JP2000194685A - Simulation method and device - Google Patents

Simulation method and device

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JP2000194685A
JP2000194685A JP37223398A JP37223398A JP2000194685A JP 2000194685 A JP2000194685 A JP 2000194685A JP 37223398 A JP37223398 A JP 37223398A JP 37223398 A JP37223398 A JP 37223398A JP 2000194685 A JP2000194685 A JP 2000194685A
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cell
σex
tensor
matrix
representing
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JP37223398A
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Tomoyuki Noda
智之 野田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simulation method/device which can calculate a correct motion of a simulation object element under a periodic boundary condition where pressure, stress and a couple of forces per volume are constant. SOLUTION: A set pressure, or a set pressure and a couple of forces per a set volume are converted into tensor σex of an external force acting on a cell (S3). Then a numeric solution of an equation of motion of a matrix h showing the cell is found (S4-S10) to show that the time differential d (dh/dt)h-1}/dt of the product (dh/dt)h-1} of the time differential (dh/dt) of the matrix h showing the cell and an inverse matrix h-1 of the matrix h showing the cell are equal to WV(σ-σex)} being a constant multiple of a product of a difference (σ-σex) between the tensor σex of the external force acting on the cell and a tensor σ of a force and of cell volume V. Thus, a satisfactorily large aggregate consisting of the simulation object elements such as molecules and atoms can be simulated.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はシミュレーション方
法及び装置、例えば分子構造を制御することによって材
料の性質を最適化する分子設計の分野、特に圧力、応力
及び体積あたりの偶力が一定の周期的境界条件下での、
分子動力学法を用いた分子設計をシミュレーションする
シミュレーション方法及び装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a simulation method and apparatus, for example, a field of molecular design for optimizing material properties by controlling a molecular structure, and in particular, a cyclic method in which pressure, stress and couple per volume are constant. Under boundary conditions,
The present invention relates to a simulation method and apparatus for simulating a molecular design using a molecular dynamics method.

【0002】[0002]

【従来の技術】分子や原子やイオンなどのシミュレーシ
ョン対象要素の集合体の性質を知るために、シミュレー
ション対象要素間に働く力を適当に設定する等として、
シミュレーション対象要素の運動方程式を数値的に解い
て、集団運動をシミュレーションし、その集団運動から
集合体の性質を導き出すシミュレーション方法を分子動
力学法という。この分子動力学法は、古典分子動力学法
(通常、分子動力学と言えばこちらを指す)と量子分子
動力学法(通常、第一原理分子動力学と呼ぶ)に別れ
る。
2. Description of the Related Art In order to know the properties of an aggregate of elements to be simulated, such as molecules, atoms, and ions, the force acting between the elements to be simulated is appropriately set.
A simulation method that numerically solves the equation of motion of the element to be simulated, simulates the collective motion, and derives the properties of the aggregate from the collective motion is called a molecular dynamics method. This molecular dynamics method is divided into classical molecular dynamics (usually referred to here as molecular dynamics) and quantum molecular dynamics (usually called first-principles molecular dynamics).

【0003】古典分子動力学法では、シミュレーション
対象要素は原子や分子などであって、シミュレーション
対象要素を古典的な質点や剛体と見なして、シミュレー
ション対象要素間に働く力を与える。ただし、予め与え
られた要素間に働く力は、シミュレーション結果が実験
結果に良く一致するように経験的に決められる。
In the classical molecular dynamics method, the elements to be simulated are atoms, molecules, and the like. The elements to be simulated are regarded as classical masses or rigid bodies, and the forces acting between the elements to be simulated are given. However, the force acting between the elements given in advance is empirically determined so that the simulation results are in good agreement with the experimental results.

【0004】量子分子動力学法は、分子動力学法と電子
状態を求める方法との結合である。シミュレーション対
象要素はイオンまたは原子核などであって、シミュレー
ション対象要素は通常古典的な質点とみなす。さらに、
電子状態を求める方法で電子を取り扱い、求めた電子状
態からシミュレーション対象要素であるイオンまたは原
子核に働く力を求める。
[0004] The quantum molecular dynamics method is a combination of the molecular dynamics method and a method for determining an electronic state. The element to be simulated is an ion or a nucleus, and the element to be simulated is generally regarded as a classical mass point. further,
Electrons are handled by a method of obtaining an electronic state, and a force acting on an ion or a nucleus which is a simulation target element is obtained from the obtained electronic state.

【0005】シミュレーション対象要素に比べて十分大
きく均一と見倣せる集合体のシミュレーションを行なう
場合には、系が周期的であるという周期的境界条件を仮
定して、空間の基本単位となる平行六面体のセルの内部
にあるシミュレーション要素だけを計算する。
When performing a simulation of an aggregate that can be regarded as sufficiently large and uniform as compared with the element to be simulated, a parallelepiped which is a basic unit of space is assumed, assuming a periodic boundary condition that the system is periodic. Only the simulation elements inside the cell are calculated.

【0006】周期的境界条件の下で圧力または応力一定
の条件を課す場合、良く知られたParrinello-Rahmanの
方法(例えばPhys.Rev.Lett.45,11
96(1980))では、セルを行列で表現し、シミュ
レーションの対象要素の位置をセルを表す行列と対象要
素の相対座標ベクトルとの積として表現する。そして、
セルの運動エネルギーと圧力または応力に起因するセル
の位置エネルギーとを適当な方法で設定し、セルとシミ
ュレーションの対象要素のラグランジェアンを設定し、
ラグランジェアンが満たすオイラー=ラグランジェ方程
式を解いて運動方程式を導出する。この結果、セルを表
す行列の運動方程式と、対象要素の相対座標の運動方程
式が得られる。これらの運動方程式の数値解を求める工
程をParrinello-Rahmanの方法は含んでいる。
When imposing constant pressure or stress conditions under periodic boundary conditions, the well-known Parrinello-Rahman method (eg, Phys. Rev. Lett. 45, 11) is used.
96 (1980)), the cell is represented by a matrix, and the position of the simulation target element is expressed as a product of the matrix representing the cell and the relative coordinate vector of the target element. And
Set the kinetic energy of the cell and the potential energy of the cell due to pressure or stress in an appropriate way, set the Lagrangian of the cell and the target element of the simulation,
The equation of motion is derived by solving the Euler-Lagrange equation that Lagrangean satisfies. As a result, a motion equation of a matrix representing a cell and a motion equation of relative coordinates of a target element are obtained. Parrinello-Rahman's method includes the step of finding numerical solutions to these equations of motion.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところが、良く知られ
た上記Parrinello-Rahmanの方法は、以下の様な問題点
があった。例えば、周期的境界条件の下では、結晶学的
に等価なセルは複数個存在する。従って、得られるシミ
ュレーション対象要素の運動は同一であるべきにも関わ
らず、結晶学的に等価な異なるセルを用いた場合には運
動が異なってしまうという問題点がある。このため、シ
ミュレーションの途中で、セルを結晶学的に等価な他の
セルに変更することはできないという問題点が派生す
る。
However, the well-known method of Parrinello-Rahman has the following problems. For example, under periodic boundary conditions, there are a plurality of crystallographically equivalent cells. Therefore, there is a problem in that the movements of the obtained simulation target elements should be the same, but the movements will be different if different cells which are crystallographically equivalent are used. Therefore, a problem arises in that the cell cannot be changed to another crystallographically equivalent cell during the simulation.

【0008】上記Parrinello-Rahmanの方法を改良し
て、この問題を解決したのがCleveland(例えば、J.
Chem.Phys.89,4897(1988))で
ある。しかし、Clevelandによって提案された方法で
は、設定圧力と実際の圧力との間に成立すべき良く知ら
れたビリアル定理が成立せず、正しい結果が得られない
という問題点がある。
[0008] Cleveland (for example, J. et al., Supra) solved this problem by improving the above-mentioned Parrinello-Rahman method.
Chem. Phys. 89, 4897 (1988)). However, the method proposed by Cleveland has a problem that a well-known virial theorem to be established between the set pressure and the actual pressure does not hold, and a correct result cannot be obtained.

【0009】また、応力一定の条件を扱う従来の方法
(Parrinello-Rahmanの応力一定の方法)では、基準と
なる時刻をシミュレーションの途中で変更すると、変更
しなかった場合と比べて得られるシミュレーション対象
要素の運動が異なってしまうという問題点がある。これ
は、応力一定の条件では、セルの位置エネルギーを設定
することが原理上正しくないのにも関わらず、設定して
いたためである。
Further, in the conventional method for treating the condition of constant stress (Parrinello-Rahman constant stress method), if the reference time is changed in the middle of the simulation, the simulation object obtained is not changed. There is a problem that the movements of the elements are different. This is because, under the condition of constant stress, the potential energy of the cell was set although it was incorrect in principle.

【0010】また、体積あたりの偶力一定の条件を扱う
方法がなく、体積あたりの偶力一定の条件でのシミュレ
ーションができなかった。
[0010] Further, there is no method for handling the condition of a constant couple per volume, and a simulation cannot be performed under the condition of a constant couple per volume.

【0011】本発明は、セルの運動エネルギーを適切に
設定し、かつセルに及ぼす偶力との応力のエネルギーを
適切に取り扱って、セルを表す行列の運動方程式を導く
ことによって、圧力、応力及び体積あたりの偶力が一定
の周期的境界条件下で、シミュレーション対象要素の運
動を正しく計算するシミュレーション方法及び装置を提
供する。
The present invention provides pressure, stress and stress by properly setting the kinetic energy of the cell and properly treating the energy of the stress with the couple acting on the cell to derive the equation of motion of the matrix representing the cell. Provided is a simulation method and apparatus for correctly calculating the motion of a simulation target element under a periodic boundary condition in which a couple per volume is constant.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のシミュレーション方法は、分子や原子等の
シミュレーション対象要素からなる十分に大きな集合体
の、圧力が一定という条件かつ周期的境界条件における
振舞いをシミュレーションするシミュレーション方法で
あって、設定圧力をセルに働く外力のテンソルσexに換
算する工程と、セルを表す行列hの時間微分(dh/d
t)と該セルを表す行列hの逆行列h-1との積{(dh
/dt)h-1}の時間微分d{(dh/dt)h-1}/
dtが、セルに働く外力のテンソルσexと力のテンソル
σとの差(σ−σex)とセルの体積Vの積の定数倍{W
V(σ−σex)}に等しいという、セルを表す行列hの
運動方程式の数値解を求める工程とを有することを特徴
とする。
In order to achieve the above object, a simulation method according to the present invention provides a sufficiently large aggregate of elements to be simulated, such as molecules and atoms, under a condition that the pressure is constant and a periodic boundary condition. , A step of converting a set pressure into a tensor σex of an external force acting on a cell, and a time differential (dh / d) of a matrix h representing the cell.
t) and the product of the inverse matrix h −1 of the matrix h representing the cell {(dh
/ Dt) h -1 } time derivative d {(dh / dt) h -1 } /
dt is a constant times ΔW of the product of the difference (σ−σex) between the tensor σex of the external force acting on the cell and the tensor σ of the force and the volume V of the cell.
V (σ-σex)} to obtain a numerical solution of a motion equation of a matrix h representing a cell.

【0013】叉、本発明のシミュレーション方法は、分
子や原子等のシミュレーション対象要素からなる十分に
大きい集合体の、応力及び体積あたりの偶力、あるいは
その一方が一定という条件かつ周期的境界条件における
振舞いをシミュレーションするシミュレーション方法で
あって、設定応力と設定した体積あたりの偶力とをセル
に働く外力のテンソルσexに換算する工程と、セルを表
す行列hの時間微分(dh/dt)とその逆行列h-1
積{(dh/dt)h-1}の時間微分d{(dh/d
t)h-1}/dtが、セルに働く外力のテンソルσexと
力のテンソルσとの差(σ−σex)とセルの体積Vとの
積の定数倍{WV(σ−σex)}に等しいという、セル
を表す行列hの運動方程式の数値解を求める工程とを有
することを特徴とする。
[0013] The simulation method of the present invention provides a sufficiently large aggregate of elements to be simulated, such as molecules and atoms, under the condition that the stress and / or couple per volume are constant and the periodic boundary condition is satisfied. A simulation method for simulating the behavior, wherein a step of converting a set stress and a couple per set volume into a tensor σex of an external force acting on a cell, a time derivative (dh / dt) of a matrix h representing the cell, and The time derivative d {(dh / d) of the product {(dh / dt) h -1 } of the inverse matrix h -1
t) h -1 } / dt is a constant multiple {WV (σ−σex)} of the product of the difference between the tensor σex of the external force acting on the cell and the tensor σ of the force (σ−σex) and the volume V of the cell. Calculating the numerical solution of the equation of motion of the matrix h representing the cell.

【0014】叉、本発明のシミュレーション装置は、分
子や原子等のシミュレーション対象要素からなる十分に
大きい集合体の、圧力が一定という条件かつ周期的境界
条件における振舞いをシミュレーションするシミュレー
ション装置であって、設定圧力をセルに働く外力のテン
ソルσexに換算する手段と、セルを表す行列hの時間微
分(dh/dt)と該セルを表す行列hの逆行列h-1
の積{(dh/dt)h-1}の時間微分d{(dh/d
t)h-1}/dtが、セルに働く外力のテンソルσexと
力のテンソルσとの差(σ−σex)とセルの体積Vの積
の定数倍{WV(σ−σex)}に等しいという、セルを
表す行列hの運動方程式の数値解を求める手段とを備え
ることを特徴とする。
[0014] The simulation apparatus of the present invention is a simulation apparatus for simulating the behavior of a sufficiently large aggregate of elements to be simulated such as molecules and atoms under the condition that the pressure is constant and the periodic boundary condition. Means for converting the set pressure into a tensor σex of the external force acting on the cell, and the product {(dh / dt) of the time derivative (dh / dt) of the matrix h representing the cell and the inverse matrix h −1 of the matrix h representing the cell ) H -1時間 time derivative d {(dh / d
t) h -1 } / dt is equal to the constant times {WV (σ-σex)} of the product of the difference (σ−σex) between the tensor σex of the external force acting on the cell and the tensor σ of the force and the volume V of the cell. Means for calculating a numerical solution of a motion equation of a matrix h representing a cell.

【0015】叉、本発明のシミュレーション装置は、分
子や原子等のシミュレーション対象要素からなる十分に
大きい集合体の、圧力及び体積あたりの偶力、あるいは
その一方が一定という条件かつ周期的境界条件における
振舞いをシミュレーションするシミュレーション装置で
あって、設定圧力と設定した体積あたりの偶力とをセル
に働く外力のテンソルσexに換算する手段と、セルを表
す行列hの時間微分(dh/dt)とその逆行列h-1
積{(dh/dt)h-1}の時間微分d{(dh/d
t)h-1}/dtが、セルに働く外力のテンソルσexと
力のテンソルσとの差(σ−σex)とセルの体積Vとの
積の定数倍{WV(σ−σex)}に等しいという、セル
を表す行列hの運動方程式の数値解を求める手段とを備
えることを特徴とする。
The simulation apparatus of the present invention provides a sufficiently large aggregate of elements to be simulated, such as molecules and atoms, under a condition that a couple per pressure and / or volume is constant and a periodic boundary condition. A simulation device for simulating the behavior, comprising means for converting a set pressure and a couple per set volume into a tensor σex of an external force acting on a cell, a time derivative (dh / dt) of a matrix h representing the cell, and The time derivative d {(dh / d) of the product {(dh / dt) h -1 } of the inverse matrix h -1
t) h -1 } / dt is a constant multiple {WV (σ−σex)} of the product of the difference between the tensor σex of the external force acting on the cell and the tensor σ of the force (σ−σex) and the volume V of the cell. Means for calculating a numerical solution of a motion equation of a matrix h representing a cell, which is equal.

【0016】叉、本発明の記憶媒体は、分子や原子等の
シミュレーション対象要素からなる十分に大きな集合体
の、圧力が一定という条件かつ周期的境界条件における
振舞いをシミュレーションするためのプログラムを、コ
ンピュータ読み出し可能に格納する記憶媒体であって、
前記プログラムが、少なくとも、設定圧力をセルに働く
外力のテンソルσexに換算するモジュールと、セルを表
す行列hの時間微分(dh/dt)と該セルを表す行列
hの逆行列h-1との積{(dh/dt)h-1}の時間微
分d{(dh/dt)h-1}/dtが、セルに働く外力
のテンソルσexと力のテンソルσとの差(σ−σex)と
セルの体積Vの積の定数倍{WV(σ−σex)}に等し
いという、セルを表す行列hの運動方程式の数値解を求
めるモジュールとを含むことを特徴とする。
Further, the storage medium of the present invention stores a program for simulating the behavior of a sufficiently large aggregate of elements to be simulated such as molecules and atoms under the condition that the pressure is constant and the periodic boundary condition. A storage medium for storing in a readable manner,
The program includes at least a module for converting a set pressure into a tensor σex of an external force acting on a cell, a time derivative (dh / dt) of a matrix h representing a cell, and an inverse matrix h −1 of a matrix h representing the cell. The time derivative d {(dh / dt) h -1 } / dt of the product {(dh / dt) h -1が is given by the difference (σ−σex) between the tensor σex of the external force acting on the cell and the tensor σ of the force. A module for calculating a numerical solution of the equation of motion of the matrix h representing the cell, which is equal to a constant multiple {WV (σ−σex)} of the product of the volume V of the cell.

【0017】叉、本発明の記憶媒体は、分子や原子等の
シミュレーション対象要素からなる十分に大きい集合体
の、応力及び体積あたりの偶力、あるいはその一方が一
定という条件かつ周期的境界条件における振舞いをシミ
ュレーションするためのプログラムを、コンピュータ読
み出し可能に格納する記憶媒体であって、前記プログラ
ムが、少なくとも、設定応力と設定した体積あたりの偶
力とをセルに働く外力のテンソルσexに換算するモジュ
ールと、セルを表す行列hの時間微分(dh/dt)と
その逆行列h-1の積{(dh/dt)h-1}の時間微分
d{(dh/dt)h-1}/dtが、セルに働く外力の
テンソルσexと力のテンソルσとの差(σ−σex)とセ
ルの体積Vとの積の定数倍{WV(σ−σex)}に等し
いという、セルを表す行列hの運動方程式の数値解を求
めるモジュールとを含むことを特徴とする。
Further, the storage medium of the present invention provides a sufficiently large aggregate of elements to be simulated, such as molecules and atoms, under the condition that the stress and / or couple per volume are constant or one of them is constant and the periodic boundary condition is satisfied. A storage medium storing a program for simulating behavior in a computer-readable manner, wherein the program converts at least a set stress and a couple per set volume into a tensor σex of an external force acting on a cell. And the time derivative of the matrix h representing the cell (dh / dt) and its inverse matrix h -1 , the product of ({dh / dt) h -1 }, the time derivative d {(dh / dt) h -1 } / dt Is equal to the constant multiple {WV (σ−σex)} of the product of the difference (σ−σex) between the tensor σex of the external force acting on the cell and the tensor σ of the force and the volume V of the cell. Characterized in that it comprises a module for obtaining the numerical solution of h equations of motion.

【0018】ここで、シミュレーションを行う圧力や時
間刻みや収束パラメータ等の計算条件パラメータと、原
子の相対座標位置やその時間微分、セルを表す行列やそ
の時間微分等の初期条件パラメータとを更に有する。
Here, there are further provided calculation condition parameters such as pressure, time interval and convergence parameter for performing a simulation, and initial condition parameters such as a relative coordinate position of an atom, a time derivative thereof, a matrix representing a cell and a time derivative thereof. .

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】<本発明のシミュレーション方法
の概念>以下に、本発明の第1の方法によって、正しい
シミュレーション結果が得られる理由を説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS <Concept of Simulation Method of the Present Invention> The reason why a correct simulation result can be obtained by the first method of the present invention will be described below.

【0020】ビリアル定理とは、統計力学で良く知られ
ているいわゆる圧力一定の集合で成立する定理であり、
実際の圧力の平均と設定圧力とが等しいという定理であ
る。然し、従来のParrinello-Rahmanの方法及びClevela
ndが提案した方法では、ビリアル定理が成立しない。Pa
rrinello-Rahmanの方法及びClevelandが提案した方法
は、まず、シミュレーション対象要素とセルの運動エネ
ルギーと位置エネルギーを定式化し、それからセルを表
す行列と対象要素の相対座標との運動方程式を導き出し
ているが、セルの運動エネルギーの式がParrinello-Rah
manの方法とClevelandの提案した方法で異なっている。
その結果、対象要素の相対座標の運動方程式は両方法の
間で共通するが、セルを表す行列の運動方程式は異な
る。即ち、セルの運動エネルギーの式は適切なものが提
供されていなかった。
The virial theorem is a well-known theorem known in statistical mechanics, which is a set of constant pressures.
The theorem is that the average of the actual pressure is equal to the set pressure. However, the traditional Parrinello-Rahman method and Clevela
With the method proposed by nd, the virial theorem does not hold. Pa
The method of rrinello-Rahman and the method proposed by Cleveland first formulate the kinetic energy and potential energy of the simulation target element and the cell, and then derive the equation of motion between the matrix representing the cell and the relative coordinates of the target element. , The kinetic energy formula of the cell is Parrinello-Rah
The man method differs from the one proposed by Cleveland.
As a result, the equation of motion of the relative coordinates of the target element is common between the two methods, but the equation of motion of the matrix representing the cell is different. That is, an appropriate equation for the kinetic energy of the cell has not been provided.

【0021】所で、ビリアル定理は、統計力学で良く知
られた圧力一定の集合で成立する定理であるが、統計力
学上では、圧力が一定であるが、良く知られた圧力一定
の集合とは異なる他の圧力一定の集合が存在する。この
集合では、実際の圧力と体積との積の平均が、体積の平
均と設定圧力との積に等しいというビリアル定理に相当
する定理が成り立つ。
The virial theorem is a theorem established by a set of constant pressures well known in statistical mechanics. In statistical mechanics, the pressure is constant. There are other sets of constant pressures that are different. In this set, a theorem corresponding to the Virial theorem that the average of the product of the actual pressure and the volume is equal to the product of the average of the volume and the set pressure is established.

【0022】以下に、本発明によって、ビリアル定理に
相当する定理が成立する集団運動をシミュレーションす
ることが出来ることを示す。
The following shows that the present invention can simulate a collective motion in which the theorem corresponding to the virial theorem is established.

【0023】集合体には周期的境界条件が課されてい
て、その基本ベクトルをv(a),v(b),v(c)
とする(即ち、v(r)にシミュレーション要素がいる
時、j,k,lを任意の整数として、v(r)+jv
(a)+kv(b)+lv(c)に必ず同じシミュレー
ション要素がいるものとする)。尚、ベクトルxをv
(x)で表す。この時、境界条件に対応するセルを表す
行列をh=(v(a),v(b),v(c))とする。
The set is subject to a periodic boundary condition, and its basic vector is defined as v (a), v (b), v (c).
(That is, when there is a simulation element in v (r), j, k, l are arbitrary integers, and v (r) + jv
(It is assumed that the same simulation element always exists in (a) + kv (b) + lv (c)). Note that the vector x is represented by v
Expressed by (x). At this time, a matrix representing a cell corresponding to the boundary condition is defined as h = (v (a), v (b), v (c)).

【0024】ここで、セルの運動エネルギーをHere, the kinetic energy of the cell is

【0025】[0025]

【数1】 (Equation 1)

【0026】と定義し、セルの位置エネルギーをAnd the potential energy of the cell is

【0027】[0027]

【数2】 (Equation 2)

【0028】(但し、Pexは設定圧力、Vはセルの体
積)と定義する。これからセルの運動方程式を導くと、
(Where Pex is the set pressure and V is the volume of the cell). If we derive the equation of motion of the cell,

【0029】[0029]

【数3】 (Equation 3)

【0030】となる。ただし、TrAは行列Aの対角項
の和であり、ドットhはhの時間微分であり、h-1はh
の逆行列であり、Iは3×3の単位行列である。又、W
はユーザが決定できる任意の値であり、シミュレーショ
ンを効果的に行うために値が選ばれる。なお、この運動
方程式は、Parrinell-Rahmanの方法と異なりセルのとり
方に依らないことが簡単に分かる。
## EQU1 ## Here, TrA is the sum of the diagonal terms of matrix A, dot h is the time derivative of h, and h −1 is h
And I is a 3 × 3 unit matrix. Also, W
Is an arbitrary value that can be determined by the user, and is selected for effective simulation. In addition, it is easily understood that this equation of motion does not depend on how to take a cell unlike the method of Parrinell-Rahman.

【0031】ところで、セルに働く外力のテンソルσex
は、設定応力テンソルと、設定した体積あたりの偶力の
テンソルの和であると定義する。ここでは、体積あたり
の偶力テンソルの具体的な定義には触れないが、設定し
た体積あたりの偶力が0のとき、設定した体積あたりの
偶力のテンソルは0である。従って、この場合設定した
体積あたりの偶力は0であるので、
The external force tensor σex acting on the cell
Is defined as the sum of the set stress tensor and the set couple tensor per volume. Although the specific definition of the couple per volume tensor is not described here, when the set couple per volume is 0, the set couple tensor per volume is 0. Therefore, in this case, the set couple per volume is 0,

【0032】[0032]

【数4】 (Equation 4)

【0033】である。(3)式に(4)式を代入する
と、本発明において解かれている方程式が得られる。
Is as follows. By substituting equation (4) for equation (3), the equation solved in the present invention is obtained.

【0034】(3)式の時間平均を取ると左辺は0とな
るので、右辺の時間平均が0であることが分かる。とこ
ろで、力のテンソルσのトレースは、その定義か、実際
の圧力の3倍のマイナスであり、
When the time average of the equation (3) is taken, the left side becomes 0, so that the time average of the right side is 0. By the way, the trace of the force tensor σ is minus its definition or three times the actual pressure,

【0035】[0035]

【数5】 (Equation 5)

【0036】であるので、本発明により求められるシミ
ュレーション対象要素の動きは、ビリアル定理に相当す
る定理が成立することが分かる。
Therefore, it can be seen that the theorem corresponding to the virial theorem holds for the motion of the simulation target element obtained by the present invention.

【0037】次に、本発明の第2の方法によって、正し
いシミュレーション結果が得られる理由を説明する。
Next, the reason why a correct simulation result can be obtained by the second method of the present invention will be described.

【0038】従来の応力一定の方法であるParrinello-R
ahmanの応力一定の方法は、設定応力がセルに及ぼすエ
ネルギーは、位置エネルギーであると仮定していた。即
ち、準静的にセルを動かす時に、セルが持つエネルギー
はセルを表す行列hのみの関数であると仮定していた。
しかし、実際は設定応力がセルに及ぼすエネルギーは、
セルを表す行列hのみの関数ではなく、どのようにセル
が変形したかに依存することが分かった。言い換える
と、セルが変形してt1→t2の間にhの値がh1→h2の
ように変化したときの設定応力がセルに及ぼすエネルギ
ーは、h1,h2だけの関数ではなく、その間にセルがど
のように変形したかに依存する。従って、従来のParrin
ello-Rahmanの方法は、誤った結果を与えていた。
The conventional stress-constant method, Parrinello-R
Ahman's constant stress method assumed that the energy that the set stress exerted on the cell was the potential energy. That is, when the cell is moved quasi-statically, it is assumed that the energy of the cell is a function of only the matrix h representing the cell.
However, the energy that the set stress exerts on the cell is actually
It turned out that it depends not on the function of only the matrix h representing the cell but on how the cell is deformed. In other words, when the cell is deformed and the value of h changes from t1 to t2 during the period from t1 to t2, the energy applied to the cell by the set stress is not a function of only h1 and h2. It depends on how it was transformed. Therefore, the traditional Parrin
ello-Rahman's method was giving incorrect results.

【0039】詳細な検討の結果、セルが微小変化した時
に設定応力と設定偶力とがセルに及ぼすエネルギーは、
以下のようになることがわかった。
As a result of a detailed study, the energy exerted on the cell by the set stress and the set couple when the cell is slightly changed is
It turned out to be as follows.

【0040】[0040]

【数6】 (Equation 6)

【0041】ここで、detは行列式を表し、h-1t
hの逆行列の転置行列である。但し、セルに働く外力の
テンソルσexは、設定応力のテンソルと設定した体積あ
たりの偶力テンソルとの和である。また、偶力テンソル
は、偶力をベクトル表示したときに、そのベクトルに相
当する3×3の反対称テンソルであり、応力テンソルと
同様に自然に定義出来る。すなわち、偶力は3次元の軸
性ベクトルで表わされる。3次元の軸性ベクトルは一般
に3×3の反対称テンソルに変換できるので、結局偶力
は3×3の反対称テンソルとして表現出来る。これをセ
ルの体積で割ったものが体積あたりの偶力テンソルであ
る。すなわち、体積あたりの偶力Nが
Here, det represents a determinant, and h −1t is a transposed matrix of an inverse matrix of h. However, the tensor σex of the external force acting on the cell is the sum of the tensor of the set stress and the couple tensor per set volume. The couple tensor is a 3 × 3 antisymmetric tensor corresponding to the vector when the couple is represented as a vector, and can be naturally defined similarly to the stress tensor. That is, the couple is represented by a three-dimensional axial vector. Since a three-dimensional axial vector can be generally converted into a 3 × 3 antisymmetric tensor, the couple can be expressed as a 3 × 3 antisymmetric tensor. Dividing this by the cell volume gives the couple tensor per volume. That is, the couple N per volume is

【0042】[0042]

【数7】 (Equation 7)

【0043】の時、体積あたりの偶力テンソルはThen, the couple tensor per volume is

【0044】[0044]

【数8】 (Equation 8)

【0045】と表わされる。従って、設定応力がテンソ
ルTijであって、設定した体積あたりの偶力ベクトルが
N=(N1,N2,N3)であったとき、外力のテンソル
σexは
## EQU5 ## Therefore, when the set stress is the tensor Tij and the couple vector per set volume is N = (N1, N2, N3), the external force tensor σex is

【0046】[0046]

【数9】 (Equation 9)

【0047】となる。Is as follows.

【0048】前記第1の方法の圧力一定の方法の場合と
同じく、セルの運動エネルギーを(1)式であると定義
して運動方程式を導くと、
As in the case of the constant pressure method of the first method, the kinetic energy of the cell is defined as the equation (1), and the equation of motion is derived.

【0049】[0049]

【数10】 (Equation 10)

【0050】となる。Is as follows.

【0051】この方程式の解を求める方法を更に備える
ことで、一定の応力及び一定の体積あたりの偶力のもと
でのシミュレーション対象要素の運動を正しく計算する
ことが出来る。
By further providing a method for obtaining the solution of this equation, the motion of the element to be simulated under a constant stress and a couple per fixed volume can be correctly calculated.

【0052】<本実施の形態のシミュレーション装置の
構成例>以下、図面を参照して本発明の一実施の形態に
係る、分子動力学シミュレーション装置について説明す
る。
<Structural Example of Simulation Apparatus According to this Embodiment> A molecular dynamics simulation apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0053】図1は本実施の形態における分子動力学シ
ミュレーション処理を機能的に示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram functionally showing the molecular dynamics simulation processing in the present embodiment.

【0054】本装置は、分子動力学法により周期的境界
条件下の圧力一定の条件での原子の振る舞いをシミュレ
ーションするものであり、本実施の形態による分子動力
学シミュレーション処理は、図1に示すように、制御部
11の制御の下に、計算条件パラメータ17と初期条件
パラメータ18とを使って、外力テンソル計算部12、
力のテンソル計算部13、セル行列計算部14、力計算
部15、相対座標計算部16を通じて行なわれ、解析結
果データ19に出力される。
The present apparatus simulates the behavior of atoms under a constant pressure condition under a periodic boundary condition by a molecular dynamics method. The molecular dynamics simulation processing according to the present embodiment is shown in FIG. As described above, under the control of the control unit 11, the external force tensor calculation unit 12, the calculation condition parameter 17 and the initial condition parameter 18 are used.
The calculation is performed through the force tensor calculator 13, the cell matrix calculator 14, the force calculator 15, and the relative coordinate calculator 16, and is output to the analysis result data 19.

【0055】制御部11は、各計算部を制御する。外力
テンソル計算部12では、上記(4)式に従い、設定圧
力を外力のテンソルに換算する。セル行列計算部14
は、外力のテンソルと力のテンソルとを用いて、セルを
表す行列を更新する。力計算部15は、然るべき方法を
用いて、シミュレーション対象要素である原子に働く力
を計算する。相対座標計算部16は、シミュレーション
対象要素の相対座標の運動方程式を解き、シミュレーシ
ョン対象要素の相対座標とその時間微分を更新する。
The control section 11 controls each calculation section. The external force tensor calculation unit 12 converts the set pressure into an external force tensor according to the above equation (4). Cell matrix calculator 14
Updates the matrix representing the cells using the external force tensor and the force tensor. The force calculation unit 15 calculates the force acting on the atom that is the element to be simulated by using an appropriate method. The relative coordinate calculation unit 16 solves the equation of motion of the relative coordinates of the simulation target element, and updates the relative coordinates of the simulation target element and its time derivative.

【0056】図2は本実施の形態のシミュレーション装
置の構成を示す図である。本装置は、例えば汎用コンピ
ュータにて構成され、CPU22とRAM23とから構
成されるコンピュータ本体21と、表示装置であるCR
T24、入力装置であるキーボード25、マウス26、
外部記憶装置27、出力装置であるプリンタ28がバス
29で接続されている。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the simulation apparatus according to the present embodiment. This apparatus is composed of, for example, a general-purpose computer, and includes a computer main body 21 composed of a CPU 22 and a RAM 23,
T24, a keyboard 25 and a mouse 26 as input devices,
An external storage device 27 and a printer 28 as an output device are connected by a bus 29.

【0057】CPU22は、本装置全体の制御を行なう
ものであり、キーボード25及びマウス26の入力指示
に従ってRAM23をアクセスし、RAM23に格納さ
れた制御プログラムの起動で分子動力学シミュレーショ
ン処理を実行する。RAM23には、外部記憶装置27
からインストールされる各種制御プログラム(図1に示
すPA〜PE)を格納するためのプログラムロード領域
231、同じく外部記憶装置27からインストールされ
る各種パラメータ(図1に示すDA,DB)を格納する
ためのパラメータロード領域232、及び解析結果(図
1に示すDC)を記憶する解析結果記憶領域233が設
けられている。尚、本シミュレーション装置を専用機と
して構成する場合には、固定のプログラムやパラメータ
を格納するROMを更に設けても良い。
The CPU 22 controls the entire apparatus, accesses the RAM 23 according to input instructions from the keyboard 25 and the mouse 26, and executes a molecular dynamics simulation process by activating a control program stored in the RAM 23. The RAM 23 has an external storage device 27
A program load area 231 for storing various control programs (PA to PE shown in FIG. 1) installed from the external storage device, and for storing various parameters (DA and DB shown in FIG. 1) also installed from the external storage device 27. And an analysis result storage area 233 for storing analysis results (DC shown in FIG. 1). When the simulation apparatus is configured as a dedicated machine, a ROM for storing fixed programs and parameters may be further provided.

【0058】外部記憶装置27は本装置における分子動
力学シミュレーション処理に必要な各種データを保存し
ておくために用いられる。この場合の保存データとして
は、各種制御プログラム(外力テンソル計算プログラム
PA、力のテンソル計算プログラムPB、セル行列計算
プログラムPC、力計算プログラムPD、相対座標計算
プログラムPE)の他、計算条件パラメータDA、初期
条件パラメータDB、さらに解析結果データDCがあ
る。本例では、これらのデータは分子動力学シミュレー
ション時に外部記憶装置27からRAM23にインスト
ールされる。
The external storage device 27 is used to store various data necessary for the molecular dynamics simulation processing in the present device. The stored data in this case include various control programs (external force tensor calculation program PA, force tensor calculation program PB, cell matrix calculation program PC, force calculation program PD, relative coordinate calculation program PE), as well as calculation condition parameters DA, There are initial condition parameter DB and analysis result data DC. In this example, these data are installed from the external storage device 27 to the RAM 23 during the molecular dynamics simulation.

【0059】キーボード25及びマウス26はデータの
入力や指示を行なうためのものである。CRT24はデ
ータを表示するためのものであり、ここでは、シミュレ
ーション結果を表示する際などに用いられる。プリンタ
28はデータを印刷するためのものであり、ここではシ
ミュレーション結果を印刷出力する際に用いられる。
The keyboard 25 and the mouse 26 are for inputting data and giving instructions. The CRT 24 is for displaying data, and is used here for displaying simulation results. The printer 28 is for printing data, and is used here for printing out the simulation result.

【0060】<本実施の形態のシミュレーション装置の
動作例>次に、本実施の形態のシミュレーション装置の
動作例を説明する。図3は分子動力学シミュレーション
処理の動作を示すフローチャートである。
<Example of Operation of Simulation Apparatus of the Present Embodiment> Next, an example of operation of the simulation apparatus of the present embodiment will be described. FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the molecular dynamics simulation process.

【0061】ある分子の振る舞いをシミュレーションす
る場合、まず、シミュレーションを行う圧力や時間刻み
や収束パラメータ等の計算条件パラメータ(DA)を入
力するとともに(ステップS1)、原子の相対座標位置
やその時間微分、セルを表す行列やその時間微分等の初
期条件パラメータ(DB)を入力する(ステップS
2)。なお、これらの条件パラメータの入力は図2に示
すキーボード25及びマウス26を通じて行う方法と、
予め外部記憶装置27にこれらのパラメータを記憶させ
ておき、その外部記憶装置27から適宜読み出して入力
する方法がある。
When simulating the behavior of a certain molecule, first, calculation conditions parameters (DA) such as pressure, time interval, and convergence parameter to be simulated are input (step S1), and the relative coordinate position of the atom and its time derivative are calculated. , An initial condition parameter (DB) such as a matrix representing a cell and its time derivative (step S)
2). The input of these condition parameters is performed through a keyboard 25 and a mouse 26 shown in FIG.
There is a method in which these parameters are stored in the external storage device 27 in advance, and are appropriately read from the external storage device 27 and input.

【0062】このようにして入力された条件パラメータ
は、CPU22に与えられる。これにより、CPU22
はRAM23にインストールされた各種プログラム(P
A〜PE)に従って、以下の様な分子動力学シミュレー
ション処理を実行する。なお、この分子動力学シミュレ
ーション処理の動作については、図1を参照して説明す
る。
The condition parameters thus input are given to the CPU 22. Thereby, the CPU 22
Are the various programs (P
A to PE), the following molecular dynamics simulation processing is executed. The operation of the molecular dynamics simulation process will be described with reference to FIG.

【0063】制御部11は、各計算部(12〜16)を
通じて分子動力学シミュレーション処理に必要な計算を
順次行い、その結果計算結果に基づいて、初期条件とし
て与えられている原子の相対座標とその時間微分、セル
を表す行列とその時間微分を更新して行く。この場合、
制御部11はmまず外力テンソル計算部12によって、
(4)式に従い圧力を外力テンソルσexに変換する(ス
テップS3)。なお、圧力一定の条件の代わりに、応力
または体積あたりの偶力あるいはその両方が一定である
という条件であれば、制御部11は外力計算部12によ
って、(9)式に従い、設定した応力と設定した体積あ
たりの偶力とを外力テンソルσexに変換する。
The control unit 11 sequentially performs calculations necessary for the molecular dynamics simulation processing through the calculation units (12 to 16), and based on the calculation results, the relative coordinates of the atoms given as the initial conditions and the relative coordinates of the atoms. The time derivative, the matrix representing the cell and the time derivative are updated. in this case,
First, the control unit 11 calculates the external force tensor calculation unit 12
The pressure is converted into an external force tensor σex according to the equation (4) (step S3). If the stress and / or the couple per volume are constant instead of the constant pressure condition, the control unit 11 causes the external force calculation unit 12 to set the stress and the set force in accordance with the equation (9). The set couple per volume is converted into an external force tensor σex.

【0064】次に、制御部11は、力のテンソル計算部
13によって力のテンソルを算出する(ステップS
4)。本実施の形態では、通常に、各原子を質点として
扱う古典分子動力学で用いられる(11)式に従って、
力のテンソルを算出する。
Next, the control section 11 calculates a force tensor by the force tensor calculation section 13 (Step S).
4). In this embodiment, normally, according to the equation (11) used in classical molecular dynamics in which each atom is treated as a mass point,
Calculate the force tensor.

【0065】[0065]

【数11】 [Equation 11]

【0066】但し、i番目の原子の位置をv(ri)と
し、v(si)は、
Where the position of the i-th atom is v (ri), and v (si) is

【0067】[0067]

【数12】 (Equation 12)

【0068】となるような相対座標である。The relative coordinates are as follows.

【0069】力のテンソルを算出する式はシミュレーシ
ョン対象要素が質点であるか剛体であるか、また、古典
分子動力学であるか量子分子動力学であるかによって異
なる。
The formula for calculating the force tensor differs depending on whether the element to be simulated is a mass point or a rigid body, and whether it is classical molecular dynamics or quantum molecular dynamics.

【0070】なお、この(11)式、は周期的境界条件
下の圧力一定の条件での原子のシミュレーションにおけ
る原子の持つ応力を定義する式として良く知られてい
る。しかし、厳密には、左辺は応力ではなく、本発明で
いうところの力のテンソルである。
The equation (11) is well known as an equation that defines the stress of an atom in an atom simulation under a constant pressure condition under a periodic boundary condition. However, strictly speaking, the left side is not a stress but a force tensor as referred to in the present invention.

【0071】次に制御部11は、セル行列計算部14に
よってセルを表す行列の運動方程式である(10)式を
解いて、上記演算結果に基づいてセルを表す行列を更新
する(ステップS5)。この運動方程式は2階の常微分
方程式であり、2階の常微分方程式を解く通常の方法で
ある蛙飛び法、予測子修正子法等を用いて求解する。な
お、求解法に応じて適宜前の時間のドットh等を格納す
る。
Next, the control section 11 solves the equation of motion (10), which is the equation of motion of the matrix representing the cell, by the cell matrix calculation section 14 and updates the matrix representing the cell based on the above calculation result (step S5). . This equation of motion is a second-order ordinary differential equation, and is solved using a frog jump method, a predictor-corrector method, or the like, which is a usual method for solving the second-order ordinary differential equation. Note that the dot h or the like at the previous time is appropriately stored according to the solution method.

【0072】次に制御部11は、力計算部15によって
シミュレーション対象要素に働く力を計算する(ステッ
プS6)。
Next, the control section 11 calculates the force acting on the element to be simulated by the force calculation section 15 (step S6).

【0073】尚、分子動力学は、狭義の分子動力学(し
ばしば次に述べる第一原理分子動力学と区別するための
古典分子動力学と呼ばれる)と第一原理分子動力学(し
ばしば、古典分子動力学と対比するため量子分子動力学
と呼ばれる)とに分類することが出来る。古典分子動力
学では、注目するシミュレーション対象要素に働く力を
求めるために、注目するシミュレーション対象要素を座
標の原点にとったときの、他の(しばしば複数の)シミ
ュレーション対象要素の座標を引数とし、他のシミュレ
ーション対象要素が注目のシミュレーション対象要素に
及ぼす力を値に持つ、関数を与える。この関数は、シミ
ュレーションが、実際の物質の性質を反映するように経
験的に決められる。また、量子分子動力学では、イオン
または原子核などのシミュレーション対象要素の位置に
対応して、電子状態を密度汎関数法等の電子状態を求め
る方法によって求め、その電子状態からシミュレーショ
ン対象要素に働く力を計算する。
It should be noted that molecular dynamics include molecular dynamics in a narrow sense (often called classical molecular dynamics for distinguishing from first-principles molecular dynamics described below) and first-principles molecular dynamics (often classical molecular dynamics). Dynamics, which is called quantum molecular dynamics). In classical molecular dynamics, in order to determine the force acting on the element of interest to be simulated, the coordinates of the other (often multiple) elements to be simulated when the element of interest to be simulated is taken as the origin of the coordinates, A function having a value of a force exerted on the target simulation target element by another simulation target element is given. This function is empirically determined so that the simulation reflects the properties of the actual material. In quantum molecular dynamics, the electronic state is determined by a method such as density functional theory, which determines the electronic state corresponding to the position of the element to be simulated, such as an ion or a nucleus. Is calculated.

【0074】本実施の形態は古典分子動力学シミュレー
ションに関するものであり、従って、力計算部15は、
予め与えられた力の関数を用いて電子の座標から原子に
働く力を計算する。しかし、本発明は古典分子動力学に
限定されるものではなく、全く同様に量子分子動力学に
も適用可能である。
The present embodiment relates to a classical molecular dynamics simulation. Therefore, the force calculation unit 15
The force acting on the atom is calculated from the coordinates of the electrons using the function of the force given in advance. However, the invention is not limited to classical molecular dynamics, but is equally applicable to quantum molecular dynamics.

【0075】次に制御部11は、相対座標計算部16に
よってシミュレーション対象要素の相対座標とその時間
微分とを計算し、更新する(ステップS7)。
Next, the control unit 11 calculates and updates the relative coordinates of the simulation target element and its time derivative by the relative coordinate calculation unit 16 (step S7).

【0076】本実施の形態では、良く知られている原子
の運動方程式
In this embodiment, the well-known equation of motion of an atom

【0077】[0077]

【数13】 (Equation 13)

【0078】を解く。但し、i番目の原子の質量をm
i、i番目の原子に働く力をfiとする。この運動方程式
は2階の常微分方程式であり、2階の常微分方程式を解
く通常の方法である蛙飛び法、予測子修正子法等を用い
て求解する。なお、求解法に応じて適宜前の時間のdv
(s)/dt等を格納する。分子動力学の一部の方法で
は、シミュレーション対象要素を剛体として取り扱う
が、その場合についても本発明は全く同様に適用可能で
ある。
Is solved. Where the mass of the i-th atom is m
The force acting on the i, i-th atom is fi. This equation of motion is a second-order ordinary differential equation, and is solved using a frog jump method, a predictor-corrector method, or the like, which is a usual method for solving the second-order ordinary differential equation. Note that dv of the previous time is appropriately determined according to the solution method.
(S) / dt and the like are stored. In some methods of molecular dynamics, the element to be simulated is treated as a rigid body, but the present invention can be applied in exactly the same way.

【0079】次に、制御部11は上記各計算によって得
られたシミュレーション対象要素の相対位置やその時間
微分、セルを表す行列などの出力処理を行う(ステップ
S8)。
Next, the control section 11 performs output processing such as the relative position of the element to be simulated, the time derivative thereof, the matrix representing the cell, etc. obtained by the above calculations (step S8).

【0080】以後、上記同様の処理を終了条件を満足す
るまで、時間刻みΔtだけ時間を更新しながら繰り返し
て行う(ステップS9,ステップS10)。上記終了条
件とは、例えば解析時間あるいはシミュレーション対象
要素の集団運動から算出された物性値の収束条件であ
り、予め計算条件として与えられている。
Thereafter, the same processing as described above is repeated while updating the time by the time step Δt until the end condition is satisfied (steps S9 and S10). The termination condition is, for example, a convergence condition of a physical property value calculated from an analysis time or a collective motion of a simulation target element, and is given as a calculation condition in advance.

【0081】このようにして、シミュレーション対象要
素の集団運動が時間刻みΔt毎に逐次シミュレーション
される。そのシミュレーション結果は図2に示すCRT
24を通じて表示される。また、必要に応じて、そのシ
ミュレーション結果をプリンタ28により印刷したり、
あるいは外部記憶装置27に保存することもできる。シ
ミュレーション結果を外部記憶装置27に保存した場
合、いつでも読み出して表示あるいは印刷することがで
き、さらに、そのシミュレーション結果から引き続きシ
ミュレーション処理を継続して行うこともできる。
In this way, the collective motion of the simulation target element is sequentially simulated at each time interval Δt. The simulation results are shown in FIG.
Displayed through 24. If necessary, the simulation result is printed by the printer 28,
Alternatively, it can be stored in the external storage device 27. When the simulation result is stored in the external storage device 27, the simulation result can be read out and displayed or printed at any time, and furthermore, the simulation processing can be continued from the simulation result.

【0082】なお、本発明は、複数の機器(例えばホス
トコンピュータ,インタフェイス機器,リーダ,プリン
タなど)から構成されるシステムに適用しても、一つの
機器からなる装置に適用してもよい。
The present invention may be applied to a system composed of a plurality of devices (for example, a host computer, an interface device, a reader, a printer, etc.) or may be applied to an apparatus composed of one device.

【0083】また、本発明の目的は、前述した実施形態
の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記
録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そ
のシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPU
やMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを
読出し実行することによって、達成される。
An object of the present invention is to provide a storage medium storing a program code of software for realizing the functions of the above-described embodiments to a system or an apparatus, and to provide a computer (or CPU) of the system or apparatus.
Or MPU) reads and executes the program code stored in the storage medium.

【0084】この場合、記憶媒体から読出されたプログ
ラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現するこ
とになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は
本発明を構成することになる。プログラムコードを供給
するための記憶媒体としては、例えば、フロッピディス
ク,ハードディスク,光ディスク,光磁気ディスク,C
D−ROM,CD−R,磁気テープ,不揮発性のメモリ
カード,ROMなどを用いることができる。
In this case, the program code itself read from the storage medium implements the functions of the above-described embodiment, and the storage medium storing the program code constitutes the present invention. Examples of a storage medium for supplying the program code include a floppy disk, hard disk, optical disk, magneto-optical disk, and C
A D-ROM, a CD-R, a magnetic tape, a nonvolatile memory card, a ROM, and the like can be used.

【0085】また、コンピュータが読出したプログラム
コードを実行することにより、前述した実施形態の機能
が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示
に基づき、コンピュータ上で稼働しているOS(オペレ
ーティングシステム)などが実際の処理の一部または全
部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が
実現される場合も含まれることは言うまでもない。
When the computer executes the readout program code, not only the functions of the above-described embodiment are realized, but also the OS (Operating System) running on the computer based on the instruction of the program code. ) May perform some or all of the actual processing, and the processing may realize the functions of the above-described embodiments.

【0086】さらに、記憶媒体から読出されたプログラ
ムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボード
やコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わる
メモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に
基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わ
るCPUなどが実際の処理の一部または全部を行い、そ
の処理によって前述した実施形態の機能が実現される場
合も含まれることは言うまでもない。
Further, after the program code read from the storage medium is written into a memory provided in a function expansion board inserted into the computer or a function expansion unit connected to the computer, based on the instruction of the program code, It goes without saying that the CPU included in the function expansion board or the function expansion unit performs part or all of the actual processing, and the processing realizes the functions of the above-described embodiments.

【0087】本発明を上記記憶媒体に適用する場合、そ
の記憶媒体には、先に説明したフローチャートに対応す
るプログラムコードを格納することになるが、簡単に説
明すると、図2のプログラムロード領域231のメモリ
マップ例に示す各モジュールを記憶媒体に格納すること
になる。すなわち、少なくとも外力テンソル計算プログ
ラムモジュール、力のテンソル計算プログラムモジュー
ル、セル行列計算プログラムモジュール、力計算プログ
ラムモジュール、及び相対座標計算プログラムモジュー
ルの各モジュールのプログラムコードを記憶媒体に格納
すればよい。
When the present invention is applied to the storage medium, the storage medium stores program codes corresponding to the above-described flowcharts. In brief, however, the program load area 231 shown in FIG. Will be stored in the storage medium. That is, the program code of at least the external force tensor calculation program module, the force tensor calculation program module, the cell matrix calculation program module, the force calculation program module, and the relative coordinate calculation program module may be stored in the storage medium.

【0088】[0088]

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、セ
ルの運動エネルギーを適切に設定し、かつセルに及ぼす
偶力との応力のエネルギーを適切に取り扱って、セルを
表す行列の運動方程式を導くことによって、圧力、応力
及び体積あたりの偶力が一定の周期的境界条件下で、シ
ミュレーション対象要素の運動を正しく計算するシミュ
レーション方法及び装置を提供できる。
As described above, according to the present invention, the kinetic energy of a matrix representing a cell can be obtained by appropriately setting the kinetic energy of the cell and properly treating the energy of the stress with a couple acting on the cell. By providing the guidance, it is possible to provide a simulation method and apparatus that correctly calculates the motion of the simulation target element under a periodic boundary condition in which pressure, stress, and couple per volume are constant.

【0089】[0089]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本実施の形態に係るシミュレーション装置の構
成例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a simulation device according to the present embodiment.

【図2】本実施の形態に係るシミュレーション装置のハ
ードウエア構成例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of a simulation device according to the present embodiment.

【図3】本実施の形態に係るシミュレーション装置の動
作例を示すフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation example of the simulation device according to the present embodiment;

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 分子や原子等のシミュレーション対象要
素からなる十分に大きな集合体の、圧力が一定という条
件かつ周期的境界条件における振舞いをシミュレーショ
ンするシミュレーション方法であって、 設定圧力をセルに働く外力のテンソルσexに換算する工
程と、 セルを表す行列hの時間微分(dh/dt)と該セルを
表す行列hの逆行列h -1との積{(dh/dt)h-1
の時間微分d{(dh/dt)h-1}/dtが、セルに
働く外力のテンソルσexと力のテンソルσとの差(σ−
σex)とセルの体積Vの積の定数倍{WV(σ−σe
x)}に等しいという、セルを表す行列hの運動方程式
の数値解を求める工程とを有することを特徴とするシミ
ュレーション方法。
1. An object to be simulated such as a molecule or atom.
The condition that the pressure of a sufficiently large aggregate of
Simulation of behavior under periodic boundary conditions
This is a simulation method that converts the set pressure into the tensor σex of the external force acting on the cell.
The time derivative (dh / dt) of a matrix h representing a cell and the cell
Inverse matrix h of matrix h -1{(Dh / dt) h-1
Time derivative d {(dh / dt) h-1} / Dt is added to the cell
The difference between the external force tensor σex and the force tensor σ (σ−
σex) and the constant times the product of the cell volume V ΔWV (σ−σe)
x) Equation of motion of the matrix h representing the cell, equal to}
Obtaining a numerical solution of
Method.
【請求項2】 分子や原子等のシミュレーション対象要
素からなる十分に大きい集合体の、応力及び体積あたり
の偶力、あるいはその一方が一定という条件かつ周期的
境界条件における振舞いをシミュレーションするシミュ
レーション方法であって、 設定応力と設定した体積あたりの偶力とをセルに働く外
力のテンソルσexに換算する工程と、 セルを表す行列hの時間微分(dh/dt)とその逆行
列h-1の積{(dh/dt)h-1}の時間微分d{(d
h/dt)h-1}/dtが、セルに働く外力のテンソル
σexと力のテンソルσとの差(σ−σex)とセルの体積
Vとの積の定数倍{WV(σ−σex)}に等しいとい
う、セルを表す行列hの運動方程式の数値解を求める工
程とを有することを特徴とするシミュレーション方法。
2. A simulation method for simulating the behavior of a sufficiently large aggregate composed of elements to be simulated, such as molecules and atoms, under the condition that stress and / or couple per volume are constant and one of them is constant and periodic boundary conditions are satisfied. A step of converting a set stress and a couple per set volume into a tensor σex of an external force acting on the cell ; and a product of a time derivative (dh / dt) of a matrix h representing the cell and its inverse matrix h −1 The time derivative of {(dh / dt) h -1 } d {(d
h / dt) h -1 } / dt is a constant multiple of the product of the difference (σ-σex) between the tensor σex of the external force acting on the cell and the tensor σ of the force and the volume V of the cell, {WV (σ-σex) Obtaining a numerical solution of a motion equation of a matrix h representing a cell, which is equal to}.
【請求項3】 分子や原子等のシミュレーション対象要
素からなる十分に大きい集合体の、圧力が一定という条
件かつ周期的境界条件における振舞いをシミュレーショ
ンするシミュレーション装置であって、 設定圧力をセルに働く外力のテンソルσexに換算する手
段と、 セルを表す行列hの時間微分(dh/dt)と該セルを
表す行列hの逆行列h -1との積{(dh/dt)h-1
の時間微分d{(dh/dt)h-1}/dtが、セルに
働く外力のテンソルσexと力のテンソルσとの差(σ−
σex)とセルの体積Vの積の定数倍{WV(σ−σe
x)}に等しいという、セルを表す行列hの運動方程式
の数値解を求める手段とを備えることを特徴とするシミ
ュレーション装置。
3. An object to be simulated such as a molecule or an atom.
The condition that the pressure of a sufficiently large aggregate of
Simulation of behavior under periodic boundary conditions
A simulation device that converts the set pressure into a tensor σex of the external force acting on the cell.
And the time derivative (dh / dt) of a matrix h representing a cell and the cell
Inverse matrix h of matrix h -1{(Dh / dt) h-1
Time derivative d {(dh / dt) h-1} / Dt is added to the cell
The difference between the external force tensor σex and the force tensor σ (σ−
σex) and the constant times the product of the cell volume V ΔWV (σ−σe)
x) Equation of motion of the matrix h representing the cell, equal to}
Means for obtaining a numerical solution of
Device.
【請求項4】 分子や原子等のシミュレーション対象要
素からなる十分に大きい集合体の、圧力及び体積あたり
の偶力、あるいはその一方が一定という条件かつ周期的
境界条件における振舞いをシミュレーションするシミュ
レーション装置であって、 設定圧力と設定した体積あたりの偶力とをセルに働く外
力のテンソルσexに換算する手段と、 セルを表す行列hの時間微分(dh/dt)とその逆行
列h-1の積{(dh/dt)h-1}の時間微分d{(d
h/dt)h-1}/dtが、セルに働く外力のテンソル
σexと力のテンソルσとの差(σ−σex)とセルの体積
Vとの積の定数倍{WV(σ−σex)}に等しいとい
う、セルを表す行列hの運動方程式の数値解を求める手
段とを備えることを特徴とするシミュレーション装置。
4. A simulation apparatus for simulating the behavior of a sufficiently large aggregate of elements to be simulated, such as molecules and atoms, under the condition that the pressure and / or the couple per volume are constant and one of the constants is a periodic boundary condition. Means for converting a set pressure and a couple per set volume into a tensor σex of an external force acting on the cell ; a product of a time derivative (dh / dt) of a matrix h representing the cell and its inverse matrix h −1 The time derivative of {(dh / dt) h -1 } d {(d
h / dt) h -1 } / dt is a constant multiple of the product of the difference (σ-σex) between the tensor σex of the external force acting on the cell and the tensor σ of the force and the volume V of the cell, {WV (σ-σex) Means for calculating a numerical solution of a motion equation of a matrix h representing a cell, which is equal to}.
【請求項5】 分子や原子等のシミュレーション対象要
素からなる十分に大きな集合体の、圧力が一定という条
件かつ周期的境界条件における振舞いをシミュレーショ
ンするためのプログラムを、コンピュータ読み出し可能
に格納する記憶媒体であって、 前記プログラムが、少なくとも、 設定圧力をセルに働く外力のテンソルσexに換算するモ
ジュールと、 セルを表す行列hの時間微分(dh/dt)と該セルを
表す行列hの逆行列h-1との積{(dh/dt)h-1
の時間微分d{(dh/dt)h-1}/dtが、セルに
働く外力のテンソルσexと力のテンソルσとの差(σ−
σex)とセルの体積Vの積の定数倍{WV(σ−σe
x)}に等しいという、セルを表す行列hの運動方程式
の数値解を求めるモジュールとを含むことを特徴とする
記憶媒体。
5. A storage medium for storing, in a computer-readable manner, a program for simulating the behavior of a sufficiently large aggregate of elements to be simulated, such as molecules and atoms, under constant pressure and periodic boundary conditions. A module for converting the set pressure into at least a tensor σex of an external force acting on a cell, a time derivative (dh / dt) of a matrix h representing a cell, and an inverse matrix h of a matrix h representing the cell. Product with -1 {(dh / dt) h -1 }
Difference time derivative d {(dh / dt) h -1} / dt is the tensor tensor σex and power of the external force acting on the cell σ of (.sigma.
σex) and the constant times the product of the cell volume V ΔWV (σ−σe)
x) a module for calculating a numerical solution of a motion equation of a matrix h representing a cell, which is equal to}.
【請求項6】 分子や原子等のシミュレーション対象要
素からなる十分に大きい集合体の、応力及び体積あたり
の偶力、あるいはその一方が一定という条件かつ周期的
境界条件における振舞いをシミュレーションするための
プログラムを、コンピュータ読み出し可能に格納する記
憶媒体であって、 前記プログラムが、少なくとも、 設定応力と設定した体積あたりの偶力とをセルに働く外
力のテンソルσexに換算するモジュールと、 セルを表す行列hの時間微分(dh/dt)とその逆行
列h-1の積{(dh/dt)h-1}の時間微分d{(d
h/dt)h-1}/dtが、セルに働く外力のテンソル
σexと力のテンソルσとの差(σ−σex)とセルの体積
Vとの積の定数倍{WV(σ−σex)}に等しいとい
う、セルを表す行列hの運動方程式の数値解を求めるモ
ジュールとを含むことを特徴とする記憶媒体。
6. A program for simulating the behavior of a sufficiently large aggregate of elements to be simulated, such as molecules and atoms, under the condition that stress and / or couple per volume are constant and one of them is constant and periodic boundary conditions are satisfied. A module for converting at least a set stress and a couple per set volume into a tensor σex of an external force acting on the cell, and a matrix h representing the cell. The product of (dt / dt) and its inverse matrix h -1 {d (dt / dt) h -1 }
h / dt) h -1 } / dt is a constant multiple of the product of the difference (σ-σex) between the tensor σex of the external force acting on the cell and the tensor σ of the force and the volume V of the cell, {WV (σ-σex) A module for calculating a numerical solution of a motion equation of a matrix h representing a cell, which is equal to}.
【請求項7】 シミュレーションを行う圧力や時間刻み
や収束パラメータ等の計算条件パラメータと、原子の相
対座標位置やその時間微分、セルを表す行列やその時間
微分等の初期条件パラメータとを更に有することを特徴
とする請求項5又は6記載の記憶媒体。
7. It further comprises calculation condition parameters such as pressure, time step, convergence parameter and the like for performing a simulation, and initial condition parameters such as relative coordinate position of an atom, its time derivative, a matrix representing a cell and its time derivative. 7. The storage medium according to claim 5, wherein:
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013084255A (en) * 2011-09-26 2013-05-09 Fujifilm Corp Simulation device and simulation method for predicting behavior of mass system, and program and recording medium for executing the method
CN105401954A (en) * 2015-10-23 2016-03-16 中电建路桥集团有限公司 Tunnel anti-expansion support design method

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