LAMMPS 简 介.

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1 LAMMPS 简 介

2 1. LAMMPS 特性 1.1. 简介 LAMMPS: Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator 美国能源部两个实验室和三个公司联合开发，Sandia国家实验室发布 固、液、气态的经典分子动力学模拟 易于扩展，如加入新的力场、原子类型和边界条件等 C++ with MPI，FFT库函数 支持 GPU 和 OpenMP 一个脚本可以运行一个或多个模拟

3 1.2. 模型（atom_style） 原子 粗粒化粒子（例如高分子的小球-弹簧模型） United-atom 高分子或有机分子
全原子高分子，有机分子，蛋白质，DNA 金属 颗粒物质 粗粒化介观模型 有限尺度球和椭球粒子 有限尺度 line segment（2d）和三角（3d）粒子 偶极粒子 硬球粒子 以上模型的组合

4 1.3. 力场 (pair_style, bond_style, angle_style, dihedral_style, improper_style, ksapce_style)
二体势：Lennard-Jones, Buckingham, Morse, Born-Mayer-Huggins, Yukawa, soft, COMPASS, hydrogen bond, tabulated 带电二体势：库仑势，点电荷-电偶极矩作用 多体势：EAM, Finnis/Sinclair EAM, modified EAM (MEAM), embedded ion method (EIM), EDIP, ADP, Stillinger-Weber, Tersoff, REBO, AIREBO, ReaxFF, COMB 电子力场（eFF,AWPMD) 粗粒化势：DPD, GayBerne, REsquared, colloidal, DLVO 介观势：granular, Peridynamics, SPH Bond potentials：harmonic, FENE, Morse, nonlinear, class 2, quartic (breakable)

5 Angle potentials：harmonic, CHARMM, cosine, cosine/squared, cosine/periodic, class 2 (COMPASS)
Dihedral potentials：harmonic, CHARMM, multi-harmonic, helix, class 2 (COMPASS), OPLS Improper potentials: harmonic, cvff, umbrella, class 2 (COMPASS) 高分子势：all-atom, united-atom, bead-spring, breakable 水分子势：TIP3P, TIP4P, SPC 隐含溶液势：hydrodynamic lubrication, Debye KIM archive of potentials 长程势：Ewald, Wolf, PPPM (similar to particle-mesh Ewald), Ewald/N for long-range Lennard-Jones 与常用力场 CHARMM, AMBER, DREIDING, OPLS, GROMACS, COMPASS 格式兼容

6 1.4. 初始构型 (read_data, lattice, create_atoms,
delete_atoms, displace_atoms, replicate) 从构型文件中读入原子坐标 在格点上放置原子 在给定构型上删除成组原子 已有构型复制多次 移动已有原子的位置

7 1.5. 系综与约束条件 (fix) 二维或三位系统 正交或非正交（三斜晶系）模拟区域
NVE, NVT, NPT, NPH, Parinello/Rahman积分器 针对原子组群可以指定不同的热耦 通过 Nose/Hoover 或者 Berendsen 压耦控制压强 模拟盒子可以变形（拉伸或剪切） 谐振函数约束的力 刚体约束，SHAKE算法固定键长键角 化学键的断裂、生成、交换 各种边界 非平衡分子动力学模拟

8 1.6. 积分算法 (run, run_style, minimize)
velocity-Verlet 积分器 布朗动力学 刚体积分 梯度共轭或者最陡下降法进行能量优化 rRESPA 多等级时间步长 rerun 命令

9 1.7. 数据输出 (dump, restart) Log 文件输出热力学信息 文本文件输出原子坐标、速度等信息
并行输出文件流 热力学量（能量、压力等等） 用户定义的计算 热力学量的时间平均 XYZ、XTC、DCD、CFG、自定义格式的原子构型

10 1.8. 多重交换模型 Nudged elastic band: 寻找局部最优路径。
Parallel replica dynamics: 用多个短模拟估计单个跃迁事件所需时间。 Temperature accelerated dynamics: 在高温模拟以加快动力学过程。 Parallel tempering (replica exchange): 同时跑不同温度的模拟，用高温的 模拟帮助低温模拟提高采样效率。

11 1.9. 前处理与后处理工具 LAMMPS提供各种串行的前后处理工具软件
Pizzaa.py 软件包，包括创建输入文件、分析、画数据图和可视化。

12 1.10. 特殊功能 随机转动动力学 实时可视化和交互分子动力学模拟 有限元方法实现的原子与连续模型的耦合 POEMS库实现的耦合刚体积分
巨正则系综（VT）蒙特卡洛模拟插入和删除粒子 低密度流体的蒙特卡洛直接模拟 Peridynamics 介观尺度建模 Targeted MD and steered MD

13 1.11. LAMMPS 不具备的功能 没有运行LAMMPS的图形界面 没有建立分子体系的工具 自动给定力场参数 模拟结果的复杂分析
可视化模拟结果 输出数据作图

14 2. LAMMPS 输入文件格式 2.1. 构型文件 ********* 标题 XXX atoms 体系的总原子数
********* 标题 XXX atoms 体系的总原子数 XXX bonds 体系的总键数 XXX angles 体系的总角数 XXX dihedrals 体系的总二面角数 XXX impropers 体系的总 improper dihedral 数 XXX atom types 原子类型数 XXX bond types 化学键类型数 XXX angle types 键角类型数 XXX dihedral types 二面角类型数 XXX improper types improper dihedral 类型数

15 XXX XXX xlo xhi 模拟盒子在 x 方向的范围 XXX XXX ylo yhi 模拟盒子在 y 方向的范围
XXX XXX zlo zhi 模拟盒子在 z 方向的范围 Masses {atom-type mass} Pair Coeffs {pair-type p1 p2 p3 p4} Bond Coeffs {bond-type p1 p2}

16 Angle Coeffs {angle-type p1 p2} Dihedral Coeffs {dihedral-type p1 p2 p3} Improper Coeffs {improper-type p1 p2 p3} Atoms {atom-ID molecule-ID atom-type q x y z} Velocities

17 {atom-ID vx vy vz} Bonds {bond-ID bond-type atom-ID1 atom-ID2} Angles {angle-ID angle-type atom-ID1 atom-ID2 atom-ID3} Dihedrals {dihedral-ID dihedral-type atom-ID1 atom-ID2 atom-ID3 atom-ID4}

18 Impropers {improper-ID improper-type atom-ID1 atom-ID2 atom- ID3 atom-ID4}

19 2.2. 参数文件 # ******* 标题 units *** 能量单位 atom_style *** 原子构型格式
# ******* 标题 units *** 能量单位 atom_style *** 原子构型格式 boundary * * * 周期边界条件 pair_style *** 非成键相互作用的函数形式 pair_modify *** 修改非成键相互作用的函数形式 bond_style *** 化学键类型 angle_style *** 键角类型 dihedral_style *** 二面角类型 improper_style *** improper dihedral 类型 kspace_style *** 长程力算法 read_data *** 指定读入数据文件名

20 neighbor *** 设定 neighbor list 参数
neigh_modify *** 原子构型格式 timestep * * * 时间步长；单位取决于 units 的设置 thermo_style *** 输出文件的数据内容 thermo XXX 输出数据间隔 fix *** 设定模拟系综及参数等等 dump *** 设定输出构型文件名及参数 run XXX 运行的总步长 write restart *** 断点保存的文件名

21 3. LAMMPS 命令 3.1. 命令分类 逐行解释执行 命令都用小写，文件名和变量都用大写 &: 续行；#：注释；$：变量
初始化命令：atom_modify, atom_style, boundary, dimension, newton, processors, units 初始构型命令：create_atoms, create_box, lattice, read_data, read_dump, read_restart, region, replicate 力场命令：angle_coeff, angle_style, bond_coeff, bond_style, dielectric, dihedral_coeff, dihedral_style, improper_coeff, improper_style, kspace_modify, kspace_style, pair_coeff, pair_modify, pair_style, pair_write, special_bonds

22 设置命令：communicate, group, mass, min_modify, min_style, neigh_modify, neighbor, reset_timestep, run_style, set, timestep, velocity Fix 命令：fix, fix_modify, unfix Compute 命令：compute, compute_modify, uncompute 输出命令：dump, dump image, dump_modify, restart, thermo, thermo_modify, thermo_style, undump, write_restart 运行命令：delete_atoms, delete_bonds, displace_atoms, change_box, minimize, neb prd, rerun, run, temper 其它命令：clear, echo, if, include, jump, label, log, next, print, shell, variable

23 3.2. Fix 命令 设置模拟系综、算法、条件、参数等等。

24 3.3. Compute 命令 设置实时运行中进行的数据处理运算。

25 3.4. Pair_style 非成键相互作用的设置。

26 3.5. Bond_style 3.6. Angle_style 3.7. Dihedral_style 化学键的设置。 键角的设置。
二面角的设置。

27 3.8. Improper_style 3.9. Kspace_style Improper dihedral 的设置。 长程力算法命令。
另外还有很多扩展命令对应于相应的扩展软件包。

28 LAMMPS 实 例

29 1. melt  快速融化 LJ 体系 快速融化 4000 个相互作用为 Lennard-Jones 势的粒子。

30 2. meam  SiC 体系模拟 用多体力场 MEAM 模拟 SiC 晶体。

31 3. peptide  短肽的动力学 模拟一个短肽分子的动力学过程。