一种用于物质和材料的计算机仿真模拟方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于物质和材料的计算机仿真模拟方法及装置，包括针对待进行计算机仿真模拟的物质和材料，构建一个该物质和材料系统的多粒子模型，用所有粒子的坐标与动量描述系统的微观状态，所述粒子为原子或分子；设置所述多粒子模型中每个粒子的粒子曳步运动度量D，用于描述模型中可以发生的任意微观结构转变过程的反应坐标，设定多粒子模型的初始参考状态；采用多粒子系统的四维扩展Langevin动力学方程组计算物质和材料系统的微观状态随时间演化的情况，该方程组为每个粒子赋予一个额外的动力学量s，s与D以谐振子的方式耦合；根据获取的每个离散时间步下模型中所有粒子的坐标与速度的值，对相应的物质和材料系统进行热力学与动力学分析。

【技术实现步骤摘要】
一种用于物质和材料的计算机仿真模拟方法及装置
本专利技术属于凝聚态物质和材料学与计算机仿真工程研究领域，特别涉及一种基于多粒子凝聚态系统加速分子动力学模型的计算机数值仿真模拟的技术方案。
技术介绍
分子动力学计算机数值仿真模拟方法是目前物质研究领域内的一种最为主要的计算模拟方法，因其能直接仿真模拟给出物质在原子和分子尺度层面上的动力学实时动态过程，被广泛地用在材料、物理、化学、生命科学等物质研究领域。在目前普遍使用的传统分子动力学模拟方法中，其基本原理可描述如下。对于含有N个粒子(原子或分子)的任意物质和材料的多粒子系统，分子动力学模拟方法一般用所有粒子在三维欧氏空间中的坐标X＝(x1,x2,…,xN)与相应的粒子动量P＝(p1,p2,…,pN)(pi＝mivi，mi为粒子i的质量，vi为粒子i的速度，i∈{1,2,…,N})作为动力学量并构成相空间来描述多粒子系统的任意微观状态，再通过一组特定的动力学方程组来描述多粒子系统的微观状态随时间演化的动力学过程。在传统的分子动力学模拟方法中，常用的动力学方程组包括(参见文献[1])：A.牛顿动力学(1687年)Fi＝miaiB.Langevin动力学(1908年)C.Nose-Hoover扩展动力学(1984年)上述公式中，各个符号所对应的物理量分别为：F—粒子所受作用力(一般为保守力)；m—粒子的质量；v—粒子的速度(为粒子在三维欧氏空间中的坐标)；a—粒子的加速度(x为粒子在三维欧氏空间中的坐标)；γ—粒子在Langevin动力学假想溶液里的粘滞系数；T—多粒子系统的热力学温度；R(t)—白噪声函数；kB—Boltzmann常数；ζ—多粒子系统的Nose动力学扩展变量；Q—动力学扩展变量ζ对应的质量；N—系统中所有粒子(原子或分子)的数目。所有物理量符号中的下标i代表该物理量属于多粒子系统中标号为i的任意某粒子，物理量符号上的单点与双点分别表示对时间求一阶导数和二阶导数。在上述模型框架下，为了较为真实可信地反映物质中原子、分子的运动情况，其动力学方程组数值离散化处理后的时间步长Δt一般不超过数个飞秒(约为通常固体晶格原子振动周期的5％)，从而使得其在目前计算机的运算能力下，最多只能模拟纳秒量级时间尺度的物理过程。而通常人们较为关注的物理现象如薄膜生长、固体相变、材料形变等过程中的微观结构演化过程都涉及毫秒以上甚至数天、数年(如材料蠕变)的时间跨度。一个更为具体的例子是，作为一种铁碳合金，500℃下钢铁材料中碳原子在铁原子晶格间跳跃1次需要等待的时间约为1微秒。如此巨大(相差约3～13个数量级)的时间尺度限制使得人们难以采用传统的分子动力学模拟方法来研究通常条件下物质中所发生的物理过程及其规律。因此，尽管目前已有一些开源软件(参见文献[2-4])和商业软件(参见文献[5-8])将分子动力学仿真模拟方法包含到了软件的功能之中，该方法基本上还只是停留在学术界实验室范围内被相关研究人员有限度地使用，而上述时间尺度限制正是阻碍其走向工业与工程实际被更为广泛应用的关键瓶颈所在。如果该瓶颈问题可以被突破解决，可以预见将会为相关工业领域特别是材料工业的研发方式带来崭新的面貌。届时分子动力学计算机数值仿真模拟方法将会成为类似于电子显微镜的材料研究必备工具，同时由于高性能计算机相比于昂贵的实验设备在成本方面的巨大优势，新材料研发的时间周期与经济成本都将会大幅缩小，从而有效地促进各种技术的发展。针对这个时间尺度上的瓶颈问题，世界范围内的大量研究团队为此进行了持续不懈的刻苦研究，到目前为止发展并提出了一些所谓加速分子动力学模拟方法的解决方案。这些解决方案从技术思路上大体可分为三类：①系统势能面(PotentialEnergySurface)抬升模拟方法，包括Hyperdynamics(参见文献[9,10])、Metadynamics(参见文献[11,12])、Strain-boostmoleculardynamics(参见文献[13])、Adaptiveboostmoleculardynamics(参见文献[14])等方法与模型，其特点是通过为多粒子(原子、分子)凝聚态系统构造一个偏置势(Biaspotential)ΔU(X)，将这个偏置势叠加到系统本来的原子间相互作用势函数U(X)上，系统在这个叠加势的基础上基于传统分子动力学方程进行时间演化，将会有更大的几率从一个初态越过中间态势垒而过渡到另一个状态，从而达到了时间尺度跨越的效果。这种模型与模拟方法的缺点在于，由于多粒子系统的势能面是一个3N维空间中的超曲面，随着粒子数N的增加这个超曲面的形貌会变得异常复杂，因此需要小心注意偏置势的叠加是否会违反化学反应动力学基本规律；同时，偏置势的构造没有固定规则可循，且一般较为复杂，仅能针对特定的动力学过程如原子扩散、位错形核与运动等进行计算模拟，从而限制了其广泛应用。②多复本计算模拟方法，主要包括ParallelReplicaDynamics(参见文献[10,15])、ParallelTrajectorySplicing(参见文献[16])等方法与模型，其特点是基于多粒子凝聚态系统动力学过程的随机与统计特性，通过构造大量的系统初态的复本，为每个复本赋予不同的随机指标值，各个复本再基于传统分子动力学方程进行时间演化，由于每个复本发生状态改变的几率相同，N个复本同时进行时间演化等价于将原有单个系统发生状态改变的几率提高了N倍。可以看出，由于要为每个复本进行同样的分子动力学计算模拟，这个方法的思想实质上是以CPU计算资源换取模拟时间尺度的放大，其缺点在于对CPU数目要求较高，因此只适合于粒子数较少的物质系统的模型，从而限制了其广泛应用。③高温-低温映射模拟方法，主要包括TemperatureAcceleratedDynamics方法和模型(参见文献[10,17,18])，其特点是根据化学反应动力学规律，多粒子凝聚态系统在温度升高时，系统发生微观状态变化的几率会大幅增加，因此该方法是通过在一个较高温度下对系统进行分子动力学时间演化，将所有高温下发生的状态转变事件记录下，再计算这些事件在目标低温下发生的几率，选择几率较大的事件作为低温下动力学状态变化的过程，从而达到时间尺度跨越的效果。该方法的主要缺点在于，由于同一个系统在较高温度和较低温度下的微观状态变化特征会存在较为显著的差别，较高温度下的分子动力学模拟不一定能有效合理地给出较低温度下的微观状态变化，因此可能会产生动力学物理失真。除了上述三种技术方案外，通过借鉴由ShuichiNose发展Nose-Hoover动力学时所提出的动力学扩展变量的思想(参见文献[19,20])，同时基于为描述多粒子凝聚态系统中特定微观结构转变事件动力学过程而引入的多粒子动力学系统“集合变量(Collectivevariable)”的概念(参见文献[11,21])，LucaMaragliano和Er本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于物质和材料的计算机仿真模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，/n步骤1，针对待进行计算机仿真模拟的物质和材料，构建一个该物质和材料系统的多粒子模型，实现如下，/n对于含有N个粒子的任意物质和材料系统，所有粒子构成的集合记为{1,2,…,N}，用所有粒子在三维欧氏空间

【技术特征摘要】
1.一种用于物质和材料的计算机仿真模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，针对待进行计算机仿真模拟的物质和材料，构建一个该物质和材料系统的多粒子模型，实现如下，
对于含有N个粒子的任意物质和材料系统，所有粒子构成的集合记为{1,2,…,N}，用所有粒子在三维欧氏空间中的坐标X＝(x1,x2,…,xN)与相应的粒子动量P＝(p1,p2,…,pN)作为动力学量并构成相空间来描述该物质和材料系统的任意微观状态，任意某个粒子i的坐标为xi，粒子i的动量为pi＝mivi，mi为粒子i的质量，vi为粒子i的速度，i∈{1,2,…,N}，所有粒子的速度为V＝(v1,v2,…,vN)；设三维欧氏空间的笛卡尔坐标系的坐标轴为xi与vi和pi均为3维向量，X与V和P均为3N维向量；这些粒子间存在相互作用力，用U(X)表示系统所有粒子间的相互作用势能函数，则任意某个粒子i在α坐标轴方向所受的力表示为该粒子在三维欧氏空间中α坐标轴方向的坐标为所述粒子为原子或分子；
步骤2，设置所述多粒子模型中所有粒子的粒子曳步运动度量D＝(D1(X),D2(X),D3(X),…,DN(X))，所述粒子曳步运动度量D用于描述凝聚态物质与材料中可以发生的任意微观结构转变过程的反应坐标，每个粒子的粒子曳步运动度量D＝D(X)的值通过计算该粒子与其最近邻粒子所构成的粒子团的空间几何构型相对于其参考状态的变化量的非仿射变换部分来得到，所述参考状态包括多粒子模型中所有粒子的参考坐标(X0)的值；
设定多粒子模型的初始参考状态，用于后续计算多粒子模型在任意时刻下所有粒子的粒子曳步运动度量D＝(D1(X),D2(X),D3(X),…,DN(X))的值；
步骤3，采用多粒子系统的四维扩展Langevin动力学方程组来计算物质和材料系统的微观状态对应的所有粒子的坐标X与速度V的值随时间演化的情况；
所述多粒子系统的四维扩展Langevin方程组为多粒子系统中每个粒子赋予了一个额外的动力学量s，所有粒子额外的动力学量构成N维向量S＝(s1,s2,s3,…,sN)；设定S为与多粒子系统在三维欧氏空间中的粒子曳步运动度量D＝(D1(X),D2(X),D3(X),…,DN(X))相对应的热力学与统计力学量，由于D与粒子在三维欧氏空间中坐标的坐标轴分量具有相同的物理量纲，因而s与粒子在三维欧氏空间中坐标的坐标轴分量也具有相同的物理量纲；赋予每个粒子额外的动力学量s相当于给每个粒子新增了一个额外的动力学自由度，因此多粒子系统被认为是在一个四维空间中运动；在这个四维空间中，将每个粒子在原三维欧氏空间中的粒子曳步运动度量D与该粒子额外的动力学量s以谐振子的方式进行耦合，得到所有粒子在四维空间中的粒子间相互作用势能函数κ为谐振子的力耦合参量；在势能函数Uκ(X,S)的作用下，粒子在原三维欧氏空间中的动力学量X与粒子额外的动力学量S分别以互相独立的粘滞系数和温度各自依据普通Langevin动力学方程进行状态时间演化；
对该四维扩展Langevin动力学方程组进行时间离散化数值处理，按时间步顺序自动化逐步运算求解多粒子模型的所有粒子的坐标X与速度V在每个离散时间步的数值；
该四维扩展Langevin动力学方程组的逐步计算求解中，通过对多粒子模型的参考状态及其对应的所有粒子的参考坐标(X0)值的数据每隔若干时间步进行滚动更新，可用于支持在每个离散时间步计算所有粒子的粒子曳步运动度量D的值；
步骤4，根据步骤3获取的物质和材料系统的多粒子模型在每个离散时间步对应的所有粒子的坐标X与速度V的值，对相应的物质和材料系统进行热力学与动力学分析。


2.根据权利要求1所述用于物质和材料的计算机仿真模拟方法，其特征在于：步骤2和步骤3中，粒子曳步运动度量D的定义如下，



其中，
Di(X)-i粒子的粒子曳步运动度量；
Ni-i粒子的以Rd为半径范围内所有近邻粒子的数目；

-i粒子的以Rd为半径范围内所有近邻粒子的集合；
dji-当前时刻下，三维欧氏空间中以i粒子为起点、j粒子为终点的向量；

-参...

【专利技术属性】
技术研发人员：万亮，刘浩文，梅青松，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42