细胞与分子生物力学及相关问题.ppt

1、LAMMPS 简 介,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,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

2、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,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

3、/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, SPHBond potentials：harmonic, FENE, Morse, nonlinear, class 2, quartic (breakable),An

4、gle potentials：harmonic, CHARMM, cosine, cosine/squared, cosine/periodic, class 2 (COMPASS)Dihedral potentials：harmonic, CHARMM, multi-harmonic, helix, class 2 (COMPASS), OPLSImproper potentials: harmonic, cvff, umbrella, class 2 (COMPASS)高分子势：all-atom, united-atom, bead-spring, breakable水分子势：TIP3P,

5、 TIP4P, SPC隐含溶液势：hydrodynamic lubrication, DebyeKIM 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,1.4. 初始构型 (read_data, lattice, create_atoms, delete_atoms, displace_atoms, r

6、eplicate),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,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,1.6. 积分算法 (run, run_style, minimize),veloc

7、ity-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,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、速度等信息二进制重启 (restart) 文件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,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 a

8、ccelerated 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。,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。,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Ta

9、rgeted MD and steered MD,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,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 type

10、s 键角类型数XXX dihedral types 二面角类型数XXX improper types improper dihedral 类型数,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,Angle Coeffs angle-type p1 p2 Dihedral Coeffs dihedral-

11、type p1 p2 p3 Improper Coeffsimproper-type p1 p2 p3 Atoms atom-ID molecule-ID atom-type q x y z Velocities,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,Improper

12、s improper-ID improper-type atom-ID1 atom-ID2 atom-ID3 atom-ID4,2.2. 参数文件,# * 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

13、算法 read_data * 指定读入数据文件名,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,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

14、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,

15、kspace_modify, kspace_style, pair_coeff, pair_modify, pair_style, pair_write, special_bonds,设置命令：communicate, group, mass, min_modify, min_style, neigh_modify, neighbor, reset_timestep, run_style, set, timestep, velocityFix 命令：fix, fix_modify, unfixCompute 命令：compute, compute_modify, uncompute输出命令：d

16、ump, 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,3.2. Fix 命令,设置模拟系综、算法、条件、参数

17、等等。,3.3. Compute 命令,设置实时运行中进行的数据处理运算。,3.4. Pair_style,非成键相互作用的设置。,3.5. Bond_style,化学键的设置。,3.6. Angle_style,键角的设置。,3.7. Dihedral_style,二面角的设置。,3.8. Improper_style,Improper dihedral 的设置。,3.9. Kspace_style,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。,LAMMPS 实 例,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。,2. meam SiC 体系模拟,用多体力场 MEAM 模拟 SiC 晶体。,3. peptide 短肽的动力学,模拟一个短肽分子的动力学过程。,