OpenGL计算机模拟材料二维扩散及其运动及C++程序(4)
时间:2018-06-08 15:01 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
若两点间化学势μi不相等，则i原子就会在两点间发生移动，产生扩散现象。可见，扩散是在不同化学势两点之间进行的，原子由化学势较高之处迁至较低之处，直至化学势相等。 1.6 分子动力学 在本论文研究中，我们应用的计算机模拟，其主要依据就是分子动力学模拟方法， 分子动力学（MD）模拟是一个强大且应用广泛的工具，然而MD的时间尺度仅能达到纳秒级，这显然满足不了实际的长时动力学过程模拟，比如固体界面原子扩散的时间需求，这也是传统MD模拟技术的固有缺陷。相对传统MD模拟实际固体界面原子扩散是极为缓慢的。以Mg/Zn金属界面为例，Mg向Zn层中的扩散在500 K的热处理温度下每扩散一个原子层大约需要几个毫秒，高出一个传统MD模拟任务的纳秒级时间尺度6个数量级。换言之，以现有的计算机运算速度，采用传统的MD模拟技术模拟Mg/Zn界面的一个原子层的扩散过程需要100多年[3]。在此情况下，近年来国际上许多学者针对传统MD模拟技术的这一缺陷提出了多种方法，这些方法可以统称为加速分子动力学方法，其中Voter[2]于1997年提出了著名的超动力学（hyper dynamics, HD）方法，该方法的主要思想是给原势函数加上一个偏移势，即相当于抬高势阱，从而提高原子跃迁的几率，加速原子的扩散。HD加速方法的提出主要基于以下两点：一是认为固体原子的扩散属于小概率事件，即认为固体原子在扩散过程中，其绝大部分时间都处在热振动状态，仅当原子能量足够大时，原子才会发生跃迁，而跃迁的时间很短；另外一点就是假定体系遵循过渡态理论（Transition State Theory，TST[4]。HD方法应用的关键是偏移势的获取，对此Voter及其后许多学者提出了各自不同的观点和处理方法，并发现HD的模拟时间尺度随着偏移势阱的抬高可以成数量级的增长，因此，这种加速方法在加速程度方面是最适合模拟固体界面原子扩散的方法。本文就是基于这种方法的基本思路，在前人的基础上，提出了一种更简单且更为有效的偏移势构建方法，即加速因子（accelerating factor, AF）法，并用该方法对金属Mg/Zn界面的原子扩散进行模拟以验证这种方法的可行性及其加速程度。 分子动力学计算的基本思想是赋予分子体系初始运动状态之后利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算，时间步长就是抽样的间隔，因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞，体系数据溢出；太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力，因此一般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。但是通常情况下，体系各自由度中运动周期最短的是各个化学键的振动，而这种运动对计算某些 宏观性质 并不产生影响，因此就产生了屏蔽分子内部振动或其他无关运动的约束动力学，约束动力学可以有效地增长分子动力学模拟的时间步长，提高搜索相空间的能力。 分子动力学（G1+H0I+CJ 7KDC2L0M，简称G7）用于计算以固体、液体、气体为模型的单个分子运动，它是探索各种现象本质和某些新规律的一种强有力的计算机模拟方法，具有沟通宏观特性与微观结构的作用，对于许多在理论分析和实验观察上难以理解的现象可以做出一定的解释［&］。G7 方法不要求模型过分简化，可以基于分子（ 原子、离子）的排列和运动的模拟结果直接计算求和以实现宏观现象中的数值估算。可以直接模拟许多宏观现象，取得和实验相符合或可以比较的结果，还可以提供微观结构、运动以及它们和体系宏观性质之间关系的极其明确的图象。G7以其不带近似、跟踪粒子轨迹、模拟结果准确，而倍受研究者的关注，在物理、化学、材料、摩擦学等学科及纳米机械加工中得到广泛而成功的应用。 (责任编辑：qin) |