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LAMMPS：以单晶铝为例，模拟材料单轴拉伸

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LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）是一种经典的分子动力学仿真代码，专注于材料建模。它旨在在并行计算机上高效运行，并且易于扩展和修改。 LAMMPS 最初由美国能源部机构桑迪亚国家实验室开发，现在包括来自许多机构的许多研究小组和个人的贡献。 LAMMPS 的大部分资金来自美国能源部（DOE）。 LAMMPS 是根据 GNU 公共许可证版本 2（GPLv2）的条款分发的开源软件。

一、教程内容

在本次教程中，我们通过改变材料的晶格常数，实现模拟对施加材料单轴应变的情况，后续再计算并绘制材料的应变应力曲线。通过本教程的学习您将学会：

  1. 使用 npt 让系统结构达到弛豫
  2. 使用 fix 结合 variable 命令改变晶格常数
  3. 使用 compute 命令计算系统应力
1

二、输入文件

  • Al99.eam.alloy  材料的 eam 势
  • in.txt  输入文件
  • pl.py  绘制图像脚本

三、输入文件解析

系统初始化与基础设置

units metal               # 采用金属单位制（长度：Å，时间：ps，质量：g/mol，能量：eV 等）
dimension 3               # 三维空间模拟
boundary p p p            # 三个方向均为周期性边界条件（模拟无限大晶体）
atom_style atomic         # 原子类型为「基本原子」，仅包含位置和类型信息
variable latparam equal 4.05  # 定义铝的晶格常数为 4.05Å（FCC 铝的典型值）

原子结构构建

lattice  fcc ${latparam} orient x 1 0 0 orient y 0 1 0 orient z 0 0 1  # 定义 FCC 晶格
# 晶格常数为 ${latparam}，晶向沿 x[100] 、 y[010] 、 z[001]（标准笛卡尔坐标系）

region whole block 0 10 0 10 0 10  # 定义模拟区域：一个立方体，在 x 、 y 、 z 方向各包含 10 个晶格常数长度 
create_box 1 whole                 # 创建容纳原子的「盒子」，仅包含 1 种原子类型，边界为上述 region 定义的范围 
create_atoms 1 region whole        # 在盒子内填充类型为 1 的原子，按 FCC 晶格排列

原子间相互作用势设置

pair_style eam/alloy  # 采用嵌入原子法（EAM）合金势描述原子间相互作用（适合金属体系）
pair_coeff * * Al99.eam.alloy Al  # 配置势函数参数：
                                  # - 第一个*：所有原子类型（此处仅 1 种）
                                  # - 第二个*：所有原子类型的相互作用
                                  # - Al99.eam.alloy：势函数文件（预训练的铝势）
                                  # - Al：指定原子类型 1 对应元素为铝

计算量定义（用于后续分析）

compute csym all centro/atom fcc  # 计算每个原子的中心对称参数（用于识别 FCC 结构完整性，缺陷处会偏离）
compute peratom all pe/atom       # 计算每个原子的势能（用于分析能量分布）

平衡模拟阶段（消除初始应力，达到稳定状态）

reset_timestep 0  # 重置时间步计数器为 0（平衡阶段作为新起点）
timestep 0.001    # 时间步长为 0.001ps（即 1fs，金属模拟常用精度）

#初始化原子速度：温度 300K（室温），随机种子 12345，消除整体动量（mom yes）和旋转（rot no）
velocity all create 300 12345 mom yes rot no
#施加 NPT 系综（恒温、恒压、恒粒子数）进行平衡：
#- temp 300 300 1：温度维持 300K，热浴阻尼系数 1（单位：ps）
#- iso 0 0 1：各向同性压力控制，目标压力 0bar，压力阻尼系数 1（单位：ps）
#- drag 1：原子运动阻尼系数（用于稳定系综）
fix 1 all npt temp 300 300 1 iso 0 0 1 drag 1 
#热力学输出设置：
thermo 1000  #每 1000 步输出一次热力学信息 
thermo_style custom step lx ly lz press pxx pyy pzz pe temp  #输出内容：
                                                             #步数、盒子尺寸（x/y/z）、总压力、压力张量分量、势能、温度
run 20000  #运行 20000 步平衡模拟（总时间 20000×0.001ps=20ps）
unfix 1    #平衡结束，移除 NPT 约束
#记录平衡后的 x 方向盒子长度（用于后续计算应变）
variable tmp equal "lx"  #临时变量存储当前 x 方向长度 
variable L0 equal ${tmp}  #定义 L0 为初始长度（拉伸前的平衡长度）
print "Initial Length, L0: ${L0}"  #输出初始长度，便于验证

单轴拉伸变形阶段

reset_timestep 0  #重置时间步计数器为 0（拉伸阶段作为新起点）

#重新施加 NPT 系综，但仅控制温度和横向压力：
#- temp 300 300 1：维持温度 300K
#- y 0 0 1 z 0 0 1：y 和 z 方向压力保持 0bar（横向自由，模拟单轴拉伸）
fix 1 all npt temp 300 300 1 y 0 0 1 z 0 0 1 drag 1
#定义拉伸速率：
variable srate equal 1.0e10  #应变速率为 1e10 /s（分子动力学常用高应变速率，远高于实验）
variable srate1 equal "v_srate / 1.0e12"  #转换为 LAMMPS 单位（应变速率单位：ps⁻¹，1e10/s = 1e-2 ps⁻¹）
#施加 x 方向拉伸变形：
#- deform 1 x：沿 x 方向变形，变形组为 1（所有原子）
#- erate ${srate1}：按上述应变速率拉伸 
#- units box：变形基于盒子尺寸 
#- remap x：原子坐标随盒子拉伸同步更新（避免原子「跑出」盒子）
fix 2 all deform 1 x erate ${srate1} units box remap x

拉伸过程数据输出

#定义应变和应力变量：
variable strain equal "(lx - v_L0)/v_L0"  #工程应变 =（当前 x 长度 - 初始长度）/ 初始长度
variable p1 equal "v_strain"              #p1 对应工程应变（无量纲）
variable p2 equal "-pxx/10000"            #x 方向应力（GPa）：pxx 为 LAMMPS 内置压力张量（单位 bar），负号转为拉应力，除以 10000 转换为 GPa
variable p3 equal "-pyy/10000"            #y 方向应力（GPa）
variable p4 equal "-pzz/10000"            #z 方向应力（GPa）

#输出应变-应力数据到文件：
#- 每 100 步输出一次 p1（应变）、 p2（x 应力）、 p3（y 应力）、 p4（z 应力）
#- 保存到 Al_tens_100.def1.txt，不在屏幕显示 
fix def1 all print 100 "${p1} ${p2} ${p3} ${p4}" file Al_tens_100.def1.txt screen no
#输出原子轨迹文件（用于可视化）：
#- 每 100 步保存一次，文件名为 md.lammpstrj
#- 包含原子 ID 、类型、 x/y/z 坐标 
dump trace all custom 100 md.lammpstrj id type x y z
#热力学信息输出设置：
thermo 1000  #每 1000 步输出一次 
thermo_style custom step v_strain temp v_p2 v_p3 v_p4 ke pe press  #输出步数、应变、温度、三方向应力、动能、势能、总压力
run 30000  #拉伸阶段运行 30000 步（总时间 30ps，累积应变约 0.3）

模拟结束

print "All done"  # 输出完成信息，提示模拟结束

四、上手模拟

1. 克隆本容器后进入容器设置
2. 待加载完毕后打开工作空间
3. 随后打开终端
4. 输入以下命令运行 lammps
mpirun --allow-run-as-root -np 2 lmp -sf gpu -pk gpu 1 < in.txt

五、文件输出

  • Al_tens_100.def1.txt：应变 – 应力曲线数据，可用于分析弹性模量、屈服强度等力学性能。
  • md.lammpstrj：原子轨迹文件，可通过 VMD 、 Ovito 等软件可视化拉伸过程中的晶体结构演变

六、绘制应变-应力图像

1. 在终端输入以下命令
python pl.py
2. 打开绘制的图片
3. 可以得到曲线
aluminum_stress_strain