LAMMPS软件与分子模拟的实现

补充内容Lammps与分子动力学常用模拟软件Lammps功能和原理经典范例当前1页，总共44页。1.常用的MD模拟软件NAMD：免费

主要针对与生物和化学软材料体系，程序设计水平高，计算效率高。有很好的分析辅助软件VMD。AMBER

主要针对生物体系，也适当兼容一般化学分子。有很好的内置势能模型，自定义新模型和新分子很方便，有很完善的维护网站。计算效率不高运算速度慢。CHARMM

主要针对生物体系，也包含部分化学体系。势能模型更新很快自定义新模型比较方便。计算效率低。当前2页，总共44页。GROMACS免费

主要针对生物体系，也适当照顾一般化学体系。算法好，计算效率高。界面友好，维护服务好。TINKER免费

一般性分子动力学软件，对生物体系略有偏重。优点

支持多种模型。仍在开发中，某些方面还不完善。DL-POLY

一般性分子模拟软件，界面友好，计算效率高。维护服务很好。MaterialsStudio当前3页，总共44页。LAMMPS免费

一般性分子模拟软件。

兼容当前大多数的势能模型，编程水平高，计算效率高。可以模拟软材料和固体物理系统。

MaterialsExplorer

立足于Windows平台的多功能分子动力学软件。拥有强大的分子动力学计算及MonteCarlo软件包，是结合应用领域来研究材料工程的有力工具。MaterialsExplorer可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液，流体，液体和气体相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等。MaterialsExplorer软件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63个力场可供用户选择。MaterialsExplorer软件拥有完美的图形界面，方便使用者操作。当前4页，总共44页。2.Lammps功能和原理Lammps初识Lammps的功能Lammps的原理Lammps的特点Lammps的应用当前5页，总共44页。Lammps初识Lammps程序是一个经典分子动力学计算程序。全称Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator官方网址：/

国内交流论坛：当前6页，总共44页。Lammps的功能能（features）一般意义（并行化，可扩充，脚本化输入，接口化编译）专门意义（能建模原子类型，有什么力场，有那些原子操作，如何设置系综/边界/约束，积分方法，输出控制，前后图形处理，以及具有一些什么特色功能）不能（non-features）-非图形化界面，不能自动建立分子结构模型和分配力场参数，不具有复杂的分析的手段，不能可视化输出结果补救：Pizza.py工具包，用于建模和分析以及可视化，但是功能不够强大。必须一些其他前后处理软件（几何建模，物理建模，可视化分析）结合使用，接口方法。当前7页，总共44页。Lammps的基本原理编写、输入模拟程序运行模拟可视化结果分析输出结果当前8页，总共44页。Lammps输入文件的主要组成部分InitializationAtomdefinitionSettingsRunasimulation后面的两个部分可以按照需要多次重复。当前9页，总共44页。Lammps软件目前的特点从势场角度看：建模软物质（生物分子，聚合物），固态材料（金属，半导体），以及粗粒子和介观材料。更一般的说是lammps程序是用来建模原子/介观/连续尺度物质以及其在热、力学、化学条件下的性质的模拟软件，因此是系统化方法。Lammps程序运行环境：单CPU和多CPU，采用的是消息响应和模拟域的空间分解并行机制。Lammps程序代码共享和模块化设计，具有功能易于扩充的特性。新版采用C/C++语言书写，周期性发布，以日期为为准，不断更新一些bug和增加一些功能。脚本语言应用开发。美国能源部下属的圣地亚国家实验室发布，主要作者：StevePlimpton,AidanThompson,andPaulCrozier网上邮件组可以解决和及时交流当前10页，总共44页。Lammps软件入门明确自己的问题和方向，选择正确的工具要做的是什么问题，属于物理，化学，力学，材料，还是都有？能否具体到希望要作出什么结果？实验和理论上是否有相似的研究？再看问题是否适合lammps程序？是否有别的程序可以替代选择或者联合选择？计算环境搭建可行性分析现有计算机条件:

硬件水平决定模拟的规模是否有相关的支持：软件环境团队学习的重要：交流是非常重要学习一点分子动力学基础物理学基础：原子论，量子论，简单的数学材料学基础：结构化材料，晶体理论统计力学基础：热力学知识，统计分布专业基础：热流热导分析，应力分析，辐射损伤分析，蛋白质计算机基础：程序学习和改进，编程和硬件识别当前11页，总共44页。如何利用好Lammps手册？求人不如求己准备一份纸版，一份电子版放置在桌面。养成良好的学习习惯几个章节必须看（1-1,2,3；2-2,3,5,6,7；3-1,2,3；4-all)读做例子有感觉（melt，crack，shear）错误信息自己找（完美的错误提示信息）随手整理做记录命令学习（工具体现）命令名称：基本上告诉你意义书写格式：脚本语言的特色格式选项说明：严格遵守，最好理解含义范例书写：有助于自己写脚本注意事项：特别的地方相关命令：命令分类学习，比如输入有那些方式，势函数定义有哪几类？当前12页，总共44页。Lammps常见命令unitdimensionnewtonprocessorsboundaryatomstyleatommodifyatomtype选择单位系统，L-J、real、metal2Dor3D?默认是3D边界条件：周期性边界or自由边界？定义你的模拟体系中的原子属性告诉lammps在你的模拟中使用何种力场？pair_style,bond_style,angle_style,dihedral_style,improper_style当前13页，总共44页。Lammps软件的应用应用步骤—程序安装安装平台环境（考虑不同的操作系统，是否并行计算）简单易行的安装Windows下：命令行执行方式Linux下：编译选择项几个关键点：编译器的选择；并行库的位置，相关库的位置应用步骤--实例学习输入脚本格式书写：3-1节内容，积木式搭建分块命令学习方法：

几何模型构建：atom_style,boundary,dimension，unitscreate_atoms,create_box,lattice,read_data,read_restart,region,replicate

物理模型构建：angle_coeff,angle_style,bond_coeff,bond_style,dielectric,dihedral_coeff

过程模型构建：Fix：isanyoperationthatisappliedtothesystemduringtimesteppingorminimization.Examplesincludeupdatingofatompositionsandvelocitiesduetotimeintegration,controllingtemperature,applyingconstraintforcestoatoms,enforcingboundaryconditions,computingdiagnostics,etc.

输出模型构建：compute过程计算量，热力学输出量（全局量），局部表征量（单个原子、组原子）当前14页，总共44页。3.经典范例使用L-J势模拟裂纹的扩展使用EAM势模拟Ni的剪切行为Cu、Ni等金属的凝固过程模拟表面能计算当前15页，总共44页。A.使用L-J势模拟裂纹的扩展裂纹lowerupperleftupperleftlowerxy当前16页，总共44页。Lammps计算输入文件#2dLJcracksimulation(问题的基本初始化)dimension 2#2维分子动力学模拟boundary ssp#x,y方向不存在周期边界条件，z方向周期边界条件。atom_style atomic#原子类型（金属）Neighbor0.3bin#建近邻表参数（rc+0.3）bin表示为近邻表类型。neigh_modifydelay5#间隔多少载荷步重新形成近邻表当前17页，总共44页。Lammps计算输入文件#creategeometry创建初始几何构形Latticehex0.93#指定晶格类型（二维hex）和晶格常数Regionboxblock0100040-0.250.25#定义一个区域create_box 5box#在指定区域建立一个simulationbox,5表示原子类型的种类数create_atoms1box#在simulationbox中创建类型为1的原子（原子位置初始化）Mass11.0Mass21.0Mass31.0Mass41.0Mass51.0#指定单个原子的质量当前18页，总共44页。Lammps计算输入文件#LJpotentials(指定原子作用势)pair_style lj/cut2.5#指定lj势，截断半径为2.5pair_coeff**1.01.02.5#指定lj势参数#definegroups（便于加载）Region1blockINFINFINF1.25INFINFGrouplowerregion1#定义lower组（便于施加外加速度）Region2blockINFINF38.75INFINFINFGroupupperregion2#定义upper组（便于施加外加速度）Groupboundaryunionlowerupper#定义总边界组Groupmobilesubtractallboundary#定义可动原子组（便于统计温度）当前19页，总共44页。Lammps计算输入文件region leftupperblockINF2020INFINFINFregion leftlowerblockINF20INF20INFINFgroup leftupperregionleftuppergroup leftlowerregionleftlower#定义左上、左下原子组（便于指定裂纹的存在）set groupleftuppertype2set groupleftlowertype3set grouplowertype4set groupuppertype5#指定原子类型（便于指定裂纹的存在）当前20页，总共44页。Lammps计算输入文件#initialvelocities初始化速度compute newmobiletemp#定义温度的计算（可动区域内统计平均）computenew2mobilestress/atom

#定义原子应力的计算（整个区域）Velocitymobilecreate0.01887723tempnew#按指定的温度（0.01）计算方法，初始化原子的速度Velocityupperset0.00.30.0#upper原子组y方向的速度为0.3Velocitymobilerampvy0.00.3y1.2538.75sumyes#mobile原子的速初始度从0到0.3线性变化#fixes施加约束fix 1allnve#nve系综的积分算法fix 2boundarysetforceNULL0.00.0#边界boundary上力条件，钢化原子，便于加载！！当前21页，总共44页。Lammps计算输入文件#run运行计算timestep 0.003#时间间隔步Thermo200#每200步输出热动力学统计量thermo_modifytempnew#计算温度通过new指示的方法计算neigh_modifyexcludetype23#原子2，3之间作用取消（也就是通过不使他们在近邻表中出现实现）Dump1allatom500dump.crack#每隔500步将原子信息写入文件dump.crackDump2mobilecustom500dump2.cracktagxyzc_new2[2]run 5000#进行5000步的模拟当前22页，总共44页。B.使用EAM势模拟Ni的剪切行为Z‘xY’<100><010><001><011><011>yz当前23页，总共44页。#3dmetalshearsimulation3维金属剪切模拟Unitsmetal#采用金属材料单位boundary ssp#施加z方向的周期边界条件atom_style atomic#定义原子之间的相互作用（没有键键作用）Latticefcc3.52#指定晶格为fcc，晶格常数3.52埃Regionboxblock016.0010.002.828427#定义区域box（x上下限，y上下限，z上下限）create_box3box#在box区域内创建包含3种原子类型的simulationboxLammps计算输入文件当前24页，总共44页。Lammps计算输入文件Latticefcc3.52orientx100orienty011orientz&0-11origin0.500#指定晶格类型、晶格常数、x,y,z坐标的晶向#&续行符、晶胞的起始点（0.5表示半个晶格常数）create_atoms1box#在box区域内建立类型为1的原子pair_style eam#定义原子之间作用势为嵌入原子势pair_coeff**Ni_u3.eam#指定嵌入势参数文件当前25页，总共44页。Lammps计算输入文件neighbor 0.3bin#指定原子近邻列表参数rc+r1中的r1neigh_modifydelay5#指定近邻表更新频率region lowerblockINFINFINF0.9INFINFregion upperblockINFINF6.1INFINFINFgroup lowerregionlowergroup upperregionuppergroup boundaryunionlowerupper#指定边界组，用于施加边界条件group mobilesubtractallboundary#指定可动部分组，用于计算温度当前26页，总共44页。Lammps计算输入文件set grouplowertype2set groupuppertype3#设置原子类型lower为2，upper为3Computenew3dmobiletemp#设定温度计算new3dComputenew2dmobiletemp/partial011#设定温度计算new2d，忽略x方向速度computenew1dallstress/atom

#设定原子应力计算当前27页，总共44页。Velocitymobilecreate300.05812775tempnew3d#初始化mobile区域原子的速度#使new3d方法计算的温度为300k？？Fix1allnve#使系综为nve系综，同时确定了方程的积分方法Fix2boundarysetforce0.00.00.0#使边界上原子x，y，z方向的受力均为0Fix3mobiletemp/rescale10300.0300.010.01.0#使用直接调温法，每10步准备调一次#如果在300+-10k内不调#如调的话要求其范围在300+-1k之内fix_modify3tempnew3d#fix3调温时采用new3d的计算方案Lammps计算输入文件当前28页，总共44页。Lammps计算输入文件#以下为弛豫过程thermo 25#每25步在屏幕上打印热动力学统计量thermo_modifytempnew3d#输出的温度按new3d方案计算timestep 0.001#时间步长为0.001psrun 100#弛豫100个载荷步当前29页，总共44页。Lammps计算输入文件#以下为剪切加载velocity upperset1.000#上边界原子施加x方向的速度velocity mobilerampvx0.01.0y1.48.6sumyes#在y[1.4,8.6]区域定义0，1之间的vx插值速度#该速度累加到弛豫的速度上Unfix3#释放弛豫时候的温度约束3fix 3mobiletemp/rescale10300.0300.010.01.0#重新施加温度调控约束3fix_modify3tempnew2d#温度的计算采用new2d计算方案当前30页，总共44页。Lammps计算输入文件#以下为剪切计算Dump1allcustom100dump.sheartagtype&xyzc_new2[4]#每100步输出，c_new1d[4]为new1d计算的原子应力thermo 100thermo_modify tempnew2d#每次输出屏幕上的温度按new2d方案计算reset_timestep 0#重新设当前为第0步run 3000#剪切计算3000步当前31页，总共44页。C.熔化、凝固过程模拟：ArCuAl对于Cu，建立8×8×5的FFC晶格体系，充分弛豫后利用Nose-Hove