LAMMPS介紹資料中文版講解

1、LAMMPS 手冊(cè)-中文解析簡(jiǎn)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(chǎng)和邊界條件來(lái)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(wàn)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(zhuān)門(mén)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)。LAMMPS是一可以修改和擴(kuò)

2、展的計(jì)算程序， 比如，可以加上一些新的力場(chǎng)，原子模 型，邊界條件和診斷功能等。通常意義上來(lái)講，LAMMPS是根據(jù)不同的邊界條件和初始條件對(duì)通過(guò)短程和長(zhǎng)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(guò)采用相鄰清單來(lái)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(guò)的，目的是防止局部粒子密度過(guò)高。 在并行機(jī)上，LAMMPS采用的 是空間分解技術(shù)來(lái)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”原子的信息。LAMMP

3、S（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。2. LAMMPS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(kāi)源高移植性C+語(yǔ)言編寫(xiě)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(yǔ)法規(guī)則 在運(yùn)行過(guò)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(lèi)型：(atom style 命令)原子粗?；Ｗ尤泳酆衔铮袡C(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粒化介觀模型延伸球形與橢圓形粒子點(diǎn)偶極粒子剛

4、性粒子所有上面的雜化類(lèi)型力場(chǎng)：(命令：Pair style, bond style, angle style, dihedral style, improper style, kspace style 對(duì)相互作用勢(shì)：LJ, Bucki ngham, Morse, Yukawa, soft, class2(CO MP ASS), tabulated. 帶點(diǎn)對(duì)相互作用勢(shì)：Coulombic, poi nt-di pole.多體作用勢(shì)：EAM, Finnis/Sinclair EAM, modified EAM(MEAM), Stillinger-Weber, Tersoff, AIREBO, Re

5、axFF粗?；饔脛?shì)：DPD, GayBerne, Resquared, Colloidal, DLVO 介觀作用勢(shì)：granu lar, Perid yn amics鍵勢(shì)能：harmonic, FENE, Morse, nonlinear, class2, quarticharmo nic, CVFF, class2(CO MP ASS)鍵角勢(shì)能：harmo nic, CHARMM, cosine, cos in e/squared, class2(CO MP ASS) 二面角勢(shì)能：harmo nic, CHARMM, multi-harmo ni c, helix, OPLS, class

6、2(CO MP ASS) 不合理勢(shì)能：聚合物勢(shì)能： all-atom, un ited-atom, bead-s pring, breakable水勢(shì)能：TIP3P, TIP4P, SPC隱式溶劑勢(shì)能：hydrod yn amic lubricati on, Debye長(zhǎng)程庫(kù)倫與分散：Ewald, PPPM, Ewald/N(針對(duì)長(zhǎng)程L-J作用)可以有與普適化力場(chǎng)如 CHARMM , AMBER , OPLS, GROMACS相兼容的力場(chǎng)可以采用GPU加速的成對(duì)類(lèi)型雜化勢(shì)能函數(shù)： mult iple P air, bond, an gle, dihedral, i mproper poten

7、tials(多對(duì)勢(shì)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, dis place-atoms, re plicate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(lái)控制體系的壓力（任一維度上） 模擬合子的變形（扭曲與剪切）簡(jiǎn)諧（unbre

8、lla）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rRES PA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(chēng)參數(shù)，CAN等用戶(hù)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：包里提供了一系列的前處理與后處理工具另外，可以使用獨(dú)

9、立發(fā)行的工具組 Pizza.py,它可以進(jìn)行LAMMPS模擬的設(shè)置，分 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(kù)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P erid yn amic介觀建模目標(biāo)型與無(wú)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)椋罕ＷCLAMMPS的小巧性前處理與后處理不能進(jìn)行并行運(yùn)算這些功能可以有其它工具來(lái)完成原代碼開(kāi)發(fā)的局限性特別地，LAMMPS不能

10、：通過(guò)圖形用戶(hù)界面來(lái)工作創(chuàng)建分子體系自動(dòng)的加上力場(chǎng)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L(zhǎng)AMMPS輸入一系列的原子類(lèi)型，原子坐標(biāo)，分子拓樸信息和所有原 子與鍵的力場(chǎng)參數(shù)。LAMMPS不會(huì)自動(dòng)的為我們創(chuàng)建分子體系與力場(chǎng)參數(shù)。對(duì)與原子體系，LAMMPS提供了 creat-atoms命令來(lái)為固態(tài)晶格加上原子?？梢阅?過(guò)Pair coeff,bond coeff, angle coeff等命來(lái)加上小數(shù)目的力場(chǎng)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(lái)創(chuàng)建或者是轉(zhuǎn)換LAMMPS輸出文件來(lái)做到這些事情。有的還會(huì)寫(xiě)一些自已的代碼來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)。對(duì)于一個(gè)復(fù)

11、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(chǎng) 參數(shù)。所以我們建議用CHARMM或AMBER或其它的分子建模器來(lái)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(jiǎn)單的文本格式， 我們也可以通過(guò)其它的工具來(lái) 換專(zhuān)這些格式。我們可以用以下幾個(gè)軟件來(lái)完成高質(zhì)量的 可視工作:VMDAtomEyePymolRaster3dRasMol最后要說(shuō)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)是并行的，可能 也適合來(lái)完成你的研究工作，當(dāng)然也可以與 LAMMPS聯(lián)合起來(lái)使用以完成模擬工作。CHARMMAMBER

12、NAMDNWCHEMDL_POLYTin kerCHARMM ， AMBER，、開(kāi)始本部分主要描述如何創(chuàng)建和運(yùn)行1.在LAMMPS發(fā)行包理含有:READMENAMD，NWCHEM，Tinker是專(zhuān)們用于模擬生物分子的。LAMMPS。LICENSEBench：測(cè)式任務(wù)Doc :文本Exam pies :簡(jiǎn)單的測(cè)試任務(wù)Pote ntials :嵌入原子方法與力場(chǎng)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（并行與非并行兩種）Lmp-wi ndows.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

13、可能要寫(xiě)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(kù)等。事先裝上MPI或FFT等庫(kù)。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 linuxGmake 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 就可以，這樣編譯起來(lái)會(huì)更快一些。在此過(guò)程中不發(fā)生錯(cuò)誤的話

14、，你可以得到一個(gè)類(lèi)似于make命令中使用"-j”選項(xiàng)Imp-linux的可執(zhí)行文件。在編譯過(guò)程當(dāng)中將會(huì)發(fā)生的常見(jiàn)錯(cuò)誤：(1)如果編譯過(guò)程當(dāng)中發(fā)生錯(cuò)誤，機(jī)器上的make器允許就試試加入-f選項(xiàng)，用Make makelistMake - makefile.list linuxGmake - makefile.lst mac(2)當(dāng)你使用低水平的makefile平臺(tái)叫“ foo”，的話，你將要在近的文件作為開(kāi)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(kù)丟失或少了依賴(lài)關(guān)系的話，可能是由于：你編譯的包需要一個(gè)附加的庫(kù)，但卻沒(méi)有事先編譯需要的package libaray.你要鏈接的庫(kù)在你

15、的系統(tǒng)中不存在。沒(méi)有連接到必要的系統(tǒng)庫(kù)后兩種問(wèn)題出現(xiàn)，你就需要修改你的低水平makefile.foo.編輯一個(gè)新的低水平 makefile.foo:(1)如你想用 MPI內(nèi)置C+編譯你要指定MP l.h(M PI_INC)MPI也可以。如果我的是大LAM更快，你可以把找出來(lái)并提示不能找到一個(gè)含有通配符*為名的文件的話，說(shuō)明你makefile中使用通配符。那就償式使用gmake。如還不行的話，Makefile.list 作為 make 對(duì)像。如：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 MAKE目錄中創(chuàng)建一個(gè) Makefile.foo。使用任何一個(gè)與你機(jī)器相在#后的句子中，替換f

16、oo,不論你寫(xiě)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C+編譯器列出編譯器與鏈接器的設(shè)置，包括優(yōu)化符號(hào)。你可以在任何 UNIX系統(tǒng)中使用 G+編譯器。當(dāng)然你也可以用 MPICC ,如果你 的系統(tǒng)中安裝了 MPI的話。如過(guò)在編譯過(guò)程當(dāng)中需要符加的庫(kù)的話，你必需在LIB變量中列出來(lái)。DEPFLAGS設(shè)置可以讓 C+編譯器創(chuàng)建一個(gè)源文件的依賴(lài)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(lài)關(guān)系列表，或者你可以用選項(xiàng)一D來(lái)實(shí)現(xiàn)。G+可以使用-D。如果你的編譯器不能創(chuàng)建依賴(lài)關(guān)系

17、文件的話，那么你就需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Makefile.foo來(lái)與Makefile.storm (它用一系列的不需要依賴(lài)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(kù)。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(kù)。器的話，你可以讓這三個(gè)變量空著，如你不用MPICC的話，那么，文件在哪， MPl(MPI_PA TH)庫(kù)在哪，還有庫(kù)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 平始的話，你的供

18、應(yīng)商已經(jīng)為你裝上了MPI，其可能比MPICH或并與之鏈接。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(kù)，這樣你就可以不用在你的系統(tǒng)中安裝MPI庫(kù)。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(kù)。在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(

19、).如你的系統(tǒng)不支持 gettimeofdayO，則你就要插入一句代碼來(lái)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(zhǎng)時(shí)間的 LAMMPS模擬來(lái)說(shuō)這是不夠用的。C FTT變量用于指定FFT庫(kù)，當(dāng)要用到kspace-style命令來(lái)計(jì)算長(zhǎng)程庫(kù)倫作用時(shí)使用PPPM選項(xiàng)時(shí)要用到。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(kù)?？梢阅苓^(guò)開(kāi)關(guān)一DFFT XXX來(lái)指定，其中 XXX=INTEL ，DEC, SGI, SCSL，或FFTW。沒(méi)有辦法的情況下可以用供應(yīng)商提 供的庫(kù)。FFTW是一個(gè)快速的，可移植性的庫(kù)，它可以在任何一個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行。最好 編譯FFTW

20、庫(kù)時(shí)只要用./configure;make就可以。不任你是用哪一種 FFT庫(kù)，你都要在 中正確的設(shè)置咱們的 FFT_INC,FFT_ PATH,FFT_LIB 。當(dāng)然，你如果不用 PPPM的話，你將沒(méi)有必要安裝FFT庫(kù)。這種情況下，你可以把成-DFFT-NONE并讓其它幾個(gè)變量空著。你也可以在編譯2.1.x 本。makefile.fooFFT INC 設(shè)LAMMPS時(shí)把KSPACE包剔除。D幾個(gè)SYSLIB和SYS PATH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(kù)。所有這些包都的的名稱(chēng)都將會(huì)是SYSLIB和SYS PATH變量的前輟。SYSLIB變量將列出系統(tǒng)庫(kù)。SYS PATH則是路徑，只有當(dāng)這些庫(kù)為非默認(rèn)路徑時(shí)才有設(shè)定。最后，當(dāng)你正確的寫(xiě)好了makefile.foo和預(yù)編譯好了所有的其它庫(kù) （MPI,FFT,包庫(kù)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