基于分子间相互作用的多尺度粗粒化算法研究及应用
发布时间：2021-01-21 01:11
随着计算机技术的发展,计算机模拟已经成为研究材料和生物分子结构与性能的重要手段。在现有的计算资源下,基于全原子的分子动力学模拟的体系较小,时间尺度也有限。在既保证计算效率又保证模拟准确性方面,多尺度模拟方法具有显著优势。多尺度方法的关键在于不同尺度之间的衔接,因此必须建立一种跨越多个尺度的粗粒化模拟方法,研究物质在不同尺度之间的结构与性能关系。对于介观尺度的混合系统,由于存在边界效应,其模拟计算比单一组分系统更加复杂,是当前研究的热点之一。本文创新性的提出了一种基于“准化学键”的粗粒化方法（Quasi-Bond Coarse-Grained,QBCG）,建立分子晶体材料的粗粒化模型。首先将晶体分子粗粒化为若干个“珠子”,珠子之间通过准化学键进行连接,形成晶体结构,使其能在极端高压条件下保持晶体应有的形态。然后利用层次多尺度方法获得对应晶体材料的粗粒化力场;使用协同多尺度方法获得具有不同粗粒化分辨率复合物的混合粗粒化力场。使用上述的多尺度粗粒化方法对含能材料TATB晶体、以TATB为基的高聚物粘结炸药复合物（Polymer Bonded Explosive,PBX）进行了多尺度模拟,得到...
【文章来源】：重庆邮电大学重庆市
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MARTINI力场的粗粒化方法
重庆邮电大学硕士学位论文第1章绪论6接下来就要对运动方程进行积分，有很多不同的积分算法，其计算效率和结果也有所差异，其中最常用的是Verlet算法和“蛙跳”算法。Verlet算法的基本流程为：首先给定粒子t时刻的位置r和速度v，通过式(1.7)和式(1.8)计算得到n+1步的位置和速度。21()()()()2iiiirt+t=rt+vtt+att(1.7)1()()[())]2iiiivt+t=vt+at+a(t+tt(1.8)其中，ai为加速度，t为时间步。相比于其他算法，Verlet算法占用计算资源少，算法简便，但在迭代计算过程中容易损失精度，造成计算误差。蛙跳算法是Verlet算法的一个变体，这种算法涉及半个时间步长的计算，即：1()()()2iiirt+t=rt+vt+tt(1.9)11()()()22iiivt+t=vtt+att(1.10)则t时刻的速度为：11[()()]22()2iiivttvttvt++=(1.11)蛙跳算法相比于Verlet算法有着较快的收敛速度，但缺点就是同步性较差。图1.2为MD模拟的计算流程图。图1.2MD计算流程
重庆邮电大学硕士学位论文第1章绪论7力场是MD模拟的基础，通过力场，可以准确的计算出原子之间的成键、非成键相互作用，以及不同分子间的范德华相互作用。经典全原子力场一般包括三部分，即原子类型、势函数和力场参数。力场使用的势函数决定了力场参数，对于同一个模型，同样的模拟设定，使用不同的力场所计算出的模拟结果也有所差异。在不同的领域中，有一些专用的力场，如在生物大分子模拟中，一般使用CHARMM、OPLS、AMBER、GROMOS力场，在材料模拟领域一般使用CFF、COMPASS、CVFF力常因此在模拟前，选择合适的力场尤为重要。随着计算机硬件的发展，MD已经可以模拟数百万量级的粒子，但是可模拟的粒子数目不能无限增加，因此在MD模拟中，加入周期性边界条件可以有效的解决上述问题。在MD模拟时，会提前定义一个边长分别为x、y、z的立方体盒子，所有的粒子都会放入该盒子中，盒子中的粒子数目不变。如图1.3，在模拟过程中，有些粒子受力后会向盒子的边界移动，当某个方向设置为周期性边界后，粒子会穿越该方向的边界，再从其反方向重新进入模拟盒子。当三个方向都设置为周期性边界条件时，这个盒子就类似于一个无限大的体系。图1.3MD周期性边界示意图当然，粒子穿越周期性边界后，为了正确地计算该体系的受力情况，模拟程序会自动生成一个幽灵粒子(Ghost-atom)。如图1.3，当需要计算深绿色和浅绿色粒子
本文编号：2990147
【文章来源】：重庆邮电大学重庆市
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MARTINI力场的粗粒化方法
重庆邮电大学硕士学位论文第1章绪论6接下来就要对运动方程进行积分，有很多不同的积分算法，其计算效率和结果也有所差异，其中最常用的是Verlet算法和“蛙跳”算法。Verlet算法的基本流程为：首先给定粒子t时刻的位置r和速度v，通过式(1.7)和式(1.8)计算得到n+1步的位置和速度。21()()()()2iiiirt+t=rt+vtt+att(1.7)1()()[())]2iiiivt+t=vt+at+a(t+tt(1.8)其中，ai为加速度，t为时间步。相比于其他算法，Verlet算法占用计算资源少，算法简便，但在迭代计算过程中容易损失精度，造成计算误差。蛙跳算法是Verlet算法的一个变体，这种算法涉及半个时间步长的计算，即：1()()()2iiirt+t=rt+vt+tt(1.9)11()()()22iiivt+t=vtt+att(1.10)则t时刻的速度为：11[()()]22()2iiivttvttvt++=(1.11)蛙跳算法相比于Verlet算法有着较快的收敛速度，但缺点就是同步性较差。图1.2为MD模拟的计算流程图。图1.2MD计算流程
重庆邮电大学硕士学位论文第1章绪论7力场是MD模拟的基础，通过力场，可以准确的计算出原子之间的成键、非成键相互作用，以及不同分子间的范德华相互作用。经典全原子力场一般包括三部分，即原子类型、势函数和力场参数。力场使用的势函数决定了力场参数，对于同一个模型，同样的模拟设定，使用不同的力场所计算出的模拟结果也有所差异。在不同的领域中，有一些专用的力场，如在生物大分子模拟中，一般使用CHARMM、OPLS、AMBER、GROMOS力场，在材料模拟领域一般使用CFF、COMPASS、CVFF力常因此在模拟前，选择合适的力场尤为重要。随着计算机硬件的发展，MD已经可以模拟数百万量级的粒子，但是可模拟的粒子数目不能无限增加，因此在MD模拟中，加入周期性边界条件可以有效的解决上述问题。在MD模拟时，会提前定义一个边长分别为x、y、z的立方体盒子，所有的粒子都会放入该盒子中，盒子中的粒子数目不变。如图1.3，在模拟过程中，有些粒子受力后会向盒子的边界移动，当某个方向设置为周期性边界后，粒子会穿越该方向的边界，再从其反方向重新进入模拟盒子。当三个方向都设置为周期性边界条件时，这个盒子就类似于一个无限大的体系。图1.3MD周期性边界示意图当然，粒子穿越周期性边界后，为了正确地计算该体系的受力情况，模拟程序会自动生成一个幽灵粒子(Ghost-atom)。如图1.3，当需要计算深绿色和浅绿色粒子
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