基于空间划分并行算法的大规模分子动力学体系研究

发布时间：2020-07-22 07:14

【摘要】：分子动力学(Molecular Dynamics,MD)是一种新型的模拟大量分子间相互作用的纳米技术,使我们能够在微观尺度下对纳米材料进行更加细微的研究。Nano MD是南京大学赵健伟教授实验室自主研发的一款以分子动力学为基础,在纳米仿真领域中应用广泛的计算软件。本文针对纳米技术时空尺度大的特殊需求,利用空间划分算法与MPI消息传递方案实现了大规模分子动力学并行计算。各分布式节点独占内存,使用虚拟进程和笛卡尔拓扑排列进程使得程序有更好的性能和拓展性。结果表明,空间划分算法中体系规模越大并行效率越高。同一个体系随着计算核心数的增多,通信占比增加,加速比逐渐趋于平缓。将统计物理化学和计算机大数据的概念结合起来,实现大规模分子动力学样本的并发操作。本文针对初始结构,初始形变和断裂位置分布这三者之间的联系进行了系统的分子动力学研究。主要分为三个方面,凸凹微结构对初始形变的影响,断裂行为的分布特征与初始形变的关系,以及银纳米线中孪晶、缺陷等特殊结构对拉伸形变行为的影响。1,微凸纳米线与单晶纳米线表现了类似的行为,其能量和应力应变曲线等均无显著差异,即使改变不同的凸起高度亦未发现显著差别。沿z轴的应力分布分析表明凸微结构使局域应力降低,不能诱导初始结构形变;凹陷处使应力集中,此处结构不稳定容易导致位错产生。2,追踪了一个非应力集中处的偶发样本断裂过程,详细观察了以其8个不同应变时刻为初始构型的断裂分布特征。初始构型处于屈服区时,尽管体系已产生系列滑移面,但断裂位置和断裂应变的分布与单晶相同。以塑性形变初期为初始构型,虽总体分布特征与单晶相似,但断裂应变分布峰向更大的应变量方向移动。以塑性形变中期为初始构型,原偶发样本的断裂位置附近出现分布,即偶发事件逐渐演化为概率事件。以塑性形变末期的纳米线为初始构型,原概率分布消失,原偶发样本断裂位置出现一个半峰宽极窄的分布。3,最后模拟了具有四种不同初始结构的银纳米线沿[111]晶向拉伸的形变行为,考察位错、孪晶等初始结构差异对位错产生和发展的影响,并进一步讨论其与最终断裂位置分布的关系。本文的研究不仅对纳米器件的设计提供参考,所采用的分析手段也为系统研究纳米材料建立基础,算法和程序改进为Nano MD软件的进一步推广奠定了良好的基础。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O561
【图文】：

西南交通大学硕士研究生学位论文 第 4页1.3.2 研究内容本课题的研究内容主要是通过分子动力学模拟研究金属材料的初始结构，初始，断裂位置分布这三者之间的联系，如图 1.1 所示。构建含有凸凹微结构的金属纳，模拟含功能微结构的器件在应力下的形变行为。凹微结构和凸微结构对局域应集中程度，是否有助于该部位发展成为位错源。凸凹微结构作为功能性表面，影面原子活性造成局域能量失衡，是否诱导初始滑移。研究纳米材料的断裂位置会怎样概率形式的分布，大量实验样本中物理化学性质的大数据信息。区分处于应中的大概率样本和应力范围之外的偶发样本，本文针对偶发样本，追踪其形变过程以不同形变阶段做为初始态，对比考察其拉伸断裂的分布特征。孪晶界和缺陷是具有代表性的微观结构。孪晶界未额外增加体系的势能，但是改变了晶体排布的结构；缺陷周边为低配位原子，增加了体系的初始能量。本文整体的比较了银纳中缺陷和孪晶界这两组初始微观结构对纳米线形变和断裂分布的影响。

西南交通大学硕士研究生学位论文 第 7页计大规模实验样本自动排队并发计算，每次从 inputfile 文件中取出一个样本中的空行执行计算任务，此时 nThreads 个管道中若还有空行存在，则可以务。如果计算任务数达到 nThreads 个，则只有等待前面计算任务结束，向内写入空行，才有新的空行让新的计算任务继续读取。

西南交通大学硕士研究生学位论文 。时间步的选取往往依靠与实验结果对比的经验判表法用一个个边长为 l 的的立方体晶胞（Cell）构建半径 rcut。与 Verlet 列表相似，经过特定的时间间示，因为 Cell 的边长大于或等于截断半径，当计算原子所受力时，只需计算其与邻近 Cell（1、2、3、用，而不需要考虑其他晶胞内的原子受力。当 l 变成表所建立的临近列表将包含 Verlet 列表中的原子。大于 Verlet 列表所建立的原子数，但是只需遍历一所以其计算效率高于 Verlet 列表法。

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：2765494