MD原理与Lammps实例

LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology分子动力学模拟与LAMMPS软件的使用李留辉2016.05LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology1.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LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyMD：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()UUr()iiiUrrmFaLaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyMD计算流程图LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyNewton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：~LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyMD中的结构表征1、双体分布函数(PairDistributionFunction)局域原子数密度与平均数密度之比2,()4inrrrgrrNr1,min204()rcNnrgrdr配位数3、键对分析技术(PairAnalysis)区分不同的团簇结构2、结构因子S(q),1()expijijSqiqrNq：倒易空间矢量LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology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LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology2.MD势函数对势：Lennard-Jones、Morse多体势[1]EAM、Finnis-Sinclair,ExtendedFSSMA-TB、SmoothedSMA-TBJohnson、Mishin、Zhou……考虑角度效应111()2NNNijijiiijjiiUurFijijjirMEAM/2NN-MEAMStillinger-Weber、TersoffBond-Orderpotential对势项多体项电子密度：[1]J.H.Li,etal,PhysicsReports,2008,455:1-134LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyLennard-Jones势:126()4urrr：势阱深度；：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LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyFinnis-Sinclair势LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology两个孤立Ni-Ni原子的FS势RunFS.musingMatlab/Scilab/FreeMat/Octave…LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyMEAM[1]总能量嵌入能电荷密度[1]M.I.Baskes,PhysicalReviewB,1992,46:2727-2742LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology3.LAMMPS软件简介Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator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LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology发表论文实例：LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology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LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology力场：(pair/bond/angle/dihedral/improper/kspacestyle)对势：L-J,Buckingham,Morse,Yukawa多体势：EAM,Finnis-SinclairEAM,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/非正交空间不同的温度和压力控制非平衡分子动力学(NEMD)LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology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LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyLAMMPS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、RasMolLaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyBenchmarks：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LAMMPSWindows版发行包LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology4.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/dd:\lmp\CuCooling(切换至工作目录)lmp-incooling.in(串行执行)mpiexec-localonly4lmp-incooling.in(4核并行)Cu：晶格结构：FCC，4atoms/cell晶格常数：3.615Å构建6×6×6超晶胞，共864atoms，lx=ly=lz=21.69ÅLaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology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LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology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LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology运行窗口LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyCuCooling.log日志文件Benchmark:i7-3770K@4.1GHz,1corerunning23.0si5-3320M@3.1GHz,1corerunning31.8sLaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology原子结构的可视化：Ovito或VMDOvito软件界面LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyCu的原子构型：(左)t=0；(右)t=16psLaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology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LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology总能量玻璃转变温度：Tg~1000KpHCT比热：单位换算：eV/atom—J/molp~0,H=U+pV~ULaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology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+xADBLaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnologyPDF:图中PDF第二峰劈裂为两个峰，通常是非晶形成的标志LaboratoryofSpaceMaterialsScienceandTechnology谢谢各位老师和同学！