分子動力學的模擬過程

1、分子動力學的模擬過程,程序流程也相分子動力學模擬作為一種應用廣泛的模擬計算方法有其自身特定的模擬步驟 對固定。本節(jié)主要就分子動力學的模擬步驟和計算程序流程做一些簡單介紹。1. 分子動力學模擬步驟 分子動力學模擬是一種在微觀尺度上進行的數(shù)值模擬方法。 這種方法既可以得到一些使用傳 統(tǒng)方法 ,熱力學分析法等無法獲得的微觀信息 ,又能夠將實際實驗研究中遇到的不利影響因素 回避掉 ,從而達到實驗研宄難以實現(xiàn)的控制條件。分子動力學模擬的步驟為 :(1) 選取所要研究的系統(tǒng)并建立適當?shù)哪M模型。(2) 設定模擬區(qū)域的邊界條件 ,選取粒子間作用勢模型。(3) 設定系統(tǒng)所有粒子的初始位置和初始速度。(4) 計

2、算粒子間的相互作用力和勢能 ,以及各個粒子的位置和速度。(5) 待體系達到平衡 ,統(tǒng)計獲得體系的宏觀特性。 分子動力學模擬的主要對象就是將實際物理模型抽象后的物理系統(tǒng)模型。因此,物理建模也是分子動力學模擬的一個重要的環(huán)節(jié)。而對于分子動力學模擬 ,主要還是勢函數(shù)的選取 ,勢函數(shù)是分子動力學模擬計算的核心。這是因為分子動力學模擬主要是計算分子間作用力,計算粒子的勢能、 位置及速度都離不開勢函數(shù)的作用。 擬模型相符 ,這樣可以使系統(tǒng)盡快達到平衡。另外 的速度相當 ,這樣可以減少計算機的模擬時間。 要想求解粒子的運動狀態(tài)就必須把運動方程離散化系統(tǒng)中粒子初始位置的設定最好與實際模,粒子的初始速度也最好與

3、實際系統(tǒng)中分子,離散化的方法有經典 Verlet 算法、蛙跳算法 (Leap-frog) 、速度 Veriet 算法、 Gear 預估 -校正法等。這些算法有其各自的優(yōu)勢,選取時 可按照計算要求選擇最合適的算法。統(tǒng)計系統(tǒng)各物理量時 ,便又涉及到系統(tǒng)是選取了什么系綜。只有知道了模擬系統(tǒng)采用的系綜 才能釆用相對應的統(tǒng)計方法更加準確,有效地進行統(tǒng)計計算 ,減少信息損失。2. 分子動力學模擬程序流程 具體到分子動力學模擬程序的具體流程,主要包括 :(1) 設定和模擬相關的參數(shù)。(2) 模擬體系初始化。(3) 計算粒子間的作用力。(4) 求解運動方程。(5) 循環(huán)計算 ,待穩(wěn)定后輸出結果。 分子動力學模

4、擬程序流程圖如 2.3 所示。4.分子動力學的發(fā)展趨勢分子動力學的發(fā)展同其他新事物的發(fā)展一樣，都遵循著從簡單到復雜，從全面到專業(yè)的發(fā)展歷程。從開始只有幾個分子動力學的開創(chuàng)者到現(xiàn)在各個行業(yè)的研究者都想應用分子動力學模擬 來促進自身行業(yè)的發(fā)展，分子動力學經歷了巨大的發(fā)展。研究者們致力于如何幵發(fā)出通用性強，具有強大功能的分子模擬軟件，并且將其應用于科學研 宄甚至是商業(yè)發(fā)展。他們不斷研究，認真分析，力求改進分子模擬算法，并且開發(fā)出更加準確的 能夠表示各種系統(tǒng)的勢能模型。另外在分子動力學模擬運算速度上，科學家們也做了許多努力。眾所周知，分子動力學模擬計 算要受到計算機性能的限制。因此，研宄者們將并行計算

5、引入到了分子模擬計算中，克服了單機運算的弱點，大大提高了運算速度。例如將網絡技術與并行計算平臺結合形成的一種微機 并行機群。它可以用普通的PC機構建并行平臺，兼容性和可擴充性都非常的好，在國內外都得到了廣泛的應用。微機并行機群的使用，使得在成本較低的情況下，計算速度得到提高。但是，并行計算需要另外編寫設計程序，其難度比編寫串行程序大很多，因此在編寫并行程序上 仍有很長的路要走。近些年來，越來越多的人發(fā)現(xiàn)光用單一的模擬方法在處理多尺度問題有很大的局限性。因此 要想透徹的研宄某個對象，就得從量化、分子動力學和介觀模擬多個尺度上進行研究，特別是將這些方法結合起來使用。例如CPMD47模擬方法就是將量化計算