基于开源软件Neper建立梯度晶粒尺寸多晶模型

一、介绍

梯度材料因其结构的特殊性，不仅能够有效避免尺寸突变引起的性能突变，还能使具有不同特征尺寸的结构相互协调，同时表现出特征尺寸所对应的多重作用机制，可以优化材料的整体性能和使役性能。本文介绍了一种梯度晶粒尺寸的多晶体模型的建立方法，需结合开源软件Neper（https://neper.info/）使用。

二、建模方法与结果

根据需求生成对应的种子点坐标文件，提供给neper软件，即可生成梯度模型。

图1 建模思路

如图1为建模思路，图中蓝色圆点为晶胞中心位置，使晶粒沿着x方向呈现梯度分布，则需确保点与点之间的距离存在一定的分布特征，具体步骤如下：

（1）将模型x、y、z方向的长度分别定义为width_x、width_y、width_z；

（2）沿着x方向将所有数据点的坐标分为若干组，假定每一组点的x坐标相等，而y坐标不等，要生成沿着x方向的梯度组织，则需要保证每两组数据点的间距（即x1-x0,x2-x1等）呈递增趋，用户可根据自己需求定义递增函数；

（3）以y方向无梯度为例，每一组数据点的y坐标沿着y方向均匀分布，其之间间距相等且与x方向两组数据点的间距相近；

（4）本文仅建立准3D模型，不考虑z方向的微观组织，所有点的z方向坐标相等；

（5）步骤1-4可生成对应的坐标文件，需要对每个点的坐标进行一定范围内的扰动处理，使所得模型更加符合实际；

（6）编写python代码实现步骤1-5，运行代码将扰动处理的文件(myfile)存放至neper工作目录下，输入如下所示命令（坐标文件的行数即为晶粒数，替换命令中的100；-domain后的cube(x,y,z)表示模型的大小）：

neper -T -n 100 -morphooptiini “coo:file(myfile),weight:0” -domain “cube(2,1,0.1)” -morpho Voronoi

如图2所示为恒定梯度条件下生成的模型，当不考虑步骤5所述扰动时（图2（a）），所建模型并不能很好的体现多晶组织材料的特征，而考虑扰动的模型较好地呈现了Voronoi图的特征（图2（a）（b））。

图2 扰动对模型的影响

调整python代码中x方向坐标分布梯度，即可建立具有不同梯度大小的多晶模型，如图3所示。

图3 不同分布梯度模型

三、结论

结合开源软件neper，通过用户自定义梯度分布函数，可以很方便地实现梯度组织模型的建立，除本文介绍的x方向单向梯度模型的建立之外，采用该方法，可以进一步实现多方向复杂梯度多晶组织模型的建立。