炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台设备论证

1、炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台（软件类★）1）名称、版本、功能模块、用途名称：炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台版本：3.4.1版组成及功能：（1）MAPS Platform 平台模块功能：a. 友好的建模功能：基于三维切图和分子片段；力场分配和建议优化功能;聚合物建模；晶体建模；表面建模；Mesoscale 建模；纳米结构建模；b. 方便的基于力场的计算分析功能：分子模拟过程的动画显示；结构（键长、键角和二面角等）和能量随时间变化曲线；扩散系数计算；径向分布函数；自由体积计算；相关系数计算；结构（键长、键角和二面角等）分布情况c. 支持Python语言脚本编写并可以提交任务功能：软件平台的GUI功能都可通过编写的Python 脚本来实现，并且通过组合脚本实现自动化管理计算任务的目的。

d. 提供友好的作业管理系统：可以进行监控作业的运行、跟踪、强制取消等任务（包括远程任务）。

特殊运行条件的控制也可以通过该系统实现。

可以与PBS 作业管理系统结合使用。

（2）MMPS Atomistic分子动力学计算模块功能：a.采用Newton移动方程描述原子、分子和宏观粒子的移动，可支持多种边界条件和约束条件：除了支持周期体系之外，还能处理非周期体系，包括固定边界条件、收缩边界条件和最小收缩边界条件。

b.拥有广泛的力场，包括：Amber、CHARMM、Dreding、Martin力场和EAM 势。

c.能处理液态、固态和气态的各种粒子系综。

可以模拟原子、聚合物、生物大分子、金属和粒状体系。

d.有效的处理部分带电系统的长程修正，RESPA多时间步积分和能处理非正交和金属体系。

e.能做结构优化，包括原子位置和胞体积，能做分子动力学计算，支持的系综有NVE、NVT和NPT。

f.预测多种性质并解释很多现象，如分子在聚合物中的扩散、溶解度参数和相容性、表面附着力、粘度、摩擦、有机物和无机物的密度。

g.可以实现自由电子动力学计算。

（3）MMPS-DPD 耗散粒子动力学计算模块功能：a. 采用Newton移动方程和指定的相互作用能描述我们研究的体系，并计算其运动轨迹，由此计算体系的各种性质。

b. 广泛应用于复杂液体模拟、胶束形成、块体聚合物形态预测、药物释放现象和很多其它。

c. 允许发生两个粒子的位置重叠（4）MAPS.Amorphous Builder无定形物建模模块功能：a.基于Monte Carlo技术结合反冲生长技术建立复杂单质或混合物的无定形结构。

界面或接口系统采用周期系统来解决。

b.可以建立与实验密度一致的刚体系统。

可以建立单质或混合物的模型，例如聚合物熔体、溶液、多相界面、表面和任意材料的多层结构模型。

c.可以通过该模块控制如何把选取的组分添加到模拟单胞中；也可以实现把某个单层物质添加到由两层平行“墙”组成的空隙中，并模拟限制系统；可以定义被排除的球形体积，控制分子摆放在表面的任意位置；用户可以结合上述功能完成需要的各种不同的形态学模型。

d.应用质量控制技术可以避免不合理的连接或渗透现象。

可以防止分子生长过程中的重叠，例如聚合物链和纳米颗粒在纳米复合材料的建模。

e.可以用来作为结构优化或者分子动力学模拟的输入，预测静态和动态性质：如扩散系数、渗透率、粘度、弹性性质及很多其它性质。

f.可以一步就产生高密度的聚合物如密度高达1.5 g/cm3 的Kapton 或者Polysulfonates。

（5）MAPS.Elastic Properties 预测材料弹性性质计算模块功能：基于分子动力学模拟的预测材料的弹性性质(预测材料的应力应变曲线、杨氏模量和泊松比)。

（6）MAPS.ReaxFF 反应动力学计算分析模块功能：采用经典分子动力学模拟手段研究大尺度反应体系和扩展观察时间。

分析ReaxFF 模拟得到的结果，如燃烧、氧化和聚合反应，研究不同因素对反应的影响，如温度、压强和组成。

（7）MAP.Cross-link Builder 交联结构建模模块功能：依靠分子模拟引擎建立cross-linked 聚合物模型（8）MAPS.ABINIT 密度泛函第一性原理计算模块功能：a.在密度泛涵理论框架内基于平面波赝势和平面波基组，能进行体系的结构优化和分子动力学计算，也能进行总能、电荷密度和电子结构计算。

b.可以得到很多性质，包括动力学矩阵、Born 有效电荷和介电张量。

它也可以处理激发态计算问题，如用TD-DFT 研究分子、多体微绕理论（GW 近似）研究固体。

非常适合解决固体物理、材料科学、化学和材料工程中的固体、分子、表面和界面问题。

c.可以计算声子频率、声子态密度和力常数；可以计算简协近似下的热动力学性质（9）MAPS.Towhee 蒙特卡洛计算模块功能：a.蒙特卡洛计算工具适合预测流体相平衡研究。

b.适用各种系综、支持多种力场和与固体的相互作用（包括多孔材料），c.使用 Grand Canonical Monte Carlo (GCMC)方法d.可用于吸附等温线、结合位、结合能、扩散途径及分子选择性的研究。

（10）MAPS.TeamFF 高精度力场模块功能：a.解决了力场计算中经常遇到的“缺少参数”的问题，可以对不同类型的中小分子直接从量子化学计算结果推导其力场参数，可由分子片段得到大分子或高分子的力场。

b.包含：（1）高精度力场数据库（2）根据量子化学计算结果模拟力场参数功能（3）分子动力学计算优化VDW参数（11）MAPS.NWChem 高效量子化学计算程序功能：a.标准的量子化学计算模块，计算效率高，能处理的分子很大，可以调用的CPU数目多大几十万个。

b.提供键长、键角、振动频率、光学性质（IR,RAMAN,UV-Vis）和其它性质，化学反应过程中能量变化，即过渡态搜索计算。

c.多尺度计算方法HF,DFT,TD-DFT,MP2，CCSD和CCSD(T)。

d.通过分子动力学计算动力学性质，并可以进行异构体搜索计算。

e.可以处理气相化学问题、各种化学反应（如均相催化），通过COSMO 模型可以考虑溶剂化效应。

f.采用RPA和Tamm-Dancoff方法计算激发态（单态和三态），包括CD 谱计算。

g.包含相对论效应；旋轨耦合。

用途：采用先进的多尺度材料模拟软件技术，可以用于建立宏观炸药性质和微观材料特性之间的相互关系。

这种关系的建立有助于清楚炸药制造影响因素中哪个是关键的，并能做到有效的提高炸药的整体性质。

多尺度模拟设计软件弥补了以往理论研究过于理想化和简化工作条件等诸多与实际偏离的缺陷。

可以计算高分子的物性，小分子和高分子凝聚状态和变化分析，研究分子反应机理，固体、表面、界面的电子结构计算。

2）功能要求1.具有很强扩展性的材料设计平台，提供一系列模拟模块，组成强有力的、高扩展性的材料设计环境。

2.提供3个用户界面，用户界面同时支持Windows和Linux操作系统；3.不限制服务器端并行度和同时可以提交的作业数。

4.分子动力学模块提供丰富的力场，包括Amber、CHARMM、Dreding、Martin力场和EAM势、MEAM、Tersoff、SW、Universal Force Field、CVFF、PCFF、OPLS、TIP4P 等。

5. 模拟平台支持用户二次开发，支持计算引擎修改。

6. 分子动力学计算模块要求支持的系综有NVE、NVT和NPT，可以考虑的边界条件种类丰富，如：固定边界条件、内缩边界条件、膨胀-内缩边界条件等。

7. 分子动力学计算模块要求可直接获得粘度、扩散系数等结果的分析功能。

8. 提供丰富的反应动力学计算分析功能，例如：化学反应分析、生成物跟踪分析等。

9. 可以构建交联结构模型。

10. 第一性原理计算模块要求可以直接进行声子谱计算功能，支持GW方法。

11. 蒙特卡洛计算模块要求支持NVT/NPT/uVT/Gibbs系综，支持CMBC方法。

12. 支持Python脚本语言。

3）新增的必要性A、研究任务和课题存在哪些关键技术难点；随着工业向研发更高附加值的产品及其更加复杂的工艺的方向发展，越来越需要深入了解复杂产品的结构特性和整个工艺过程对产品性质的影响。

随着物理学、材料学、化学和计算机技术的发展，我们关注对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构在原子层次上的设计已成为材料研究的主要内容，需要对功能材料研究到电子层次。

然而，原子层次的结构材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本大幅提高，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。

通过材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。

使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，使研究与材料开发更具方向性、前瞻性，可以大大提高研究效率。

B、描述本单位现有条件在哪些方面不能完成仿真、计算；本单位目前拥有的软件不能提供更加丰富的力场和反应动力学、材料的力学性质的模拟分析工作，同时目前的本单位不拥有蒙特卡洛计算方法的模拟软件。

并且我们希望能够在现有的最先进的计算模拟的方法上进行计算引擎的改动，以便达到在高效率的界面环境下，将来开展有自己特色的微观模拟工作。

C、拟选软件对解决关键技术难点所能起到的作用；MAPS 是材料模拟使用非常友好的软件，是成熟的商业软件，目前它所提供的各项计算引擎都是相关领域领先的被世界科研工作者认可的模拟引擎，其中的分子动力学力场是最全面的，反应动力学分析是最先进的，具备炸药在热、力作用下的反应动力学研究的最先进的功能；第一性原理计算功能是最早具备GW计算方法，同时是唯一可以在同一个软件包中完成电子结构计算和声子谱热力学性质计算的软件；蒙特卡洛计算模块是包含所有流行力场的计算模块；量子力学计算模块是计算效率非常高的，适用范围非常广泛的计算模块。

并且该平台提供高效率的无定形物建模以及交联结构建模工具，极大的提高了工作效率。

同时，模拟平台支持用户的二次开发，支持计算引擎修改。

此外还提供有方便高效的API接口，是基于python脚本语言的。

用户可以把自己开发的代码加入到模拟平台中，并且与模拟平台原有的其他计算引擎协同操作。

便于我们将来开展有自己特色的微观模拟工作。

D、为什么不能采取外协的方式完成；材料的模拟是当今流行的、先进的科研手段之一，因此当前非常有必要建立完整的炸药微观模拟平台，培养模拟技术人员和完成对学生的培养，建立起一支完整的模拟设计队伍。

如果采用外协方式，不方便学生进行熟练的操作，同时考虑到模拟硬件的资源紧张，外协方式可能导致科研模拟课题的延迟，同时考虑科研内容的保密性，也建议不采用外协的方式。

故新增1套炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台是十分必要的。