md原理與lammps實例

1、分子動力學模擬與 LAMMPS軟件的使用,李留輝,2016.05,分子動力學模擬基礎MD勢函數(shù)LAMMPS軟件簡介LAMMPS運行實例,主要內(nèi)容,MD：根據(jù)描述原子間相互作用的勢函數(shù)，求解經(jīng)典牛頓運動方程，得到系統(tǒng)確定的運動軌跡,1. 分子動力學模擬基礎,原子間作用勢,MD計算流程圖,,Newton 運動方程的數(shù)值求解：有限差分,1、Verlet、 Velocity-Verlet、Leap-Frog算法,2、Gear預測－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、鍵對分析技術(shù) (Pair Analysis),區(qū)分不同的團簇結(jié)構(gòu),2、結(jié)構(gòu)因子S(q),q：倒易空間矢量,原

3、子擴散表面、界面、缺陷晶體生長、 固態(tài)相變?nèi)刍⒛?、非晶形成力學性質(zhì)聲子、熱力學性質(zhì),密度、膨脹系數(shù)焓、比熱表面張力、粘度、擴散系數(shù)熔點、熔化熱,MD的應用,熱物理性質(zhì),2. MD 勢函數(shù),對勢：Lennard-Jones、Morse,多體勢[1],,EAM、Finnis-Sinclair, Extended FSSMA-TB、Smoothed SMA-TBJohnson、Mishin、Zhou ……,考慮角度效

4、應,,MEAM / 2NN-MEAM Stillinger-Weber、TersoffBond-Order potential,對勢項,多體項,電子密度：,[1] J. H. Li, et al, Physics Reports, 2008, 455:1-134,Lennard-Jones勢:,e：勢阱深度；s：u=0 時的原子間距,Fij = ?rm= ?,缺點：無方向性，沒有考慮多體項，不適合大多數(shù)金屬,Finnis-Sinc

5、lair勢,兩個孤立 Ni-Ni 原子的 FS 勢,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/,,開源，可下載源程序或二進制文件,發(fā)表論文實例：,模擬對象：原子，金屬，聚合物，生物分子，粒狀和粗?；w系計算體系：小至幾個粒子，大到上百萬甚至上億個粒子運行平臺：單個處理器的 PC，多處理器并行計算機,功能和優(yōu)點：可以串行或并行計算開源，高移植性C++語言編寫可以方便的擴展，增加新功能自定義變量和方程一個輸入腳本實現(xiàn)一個或多個模擬

7、任務,力場：(pair/bond/angle/dihedral/improper/kspace style)對勢：L-J, Buckingham, Morse, Yukawa 多體勢：EAM, Finnis-Sinclair EAM, MEAM, Stillinger-Weber, Tersoff水勢能：TIP3P，TIP4P，SPC長程庫倫力：Ewald, Wolf, PPPM化學：CHARMM，AMBER，OPLS，GRO

8、MACS相兼容的力場GPU 加速的勢函數(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力學 (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在一個或多個晶格中創(chuàng)建原子刪除、復制、替換,輸出：(命令：dump, restar

9、t)原子的位置、速度、加速度，能量、壓力等每個原子的時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)建分子體系自動施加力場參數(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,其它分子動力學軟件包：DL_POLY、GULPCHARMM、AMBER、NAMD、NWCHEM、Tinker,高質(zhì)量的可視化

10、工作：VMD、Ovito、AtomEyePymol、Raster3d、RasMol,Benchmarks：測試任務bin：可執(zhí)行程序Doc：使用手冊Examples：簡單的例子Potentials：勢函數(shù)文件License、README以下兩個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運行實例,用 EAM 勢模擬 Cu 的凝固安裝

11、 Lammps 軟件Win + r 鍵，打開運行窗口；輸入 cmd，回車，進入命令提示符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,勢函數(shù),時間步長輸出間隔鄰域更新,變量定義,腳本文件,定義計算的物理量,速度初始化,輸出數(shù)據(jù)和坐標,初始平衡過程,計算PDF,計算MSD,降溫過程,結(jié)束計算,運行窗口,,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 勢能

14、總能量 壓強 體積,控制腳本文件,計算結(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):,對二元合金，由 MSD 的斜率可得到自擴散系數(shù) DA 、DB根據(jù) Darken 定律，互擴散系數(shù)為：Dalloy = xBDA + xADB,PDF:,,圖中 PDF 第二峰劈裂為兩個