[發(fā)明專利]物質(zhì)和材料的跨時間尺度計算機(jī)仿真模擬方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110778355.3
• 申請日: 2021-07-09
• 公開（公告）號: CN113628688B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 萬亮;梅青松;劉浩文
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G06F30/25;G06F111/10;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴(yán)彥

本發(fā)明提供一種物質(zhì)和材料的跨時間尺度計算機(jī)仿真模擬方法及裝置，包括針對待進(jìn)行計算機(jī)仿真模擬的物質(zhì)和材料，構(gòu)建多粒子模型；采用多粒子系統(tǒng)的四維擴(kuò)展Langevin動力學(xué)方程組計算物質(zhì)和材料系統(tǒng)的微觀狀態(tài)對應(yīng)的所有粒子的坐標(biāo)X與速度V的值隨時間變化的情況，其中粒子的近鄰偏心度量的值通過計算以該粒子為起點(diǎn)到其各最近鄰粒子的三維歐氏空間向量之和再平均所得到的近鄰偏心位移的3個坐標(biāo)軸分量的絕對值之和來得到；根據(jù)計算所得每個離散時間步所有粒子的坐標(biāo)X與速度V的值，對相應(yīng)的物質(zhì)和材料系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)與動力學(xué)分析；其中沒有進(jìn)行多粒子系統(tǒng)初始參考狀態(tài)設(shè)定的步驟。本發(fā)明技術(shù)方案簡化了實(shí)現(xiàn)流程，使用時更便捷，運(yùn)行效率明顯提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于凝聚態(tài)物質(zhì)和材料學(xué)與計算機(jī)仿真工程研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于多粒子凝聚態(tài)系統(tǒng)加速分子動力學(xué)模型的計算機(jī)數(shù)值仿真模擬的改進(jìn)技術(shù)方案。

背景技術(shù)

分子動力學(xué)計算機(jī)數(shù)值仿真模擬方法是目前物質(zhì)研究領(lǐng)域內(nèi)的一種最為主要的計算模擬方法，因其能直接仿真模擬給出物質(zhì)在原子和分子尺度層面上的實(shí)時動態(tài)過程，被廣泛地用在材料、物理、化學(xué)、生命科學(xué)等物質(zhì)研究領(lǐng)域。在目前普遍使用的傳統(tǒng)分子動力學(xué)模擬方法中，其基本原理可描述如下。

對于含有N個粒子(原子或分子)的任意物質(zhì)和材料的多粒子系統(tǒng)，分子動力學(xué)模擬方法一般用所有粒子在三維歐氏空間中的坐標(biāo)X＝(x₁,x₂,…,x_N)與相應(yīng)的粒子動量P＝(p₁,p₂,…,p_N)(p_i＝m_iv_i，m_i為粒子i的質(zhì)量，v_i為粒子i的速度，i∈{1,2,…,N})作為動力學(xué)量并構(gòu)成相空間來描述多粒子系統(tǒng)的任意微觀狀態(tài)，再通過一組特定的動力學(xué)方程組來描述多粒子系統(tǒng)的微觀狀態(tài)隨時間演化的動力學(xué)過程。在傳統(tǒng)的分子動力學(xué)模擬方法中，常用的動力學(xué)方程組包括(參見文獻(xiàn)[1])：

A.牛頓動力學(xué)(1687年)

F_i＝m_ia_i

B.Langevin動力學(xué)(1908年)

C.Nose-Hoover擴(kuò)展動力學(xué)(1984年)

上述公式中，各個符號所對應(yīng)的物理量分別為：

F—粒子所受作用力(一般為保守力)；

m—粒子的質(zhì)量；

v—粒子的速度(x為粒子在三維歐氏空間中的坐標(biāo))；

a—粒子的加速度(x為粒子在三維歐氏空間中的坐標(biāo))；

γ—粒子在Langevin動力學(xué)假想溶液里運(yùn)動的粘滯系數(shù)；

T—多粒子系統(tǒng)的熱浴溫度；

R(t)—白噪聲函數(shù)；

k_B—Boltzmann常數(shù)；

ζ—多粒子系統(tǒng)的Nose動力學(xué)擴(kuò)展變量；

Q—Nose動力學(xué)擴(kuò)展變量ζ對應(yīng)的質(zhì)量；

N—系統(tǒng)中所有粒子(原子或分子)的數(shù)目。

所有物理量符號中的下標(biāo)i代表該物理量屬于多粒子系統(tǒng)中標(biāo)號為i的任意某粒子，物理量符號上的單點(diǎn)與雙點(diǎn)分別表示對時間求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)。