md原理與lammps實(shí)例

1、分子動(dòng)力學(xué)模擬與 LAMMPS軟件的使用,李留輝,2016.05,分子動(dòng)力學(xué)模擬基礎(chǔ)MD勢(shì)函數(shù)LAMMPS軟件簡(jiǎn)介L(zhǎng)AMMPS運(yùn)行實(shí)例,主要內(nèi)容,MD：根據(jù)描述原子間相互作用的勢(shì)函數(shù)，求解經(jīng)典牛頓運(yùn)動(dòng)方程，得到系統(tǒng)確定的運(yùn)動(dòng)軌跡,1. 分子動(dòng)力學(xué)模擬基礎(chǔ),原子間作用勢(shì),MD計(jì)算流程圖,,Newton 運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值求解：有限差分,1、Verlet、 Velocity-Verlet、Leap-Frog算法,2、Gear預(yù)測(cè)－校

2、正算法,,微正則系綜 (NVE) —— 孤立體系,正則系綜 (NVT) —— 溫度恒定,等溫等壓系綜 (NPT) —— 溫度和壓力恒定,MD中的系綜 (Ensemble),溫度標(biāo)定：,~,MD中的結(jié)構(gòu)表征,1、雙體分布函數(shù) (Pair Distribution Function),局域原子數(shù)密度與平均數(shù)密度之比,,,配位數(shù),3、鍵對(duì)分析技術(shù) (Pair Analysis),區(qū)分不同的團(tuán)簇結(jié)構(gòu),2、結(jié)構(gòu)因子S(q),q：倒易空間矢量,原

3、子擴(kuò)散表面、界面、缺陷晶體生長(zhǎng)、 固態(tài)相變?nèi)刍?、凝固、非晶形成力學(xué)性質(zhì)聲子、熱力學(xué)性質(zhì),密度、膨脹系數(shù)焓、比熱表面張力、粘度、擴(kuò)散系數(shù)熔點(diǎn)、熔化熱,MD的應(yīng)用,熱物理性質(zhì),2. MD 勢(shì)函數(shù),對(duì)勢(shì)：Lennard-Jones、Morse,多體勢(shì)[1],,EAM、Finnis-Sinclair, Extended FSSMA-TB、Smoothed SMA-TBJohnson、Mishin、Zhou ……,考慮角度效

4、應(yīng),,MEAM / 2NN-MEAM Stillinger-Weber、TersoffBond-Order potential,對(duì)勢(shì)項(xiàng),多體項(xiàng),電子密度：,[1] J. H. Li, et al, Physics Reports, 2008, 455:1-134,Lennard-Jones勢(shì):,e：勢(shì)阱深度；s：u=0 時(shí)的原子間距,Fij = ?rm= ?,缺點(diǎn)：無(wú)方向性，沒(méi)有考慮多體項(xiàng)，不適合大多數(shù)金屬,Finnis-Sinc

5、lair勢(shì),兩個(gè)孤立 Ni-Ni 原子的 FS 勢(shì),Run FS.m using Matlab/Scilab/FreeMat/Octave …,MEAM[1],總能量,嵌入能,電荷密度,[1] M. I. Baskes, Physical Review B, 1992, 46:2727-2742,3. LAMMPS軟件簡(jiǎn)介,Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulato

6、r超大規(guī)模原子/分子并行模擬器,官網(wǎng)：http://lammps.sandia.gov/,,開(kāi)源，可下載源程序或二進(jìn)制文件,發(fā)表論文實(shí)例：,模擬對(duì)象：原子，金屬，聚合物，生物分子，粒狀和粗?；w系計(jì)算體系：小至幾個(gè)粒子，大到上百萬(wàn)甚至上億個(gè)粒子運(yùn)行平臺(tái)：?jiǎn)蝹€(gè)處理器的 PC，多處理器并行計(jì)算機(jī),功能和優(yōu)點(diǎn)：可以串行或并行計(jì)算開(kāi)源，高移植性C++語(yǔ)言編寫(xiě)可以方便的擴(kuò)展，增加新功能自定義變量和方程一個(gè)輸入腳本實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)模擬

7、任務(wù),力場(chǎng)：(pair/bond/angle/dihedral/improper/kspace style)對(duì)勢(shì)：L-J, Buckingham, Morse, Yukawa 多體勢(shì)：EAM, Finnis-Sinclair EAM, MEAM, Stillinger-Weber, Tersoff水勢(shì)能：TIP3P，TIP4P，SPC長(zhǎng)程庫(kù)倫力：Ewald, Wolf, PPPM化學(xué)：CHARMM，AMBER，OPLS，GRO

8、MACS相兼容的力場(chǎng)GPU 加速的勢(shì)函數(shù),系綜：NVE，NVT，NPT，NPH約束條件，邊界條件：(fix命令)二維/三維體系，正交/非正交空間不同的溫度和壓力控制非平衡分子動(dòng)力學(xué) (NEMD),原子創(chuàng)建：(命令：read_data, lattice, create-atoms, delete, replicate)從文件中讀入原子坐標(biāo)在一個(gè)或多個(gè)晶格中創(chuàng)建原子刪除、復(fù)制、替換,輸出：(命令：dump, restar

9、t)原子的位置、速度、加速度，能量、壓力等每個(gè)原子的時(shí)間與空間平均用戶自定義變量原子圖像：XYZ，XTC，DCD，CFG格式二進(jìn)制續(xù)算文件,LAMMPS不具備的功能：圖形用戶界面創(chuàng)建分子體系自動(dòng)施加力場(chǎng)參數(shù)MD的可視化和輸出數(shù)據(jù)作圖,數(shù)據(jù)的前/后處理：Tools中提供了一系列前/后處理工具,其它分子動(dòng)力學(xué)軟件包：DL_POLY、GULPCHARMM、AMBER、NAMD、NWCHEM、Tinker,高質(zhì)量的可視化

10、工作：VMD、Ovito、AtomEyePymol、Raster3d、RasMol,Benchmarks：測(cè)試任務(wù)bin：可執(zhí)行程序Doc：使用手冊(cè)Examples：簡(jiǎn)單的例子Potentials：勢(shì)函數(shù)文件License、README以下兩個(gè)由源程序包解壓后才有：Src：源代碼Tools：前、后處理工具,LAMMPS Windows 版發(fā)行包,4. LAMMPS運(yùn)行實(shí)例,用 EAM 勢(shì)模擬 Cu 的凝固安裝

11、 Lammps 軟件Win + r 鍵，打開(kāi)運(yùn)行窗口；輸入 cmd，回車(chē)，進(jìn)入命令提示符cd /d d:\lmp\CuCooling (切換至工作目錄)lmp -in cooling.in (串行執(zhí)行)mpiexec -localonly 4 lmp -in cooling.in (4核并行)Cu：晶格結(jié)構(gòu)：FCC，4 atoms / ce

12、ll晶格常數(shù)：3.615 Å構(gòu)建 6×6×6 超晶胞，共 864 atoms，lx = ly = lz = 21.69 Å,注釋,輸出文件單位邊界條件,創(chuàng)建FCC晶格,填充原子,勢(shì)函數(shù),時(shí)間步長(zhǎng)輸出間隔鄰域更新,變量定義,腳本文件,定義計(jì)算的物理量,速度初始化,輸出數(shù)據(jù)和坐標(biāo),初始平衡過(guò)程,計(jì)算PDF,計(jì)算MSD,降溫過(guò)程,結(jié)束計(jì)算,運(yùn)行窗口,,CuCooling.log 日志文件,B

13、enchmark: i7-3770K @4.1GHz, 1 core running 23.0 s i5-3320M @3.1GHz, 1 core running 31.8 s,原子結(jié)構(gòu)的可視化：Ovito 或 VMD,Ovito軟件界面,Cu 的原子構(gòu)型：(左) t = 0；(右) t = 16 ps,輸出數(shù)據(jù)文件,,步數(shù) 溫度 勢(shì)能

14、總能量 壓強(qiáng) 體積,控制腳本文件,計(jì)算結(jié)果分析,總能量,玻璃轉(zhuǎn)變溫度：Tg ~ 1000 K,比熱：,單位換算：eV/atom — J/mol,p~0, H = U+pV ~ U,均方位移 (MSD):,對(duì)二元合金，由 MSD 的斜率可得到自擴(kuò)散系數(shù) DA 、DB根據(jù) Darken 定律，互擴(kuò)散系數(shù)為：Dalloy = xBDA + xADB,PDF:,,圖中 PDF 第二峰劈裂為兩個(gè)