[发明专利]纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料力学性能测试技术，特别是涉及一种纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法。

背景技术

随着微机电和纳机电系统的发展，零件和元器件趋于微型化，甚至达到纳米数量级，这要求传统的加工工业由大尺度、粗犷式的工作方式发展到微纳米尺度的精工细作。随着工程尺度的减小，加工的对象进入到纳米尺寸——产生了一个科学与工程交叉的新兴领域——纳米工程。它包括纳米切削、纳米润滑、纳米磨削以及纳米材料之间作用等。在纳米工程中，随着工艺水平的提高，操作空间将进一步缩小，直至进入纳米尺度。这时，我们操作的对象不再是宏观的块体材料，而是具有纳米尺寸的纳米点、纳米线或纳米带。在纳米尺度，由于化学效应、小尺寸效应、量子效应和表面效应的影响，材料的力学特性、缺陷、弹性模量、载荷特性和失效机理等都将发生质的变化，因此宏观的机械定律不再适用，而基于量子理论的原子、分子理论将逐渐占据主导地位。当物质的尺寸小于100nm，材料的总原子数将小于1.0×10⁷个原子或分子。在这个由原子和分子组成的几何体中，化学键的非周期性将对材料的性质起主要作用。例如，在传统的机械加工过程中，表面的变质层一般有几十纳米，如果我们加工只有100nm的零件，几十纳米的变质层就会对器件的性质带来致命的影响。因此，了解和把握纳米尺度加工过程中表面层的化学性质对纳米零部件的加工和处理至关重要，而建立在连续介质基础上的传统加工理论和研究方法将不再适用，因此必须从原子和分子水平上建立新的模型和新的研究方法——计算机仿真。

仿真计算在物理学、化学、生物学和材料科学等许多科学领域中得到广泛应用，被认为是上世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段，称之为“计算机实验”手段。目前，基于微观理论的计算机仿真主要以分子动力学和分子蒙特卡罗模拟为主。但只有当计算规模达到一定的水平，仿真计算才能真正起到沟通宏观特性与微观结构的作用，对于许多在理论分析和试验观察上都难以了解的现象才可以做出一定的微观解释。

任何物理现象的宏观特性都是通过构成该系统的大量原子、分子或电子等统称为粒子的运动状态所决定的。而真实的物理系统所包含的微观粒子数量往往高达10²³数量级，另外由于原子振动模拟的时间步长必须在飞秒(fs)级，模拟几皮秒(ps)的现实时间就需上千步，所以由于普通计算机CPU的性能和内存空间的限制，在能接受的模拟时间范围内，模拟规模只能达到数万个原子，远远低于实验规模，因而分子动力学模拟是典型的计算瓶颈问题。因此，需要改进算法，从而提高单机的计算能力，通过并行计算，大大提高分子动力学的仿真规模。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法，通过计算机仿真方法中分子动力学的大规模优化方法，实现纳米工程中纳米级切削、磨削、研磨等加工方式以及纳米级压痕、拉伸等纳米材料力学性能测试。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法，该方法包括：MD串行法的系统划分和数据存储方法的步骤：

(1)根据势能函数的截断半径r_cut，首先将系统划分成边长l大于等于截断半径r_cut的n个三维立方体小网格，建立三维立方体小网格数组，将位于三维立方体小网格中的原子信息存储在链表数组中；

(2)根据系统计算过程中工件原子位置变化的幅度和与刀具或压头原子的相互作用的大小，确定工件与刀具或压头的作用距离R；

(3)建立系统中所有原子的相互作用列表，首先确定与系统原子i相互作用的原子j，即在包括该原子i在内的周围立方体小网格共计27个网格中、二维是9个网格，确定与该原子i距离小于等于原子截断半径r_cut+Δr的所有原子j，将j原子以链表形式存储在i原子相互作用列表中；

(4)在作用距离R内建立工件原子与刀具或压头原子间的计算列表，即在作用距离R内，在包括该原子i在内的周围立方体小网格共计27个网格中、二维是9个网格，确定与该原子i距离小于等于原子截断半径r_cut+Δr的原子j，将j原子存储在相应的i原子链表中；

(5)根据仿真过程中工件原子位置变化和Δr大小，确定计算列表的更新频率，根据刀具或压头的位置和相互作用距离R，更新刀具或压头与工件的作用范围；