一种全原子非晶纤维取向度分析方法与流程

本发明属于分子模拟领域，具体是一种全原子非晶纤维取向度分析方法。背景技术：1、纤维是由连续或不连续的细丝组成的物质，被广泛应用于纺织、环保、医药、建筑、生物等多个领域。纤维有天然纤维和化学纤维两大类。天然纤维是自然存在的，又分成植物纤维、动物纤维和矿物纤维；而化学纤维是经过化学处理加工制成，可分为人造纤维、合成纤维和无机纤维。纤维的充填能有效地提高塑料的强度和刚度。纤维的优异性能很大程度上取决于其分子链的高度取向结构，因此在分子水平上研究纤维结构与性能的关系是非常必要的。因此，纤维的取向度是纺织材料的重要参数，取向分布决定了纺织材料的力学各向异性，进而影响纺织材料的性能。取向度是聚合物材料中分子链沿特定方向排列的程度，一般用取向函数表示：2、3、在定义取向函数时，通常选一特定方向作参考方向，分子链轴与参考方向的夹角为取向角。对于实际的聚合物，不是定值，而是有一定的分布，取向函数方程中的采用实际取向角的平均值。但由于现有实验测试方法的局限，很难在原子、分子水平上研究微观尺度下纤维结构与性能之间的关系，且存在成本高、耗时长的缺点。4、分子动力学仿真是独立于实验方法和理论分析方法之外的一种新的科学研究方法，它融合了物理，数学，化学与计算机科学，是由多种学科交叉所开辟出新的方法。分子动力学以牛顿力学为理论基础，主要模拟分子原子体系的运动，其中体系中的每一个粒子被视为在其他原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动，通过求解运动方程（如牛顿方程、哈密顿方程或拉格朗日方程），分析系统中各粒子的受力情况，用经典或量子力学的方法求解系统中各粒子在某一时刻的速度和位置，以确定粒子的运动状态，然后由分子体系的不同运动状态所构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质，该模拟技术主要涉及的是粒子运动的动力学问题，进而得出体系的结构和性质。分子动力学仿真方法解决了研究纤维微观结构与性能时存在的尺度小、成本高、耗时长等缺点。5、在取向度的分子模拟计算方法中，《advanced theory and simulations》2021.vol.4no.6中cheng yang 等人在“free h-bonding interaction sites in rigid-chain polymers and their filling approach: a molecular dynamics simulationstudy”一文中提出了采用分子链中酰胺键二面角的角度变化可以定性地比较取向度大小，观察取向度的变化，也是目前比较常用的比较取向度的方法，但是却无法直接定量地获得模型的取向度结果，因此也无法与实际的取向纤维的性能进行对比和验证。目前，还未见有全原子非晶纤维取向模型取向度快速分析方法的报道。技术实现思路1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种全原子非晶纤维取向度分析方法，以构建高度取向的非晶纤维全原子模型，并可以快速、准确、定量计算其取向度。2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：首先，利用现有分子动力学模拟软件构建全原子非晶纤维的取向模型，然后在此基础上，利用编程技术，建立参考轴和全部分子链主轴集合，遍历全原子非晶纤维取向模型中每条分子链主轴与参考轴之间的取向因子，计算得到全原子非晶纤维取向模型的取向角，最后，利用hermans取向函数计算得到全原子非晶纤维取向模型的平均取向因子，从而快速高效、直接定量地计算得到与实测结果吻合度很高的模型取向度结果，实现本发明目的。3、本发明涉及的一种全原子非晶纤维取向度分析方法，包括利用分子动力学模拟软件构建全原子非晶纤维取向模型和通过编程进行全原子非晶纤维取向度计算，具体步骤如下：4、（1）利用分子动力学模拟软件，构建全原子非晶纤维无定形结构周期性模型；5、（2）利用分子动力学模拟软件，构建局部能量最小化的全原子非晶纤维无定形结构周期性模型；6、（3）利用分子动力学模拟软件，构建全局能量最小化的全原子非晶纤维无定形结构周期性模型；7、（4）利用分子动力学模拟软件，构建全原子非晶纤维取向模型；8、（5）确定参考轴9、通过编程，创建两点坐标，将两点坐标连线作为全原子非晶纤维取向模型的参考轴；10、（6）建立全部分子链主轴集合11、通过编程，遍历全原子非晶纤维取向模型中所有分子链；定义每条分子链首尾处原子；连接每条分子链首尾原子，形成全部分子链主轴集合；12、（7）确定全原子非晶纤维取向模型取向度13、通过编程，遍历纤维取向模型中每条分子链主轴与参考轴之间的取向因子；定义并利用下列函数计算每条分子链主轴与参考轴之间的夹角；14、15、式中，f为每条分子链取向因子，θ为每条分子链取向角；16、取所有分子链取向角的平均值作为纤维取向模型的取向角；17、定义并利用下列hermans取向函数计算纤维取向模型的平均取向因子，完成全原子非晶纤维取向模型的取向度计算；18、19、式中，为分子链平均取向因子，为分子链平均取向角。20、优选的，所述步骤（1）构建全原子非晶纤维无定形结构周期性模型时，利用分子动力学模拟软件，先构建用于合成全原子非晶纤维的所有单体分子，获取所有单体分子的稳定构型；在此基础上，再构建全原子非晶纤维分子链，最后将所有分子链打包进单胞模型中。21、优选的，所述步骤（2）构建局部能量最小化的全原子非晶纤维无定形结构周期性模型时，利用分子动力学模拟软件，将步骤（1）得到的全原子非晶纤维无定形结构周期性模型进行局部能量最小化，得到局域最优结构。22、优选的，所述步骤（3）构建全局能量最小化的全原子非晶纤维无定形结构周期性模型时，利用分子动力学模拟软件，将步骤（2）得到的局部能量最小化全原子非晶纤维无定形结构周期性模型，先进行初步分子动力学平衡分析，再进行不少于三次分子动力学平衡分析，最后进行最终分子动力学平衡分析。23、进一步优选的，所述针对局部能量最小化全原子非晶纤维无定形结构周期性模型，进行的初步和最终分子动力学平衡分析，都是在室温下完成的；进行的不少于三次分子动力学平衡分析，其中，首次和末次是在室温下完成的，中间次数完成时的温度介于全原子非晶纤维的玻璃化转变温度和热分解温度之间。24、进一步优选的，所述针对局部能量最小化全原子非晶纤维无定形结构周期性模型，进行最终分子动力学平衡分析时，对不少于三次分子动力学平衡后得到的非晶纤维无定形结构周期性模型的温度、能量和密度数据进行收集，当三者变化幅度都在±10%以内时，认为达到了平衡状态，完成全原子非晶纤维无定形结构周期性模型的全局能量最小化构建。25、优选的，所述步骤（4）构建全原子非晶纤维取向模型时，施加拉伸力时的温度介于全原子非晶纤维的玻璃化转变温度和热分解温度之间。26、优选的，所述分子动力学模拟软件是material studio，编程是采用perl语言在其二次开发程序中完成的。27、优选的，所述全原子非晶纤维包括芳纶纤维和pbo纤维。28、本发明涉及的一种全原子非晶纤维取向度分析方法，由利用现有分子动力学模拟软件构建全原子非晶纤维取向模型，和利用编程技术进行全原子非晶纤维取向度计算两个步骤构成。利用现有分子动力学模拟软件构建模型时，首先构建全原子非晶纤维无定形结构周期性模型，然后依次构建局部和全局能量最小化的全原子非晶纤维无定形结构周期性模型，最后完成全原子非晶纤维取向模型的构建。在此基础上，利用编程技术，首先，建立参考轴和全部分子链主轴集合；然后，遍历全原子非晶纤维取向模型中每条分子链主轴与参考轴之间的取向因子，计算得到全原子非晶纤维取向模型的取向角；最后，利用hermans取向函数计算得到全原子非晶纤维取向模型的平均取向因子，从而快速高效、直接定量地计算得到与实测结果吻合度很高的模型取向度结果。另外，本发明还具有操作方便等优点。