LAMMPS介紹資料中文版講解

LAMMPS手冊-中文解析一、簡介本部分大至介紹了LAMMPS的一些功能和缺陷。1．什么是LAMMPS?LAMMPS是一個經(jīng)典的分子動力學(xué)代碼，他可以模擬液體中的粒子，固體和汽體的系綜。他可以采用不同的力場和邊界條件來模擬全原子，聚合物，生物，金屬，粒狀和粗料化體系。LAMMPS可以計算的體系小至幾個粒子，大到上百萬甚至是上億個粒子。LAMMPS可以在單個處理器的臺式機和筆記本本上運行且有較高的計算效率，但是它是專門為并行計算機設(shè)計的。他可以在任何一個按裝了C++編譯器和MPI的平臺上運算，這其中當(dāng)然包括分布式和共享式并行機和Beowulf型的集群機。LAMMPS是一可以修改和擴展的計算程序，比如，可以加上一些新的力場，原子模型，邊界條件和診斷功能等。通常意義上來講，LAMMPS是根據(jù)不同的邊界條件和初始條件對通過短程和長程力相互作用的分子，原子和宏觀粒子集合對它們的牛頓運動方程進(jìn)行積分。高效率計算的LAMMPS通過采用相鄰清單來跟蹤他們鄰近的粒子。這些清單是根據(jù)粒子間的短程互拆力的大小進(jìn)行優(yōu)化過的，目的是防止局部粒子密度過高。在并行機上，LAMMPS采用的是空間分解技術(shù)來分配模擬的區(qū)域，把整個模擬空間分成較小的三維小空間，其中每一個小空間可以分配在一個處理器上。各個處理器之間相互通信并且存儲每一個小空間邊界上的”ghost”原子的信息。LAMMPS（并行情況）在模擬3維矩行盒子并且具有近均一密度的體系時效率最高。2．LAMMPS的功能總體功能：可以串行和并行計算分布式MPI策略模擬空間的分解并行機制開源高移植性C++語言編寫MPI和單處理器串行FFT的可選性（自定義）可以方便的為之?dāng)U展上新特征和功能只需一個輸入腳本就可運行有定義和使用變量和方程完備語法規(guī)則在運行過程中循環(huán)的控制都有嚴(yán)格的規(guī)則只要一個輸入腳本試就可以同時實現(xiàn)一個或多個模擬任務(wù)粒子和模擬的類型：\\(atomstyl命令)原子粗?；Ｗ尤泳酆衔铮袡C分子，蛋白質(zhì)，DNA聯(lián)合原子聚合物或有機分子金屬粒子材料粗?；橛^模型延伸球形與橢圓形粒子點偶極粒子剛性粒子所有上面的雜化類型力場：(命令：pairstyle,bondstyle,anglestyle,dihedralstyle,improper)tyle,kspace對相互作用勢：L-J,Buckingham,Morse,Yukawa,soft,class2(C0MPASS),tabulated.帶點對相互作用勢：Coulombic,point-dipole.多體作用勢：EAM,Finnis/SinclaEAM,modifiedEAM(MEAM),Stillinger-Weber,Tersoff,AIREBO,ReaxFF粗?；饔脛荩篋PD,GayBerne,Resquared,Colloidal,DLVO介觀作用勢：granular,Peridynamics鍵勢能：harmonic,FENE,Morse,nonlinear,class2,quartic鍵角勢能：harmonic,CHARMM,cosine,cosine/squared,class2(COMPASS)二面角勢能：harmonic,CHARMM,multi-harmonic,helix,OPLS,class2(C0MPASS)不合理勢能：harmonic,CVFF,class2(C0MPASS)聚合物勢能：all-atom,united-atom,bead-spring,breakable水勢能：TIP3P,TIP4P,SPC隱式溶劑勢能：hydrodynamiclubrication,Debye長程庫倫與分散：Ewald,PPPM,Ewald/N針對長程L-J作用)可以有與普適化力場如CHARMM，AMBER，OPLS，GROMACS相兼容的力場可以采用GPU加速的成對類型雜化勢能函數(shù)：multiplepair,bond,angle,dihedral,improper多對勢能處于更高的優(yōu)先級)原子創(chuàng)建：(命令：read_data,lattice,create-atoms,delete-atoms,displace-atoms,replicate從文件中讀入各個原子的坐標(biāo)在一個或多個晶格中創(chuàng)建原子\\\\刪除幾何或邏輯原子基團(tuán)復(fù)制已存在的原子多次替換原子系綜，約束條件，邊界條件：（命令：fix）二維和三維體系正角或非正角模擬空間常NVE，NVT，NPT，NPH積分器原子基團(tuán)與幾何區(qū)域可選擇不同的溫度控制器有Nose/Hoover和Berendsen壓力控制器來控制體系的壓力（任一維度上）模擬合子的變形（扭曲與剪切）簡諧（unbrella）束縛力剛體約束搖擺鍵與鍵角約束各種邊界環(huán)境非平行太分子動力學(xué)NEMD各種附加邊界條件和約束積分器：Velocity-verlet積分器Brown積分器rRESPA繼承時間延化積分器剛體積分器共軛梯度或最束下降算法能量最小化器輸出：（命令：dump,restart）熱力學(xué)信息日志原子坐標(biāo)，速度和其它原子量信息的文本dump文件二進(jìn)制重啟文件各原子量包括：能量，壓力，中心對稱參數(shù)，CAN等用戶自定義系統(tǒng)寬度或各原子的計算信息每個原子的時間與空間平均系統(tǒng)寬量的時間平均原子圖像，XYZ，XTC，DCD，CFG格式數(shù)據(jù)的前處理與后處理：包里提供了一系列的前處理與后處理工具另外，可以使用獨立發(fā)行的工具組pizza.py,它可以進(jìn)行LAMMPS模擬的設(shè)置，分析，作圖和可視化工作。特別功能：實時的可視化與交互式MD模擬與有限元方法結(jié)合進(jìn)行原子-連續(xù)體模擬在POEMS庫中提供了剛體積分工具并行裉火并行復(fù)制動力學(xué)對低密度液體直接使用MC模擬Peridynamic介觀建模目標(biāo)型與無目標(biāo)型分子動力學(xué)雙溫度電子模型LAMMPS不具備的功能：由于LAMMPS是對牛頓運動方程積分的工具，所以很多必要的數(shù)據(jù)前處理與后處理功能是LAMMPS核心不具備的。其原因為：保證LAMMPS的小巧性前處理與后處理不能進(jìn)行并行運算這些功能可以有其它工具來完成原代碼開發(fā)的局限性特別地，LAMMPS不能：通過圖形用戶界面來工作創(chuàng)建分子體系自動的加上力場系數(shù)為MD模擬提供智能化的數(shù)據(jù)分析MD的可視化為輸出數(shù)據(jù)作圖我們需要為LAMMPS輸入一系列的原子類型，原子坐標(biāo)，分子拓樸信息和所有原子與鍵的力場參數(shù)。LAMMPS不會自動的為我們創(chuàng)建分子體系與力場參數(shù)。對與原子體系，LAMMPS提供了creat-atoms命令來為固態(tài)晶格加上原子?？梢阅苓^paircoeff,bondcoeff,anglecoeff等命來加上小數(shù)目的力場參數(shù)。對于分子體系或更復(fù)雜的模擬體系，我們通常會用其它工具來創(chuàng)建或者是轉(zhuǎn)換LAMMPS輸出文件來做到這些事情。有的還會寫一些自已的代碼來完成這項任務(wù)。對于一個復(fù)雜的分子體系（如，蛋白質(zhì)），我們需要為之提供上面?zhèn)€拓樸信息與力場參數(shù)。所以我們建議用CHARMM或AMBER或其它的分子建模器來完成這些任務(wù)，并把之輸?shù)揭粋€文件中去。然后，改變其格式以達(dá)到LAMMPS所允許的輸入格式。同樣，LAMMPS的輸出文件是一種簡單的文本格式，我們也可以通過其它的工具來換專這些格式。我們可以用以下幾個軟件來完成高質(zhì)量的可視工作：VMDAtomEyePymolRaster3dRasMol最后要說一下的是，以下這些也是自由分子動力學(xué)包，它們大多數(shù)是并行的，可能也適合來完成你的研究工作，當(dāng)然也可以與LAMMPS聯(lián)合起來使用以完成模擬工作。CHARMMAMBERNAMDNWCHEMDL_POLYTinkerCHARMM，AMBER，NAMD，NWCHEM，Tinker是專們用于模擬生物分子的。二、開始本部分主要描述如何創(chuàng)建和運行LAMMPS。在LAMMPS發(fā)行包理含有：READMELICENSEBench:測式任務(wù)Doc:文本Examples：簡單的測試任務(wù)Potentials:嵌入原子方法與力場文件Src:源代碼Tools:前處理與后處理工具假如你下載的是windows可執(zhí)行文件的話，你里面只有一個文件（并行與非并行兩種）Lmp-windows.exe編譯LAMMPS之前的工作:編譯LAMMPS不是一個繁瑣的工作。首先你可能要寫一個makefile文件，里面要選擇編譯器，附加的一些將要用到的庫等。事先裝上MPI或FFT等庫。編譯出一個可執(zhí)行LAMMPS:在SRC目錄里頭含有C++源文件和頭文件。當(dāng)然也包括一個高水平的Makefile，在MAKE目錄里頭有幾個低水平的Makefile.*files分別適有不同的平臺。進(jìn)入SRC目錄，輸入make或gmake，你將會看到一列的可選項。假如其中有一種符合你的機器，你可以輸入像下面一樣的命令:MakelinuxGmakemac注意，在一個多處理器或多核處理器的平臺上你可以進(jìn)行平行編譯，在make命令中使用“-j”選項就可以，這樣編譯起來會更快一些。在此過程中不發(fā)生錯誤的話，你可以得到一個類似于lmp-linux的可執(zhí)行文件。在編譯過程當(dāng)中將會發(fā)生的常見錯誤：如果編譯過程當(dāng)中發(fā)生錯誤，并提示不能找到一個含有通配符*為名的文件的話，說明你機器上的make器允許makefile中使用通配符。那就償式使用gmake。如還不行的話，就試試加入-f選項，用Makefile.list作為make對像。如：MakemakelistMake-fmakefile.listlinuxGmake-fmakefile.lstmac當(dāng)你使用低水平的makefile時，可能由于對機器的設(shè)置不正確，會導(dǎo)致一些錯誤。假如你的平臺叫“foo”，的話，你將要在MAKE目錄中創(chuàng)建一個Makefile.foo。使用任何一個與你機器相近的文件作為開始總是一個不錯的選擇。如你在鏈接的時候出現(xiàn)庫丟失或少了依賴關(guān)系的話，可能是由于：你編譯的包需要一個附加的庫，但卻沒有事先編譯需要的packagelibaray.你要鏈接的庫在你的系統(tǒng)中不存在。沒有連接到必要的系統(tǒng)庫后兩種問題出現(xiàn)，你就需要修改你的低水平makefile.foo.編輯一個新的低水平makefile.foo:在#后的句子中，替換foo,不論你寫成什么，這一行將會出現(xiàn)在屏幕上，如果你只輸入make命令的話。在“complier/linkersettings”部分為你的C++編譯器列出編譯器與鏈接器的設(shè)置，包括優(yōu)化符號。你可以在任何UNIX系統(tǒng)中使用G++編譯器。當(dāng)然你也可以用MPICC，如果你的系統(tǒng)中安裝了MPI的話。如過在編譯過程當(dāng)中需要符加的庫的話，你必需在LIB變量中列出來。DEPFLAGS設(shè)置可以讓C++編譯器創(chuàng)建一個源文件的依賴關(guān)系列表，當(dāng)源文件或頭文件改變的時候可以加快編譯速度。有些編譯器不能創(chuàng)建依賴關(guān)系列表，或者你可以用選項一D來實現(xiàn)。G++可以使用-D。如果你的編譯器不能創(chuàng)建依賴關(guān)系文件的話，那么你就需要創(chuàng)建一個Makefile.foo來與Makefile.storm(它用一系列的不需要依賴文件的規(guī)劃)相對應(yīng)?！皊ystem-specificsettings”部分有四個小部分：ALMP—INC變量，包括一些與系統(tǒng)相關(guān)的條件選項。B3個MPI變量用于指定MPI庫。如你要進(jìn)行并行計算的話，那么你必須在你的平臺上安上MPI庫。如你想用MPI內(nèi)置C++編譯器的話，你可以讓這三個變量空著，如你不用MPICC的話，那么，你要指定MPI.h(MPI_INC)文件在哪，MPI(MPI_PATH)庫在哪，還有庫名(MPI_LIB).如果你想自已安裝MPI的話，我們建議用MPICH1.2或2.0。LAMMPI也可以。如果我的是大平始的話，你的供應(yīng)商已經(jīng)為你裝上了MPI，其可能比MPICH或LAM更快，你可以把找出來并與之鏈接。如你用LAM或MPICH，你必需要設(shè)置他并編譯他使之適合你的平臺。如果你想在單處理器的機器上運行的話，你可以用STIBS庫，這樣你就可以不用在你的系統(tǒng)中安裝MPI庫。防照makefile.serial，看是如果設(shè)置這三個變量的。當(dāng)然你在編譯LAMMPS之前你必需創(chuàng)建STUBS庫。在STUBS目錄中，輸入make，不出錯的話你將會得到一個libmpi.a文件可供鏈接到LAMMPS。當(dāng)出錯，你則要修改STUBS下的MAKEFILE。STUBS/MPI.CPP有一個CPU計時器MPI_Wtime()可以調(diào)用gettimeofday().如你的系統(tǒng)不支持gettimeofday(),則你就要插入一句代碼來調(diào)用另一個計時器，要注意的是,clock()函數(shù)在一個小時之后會歸0,所以對于一個長時間的LAMMPS模擬來說這是不夠用的。CFTT變量用于指定FFT庫，當(dāng)要用到kspace-style命令來計算長程庫倫作用時使用PPPM選項時要用到。要使用此選項，你必須要在你的機器上安裝一個一維的FFT庫?？梢阅苓^開關(guān)一DFFT—XXX來指定，其中XXX=INTEL,DEC,SGI,SCSL,或FFTW。沒有辦法的情況下可以用供應(yīng)商提供的庫。FFTW是一個快速的，可移植性的庫，它可以在任何一個平臺上運行。最好2.1.X本。編譯FFTW庫時只要用./configure;make就可以。不任你是用哪一種FFT庫，你都要在makefile.foo中正確的設(shè)置咱們的FFT_INC,FFT_PATH,FFT_LIB。當(dāng)然，你如果不用PPPM的話，你將沒有必要安裝FFT庫。這種情況下，你可以把FFT_INC設(shè)成-DFFT-NONE并讓其它幾個變量空著。你也可以在編譯LAMMPS時把KSPACE包剔除。D幾個SYSLIB和SYSPATH變量你可以忽略，除非你在編譯LAMMPS時其中有一個或幾個包要用到附加的系統(tǒng)庫。所有這些包都的的名稱都將會是SYSLIB和SYSPATH變量的前輟。SYSLIB變量將列出系統(tǒng)庫。SYSPATH則是路徑，只有當(dāng)這些庫為非默認(rèn)路徑時才有設(shè)定。最后，當(dāng)你正確的寫好了makefile.foo和預(yù)編譯好了所有的其它庫（MPI,FFT,包庫等）之后，你只要在SRC目錄下輸入下面其中一個命令就可以了MakefooGmakefoo不出意外，你將會得到1mp_foo的可執(zhí)行文件。附加建義（1）為多平臺編譯LAMMPS你可以在同一個SRC目錄下為多平臺編譯LAMMPS。每一個目標(biāo)都有他自已的目標(biāo)路徑，Obj_name用于存貯指定系統(tǒng)的目標(biāo)文件。（2）清理輸入/r/