物质和材料的跨时间尺度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物质和材料的跨时间尺度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，构建多粒子模型；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对应的所有粒子的坐标X与速度V的值随时间变化的情况，其中粒子的近邻偏心度量的值通过计算以该粒子为起点到其各最近邻粒子的三维欧氏空间向量之和再平均所得到的近邻偏心位移的3个坐标轴分量的绝对值之和来得到；根据计算所得每个离散时间步所有粒子的坐标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；其中没有进行多粒子系统初始参考状态设定的步骤。本发明专利技术技术方案简化了实现流程，使用时更便捷，运行效率明显提升。运行效率明显提升。运行效率明显提升。

【技术实现步骤摘要】
物质和材料的跨时间尺度计算机仿真模拟方法及装置


[0001]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改进技术方案。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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,
…
,x
N
)与相应的粒子动量P＝(p1,p2,
…
,p
N
)(p
i
＝m
i
v
i
，m
i
为粒子i的质量，v
i
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])：
[0004]A.牛顿动力学(1687年)
[0005]F
i
＝m
i
a
i
[0006]B.Langevin动力学(1908年)
[0007][0008]C.Nose
‑
Hoover扩展动力学(1984年)
[0009][0010]上述公式中，各个符号所对应的物理量分别为：
[0011]F—粒子所受作用力(一般为保守力)；
[0012]m—粒子的质量；
[0013]v—粒子的速度(x为粒子在三维欧氏空间中的坐标)；
[0014]a—粒子的加速度(x为粒子在三维欧氏空间中的坐标)；
[0015]γ—粒子在Langevin动力学假想溶液里运动的粘滞系数；
[0016]T—多粒子系统的热浴温度；
[0017]R(t)—白噪声函数；
[0018]k
B
—Boltzmann常数；
[0019]ζ—多粒子系统的Nose动力学扩展变量；
[0020]Q—Nose动力学扩展变量ζ对应的质量；
[0021]N—系统中所有粒子(原子或分子)的数目。
[0022]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。
[0023]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、材料的热处理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。例如，作为一种铁碳合金，钢铁材料在500℃下其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和材料中所发生的物理过程及其规律。
[0024]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，但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践从而被更为广泛地应用的关键瓶颈所在。如果该瓶颈问题可以被解决与突破，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。
[0025]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：
[0026]1○
系统势能面(Potential Energy Surface)抬升模拟方法，包括Hyperdynamics(参见文献[9,10])、Metadynamics(参见文献[11,12])、Strain
‑
boost molecular dynamics(参见文献[13])、Adaptive boost molecular dynamics(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(Bias potential)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。
[0027]2○
多复本计算模拟方法，主要包括Parallel Replica Dynamics(参见文献[10,15])、Parallel Trajectory Splicing(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中发生
微观结构转变事件的几率提高了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。
[0028]3○
高温
‑
低温映射模拟方法，主要包括Temperature Accelerated Dynamics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，多粒子凝聚态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种物质和材料的跨时间尺度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；步骤2，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的值随时间变化的情况；步骤3，根据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，在步骤1和步骤2之间，没有进行多粒子系统初始参考状态设定的步骤，在步骤2中，进行以下操作，所述多粒子系统的四维扩展Langevin方程组给多粒子系统中每个粒子赋予了一个额外的动力学量s，所有粒子的额外动力学量构成N维向量S＝(s1,s2,s3,
…
,s
N
)，所述多粒子系统中所有粒子的总数为N；设定每个粒子的额外动力学量s为与该粒子的近邻偏心度量D相对应的热力学与统计力学量；所述粒子的近邻偏心度量D＝D(X)的值通过计算以该粒子为起点到其各最近邻粒子的三维欧氏空间向量之和再平均所得到的近邻偏心位移R(X)的3个坐标轴分量的绝对值之和来得到，所有粒子的近邻偏心度量构成N维向量D＝(D1(X),D2(X),D3(X),
…
,D
N
(X))；所述粒子的近邻偏心度量D用于描述该粒子与其最近邻粒子之间的非协同运动的程度；由于粒子的近邻偏心度量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，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所定义的近邻偏心度量D＝D(X)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粒子间相互作用的势能函数；在该势能函数的作用下，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分别以相互独立的粘滞系数和热浴温度各自依据普通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，得到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的值随时间变化的情况。2.根据权利要求1所述物质和材料的跨时间尺度计算机仿真模拟方法，其特征在于：步骤2中，粒子的近邻偏心度量D的定义如下，
其中，N—多粒子系统中的总粒子数；X—所有粒子在三维欧氏空间中的坐标，X＝(x1,x2,
…
,x
N
)，D
i
(X)—i粒子的近邻偏心度量，是所有粒子的坐标X的函数；R
i
(X)—i粒子的近邻偏心位移，是所有粒子的坐标X的函数；—i粒子的近邻偏心位移R
i
(X)在三维欧氏空间中三个坐标轴方向的分量，是所有粒子的坐标X的函数；N
i
—i粒子的以R
d
为半径范围内所有近邻粒子的数目；—i粒子的以R

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