Device Studio应用实例之LAMMPS应用实例

 

Device Studio（简称：DS）作为鸿之微的材料设计与仿真软件，能够进行电子器件的结构搭建与仿真；能够进行晶体结构和纳米器件的建模；能够生成科研计算软件 Nanodcal、Nanoskim、MOMAP、RESCU、DS-PAW、BDF、STEMS、TOPS、PODS、VASP、LAMMPS、QUANTUM ESPRESSO、Gaussian的输入文件并进行存储和管理；可以根据用户需求，将输入文件传递给远程或本地的计算机进行计算，并控制计算流程；可以将计算结果进行可视化显示和分析。

上一期的教程给大家介绍了Device Studio应用实例之Nanodcal应用实例的内容，本期将介绍Device Studio应用实例之LAMMPS应用实例的内容。

8.2. LAMMPS 实例

LAMMPS 即 Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator ， 大规模原子分子并行模拟器 ，主要用于 分子动力学 相关的一些计算和模拟工作。一般来讲，分子动力学所涉及到的领域，LAMMPS代码也都涉及到了。LAMMPS由美国Sandia国家实验室开发，以GPL license发布，即开放源代码且可以免费获取使用，这意味着使用者可以根据自己的需要自行修改源代码。LAMMPS程序在模拟固态材料（金属、半导体）、柔性物质（生物分子、聚合物）、粗粒度介观体系等方向具有广泛的应用。LAMMPS 程序内置多种原子间势（力场模型），可以实现原子、聚合物、生物分子、固态材料（金属、陶瓷、氧化物）、粗粒度体系的建模和模拟。该程序即可以模拟二维体系，也可以模拟三维体系，可以模拟多达数百万甚至数十亿粒子的分子体系，并提供支持多种势函数，具有良好的并行扩展性、模拟效率高、计算时间短等优点。

分子动力学模拟 （ Molecular Dynamics ， MD ）是近年来飞速发展的一种分子模拟方法，已经被广泛应用于化学化工、材料科学与工程、物理、生物医药等科学和技术领域，起到越来越重要的作用。MD模拟用来研究不能用解析方法来解决的复合体系的平衡性质和力学性质，用来搭建理论和实验的桥梁，在数学、生物、化学、物理学、材料科学和计算机科学交叉学科占据重要地位。

LAMMPS软件官网 :详见 https://lammps.sandia.gov

鸿之微科技（上海）股份有限公司在 Device Studio 2021B 中开发了适用于分子动力学计算软件 LAMMPS 的计算模块。使用Device Studio，用户可在其图形界面中方便快捷的搭建或导入计算所需的结构，并可在3D显示区域查看其结构的3D视图。搭建好结构后，用户可在LAMMPS计算模块，根据计算需要，在简洁友好的界面中设置参数 生成计算所需的输入文件 ，之后连接装有LAMMPS的 本地电脑或远程服务器 进行相关计算，在计算过程中可实时监测任务的计算状态，计算完成后可对LAMMPS的计算结果进行可视化分析。

目前用户可通过Device Studio生成LAMMPS以下计算输入文件的生成： 结构弛豫、热力学性质（热膨胀系数、体积热容、等压热容）、输运性质（均方位移、速度自相关函数、热导率）、力学性质（杨氏模量、剪切模量）、淬火、退火模拟 ；结合OVITO软件可对LAMMPS计算结果进行结构特征数据分析。

以 对金属铝沿X轴方向以一定的恒定应变速率拉伸的形变模拟 为例来详细描述 LAMMPS 在Device Studio中的应用。

8.2.1. LAMMPS计算流程

LAMMPS分子动力学计算在Device Studio中的流程如图8.2-1所示。

图8.2-1: LAMMPS计算流程

8.2.2. LAMMPS创建项目

双击 Device Studio 图标快捷方式启动软件，根据界面提示选择创建一个新的项目（ Create a new Project ）或打开一个已经存在的项目（ Open an existing Project ）的按钮，选中之后点击界面中的 OK 按钮即可。若选择创建一个新的项目，用户可根据需要给该项目命名，如本项目命名为 LAMMPS ，或采用软件默认项目名。

8.2.3. LAMMPS导入结构

在Device Studio的图形界面中点击 File → Import → Import Local， 则弹出导入LAMMPS结构文件的界面，根据界面提示找到 Al_Rede.hzw 结构文件的位置，选中 Al_Rede.hzw 结构 文件，点击 打开 按钮则导入 Al_Rede.hzw 结构后的Device Studio界面如图8.2-2所示。

图8.2-2: 导入 Al_Rede.hzw 结构后的Device Studio图形界面

8.2.4. LAMMPS输入文件的生成

在如图8.2-2所示的界面中选中 Simulator → LAMMPS → Calculation， 弹出LAMMPS的参数设置界面LAMMPS Calculation如图8.2-3所示。LAMMPS的参数设置界面主要分为 Task 、 Force field、 Setting 和 Run simulation 四个模块，用户可根据 计算需要，依次点击四个模块进行参数设置，之后点击 Generate files 即可生成对应计算的输入文件。

图8.2-3: LAMMPS的参数设置界面LAMMPS Calculation

以生成 对金属铝沿X轴方向以一定的恒定应变速率拉伸的形变模拟 的输入文件为例，在如图8.2-3所示的LAMMPS参数设置界 面中，根据计算需要分别选中 Task 、 Force field 、 Setting 和 Run simulation ，设置参数分别如图8.2-4（a）、8.2-4（b）、8.2-4（c）和8.2-4（d）所示，之后点击界面中的 Generate files 即可生成输入文件 Al_Rede.in、Al_Rede.data 。

图8.2-4(a): Task参数设置界面

Task说明

结构弛豫（Structure Optimization）。

热力学性质（Thermodynamic Properties），其中热力学性质任务包括热膨胀系数（Thermal expansion）、体积热容（Volumetric heat capacity）、等压热容（Isobaric heat capacity）。

输运性质（Transport Properties），其中输运性质任务包括均方位移（MSD）、速度自相关函数（VACF）、热导率（Thermal conductivity）。

力学性质（Mechanical Properties），其中力学性质包括杨氏模量（Young’s modulus）、剪切模量（Shear modulus）。

淬火模拟（Quench）。

退火模拟（Anneal）。

图8.2-4(b): Force field参数设置界面

Force field说明

在 Force field 模块，目前用户可选择EAM和MEAM两种力场类型，用户需提前自行准备力场文件，并在 Select forcefield file 部分选定所需力场文件。

图8.2-4(c): Setting参数设置界面

图8.2-4(d): Run simulation参数设置界面

生成 对金属铝沿X轴方向以一定的恒定应变速率拉伸的形变模拟 的输入文件 Al_Rede.in、Al_Rede.data 的Device Studio界面如图8.2-5所示。

图8.2-5: 生成 对金属铝沿X轴方向以一定的恒定应变速率拉伸的形变模拟 的输入文件的Device Studio界面

8.2.5. LAMMPS计算

在做 对金属铝沿X轴方向以一定的恒定应变速率拉伸的形变模拟 之前，需连接装有LAMMPS的本地电脑或服务器，具体连接过程这里 不做详细说明，用户可参考 Nanodcal连接服务器 节内容。这里以在本地电脑上计算为例，连接好装有LAMMPS的本地电脑后，在做 计算之前，用户可根据需要打开输入文件并查看文件中的参数设置是否合理，若不合理，则可选择直接在文件中编辑或重新生成，最后再进 行LAMMPS计算。如打开 Al_Rede.in 文件，在Device Studio的Project Explorer区域选中 Al_Rede.in → 右击 → Open with 即可查看到 Al_Rede.in 文件如图8.2-6所示。对于其他输入文件，用户可根据需要选择是否打开查看， 这里不做详细说明。

图8.2-6: Al_Rede.in 文件

在如图8.2-5所示界面中，在Device Studio的的Project Explorer区域选中 Al_Rede.in → 右击 → Run ，弹出Run 界面，在Run界面中点击 Run 按钮则可做LAMMPS计算。用户可在Job Manager区域中观察LAMMPS的计算状态，当LAMMPS计算 任务处于排队中、计算中和计算完成时，Status 分别为Queued、Running、Finished。计算完成后，选中 Al_Rede.in → 右击 → Open Containing Folder 可看到LAMMPS计算完成的结果文件 Young-Stress.dat 和 Al_Rede-tension-300K.dump ，并找到其在本地电脑中存储位置。

8.2.6. LAMMPS计算结果的可视化分析

在Device Studio的图形界面中，选中文件 Al_Rede-tension-300K.dump → 右击 → Show View ，则弹出LAMMPS计算结果的可视化分析界面如图8.2-7所示。

图8.2-7: LAMMPS计算结果的可视化分析界面　　

      审核编辑：彭静