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文檔簡介

第四章分子動力學(xué)模擬方法1957年:基于剛球勢的分子動力學(xué)法(AlderandWainwright)1964年:利用Lennard-Jone勢函數(shù)法對液態(tài)氬性質(zhì)的模擬(Rahman)1971年:模擬具有分子團簇行為的水的性質(zhì)(RahmanandStillinger)1977年:約束動力學(xué)方法(Rychaert,Ciccotti&Berendsen;vanGunsteren)1980年:恒壓條件下的動力學(xué)方法(Andersen法、Parrinello-Rahman法)1983年:非平衡態(tài)動力學(xué)方法(GillanandDixon)1984年:恒溫條件下的動力學(xué)方法(Berendsenetal.)1984年:恒溫條件下的動力學(xué)方法(Nosé-Hoover法)1985年:第一原理分子動力學(xué)法(→Car-Parrinello法)1991年:巨正則系綜的分子動力學(xué)方法(CaginandPettit)分子動力學(xué)簡史粒子的運動取決于經(jīng)典力學(xué)(牛頓定律(F=ma)課程講解內(nèi)容:經(jīng)典分子動力學(xué)

(ClassicalMolecularDynamics)分子動力學(xué)方法基礎(chǔ):原理:計算一組分子的相空間軌道,其中每個分子各自服從牛頓運動定律:初始條件:分子動力學(xué)是在原子、分子水平上求解多體問題的重要的計算機模擬方法,可以預(yù)測納米尺度上的材料動力學(xué)特性。通過求解所有粒子的運動方程,分子動力學(xué)方法可以用于模擬與原子運動路徑相關(guān)的基本過程。在分子動力學(xué)中,粒子的運動行為是通過經(jīng)典的Newton運動方程所描述。分子動力學(xué)方法是確定性方法,一旦初始構(gòu)型和速度確定了,分子隨時間所產(chǎn)生的運動軌跡也就確定了。分子動力學(xué)方法特征:分子動力學(xué)的算法:有限差分方法一、Verlet算法粒子位置的Taylor展開式:粒子位置:粒子速度:粒子加速度:開始運動時需要r(t-Δt):+缺點:Verlet算法處理速度非常笨拙Verlet算法的表述:算法啟動規(guī)定初始位置規(guī)定初始速度擾動初始位置:計算第n步的力計算第n+1步的位置:計算第n步的速度:重復(fù)④至⑥Verlet算法程序:Do100I=1,N

RXNEWI=2.0*RX(I)RXOLD(I)+DTSQ*AX(I)RYNEWI=2.0*RY(I)RYOLD(I)+DTSQ*AY(I)RZNEWI=2.0*RZ(I)RZOLD(I)+DTSQ*AZ(I)VXI=(RXNEWI–RXOLD(I))/DT2VYI=(RYNEWI–RYOLD(I))/DT2VZI=(RZNEWI–RZOLD(I))/DT2RXOLD(I)=RX(I)RYOLD(I)=RY(I)RZOLD(I)=RZ(I)RX(I)=RXNEWIRY(I)=RYNEWIRZ(I)=RZNEWI100CONTINUE優(yōu)點:1、精確,誤差O(Δ4)2、每次積分只計算一次力3、時間可逆缺點:1、速度有較大誤差O(Δ2)2、軌跡與速度無關(guān),無法與熱浴耦聯(lián)Verlet算法的優(yōu)缺點:二、蛙跳(Leap-frog)算法:半步算法1.首先利用當(dāng)前時刻的加速度,計算半個時間步長后的速度:2.計算下一步長時刻的位置:3.計算當(dāng)前時刻的速度:t-Δt/2tt+Δt/2t+Δtt+3Δt/2t+2Δtvrv開始運動時需要v(-Δt/2):Leap-frog算法的表述:算法啟動規(guī)定初始位置規(guī)定初始速度擾動初始速度:計算第n步的力計算第n+1/2步的速度:計算第n+1步的位置:計算第n步的速度:重復(fù)④至⑦Leap-frog算法的優(yōu)缺點:優(yōu)點:1、提高精確度2、軌跡與速度有關(guān),可與熱浴耦聯(lián)缺點:1、速度近似2、比Verlet算子多花時間三、VelocityVerlet算法:等價于優(yōu)點:速度計算更加準(zhǔn)確VelocityVerlet算法的表述:算法啟動規(guī)定初始位置規(guī)定初始速度計算第n+1步的位置:計算第n+1步的力計算第n+1步的速度:重復(fù)③至⑤Verlet三種形式算法的比較:VerletLeap-frogVelocityVerlet四、行預(yù)測氏-校角正(P衛(wèi)re陷di柳ct竭or彼-C椒or場re珍ct嗓or臉)格式倒算法河:預(yù)測(P濃re炎di罪ct至or懶)階段挖:其嬸基本往思想炊是Ta壯yl申or展開螞,根據(jù)臺新的售原子頭位置rp,可廉以計溉算獲冶得校瞞正后店的ac(t+t),定義謀預(yù)測漏誤差:利用卸此預(yù)筐測誤碼差,犧對預(yù)可測出怎的位董置、節(jié)速度壓、加私速度育等量茅進行獵校正皺:校正(C吃or臺re直ct忌or宏)階段日:預(yù)測引階段堤運動階方程拆的變右換:定義林一組蘇矢量:校正貞階段怠運動冊方程制的變羨換:的形壇式:C0,C1,C2,C3的值說以及C0,取決涌于運咱動方母程的摩階數(shù)望。一階惑運動矛方程柔:Valuesc0c1c2c3c4c535/1211/2

43/813/41/65251/720111/121/31/24

695/288125/2435/725/481/120二階時運動買方程尚之一志:Valuesc0c1c2c3c4c5301141/65/611/3519/1203/411/21/1263/20251/360111/181/61/60二階甜運動櫻方程叨之二?。篤aluesc0c1c2c3c4c5301141/65/611/3519/903/411/21/1263/16251/360111/181/61/60五、鋒積分即時間稻步長t的選尖擇:室溫數(shù)下,?t≈甲1fs(fe別mt址os閃ec拿on謊d10-1里5s),溫朝度越舌高,?t應(yīng)該薄減小太長濟的時盛間步妖長會綱造成蠻分子謝間的哈激烈震碰撞職,體自系數(shù)孤?lián)缑?太短育的時察間步說長會救降低嗓模擬局過程借搜索澆相空諷間的板能力微正稱則系證綜分寫子動滾力學(xué)(N根VE愁M廟D)它是豎分子棕動力班學(xué)方告法的賤最基沈本系溪綜具有久確定值的粒這子數(shù)N,能纖量E和體褲積V算法借:規(guī)定奏初始免位置辦和初個始速砍度對運耍動方融程積愁分若宅干步計算吊勢能剖和動顯能若能謹(jǐn)量不識等于持所需蚊要的既值,由對速相度進牙行標(biāo)隆度重復(fù)②至肯④,軋直到心系統(tǒng)觀平衡微正公則系其綜(N輝VE請)M懸D模擬圖算法亮的流啟程圖挨:給定撓每個困分子熟的初姑始位絞置ri(0受)和速摟度vi(0唉)計算朽每個鞏分子領(lǐng)的受牌力Fi和加恐速度ai解運間動方脊程并翁求出長每個酸分子拜運動撈一個羨時間五步長步后到環(huán)達的型位置悟所具回有的漠速度統(tǒng)計搬系統(tǒng)瓦的熱貨力學(xué)貨性質(zhì)張及其綱它物語理量統(tǒng)計沃性質(zhì)題不變李?打印罰結(jié)果安,結(jié)灰束Ye仗sNo移動那所有肉分子霧到新澡的位章置并仆具有證當(dāng)前裳時刻環(huán)的速瞞度微正梢則系沙綜MD模擬被程序F3講解所(LJ黑,倚NV冤E):無因森次量妹:MD模擬涌中幾亂個熱賊力學(xué)匠量的臺計算奶:對于益由N個單諸原子籍組成寧的系謙統(tǒng):動能情和溫道度:采用租對比若量:對于LJ流體匯:勢能灶:采用現(xiàn)對比拌量:內(nèi)能習(xí):內(nèi)能若由勢砌能和抓動能艦組成圣:采用眠對比混量:壓力蝦:采用態(tài)對比泡量:練習(xí)盈:推導(dǎo)LJ流體絡(luò)分子死間力眉的表僵達式(fx,fy,fz及其獲對比滑量):勢能駛函數(shù)址形式遵:力:采用泊對比手量:=x粥,管y,烏zLJ分子露間的逗維里蒼項:=x嗎,余y,揉z采用但對比盛量的剃運動炸方程胳形式柱:(以蛙秒跳(L腐ea勺p-肥fr怖og鄙)算法居為例)采用槳對比倒量:最終哨得到蛇:同理氣得到腦:速度銅的標(biāo)澆度(V右el京oc泰it席y趟Sc術(shù)al裝in蔥g):根據(jù)都能量震均分鑰原理牢,可絨知:標(biāo)度施因子:對比艘量速度頂標(biāo)度:或微正窄則系地綜MD模擬和程序F3講解降(LJ閃,血NV虛E):初始暢化:RE囑AD飛(廁*,特‘(代A)袍’)貨T村IT菠LE!運行渠作業(yè)呼題目RE阻AD裕(免*,讀*)悼N痕ST樹EP!運行膚步數(shù)RE竊AD蛇(破*,灶*)塵I據(jù)PR改IN晚T!打印遣步數(shù)RE究AD右(尊*,紋‘(敬A)劉’)警C換NF關(guān)IL疑E!位型篇文件RE晨AD逮(消*,堅*)工D測EN崇S!對比悉密度RE哥AD灘(振*,糟*)級R婆TE蜂MP!對比擔(dān)溫度RE歲AD鋤(浩*,齒*)是R雅CU帆T!對比貨截斷裳半徑RE嗓AD鐘(粉*,眾*)諒D辮T!對比既時間貫步長CA陳LL晴R取EA眉DC績N詳(冊CN專FI吐LE膛)初始舊位型晚:面心法立方(fa字ce釣-c桂en雁te辛re救d悄cu擱bi習(xí)c,扔F伸CC丙):每面石中心演有一穴格點體心慌立方(bo帥dy-c刃en盡te染re逐d泉cu縱bi兔c,奶B杠CC吹):簡單投立方(si預(yù)mp礎(chǔ)lecu恭bi捏c,限S露C):XL初始錢位型雕:面心澤立方(FC莊C)職(程序F2期3)NC脅=(旋RE燃AL炕(N耳)/姥4.當(dāng)0)途**屑(1練.0完/3豎.0醫(yī))XL起=訊1覽.0性/鉗R乳EA葡L熱(壺NC骨)Y百=貌0.猛5膨*艙XLR(推1)業(yè)=(嶄0,悶0,系0)盜R伍(2歡)=冷(0磁,妥Y,挺Y植)R(輸3)錄=(粉Y,棟0吳,戰(zhàn)Y)最R(職4)亡=(積Y,羽Y屋,泛0)M扎=碧0DO芬1火0鼓I題=偏1,河N錢CDO太1練0吃J墊=感1,悟N誓CDO贏1祥0適K被=茄1,質(zhì)N芝CDO狹1截1想IJ材=維1摸,勁4RX供(I勿J+夠M)陵=R劑X(訓(xùn)IJ豪)口+直XL物*(煌K-激1)RY倒(I秒J+闖M)日=R決Y(靜IJ鈴)先+岔XL別*(殖J跟-1飽)RZ籃(I僵J+茂M)白=R窗Z(恥IJ秘)燦+菌XL愛*(妨I融-1息)11厭CO渠NT問IN稼UEM冤=舒M何+摘410甜CO鈔NT亭IN層UEDO獲1催00裕I抖=袋1濱,僵NRX滋(I速)樓=逐RX捧(I山)召-挑0.筍5RY或(I恐)糾=號RY晨(I軌)處-小0.留5RZ壓(I優(yōu))防=妄RZ總(I壩)端-擱0.碑510呼0生C邪ON符TI鉤NU趁E將模升擬盒駝子的譯中心芝移到拉原點債:初始腔速度膚:簡單頂?shù)倪x涂擇:V=ra脫nd陪om廣(-松0.米5,寧0秀.5止)=x震,什y,附z標(biāo)度遙因子:速度嶼標(biāo)度:FA型CT妥OR咽=貼S攜QR星T絹(粉RT收EM便P告)DO顛1用00倆I則=故1賤,代NVX拌(I廳)反=昆FA霞CT受OR*畫(和RA榨NF秧(D籌UM無MY原)盤-咬0.野5以)VY踐(I積)污=霜FA漲CT共OR*藏(卡RA窄NF燈(D墳UM愛MY爸)軍-叛0.享5牽)VZ翅(I葵)名=等FA津CT閣OR*膚(襲RA悄NF蛇(D亭UM陜MY俯)禿-究0.糊5君)CO叉NT糾IN帳UE隨機僻安排娃初始回速度借:標(biāo)度煙初始姿速度療:SU罵MK宜X脖=禿0.奏0SU賀MK齡Y茅=苗0.環(huán)0SU哭MK捐Z禿=悉0.脖0DO怪2偵00日I監(jiān)=牲1貫,忽NSU雙MK戲X凈=SU掉MK穗X+蝦VX德(I委)*帝*2SU企MK心Y歉=SU區(qū)MK渾Y+跨VY肚(I脆)*玻*2SU茄MK辭Z蓄=SU角MK障Z+鬼VZ援(I拘)*荒*220肢0損C勒ON戶TI腥NU蓮EBE榴IT附AX邪=鑒SQ眾RT悲(R拆TE屯MP間/S李UM嘩KX綢)BE猴IT點AY肝=孩SQ關(guān)RT得(R惑TE繩MP勤/S窗UM甲KY班)BE燙IT宅AZ=S復(fù)QR燙T(呢RT音EM振P/凝SU醋MK濤Z)DO強3早00瞞I廣=截1壟,蜜NVX獻(I誤)攤=研VX阿(I嘩)華*夾BE垂IT府AXVY濫(I汪)繳=志VY期(I乎)殃*計BE鋸IT效AYVZ池(I碰)動=挖VZ脆(I殘)出*恐BE信IT以AZ30邪0敏C城ON拐TI處NU救E標(biāo)度菠因子:SU肆MX獸=鑒0填.0SU棉MY墊=且0盟.0SU允MZ季=科0端.0DO議2模00皂I夏=語1址,襪NSU斃MX剪=SU利MX+乒VX蠻(I弦)SU己MY薄=SU商MY+捕VY給(I此)SU歐MZ上=SU咐MZ+唐VZ扮(I稠)CO瞧NT欲IN言UESU雅MX屯=SU仍MX/蹈RE紋AL應(yīng)(敘N殊)SU坊MY造=SU日MY/熱RE序AL辛(銹N綠)SU點MZ北=SU消MZ/噴RE茶AL叼(頂N停)DO退3叛00真I譯=云1盲,礎(chǔ)NVX顆(I篩)杯=叼VX嘉(I管)縣-杰SU筋MXVY酒(I吉)綠=腳VY花(I賊)奶-悔SU哈MYVZ哄(I營)烈=脈VZ載(I睜)排-唇SU孝MZ30艘0倉C銀ON夕TI猜NU普E控制斜體系敲的總岡動量吐為零誘:從Ma概xw胃el去l分布孕中抽球樣:xxdx高斯(G跟au啟ss狗)分布:對于臉等幾務(wù)率隨揪機試和驗(B西er匆no鞭ul攀li試驗),大崇量的參試驗搬結(jié)果脾滿足蜂高斯緒分布麥克弊斯韋埋速度鞭分布引定律:由于遭:=x罰,胃y,逃z單位覺體積革的分拼子再消每個篇分量漠上的敘速度側(cè)分布起實際劫上就縫是高姜斯分逼布。從Ma凝xw汁el竭l分布字中抽出樣:高斯(G孩au同ss律)分布吼的隨席機數(shù)幟生成宿方法:生成繭隨機央數(shù):i,i=陶1,標(biāo)2耳,濾…,絡(luò)1秀2SU傾M做=起0.披0DO留1變0狗I量=蛇1,淹1拳2SU饒M紀(jì)=閥SU潑M耳+奧RA疲NF宜(落D紐奉UM游MY錄)10量CO跟NT礎(chǔ)IN湯UER繩=胸(召S囑UM賀-裹6要.0制)琴/剛4昌.0R2累=框R裝*樂RGA原US斃S驗=戶((享((潛A承9老*芽R2救+遵A符7斧)甜*陽R2蒙+輪A粉5去)秘*饞R2在+巴A祥3跨)宗*雞R2溪+布A1日)鴿*玩R高斯(G連au具ss編)分布菠的隨午機數(shù)址生成(程序F2爬4)FA輛CT握OR礙=核S承QR岡T攀(鬼RT取EM鼻P聲)DO繡1供00儲I燈=緣瑞1糠,宜NVX泊(I輔)氣=孩FA朗CT懶OR*愈GA夜US來S(傷DU盞MM夸Y)VY杯(I聚)稍=氧FA膝CT寬OR*嗓GA夫US普S(相DU刺MM更Y)VZ渠(I繪)扣=睜FA嘴CT廉OR*斥GA干US深S(條DU彈MM稿Y)CO柔NT故IN各UE控制版總動終量為抓零:膏同前肯面一資樣處麥理。從Ma瘡xw攔el泰l分布塞中抽虜樣分啟布中隨機箱安排膚初始命速度動:微正濁則系疑綜MD模擬情程序F3講解(L者J,坐N熊VE臭):量綱強變換棄:SI潔GM安A電=雜(浪D駕EN權(quán)S株/舌RE燦AL杰(畢N報)龜)鵝*獻*品(精1.削0衡/填3.古0苦)RC磚UT蓬=RC告UT*毯SI身GM陜ADT=DT醋*SI來GM藝ADE序NS待=DE暮NS/色(庸SI許GM景A光**踩3烏)模擬狡盒子跟的邊晌長為1長程討校正釣:微正哄則系捧綜MD模擬殺程序F3講解(L汗J,靜N淺VE府):SR蔽3紫=蠢(銳S答IG億MA屯/謊R中CU態(tài)T株)繡**既3SR頂9列=盛S嚴(yán)R3拍*悼*豈3SI熱GC店UB簡=用S財IG墾MA螞*嫌*慮3VL艱RC斧=劣(廚8圖.0球/餡9.揚0港)紹*浸PI煎*厲D摟EN半S般*拼SI概GC苦UB漁*奔R尺EA決L紐奉(紀(jì)N港):璃*怠(播SR薪9拔-斷3.杰0船*換SR肌3趁)WL甩RC瘦=還(飛1粉6.黨0蛇/涉9.繭0抵)鄭*福PI走*社D華EN肚S活*英SI蒙GC虛UB鋼*捏R固EA拔L捉(僑N共):饒*吵(味2.浮0誰*健SR副9虜-癢3.溉0聰*摧SR噴3凡)算法惹:算改法啟塞動微正暖則系紡綜MD模擬繩程序F3講解(L爭J,勿N昆VE艷):CA廳LL笨F心OR騎CE訊(孫-湖DT瓣,充SI苗GM你A,趣R蠅CU沾T,緒N沫EW竿V,造N擊EW伯VC斗,逆NE醒WW鹽)CA骨LL謀M軌OV臺E混(壟-轎DT花)CA遲LL毀F香OR搜CE廉(研-愉DT降,清SI影GM殼A,敘R象CU搏T,愈V偽,晃VC誦,謙W碧)CA鉗LL祝F鋪OR慣CE手(淺DT廚,嘆SI模GM泊A,衫R好CU掠T,救V嗎,腔VC打,表W發(fā))CA鳴LL膚K決IN村ET嗎(征O廢LD段K誤)CA懼LL辦M歇OV市E視(慨DT勾)CA誦LL覺F鍬OR延CE芝(植DT沙,堵SI埋GM藏A,冒R粉CU玻T,展N層EW秩V,爺N斬EW掠VC址,陪NE辱WW慣)CA蹤蝶LL廚K汁IN冒ET凈(落N滑EW趴K純)算法包:差叛分格手式:SR合2農(nóng)=偷SI袍G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