(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211039308.8 (22)申请日 2022.08.29 (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山 街道八一路2 99号 (72)发明人 万亮　梅青松　刘浩文　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 严彦 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/25(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 用于物质和材料的计算机仿真模拟的改进 方法及装置 (57)摘要 本发明提供一种用于物质和材料的计算机 仿真模拟的改进方法及装置， 首先针对待进行计 算机仿真模拟的物质和材料， 构建一个该物质和 材料的多粒子模型和系统； 其特征在于： 采用包 含有Nose ‑Hoover⊕Langevin方程组的多粒子系 统动力学方程组来计算该物质和材料的多粒子 模型中所有粒子的坐标与速度的值随时间变化 的情况， 所述Nose ‑Hoover⊕Langevin方程组给 多粒子系统中每个粒子赋予了3个额外的动力学 量， 设定每个粒子的额外动力学量为与该粒子的 近邻偏心量相对应的热力学与统计力学量； 根据 获取的该物质和材料的多粒子模型在每个离散 时间步对应的所有粒子的坐标与速度的值， 对相 应的物质和材 料进行热力学与动力学分析。 权利要求书4页 说明书22页 附图5页 CN 115440324 A 2022.12.06 CN 115440324 A 1.一种用于物质和材 料的计算机 仿真模拟的改进方法， 首 先进行以下步骤1， 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的多粒子模 型和系统， 实现如下， 对于含有N个粒子的任意物质和材料， 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,…,xN)与相应的粒子动量P＝(p1,p2,…,pN)作为 动力学量 并构成相空间来描述该物质和材料的任意微观状态， 任意某个粒子i的坐标为xi， 粒子i的动量为pi＝mivi， mi为粒子i的质量， vi为粒子i的速度， i∈{1,2, …,N}， 所有粒子的 速度为V＝ (v1,v2,…,vN) ； 设三维欧氏 空间 的笛卡尔坐标系的坐标轴为 xi与vi和pi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)表示所有粒子间相互作用势场对应的势能函数， 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； 其特征在于： 然后进行以下步骤2和步骤3， 步骤2， 采用包含有 方程组的多粒子系统动力学方程组来计算 该物质和材 料的多粒子模型中所有粒子的坐标 X与速度V的值随时间变化的情况； 所述 方程组给多粒子系统中每个粒子赋予了3个额外的动力学 量 所述每个粒子的3个额外的动力学量组成3维向量 所有粒子 的额外动力学量构成3N维向量S＝(s1,s2,s3,…,sN)； 设定每个粒子的额外动力学量 为与该粒子的近邻偏心量 相对应的热力学与统计力学量； 所述粒子的近邻偏心 量 的计算方式为， 先通过计算以该粒子所有最近 邻粒子的几何中心为起点到该粒子所在位置的三维欧氏空间矢量来得到该粒子的近邻偏 心位移R (X) ， 再以 该粒子的近邻偏心位移R (X)的3个坐标轴分量的绝对值 分 别 作 为 该 粒 子 的 近 邻 偏 心 量 d 的 3 个 分 量 的 值 所有粒子的近邻偏心量构成3N维向量D＝ (d1,d2,d3,…,dN)； 所述粒子的近邻偏心量d是所有粒子的坐标X的函数， 用于描述该粒子与 其最近邻粒子之间的非协同运动的幅度； 由于粒子的近邻偏心量d、 粒子的额外动力学量s与粒子在三维欧氏空间 的位 置x具有相同的物理量纲， 多粒子系统被认为是在一个6维空间 中运 动； 在这个6维空间 中， 将每个粒子在原三维欧氏空间 中所定义的粒子的近邻 偏心量 与该粒子在额外空间 中额外的动力学量 以谐振子的方式进行耦合， 再将该耦合相互作用势场对应的势能函数叠加到多粒子系统在 原三维欧氏空间 中粒子间相互作用势场对应的势能函数U(X)上， 得到所有粒子在6维空 间 中粒子间相互作用势场对应的耦合叠加势能函数Uk(X,S)； 以该耦合叠加势 能函数Uκ (X,S)为基础， 采用包含有 方程组的多粒子系统动力学方程组， 来权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115440324 A 2计算该物质和材料的多 粒子模型中所有 粒子的坐标X与速度V的值随时间变化的情况； 所述 方程组的构造方式为， 粒子在原三维欧氏空间 中的动力 学量X随时间的变化遵循Nose ‑Hoover动力学方程， 而粒子在额外空间 中额外的 动力学量S随时间的变化遵循Langevin动力学方程； 所述Nose ‑Hoover动力学方程和 Langevin动力学方程的粘滞系数 是相互独立的， 并且其各自的热浴温度也是相互独立的； 对所述包含有 方程组的多粒子系统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， 得到物质和材料的多 粒子模型对应的所有 粒子的坐标X与速度V 的值随时间变化的情况与信息； 步骤3， 根据步骤2获取的该物质和材料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 料进行热力学与动力学分析。 2.根据权利要求1所述用于物质和材料的计算机仿真模拟的改进方法， 其特征在于： 步 骤2中， 粒子的近邻偏心量D＝(d1,d2,d3,…,dN)的定义和计算表达式如下， 其中， N—多粒子系统中的总粒子数； —分别为 三维欧氏空间 的三个坐标轴的标记号； X—所有粒子在三维欧氏空间 中的坐标， X＝(x1,x2,…,xN)， di—多粒子系统中任意某粒子i的近邻偏心量， 是一个3维向量； —分别为i粒子的近邻偏心量di在三维欧氏空间 中三个坐标轴 方向的3个分量； Ri(X)—i粒子的近邻偏心位移， 是 所有粒子的坐标 X的函数； —分别为i粒子的近邻偏心位移Ri(X)在三维欧氏空间 中三个坐标轴 方向的分量， 是所有粒子的坐标X的函数； 分别表示 相应的数 学绝对值； Ni—i粒子的以Rd为半径范围内所有近邻粒子的数目； —i粒子的以Rd为半径范围内所有近邻粒子的集 合； xi—当前时刻下， i粒子在三维欧氏空间 中的坐标； xj—当前时刻下， j粒子在三维欧氏空间 中的坐标。 3.根据权利要求1所述用于物质和材料的计算机仿真模拟的改进方法， 其特征在于： 步 骤2中， 以多粒子系统在6维空间 中粒子间相互作用势场对应的耦合叠权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115440324 A 3