【摘要】：分子動(dòng)力學(xué)(Molecular Dynamics,MD)是一種新型的模擬大量分子間相互作用的納米技術(shù),使我們能夠在微觀尺度下對納米材料進(jìn)行更加細(xì)微的研究。Nano MD是南京大學(xué)趙健偉教授實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的一款以分子動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),在納米仿真領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的計(jì)算軟件。本文針對納米技術(shù)時(shí)空尺度大的特殊需求,利用空間劃分算法與MPI消息傳遞方案實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)并行計(jì)算。各分布式節(jié)點(diǎn)獨(dú)占內(nèi)存,使用虛擬進(jìn)程和笛卡爾拓?fù)渑帕羞M(jìn)程使得程序有更好的性能和拓展性。結(jié)果表明,空間劃分算法中體系規(guī)模越大并行效率越高。同一個(gè)體系隨著計(jì)算核心數(shù)的增多,通信占比增加,加速比逐漸趨于平緩。將統(tǒng)計(jì)物理化學(xué)和計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)的概念結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)樣本的并發(fā)操作。本文針對初始結(jié)構(gòu),初始形變和斷裂位置分布這三者之間的聯(lián)系進(jìn)行了系統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)研究。主要分為三個(gè)方面,凸凹微結(jié)構(gòu)對初始形變的影響,斷裂行為的分布特征與初始形變的關(guān)系,以及銀納米線中孿晶、缺陷等特殊結(jié)構(gòu)對拉伸形變行為的影響。1,微凸納米線與單晶納米線表現(xiàn)了類似的行為,其能量和應(yīng)力應(yīng)變曲線等均無顯著差異,即使改變不同的凸起高度亦未發(fā)現(xiàn)顯著差別。沿z軸的應(yīng)力分布分析表明凸微結(jié)構(gòu)使局域應(yīng)力降低,不能誘導(dǎo)初始結(jié)構(gòu)形變;凹陷處使應(yīng)力集中,此處結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定容易導(dǎo)致位錯(cuò)產(chǎn)生。2,追蹤了一個(gè)非應(yīng)力集中處的偶發(fā)樣本斷裂過程,詳細(xì)觀察了以其8個(gè)不同應(yīng)變時(shí)刻為初始構(gòu)型的斷裂分布特征。初始構(gòu)型處于屈服區(qū)時(shí),盡管體系已產(chǎn)生系列滑移面,但斷裂位置和斷裂應(yīng)變的分布與單晶相同。以塑性形變初期為初始構(gòu)型,雖總體分布特征與單晶相似,但斷裂應(yīng)變分布峰向更大的應(yīng)變量方向移動(dòng)。以塑性形變中期為初始構(gòu)型,原偶發(fā)樣本的斷裂位置附近出現(xiàn)分布,即偶發(fā)事件逐漸演化為概率事件。以塑性形變末期的納米線為初始構(gòu)型,原概率分布消失,原偶發(fā)樣本斷裂位置出現(xiàn)一個(gè)半峰寬極窄的分布。3,最后模擬了具有四種不同初始結(jié)構(gòu)的銀納米線沿[111]晶向拉伸的形變行為,考察位錯(cuò)、孿晶等初始結(jié)構(gòu)差異對位錯(cuò)產(chǎn)生和發(fā)展的影響,并進(jìn)一步討論其與最終斷裂位置分布的關(guān)系。本文的研究不僅對納米器件的設(shè)計(jì)提供參考,所采用的分析手段也為系統(tǒng)研究納米材料建立基礎(chǔ),算法和程序改進(jìn)為Nano MD軟件的進(jìn)一步推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O561
【圖文】：

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 4頁1.3.2 研究內(nèi)容本課題的研究內(nèi)容主要是通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究金屬材料的初始結(jié)構(gòu)，初始，斷裂位置分布這三者之間的聯(lián)系，如圖 1.1 所示。構(gòu)建含有凸凹微結(jié)構(gòu)的金屬納，模擬含功能微結(jié)構(gòu)的器件在應(yīng)力下的形變行為。凹微結(jié)構(gòu)和凸微結(jié)構(gòu)對局域應(yīng)集中程度，是否有助于該部位發(fā)展成為位錯(cuò)源。凸凹微結(jié)構(gòu)作為功能性表面，影面原子活性造成局域能量失衡，是否誘導(dǎo)初始滑移。研究納米材料的斷裂位置會(huì)怎樣概率形式的分布，大量實(shí)驗(yàn)樣本中物理化學(xué)性質(zhì)的大數(shù)據(jù)信息。區(qū)分處于應(yīng)中的大概率樣本和應(yīng)力范圍之外的偶發(fā)樣本，本文針對偶發(fā)樣本，追蹤其形變過程以不同形變階段做為初始態(tài)，對比考察其拉伸斷裂的分布特征。孿晶界和缺陷是具有代表性的微觀結(jié)構(gòu)。孿晶界未額外增加體系的勢能，但是改變了晶體排布的結(jié)構(gòu)；缺陷周邊為低配位原子，增加了體系的初始能量。本文整體的比較了銀納中缺陷和孿晶界這兩組初始微觀結(jié)構(gòu)對納米線形變和斷裂分布的影響。

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 7頁計(jì)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)樣本自動(dòng)排隊(duì)并發(fā)計(jì)算，每次從 inputfile 文件中取出一個(gè)樣本中的空行執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，此時(shí) nThreads 個(gè)管道中若還有空行存在，則可以務(wù)。如果計(jì)算任務(wù)數(shù)達(dá)到 nThreads 個(gè)，則只有等待前面計(jì)算任務(wù)結(jié)束，向內(nèi)寫入空行，才有新的空行讓新的計(jì)算任務(wù)繼續(xù)讀取。

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 。時(shí)間步的選取往往依靠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比的經(jīng)驗(yàn)判表法用一個(gè)個(gè)邊長為 l 的的立方體晶胞（Cell）構(gòu)建半徑 rcut。與 Verlet 列表相似，經(jīng)過特定的時(shí)間間示，因?yàn)?Cell 的邊長大于或等于截?cái)喟霃�，�?dāng)計(jì)算原子所受力時(shí)，只需計(jì)算其與鄰近 Cell（1、2、3、用，而不需要考慮其他晶胞內(nèi)的原子受力。當(dāng) l 變成表所建立的臨近列表將包含 Verlet 列表中的原子。大于 Verlet 列表所建立的原子數(shù)，但是只需遍歷一所以其計(jì)算效率高于 Verlet 列表法。

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