概述经典分子动力学模拟计算.pdf

第33卷第1期
热处理技术与装备
Vol 33. No. 1
2012年2月
RECHULI JISHU YU ZHUANGBEI
Feb,2012
其它
概述经典分子动力学模拟计算
李丽荣',罗龙2,王宝峰2
(1.内蒙古科技大学数理与生物エ程学院,内蒙古包头014010;
2.内蒙古科技大学材料与治金エ程学院,内蒙古包头014010)
摘要:综逑了分子动カ学模拟技术的发展,介绍了经典分子动力学的基本思想、有关的有限差分技
术、原子间作用势及参数的确定、初始条件和边界条件的选取、平衡态系综及其调控、感兴趣量的提
取,最后还指出了分子动カ学模拟方法本身进一步发展的方向
关键词:分子动力学;原子间作用势;有限差分法;平衡态系综
中图分类号:1B115文献标识码:A文章编号:1673-4971(2012)01-0053-05
An Overview on Classical Molecular Dynamics Simulation
LI Li-rong, LUO Long, WANG Bao-feng
(1. School of Mathematics, Physics and Biological Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology
Baotou Inner Mongolia 014010, China; 2. International school, Inner Mongolia University of Science
and Technology, Baotou Inner Mongolia 014010, China)
Abstract: The progress and principle of molecular dynamics simulation has been summarized. The related
finite difference technique, the determination of interatomic potentials and parameters, the choice of initial
and boundary conditions, the realization and control of equilibrium ensembles, the extraction of useful in-
formation of molecular dynamics simulation are presented. Finaly, future development of molecular dynam
ics simulation has been perspected
Key words: molecular dynamics; interatomic potentials; finite difference technique; equilibrium ensemble
0引言
为、高温变形行为、扩散、沉积、烧结、纳米摩擦、原
分子动力学( Molecular Dynamics,MD)模拟就是子操纵、微流体和微传热等方面。
用计算机方法表示统计力学,作为实验的一个辅助
MD模拟与真实实验在许多方面非常相似,当作
手段。MD模拟用来研究不能用解析方法来解决的一个真实实验时,需要以下步骤:准备试样;将试样
经典多体体系的平衡性质和传递性质,是搭接理论放在测试仪器中进行测量;分析测量的结果。而MD
和实验的一个桥梁。MD方法是一种定性方法,是按模拟应遵从同样方法:首先“准备试样”,即建立一个
照该体系内部的内禀动力学规律来确定位移的转由N个粒子组成的模型体系;“将试样放人测试仪器
变,追踪系综中每个粒子的个体运动,然后根据统计中测量”,解N个粒子组成的体系模型的牛顿返动方
物理规律给出微观量与宏观量的关系来研究材料性程,直至平衡;平衡后,进行材料性质的计算;最后
能的一种方法。目前,该技术已成功地应用于研究“进行测量结果的分析”,对模拟结果进行分析-?。
晶格畸变、晶粒生长、拉压应力应变关系、蠕变行
经典的MD方法是 Alder和 Wainwright于1957
收稿图期:2011-09-18
作者筒介:李丽荣(1983-),女,讲师,主要从事金属材料的微观模拟工作。
联系电话:13948829082;E-mail:11r123@Imust.cn
万方j数据
热处理技术与装备
第33卷
年和1959年提出并应用于理想“硬球”液体模型,发对计算数据进行处理。图1为MD信息输入输出方
现了由 Kirkwood在1939年根据统计力学预言的“刚框图。
性球组成的集合系统会发生由液相到结晶相的转1.3适用范围
变”。 Rahman于1963年采用连续势模型研究了液
经典MD方法只考虑多体系统中原子核的运
体的MD模拟。 Verlet于1967年给出著名的 Verlet动,而电子的运动不考虑,忽略量子效应。经典近似
算法。1980年 Anderson提出了等压MD模型。同年对于许多材料是一个很好的近似,只有当我们处理
Hoover对非平衡态的MD进行了研究。1981年,一些较轻的原子或分子(He,H2,D2)的平动或转动,
Parrinello和 Rahman给出了恒定压强的MD模型,将或振动频率ν满足y>knT的振动等一些情况时,
等压MD推广到元胞的形状可以随其中粒子运动而我们才考虑量子效应。
改变的范围,为MD的发展起到了里程碑的贡献。
Nose于1984年提出了恒温MD方法。1985年 Carol
输出信息
(二次信息)
和 Parrinelc提出了将电子运动与原子核运动一起考
原子的位置坐1
输入信息
热力学性质
虑的第一性原理MD方法。近几十年,随着计算机
相互作用
维结构
和计算数学算法的迅速发展,MD方法得到了长足发
运动方程
展
动力学性质
MD模拟虽不如第一性原理模拟精确,但以程序
温度,压
原子的坐标,速度
简单,计算量小,可以算的粒子体系大大超过第一性
光学性质
原子的运动
原理等方法,而保持有巨大的发展和应用前景,本文
将对MD模拟的基础性内容进行综合概述。
图1分子动力学信息输入和输出方框图
Fig. 1 Block diagram of molecular dynamics information input and output
1分子动力学的基本思想
1,1经典力学定律
2运动方程的数值求解
MD中处理体系的粒子运动遵从牛顿方程,即:
多粒子体系的牛顿方程无法求解析解,需要通
=几;;(t
(1)过数值方法求解,在这种情况下,运动方程可以采用
有限差分法求解。常见的方法有 Verlet算法、leap
式中,F()为粒子i所受的力,m1为粒子的质量,
d()为粒子的加速度,粒子i所受的力(の)是勢
frog算法、 Velocity- Verlet算法、Cear算法等,下面介
绍两种常见的算法:
能函数对坐标r:的一阶导数,即
2.】leap-frog算法
(2
r
eap-frog算法,是 Verlet算法的变种。leap-f