分子动力学系综讲解.pdf

《分子动力学系综讲解.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、分子动力学模拟的基本过程黄敏生基本步骤A.原子位置的初始化•建立分子动力学模拟过程的首要问题和第一步是确定分子体系的初始条件。•两种方式，一是采用实验数据，二是借助各种理论模型得到分子结构的几何参数，如面心立方(FCC)模型等。A.原子位置的初始化•1.无论采取哪种方法，给定分子结构的空间坐标都不一定处在分子力场最稳定的位置，即各原子并非处在平衡态，造成体系的能量比较高。•2.要进行一个不施加载荷的弛豫过程，使得系统达到稳定的平衡状态（共轭梯度法）。•3.在这个过程中，系统从人为的初始构形转变成真实初始构形，势能减小并达到稳定。•4.初始条件最好与真实构形类似，F

2、cc
BCC,固体结果影响较大，气体影响较小。A.原子速度的初始化•1.为使模拟尽快达到平衡，分子初始速度的分布应该尽量接近真实情形。•2.采用近似的Maxwell-Boltzmann统计分布来赋予原子的初始速度是比较合理的。能够使得系统尽快弛豫。x,[0,1]范围内的随机数0，2Pi随机数速度的高斯分布A初始条件二•1.在满足以上温度的条件下，必须保证系统净总动量为零。•2.另一种获得初始条件的方法是选取模拟过程某一时刻的原子坐标和速度。•3.分子动力学模拟经常分成不同的物理阶段进行，上一个模拟过程结束时的原子位置和速度就可以作为下一次模拟的初始条件。边界条件•

3、分子动力学模拟中，只有足够的粒子数量，才能准确的描述材料的宏观性能。•为了减小计算规模，人们引入了周期性、固定、全反射等边界条件。目前常用的边界条件包括周期性边界条件、对称边界条件和固定边界条件。1.周期性边界(Periodicboundarycondition)像胞元非周期边界条件•分子体系的模拟并不是都使用周期性边界条件，在很多情况下，如溶液中沉淀的分子团簇、蛋白质分子、病毒分子、材料的表面等并不需要周期性边界条件。•可以根据分子体系所处的外界环境对非周期边界上的粒子施加一定的限制。•例如，边界上的原子设计为位置固定的，就可以形成刚性边界。（原子始终不动）•对

4、边界上的原子施加一定荷载或考虑边界上原子与外界环境之间的作用力，就形成阻尼边界力场的截断在分子动力学中，，出于计算上的考虑，出于计算上的考虑，力场的截断是必须的，，即在某一范围内力场是有效的，即在某一范围内力场是有效的，，因，因此会导致一些计算上的困难。势函数直接截断：V(r)-Vr£rSijcijcV(rij)=0r>rijc力场的截断力场连续的势函数截断：dV(rij)SV(rij)-Vc-()rij=rc(rij-rc)rij£rcV(rij)=drij0r>rijc近邻表•虽然引入了阶段半径的概念，但然而计算原子间的距离需要耗费大量的C

5、PU时间。•设想研究对象为N个原子构成的粒子系统，由于要计算每个原子与其余原子间的距离，因此需要计算N(N-1)次原子间距，计算量随系统规模的增大成几何次增大。
Verlet近邻表
网格近邻表
首先通过建立链表记录各原子周围(((截断(截断近邻表
Verlet近邻表半径:r:r:rccc)))区域内的所有原子)区域内的所有原子，，然后通过链表，然后通过链表计算各分子所受到的作用力。
为了计算原子111所受的作用力1所受的作用力。。假定一个。假定一个•最早由Verlet提出球形的区域，，半径为，半径为rrr111，，且，且且r且rrr111>r>r>rccc。。(r

6、。(r(r(rccc为截断半径)))，)，，并给截断半径，并给截断半径rrrccc区域内的分子建立一个链表。
当截断半径rrrccc范围内的分子没有离开rrr111球形区域时，，只需要根据链表中的分子，只需要根据链表中的分子，，即可，即可计算出分子111所受到的作用力1所受到的作用力。
如果截断半径rrrccc范围内的分子离开了rrr111，球形区域，，则需要建立新的链表，则需要建立新的链表，，即在计算，即在计算过程中，，每隔一定时间，每隔一定时间，，更新列表，更新列表。TimeUpdateRListintervalN=256N=500No-3.3310.002.

7、605.782.244.932.7012.502.174.552.9026.322.284.51占用了一定量的计算机内存。分子数较3.1043.482.474.79时，此方法具有一定的优势3.4383.332.89-3.50100.00-5.86近邻表
Verlet近邻表算法近邻表
Verlet近邻表—周期性方法（a）方法（b）近邻表
网格近邻表
这种方法的思想是将研究对象看成一个方盒，将这一方盒划分为M×M×M个单元（cell），每个单元的边长必须大于势函数的截断半径。
与单元13内的原子间距小于截断半径的其它原子必然在单元13与其邻近单元7，8，9，12，13

8、，14，1