(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211244872.3 (22)申请日 2022.10.12 (71)申请人 之江实验室 地址 311121 浙江省杭州市余杭区之江实 验室南湖总部 申请人 上海大学 (72)发明人 孙升　张颖　张统一　 (74)专利代理 机构 北京志霖恒远知识产权代理 有限公司 1 1435 专利代理师 戴莉 (51)Int.Cl. G16C 10/00(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于本构方程自动化构建和参数提取的跨 尺度方法和装置 (57)摘要 本发明公开了一种基于本构方程自动化构 建和参数提取的跨尺度方法和装置。 本发明首先 通过使用第一性原理和连续介质 耦合的并行跨 尺度方法， 计算了不同厚度的纳米 薄膜材料在不 同电荷下的应变情况， 得到了电极面内应变随电 荷密度和薄膜厚度的变化规律数据； 拟合得到了 纳米薄膜材料的表面本征应力和表 面杨氏模量， 给出了表面本征应变和表面电荷密度的数学关 系式； 随后撰写了利用AB AQUS与PYTHON的二次开 发实现了不同表面电荷密度下纳米多孔材料电 化学致动响应的数值模拟。 本发 明通过跨尺度计 算推动了纳米多孔薄膜材料连续电化学致动现 象的宏观模拟， 为电化学致动性能的优化提供基 础。 权利要求书1页 说明书7页 附图5页 CN 115312133 A 2022.11.08 CN 115312133 A 1.一种基于本构方程自动化构建和参数提取的跨尺度方法， 其特征在于， 具体包括如 下步骤： S1、 分别计算块体材料的双轴杨氏模量和薄膜材料的表面双轴杨氏模量以及初始应 力； S2、 根据双轴杨氏模量、 表面双轴杨氏模量以及初始应力， 计算不同厚度薄膜材料电极 在不同电荷下的表面原子层应 变的大小， 得到电荷 密度与表面原子层应 变之间的关系式； S3、 根据电荷密度与表面原子层应变之间的关系式， 求得整个块体材料和电荷密度之 间的关系； S4、 通过整个块体材料和电荷密度之间的关系， 构建纳米多孔材料本征应力模型； 设置 纳米多孔材 料本征应力模型的参数； 生成算例， 将算例提交计算； S5、 计算之后， 提取致动应 变。 2.如权利要求1所述的一种基于本构方程自动化构建和参数提取的跨尺度方法， 其特 征在于， 步骤S1具体包括如下步骤： S11、 计算真空条件下不同应 变下块体材 料的能量密度； S12、 通过能量密度与应 变之间的关系求得块体材 料的双轴杨氏模量； S13、 计算不同厚度薄膜材料电极在0电荷下的超胞长度， 结合块体材料的双轴杨氏模 量， 得到表面双轴杨氏模量和初始应力。 3.如权利要求1所述的一种基于本构方程自动化构建和参数提取的跨尺度方法， 其特 征在于， 步骤S2具体包括如下步骤： S21、 分别计算7~15层薄膜材 料电极在 ‑0.3~0.3电荷下的表面原子层应 变的大小； S22、 通过符号回归的方法， 找到电荷 密度和表面原子层应 变之间的关系式。 4.如权利要求1所述的一种基于本构方程自动化构建和参数提取的跨尺度方法， 其特 征在于， 步骤S4中采用有限元 软件构建纳米多孔材 料本征应力模型。 5.如权利要求1所述的一种基于本构方程自动化构建和参数提取的跨尺度方法， 其特 征在于， 步骤S4中设置纳米多孔材料本征应力模型的参数包括材料性质、 材料表面应力的 施加、 部件之间的相互作用以及边界条件。 6.如权利要求1所述的一种基于本构方程自动化构建和参数提取的跨尺度方法， 其特 征在于， 所述 块体材料选择Au、 C、 N i或Cu中的一种。 7.一种基于本构方程自动化构建和参数提取的跨尺度装置， 其特征在于： 包括存储器 和一个或多个处理器， 所述存储器中存储有可执行代码， 所述一个或多个处理器执行所述 可执行代码时， 用于实现权利要求1 ‑6任一项所述的一种基于本构方程自动化构建和参数 提取的跨尺度方法。 8.一种计算机可读存储介质， 其特征在于： 其上存储有程序， 该程序被处理器执行时， 实现权利要求1 ‑6任一项所述的一种基于 本构方程自动化构建和参数提取的跨尺度方法。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115312133 A 2基于本构方程自动化构建和参数提取的跨尺度方 法和装置 技术领域 [0001]本发明涉及 致动技术领域， 特别涉及一种基于本构方程自动化构建和参数提取的 跨尺度方法和装置 。 背景技术 [0002]致动材料是一种可以将化学能或物理能转化为机械能的智能材料， 现已研发出可 以由电能、 热能、 光能或者湿度驱动的各类致动器。 其中， 电化学致动器在电化学刺激下会 产生变形或运动， 相比其他外部刺激(如电压、 热、 光和溶剂等)触发的致动器， 具有可控性 强、 低变形电压、 良好的变形性等突出优点。 相关研究发现， 电化学致动可以在电解质溶液 中的纳米多孔材料中产生， 这为纳米多孔材料电化学致动器的实际应用提供了足够的材料 强度和刚度， 使其在人工肌肉以及人工智能技术中引起了 极大的关注。 但相比于实验观察， 对电化学致动现象的微观计算模拟和宏观理论建模计算的研究极少。 电化学致动特性是由 材料表面电荷改变或原子离子的表面吸附， 以及与固液界面处电解质溶液的相互作用而产 生的。 至今为止， 在特定条件下表面应力应变和电化学参量间的比值关系 方面仍然缺少 显 式的本构函数关系。 研究在任何给定外加电极电势下， 材料 的变形与材料力学性质及其结 构参量间的关系， 可以推动纳米多孔材料连续电化学致动现象的宏观模拟， 为电化学致动 性能的优化 提供基础。 [0003]因此， 基于实验现象和电子原子尺度的大规模计算， 分析电化学致动现象发生的 机理， 建立宏观理论模型和材料结构模 型， 进行材料性能的计算模拟， 可以为材料及其结构 的优化提供重要参 考， 加速材 料和结构的筛 选， 降低实验成本 。 [0004]Tong‑Yi Zhang提出了表面本征应力模型， 明确 地描述了力学在纳米薄膜材料弛 豫分析中的作用， 系统的研 究了Au、 Ni、 Cu等纳米薄膜在拉伸、 压缩和弯曲下的杨氏模量和 Grüneisen参数， 还从理论上推导了与温度和尺 寸有关的弹性常数等解析公 式， 并已通过第 一性原理和分子动力学模拟得到验证。 发明内容 [0005]本发明的目的在于提供一种基于本构方程自动化构建和参数提取的跨尺度方法， 以克服现有技 术中的不足。 [0006]为实现上述目的， 本发明提供如下技 术方案： 本申请公开了一种基于本构 方程自动化构建和参数提取的跨尺度方法， 具体包括 如下步骤： S1、 分别计算块体金的双轴杨氏模量和薄膜金的表面双轴杨氏模量以及初始应 力； S2、 根据双轴杨氏模量、 表面双轴杨氏模量以及初始应力， 计算不同厚度薄膜金电 极在不同电荷下的表面原子层应变的大小， 得到电荷密度与表面原子层应变之间的关系 式；说　明　书 1/7 页 3 CN 115312133 A 3