MD原理与Lammps实例

1、Laboratory of Space Materials Science and Technology分子动力学模拟与 LAMMPS软件的使用李留辉2016.05Laboratory of Space Materials Science and Technology1.分子动力学模拟基础2.MD势函数3.LAMMPS软件简介4.LAMMPS运行实例主要内容Laboratory of Space Materials Science and TechnologyMD：根据描述原子间相互作用的势函数，求解经典牛顿运动方程，得到系统确定的运动轨迹1. 分子动力学模拟基础原子间作用势( )UU r(

2、)iiiU rrm FaLaboratory of Space Materials Science and TechnologyMD计算流程图Laboratory of Space Materials Science and TechnologyNewton 运动方程的数值求解：有限差分1、Verlet、 Velocity-Verlet、Leap-Frog算法2、Gear预测校正算法 微正则系综 (NVE) 孤立体系 正则系综 (NVT) 温度恒定 等温等压系综 (NPT) 温度和压力恒定MD中的系综 (Ensemble)温度标定：Laboratory of Space Materials S

3、cience and TechnologyMD中的结构表征1、双体分布函数 (Pair Distribution Function)局域原子数密度与平均数密度之比 2,( )4in r rrg rr N r1,min204( )rcNnr g r dr配位数3、键对分析技术 (Pair Analysis)区分不同的团簇结构 2、结构因子S(q) ,1( )expiji jS qiq rN q：倒易空间矢量 Laboratory of Space Materials Science and Technology原子扩散表面、界面、缺陷晶体生长、 固态相变熔化、凝固、非晶形成力学性质声子、热力学性

4、质密度、膨胀系数焓、比热表面张力、粘度、扩散系数熔点、熔化热MD的应用热物理性质Laboratory of Space Materials Science and Technology2. MD 势函数对势：Lennard-Jones、Morse多体势1EAM、Finnis-Sinclair, Extended FSSMA-TB、Smoothed SMA-TBJohnson、Mishin、Zhou 考虑角度效应111( )2NNNijijiiij jiiUurF ijijj irMEAM / 2NN-MEAM Stillinger-Weber、TersoffBond-Order potenti

5、al对势项多体项电子密度：1 J. H. Li, et al, Physics Reports, 2008, 455:1-134Laboratory of Space Materials Science and TechnologyLennard-Jones势:126( )4u rrr：势阱深度；：u0 时的原子间距Fij = ?rm= ?缺点：无方向性，没有考虑多体项，不适合大多数金属Laboratory of Space Materials Science and TechnologyFinnis-Sinclair势Laboratory of Space Materials Science

6、 and Technology两个孤立 Ni-Ni 原子的 FS 势Run FS.m using Matlab/Scilab/FreeMat/Octave Laboratory of Space Materials Science and TechnologyMEAM1总能量嵌入能电荷密度1 M. I. Baskes, Physical Review B, 1992, 46:2727-2742Laboratory of Space Materials Science and Technology3. LAMMPS软件简介Large-scale Atomic/Molecular Massivel

7、y Parallel Simulator超大规模原子/分子并行模拟器官网：/开源，可下载源程序或二进制文件Laboratory of Space Materials Science and Technology发表论文实例：Laboratory of Space Materials Science and Technology模拟对象：原子，金属，聚合物，生物分子，粒状和粗粒化体系计算体系：小至几个粒子，大到上百万甚至上亿个粒子运行平台：单个处理器的 PC，多处理器并行计算机功能和优点：可以串行或并行计算开源，高移植性C+语言编写可以方便的扩展，增

8、加新功能自定义变量和方程一个输入脚本实现一个或多个模拟任务Laboratory of Space Materials Science and Technology力场：(pair/bond/angle/dihedral/improper/kspace style)对势：L-J, Buckingham, Morse, Yukawa 多体势：EAM, Finnis-Sinclair EAM, MEAM, Stillinger-Weber, Tersoff水势能：TIP3P，TIP4P，SPC长程库伦力：Ewald, Wolf, PPPM化学：CHARMM，AMBER，OPLS，GROMACS相兼容

9、的力场GPU 加速的势函数系综：NVE，NVT，NPT，NPH约束条件，边界条件：(fix命令)二维/三维体系，正交/非正交空间不同的温度和压力控制非平衡分子动力学 (NEMD)Laboratory of Space Materials Science and Technology原子创建：(命令：read_data, lattice, create-atoms, delete, replicate)从文件中读入原子坐标在一个或多个晶格中创建原子删除、复制、替换输出：(命令：dump, restart)原子的位置、速度、加速度，能量、压力等每个原子的时间与空间平均用户自定义变量原子图像：XYZ

10、，XTC，DCD，CFG格式二进制续算文件Laboratory of Space Materials Science and TechnologyLAMMPS不具备的功能：图形用户界面创建分子体系自动施加力场参数MD的可视化和输出数据作图数据的前/后处理：Tools中提供了一系列前/后处理工具其它分子动力学软件包：DL_POLY、GULPCHARMM、AMBER、NAMD、NWCHEM、Tinker高质量的可视化工作：VMD、Ovito、AtomEyePymol、Raster3d、RasMolLaboratory of Space Materials Science and Technolog

11、yBenchmarks：测试任务bin：可执行程序Doc：使用手册Examples：简单的例子Potentials：势函数文件License、README以下两个由源程序包解压后才有：Src：源代码Tools：前、后处理工具LAMMPS Windows 版发行包Laboratory of Space Materials Science and Technology4. LAMMPS运行实例用 EAM 势模拟 Cu 的凝固安装 Lammps 软件Win + r 键，打开运行窗口；输入 cmd，回车，进入命令提示符cd /d d:lmpCuCooling (切换至工作目录)lmp -in cool

12、ing.in (串行执行)mpiexec -localonly 4 lmp -in cooling.in (4核并行)Cu：晶格结构：FCC，4 atoms / cell晶格常数：3.615 构建 666 超晶胞，共 864 atoms，lx = ly = lz = 21.69 Laboratory of Space Materials Science and Technology注释输出文件单位边界条件创建FCC晶格填充原子势函数时间步长输出间隔邻域更新变量定义脚本文件Laboratory of Space Materials Science and Technology定义计算的物理量速度

13、初始化输出数据和坐标初始平衡过程计算PDF计算MSD降温过程结束计算Laboratory of Space Materials Science and Technology运行窗口Laboratory of Space Materials Science and TechnologyCuCooling.log 日志文件Benchmark: i7-3770K 4.1GHz, 1 core running 23.0 s i5-3320M 3.1GHz, 1 core running 31.8 sLaboratory of Space Materials Science and Technology

14、原子结构的可视化：Ovito 或 VMDOvito软件界面Laboratory of Space Materials Science and TechnologyCu 的原子构型：(左) t = 0；(右) t = 16 psLaboratory of Space Materials Science and Technology输出数据文件步数 温度 势能 总能量 压强 体积控制脚本文件计算结果分析Laboratory of Space Materials Science and Technology总能量玻璃转变温度：Tg 1000 KpHCT比热：单位换算：eV/atom J/molp0, H = U+pV ULaboratory of Space Materials Science and Technology均方位移