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⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectSoftwareX 5(2016)107原始软件出版物www.elsevier.com/locate/softxfcc结构的嵌入原子分子动力学模拟的c语言包R.O. Ocaya J.J.泰尔布朗南非自由州大学物理系接收日期:2015年8月31日;接收日期:2016年5月27日;接受日期:2016年5月30日摘要从头算分子动力学(MD)采用牛顿力学模型和模拟粒子轨迹的时间演化的材料科学合奏使用可微势函数。尽管MD存在商业和免费软件包,但它们的启发式本质阻止了剖析。这个开源的C语言包是出于在独立计算机上研究金属面心立方结构(fcc)中嵌入原子的影响的兴趣。该算法使用这些函数被编码在一个可重用和可再分发的独立头库文件中。c2016作者。由Elsevier B.V.发布。这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons. org/licenses/在/4。0/)。关键词:C语言;分子动力学;单机模拟;嵌入原子方法代码元数据当前代码版本v1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-15-00054法律代码许可证GNUGeneral Public License v3.0使用的代码版本控制系统使用的软件代码语言、工具和服务MS C/C++、gcc(Linux)编译要求、操作环境依赖性Windows、Linux文档/手册https://github.com/ocayaro/Velocity-Stormer-Verlet/blob/master/UserGuideVSV.pdf支持问题电子邮件ocayaro@ufs.ac.za1. 介绍在过去的几十年中,原子和分子模拟(AMS)已经成为一种强大的方法来开发材料,通过假设材料的性质,这是很难或昂贵的实验研究[1在AMS中,宏观材料性质是原子相互作用和动力学的集合。使用模拟可以更好地理解许多特性,例如能量[6-有两*通讯作者。电子邮件地址:ocayaro@ufs.ac.za(R.O. Ocaya)。MD方法[12-在从头算MD中,起点是有界的数学模型。每个系统粒子的时间和空间演化定义了状态轨迹。虽然原则上简单,但复杂性随着粒子数量、模型效率和所需计算精度而增加。更好的模型和计算算法使得在高速超级计算集群上模拟材料变得更加容易[5]。系综是由系统粒子的数量和物理量一起定义的。系统的动力学是由其粒子对外部施加的力或改变的系综参数的扰动的集体响应来评估的。然后推导出宏观状态参数。数值积分依赖于http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2016.05.0052352-7110/c2016作者。由Elsevier B.V.发布。这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons. org/licenses/by/4. 0/)。108R.O. Ocaya,J.J.Terblans/SoftwareX 5(2016)107N我我¯=¯ −¯++<$={<$$>}<$=<$我计算粒子。由于所有的数值模型都是n2Ij我vn+1=vn+F i+Fii i2miN离散时间步长δt.在每次迭代中,当作用在粒子上的力F被确定时,确定每个粒子的计算终点。我因此,作用在第i个粒子上的力可以表示为关于我们j=1,j=iRIj近似,输出精确到指定的程度。这些权衡是为了降低执行速度。最cm11σmr<$ijRIj(五)材料建模和模拟是由组织完成的使用大型计算设备。-2个小时 +SjR1J2,2. 动机和意义本文的目的是双重的。首先,给出了一个用嵌入原子方法(EAM)求解面心立方晶体结构AMS方程的函数包。该算法是在C语言,这是很容易移植到许多平台编码。其次,它通过促进第一次模拟而没有深度编码的减损,减少了对材料建模和模拟感兴趣的同行的启动惯性。软件将随着新功能的添加和优化而发展一个详细的,可下载的用户指南介绍了数学基础知识,并解释了如何运行该软件,有一个明确的说明性的例子。最后给出了一个应用该软件包进行科学发现的实例3. 软件描述该软件包在正则系综中实现了Finnis-Sinclair(FS)EAM势[ 16-19 ]的三维(3D)Sutton-ChenEAM方法不如单独考虑所有粒子相互作用的一阶原理准确,但计算成本更低,并且可以处理更大的时间尺度和更多的粒子[20]。对于单原子N粒子系综,能量EAM哈密顿量表示为[18,20,21]其中r ij(xjx i)是粒子i和j之间的向量,用粒子的位置来表示。将连续域离散为有限点集可实现数值逼近,这对求解各种困难的微分方程很有用。在MD中,这些方程是在特定边界条件下从薛 定谔方程导出的[12连续的封闭形式的解决方案可能是非常难以解决的分析,使数值逼近可能是唯一的手段。MD离散化中的一个必要要求是能量守恒,即哈密顿量(H)必须不随离散步长变化[24]。然而,离散化导致不可避免的近似误差。然后必须努力将H的变化保持在可接受的范围内。一种常用的方法来离散MD系统是所谓的速度Stormer-Verlet它是牛顿运动方程的离散化[11,25,26]。在该软w中使用的方法的变体中,使用离散化符号p<$n:=p<$i(tn),其描述在离散的第n个时间间隔处采样的向量p <$,其中px,v,F′,则得出pn+1的近似,即 在下一个或(n1)第一时间间隔或(tδt)给出了新职位Fnxn+1=xn+δtvn+1+iδt2。(六)类似地,第(n+1)个时间间隔的速度为Etot=1V(rij)+F(ρi),(1)我我其中V=V( rij)是成对相互作用势en。n n+12mi距离为r i j的粒子i和j之间的能量,FF(ρi)是作为宿主电子密度的函数的原子i的嵌入能。根据SC,fcc金属的FS总势能以平移和旋转不变形式表示[11,16,22,23]。该方法的离散误差为O(δt2)。该方法需要每个粒子的位置和速度的起始值因此,在软件中,用户创建的ASCII文本文件(data.txt)包含3D格式的初始粒子数据:质量x pos y pos z pos v x v y v z。NN关于我们有必要将所有变量调整到参考值,V=ε哪里i=1j=i+1ri j-c Si、(二)无量纲方程然后用户在该上下文中解释输出[11]。正则系综是一个机械系统中粒子及其状态的统计排列,该系统与固定温度下的热浴处于热平衡温度[20]。对于N个粒子的系统,体积V和Si=j=1,j=iσmri j、(3)当温度为T时,系统被称为NVT正则系综。RECT有助于系统σ是长度参数,例如FCC单元ε是系统的能量比例因子。常数c、m和n,其中m n<是拟合参数。力是势的梯度,可以写为F=−V(r)。(四)能量均分定理(EPT)热力学相反,能量的知识允许系统温度的估计[11,27]。因此,描述系统相的宏观变量T、V和P的演化可以通过考虑粒子相互作用来进行。 根据EPT,a的动能EkFi=εδt。(七)R.O. Ocaya,J.J.Terblans/SoftwareX 5(2016)1071092≤==-具有三个自由度的质点是Ek=3NkBT,(8)其中kB是玻尔兹曼常数。3.1. 软件构架这个包是一个编译后的可执行文件和一个C风格的库文件的组合实现上述MD功能的主标题函数库是VSV02.h,并从主程序main. c调用。它首先定义粒子结构,程序使用该结构为所有粒子进化动态分配随机存取存储器(RAM)中的内存。初始粒子数据从用户编辑的ASCII磁盘文件加载,该文件包含每个粒子的质量、3D坐标和初始速度分量清单1中的代码定义了3D中的粒子结构清单1:3D颗粒结构t y p e d e f s t r u ct{双 m ;doublex[ DIM ] ;double v[ DIM ] ;double F/打开/关闭/打开/关闭/打开/关闭/打开/关闭双 fl d [ DIM ] ;/打开/关闭}P a r t i c l e;质量3D pos i t i o lo c i t y关于我们这是一个很好的选择/打开/关闭 72字节/页//对LCM进行P a r t i c l e L i s t t r u c t ur e类型为默认值(P a r t i c l e L i s t){P a r t i c le p;}P a r t i c l e L i s t;S t r r u c tP a r t i c l e L i s tt t e n ex t;采用的中心编码主题是函数可重用性和基于RAM的粒子阵列,以加快计算速度。可重用代码很容易适应新的MD问题。3.2. 软件功能图1以图形形式显示了软件的主要功能。3.3. 主代码段所有包含的函数(func)都以以下形式return_type func ( arrangement *particle ,types other_variables)其中排列可以是颗粒、颗粒或细胞阵列,后两者专用于连接细胞方法(LCM)。 其他变量可以是求和指数等。陈述条件:r ij> r cut,其中r cut是截止半径,通过忽略超过r切。表1铜的无波动初始位置数据[22]初速度都为m x y z2019年12月23日,第63届世界银行年会在北京举行。63 −0.8377547075 −0.1828574677 −0.421401848263 −0.2345929501 −0.0832085752 −0.4827850722表2输入数据上不同(m-n)对的计算势能(单位:N12–69–610–83-1704.6905-480.8560-633.7771表3使用输入数据计算力(单位:皮牛顿/粒子)。原子Fix飞Fix净力(F)1001001002100001003−100001004. 说明性示例Doye Wales [22]采用Monte Carlo最小化[28,29]计算了N 110的超超表面的全局能量最小值,该超超表面使用SC,Lennard-Jones [30]和Morse [31](12-6),(9-6)和(10-8)成对势包围N能量最小意味着机械稳定的簇。本实施例使用无量纲文献数据(表1)作为通过VSV进行力和能量计算的输入数据。长度标准化为参考值4.16因此所有计算的能量都是针对一摩尔的。归一化能量、晶格常数和嵌入常数分别为ε 1、σ 1和c39. 432.表2列出了基于表1所列输入的软件计算势能。使用不同的(m-n表3列出了以力分量和每个颗粒的净力表示的计算力表4中总结了(9结果表明,尽管原子由于净力而倾向于飞离,但力分量的相互作用使排列保持在适当的位置,具有相同的粒子势能。总势能与Doye完全一致等[22,30]。由VSV得到的额外信息是,集团的能量主要是凝聚比排斥。这些结果表明了稳定的原子排列,因为原子试图凝聚到晶格常数内。5. 影响该代码源于个人的经验,开始第一次基于计算机的实验的困难。通过在数学基础的同时展示开放式软件,从简单的MD系统到更先进的MD系统的进展变得更容易。110R.O. Ocaya,J.J.Terblans/SoftwareX 5(2016)107−Fig. 1.程序的图形描述,显示输入/输出数据路径和用户交互。这些函数可以选择计算单个粒子或链接单元的输出统计信息。表43粒子系综的计算能量。能量eV每原子160.3厌恶80.1凝聚力240.0共计-480.9该代码允许热力学分子动力学(MD)平衡计算的粒子系综定义简单的质量,位置和速度格式。可以计算瞬时粒子位移、速度、加速度、动能和势能、力、压力、使用能量均分定理的温度效应、扩散、相变、膨胀、熔化和其他性质。此外,可以通过扰动质量、位置和速度来研究材料空位 、缺 陷 和 其他 缺 陷。该 代码 实 现 了Finnis-Sinclair( FS ) 方 法 的 Sutton-Chen 版 本 , 该 方 法 在 面 心 立 方(FCC)原子阵列中合成了排斥性两体势和吸引性能量密度。该公式考虑了将原子嵌入晶格所需的能量相对于恒定哈密顿量下的宿主电子密度,即所谓的“吸附原子”概念。这种微扰的结果被解释在固态理论的上下文中。 因此,VSV是当前许多凝聚态物理研究的一个很好的起点,例如通过非平衡技术研究液相粘度和热流,假设缺陷,如空位形成,聚集,断裂,表面相互作用和摩擦。这些技术的应用可以允许探测更大的系统,如蛋白质和目前处于研究前沿的作者计算了体积以及对于FCC金属,下至单个原子的表面形成能、单个颗粒上的力、扩散系数、簇形成机制等。新的知识,预计将产生的VSV在其目前的形式和未来的形式。6. 结论本文介绍了一个不断发展的开源C语言包,它的编写是为了让从头算分子动力学中的第一个独立实验能够轻松进行。该软件实现了数值EAM fcc模拟模型和概念,并促进了对系综中多达数千个原子的原子水平的研究。集合参数可以输入到程序中,一种简单的、基于文本的数据格式,也允许应用外部扰动。这允许模拟所施加的力、粒子相互作用、温度波动和缺陷(例如空位和位错)的影响。对系统对这些扰动的响应的解释导致了对宏观尺度上的 材 料 性 质 的 有 意 义 的 推 论 。 该 程 序 代 码 已 在 MSWindows 7和Ubuntu Linux上成功测试,修改很少。该软件在许多平台上的适用性对于更广泛的接受、更高的影响和独立计算机实验的价值是有吸引力的。引用[1] Mendelev MI,Han S,Srolovitz DJ Ackland GJ, 孙 DY, 阿斯塔湾 发展 新 原子间 电位 appropri, 结晶铁和液态铁。PhilMag2003;83:3977-94.http://dx.doi.org/10.1080/14786430310001613264网站。[2] Sutton AP,Chen J.长程Finnis-Sinclair势。Phil Mag Lett 1990;61:139-56.R.O. 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