材料原子系统的拟连续耦合建模、算法设计和分析

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    91430106
  • 项目类别:
    重大研究计划
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0504.微分方程数值解
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Many fundamental problems in material science and engineering can be modeled by partial differential equations that reflect the macroscopic or continuum property of materials. In spite of the tremendous successes, continuum models also have limitations, accuracy being one of them. When a material has defects or atomistic features, a continuum model may not be able to capture them. For example, in material fracture, the atomic bond has to be considered. Because of this, one might be tempted to switch to a fully atomistic model that is accurate and takes the full atomistic structure into account. However, this is not an efficient strategy, because atomistic systems involved with extremely fine scales are too large to handle even using most powerful computers available. This is where multi-scale modeling is particularly useful. By coupling continuum and atomistic models, it takes advantage of both the simplicity and efficiency of the continuum (or coarse-grained) models, as well as the accuracy of the atomistic models. ..The quasicontinuum (QC) method is a typical approach to formulating such computational models. It has attracted a great deal of interest in the past decade among applied and computational mathematicians around the globe. The idea of the QC model is that in the material region where no defects occur the theory of continuum material elasticity (or coarse grid approximation) may apply. The QC method is based on the finite element method and the so-called Cauchy-Born rule which computes the energy contribution of a representative atom (taken in an element) and piecewise-linearly extending it over the whole element. This Cauchy-Born rule gives a good approximation only to crystalline materials with simple lattice structure. However, most crystalline materials have a complex lattice structure (a union of a number of simple lattice sites). The idea of the QC method may be extended to complex lattice cases, accounting for relative shifts between the comprising simple lattice sites. Error analysis for complex lattice QC method was not available until a fairly recent attempt by the PI and his collaborators which relates the method to an appropriate discrete homogenization process. Many mathematical problems remain unsolved. Numerical analysis and atomistic/continuum interface consistency study of the complex lattice QC are still in their infancy. They are, therefore, the major research focus of this proposal. In the proposal we aim to establish theoretical and/or numerical analysis for QC multi-scale models, especially those for complex lattice crystalline materials. The outcomes of the analysis will suggest, motivate and help to design more accurate, more robust and more efficient computational models and implementation techniques for solving real material problems.
材料科学和工程的许多问题,没法用反映宏观连续性的偏微分方程模型来精确描述。而需要用到微观原子模型,例如,材料断裂或错位等。但由于原子数量巨大,难以直接求解。迫切需要建立一种宏观/微观描述相结合的可计算模型来较精确地获得材料特性。本项目重点研究有复杂晶格结构的材料的拟连续(Quasi-Continuum)模型。它是一个将原子模型/连续模型(即微观/宏观)耦合在一起的典型的多尺度计算模型或方法。在过去十年中,拟连续方法已经成为发展迅猛广泛应用的材料模拟方法,并且吸引了越来越多的应用和计算数学家的研究兴趣。本课题的研究目标是建立相容原子/连续模型界面耦合的,特别是具有复杂晶格结构的,拟连续多尺度有限元可计算耦合模型,对这些模型提供严格的理论和数值判据,并用于计算实际材料问题。我们的研究成果将会启发和帮助在材料模拟设计方面工作人员和学者建立和使用更准确可靠、更快速有效的可计算模型及算法实现技术。

结项摘要

材料科学和工程的许多问题,没法用反映宏观连续性的偏微分方程模型来精确描述。而需要用到微观原子模型,例如,材料断裂或错位等。但由于原子数量巨大,难以直接求解。迫切需要建立一种宏观/微观描述相结合的可计算模型来较精确地获得材料特性。本项目重点研究材料的拟连续(Quasi-Continuum)模型。它是一个将原子模型/连续模型(即微观/宏观)耦合在一起的典型的多尺度计算模型或方法。本项目分析了二维拟连续模型的后验误差,给出了后验误差估计,并基于此估计,设计了网格自适应算法,数值结果验证了理论分析中得到了与先验误差分析一致的收敛率,该部分工作为首创。除此之外,基于一维非线性混合型波动方程黎曼问题的分析,本项目还研究了一维拟连续动态模型的粗粒化近似的收敛性。考虑原子模型的可计算建模方法的同时,也致力于学科交叉研究,将建模的方法和分析技巧应用于其他方向和学科的相关问题,或将其他问题的分析方法,例如从连续多尺度问题中建立新方法新理论,应用到材料原子系统的研究当中去。我们研究了相关问题的多尺度有限元方法,特别是稳定性分析方法。这些相关问题包括对流扩散反应方程、麦克斯韦方程、纳维尔斯托克斯方程。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(0)
An adaptive finite element method for a Maxwell interface problem
麦克斯韦接口问题的自适应有限元方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Journal of Scientific Computing
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Huoyuan Duan;Fengjuan Qiu;Roger C. E. Tan;Weiying Zheng
  • 通讯作者:
    Weiying Zheng
Asymptotic solutions for laminar flow based on blood circulation through a uniformlyporous channel with retractable walls and an applied transverse magnetic field
基于通过具有可伸缩壁和施加横向磁场的均匀多孔通道的血液循环的层流渐近解
  • DOI:
    10.1016/j.powtec.2016.12.033
  • 发表时间:
    2017-02
  • 期刊:
    Powder Technology
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    林平;张弘;郑连存;司新辉
  • 通讯作者:
    司新辉
A Mixed Analytical/Numerical Method for Velocity and Heat Transfer of Laminar Power-Law Fluids
层流幂律流体速度和传热的混合分析/数值方法
  • DOI:
    10.4208/nmtma.2016.m1423
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    NUMERICAL MATHEMATICS-THEORY METHODS AND APPLICATIONS
  • 影响因子:
    1.3
  • 作者:
    Li Botong;Zheng Liancun;Lin Ping;Wang Zhaohui;Liao Mingjie
  • 通讯作者:
    Liao Mingjie
Mass conservative and energy stable finite difference methods for the quasi-incompressible Navier-Stokes-Cahn-Hilliard system: Primitive variable and projection-type schemes
准不可压缩 Navier-Stokes-Cahn-Hilliard 系统的质量守恒和能量稳定有限差分方法:原变量和投影型格式
  • DOI:
    10.1016/j.cma.2017.08.011
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    COMPUTER METHODS IN APPLIED MECHANICS AND ENGINEERING
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Guo Z.;Lin P.;Lowengrub J.;Wise S. M.
  • 通讯作者:
    Wise S. M.
A numerical study for multiple solutions of a singular boundary value problem arising from laminar flow in a porous pipe with moving wall
移动壁多孔管层流奇异边值问题多重解的数值研究
  • DOI:
    10.1016/j.cam.2016.10.002
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    JOURNAL OF COMPUTATIONAL AND APPLIED MATHEMATICS
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Li Lin;Lin Ping;Si Xinhui;Zheng Liancun
  • 通讯作者:
    Zheng Liancun

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其他文献

家蚕中肠特异启动子BmAPN的克隆及活性分析
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    LU Gai,CHENG Ting-cai,JIANG Liang,JIN Sheng-kai,LI
20份甜高粱遗传多态性的RAPD和SSR分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 影响因子:
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  • 通讯作者:
    林平
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  • 期刊:
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    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    杜姗姗
不同类型辐照处理对黄曲霉毒素脱除效果分析
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    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    林茂
三流非对称中间包流场优化
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    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    窦炳胜;孙彦辉;蔡亦凡;林平;崔崇炜;熊德芝
  • 通讯作者:
    熊德芝

其他文献

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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