用所有粒子在三维欧氏空间中的坐标X＝(x₁,x₂,…,x_N)与相应的粒子动量P＝(p₁,p₂,…,p_N)作为动力学量并构成相空间来描述该物质和材料系统的任意微观状态，任意某个粒子i的坐标为x_i，粒子i的动量为p_i＝m_iv_i，m_i为粒子i的质量，v_i为粒子i的速度，i∈{1,2,…,N}，所有粒子的速度为V＝(v₁,v₂,…,v_N)；设三维欧氏空间的笛卡尔坐标系的坐标轴为x_i与v_i和p_i均为3维向量，X与V和P均为3N维向量；这些粒子间存在相互作用力，用U(X)表示系统所有粒子间的相互作用势能函数，则任意某个粒子i在α坐标轴方向所受的力表示为该粒子在三维欧氏空间中α坐标轴方向的坐标为所述粒子为原子或分子；

步骤2，设置所述多粒子模型中所有粒子的粒子曳步运动度量D＝(D₁(X),D₂(X),D₃(X),…,D_N(X))，所述粒子曳步运动度量D用于描述凝聚态物质与材料中可以发生的任意微观结构转变过程的反应坐标，每个粒子的粒子曳步运动度量D＝D(X)的值通过计算该粒子与其最近邻粒子所构成的粒子团的空间几何构型相对于其参考状态的变化量的非仿射变换部分来得到，所述参考状态包括多粒子模型中所有粒子的参考坐标(X⁰)的值；

设定多粒子模型的初始参考状态，用于后续计算多粒子模型在任意时刻下所有粒子的粒子曳步运动度量D＝(D₁(X),D₂(X),D₃(X),…,D_N(X))的值；

步骤3，采用多粒子系统的四维扩展Langevin动力学方程组来计算物质和材料系统的微观状态对应的所有粒子的坐标X与速度V的值随时间演化的情况；

所述多粒子系统的四维扩展Langevin方程组为多粒子系统中每个粒子赋予了一个额外的动力学量s，所有粒子额外的动力学量构成N维向量S＝(s₁,s₂,s₃,…,s_N)；设定S为与多粒子系统在三维欧氏空间中的粒子曳步运动度量D＝(D₁(X),D₂(X),D₃(X),…,D_N(X))相对应的热力学与统计力学量，由于D与粒子在三维欧氏空间中坐标的坐标轴分量具有相同的物理量纲，因而s与粒子在三维欧氏空间中坐标的坐标轴分量也具有相同的物理量纲；赋予每个粒子额外的动力学量s相当于给每个粒子新增了一个额外的动力学自由度，因此多粒子系统被认为是在一个四维空间中运动；在这个四维空间中，将每个粒子在原三维欧氏空间中的粒子曳步运动度量D与该粒子额外的动力学量s以谐振子的方式进行耦合，得到所有粒子在四维空间中的粒子间相互作用势能函数κ为谐振子的力耦合参量；在势能函数U_κ(X,S)的作用下，粒子在原三维欧氏空间中的动力学量X与粒子额外的动力学量S分别以互相独立的粘滞系数和温度各自依据普通Langevin动力学方程进行状态时间演化；

对该四维扩展Langevin动力学方程组进行时间离散化数值处理，按时间步顺序自动化逐步运算求解多粒子模型的所有粒子的坐标X与速度V在每个离散时间步的数值；

该四维扩展Langevin动力学方程组的逐步计算求解中，通过对多粒子模型的参考状态及其对应的所有粒子的参考坐标(X⁰)值的数据每隔若干时间步进行滚动更新，包括将当前时刻下多粒子模型的动力学状态进行热振动噪声消除处理后作为新的参考状态，用于支持在每个离散时间步计算所有粒子的粒子曳步运动度量D的值；

步骤4，根据步骤3获取的物质和材料系统的多粒子模型在每个离散时间步对应的所有粒子的坐标X与速度V的值，对相应的物质和材料系统进行热力学与动力学分析。