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大规模三维分子力学几何优化的自适应多重网格策略。 (英语) 兹伯利07690214

摘要:本文提出了一种高效的自适应多重网格策略,用于大规模三维分子力学的几何优化。通过利用材料结构固有的低秩特性,并将最先进的自适应技术与多重网格算法的层次结构相结合,得到的方法可以显著降低复杂性。更准确地说,我们开发了一种具有自适应原子/连续介质(a/c)耦合的单向多重网格方法,例如混合虚力校正(BGFC)[C.奥尔特纳L.张,SIAM科学杂志。计算。38,第1号,A346–A375(2016;Zbl 1457.65209号)]基于梯度的近似后部粗水平上的误差估计。我们利用最先进的3D网格生成技术来有效地实现该方法。对于三维晶体缺陷,例如空位、微裂纹和位错,与强制优化相比,可以在数值上观察到具有更高速率的复杂性,并且该策略对于具有10^8个原子的系统的CPU时间具有五倍的加速。

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82天xx 统计力学在特定类型物理系统中的应用
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参考文献:

[1] 奥特纳,C。;Zhang,L.,原子/连续体与鬼力修正的混合,SIAM J.Sci。计算。,38、1、A346-A375(2016)·Zbl 1457.65209号
[2] 吉森,E.V.D。;舒尔茨,P。;Bertin,N。;布拉托夫,V。;蔡伟(Cai,W.)。;Cányi,G。;Foiles,S。;Geers,M。;冈萨雷斯,C。;Hütter,M.,多尺度材料建模路线图,模型。模拟。马特。科学。工程,28,4,第043001条pp.(2020)
[3] Tadmor,E。;Miller,R.,《建模材料:连续体、原子和多尺度技术》(2011),剑桥大学出版社·兹比尔1235.80001
[4] Tadmor,E。;菲利普斯,R。;Ortiz,M.,《材料力学中的层次建模》,国际固体结构杂志。,37, 1-2, 379-389 (2000) ·Zbl 1075.74024号
[5] 比斯博,M。;Hammer,B.,《使用机器学习代理模型进行有效的全局结构优化》,Phys。修订稿。,124,8,第086102条pp.(2020)
[6] Bitzek,E。;Koskinen,P。;Gähler,F。;莫塞勒,M。;Gumbsch,P.,《结构松弛变得简单》,Phys。修订稿。,第97、17条,第170201页(2006年)
[7] 陈,J。;Garcia-Cervera,C.,《大规模分子力学优化的高效多重网格策略》,J.Compute。物理。,342, 29-42 (2017) ·Zbl 1376.49040号
[8] 陈,J。;Ming,P.,原子固体分子力学建模的有效多重网格方法,Commun。计算。物理。,10, 1, 70-89 (2011) ·Zbl 1364.74092号
[9] 莫内斯,L。;奥特纳,C。;Csanyi,G.,分子系统几何优化和鞍点搜索的预条件,科学。代表,8,1,1-11(2018)
[10] 威尔士博士,《能源景观:集群、生物分子和玻璃的应用》(2003),剑桥大学出版社
[11] Hager,W。;Zhang,H.,算法851:CG_DESCENT,一种保证下降的共轭梯度法,ACM-Trans。数学。软质。,32, 1, 113-137 (2006) ·Zbl 1346.90816号
[12] Ruder,S.,梯度下降优化算法概述(2016),ArXiv电子版
[13] 盖诺莱,J。;Nöhring,W。;瓦伊德,A。;霍利,F。;谢,Z。;Prakash,A。;Bitzek,E.,原子模拟中用于能量最小化的快速惯性松弛发动机(火)的评估和优化及其在LAMMPS中的实现,计算。马特。科学。,175,第109584条pp.(2020)
[14] 刘博士。;Nocedal,J.,关于大规模优化的有限内存BFGS方法,数学。程序。,45, 1-3, 503-528 (1989) ·Zbl 0696.90048号
[15] 出生,M。;Huang,K.,《晶格动力学理论》,牛津物理科学经典著作(1954),克拉伦登出版社·Zbl 0057.44601号
[16] E、 W。;Ming,P.,Cauchy-born法则和晶体固体的稳定性:静态问题,Arch。定额。机械。分析。,183, 2, 241-297 (2007) ·Zbl 1106.74019号
[17] 奥特纳,C。;Theil,F.,弹性动力学Cauchy-Born近似的合理性,Arch。定额。机械。分析。,207, 3, 1025-1073 (2013) ·Zbl 1320.74011号
[18] Luskin,M。;Ortner,C.,原子-连续体耦合,《数值学报》。,22, 397 (2013) ·Zbl 1464.74007号
[19] 米勒,R。;Tadmor,E.,十四种多尺度原子/连续体耦合方法的统一框架和性能基准,模型。模拟。马特。科学。工程,17,5,文章053001 pp.(2009)
[20] 奥尔森,D。;Bochev,P。;Luskin,M。;Shapeev,A.,《基于优化的原子-连续体耦合方法》,SIAM J.Numer。分析。,52, 4, 2183-2204 (2014) ·Zbl 1306.65220号
[21] 奥尔森,D。;Shapeev,A。;Bochev,P。;Luskin,M.,点缺陷的基于优化的原子-连续体耦合方法分析,ESAIM:数学。模型。数字。分析。,50, 1, 1-41 (2016) ·Zbl 1353.82022号
[22] Phlipot,G.博士。;Kochmann,D.,一般周期桁架晶格非线性力学响应的准连续介质理论,J.Mech。物理学。固体,124758-780(2019)·Zbl 1474.74038号
[23] 普鲁德霍姆,S。;鲍曼,P。;Oden,T.,分子静力学问题的误差控制,国际多尺度计算杂志。工程,4,5-6(2006)
[24] Tembhekar,I。;Amelang,J。;Munk,L。;Kochmann,D.,《粗粒度原子模拟的完全非局部准连续介质方法中的自动自适应性》,国际期刊Numer。方法工程,110,9,878-900(2017)
[25] 徐,S。;Chen,X.,《晶体材料中位错和热传导建模:原子/连续体耦合方法》,《国际材料》。版次:64、7、407-438(2019年)
[26] Braun,J。;Hudson,T。;Ortner,C.,晶体缺陷弹性远场的渐近膨胀,Arch。定额。机械。分析。(2022) ·兹比尔1496.74038
[27] 埃拉切尔,V。;奥特纳,C。;Shapeev,A.V.,晶体缺陷原子模拟的边界条件分析,Arch。定额。机械。分析。,222, 1217-1268 (2016) ·Zbl 1358.35187号
[28] Brandt,A.,边界值问题的多级自适应解决方案,数学。计算。,31, 138, 333-390 (1977) ·Zbl 0373.65054号
[29] Hackbusch,W.,《多网格方法与应用》,第4卷(2013),Springer Science&Business Media
[30] 格拉顿,S。;Sartenaer,A。;Toint,P.,多尺度非线性优化的递归信赖域方法,SIAM J.控制优化。,19, 1, 414-444 (2008) ·Zbl 1163.90024号
[31] Nash,S.,离散优化问题的多重网格方法,Optim。方法软件。,14, 1-2, 99-116 (2000) ·Zbl 0988.90040号
[32] 温,Z。;Goldfarb,D.,用于大规模非线性优化的线搜索多重网格方法,SIAM J.Optim。,20, 3, 1478-1503 (2010) ·Zbl 1203.65095号
[33] 陈,J。;明,P。;Yang,Z.,纳米压痕的约束Cauchy-Born弹性加速多重网格法,Commun。计算。物理。,15, 2, 470-486 (2014) ·Zbl 1373.82108号
[34] Bai,D。;Brandt,A.,局部网格细化多级技术,SIAM J.Sci。计算。,8, 2, 109-134 (1987) ·Zbl 0619.65091号
[35] 布雷齐纳,M。;法尔古特,R。;麦克拉克伦,S。;Manteuffel,T。;麦考密克,S。;Ruge,J.,自适应代数多重网格,SIAM科学杂志。计算。,27, 4, 1261-1286 (2006) ·Zbl 1100.65025号
[36] Rüde,U.,《完全自适应多重网格方法》,SIAM J.Numer。分析。,30, 1, 230-248 (1993) ·Zbl 0849.65090号
[37] Luskin,M。;奥特纳,C。;Koten,B.V.,基于能量的混合准连续体方法的制定和优化,计算。方法应用。机械。工程,253,160-168(2013)·Zbl 1297.74123号
[38] 谢诺伊,V。;米勒,R。;Tadmor,E。;罗德尼,D。;菲利普斯,R。;Ortiz,M.,原子尺度力学的自适应有限元方法:准连续介质方法,J.Mech。物理学。固体,47,3,611-642(1999)·Zbl 0982.74071号
[39] 廖,M。;林,P。;Zhang,L.,二维有限范围相互作用原子/连续体耦合的后验误差估计和自适应网格细化算法,Commun。计算。物理。,27, 1, 198-226 (2020) ·Zbl 1473.65267号
[40] Wang,H。;廖,M。;林,P。;Zhang,L.,二维原子/连续体耦合的后验误差估计和自适应算法,SIAM J.Sci。计算。,40、4、A2087-A2119(2018)·兹比尔1395.65125
[41] K.Fu,J.Chen,M.Liao,Y.Wang,L.Zhang,材料缺陷多尺度耦合模拟的三维网格生成和自适应,2022年,准备中。
[42] 奥尔森,D。;奥特纳,C。;Wang,Y。;Zhang,L.,多晶格位错弹性远场衰减的理论研究(2019),ArXiv电子印刷
[43] Li,X.H。;奥特纳,C。;Shapeev,A。;Koten,B.V.,混合原子/连续混合方法分析,数值。数学。,134, 275-326 (2016) ·兹比尔1354.82014
[44] 陈,H。;Nazar,F。;Ortner,C.,量子和原子描述中晶体缺陷的几何平衡,数学。模型方法应用。科学。,29, 419-492 (2019) ·Zbl 1469.82032号
[45] Daw,M.S。;Baskes,M.I.,《嵌入原子法:金属中杂质、表面和其他缺陷的衍生和应用》,Phys。B版,29、12、6443-6453(1984年)
[46] 方,L。;Zhang,L.,3D晶体缺陷的混合鬼力校正方法,Commun。计算。物理。,29, 4, 1246-1272 (2021) ·Zbl 1473.65335号
[47] 陈,H。;廖,M。;Wang,H。;Wang,Y。;Zhang,L.,结晶缺陷的自适应QM/MM耦合,计算。方法应用。机械。工程,354,351-368(2019)·Zbl 1441.65119号
[48] Wang,Y。;陈,H。;廖,M。;奥尔特纳,C。;Wang,H。;Zhang,L.,自适应QM/MM耦合方法的后验误差估计,SIAM J.Sci。计算。,43、4、A2785-A2808(2021)·Zbl 1486.65266号
[49] 拉多维茨基,R。;Ortiz,M.,基于点阵排列中节点插入和先进的前沿-延迟三角剖分的四面体网格生成,计算。方法应用。机械。工程,187,3-4,543-569(2000)·Zbl 0980.74080号
[50] 廖,M。;Wang,Y.(2022),JuAC.jl.git
[51] Si,H.,Tetgen,基于Delaunay的优质四面体网格生成器,ACM Trans。数学。软质。,41, 2, 1-36 (2015) ·Zbl 1369.65157号
[52] Dörfler,W.,泊松方程的收敛自适应算法,SIAM J.Numer。分析。,33, 1106-1124 (1996) ·Zbl 0854.65090号
[53] 莫根森,P。;Riseth,A.,Optim:针对Julia,J.Open Sour的数学优化包。软质。,3, 24, 615 (2018)
[54] Mazars,M.,《计算机模拟中的长程相互作用和准二维系统》,Phys。众议员,500,2-3,43-116(2011)
[55] 安德森,P。;Hirth,J。;Lothe,J.,《位错理论》(2017),剑桥大学出版社·Zbl 1365.82001年
[56] 阿尔泽塔,G。;阿恩特,D。;班杰斯,W。;博德杜,V。;品牌,B。;达维多夫,D。;Gassmoeller,R。;Heister,T。;赫尔泰,L。;科尔曼,K。;Kronbichler,M。;迈尔,M。;佩尔特,J。;Turcksin,B。;Wells,D.,The library,版本9.0,J.Numer。数学。,26, 4, 173-183 (2018) ·Zbl 1410.65363号
[57] 班杰斯,W。;哈特曼,R。;Kanschat,G.交易。II-通用面向对象有限元库ACM Trans。数学。软质。,33, 4, 24/1-24/27 (2007) ·Zbl 1365.65248号
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