CN101859336A - 纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法 - Google Patents

Abstract

纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法，涉及一种纳米材料力学性能测试技术。首先根据描述系统相互作用势的截断半径，将系统划分成三维立方体小网格。除了边界网格外，在相邻27个小网格(二维9个)组成的立方体(二维正方形)上，建立中心网格中原子的临近原子相互作用表。通过该法，建立系统中所有原子的临近原子相互作用表。然后，根据系统中刀具、压头(如有刀具和压头)与工件的相互作用范围，在以刀具、压头为中心的相互作用范围内，建立该范围内工件原子与刀具、压头原子的临近原子相互作用表。最后，以三维立方体小网格为单位，进行并行程序中节点机计算任务的划分。来提高纳米工程中MD的仿真规模。

Description

纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法

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；

(6)在系统计算过程中，计算每个原子与其他原子之间的作用，仅需计算原子与其相应列表中原子之间的作用，而与系统中其他原子之间的作用无需判定。

所述的纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法，其所述的MD串行法的系统划分和数据存储方法，根据仿真过程中工件原子位置变化的频率，确定原子的相互作用列表更新频率；根据刀具或压头的位置，以刀具或压头为中心，更新刀具或压头与工件的作用范围R。

所述的纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法，其所述的MD串行法的系统划分和数据存储方法，对MD并行算法节点机计算任务的划分和数据存储的具体步骤如下：

(1)根据工件计算过程中工件的变形情况，确定变形最小的方向；

(2)在单机MD串行算法的系统划分和数据存储的基础上，将系统划分成n个三维立方体小网格；为了并行计算过程中负载平衡，沿着变形最小的方向将系统分成N等分，这N个部分被称作计算子区域，每个子区域对应一台节点机、共有N台节点机；每个子区域计算任务以三维立方体小网格为单位，由m＞＝1(∑N×m＝n)个网格组成，根据节点机的性能，每台处理机的网格数m可不相等，只要每台节点机每次计算任务时间大致相等；

(3)系统中原子位置坐标、速度和所受的力等信息分机保存，各节点机之间只传递邻近原子位置坐标等计算必需的信息，数据处理所需的切削力、原子径向分布、能量和表面能等重要信息也采取分机保存，最后用一个合并程序将各机数据合并，用可视化程序动态显示切削过程。

附图说明

图1为本发明为减少计算时间，建立系统中原子相互作用原子表的二维示意图；

图2为本发明并行计算过程中节点机计算任务的划分示意图；

图3为本发明表示并行计算过程中节点机之间数据和信息相互传递的示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细说明。

从理论上来说，在计算原子间相互作用力时，每个原子与系统中其余所有原子的相互作用都需要进行计算；但是由于原子间的作用力随距离增加而迅速减小，因此，没有必要计算每个原子与系统中其余所有原子的相互作用。本发明提出一种减少不必要计算量的串行算法，同时通过优化数据存储，节约内存，提高串行MD计算的效率。通过并行计算，从而达到大大提高MD仿真规模。本发明根据原子的物理位置将系统中所有原子划分成三维小网格，根据系统原子在仿真过程中的运动情况，确定原子间相互作用的范围。在原子所在网格和周围的网格中，根据相互作用范围，建立系统中每个原子的相互作用原子表。当系统中涉及刀具或压头时，根据刀具或压头对工件的作用，确定两者之间的作用范围。在两者相互作用范围内，建立工件原子或刀具、压头原子的相互作用原子表。根据原子运动情况，确定更新原子相互作用原子表频率。根据刀具或压头的位置，更新刀具或压头与工件的作用范围。根据工件仿真过程中工件的变形情况，确定工件变形最小的方向；为了并行计算过程中负载平衡，沿着变形最小的方向将系统分成N等分，这N个部分被称作计算子区域，每个子区域对应一台节点机(共有N台节点机)，根据节点机的性能，每台处理机的计算任务可不相等，只要每台节点机每次计算任务时间大致相等就可。

本发明图1是为减少计算时间，建立系统中原子相互作用原子表的二维示意图。表示根据系统选取的势函数截断半径r_cut将系统划分成边长为l大于等于截断半径r_cut的小网格，在原子i所在网格1和周围的网格2～9共计9个网格(三维是27个网格)中，建立原子i的相互作用原子列表。

本发明图2是指并行计算过程中节点机计算任务的划分示意图。在仿真过程中，原子密度不断发生变化，在Z轴方向工件变形很小，基本可以忽略，因此为了计算过程中负载平衡，首先将整个工件划分成n个三维正方体小网格(网格边长等于晶格常数)，沿Z轴方向分成N等分，如图中虚长方体所示，这N个部分被称作计算子区域，每个子区域对应一台节点机(共有N台节点机)，每个子区域由m＞＝1(N×m＝n)个网格组成，根据节点机的性能，每台处理机的网格数m可不相等，只要每台节点机每次计算任务时间大致相等。

本发明图3表示并行计算过程中节点机之间数据和信息相互传递的示意图。判别新时刻每台节点机上的原子位置，目的在于更新每个网格的原子链，同时还要判断越出边界的原子点。在更新原子坐标的同时，将边长为l的boundary边界区域的原子信息打包(分上下boundary边界区域打两个包)，如图a所示，同时将从P节点机运动到P+1机的原子信息和P节点机中靠近P+1机boundary网格行中原子信息一起打包发送到P+1机，同时将运动到P-1机的原子信息和P节点机中靠近P-1机boundary网格行中原子信息一起打包发送到P-1机。为了防止将刚发送出去的原子信息被发送回原节点机，将从P节点机上打包、收拆包裹的顺序需按照图b所示的顺序。

1.首先根据系统材料选取合适的势函数，再根据势函数，选取合适的截断半径r_cut；

2.根据截断半径r_cut，将系统划分成边长为l大于等于截断半径r_cut的三维小网格，建立三维网格的三维数组，将位于三维立方体小网格中原子信息以链表结构存储在网格三维数组中，以便于原子的更新和快速查找；

3.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；

4.建立工件所有原子i的计算列表，首先确定工件原子间需要计算的原子，即在包括该原子在内的周围立方体小网格共计27个(二维是9个网格)网格中，确定与该原子距离小于等于原子截断半径r_cut+Δr的原子以链表结构形式存储在计算列表中；

5.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，在包括该原子在内的周围立方体小网格共计27个(二维是9个网格)网格中，确定与该原子距离小于等于原子截断半径r_cut+Δr的原子以链表结构形式存储在计算列表中；

6.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；

7.根据工件计算过程中工件的变形情况，确定变形最小的方向；为了并行计算过程中负载平衡，将已被划分成n个三维立方体小网格的系统沿着变形最小的方向再划分成N等分，这N个部分被称作计算子区域，每个子区域对应一台节点机(共有N台节点机)，每个子区域由m＞＝1(∑N×m＝n)个网格组成，根据节点机的性能，每台处理机的网格数m可不相等，只要每台节点机每次计算任务时间大致相等。

Claims (3)

1.纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法，其特征在于该方法包括：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1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；

(6)在系统计算过程中，计算每个原子与其他原子之间的作用，仅需计算原子与其相应列表中原子之间的作用，而与系统中其他原子之间的作用无需判定。

2.根据权利要求1所述的纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法，其特征在于，所述的MD串行法的系统划分和数据存储方法，根据仿真过程中工件原子位置变化的频率，确定原子的相互作用列表更新频率；根据刀具或压头的位置，以刀具或压头为中心，更新刀具或压头与工件的作用范围R。

3.根据权利要求2所述的纳米加工中大规模分子动力学的并行优化方法，其特征在于，所述的MD串行法的系统划分和数据存储方法，对MD并行算法节点机计算任务的划分和数据存储的具体步骤如下：

(1)根据工件计算过程中工件的变形情况，确定变形最小的方向；

(2)在单机MD串行算法的系统划分和数据存储的基础上，将系统划分成n个三维立方体小网格；为了并行计算过程中负载平衡，沿着变形最小的方向将系统分成N等分，这N个部分被称作计算子区域，每个子区域对应一台节点机、共有N台节点机；每个子区域计算任务以三维立方体小网格为单位，由m＞＝1(∑N×m＝n)个网格组成，根据节点机的性能，每台处理机的网格数m可不相等，只要每台节点机每次计算任务时间大致相等；

(3)系统中原子位置坐标、速度和所受的力等信息分机保存，各节点机之间只传递邻近原子位置坐标等计算必需的信息，数据处理所需的切削力、原子径向分布、能量和表面能等重要信息也采取分机保存，最后用一个合并程序将各机数据合并，用可视化程序动态显示切削过程。

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