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1、分子动力学模拟与 LAMMPS软件的使用,李留辉,2016.05,分子动力学模拟基础MD势函数LAMMPS软件简介LAMMPS运行实例,主要内容,MD：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,MD计算流程图,Newton 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：,MD中的结构表征,1、双体分布
2、函数(Pair Distribution Function),局域原子数密度与平均数密度之比,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),q：倒易空间矢量,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,2.MD 势函数,对势：Lennard-Jones、Morse,多体势1,EAM、Finnis-Sinclair,Extended FSSMA-TB、Smoothed SMA-TBJohnson、Mishin、Zhou
3、,考虑角度效应,MEAM/2NN-MEAM Stillinger-Weber、TersoffBond-Order potential,对势项,多体项,电子密度：,1 J.H.Li,et al,Physics Reports,2008,455:1-134,Lennard-Jones势:,e：势阱深度；s：u=0 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,Finnis-Sinclair势,两个孤立 Ni-Ni 原子的 FS 势,Run FS.m using Matlab/Scilab/FreeMat/Octave,MEAM1,总能量,嵌入能,电荷密度,1
4、M.I.Baskes,Physical Review B,1992,46:2727-2742,3.LAMMPS软件简介,Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator超大规模原子/分子并行模拟器,官网：http:/lammps.sandia.gov/,开源，可下载源程序或二进制文件,发表论文实例：,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，增加新
5、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,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
6、交空间不同的温度和压力控制非平衡分子动力学(NEMD),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，XTC，DCD，CFG格式二进制续算文件,LAMMPS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、
7、GULPCHARMM、AMBER、NAMD、NWCHEM、Tinker,高质量的可视化工作：VMD、Ovito、AtomEyePymol、Raster3d、RasMol,Benchmarks：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,4.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:lmp
8、CuCooling(切换至工作目录)lmp-in cooling.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,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,定义计算的物理量,速度初始化,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,运行窗口,CuCooling.log 日志文件,Benchmark:i7-
9、3770K 4.1GHz,1 core running 23.0 s i5-3320M 3.1GHz,1 core running 31.8 s,原子结构的可视化：Ovito 或 VMD,Ovito软件界面,Cu 的原子构型：(左)t=0；(右)t=16 ps,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,总能量,玻璃转变温度：Tg 1000 K,比热：,单位换算：eV/atom J/mol,p0,H=U+pV U,均方位移(MSD):,对二元合金，由 MSD 的斜率可得到自扩散系数 DA、DB根据 Darken 定律，互扩散系数为：Dalloy=xBDA+xADB,PDF:,图中 PDF 第二峰劈裂为两个峰，通常是非晶形成的标志,谢谢各位老师和同学！,
