MD原理与Lammps实例
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输出： (命令：dump, restart) 原子的位置、速度、加速度，能量、压力等 每个原子的时间与空间平均 用户自定义变量 原子图像：XYZ，XTC，DCD，CFG格式 二进制续算文件
数据的前/后处理： Tools中提供了一系列前/后处理工具
LAMMPS不具备的功能： 图形用户界面 创建分子体系 自动施加力场参数 MD的可视化和输出数据作图
m iai
原子间作用势
MD计算流程图
Newton 运动方程的数值求解：有限差分
1、Verlet、 Velocity-Verlet、Leap-Frog算法 2、Gear预测－校正算法
MD中的系综 (Ensemble)
微正则系综 (NVE) —— 孤立体系 正则系综 (NVT) —— 温度恒定 等温等压系综 (NPT) —— 温度和压力恒定
3. LAMMPS软件简介 Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator 超大规模原子/分子并行模拟器 官网：
开源，可下载源程序或二进制文件
发表论文实例：
功能和优点：
可以串行或并行计算 开源，高移植性C++语言编写 可以方便的扩展，增加新功能 自定义变量和方程 一个输入脚本实现一个或多个模拟任务
Cu： 晶格结构：FCC，4 atoms / cell 晶格常数：3.615 Å 构建 6×6×6 超晶胞，共 864 atoms，lx = ly = lz = 21.69 Å
脚
Fra Baidu bibliotek
注释
系综：NVE，NVT，NPT，NPH 约束条件，边界条件：(fix命令) 二维/三维体系，正交/非正交空间 不同的温度和压力控制 非平衡分子动力学 (NEMD)
原子创建： (命令：read_data, lattice, create-atoms, delete, replicate) 从文件中读入原子坐标 在一个或多个晶格中创建原子 删除、复制、替换
4. LAMMPS运行实例
用 EAM 势模拟 Cu 的凝固
安装 Lammps 软件
Win + r 键，打开运行窗口；输入 cmd，回车，进入命令提示符
cd /d d:\lmp\CuCooling (切换至工作目录)
lmp -in cooling.in
(串行执行)
mpiexec -localonly 4 lmp -in cooling.in (4核并行)
分子动力学模拟与 LAMMPS 软件的使用
李留辉 2016.05
主要内容
1. 分子动力学模拟基础 2. MD势函数 3. LAMMPS软件简介 4. LAMMPS运行实例
1. 分子动力学模拟基础
MD：根据描述原子间相互作用的势函数， 求解经典牛顿运动方程，得到系统确定的运动轨迹
U U(r)
Fi
U (r) r
模拟对象：原子，金属，聚合物，生物分子，粒状和粗粒化体系 计算体系：小至几个粒子，大到上百万甚至上亿个粒子 运行平台：单个处理器的 PC，多处理器并行计算机
力场：(pair/bond/angle/dihedral/improper/kspace style)
对势：L-J, Buckingham, Morse, Yukawa 多体势：EAM, Finnis-Sinclair EAM, MEAM, Stillinger-Weber, Tersoff 水势能：TIP3P，TIP4P，SPC 长程库伦力：Ewald, Wolf, PPPM 化学：CHARMM，AMBER，OPLS，GROMACS相兼容的力场 GPU 加速的势函数
N
N
uij(rij)
j1i
i
Fi
i
对势项
多体项
电子密度： i j rij ji
[1] J. H. Li, et al, Physics Reports, 2008, 455:1-134
Lennard-Jones势:
u(r)4r 12 r 6
：势阱深度；：u0 时的原子间距
Fij = ? rm= ?
3、键对分析技术 (Pair Analysis) 区分不同的团簇结构
MD的应用
原子扩散 表面、界面、缺陷 晶体生长、 固态相变 熔化、凝固、非晶形成 力学性质 声子、热力学性质
热物理性质
密度、膨胀系数 焓、比热 表面张力、粘度、扩散系数 熔点、熔化热
2. MD 势函数
对势：Lennard-Jones、Morse
温度标定：
~
MD中的结构表征
1、双体分布函数 (Pair Distribution Function)
g(r)n4irr2,rN rr 局域原子数密度与平均数密度之比
配位数
Nc 4
n r1,min 0
r2g(r)dr
2、结构因子S(q)
S(q)1 N
exp iqvrvij
i,j
q：倒易空间矢量
EAM、Finnis-Sinclair, Extended FS
SMA-TB、Smoothed SMA-TB
多体势[1]
Johnson、Mishin、Zhou ……
MEAM / 2NN-MEAM 考虑角度效应 Stillinger-Weber、Tersoff
Bond-Order potential
U1 N 2i1j
缺点：无方向性，没有考虑多体项，不适合大多数金属
Finnis-Sinclair势
Run FS.m using Matlab/Scilab/FreeMat/Octave …
两个孤立 Ni-Ni 原子的 FS 势
MEAM[1]
总能量 嵌入能
电荷密度
[1] M. I. Baskes, Physical Review B, 1992, 46:2727-2742
高质量的可视化工作： VMD、Ovito、AtomEye Pymol、Raster3d、RasMol
其它分子动力学软件包： DL_POLY、GULP CHARMM、AMBER、NAMD、NWCHEM、Tinker
LAMMPS Windows 版发行包
Benchmarks：测试任务 bin：可执行程序 Doc：使用手册 Examples：简单的例子 Potentials：势函数文件 License、README 以下两个由源程序包解压后才有： Src：源代码 Tools：前、后处理工具
数据的前/后处理： Tools中提供了一系列前/后处理工具
LAMMPS不具备的功能： 图形用户界面 创建分子体系 自动施加力场参数 MD的可视化和输出数据作图
m iai
原子间作用势
MD计算流程图
Newton 运动方程的数值求解：有限差分
1、Verlet、 Velocity-Verlet、Leap-Frog算法 2、Gear预测－校正算法
MD中的系综 (Ensemble)
微正则系综 (NVE) —— 孤立体系 正则系综 (NVT) —— 温度恒定 等温等压系综 (NPT) —— 温度和压力恒定
3. LAMMPS软件简介 Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator 超大规模原子/分子并行模拟器 官网：
开源，可下载源程序或二进制文件
发表论文实例：
功能和优点：
可以串行或并行计算 开源，高移植性C++语言编写 可以方便的扩展，增加新功能 自定义变量和方程 一个输入脚本实现一个或多个模拟任务
Cu： 晶格结构：FCC，4 atoms / cell 晶格常数：3.615 Å 构建 6×6×6 超晶胞，共 864 atoms，lx = ly = lz = 21.69 Å
脚
Fra Baidu bibliotek
注释
系综：NVE，NVT，NPT，NPH 约束条件，边界条件：(fix命令) 二维/三维体系，正交/非正交空间 不同的温度和压力控制 非平衡分子动力学 (NEMD)
原子创建： (命令：read_data, lattice, create-atoms, delete, replicate) 从文件中读入原子坐标 在一个或多个晶格中创建原子 删除、复制、替换
4. LAMMPS运行实例
用 EAM 势模拟 Cu 的凝固
安装 Lammps 软件
Win + r 键，打开运行窗口；输入 cmd，回车，进入命令提示符
cd /d d:\lmp\CuCooling (切换至工作目录)
lmp -in cooling.in
(串行执行)
mpiexec -localonly 4 lmp -in cooling.in (4核并行)
分子动力学模拟与 LAMMPS 软件的使用
李留辉 2016.05
主要内容
1. 分子动力学模拟基础 2. MD势函数 3. LAMMPS软件简介 4. LAMMPS运行实例
1. 分子动力学模拟基础
MD：根据描述原子间相互作用的势函数， 求解经典牛顿运动方程，得到系统确定的运动轨迹
U U(r)
Fi
U (r) r
模拟对象：原子，金属，聚合物，生物分子，粒状和粗粒化体系 计算体系：小至几个粒子，大到上百万甚至上亿个粒子 运行平台：单个处理器的 PC，多处理器并行计算机
力场：(pair/bond/angle/dihedral/improper/kspace style)
对势：L-J, Buckingham, Morse, Yukawa 多体势：EAM, Finnis-Sinclair EAM, MEAM, Stillinger-Weber, Tersoff 水势能：TIP3P，TIP4P，SPC 长程库伦力：Ewald, Wolf, PPPM 化学：CHARMM，AMBER，OPLS，GROMACS相兼容的力场 GPU 加速的势函数
N
N
uij(rij)
j1i
i
Fi
i
对势项
多体项
电子密度： i j rij ji
[1] J. H. Li, et al, Physics Reports, 2008, 455:1-134
Lennard-Jones势:
u(r)4r 12 r 6
：势阱深度；：u0 时的原子间距
Fij = ? rm= ?
3、键对分析技术 (Pair Analysis) 区分不同的团簇结构
MD的应用
原子扩散 表面、界面、缺陷 晶体生长、 固态相变 熔化、凝固、非晶形成 力学性质 声子、热力学性质
热物理性质
密度、膨胀系数 焓、比热 表面张力、粘度、扩散系数 熔点、熔化热
2. MD 势函数
对势：Lennard-Jones、Morse
温度标定：
~
MD中的结构表征
1、双体分布函数 (Pair Distribution Function)
g(r)n4irr2,rN rr 局域原子数密度与平均数密度之比
配位数
Nc 4
n r1,min 0
r2g(r)dr
2、结构因子S(q)
S(q)1 N
exp iqvrvij
i,j
q：倒易空间矢量
EAM、Finnis-Sinclair, Extended FS
SMA-TB、Smoothed SMA-TB
多体势[1]
Johnson、Mishin、Zhou ……
MEAM / 2NN-MEAM 考虑角度效应 Stillinger-Weber、Tersoff
Bond-Order potential
U1 N 2i1j
缺点：无方向性，没有考虑多体项，不适合大多数金属
Finnis-Sinclair势
Run FS.m using Matlab/Scilab/FreeMat/Octave …
两个孤立 Ni-Ni 原子的 FS 势
MEAM[1]
总能量 嵌入能
电荷密度
[1] M. I. Baskes, Physical Review B, 1992, 46:2727-2742
高质量的可视化工作： VMD、Ovito、AtomEye Pymol、Raster3d、RasMol
其它分子动力学软件包： DL_POLY、GULP CHARMM、AMBER、NAMD、NWCHEM、Tinker
LAMMPS Windows 版发行包
Benchmarks：测试任务 bin：可执行程序 Doc：使用手册 Examples：简单的例子 Potentials：势函数文件 License、README 以下两个由源程序包解压后才有： Src：源代码 Tools：前、后处理工具