CAE軟件操作小百科（35）

收稿日期： 2016[KG*9〗11[KG*9〗30

作者簡介： 席強（1994—），男，陜西漢中人，碩士研究生，研究方向為海水應(yīng)力腐蝕機理，（Email）xiqiang@tongji.edu.cn1LAMMPS的Lattice命令

LAMMPS本身在建模方面是比較薄弱的，因此Lattice命令在LAMMPS建模中具有舉足輕重的地位.Lattice可以建立大多數(shù)晶格模型，在金屬、晶體、材料等相關(guān)領(lǐng)域的研究中使用比較頻繁.

Lattice命令可以定義一個其他指令可以使用的晶格.在LAMMPS中，一個晶格是空間中簡單的點集，由基本原子構(gòu)成的可在三維空間中無限復(fù)制的晶胞（反映晶體對稱性的最小重復(fù)單元，也稱單胞）所組成.Lattice命令定義的晶格應(yīng)用在2處：第一，在模擬盒子內(nèi)部的格點上創(chuàng)建原子（可以為基本原子分配不同的原子類型）create_atoms command；第二，三維晶格中的晶格間距可以被其他命令，如create_box，region，velocity等，作為距離單元使用.

Lattice命令的決定參數(shù).一個晶格由晶胞、晶胞內(nèi)部的基本原子和變換參數(shù)（密度、平移規(guī)則、取向）決定.矢量a1，a2，a3是晶胞的棱矢量，在固態(tài)物理學(xué)里面用術(shù)語“基矢”來表示，應(yīng)用時應(yīng)基于此查找相關(guān)文獻.在LAMMPS中不一定要用最小體積的原胞（最小的周期性重復(fù)單元）決定晶格參數(shù)，比如在peri/pmb等介觀勢函數(shù)力場下晶粒大于原胞體積，在某些情況下又由基本原子決定.

原胞類型要對應(yīng)維度.晶格類型必須要與模擬的維度匹配.簡單立方sc，體心立方bcc，面心立方fcc，六角密堆積hcp和金剛石diamond類型用于三維建模；四方sq，sq2 和六方hex類型用于二維建模；自定義custom類型既可以用于二維也可以用于三維建模.

Keyword的使用.origin選項指定在將單胞布置到模擬盒子中的時候，如何對其進行上浮或者平移.參數(shù)x，y，z是分?jǐn)?shù)值（0≤（x，y，z）<1.0），意思是說按著相應(yīng)方向上的晶格間距的分?jǐn)?shù)值進行平移或者上浮.orient選項指定在將單胞布置到模擬盒子中的時候，如何對其進行旋轉(zhuǎn)，其實是設(shè)置坐標(biāo)軸放在哪個晶格方向上.所指定的3個晶格方向必須是相互正交并且滿足右手定則的.spacing選項用來直接設(shè)置晶格間距，只在特殊情況下使用.

2LAMMPS中重疊原子的處理

如果隨機給定初始條件，不可避免會產(chǎn)生原子重疊.模擬開始時必須把重疊原子推開，否則模擬無法進行.處理重疊原子和能量最小化有區(qū)別，因為推開原子不一定能量就最小.處理辦法目前主要有以下3種.

（1）pair_style soft command加上small timestep， soft style可使原子坐標(biāo)重疊力不會無窮大，再加上小的時間步，這樣原子一次移動的距離不會太大（最好<0.1個單位），從而保證推開重疊原子.

（2）fix nve/limit command可通過限制最大移動距離來實現(xiàn)原子的分離，此辦法對勢能和時間步長沒有特殊要求.

（3）minimize command可通過一定的算法使系統(tǒng)能量最小化，在某些時候可以用來推開重疊原子，一般用于周期性模擬盒子，而且系統(tǒng)中沒有需要固定不動的原子.

相比較而言，較為常見的是minimize command，但有些時候還是會報錯，所以這里推薦第二種辦法，使用方便且命令自身對模擬系統(tǒng)沒有特別的要求，較為通用.

3LAMMPS中的fix deform命令

一般地，fix deform命令用來改變體系形狀從而模擬非平衡動力學(xué)，可以通過多種方法產(chǎn)生非平衡行為.這里拋開動力學(xué)問題不談，介紹其用于系統(tǒng)建模時的技巧和特殊用處.

用fix deform來設(shè)置體系密度的命令如下

fix 1 all deform 1000 x final -50.0 50.0 y final -50.0 50.0 z final -50.0 50.0 units box

其原理在于通過改變系統(tǒng)的體積來改變系統(tǒng)的密度.使用final style對于精確設(shè)定系統(tǒng)體積很有幫助，在建立模擬體系時，如果體系只有單獨一個，可以把邊界設(shè)置好；也可以把初始的體系密度設(shè)置很大，然后利用這個命令改變到自己所要的密度上，從而不再從read.data中改變邊界值（如果這樣的話，對于跨邊界的bond會出錯）.這個技巧對于需要通過改變密度來模擬不同體系時非常方便，不用多次做初始化數(shù)據(jù)的工作.

在使用時需要注意以下幾點.

（1）用命令改變長度時，一定要加上單位，最好不要默認(rèn)，否則也可能出錯.

（2）最好在開始時使用此命令來設(shè)定密度，因為改變密度后還有個趨平過程，如果中間改變的話，以前的模擬步數(shù)都要舍棄，這樣會增加模擬的時間.

（3）此命令可能會使系統(tǒng)產(chǎn)生宏觀速度，所以使用后最好用velocity command重新初始化速度.

（4）此命令是用從新標(biāo)度原子的方法來變化坐標(biāo)的，如果體系有剛性的物體或多個必須固定的原子，就不要用或者把這些原子先剔除，把其他的改變好后再放入體系.

4LAMMPS如何生成data文件

由于LAMMPS本身生成初始坐標(biāo)文件的能力無法很好地適應(yīng)不同的模擬方向，因而許多初始坐標(biāo)要自己寫成data文件.LAMMPS對讀入的data文件有自己的格式要求，需要具備一定編程能力才能自主編寫data文件，下面總結(jié)幾種編寫data文件的方法.

（1）仔細(xì)閱讀手冊中關(guān)于data文件的章節(jié)，明白data文件的格式及用法.先模擬例子中與自己領(lǐng)域相關(guān)的例子，用restart命令繼續(xù)計算.restart文件通過工具文件夾中的restart2date工具轉(zhuǎn)換成data文件，然后套用格式到自己的初始坐標(biāo)文件中.

（2）將工具文件夾中的msi2lmp.exe拷貝到指定文件夾下，在MS（Materials Studio）中建立好結(jié)構(gòu)模型后，在ds模型或者forcite模型中指定力場類型，export結(jié)構(gòu)保存為car格式，同時自動有mdf格式的文件生成，將car和mdf文件以及力場文件拷貝到msi2lmp.exe所在的文件，運行msi2lmp.exe，生成文件data.xxx.

（3）在MS中導(dǎo)出pdb格式文件，套用上面方法（1）中的固定格式.

在實際使用中，建議常使用第三種辦法，即得到坐標(biāo)文件→固定格式→修改，既可以避免在轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的錯誤，又對自身模型有一個更深刻的理解，不能過分依賴現(xiàn)有程序.

在LAMMPS的使用中，遇到問題先聯(lián)想已經(jīng)掌握的方法，再考慮應(yīng)用此方法的“副作用”并想辦法解決或避免，在此過程中一定要反復(fù)查閱手冊（http：//lammps.sandia.gov/doc/Manual.html），最終形成自己的問題解決辦法.

（摘自同濟大學(xué)鄭百林教授《CAE操作技能與實踐》課堂講義）