LAMMPS软件与分子模拟的实现ppt课件.ppt

补充内容Lammps与分子动力学 常用模拟软件Lammps功能和原理经典范例 1 1 常用的MD模拟软件 NAMD 免费主要针对与生物和化学软材料体系 程序设计水平高 计算效率高 有很好的分析辅助软件VMD AMBER主要针对生物体系 也适当兼容一般化学分子 有很好的内置势能模型 自定义新模型和新分子很方便 有很完善的维护网站 计算效率不高运算速度慢 CHARMM主要针对生物体系 也包含部分化学体系 势能模型更新很快自定义新模型比较方便 计算效率低 2 GROMACS免费主要针对生物体系 也适当照顾一般化学体系 算法好 计算效率高 界面友好 维护服务好 TINKER免费一般性分子动力学软件 对生物体系略有偏重 优点支持多种模型 仍在开发中 某些方面还不完善 DL POLY一般性分子模拟软件 界面友好 计算效率高 维护服务很好 MaterialsStudio 3 LAMMPS免费一般性分子模拟软件 兼容当前大多数的势能模型 编程水平高 计算效率高 可以模拟软材料和固体物理系统 MaterialsExplorer立足于Windows平台的多功能分子动力学软件 拥有强大的分子动力学计算及MonteCarlo软件包 是结合应用领域来研究材料工程的有力工具 MaterialsExplorer可以用来研究有机物 高聚物 生物大分子 金属 陶瓷材料 半导体等晶体 非晶体 溶液 流体 液体和气体相变 膨胀 压缩系数 抗张强度 缺陷等 MaterialsExplorer软件中包含2Body 3Body EAM AMBER等63个力场可供用户选择 MaterialsExplorer软件拥有完美的图形界面 方便使用者操作 4 2 Lammps功能和原理 Lammps初识Lammps的功能Lammps的原理Lammps的特点Lammps的应用 5 Lammps初识 Lammps程序是一个经典分子动力学计算程序 全称Large scaleAtomic MolecularMassivelyParallelSimulator官方网址 http lammps sandia gov 国内交流论坛 http www mdbbs org 6 Lammps的功能 能 features 一般意义 并行化 可扩充 脚本化输入 接口化编译 专门意义 能建模原子类型 有什么力场 有那些原子操作 如何设置系综 边界 约束 积分方法 输出控制 前后图形处理 以及具有一些什么特色功能 不能 non features 非图形化界面 不能自动建立分子结构模型和分配力场参数 不具有复杂的分析的手段 不能可视化输出结果补救 Pizza py工具包 用于建模和分析以及可视化 但是功能不够强大 必须一些其他前后处理软件 几何建模 物理建模 可视化分析 结合使用 接口方法 7 Lammps的基本原理 编写 输入模拟程序 运行模拟 可视化 结果分析 输出结果 8 Lammps输入文件的主要组成部分 InitializationAtomdefinitionSettingsRunasimulation 后面的两个部分可以按照需要多次重复 9 Lammps软件目前的特点 从势场角度看 建模软物质 生物分子 聚合物 固态材料 金属 半导体 以及粗粒子和介观材料 更一般的说是lammps程序是用来建模原子 介观 连续尺度物质以及其在热 力学 化学条件下的性质的模拟软件 因此是系统化方法 Lammps程序运行环境 单CPU和多CPU 采用的是消息响应和模拟域的空间分解并行机制 Lammps程序代码共享和模块化设计 具有功能易于扩充的特性 新版采用C C 语言书写 周期性发布 以日期为为准 不断更新一些bug和增加一些功能 脚本语言应用开发 美国能源部下属的圣地亚国家实验室发布 主要作者 StevePlimpton AidanThompson andPaulCrozier网上邮件组可以解决和及时交流 10 Lammps软件入门 明确自己的问题和方向 选择正确的工具要做的是什么问题 属于物理 化学 力学 材料 还是都有 能否具体到希望要作出什么结果 实验和理论上是否有相似的研究 再看问题是否适合lammps程序 是否有别的程序可以替代选择或者联合选择 计算环境搭建可行性分析现有计算机条件 硬件水平决定模拟的规模是否有相关的支持 软件环境团队学习的重要 交流是非常重要学习一点分子动力学基础物理学基础 原子论 量子论 简单的数学材料学基础 结构化材料 晶体理论统计力学基础 热力学知识 统计分布专业基础 热流热导分析 应力分析 辐射损伤分析 蛋白质计算机基础 程序学习和改进 编程和硬件识别 11 如何利用好Lammps手册 求人不如求己准备一份纸版 一份电子版放置在桌面 养成良好的学习习惯几个章节必须看 1 1 2 3 2 2 3 5 6 7 3 1 2 3 4 all 读做例子有感觉 melt crack shear 错误信息自己找 完美的错误提示信息 随手整理做记录命令学习 工具体现 命令名称 基本上告诉你意义书写格式 脚本语言的特色格式选项说明 严格遵守 最好理解含义范例书写 有助于自己写脚本注意事项 特别的地方相关命令 命令分类学习 比如输入有那些方式 势函数定义有哪几类 12 Lammps常见命令 unitdimensionnewtonprocessorsboundaryatomstyleatommodifyatomtype 选择单位系统 L J real metal 2Dor3D 默认是3D 边界条件 周期性边界or自由边界 定义你的模拟体系中的原子属性 告诉lammps在你的模拟中使用何种力场 pair style bond style angle style dihedral style improper style 13 Lammps软件的应用 应用步骤 程序安装安装平台环境 考虑不同的操作系统 是否并行计算 简单易行的安装Windows下 命令行执行方式Linux下 编译选择项几个关键点 编译器的选择 并行库的位置 相关库的位置应用步骤 实例学习输入脚本格式书写 3 1节内容 积木式搭建分块命令学习方法 几何模型构建 atom style boundary dimension unitscreate atoms create box lattice read data read restart region replicate物理模型构建 angle coeff angle style bond coeff bond style dielectric dihedral coeff过程模型构建 Fix isanyoperationthatisappliedtothesystemduringtimesteppingorminimization Examplesincludeupdatingofatompositionsandvelocitiesduetotimeintegration controllingtemperature applyingconstraintforcestoatoms enforcingboundaryconditions computingdiagnostics etc 输出模型构建 compute过程计算量 热力学输出量 全局量 局部表征量 单个原子 组原子 14 3 经典范例 使用L J势模拟裂纹的扩展使用EAM势模拟Ni的剪切行为Cu Ni等金属的凝固过程模拟表面能计算 15 A 使用L J势模拟裂纹的扩展 裂纹 lower upper leftupper leftlower x y 16 Lammps计算输入文件 2dLJcracksimulation 问题的基本初始化 dimension2 2维分子动力学模拟boundaryssp x y方向不存在周期边界条件 z方向周期边界条件 atom styleatomic 原子类型 金属 Neighbor0 3bin 建近邻表参数 rc 0 3 bin表示为近邻表类型 neigh modifydelay5 间隔多少载荷步重新形成近邻表 17 Lammps计算输入文件 creategeometry创建初始几何构形Latticehex0 93 指定晶格类型 二维hex 和晶格常数Regionboxblock0100040 0 250 25 定义一个区域create box5box 在指定区域建立一个simulationbox 5表示原子类型的种类数create atoms1box 在simulationbox中创建类型为1的原子 原子位置初始化 Mass11 0Mass21 0Mass31 0Mass41 0Mass51 0 指定单个原子的质量 18 Lammps计算输入文件 LJpotentials 指定原子作用势 pair stylelj cut2 5 指定lj势 截断半径为2 5pair coeff 1 01 02 5 指定lj势参数 definegroups 便于加载 Region1blockINFINFINF1 25INFINFGrouplowerregion1 定义lower组 便于施加外加速度 Region2blockINFINF38 75INFINFINFGroupupperregion2 定义upper组 便于施加外加速度 Groupboundaryunionlowerupper 定义总边界组Groupmobilesubtractallboundary 定义可动原子组 便于统计温度 19 Lammps计算输入文件 regionleftupperblockINF2020INFINFINFregionleftlowerblockINF20INF20INFINFgroupleftupperregionleftuppergroupleftlowerregionleftlower 定义左上 左下原子组 便于指定裂纹的存在 setgroupleftuppertype2setgroupleftlowertype3setgrouplowertype4setgroupuppertype5 指定原子类型 便于指定裂纹的存在 20 Lammps计算输入文件 initialvelocities初始化速度computenewmobiletemp 定义温度的计算 可动区域内统计平均 computenew2mobilestress atom 定义原子应力的计算 整个区域 Velocitymobilecreate0 01887723tempnew 按指定的温度 0 01 计算方法 初始化原子的速度Velocityupperset0 00 30 0 upper原子组y方向的速度为0 3Velocitymobilerampvy0 00 3y1 2538 75sumyes mobile原子的速初始度从0到0 3线性变化 fixes施加约束fix1allnve nve系综的积分算法fix2boundarysetforceNULL0 00 0 边界boundary上力条件 钢化原子 便于加载 21 Lammps计算输入文件 run运行计算timestep0 003 时间间隔步Thermo200 每200步输出热动力学统计量thermo modifytempnew 计算温度通过new指示的方法计算neigh modifyexcludetype23 原子2 3之间作用取消 也就是通过不使他们在近邻表中出现实现 Dump1allatom500dump crack 每隔500步将原子信息写入文件dump crackDump2mobilecustom500dump2 cracktagxyzc new2 2 run5000 进行5000步的模拟 22 B 使用EAM势模拟Ni的剪切行为 Z x Y y z 23 3dmetalshearsimulation3维金属剪切模拟Unitsmetal 采用金属材料单位boundaryssp 施加z方向的周期边界条件atom styleatomic 定义原子之间的相互作用 没有键键作用 Latticefcc3 52 指定晶格为fcc 晶格常数3 52埃Regionboxblock016 0010 002 828427 定义区域box x上下限 y上下限 z上下限 create box3box 在box区域内创建包含3种原子类型的simulationbox Lammps计算输入文件 24 Lammps计算输入文件 Latticefcc3 52orientx100orienty011orientz 0 11origin0 500 指定晶格类型 晶格常数 x y z坐标的晶向 续行符 晶胞的起始点 0 5表示半个晶格常数 create atoms1box 在box区域内建立类型为1的原子pair styleeam 定义原子之间作用势为嵌入原子势pair coeff Ni u3 eam 指定嵌入势参数文件 25 Lammps计算输入文件 neighbor0 3bin 指定原子近邻列表参数rc r1中的r1neigh modifydelay5 指定近邻表更新频率regionlowerblockINFINFINF0 9INFINFregionupperblockINFINF6 1INFINFINFgrouplowerregionlowergroupupperregionuppergroupboundaryunionlowerupper 指定边界组 用于施加边界条件groupmobilesubtractallboundary 指定可动部分组 用于计算温度 26 Lammps计算输入文件 setgrouplowertype2setgroupuppertype3 设置原子类型lower为2 upper为3Computenew3dmobiletemp 设定温度计算new3dComputenew2dmobiletemp partial011 设定温度计算new2d 忽略x方向速度computenew1dallstress atom 设定原子应力计算 27 Velocitymobilecreate300 05812775tempnew3d 初始化mobile区域原子的速度 使new3d方法计算的温度为300k Fix1allnve 使系综为nve系综 同时确定了方程的积分方法Fix2boundarysetforce0 00 00 0 使边界上原子x y z方向的受力均为0Fix3mobiletemp rescale10300 0300 010 01 0 使用直接调温法 每10步准备调一次 如果在300 10k内不调 如调的话要求其范围在300 1k之内fix modify3tempnew3d fix3调温时采用new3d的计算方案 Lammps计算输入文件 28 Lammps计算输入文件 以下为弛豫过程thermo25 每25步在屏幕上打印热动力学统计量thermo modifytempnew3d 输出的温度按new3d方案计算timestep0 001 时间步长为0 001psrun100 弛豫100个载荷步 29 Lammps计算输入文件 以下为剪切加载velocityupperset1 000 上边界原子施加x方向的速度velocitymobilerampvx0 01 0y1 48 6sumyes 在y 1 4 8 6 区域定义0 1之间的vx插值速度 该速度累加到弛豫的速度上Unfix3 释放弛豫时候的温度约束3fix3mobiletemp rescale10300 0300 010 01 0 重新施加温度调控约束3fix modify3tempnew2d 温度的计算采用new2d计算方案 30 Lammps计算输入文件 以下为剪切计算Dump1allcustom100dump sheartagtype xyzc new2 4 每100步输出 c new1d 4 为new1d计算的原子应力thermo100thermo modifytempnew2d 每次输出屏幕上的温度按new2d方案计算reset timestep0 重新设当前为第0步run3