【摘要】：分子動力學(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行更加細微的研究。Nano MD是南京大學趙健偉教授實驗室自主研發(fā)的一款以分子動力學為基礎(chǔ),在納米仿真領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的計算軟件。本文針對納米技術(shù)時空尺度大的特殊需求,利用空間劃分算法與MPI消息傳遞方案實現(xiàn)了大規(guī)模分子動力學并行計算。各分布式節(jié)點獨占內(nèi)存,使用虛擬進程和笛卡爾拓撲排列進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。同一個體系隨著計算核心數(shù)的增多,通信占比增加,加速比逐漸趨于平緩。將統(tǒng)計物理化學和計算機大數(shù)據(jù)的概念結(jié)合起來,實現(xiàn)大規(guī)模分子動力學樣本的并發(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)系進行了系統(tǒng)的分子動力學研究。主要分為三個方面,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)致位錯產(chǎn)生。2,追蹤了一個非應(yīng)力集中處的偶發(fā)樣本斷裂過程,詳細觀察了以其8個不同應(yīng)變時刻為初始構(gòu)型的斷裂分布特征。初始構(gòu)型處于屈服區(qū)時,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。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、孿晶等初始結(jié)構(gòu)差異對位錯產(chǎn)生和發(fā)展的影響,并進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),算法和程序改進為Nano MD軟件的進一步推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O561
【圖文】：

西南交通大學碩士研究生學位論文 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力學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怎樣概率形式的分布，大量實驗樣本中物理化學性質(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。

西南交通大學碩士研究生學位論文 第 7頁計大規(guī)模實驗樣本自動排隊并發(fā)計算，每次從 inputfile 文件中取出一個樣本中的空行執(zhí)行計算任務(wù)，此時 nThreads 個管道中若還有空行存在，則可以務(wù)。如果計算任務(wù)數(shù)達到 nThreads 個，則只有等待前面計算任務(wù)結(jié)束，向內(nèi)寫入空行，才有新的空行讓新的計算任務(wù)繼續(xù)讀取。

西南交通大學碩士研究生學位論文 。時間步的選取往往依靠與實驗結(jié)果對比的經(jīng)驗判表法用一個個邊長為 l 的的立方體晶胞（Cell）構(gòu)建半徑 rcut。與 Verlet 列表相似，經(jīng)過特定的時間間示，因為 Cell 的邊長大于或等于截斷半徑，當計算原子所受力時，只需計算其與鄰近 Cell（1、2、3、用，而不需要考慮其他晶胞內(nèi)的原子受力。當 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算效率高于 Verlet 列表法。

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本文編號：2765494