LAMMPS手冊-中文版講解.doc

1、頁眉內(nèi)容LAMMPS手冊 -中文解析一、簡介本部分大至介紹了LAMMPS 的一些功能和缺陷。1什么是 LAMMPS?LAMMPS 是一個(gè)經(jīng)典的分子動(dòng)力學(xué)代碼，他可以模擬液體中的粒子， 固體和汽體的系綜。他可以采用不同的力場和邊界條件來模擬全原子，聚合物，生物，金屬，粒狀和粗料化體系。 LAMMPS 可以計(jì)算的體系小至幾個(gè)粒子，大到上百萬甚至是上億個(gè)粒子。LAMMPS 可以在單個(gè)處理器的臺(tái)式機(jī)和筆記本本上運(yùn)行且有較高的計(jì)算效率， 但是它是專門為并行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的。 他可以在任何一個(gè)按裝了 C+編譯器和 MPI 的平臺(tái)上運(yùn)算，這其中當(dāng)然包括分布式和共享式并行機(jī)和Beowulf 型的集群機(jī)。LAMMP

2、S 是一可以修改和擴(kuò)展的計(jì)算程序， 比如，可以加上一些新的力場， 原子模型，邊界條件和診斷功能等。通常意義上來講， LAMMPS 是根據(jù)不同的邊界條件和初始條件對(duì)通過短程和長程力相互作用的分子，原子和宏觀粒子集合對(duì)它們的牛頓運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分。高效率計(jì)算的 LAMMPS 通過采用相鄰清單來跟蹤他們鄰近的粒子。 這些清單是根據(jù)粒子間的短程互拆力的大小進(jìn)行優(yōu)化過的， 目的是防止局部粒子密度過高。 在并行機(jī)上， LAMMPS 采用的是空間分解技術(shù)來分配模擬的區(qū)域，把整個(gè)模擬空間分成較小的三維小空間，其中每一個(gè)小空間可以分配在一個(gè)處理器上。各個(gè)處理器之間相互通信并且存儲(chǔ)每一個(gè)小空間邊界上的 ”ghost

3、”原子的信息。 LAMMPS( 并行情況 )在模擬 3 維矩行盒子并且具有近均一密度的體系時(shí)效率最高。2LAMMPS的功能總體功能：可以串行和并行計(jì)算分布式 MPI 策略模擬空間的分解并行機(jī)制開源高移植性 C+ 語言編寫MPI 和單處理器串行FFT 的可選性（自定義）可以方便的為之?dāng)U展上新特征和功能只需一個(gè)輸入腳本就可運(yùn)行有定義和使用變量和方程完備語法規(guī)則在運(yùn)行過程中循環(huán)的控制都有嚴(yán)格的規(guī)則只要一個(gè)輸入腳本試就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)模擬任務(wù)粒子和模擬的類型：頁眉內(nèi)容（atom style 命令）原子粗?；Ｗ尤泳酆衔?，有機(jī)分子，蛋白質(zhì)，DNA聯(lián)合原子聚合物或有機(jī)分子金屬粒子材料粗?；橛^模

4、型延伸球形與橢圓形粒子點(diǎn)偶極粒子剛性粒子所有上面的雜化類型力場：（命令： pair style, bond style, angle style, dihedral style, improper style, kspace style）對(duì)相互作用勢： L-J, Buckingham, Morse, Yukawa, soft,class2(COMPASS), tabulated.帶點(diǎn)對(duì)相互作用勢： Coulombic, point-dipole.多體作用勢： EAM, Finnis/Sinclair EAM, modified EAM(MEAM), Stillinger-Weber, Ters

5、off, AIREBO, ReaxFF粗粒化作用勢： DPD, GayBerne, Resquared, Colloidal, DLVO介觀作用勢： granular, Peridynamics鍵勢能： harmonic, FENE, Morse, nonlinear, class2, quartic鍵角勢能： harmonic, CHARMM, cosine, cosine/squared, class2(COMPASS)二面角勢能： harmonic, CHARMM, multi-harmonic, helix, OPLS, class2(COMPASS)不合理勢能： harmonic,

6、CVFF, class2(COMPASS)聚合物勢能： all-atom, united-atom, bead-spring, breakable水勢能： TIP3P， TIP4P，SPC隱式溶劑勢能： hydrodynamic lubrication, Debye長程庫倫與分散： Ewald, PPPM, Ewald/N(針對(duì)長程 L-J 作用 )可以有與普適化力場如 CHARMM ， AMBER ， OPLS，GROMACS 相兼容的力場可以采用 GPU 加速的成對(duì)類型雜化勢能函數(shù)： multiple pair, bond, angle, dihedral, improper potent

7、ials(多對(duì)勢能處于更高的優(yōu)先級(jí) )原子創(chuàng)建：（命令： read_data, lattice, create-atoms, delete-atoms, displace-atoms, replicate）從文件中讀入各個(gè)原子的坐標(biāo)在一個(gè)或多個(gè)晶格中創(chuàng)建原子頁眉內(nèi)容刪除幾何或邏輯原子基團(tuán)復(fù)制已存在的原子多次替換原子系綜，約束條件，邊界條件：（命令： fix ）二維和三維體系正角或非正角模擬空間常 NVE ，NVT ，NPT，NPH 積分器原子基團(tuán)與幾何區(qū)域可選擇不同的溫度控制器有 Nose/Hoover 和 Berendsen壓力控制器來控制體系的壓力（任一維度上）模擬合子的變形（扭曲與剪切）

8、簡諧（ unbrella）束縛力剛體約束搖擺鍵與鍵角約束各種邊界環(huán)境非平行太分子動(dòng)力學(xué) NEMD各種附加邊界條件和約束積分器：Velocity-verlet 積分器Brown 積分器rRESPA 繼承時(shí)間延化積分器剛體積分器共軛梯度或最束下降算法能量最小化器輸出：（命令： dump, restart）熱力學(xué)信息日志原子坐標(biāo)，速度和其它原子量信息的文本 dump 文件二進(jìn)制重啟文件各原子量包括：能量，壓力，中心對(duì)稱參數(shù)， CAN 等用戶自定義系統(tǒng)寬度或各原子的計(jì)算信息每個(gè)原子的時(shí)間與空間平均系統(tǒng)寬量的時(shí)間平均原子圖像， XYZ ，XTC ，DCD ，CFG 格式數(shù)據(jù)的前處理與后處理：包里提供了一

9、系列的前處理與后處理工具另外，可以使用獨(dú)立發(fā)行的工具組pizza.py, 它可以進(jìn)行 LAMMPS 模擬的設(shè)置，分頁眉內(nèi)容析，作圖和可視化工作。特別功能：實(shí)時(shí)的可視化與交互式MD 模擬與有限元方法結(jié)合進(jìn)行原子-連續(xù)體模擬在 POEMS 庫中提供了剛體積分工具并行裉火并行復(fù)制動(dòng)力學(xué)對(duì)低密度液體直接使用 MC 模擬Peridynamic 介觀建模目標(biāo)型與無目標(biāo)型分子動(dòng)力學(xué)雙溫度電子模型LAMMPS不具備的功能：由于 LAMMPS 是對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)方程積分的工具，所以很多必要的數(shù)據(jù)前處理與后處理功能是 LAMMPS 核心不具備的 。其原因?yàn)?：保證 LAMMPS 的小巧性前處理與后處理不能進(jìn)行并行運(yùn)算這

10、些功能可以有其它工具來完成原代碼開發(fā)的局限性特別地， LAMMPS 不能：通過圖形用戶界面來工作創(chuàng)建分子體系自動(dòng)的加上力場系數(shù)為 MD 模擬提供智能化的數(shù)據(jù)分析MD 的可視化為輸出數(shù)據(jù)作圖我們需要為 LAMMPS 輸入一系列的原子類型，原子坐標(biāo)，分子拓樸信息和所有原子與鍵的力場參數(shù)。 LAMMPS 不會(huì)自動(dòng)的為我們創(chuàng)建分子體系與力場參數(shù) 。對(duì)與原子體系， LAMMPS 提供了 creat-atoms 命令來為固態(tài)晶格加上原子?？梢阅苓^ pair coeff,bond coeff, angle coeff 等命來加上小數(shù)目的力場參數(shù)。對(duì)于分子體系或更復(fù)雜的模擬體系，我們通常會(huì)用其它工具來創(chuàng)建或者

11、是轉(zhuǎn)換 LAMMPS 輸出文件來做到這些事情。 有的還會(huì)寫一些自已的代碼來完成這項(xiàng)任務(wù) 。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的分子體系 （如，蛋白質(zhì)），我們需要為之提供上面?zhèn)€拓樸信息與力場參數(shù)。所以我們建議用 CHARMM 或 AMBER 或其它的分子建模器來完成這些任務(wù)，并把之輸?shù)揭粋€(gè)文件中去。然后，改變其格式以達(dá)到 LAMMPS 所允許的輸入格式。同樣，LAMMPS 的輸出文件是一種簡單的文本格式 ，我們也可以通過其它的工具來換專這些格式。頁眉內(nèi)容我們可以用以下幾個(gè)軟件來完成高質(zhì)量的可視工作：VMDAtomEyePymolRaster3dRasMol最后要說一下的是，以下這些也是 自由分子動(dòng)力學(xué)包 ，它們大多數(shù)

12、是 并行的，可能也適合來完成你的研究工作，當(dāng)然也可以與 LAMMPS 聯(lián)合起來使用以完成模擬工作。CHARMMAMBERNAMDNWCHEMDL_POLYTinkerCHARMM ，AMBER ，NAMD ，NWCHEM ， Tinker 是專們用于模擬生物分子的。二、開始本部分主要描述如何創(chuàng)建和運(yùn)行LAMMPS 。1 在 LAMMPS發(fā)行包理含有：READMELICENSEBench：測式任務(wù)Doc：文本Examples：簡單的測試任務(wù)Potentials：嵌入原子方法與力場文件Src：源代碼Tools: 前處理與后處理工具假如你下載的是windows 可執(zhí)行文件的話，你里面只有一個(gè)文件（并

13、行與非并行兩種）Lmp-windows.exe2. 編譯 LAMMPS之前的工作：編譯 LAMMPS 不是一個(gè)繁瑣的工作。首先你可能要寫一個(gè)makefile 文件，里面要選擇編譯器，附加的一些將要用到的庫等。事先裝上MPI 或 FFT 等庫。編譯出一個(gè)可執(zhí)行 LAMMPS ：在 SRC 目錄里頭含有 C+ 源文件和頭文件。 當(dāng)然也包括一個(gè)高水平的Makefile ，在 MAKE 目錄里頭有幾個(gè)低水平的 Makefile.*files分別適有不同的平臺(tái)。進(jìn)入SRC 目錄，輸入 make 或 gmake，你將會(huì)看到一列的可選項(xiàng)。假如其中有一種符合你的機(jī)器，你可以輸入像下面一樣的命令：Make li

14、nuxGmake mac注意， 在一個(gè)多處理器或 多核處理器 的平臺(tái)上你可以進(jìn)行平行編譯，在 make 命令中使用“ -j ”選項(xiàng)就可以，這樣編譯起來會(huì)更快一些。在此過程中不發(fā)生錯(cuò)誤的話，你可以得到一個(gè)類似于lmp-linux 的可執(zhí)行文件。頁眉內(nèi)容在編譯過程當(dāng)中將會(huì)發(fā)生的常見錯(cuò)誤：（ 1）如果編譯過程當(dāng)中發(fā)生錯(cuò)誤，并提示不能找到一個(gè)含有通配符* 為名的文件的話， 說明你機(jī)器上的 make 器允許 makefile 中使用通配符。那就償式使用 gmake。如還不行的話，就試試加入 -f 選項(xiàng)，用 Makefile.list 作為 make 對(duì)像。如：Make makelistMake f ma

15、kefile.list linuxGmake f makefile.lst mac(2) 當(dāng)你使用低水平的 makefile 時(shí)，可能由于對(duì)機(jī)器的設(shè)置不正確，會(huì)導(dǎo)致一些錯(cuò)誤。假如你的平臺(tái)叫“ foo” ,的話，你將要在 MAKE 目錄中創(chuàng)建一個(gè) Makefile.foo 。使用任何一個(gè)與你機(jī)器相近的文件作為開始總是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。（ 3）如你在鏈接的時(shí)候出現(xiàn)庫丟失或少了依賴關(guān)系的話，可能是由于：你編譯的包需要一個(gè)附加的庫，但卻沒有事先編譯需要的package libaray.你要鏈接的庫在你的系統(tǒng)中不存在。沒有連接到必要的系統(tǒng)庫后兩種問題出現(xiàn)，你就需要修改你的低水平makefile.foo.編

16、輯一個(gè)新的低水平makefile.foo:（ 1）在 #后的句子中，替換foo，不論你寫成什么，這一行將會(huì)出現(xiàn)在屏幕上，如果你只輸入make 命令的話。（ 2）在“ complier/linker settings ”部分為你的化符號(hào)。 你可以在任何UNIX 系統(tǒng)中使用的系統(tǒng)中安裝了MPI 的話。C+ 編譯器列出編譯器與鏈接器的設(shè)置，包括優(yōu)G+ 編譯器。 當(dāng)然你也可以用MPICC ，如果你如過在編譯過程當(dāng)中需要符加的庫的話，你必需在LIB 變量中列出來。DEPFLAGS設(shè)置可以讓C+ 編譯器創(chuàng)建一個(gè)源文件的依賴關(guān)系列表，當(dāng)源文件或頭文件改變的時(shí)候可以加快編譯速度。有些編譯器不能創(chuàng)建依賴關(guān)系列表

17、，或者你可以用選項(xiàng)D 來實(shí)現(xiàn)。G+ 可以使用-D 。如果你的編譯器不能創(chuàng)建依賴關(guān)系文件的話，那么你就需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Makefile.foo來與 Makefile.storm （它用一系列的不需要依賴文件的規(guī)劃）相對(duì)應(yīng)。（ 3）“ system-specific settings ”部分有四個(gè)小部分：A LMP INC 變量，包括一些與系統(tǒng)相關(guān)的條件選項(xiàng)。B 3 個(gè) MPI 變量用于指定 MPI 庫。如你要進(jìn)行并行計(jì)算的話，那么你必須在你的平臺(tái)上安上MPI 庫。如你想用 MPI 內(nèi)置 C+ 編譯器的話，你可以讓這三個(gè)變量空著，如你不用MPICC的話，那么，你要指定MPI.h(MPI_INC)文件在

18、哪， MPI(MPI_PA TH) 庫在哪，還有庫名 (MPI_LIB).如果你想自已安裝 MPI 的話，我們建議用 MPICH1.2 或 2.0。 LAM MPI 也可以。如果我的是大平始的話，你的供應(yīng)商已經(jīng)為你裝上了MPI ，其可能比 MPICH 或 LAM更快，你可以把找出來并與之鏈接。如你用 LAM 或 MPICH ，你必需要設(shè)置他并編譯他使之適合你的平臺(tái)。如果你想在單處理器的機(jī)器上運(yùn)行的話，你可以用STIBS 庫，這樣你就可以不用在你的系統(tǒng)中安裝 MPI 庫。防照 makefile.serial ，看是如果設(shè)置這三個(gè)變量的。當(dāng)然你在編譯LAMMPS 之前你必需創(chuàng)建STUBS 庫。在

19、STUBS 目錄中，輸入 make，不出錯(cuò)的話你將會(huì)得到一個(gè)libmpi.a 文件可供鏈接到LAMMPS 。當(dāng)出錯(cuò)，你則要修改STUBS 下的 MAKEFILE 。STUBS/MPI.CPP 有一個(gè) CPU 計(jì)時(shí)器 MPI_Wtime() 可以調(diào)用 gettimeofday().如你的系統(tǒng)不支持gettimeofday() ，則你就要插入一句代碼來調(diào)用另一個(gè)計(jì)時(shí)器，要注意的是，clock() 函數(shù)在一個(gè)小時(shí)之后會(huì)歸0，所以對(duì)于一個(gè)長時(shí)間的LAMMPS 模擬來說這是不夠用的。C FTT 變量用于指定 FFT 庫，當(dāng)要用到 kspace-style 命令來計(jì)算長程庫倫作用時(shí)使用PPPM 選項(xiàng)時(shí)要用

20、到。頁眉內(nèi)容要使用此選項(xiàng)，你必須要在你的機(jī)器上安裝一個(gè)一維的FFT 庫?？梢阅苓^開關(guān)DFFT XXX來指定，其中 XXX=INTEL，DEC ， SGI，SCSL ，或 FFTW 。沒有辦法的情況下可以用供應(yīng)商提供的庫。 FFTW 是一個(gè)快速的，可移植性的庫，它可以在任何一個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行。最好;make 就可以。不任你是用哪一種FFT 庫，你都要在makefile.foo 中 正 確 的 設(shè) 置 咱 們 的FFT_INC,FFT_PA TH,FFT_LIB。當(dāng)然，你如果不用PPPM 的話，你將沒有必要安裝FFT 庫。這種情況下，你可以把FFT_INC 設(shè)成 -DFFT-NONE并讓其它幾個(gè)變量空

21、著。你也可以在編譯LAMMPS 時(shí)把 KSPACE 包剔除。D 幾個(gè) SYSLIB和 SYSPATH 變量你可以忽略， 除非你在編譯 LAMMPS 時(shí)其中有一個(gè)或幾個(gè)包要用到附加的系統(tǒng)庫。所有這些包都的的名稱都將會(huì)是SYSLIB和 SYSPATH變量的前輟。SYSLIB 變量將列出系統(tǒng)庫。SYSPATH 則是路徑，只有當(dāng)這些庫為非默認(rèn)路徑時(shí)才有設(shè)定。最后，當(dāng)你正確的寫好了makefile.foo 和預(yù)編譯好了所有的其它庫(MPI,FFT, 包庫等 )之后，你只要在 SRC 目錄下輸入下面其中一個(gè)命令就可以了Make fooGmake foo不出意外，你將會(huì)得到lmp_foo 的可執(zhí)行文件。附加建義（ 1） 為多平臺(tái)編譯 LAMMPS你可以在同一個(gè)SRC 目錄下為多平臺(tái)編譯LAMMPS 。每一個(gè)目標(biāo)都有他自已的目標(biāo)路徑，Obj_name 用于存貯指定系統(tǒng)的目標(biāo)文件。（2）清理輸入 m