Device Studio應用實例之LAMMPS應用實例

Device Studio（簡稱：DS）作為鴻之微的材料設計與仿真軟件，能夠進行電子器件的結構搭建與仿真；能夠進行晶體結構和納米器件的建模；能夠生成科研計算軟件 Nanodcal、Nanoskim、MOMAP、RESCU、DS-PAW、BDF、STEMS、TOPS、PODS、VASP、LAMMPS、QUANTUM ESPRESSO、Gaussian的輸入文件并進行存儲和管理；可以根據用戶需求，將輸入文件傳遞給遠程或本地的計算機進行計算，并控制計算流程；可以將計算結果進行可視化顯示和分析。

上一期的教程給大家介紹了Device Studio應用實例之Nanodcal應用實例的內容，本期將介紹Device Studio應用實例之LAMMPS應用實例的內容。

8.2.LAMMPS實例

LAMMPS即Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator，大規模原子分子并行模擬器，主要用于分子動力學相關的一些計算和模擬工作。一般來講，分子動力學所涉及到的領域，LAMMPS代碼也都涉及到了。LAMMPS由美國Sandia國家實驗室開發，以GPL license發布，即開放源代碼且可以免費獲取使用，這意味著使用者可以根據自己的需要自行修改源代碼。LAMMPS程序在模擬固態材料（金屬、半導體）、柔性物質（生物分子、聚合物）、粗粒度介觀體系等方向具有廣泛的應用。LAMMPS 程序內置多種原子間勢（力場模型），可以實現原子、聚合物、生物分子、固態材料（金屬、陶瓷、氧化物）、粗粒度體系的建模和模擬。該程序即可以模擬二維體系，也可以模擬三維體系，可以模擬多達數百萬甚至數十億粒子的分子體系，并提供支持多種勢函數，具有良好的并行擴展性、模擬效率高、計算時間短等優點。

分子動力學模擬（Molecular Dynamics，MD）是近年來飛速發展的一種分子模擬方法，已經被廣泛應用于化學化工、材料科學與工程、物理、生物醫藥等科學和技術領域，起到越來越重要的作用。MD模擬用來研究不能用解析方法來解決的復合體系的平衡性質和力學性質，用來搭建理論和實驗的橋梁，在數學、生物、化學、物理學、材料科學和計算機科學交叉學科占據重要地位。

LAMMPS軟件官網:詳見https://lammps.sandia.gov

鴻之微科技（上海）股份有限公司在Device Studio 2021B中開發了適用于分子動力學計算軟件 LAMMPS 的計算模塊。使用Device Studio，用戶可在其圖形界面中方便快捷的搭建或導入計算所需的結構，并可在3D顯示區域查看其結構的3D視圖。搭建好結構后，用戶可在LAMMPS計算模塊，根據計算需要，在簡潔友好的界面中設置參數生成計算所需的輸入文件，之后連接裝有LAMMPS的本地電腦或遠程服務器進行相關計算，在計算過程中可實時監測任務的計算狀態，計算完成后可對LAMMPS的計算結果進行可視化分析。

目前用戶可通過Device Studio生成LAMMPS以下計算輸入文件的生成：結構弛豫、熱力學性質（熱膨脹系數、體積熱容、等壓熱容）、輸運性質（均方位移、速度自相關函數、熱導率）、力學性質（楊氏模量、剪切模量）、淬火、退火模擬；結合OVITO軟件可對LAMMPS計算結果進行結構特征數據分析。

以對金屬鋁沿X軸方向以一定的恒定應變速率拉伸的形變模擬為例來詳細描述 LAMMPS 在Device Studio中的應用。

8.2.1.LAMMPS計算流程

LAMMPS分子動力學計算在Device Studio中的流程如圖8.2-1所示。

圖8.2-1: LAMMPS計算流程

8.2.2.LAMMPS創建項目

雙擊DeviceStudio圖標快捷方式啟動軟件，根據界面提示選擇創建一個新的項目（Create a new Project）或打開一個已經存在的項目（Open an existing Project）的按鈕，選中之后點擊界面中的OK按鈕即可。若選擇創建一個新的項目，用戶可根據需要給該項目命名，如本項目命名為LAMMPS，或采用軟件默認項目名。

8.2.3.LAMMPS導入結構

在Device Studio的圖形界面中點擊File→Import→Import Local， 則彈出導入LAMMPS結構文件的界面，根據界面提示找到Al_Rede.hzw結構文件的位置，選中Al_Rede.hzw結構 文件，點擊打開按鈕則導入Al_Rede.hzw結構后的Device Studio界面如圖8.2-2所示。

圖8.2-2: 導入Al_Rede.hzw結構后的Device Studio圖形界面

8.2.4.LAMMPS輸入文件的生成

在如圖8.2-2所示的界面中選中Simulator→LAMMPS→Calculation， 彈出LAMMPS的參數設置界面LAMMPS Calculation如圖8.2-3所示。LAMMPS的參數設置界面主要分為Task、Force field、Setting和Run simulation四個模塊，用戶可根據 計算需要，依次點擊四個模塊進行參數設置，之后點擊Generate files即可生成對應計算的輸入文件。

圖8.2-3: LAMMPS的參數設置界面LAMMPS Calculation

以生成對金屬鋁沿X軸方向以一定的恒定應變速率拉伸的形變模擬的輸入文件為例，在如圖8.2-3所示的LAMMPS參數設置界 面中，根據計算需要分別選中Task、Force field、Setting和Run simulation，設置參數分別如圖8.2-4（a）、8.2-4（b）、8.2-4（c）和8.2-4（d）所示，之后點擊界面中的Generate files即可生成輸入文件Al_Rede.in、Al_Rede.data。

圖8.2-4(a): Task參數設置界面

Task說明

結構弛豫（Structure Optimization）。

熱力學性質（Thermodynamic Properties），其中熱力學性質任務包括熱膨脹系數（Thermal expansion）、體積熱容（Volumetric heat capacity）、等壓熱容（Isobaric heat capacity）。

輸運性質（Transport Properties），其中輸運性質任務包括均方位移（MSD）、速度自相關函數（VACF）、熱導率（Thermal conductivity）。

力學性質（Mechanical Properties），其中力學性質包括楊氏模量（Young’s modulus）、剪切模量（Shear modulus）。

淬火模擬（Quench）。

退火模擬（Anneal）。

圖8.2-4(b): Force field參數設置界面

Force field說明

在Force field模塊，目前用戶可選擇EAM和MEAM兩種力場類型，用戶需提前自行準備力場文件，并在Select forcefield file部分選定所需力場文件。

圖8.2-4(c): Setting參數設置界面

圖8.2-4(d): Run simulation參數設置界面

生成對金屬鋁沿X軸方向以一定的恒定應變速率拉伸的形變模擬的輸入文件Al_Rede.in、Al_Rede.data的Device Studio界面如圖8.2-5所示。

圖8.2-5: 生成對金屬鋁沿X軸方向以一定的恒定應變速率拉伸的形變模擬的輸入文件的Device Studio界面

8.2.5.LAMMPS計算

在做對金屬鋁沿X軸方向以一定的恒定應變速率拉伸的形變模擬之前，需連接裝有LAMMPS的本地電腦或服務器，具體連接過程這里 不做詳細說明，用戶可參考Nanodcal連接服務器節內容。這里以在本地電腦上計算為例，連接好裝有LAMMPS的本地電腦后，在做 計算之前，用戶可根據需要打開輸入文件并查看文件中的參數設置是否合理，若不合理，則可選擇直接在文件中編輯或重新生成，最后再進 行LAMMPS計算。如打開Al_Rede.in文件，在Device Studio的Project Explorer區域選中Al_Rede.in→ 右擊 →Open with即可查看到Al_Rede.in文件如圖8.2-6所示。對于其他輸入文件，用戶可根據需要選擇是否打開查看， 這里不做詳細說明。

圖8.2-6:Al_Rede.in文件

在如圖8.2-5所示界面中，在Device Studio的的Project Explorer區域選中Al_Rede.in→ 右擊 →Run，彈出Run 界面，在Run界面中點擊Run按鈕則可做LAMMPS計算。用戶可在Job Manager區域中觀察LAMMPS的計算狀態，當LAMMPS計算 任務處于排隊中、計算中和計算完成時，Status分別為Queued、Running、Finished。計算完成后，選中Al_Rede.in→ 右擊 →Open Containing Folder可看到LAMMPS計算完成的結果文件Young-Stress.dat和Al_Rede-tension-300K.dump，并找到其在本地電腦中存儲位置。

8.2.6.LAMMPS計算結果的可視化分析

在Device Studio的圖形界面中，選中文件Al_Rede-tension-300K.dump→ 右擊 →Show View，則彈出LAMMPS計算結果的可視化分析界面如圖8.2-7所示。

圖8.2-7: LAMMPS計算結果的可視化分析界面