LAMMPS軟件與分子模擬的實現(xiàn)PPT課件

1、2021/3/91補充內(nèi)容 Lammps與分子動力學 常用模擬軟件 Lammps功能和原理 經(jīng)典范例2021/3/921. 常用的MD模擬軟件 NAMD：免費 主要針對與生物和化學軟材料體系，程序設計水平高，計算效率高。有很好的分析輔助軟件VMD。 AMBER 主要針對生物體系，也適當兼容一般化學分子。有很好的內(nèi)置勢能模型，自定義新模型和新分子很方便，有很完善的維護網(wǎng)站。計算效率不高運算速度慢。 CHARMM 主要針對生物體系，也包含部分化學體系。勢能模型更新很快自定義新模型比較方便。計算效率低。2021/3/93 GROMACS 免費 主要針對生物體系，也適當照顧一般化學體系。算法好，計算效

2、率高。界面友好，維護服務好。 TINKER 免費 一般性分子動力學軟件，對生物體系略有偏重。優(yōu)點支持多種模型。仍在開發(fā)中，某些方面還不完善。 DL-POLY 一般性分子模擬軟件，界面友好，計算效率高。維護服務很好。n Materials Studio2021/3/94 LAMMPS 免費 一般性分子模擬軟件。兼容當前大多數(shù)的勢能模型，編程水平高，計算效率高?？梢阅M軟材料和固體物理系統(tǒng)。 Materials Explorer 立足于Windows平臺的多功能分子動力學軟件。擁有強大的分子動力學計算及Monte Carlo軟件包，是結合應用領域來研究材料工程的有力工具。Materials Exp

3、lorer可以用來研究有機物、高聚物、生物大分子、金屬、陶瓷材料、半導體等晶體、非晶體、溶液，流體，液體和氣體相變、膨脹、壓縮系數(shù)、抗張強度、缺陷等。Materials Explorer軟件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63個力場可供用戶選擇。Materials Explorer軟件擁有完美的圖形界面，方便使用者操作。2021/3/952. Lammps功能和原理 Lammps初識 Lammps的功能 Lammps的原理 Lammps的特點 Lammps的應用2021/3/96Lammps初識 Lammps程序是一個經(jīng)典分子動力學計算程序。全稱 Large-scale At

4、omic/Molecular Massively Parallel Simulator 官方網(wǎng)址： 國內(nèi)交流論壇：2021/3/97Lammps的功能 能（features）一般意義（并行化，可擴充，腳本化輸入，接口化編譯）專門意義（能建模原子類型，有什么力場，有那些原子操作，如何設置系綜/邊界/約束，積分方法，輸出控制，前后圖形處理，以及具有一些什么特色功能） 不能（non-features）- 非圖形化界面，不能自動建立分子結構模型和分配力場參數(shù)，不具有復雜的分析的手段，不能可視化輸出結果-補救：Pizza.py 工具包，用于建模和分析以及可視化，但是

5、功能不夠強大。-必須一些其他前后處理軟件（幾何建模，物理建模，可視化分析）結合使用，接口方法。2021/3/98Lammps的基本原理編寫、輸入模擬程序運行模擬可視化結果分析輸出結果2021/3/99Lammps輸入文件的主要組成部分 Initialization Atom definition Settings Run a simulation后面的兩個部分可以按照需要多次重復。2021/3/910Lammps軟件目前的特點 從勢場角度看：建模軟物質（生物分子，聚合物），固態(tài)材料（金屬，半導體），以及粗粒子和介觀材料。更一般的說是lammps程序是用來建模原子/介觀/連續(xù)尺度物質以及其在熱、

6、力學、化學條件下的性質的模擬軟件，因此是系統(tǒng)化方法。 Lammps程序運行環(huán)境：單CPU和多CPU，采用的是消息響應和模擬域的空間分解并行機制。 Lammps程序代碼共享和模塊化設計，具有功能易于擴充的特性。新版采用C/C+語言書寫，周期性發(fā)布，以日期為為準，不斷更新一些bug和增加一些功能。腳本語言應用開發(fā)。 美國能源部下屬的圣地亞國家實驗室發(fā)布，主要作者：Steve Plimpton, Aidan Thompson, and Paul Crozier 網(wǎng)上郵件組可以解決和及時交流2021/3/911Lammps軟件入門 明確自己的問題和方向，選擇正確的工具要做的是什么問題，屬于物理，化學，

7、力學，材料，還是都有？能否具體到希望要作出什么結果？實驗和理論上是否有相似的研究？再看問題是否適合lammps程序？是否有別的程序可以替代選擇或者聯(lián)合選擇？ 計算環(huán)境搭建可行性分析現(xiàn)有計算機條件: 硬件水平?jīng)Q定模擬的規(guī)模是否有相關的支持：軟件環(huán)境團隊學習的重要：交流是非常重要 學習一點分子動力學基礎物理學基礎：原子論，量子論，簡單的數(shù)學材料學基礎：結構化材料，晶體理論統(tǒng)計力學基礎：熱力學知識，統(tǒng)計分布專業(yè)基礎：熱流熱導分析，應力分析，輻射損傷分析，蛋白質計算機基礎：程序學習和改進，編程和硬件識別2021/3/912如何利用好Lammps手冊？ 求人不如求己準備一份紙版，一份電子版放置在桌面。

8、養(yǎng)成良好的學習習慣幾個章節(jié)必須看（1-1,2,3；2-2,3,5,6,7；3-1,2,3；4-all)讀做例子有感覺（melt，crack，shear）錯誤信息自己找（完美的錯誤提示信息）隨手整理做記錄 命令學習（工具體現(xiàn)）命令名稱：基本上告訴你意義書寫格式：腳本語言的特色格式選項說明：嚴格遵守，最好理解含義范例書寫：有助于自己寫腳本注意事項：特別的地方相關命令：命令分類學習，比如輸入有那些方式，勢函數(shù)定義有哪幾類？2021/3/913Lammps常見命令 unit dimension newton processors boundary atom style atom modify atom

9、 type選擇單位系統(tǒng)，L-J、real、metal2D or 3D? 默認是3D邊界條件：周期性邊界or自由邊界？定義你的模擬體系中的原子屬性告訴lammps在你的模擬中使用何種力場？pair_style, bond_style, angle_style, dihedral_style, improper_style2021/3/914Lammps軟件的應用應用步驟程序安裝安裝平臺環(huán)境（考慮不同的操作系統(tǒng)，是否并行計算）簡單易行的安裝Windows下：命令行執(zhí)行方式Linux下：編譯選擇項幾個關鍵點：編譯器的選擇；并行庫的位置，相關庫的位置應用步驟-實例學習輸入腳本格式書寫：3-1節(jié)內(nèi)容，積

10、木式搭建分塊命令學習方法：幾何模型構建：atom_style, boundary, dimension，units create_atoms, create_box, lattice, read_data, read_restart, region, replicate物理模型構建：angle_coeff, angle_style, bond_coeff, bond_style, dielectric, dihedral_coeff 過程模型構建：Fix：is any operation that is applied to the system during timestepping or

11、minimization. Examples include updating of atom positions and velocities due to time integration, controlling temperature, applying constraint forces to atoms, enforcing boundary conditions, computing diagnostics, etc. 輸出模型構建：compute過程計算量，熱力學輸出量（全局量），局部表征量（單個原子、組原子）2021/3/9153.經(jīng)典范例 使用L-J勢模擬裂紋的擴展 使用E

12、AM勢模擬Ni的剪切行為 Cu、Ni等金屬的凝固過程模擬 表面能計算2021/3/916A. 使用L-J勢模擬裂紋的擴展裂紋lowerupperleftupperleftlowerxy2021/3/917Lammps計算輸入文件 # 2d LJ crack simulation(問題的基本初始化) dimension 2 #2維分子動力學模擬 boundary s s p #x,y方向不存在周期邊界條件，z方向周期邊界條件。 atom_style atomic #原子類型（金屬） Neighbor 0.3 bin #建近鄰表參數(shù)（rc+0.3）bin表示為近鄰表類型。 neigh_modify

13、 delay 5 #間隔多少載荷步重新形成近鄰表2021/3/918Lammps計算輸入文件# create geometry創(chuàng)建初始幾何構形Lattice hex 0.93#指定晶格類型（二維hex）和晶格常數(shù)Region box block 0 100 0 40 -0.25 0.25#定義一個區(qū)域create_box5 box#在指定區(qū)域建立一個simulation box,5表示原子類型的種類數(shù)create_atoms 1 box#在simulation box中創(chuàng)建類型為1的原子（原子位置初始化）Mass 1 1.0Mass 2 1.0Mass 3 1.0Mass 4 1.0Mass

14、5 1.0#指定單個原子的質量2021/3/919Lammps計算輸入文件# LJ potentials(指定原子作用勢)pair_stylelj/cut 2.5#指定lj勢，截斷半徑為2.5pair_coeff * * 1.0 1.0 2.5#指定lj勢參數(shù)# define groups（便于加載）Region 1 block INF INF INF 1.25 INF INFGroup lower region 1#定義lower組（便于施加外加速度）Region 2 block INF INF 38.75 INF INF INFGroup upper region 2#定義upper組（便

15、于施加外加速度）Group boundary union lower upper#定義總邊界組Group mobile subtract all boundary#定義可動原子組（便于統(tǒng)計溫度）2021/3/920Lammps計算輸入文件 regionleftupper block INF 20 20 INF INF INF regionleftlower block INF 20 INF 20 INF INF groupleftupper region leftupper groupleftlower region leftlower #定義左上、左下原子組（便于指定裂紋的存在） setgr

16、oup leftupper type 2 setgroup leftlower type 3 setgroup lower type 4 setgroup upper type 5 #指定原子類型（便于指定裂紋的存在）2021/3/921Lammps計算輸入文件# initial velocities初始化速度computenew mobile temp#定義溫度的計算（可動區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計平均）compute new2 mobile stress/atom #定義原子應力的計算（整個區(qū)域）Velocity mobile create 0.01 887723 temp new#按指定的溫度（0.01

17、）計算方法，初始化原子的速度Velocity upper set 0.0 0.3 0.0#upper原子組y方向的速度為0.3Velocity mobile ramp vy 0.0 0.3 y 1.25 38.75 sum yes#mobile原子的速初始度從0到0.3線性變化# fixes施加約束fix1 all nve#nve系綜的積分算法fix2 boundary setforce NULL 0.0 0.0 #邊界boundary上力條件，鋼化原子，便于加載！2021/3/922Lammps計算輸入文件 # run運行計算 timestep0.003 #時間間隔步 Thermo 200

18、#每200步輸出熱動力學統(tǒng)計量 thermo_modify temp new #計算溫度通過new指示的方法計算 neigh_modify exclude type 2 3 #原子2，3之間作用取消（也就是通過不使他們在近鄰表中出現(xiàn)實現(xiàn)） Dump 1 all atom 500 dump.crack #每隔500步將原子信息寫入文件dump.crack Dump 2 mobile custom 500 dump2.crack tag x y z c_new22 run5000 #進行5000步的模擬2021/3/923B.使用EAM勢模擬Ni的剪切行為ZxYyz2021/3/924 # 3d

19、metal shear simulation 3維金屬剪切模擬 Units metal #采用金屬材料單位 boundary s s p #施加z方向的周期邊界條件 atom_style atomic #定義原子之間的相互作用（沒有鍵鍵作用） Lattice fcc 3.52 #指定晶格為fcc，晶格常數(shù)3.52埃 Region box block 0 16.0 0 10.0 0 2.828427 #定義區(qū)域box （x上下限，y上下限，z上下限） create_box 3 box #在box區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建包含3種原子類型的simulation boxLammps計算輸入文件2021/3/925L

20、ammps計算輸入文件 Lattice fcc 3.52 orient x 1 0 0 orient y 0 1 1 orient z & 0 -1 1 origin 0.5 0 0 #指定晶格類型、晶格常數(shù)、x,y,z坐標的晶向 # &續(xù)行符、晶胞的起始點（0.5表示半個晶格常數(shù)） create_atoms 1 box #在box區(qū)域內(nèi)建立類型為1的原子 pair_styleeam #定義原子之間作用勢為嵌入原子勢 pair_coeff * * Ni_u3.eam #指定嵌入勢參數(shù)文件2021/3/926Lammps計算輸入文件 neighbor0.3 bin #指定原子近鄰

21、列表參數(shù)rc+r1中的r1 neigh_modify delay 5 #指定近鄰表更新頻率 regionlower block INF INF INF 0.9 INF INF regionupper block INF INF 6.1 INF INF INF grouplower region lower groupupper region upper groupboundary union lower upper #指定邊界組，用于施加邊界條件 groupmobile subtract all boundary #指定可動部分組，用于計算溫度2021/3/927Lammps計算輸入文件 se

22、tgroup lower type 2 setgroup upper type 3 #設置原子類型lower為2，upper為3 Compute new3d mobile temp #設定溫度計算new3d Compute new2d mobile temp/partial 0 1 1 #設定溫度計算new2d，忽略x方向速度 compute new1d all stress/atom #設定原子應力計算2021/3/928 Velocity mobile create 300.0 5812775 temp new3d #初始化mobile區(qū)域原子的速度 #使new3d方法計算的溫度為300k

23、？ Fix 1 all nve #使系綜為nve系綜，同時確定了方程的積分方法 Fix 2 boundary setforce 0.0 0.0 0.0 #使邊界上原子x，y，z方向的受力均為0 Fix 3 mobile temp/rescale 10 300.0 300.0 10.0 1.0 #使用直接調(diào)溫法，每10步準備調(diào)一次 #如果在300+-10k內(nèi)不調(diào) #如調(diào)的話要求其范圍在300+-1k之內(nèi) fix_modify 3 temp new3d #fix 3 調(diào)溫時采用new3d的計算方案Lammps計算輸入文件2021/3/929Lammps計算輸入文件 #以下為弛豫過程 thermo2

24、5 #每25步在屏幕上打印熱動力學統(tǒng)計量 thermo_modify temp new3d #輸出的溫度按new3d方案計算 timestep0.001 #時間步長為0.001ps run100 #弛豫100個載荷步2021/3/930Lammps計算輸入文件 #以下為剪切加載 velocityupper set 1.0 0 0 #上邊界原子施加x方向的速度 velocitymobile ramp vx 0.0 1.0 y 1.4 8.6 sum yes #在y1.4,8.6區(qū)域定義0，1之間的vx插值速度 #該速度累加到弛豫的速度上 Unfix 3 #釋放弛豫時候的溫度約束3 fix 3 m

25、obile temp/rescale 10 300.0 300.0 10.0 1.0 #重新施加溫度調(diào)控約束3 fix_modify 3 temp new2d #溫度的計算采用new2d計算方案2021/3/931Lammps計算輸入文件 #以下為剪切計算 Dump 1 all custom 100 dump.shear tag type & x y z c_new24 #每100步輸出，c_new1d4為new1d計算的原子應力 thermo100 thermo_modifytemp new2d #每次輸出屏幕上的溫度按new2d方案計算 reset_timestep0 #重新設當前為第0步 run3000 #剪切計算3000步2021/3/932C. 熔化、凝固過程模擬：Ar Cu Al對于Cu，建