軟件與分子模擬的實(shí)現(xiàn)詳解

軟件與分子模擬的實(shí)現(xiàn)詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日優(yōu)選軟件與分子模擬的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日GROMACS免費(fèi)

主要針對(duì)生物體系，也適當(dāng)照顧一般化學(xué)體系。算法好，計(jì)算效率高。界面友好，維護(hù)服務(wù)好。TINKER免費(fèi)

一般性分子動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)生物體系略有偏重。優(yōu)點(diǎn)

支持多種模型。仍在開(kāi)發(fā)中，某些方面還不完善。DL-POLY

一般性分子模擬軟件，界面友好，計(jì)算效率高。維護(hù)服務(wù)很好。MaterialsStudio現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日LAMMPS免費(fèi)

一般性分子模擬軟件。

兼容當(dāng)前大多數(shù)的勢(shì)能模型，編程水平高，計(jì)算效率高?？梢阅M軟材料和固體物理系統(tǒng)。

MaterialsExplorer

立足于Windows平臺(tái)的多功能分子動(dòng)力學(xué)軟件。擁有強(qiáng)大的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算及MonteCarlo軟件包，是結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)研究材料工程的有力工具。MaterialsExplorer可以用來(lái)研究有機(jī)物、高聚物、生物大分子、金屬、陶瓷材料、半導(dǎo)體等晶體、非晶體、溶液，流體，液體和氣體相變、膨脹、壓縮系數(shù)、抗張強(qiáng)度、缺陷等。MaterialsExplorer軟件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63個(gè)力場(chǎng)可供用戶(hù)選擇。MaterialsExplorer軟件擁有完美的圖形界面，方便使用者操作。現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日2.Lammps功能和原理

Lammps初識(shí)

Lammps的功能

Lammps的原理

Lammps的特點(diǎn)

Lammps的應(yīng)用現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps初識(shí)Lammps程序是一個(gè)經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序。全稱(chēng)Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator官方網(wǎng)址：/

國(guó)內(nèi)交流論壇：現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps的功能能（features）一般意義（并行化，可擴(kuò)充，腳本化輸入，接口化編譯）專(zhuān)門(mén)意義（能建模原子類(lèi)型，有什么力場(chǎng)，有那些原子操作，如何設(shè)置系綜/邊界/約束，積分方法，輸出控制，前后圖形處理，以及具有一些什么特色功能）不能（non-features）-非圖形化界面，不能自動(dòng)建立分子結(jié)構(gòu)模型和分配力場(chǎng)參數(shù)，不具有復(fù)雜的分析的手段，不能可視化輸出結(jié)果補(bǔ)救：Pizza.py工具包，用于建模和分析以及可視化，但是功能不夠強(qiáng)大。必須一些其他前后處理軟件（幾何建模，物理建模，可視化分析）結(jié)合使用，接口方法?，F(xiàn)在是7頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps的基本原理編寫(xiě)、輸入模擬程序運(yùn)行模擬可視化結(jié)果分析輸出結(jié)果現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps輸入文件的主要組成部分InitializationAtomdefinitionSettingsRunasimulation后面的兩個(gè)部分可以按照需要多次重復(fù)。現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps軟件目前的特點(diǎn)從勢(shì)場(chǎng)角度看：建模軟物質(zhì)（生物分子，聚合物），固態(tài)材料（金屬，半導(dǎo)體），以及粗粒子和介觀材料。更一般的說(shuō)是lammps程序是用來(lái)建模原子/介觀/連續(xù)尺度物質(zhì)以及其在熱、力學(xué)、化學(xué)條件下的性質(zhì)的模擬軟件，因此是系統(tǒng)化方法。Lammps程序運(yùn)行環(huán)境：?jiǎn)蜟PU和多CPU，采用的是消息響應(yīng)和模擬域的空間分解并行機(jī)制。Lammps程序代碼共享和模塊化設(shè)計(jì)，具有功能易于擴(kuò)充的特性。新版采用C/C++語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)，周期性發(fā)布，以日期為為準(zhǔn)，不斷更新一些bug和增加一些功能。腳本語(yǔ)言應(yīng)用開(kāi)發(fā)。美國(guó)能源部下屬的圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布，主要作者：StevePlimpton,AidanThompson,andPaulCrozier網(wǎng)上郵件組可以解決和及時(shí)交流現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps軟件入門(mén)明確自己的問(wèn)題和方向，選擇正確的工具要做的是什么問(wèn)題，屬于物理，化學(xué)，力學(xué)，材料，還是都有？能否具體到希望要作出什么結(jié)果？實(shí)驗(yàn)和理論上是否有相似的研究？再看問(wèn)題是否適合lammps程序？是否有別的程序可以替代選擇或者聯(lián)合選擇？計(jì)算環(huán)境搭建可行性分析現(xiàn)有計(jì)算機(jī)條件:

硬件水平?jīng)Q定模擬的規(guī)模是否有相關(guān)的支持：軟件環(huán)境團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的重要：交流是非常重要學(xué)習(xí)一點(diǎn)分子動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)基礎(chǔ)：原子論，量子論，簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)材料學(xué)基礎(chǔ)：結(jié)構(gòu)化材料，晶體理論統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)：熱力學(xué)知識(shí)，統(tǒng)計(jì)分布專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)：熱流熱導(dǎo)分析，應(yīng)力分析，輻射損傷分析，蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)：程序?qū)W習(xí)和改進(jìn)，編程和硬件識(shí)別現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日如何利用好Lammps手冊(cè)？求人不如求己準(zhǔn)備一份紙版，一份電子版放置在桌面。養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣幾個(gè)章節(jié)必須看（1-1,2,3；2-2,3,5,6,7；3-1,2,3；4-all)讀做例子有感覺(jué)（melt，crack，shear）錯(cuò)誤信息自己找（完美的錯(cuò)誤提示信息）隨手整理做記錄命令學(xué)習(xí)（工具體現(xiàn)）命令名稱(chēng)：基本上告訴你意義書(shū)寫(xiě)格式：腳本語(yǔ)言的特色格式選項(xiàng)說(shuō)明：嚴(yán)格遵守，最好理解含義范例書(shū)寫(xiě)：有助于自己寫(xiě)腳本注意事項(xiàng)：特別的地方相關(guān)命令：命令分類(lèi)學(xué)習(xí)，比如輸入有那些方式，勢(shì)函數(shù)定義有哪幾類(lèi)？現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps常見(jiàn)命令unitdimensionnewtonprocessorsboundaryatomstyleatommodifyatomtype選擇單位系統(tǒng)，L-J、real、metal2Dor3D?默認(rèn)是3D邊界條件：周期性邊界or自由邊界？定義你的模擬體系中的原子屬性告訴lammps在你的模擬中使用何種力場(chǎng)？pair_style,bond_style,angle_style,dihedral_style,improper_style現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps軟件的應(yīng)用應(yīng)用步驟—程序安裝安裝平臺(tái)環(huán)境（考慮不同的操作系統(tǒng)，是否并行計(jì)算）簡(jiǎn)單易行的安裝Windows下：命令行執(zhí)行方式Linux下：編譯選擇項(xiàng)幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：編譯器的選擇；并行庫(kù)的位置，相關(guān)庫(kù)的位置應(yīng)用步驟--實(shí)例學(xué)習(xí)輸入腳本格式書(shū)寫(xiě)：3-1節(jié)內(nèi)容，積木式搭建分塊命令學(xué)習(xí)方法：

幾何模型構(gòu)建：atom_style,boundary,dimension，unitscreate_atoms,create_box,lattice,read_data,read_restart,region,replicate

物理模型構(gòu)建：angle_coeff,angle_style,bond_coeff,bond_style,dielectric,dihedral_coeff

過(guò)程模型構(gòu)建：Fix：isanyoperationthatisappliedtothesystemduringtimesteppingorminimization.Examplesincludeupdatingofatompositionsandvelocitiesduetotimeintegration,controllingtemperature,applyingconstraintforcestoatoms,enforcingboundaryconditions,computingdiagnostics,etc.

輸出模型構(gòu)建：compute過(guò)程計(jì)算量，熱力學(xué)輸出量（全局量），局部表征量（單個(gè)原子、組原子）現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日3.經(jīng)典范例使用L-J勢(shì)模擬裂紋的擴(kuò)展使用EAM勢(shì)模擬Ni的剪切行為Cu、Ni等金屬的凝固過(guò)程模擬表面能計(jì)算現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日A.使用L-J勢(shì)模擬裂紋的擴(kuò)展裂紋lowerupperleftupperleftlowerxy現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件#2dLJcracksimulation(問(wèn)題的基本初始化)dimension 2#2維分子動(dòng)力學(xué)模擬boundary ssp#x,y方向不存在周期邊界條件，z方向周期邊界條件。atom_style atomic#原子類(lèi)型（金屬）Neighbor0.3bin#建近鄰表參數(shù)（rc+0.3）bin表示為近鄰表類(lèi)型。neigh_modifydelay5#間隔多少載荷步重新形成近鄰表現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件#creategeometry創(chuàng)建初始幾何構(gòu)形Latticehex0.93#指定晶格類(lèi)型（二維hex）和晶格常數(shù)Regionboxblock0100040-0.250.25#定義一個(gè)區(qū)域create_box 5box#在指定區(qū)域建立一個(gè)simulationbox,5表示原子類(lèi)型的種類(lèi)數(shù)create_atoms1box#在simulationbox中創(chuàng)建類(lèi)型為1的原子（原子位置初始化）Mass11.0Mass21.0Mass31.0Mass41.0Mass51.0#指定單個(gè)原子的質(zhì)量現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件#LJpotentials(指定原子作用勢(shì))pair_style lj/cut2.5#指定lj勢(shì)，截?cái)喟霃綖?.5pair_coeff**1.01.02.5#指定lj勢(shì)參數(shù)#definegroups（便于加載）Region1blockINFINFINF1.25INFINFGrouplowerregion1#定義lower組（便于施加外加速度）Region2blockINFINF38.75INFINFINFGroupupperregion2#定義upper組（便于施加外加速度）Groupboundaryunionlowerupper#定義總邊界組Groupmobilesubtractallboundary#定義可動(dòng)原子組（便于統(tǒng)計(jì)溫度）現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件region leftupperblockINF2020INFINFINFregion leftlowerblockINF20INF20INFINFgroup leftupperregionleftuppergroup leftlowerregionleftlower#定義左上、左下原子組（便于指定裂紋的存在）set groupleftuppertype2set groupleftlowertype3set grouplowertype4set groupuppertype5#指定原子類(lèi)型（便于指定裂紋的存在）現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件#initialvelocities初始化速度compute newmobiletemp#定義溫度的計(jì)算（可動(dòng)區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計(jì)平均）computenew2mobilestress/atom

#定義原子應(yīng)力的計(jì)算（整個(gè)區(qū)域）Velocitymobilecreate0.01887723tempnew#按指定的溫度（0.01）計(jì)算方法，初始化原子的速度Velocityupperset0.00.30.0#upper原子組y方向的速度為0.3Velocitymobilerampvy0.00.3y1.2538.75sumyes#mobile原子的速初始度從0到0.3線性變化#fixes施加約束fix 1allnve#nve系綜的積分算法fix 2boundarysetforceNULL0.00.0#邊界boundary上力條件，鋼化原子，便于加載??！現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件#run運(yùn)行計(jì)算timestep 0.003#時(shí)間間隔步Thermo200#每200步輸出熱動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)量thermo_modifytempnew#計(jì)算溫度通過(guò)new指示的方法計(jì)算neigh_modifyexcludetype23#原子2，3之間作用取消（也就是通過(guò)不使他們?cè)诮彵碇谐霈F(xiàn)實(shí)現(xiàn)）Dump1allatom500dump.crack#每隔500步將原子信息寫(xiě)入文件dump.crackDump2mobilecustom500dump2.cracktagxyzc_new2[2]run 5000#進(jìn)行5000步的模擬現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日B.使用EAM勢(shì)模擬Ni的剪切行為Z‘xY’<100><010><001><011><011>yz現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日#3dmetalshearsimulation3維金屬剪切模擬Unitsmetal#采用金屬材料單位boundary ssp#施加z方向的周期邊界條件atom_style atomic#定義原子之間的相互作用（沒(méi)有鍵鍵作用）Latticefcc3.52#指定晶格為fcc，晶格常數(shù)3.52埃Regionboxblock016.0010.002.828427#定義區(qū)域box（x上下限，y上下限，z上下限）create_box3box#在box區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建包含3種原子類(lèi)型的simulationboxLammps計(jì)算輸入文件現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件Latticefcc3.52orientx100orienty011orientz&0-11origin0.500#指定晶格類(lèi)型、晶格常數(shù)、x,y,z坐標(biāo)的晶向#&續(xù)行符、晶胞的起始點(diǎn)（0.5表示半個(gè)晶格常數(shù)）create_atoms1box#在box區(qū)域內(nèi)建立類(lèi)型為1的原子pair_style eam#定義原子之間作用勢(shì)為嵌入原子勢(shì)pair_coeff**Ni_u3.eam#指定嵌入勢(shì)參數(shù)文件現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件neighbor 0.3bin#指定原子近鄰列表參數(shù)rc+r1中的r1neigh_modifydelay5#指定近鄰表更新頻率region lowerblockINFINFINF0.9INFINFregion upperblockINFINF6.1INFINFINFgroup lowerregionlowergroup upperregionuppergroup boundaryunionlowerupper#指定邊界組，用于施加邊界條件group mobilesubtractallboundary#指定可動(dòng)部分組，用于計(jì)算溫度現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件set grouplowertype2set groupuppertype3#設(shè)置原子類(lèi)型lower為2，upper為3Computenew3dmobiletemp#設(shè)定溫度計(jì)算new3dComputenew2dmobiletemp/partial011#設(shè)定溫度計(jì)算new2d，忽略x方向速度computenew1dallstress/atom

#設(shè)定原子應(yīng)力計(jì)算現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Velocitymobilecreate300.05812775tempnew3d#初始化mobile區(qū)域原子的速度#使new3d方法計(jì)算的溫度為300k？？Fix1allnve#使系綜為nve系綜，同時(shí)確定了方程的積分方法Fix2boundarysetforce0.00.00.0#使邊界上原子x，y，z方向的受力均為0Fix3mobiletemp/rescale10300.0300.010.01.0#使用直接調(diào)溫法，每10步準(zhǔn)備調(diào)一次#如果在300+-10k內(nèi)不調(diào)#如調(diào)的話要求其范圍在300+-1k之內(nèi)fix_modify3tempnew3d#fix3調(diào)溫時(shí)采用new3d的計(jì)算方案Lammps計(jì)算輸入文件現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件#以下為弛豫過(guò)程thermo 25#每25步在屏幕上打印熱動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)量thermo_modifytempnew3d#輸出的溫度按new3d方案計(jì)算timestep 0.001#時(shí)間步長(zhǎng)為0.001psrun 100#弛豫100個(gè)載荷步現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期日Lammps計(jì)算輸入文件#以下為剪切加載velocity upperset1.000#上邊界原子施加x方向的速度velocity mobilerampvx0.01.0y1.48.6sumyes#在y[1.4,8.6]區(qū)域定義0，1之間的vx插值速度#該速度累加到弛豫的速度上Unfix3#釋放弛豫時(shí)候的溫度約束3fix 3mobilete