一种大型压力容器结构料集成计算系统的搭建方法

本发明属于材料计算技术领域，尤其是一种大型压力容器结构料集成计算系统的搭建方法。

背景技术：

核电材料工作环境恶劣，服役时存在高温、高压、低温脆化、腐蚀、应力腐蚀、强中子辐照等威胁，其安全性和可靠性的要求非常高，然而由于严酷的工作服役环境致使核电材料的研发周期非常的长，严重影响核电技术的发展与进步。计算材料工程(icmc)于2008年由美国国家研究理事会提出，将计算热力学与计算动力学相结合进行微观尺度到宏观尺度的模拟，能够实现多元相材料体系的计算。2011年美国提出材料基因组计划(mgi)，将这一理念推广到整个材料领域，利用超级计算机和大数据技术，加快材料的研发速度、降低研发成本，进而实现材料研究模式的全面改革。同年，我国也开始制定中国版材料基因组计划，并投入大量的资金进行研究。材料基因工程的核心是将组合化学和材料信息学的思路和方法引入到材料计算模拟中，通过材料计算以一种有理依据、可预测的方式寻找决定材料关键性能的组成“基因”，从而设计出新的化合物。

发展先进的材料计算技术是实现材料设计的关键，其中计算热力学、计算动力学和相场法模拟是材料计算的重要组成部分。其对应的计算软件不可或缺，为确保材料模拟的准确性，研究、开发、优化相应的材料计算软件至关重要。计算热力学是以计算不同成分、温度、压力下材料的热力学性质和相图，相平衡为主，常用的软件有thermo-calc、pandat等。第一性原理用于计算材料的电子结构、力学性质、热力学性质以及动力学性质。常用的软件有：materialsstudio、vasp、pwscf等。分子动力学可从原子尺度对材料的物理、化学、机械等性能做出预测，常使用materialstudio、dl-poly、lammps等软件。相场方法能够研究力场、流场、材料本征缺陷等对微观组织形貌的影响，但目前并无通用的商业软件，主要靠研究者自行编程。在材料研发过程中，是一环扣一环式的，而单独的计算软件只能对某一方向或领域进行计算模拟，不同软件之间的数据传递可能会产生误差并且延长研发周期，影响预测的精确性与稳定性。如何将材料计算各个部分之间化零为整是长期困扰科研人员的一大难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服计算软件只能对某一方向或领域进行计算模拟，不同软件之间的数据传递可能会产生误差并且延长研发周期缺点，提供一种大型压力容器结构料集成计算系统的搭建方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种大型压力容器结构料集成计算系统的搭建方法，包括以下步骤：

s1、搭建子平台，完成各子平台计算引擎的开发；

所述子平台包括第一性原理计算平台、热力学计算平台、分子动力学计算平台、相场计算平台以及有限元计算平台；

所述第一性原理计算平台用于获取合金元素种类、含量对材料的晶体参数及力学性能的关系；

所述热力学计算平台用于获得合金元素种类、含量对不锈钢材料平衡相、非平衡相及淬透性影响；

所述分子动力学计算平台用于完成材料力学性能分析，获取弹性模量、延伸率、应力应变曲线的力学参数；

所述相场计算平台用于获得生产加工工艺对再结晶过程及最终晶粒形状、尺寸、均匀性的影响；

所述有限元计算平台用于获得材料相关力学参数，为材料设计研发提供参数；

s2、构建集成计算系统的整体架构，建立各子平台的传输通道，联合完成模拟预测；

所述传输通道使得可对各子平台数据进行同时并行调用；

s3、基于各子平台的数据库，利用集成技术建立反应堆结构材料的数据基因库；

s4、基于linux系统和可视化ui技术，开发用户操作界面以及结果显示界面；

s5、基于hadoop技术，运用分布式存储技术对运算数据进行存储；

建立集成平台的数据处理接口，在可视化ui界面直接导入数据。

进一步的，s1中的搭建子平台具体操作为：

配置服务器底层架构，提供模拟软件安装运行环境；

选取编译器对模拟软件进行代码级的优化，选取高级指令集对模拟软件进行微架构级优化；

对编译好的模拟软件进行二次开发，实现各子平台不同的性能需求，完善平台计算引擎；

建立各子平台的数据库。

进一步的，搭建第一性原理计算平台，具体方法如下：

配置计算机服务器，使具备第一性原理计算软件安装环境；

安装编译第一性原理计算软件vasp，并进行软件的二次开发；

对应于建立标准化模型，输入数据参数，获取合金元素种类及含量对材料的晶体参数及力学性能的关系；

搭建热力学计算平台，具体方法如下：

配置服务器以及软件安装基本环境；

安装编译热力学计算软件，编写相应程序，进行软件二次开发；

模拟材料的二元相图、三元等温相图相成分随温度的变化，获得合金元素种类和含量对不锈钢材料平衡相、非平衡相及淬透性影响；

搭建分子动力学计算平台，具体方法如下：

配置服务器以及软件安装基本环境；

安装编译热力学计算软件，结合可视化工具，编写开发程序，完成计算引擎开发；

建立多元物理模型，完成材料力学性能分析，获取弹性模量、延伸率、应力应变曲线的力学参数；

搭建相场计算平台，具体方法如下：

配置服务器及程序编译环境；

编写相场模拟程序，完成计算引擎开发；

通过模拟计算获得生产加工工艺对再结晶过程及最终晶粒形状、尺寸、均匀性的影响；

搭建有限元计算平台，具体方法如下：

配置服务器以及软件安装基本环境；

安装编译热力学计算软件，完成计算引擎开发；

通过导入上述输出数据，获得材料弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段应力-应变关系，获得详细的力学性。

进一步的，s2的具体操作为：

通过软件平台开发技术，对集成软件、数据源、计算图、可视化以及计算模型的集成开发，设计完成平台整体架构；

完成各子平台之间的数据接口的接通，使数据的传递形成闭合的回路；

利用相关数学模型对数据传递误差进行控制，优化数据集传递方式，提高数据传递精度。

进一步的，s2中建立各子平台的传输通道形成的各个子平台数据传递的回路如下：

第一性原理计算平台的输出数据作为分子动力学平台和有限元计算平台的初始参数；

热力学计算平台的输出数据为第一性原理计算提供不同成分材料相组成关系，为相场模拟提供原始参数；

分子动力学计算平台导入第一性原理计算平台和热力学计算平台的输出参数，完成运算后，输出参数到有限元计算平台中；

相场计算平台导入热力学计算平台的输出参数，完成运算后将输出参数导入有限元计算平台中；

有限元计算平台导入第一性原理计算平台、热力学计算平台、分子动力学计算平台和相场计算平台的输出参数，完成运算后输出材料的力学性能结果。

进一步的，s3的具体操作为：

通过对子运算平台数据进行收集存储，建立子平台运算数据库；

所述子平台运算数据库包括第一性原理计算平台数据库，热力学计算平台数据库、分子动力学计算平台数据库、相场计算平台数据库以及有限元计算平台数据库；

将子平台的数据库进行集成化整合，建成集成平台数据库，

所述集成平台数据库包括标准性数据库、知识信息数据库以及各自特色数据库，所述集成平台数据库能够进行数据的增、删、改、调用、查询、搜索功能。

进一步的，s4的具体操作为：

通过相应的开发软件以及可视化ui技术，建立数据处理ui界面、dagui界面、资源作业管理ui界面、模型托管ui界面、用户管理ui界面以及结果展示ui界面；

完善ui界面功能设置，设置ui界面左侧功能区、画布区和属性区，结合属性区与画布区，形成计算流程图。

进一步的，s5中基于hadoop技术运用分布式存储技术对运算数据进行存储，具体操作为：

利用相应数据存储装置将各子平台运行时产生的数据进行单独放置；

运用hdfs分布式存储系统技术，采用可扩展系统结构，将各数据存储装置进行集中整合，构成一个虚拟存储设备，实现整个运算平台的数据存储。

进一步的，s5中建立集成平台的数据处理接口，使用户在可视化ui界面直接导入数据，具体操作为：

配置相应环境，使得数据导入支持线上传数据，还支持多种异构数据源的集成融合；

通过本地上传数据或数据源上传的方式，在前端进行数据录入工作；

制定统一接口，读取不同异构的数据进行数据集成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的搭建大型压力容器结构料集成计算系统的方法，将材料计算领域不同计算尺度的各个方法结合了起来，实现了材料由微观到宏观性能的高精度模拟预测，大幅减少了大型压力容器结构材料开发过程中的时间成本与人力成本；建成的集成计算平台由第一性原理计算平台、热力学计算平台、分子动力学计算平台、相场计算平台以及有限元计算平台的组成，优化了各平台之间的数据传递方式，使之形成一个回路，保证了数据传递的高效性与精确性；建立了集成平台数据库，能够存储运算过程中产生的庞大数据量，满足用户查找、调用、分析的需求；同时，结合可视化技术，建立高效的人机交互端口，研究人员可通过操作集成软件输入材料参数调用计算平台直接完成联合运算过程，该软件大幅精简了操作步骤，并兼具实时性与并行性的特点，节约上手时间的同时提高了操作效率；最后，运用分布式存储技术，建立相应的存储装置，有效地提高了数据储存的速度和数量。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的大型压力容器结构料集成计算系统的架构示意图；

图3为本发明的大型压力容器结构料集成计算系统的子平台数据传递原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为发明的流程示意图，本发明的大型压力容器结构料集成计算系统的搭建方法，步骤如下：

s1、搭建子平台，完成各子平台计算引擎的开发；

所述子平台包括第一性原理计算平台、热力学计算平台、分子动力学计算平台、相场计算平台以及有限元计算平台；

s2、构建集成计算系统的整体架构，建立各子平台的传输通道，所述传输通道使得对各子平台数据进行同时并行调用，联合完成模拟预测；

s3、基于各子平台拥有的数据库，利用集成技术建立反应堆结构材料数据基因库；

s4、基于linux系统和可视化ui技术，开发出用户操作界面和结果显示界面，满足前端操作需求；

s5、基于hadoop技术，运用分布式存储技术对运算数据进行存储，保证计算的实时性与并行性，完成集成平台的数据处理接口，使用户在可视化ui界面直接导入数据。

本发明通过将各子平台进行集成化处理，使之能够进行一系列的模拟运算过程，并建立相应的材料数据基因库，运用可视化ui技术以及分布存储数据技术，能够高效的处理模拟计算过程，提高计算精确度，降低研究时间成本，为研究人员的选材提供方法与思路。

作为步骤2的一个优选实例中，构建集成平台整体架构，完成各子平台传输通道建立，使得可对各子平台数据进行同时并行调用，联合完成模拟预测包含以下：

配置服务器底层架构，提供模拟软件安装运行环境；

选取编译器对模拟软件进行代码级的优化，选取高级指令集对模拟软件进行微架构级优化；

对编译好的模拟软件进行二次开发，实现各子平台不同的性能需求，完善平台计算引擎，使计算运行更加高效精确，满足高通量计算需求；

建立各子平台的数据库；

搭建的计算系统子平台分别是：第一性原理计算平台，热力学计算平台、分子动力学计算平台、相场计算平台以及有限元计算平台。每个计算平台完成不同需求的计算模拟，并且进行数据的传递与交互；

本发明的一个优选实例中，搭建基于各子平台拥有的数据库，利用集成技术建立新型反应堆结构材料数据基因库包含以下：

可对各子平台数据进行同时并行调用，联合完成模拟预测，其具体步骤为：

通过软件平台开发技术，对集成软件、数据源、计算图、可视化以及计算模型的集成开发，设计完成平台整体架构；

完成各软件平台之间的数据接口的接通，使数据的传递形成闭合的回路；

优化数据集传递方式，利用相关数学模型对数据传递误差进行严格控制，提高数据传递精度。

新型反应堆结构材料数据基因库是对五大计算系统子平台库的集成化成果，将子平台所有计算数据导入其中，可实现数据的快速录入与读取，将五个计算模拟过程紧密地结合了起来，形成的计算集成平台能够实现实时性，准确性，简洁性，并行性，安全性。

本发明的一个优选实例中，基于linux系统和可视化ui技术，开发出用户操作界面以及结果显示界面，满足前端操作需求包含：

通过相应的开发软件以及可视化ui技术，建立数据处理ui界面，dagui界面,资源作业管理ui界面、模型托管ui界面、用户管理ui界面以及结果展示ui界面；

完善ui界面功能设置，设置ui界面左侧功能区、画布区和属性区，结合属性区与画布区，形成最终计算流程图。

可视化ui界面的设计开发，极大地方便了研究人员的操作，上手速度快，操作难度大大降低。在ui界面中，可以直接进行材料基因数据的录入与导出，全方位的查看材料各个方面的性能参数，为研究人员的选材设计提供参考依据。

本发明的一个优选实例中，基于hadoop技术，运用分布式存储技术对运算数据进行存储，保证计算的实时性与并行性，完成集成平台的数据处理接口，使用户在可视化ui界面直接导入数据包含有：

利用相应数据存储装置将各子平台运行时产生的数据进行单独放置；

运用hdfs分布式存储系统技术，采用可扩展系统结构，将各数据存储装置进行集中整合，构成一个虚拟存储设备，实现整个运算平台的数据存储；

配置相应环境，数据导入既应支持线上传数据，又可支持多种异构数据源(log文件、txt)的集成融合；

通过本地上传数据或数据源上传的方式，使用户可直接在前端进行数据录入工作；

系统制定统一的接口，读取不同异构的数据进行数据集成。

分布式存储技术一种高效的存储方法，以实现计算平台的实时性，并行性，在实时使用场景下，满足响应效率，针对材料领域的专用数据，确定数据存储方式，指定数据读取，转换接口，统一数据源。

参见图2，图2为本发明的大型压力容器结构料集成计算系统的架构示意图；通过对各类模拟软件进行集成，导入各类计算参数和计算模型，实现第一性原理、热力学、分子动力学、相场以及晶体塑性有限元的模拟计算，并且进行可视化的数据分析。

参见图3，图3为本发明的大型压力容器结构料集成计算系统的子平台数据传递原理图，运用集成的技术搭建数据传输通道，使得各子平台的输出数据能够相互贯通，实现高效计算的目的，具体传输方式如下：

第一性原理计算平台：输出数据作为分子动力学以及有限元计算的初始参数；

热力学计算平台：输出数据为第一性原理计算提供不同成分材料相组成关系，为相场模拟提供原始参数；

分子动力学计算平台：导入第一性原理以及热力学的输出参数，并将输入参数导入有限元计算中；

相场计算平台：导入热力学输出参数，作为输入参数导入有限元计算平台中；

有限元计算平台：导入上述所有平台输出数据，输出得材料详细力学性能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。