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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料模拟与设计材料模拟在计算机中使用的软件材料模拟简介首先，材料模拟是在传统材料设计上发展出来的技术。传统的材料设计是根据材料的性质和成分，通过理论计算推出目标材料的结构，然后通过实验合成。这样的研究是最基本的，也是脚踏实地的工作，但世界中未知的结构和功能太多了，每次都通过实际的实验会浪费很多经费和时间，大大增加了研究周期。因此，在计算机发展起来的今天，具有智慧的先辈们根据分子理论设计出一系列分子模拟软件，把你所设计的结构输入这些软件，软件就会返回结构的能量、性质。模拟的原理和作用目
2、前材料模拟中所使用的软件非常多，但总体上工作过程有很大的共性，也就是说，它们都是从分子动力学原理、量子力学原理等等基础科学理论出发，利用计算机计算材料结构的性质。其工作过程大致如下：(一)根据所输入计算机的结构计算结构中能量能量大致分为如下几个部分：(二)根据量子力学原理、分子动力学原理等等来分别计算电子波函数、核的动能等性质。(三)由计算出来的波函数、能量就可以用来反映材料的性质如下图所示，能量和波函数可以分别用于不同方向的研究：软件简介用于材料模拟的软件大致有：MaterialsStudio、VASP、Gaussian、NAMD、LAMMPS、Nano-scaleDeviceSimulat
3、ion、MaterialsExplorer、AtomistixToolkit、VirtualNanoLab.这些软件的大致功能如下：1.MaterialsStudio专门为材料科学模拟所设计，能方便的建立3D分子模型，深入分析有机、无机晶体、无定形材料以及聚合物，可以在催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材料科学研究领域进行性质预测、聚合物建模和X射线衍射模拟，操作灵活方便，并且最大限度地运用网络资源。这个软件包含了很多的工具箱，能够实现很多功能，其所具有的工具箱大致如下：上述每个方框是一个模块，用于一个方向的分析；方框中的每一个项目是一种组件，代表了一种计算模拟方法，实际
4、中根据模拟的目的和需要选择模块和组件。其中，MaterialsVisualizer是该软件的核心模块，提供了软件基本环境和其他模块的支持。2.VASP使用赝势和projector-augmented波以及平面波基组，进行的从头量子力学动力学模拟软件。VAMP/VASP中的方法基于有限温度下的局域密度近似以及对每一MD步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混合求解瞬时电子基态。3.GaussianGaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究：分子能量和结构，过渡态的能量和结构化学键以及反应能量，分子轨道，偶极矩和多极矩，原子电荷和电势，振动频率，红外和拉曼光谱，NM
5、R，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径。计算可以模拟在气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态。Gaussian03还可以对周期边界体系进行计算。Gaussian是研究诸如取代效应,反应机理,势能面和激发态能量的有力工具。4.NAMD用于在大规模并行计算机上快速模拟大分子体系的并行分子动力学代码。NAMD用经验力场，如Amber，CHARMM和Dreiding，通过数值求解运动方程计算原子轨迹。用于预测生物分子的动力学行为和重要性质，如弥散因子，内聚能，等等。5.LAMMPS是一款快速的、使用并行引擎的分子动力学模拟器。LAMMPS可以支持包括气态，液态或者固态相形态下、各种系综下、百万级的原
6、子分子体系，并提供支持多种势函数。6.Nano-scaleDeviceSimulation纳米器件模拟程序包。包含图形集成环境CHASE-3PT，基于第一性原理赝势方法的能带计算程序PHASE，赝势程序CIAO，基于第一性原理赝势方法的介电性质分析程序UVSOR，完全势全电子能带程序ABCAP，紧束缚模型程序FXZTX，疏运性质分析程序ASCOT，以及混合模拟程序CAMUS-FSIS，等。7.MaterialsExplorerFUJITSU公司的一款拥有强大的分子动力学计算功能的软件包，是结合应用领域来研究材料工程的有力工具。MaterialsExplorer可以用来研究有机物、高聚物、生物大
7、分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液，流体，液体和气体相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等。MaterialsExplorer软件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63个力场可供用户选择。MaterialsExplorer软件拥有完美的图形界面，方便使用者操作。8.AtomistixToolkit一个能模拟纳米结构体系和纳米器件的电学性质和量子输运性质的第一性原理电子结构计算程序。对于所模拟的纳米器件的电极，它可以是纳米管或金属。对于所模拟的纳米结构体系，它可以是两种不同材料形成的界面区，或界于两个金属表面之间的分子。ATK是由Atomistix公司在McDCal
8、、SIESTA和TranSIESTA等电子结构计算程序包的基础上根据现代软件工程原理开发出来的第一个商用的模拟电子输运性质的大型计算软件，它的前身是TranSIESTA-C。目前版本()的ATK采用C和C+高级语言来编写核心的库代码，即将在XX年12月发布的版本并在此基础上提供了Python脚本语言编写的各种函数接口，用户可以利用所提供的函数接口采用Python脚本语言来编写和实现特定的计算功能和数据处理。9.VirtualNanoLab是ATK对应的图形界面软件，它具有友好的图形界面操作环境，以轻松进行纳米器件在原子尺度模拟的建模、计算和数据分析等可视化操作。其中VNL的计算引擎是内嵌的AT
9、K。VNL中的操作流程与真实实验中的情况类似，它为用户提供了多种工具并通过原子尺度模拟来轻松建立“虚拟的实验平台”：构造纳米器件的原子几何结构、模拟器件的电子结构和电学性质。目前发行的稳定版本是，它包括了原子操作模块(AtomicManipulator)、纳米结构透视模块(Nanoscope)、晶体构造模块(CrystalGrower)、纳米管构造模块(NanotubeGrower)和能谱计算模块(EnergySpectrometer)。实验目的：了解相似材料模拟掩饰的基本原理和基本过程。基本原理：相似材料模拟实验是采用与原理物理力学性质相似的材料，按一定的几何相似常数缩制成试验模型进行相应的
10、目的的研究的一种试验方法。采用这种方法模拟覆岩采动过程，研究其变形破坏规律可以节省大量的观测费用，而且结果更加直观。仪器设备：相似材料模拟实验台。实验步骤：1、了解配比变化对材料的物理力学性质的影响，包括骨胶比、灰膏比和用水量的影响；2、根据试验要求，按比例配比，制作模拟材料，选定并准备好适应的骨料，胶结料，水等，制作出不同配比的材料试件，并进行编号；3、待试件干燥后，对试件进行强度测试，根据强度相似指标要求，选定相似材料，按表中形式记录好相似材料配比及主要物理力学参数；4、根据模型尺寸，按每分层厚度计算不同配比材料的用量。实验数据：1、工作面的设计长度200m，推进尺度130m，煤层埋深51
11、m，煤层平均厚度5m，用全部垮落法管理顶板，煤层一次采煤深度5m，表1-1为煤岩物理力学性质指标：2、相似条件确定=）、石灰、石膏、软木屑、四硼酸钠等；主要相似参数：L=LH/LM,LM-模型强度，LH-模型厚度根据模拟工作面煤层厚度等参数，结合试验台几何尺寸，选几何相似常数L=；容度相似常数：L=H/M，H-原型容重，M-模型容重工作面不同岩段岩石平33均容重为26kg/m，石灰，石膏，硅砂试验材料平均容重为17kg/m，容重相似常数为r=26/17=;强度相似常数：，-原型强度，-模型强度对自重加载实验模型，容重相似常数与强度相似常数之间应该是关系。据此强度相似常数3、相似材料配比：根据强
12、度相似条件要求，模拟原型各岩段不同岩性岩层强度的模型材料强度见表1-2原岩及材料强度根据实验室实验材料的技术特征及物理力学性质特征，结合以往实验风格，选择砂为骨料，建筑用石灰、石膏为胶结材料进行材料配比实验，实验中水与材料比为1:9，以四硼酸钠为缓凝剂，缓凝剂在水中的浓度是%，选择如下四种配比材料模拟不同岩性的岩层，4种相似模拟材料的配比及主要物理力学性质指标见表1-3.制作的模型为工作面走向剖面模型，墙角为0，模型高度为70cm，其中第四组松散层厚度8cm。风化带层厚度32cm，岩层顶板岩层厚度2cm，煤层厚度为5cm，煤层深度51cm，煤层底板岩段岩层厚度为14cm；分层材料用竖计算风化带
13、体积?2?=风化带相似材料总重量M=PV=?18=相似材料配比为硅：石灰：石膏：水=8:1则有8m+m=得m=故风化带中所需硅砂8m=8?=；石灰=；石膏：=；水：m=20mm分层材料用量计算V=?2?=8?10分层材料总质量为M=pv=?8?10?3?3m3=5、开采模拟工作面从模型右边界35cm位置开切，向左推至左边界35cm位置停采。考虑实验室温度、湿度等环境变化对模型的材料强度的影响，参考时间相似常数，实验中模拟工作面推进速度/h。6、试验观测结果分析顶板岩层活动规律：模拟工作面岩层底板出现弯曲下沉、断裂、折面垮落。随工作面继续推进，上方岩层也逐渐弯曲下沉，并出现离层、裂缝，从低向高层
14、逐渐发展，随上覆岩层跨落，先垮落堆积的低位岩层被逐渐压实，并进一步破碎，出现同期跨落；“三带”分布特征垮落带：煤层顶板岩层，断裂裂缝密集，顺层开裂充分，煤层采出后，顶板自下而上逐层垮落；断裂带：底部靠近垮落带的岩层，层间离层开裂明显，分层性好，垂直或倾斜裂缝发育，且变为断裂裂缝；弯曲带：岩层或岩层组中有垂直层面的开裂，但离层是闭合的，垂直裂缝相互独立，不连通；弯曲带中岩层的离层：由于各岩层岩性差异，物理力学性质不一，在相邻岩层弯曲变形过程中，在岩层交接处差生剪切应力并发生剪切变形。当超过剪切强度时，造成剪切破坏，形成离层。工作面回采过程中，随开采空间扩大，伴随覆岩破坏，离层由下向上逐渐发展。从
15、层间剪切开裂、离层形成与发展、直至被压实闭合，离层得到完整的发展；实验模型在采厚5cm，相当于实际5m条件下，地表出现最大下沉值为，相当于实际；7实验照片实验1相似材料模拟试验一、实验目的?掌握相似材料模拟实验的主要作用、主要方法?了解相似材料模拟试验的基本理论：三个相似定律?了解相似材料的组成：主料、骨料、胶结物等?了解影响相似材料强度的因素?掌握模拟岩层的非连续面的方法?了解相似材料模拟实验的基本步骤?了解相似材料模拟实验的观测、数据采集方法二、原理说明相似材料模拟试验的基本理论：三个相似定律相似理论是研究模型与其代表的原型之间相似性质与规律的理论，由三个基本定律组成。相似第一定律：考察两个系统所发生的现象，如果在其所有对应的点上均满足以下两个条件，称此两现象为相似现象。条件1：相似现象的各对应物理量之比应当是常数，称为“相似常数”。具体矿压方面的应用，模型与原型应存在三个方面的相似：几何相似、运动相似、动力相似。条件2：凡属相似现象，都可以用同一个基本方程式描述，即模型与原型
