基于集成计算材料工程的新型碳化铀核燃料设计

极端条件下的材料物性对于新一代装备关重部件金属材料的优化设计和效能评估至关重要。但是,极端环境实验测量昂贵、复杂,不确定性因素较多,仅仅依靠实验难以系统全面地评估材料的物性参数。因此,迫切需要发展极端条件下高通量、多尺度的集成计算材料工程关键技术。多元碳化物作为一类新型核燃料,因其高熔点、高硬度、高温稳定等优异的物理化学性能受到国内外极大的关注。通过高通量第一性原理计算对（UNb）C、（UZr）C和（UTa）C的热力学性质进行了系统研究,基于极端材料集成计算平台（ProME）局域化学环境近似方法（SAE）和平均场势（MFP2）方法,进行了多组元体系建模和热力学特性的计算。揭示了不同掺杂元素对体积模量、熵、吉布斯自由能、晶格热导率等基础物性的作用规律,为新型核燃料的成分设计提供了重要数据参考。     

高通量计算筛选的材料设计接口应用软件

复合材料是由至少两种不同性质的材料组成. 基于此特点, 高通量计算和多尺度模拟方法和理念, 尤其适合于复合材料配方的理论设计. 为此, 我们研发了一个基于Materials Studio的支持复合材料配方设计的高通量计算和筛选的接口应用软件. 目前该软件主要支持Materials Studio中的Amorphous Cell和Forcite Plus两个计算模块, 通过模块接口的调用实现了高通量生成复合材料各种配方, 以及基于分子动力学的高通量自动流程计算和筛选. 与直接使用Materials Studio软件相比, 该软件具有“一键式、自动流程、高通量筛选” 等特点. 目前该软件已经实现了微观尺度的基于分子动力学模块Forcite Plus的自动流程筛选. 下一步我们将在此基础上, 开发出介观尺度上使用耗散粒子动力学方法的Mesocite模块接口, 实现跨尺度计算模拟和高通量自动流程筛选, 开展环氧树脂基复合材料的配方设计. 使用该软件的用户必须要有Materials Studio版权.     

Nb、Al共掺杂MoSi2弹性性质的第一性原理计算

Mo S2i是一种半金属化合物,有比较好的热传导性和导电性,一直作为一种耐高温合金被广泛使用。本文针对Nb和Al共掺杂Mo S2i后Mo S2i的弹性常数、导电性能、热传导性以及Mo S2i电子结构会发生的不同变化的情况,对Nb和Al共掺杂Mo S2i弹性性质的第一性原理计算做了具体相关探究。     

在晶体表面寻找最佳吸附位点的高通量算法

在研究原子在晶体表面的吸附现象时,研究者们往往需要依赖已有的经验与知识寻找出所有可能的吸附位点,再通过运行基于密度泛函理论 (DFT) 的第一性原理计算模拟软件最终找到最佳吸附位点,这是较为浪费时间的。借助于材料基因组计划 (MGI) 中的高通量筛选这一概念,本文提出了一个寻找晶体表面最佳吸附位点的自动化的高通量计算方法。本文主要阐述了该高通量方法中的一个重要的算法,即如何自动寻找所有可能吸附位点的算法,然后将该算法与第一性原理计算模拟软件整合,它们一起构成了寻找最佳吸附位点的高通量方法。该高通量方法的创新之处在于能够在不依赖于研究者经验与知识的前提下,自动地找出所有可能的吸附位点,并利用第一性原理计算模拟引擎,最终找到最佳吸附位点。此外,这个方法被应用于 MatCloud 平台。MatCloud 平台是一个高通量材料计算平台,它使得整个寻找最佳吸附位点的流程自动化。     

基于高通量计算平台的过渡态搜索算法及自动流程实现

本文针对寻找反应过程中过渡态结构的问题,基于高通量计算平台设计并实现了一种过渡态搜索算法及其自动计算流程。实现了包括中间结构自动产生功能在内的过渡态搜索的自动流程计算,具体包括计算的准备文件产生、结构筛选、结果后处理等各个流程。同时,在整个自动计算过程中还引入自动纠错机制,可以实现自动根据错误类型实现对错误的恢复与处理功能,以提高过渡态搜索计算的可靠性。最后,本文进行了 H 原子在 Mg 晶体表面扩散的研究,将计算结果与文献数据进行了对照,以验证计算结果的合理性。     

SQS二元合金设计的高通量方法和技术研究

自2011年6月美国提出"材料基因组计划"以来,构建集成的高通量材料计算平台和数据库平台以加快新材料的研发已成为重要的基础性工作。高通量材料计算平台MatCloud提供了一个集成的材料自动流程计算框架,旨在为新材料的设计和计算提供一套通用的方法和技术。二元合金设计涉及到批量结构建模、结构筛选和性质计算问题,为了支持目前在合金设计中应用较广的特殊准随机结构SQS方法,研发了支持基于SQS二元合金设计的高通量自动流程计算相关算法和插件,并在MatCloud平台上进行了实现。该插件支持基于SQS的二元合金结构建模,高通量筛选和性质计算。实现了ZrxTi(1-x)合金弹性模量的自动流程计算,取得了预先设定的效果,提升了计算性能,从而帮助加快二元合金设计。     

利用 HTCondor 高通量计算框架处理 MODIS 时间序列遥感影像

随着卫星技术进步,越来越多的遥感数据可供各领域科研人员处理与分析。日益增长的数据量也带来了新的挑战：如何高效的处理长时间序列遥感数据。目前,无论从处理效率还是任务规模,现有的计算手段都很难满足当前需求。常用的商业 GIS 软件往往基于单机环境,扩展能力小,而基于主流分布式计算框架的处理方法,往往在功能上有所不足。在本文中,我们提出一种基于 HTCondor 高通量计算环境的 MODIS 时间序列遥感数据处理方法。该方法通过 HTCondor 系统高效管理与调度硬件资源,同时使用 Python 及其丰富的第三方开源库编写核心控制与处理模块。我们将复杂的工作流以有向无环图的方式呈现并一次提交,将成熟的计算环境与灵活的处理模块相结合,易于扩展与重复使用。实验表明系统可以支持大规模、多需求的遥感影像处理工作,部署便捷,可以显著提成处理效率。     

GPU加速在第一性原理输运研究中的应用

分子器件中的第一性原理输运计算比普通的密度泛函计算要慢很多,其最根本原因在于密度矩阵计算方法的不同。本文将 GPU 加速应用于第一性原理的输运计算,重点实现相关矩阵运算的加速。测试结果表明,在单次迭代中,对于较大的体系,相对于调用 MKL 库,密度矩阵的运算速度在单个 Tesla M2090 可以提高一个数量级以上,在 Tesla K20m 上则可以提高 20 倍以上,从而取得了很好的加速效果,而且体系越大,加速效果越好。     

高熵碳化物陶瓷第一性原理计算研究进展与展望

过渡族难熔金属元素和碳组成的高熵碳化物陶瓷因具有优异的耐高温性能,在高熵材料领域引起了关注。由于涉及复杂的成分范围和服役环境,利用传统试错法研发高熵碳化物陶瓷周期长且成本高,而采用第一性原理计算方法可以准确高效地预测高熵碳化物陶瓷的相稳定性、弹性性能、电子结构和热力学等性质。本文对第一性原理计算方法进行了简述,并对第一性原理计算在高熵碳化物陶瓷研究中的应用成果进行了综述,最后展望了第一性原理计算在高熵碳化物陶瓷领域的发展方向。     

C掺杂锐钛矿TiO2的第一性原理研究

基于第一性原理的平面波超软赝势方法,本文研究了C分别代替Ti和O原子位置掺杂的锐钛矿TiO2的晶体结构,电子结构以及光学性质.结果表明,C在掺杂体系中的存在状态与掺杂位置密切相关;掺杂后引起晶格参数,键长等变化,导致晶体中结构单元偶极矩增大,从而可以改善光催化性能.C掺入后由于C 2p态与O 2p和Ti3d态发生杂化,...     

基于SolidWorks-MATLAB-ANSYS集成框架的结构设计优化

在基于仿真模型的结构设计优化中,需要多次进行几何建模和仿真分析,耗费设计人员大量的工作时间。单一的软件不能或者难以完成几何建模、仿真分析及优化求解等工作,有效集成多种软件对产品进行参数化建模、仿真和设计优化是解决这一问题的有效手段。针对上述问题,提出一种SolidWorks-MATLAB-ANSYS集成框架,分别利用MATLAB的优化计算能力、SolidWorks的几何建模能力和ANSYS的有限元分析能力,以MATLAB为主程序,调用SolidWorks/ANSYS进行参数化几何建模和仿真分析。该集成框架能将设计人员从重复建模和仿真工作中解放出来。以一种微型飞行器机身的结构设计为例,说明了该方法的有效性。     

Ni-N共掺杂锐钛矿型TiO2的第一性原理

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势(PWPP)方法,对Ni-N共掺杂前后锐钛矿型TiO2的超晶胞体系进行了几何结构优化,从理论上给出了掺杂体系的晶格参数.讨论了Ni掺杂、N掺杂、Ni-N共掺杂对锐钛矿型TiO2的晶体结构、能带结构、态密度等的影响.结果表明:Ni-N共掺杂对锐钛矿型TiO2的晶格参数和晶体结构的影响不人,从能带结构和态密度看,Ni掺杂后TiO2价带和导带之间出现了主要由O-2p和Ni-3d共同作用而产生的杂质能级,N的掺入使得TiO2导带下移.Ni、N的共同作用导致禁带宽度变窄,吸收带红移,拓宽了光响应范围.这些计算结果很好地解释了Ni-N共掺杂锐钛矿型TiO2在可见光下具有良好的光催化性能的内在原因.本文从理论上对纯TiO2,以及Ni掺杂、N掺杂、Ni-N共掺杂进行了较系统的研究,其中纯TiO2和N掺杂TiO2的结果与前人的一致;Ni掺杂和Ni-N共掺杂是这个系列的新内容.从理论上对这个系列的TiO2光催化材料进行了比较,得出Ni掺杂和Ni-N共掺杂可以使TiO2的禁带宽度变窄,有助于光催化活性提高这一结论,与我们的紫外可见吸收实验结果一致,与前人实验中发现Ni-N共掺杂TiO2在可见光区的活性比纯TiO2高1倍的实验事实相符.     

Ada软件质量保证系统的构成框架和集成机制

本文主要探讨了建造Ａｄａ软件质量保证系统应考虑的技术成分和环境的构成要素，并给出系统的原型框架。     

面向普适计算的自适应软件集成环境研究综述

在对当今主要普适计算研究项目,尤其是面向普适计算的软件集成环境原型系统进行介绍的基础上,本文对面向普适计算的软件集成环境所关注的共性问题进行了归纳分析,包括如何为应用提供自适应的软件体系结构支持、如何为应用提供普适计算环境下所需的可重用服务、如何根据普适计算环境的特点对传统中间件技术的内涵进行扩展等等,并对面向普适计算的应用需求下软件集成环境研究所面临的挑战进行了讨论。     

软件过程集成框架的实践与思考

软件实践表明产品开发的过程和产品品质有产非常密切的联系,因此很多软件企业都把提高软件开发过程作为提高软件品质的重要手段。现有的过程模型中CMM/CMMI是很多企业采用的一个框架,CMMI模型非常复杂(描述性文档就有超过1000页),因此很需要有一种软件来支持软件过程的改进。本文给出了一个软件过程改进集成框架SPIF,较为详细地叙述了SPIF中项目计划与进度监控的实现。SPIF对CMM/CMMI有着良好的支持,经过几个软件公司的实践表明SPIF实现了软件过程可视化、管理效率化,可以对软件企业实施CMM/CMMI过程改进有着很好的促进作用。     

氧气在LaMnO3（001）表面吸附的第一性原理研究

本文采用从头计算密度泛函平面波赝势方法,系统研究了氧气在LaMnO₃（001）表面吸附过程。研究结果表明:整个过程属于化学吸附;Pauling、Griffiths以及双中心吸附模式为较优吸附模式;吸附过程中形成了O₂^-;吸附后表面Mn的化合价均有不同程度的升高,其中Griffiths吸附模式下Mn的化合价变化最多,分别为:Mn^3+0.87、Mn^3+0.85,有利于催化剂活性组分Pd⁰-Pd²的转化。     

DNA计算的原理和模型

介绍了DNA计算及其模型，阐述了DNA计算的数学基础，讨论了DNA计算的优点和目前存在的问题。     

Mn掺杂锐钛矿型TiO_2电子结构的第一性原理研究

[目的]研究Mn掺杂对锐钛矿TiO_2晶体可见光区催化活性的影响。[方法]采用基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面波赝势(PWPP)方法,研究掺杂对锐钛矿TiO_2晶体的晶体结构、能带结构、态密度的改变。同时我们也进行了Mn掺杂TiO_2的实验研究,从实验方面对掺杂后TiO_2光吸收性能变化进行研究。[结果]Mn掺杂TiO_2后,晶体的对称性和点群没有改变。通过对比纯TiO_2,Mn掺杂TiO_2的能带和态密度可以得出:Mn掺杂TiO_2后导带发生较大下移,且导带底部主要是Mn-3d的贡献,使禁带宽度变小,从而可见光吸收增强。实验结果也表明Mn掺杂后可见光吸收增强,和理论的红移结果一致。[结论]通过我们的计算和实验,说明Mn掺杂可以改善和提高TiO_2在可见光区的活性,这种材料具有很好的应用前景,值得做进一步的实验研究。     

基于高通量计算平台的晶体表面切割设计与实现

在进行晶体表面性质的理论研究时,周期性薄膜 (slab) 结构模型用在基于密度泛函理论的第一性原理计算中,用来模拟表面体系结构。本文详细描述了如何从一个晶体结构切割出指定晶面的周期性薄膜结构模型的算法,特别的,该算法能够为所切表面指定裸露原子。MatCloud 材料计算平台是一个国内自主研发的高通量材料计算平台,基于 MatCloud 平台,我们开发了晶体表面切割模块,实现了对晶体的低密勒指数表面建模。并将该模块与高通量表面吸附模块进行集成,为自动寻找所有可能的表面活性位点,以及不同吸附位点的晶体结构的高通量筛选和性质计算提供了初始模型。     

信息安全风险的分析和计算原理

信息安全风险评估是一项复杂的系统工程，涉及到的因素很多，内在关系也很复杂。目前，国内外有许多信息安全风险评估的方法，其角度和侧重点都不尽相同。尽管方法不同，但从分析原理和计算原理上看，呈现出许多相似和共性之处。抓住和理清这些共性，研究信息安全风险评估的基本规律，完善其理论基础，可以从根本上提高信息安全风险评估的实践水平。