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基于平滑分子动力学的并行多尺度方法,用于有限温度下的大规模并行计算。 (英语) Zbl 07658102号

摘要:提出了一种并行原子-连续体多尺度方法,用于大规模并行计算的有限温度模拟。借助介观平滑分子动力学(SMD)方法,实现了分子动力学(MD)方法和基于连续介质的材料点方法(MPM)之间的无缝稳定耦合。采用新设计的漂移矩阵,采用高效的马尔科夫广义朗之万方程(GLE),提出了一种新的技术来滤除原子模型和连续模型中的虚假高频反射,并桥接不同的热描述,提出了一种有效的松弛策略,将多尺度模型完全松弛到热力学平衡状态。在粒子网格对偶离散化的并行计算框架中,并行多尺度方法可以有效地并行化,并详细分析了其在大规模计算集群上执行时的效率。用该方法对接触滑移和颗粒碰撞算例进行了计算,证明了该方法作为一种有效的数值工具在实际应用中的优越性。

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82至XX 统计力学,物质结构
74-XX岁 可变形固体力学

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参考文献:

[1] Wernik,J.M。;Meguid,S.A.,《固体中的耦合原子论和连续体:现状、前景和挑战》,国际力学杂志。马特。设计。,5, 79-110 (2009)
[2] 科尔霍夫,S。;Gumbsch,P。;Fischmeister,H.F.,用有限元和原子模型相结合的方法研究b.c.c.晶体中的裂纹扩展,Phil.Mag.a,64,851-878(1991)
[3] Belytschko,T。;肖世平,连续介质模型与分子模型的耦合方法,国际多尺度计算杂志。工程,1115-126(2003)
[4] 瓦格纳,G.J。;Liu,W.K.,使用桥接尺度分解耦合原子和连续体模拟,J.Compute。物理。,190, 249-274 (2003) ·Zbl 1169.74635号
[5] 菲什,J。;Nuggehally,医学硕士。;Shephard,M.S.,基于连续应力和原子力混合的并发AtC耦合,计算。方法应用。机械。工程,196,4548-4560(2007)·Zbl 1173.74303号
[6] 格雷西,R。;Belytschko,T.,位错和裂纹的并发耦合原子论和XFEM模型,国际。J.数字。方法工程,78,354-378(2009)·Zbl 1183.74278号
[7] 钱,D。;Chirputkar,S.,使用丰富的时空有限元方法对晶格断裂进行桥接尺度模拟,国际。J.数字。方法工程,97,819-850(2014)·Zbl 1352.65367号
[8] Chakraborty,S。;Ghosh,S.,晶体金属材料中裂纹扩展的并发原子-晶体塑性多尺度模型,计算。方法应用。机械。工程,379,第113748条pp.(2021)·Zbl 1506.74016号
[9] Lu,H.等人。;Daphalapurkar,北卡罗来纳州。;Wang,B.,用材料点方法(MPM)从原子到连续耦合分子动力学(MD)的多尺度模拟,Phil.Mag.,86,2971-2994(2006)
[10] Yang,S。;布达拉普,P.R。;Mahapatra,D.R.,无网格自适应多尺度骨折方法,计算。马特。科学。,96, 382-395 (2015)
[11] Tong,Q。;Li,S.,分子动力学和周动力学的多尺度耦合,J.Mech。物理学。固体,95,169-187(2016)
[12] Tong,Q。;Li,S.,动态断裂的并行多尺度研究,计算机。方法应用。机械。工程,366,第113075条pp.(2020)·Zbl 1442.74022号
[13] 肖,M。;刘,C。;Sun,W.,DP-MPM:动态断裂和碎裂过程中演化多体热机械接触的分区材料点方法,计算。方法应用。机械。工程,385,第114063条pp.(2021)·Zbl 1502.74080号
[14] 胡,Z。;张,H。;Zheng,Y.,包含有限变形的岩土材料脆韧性破坏转变的对流粒子域插值相场隐式材料点法,计算。方法应用。机械。工程,390,第114420条pp.(2022)·Zbl 1507.74035号
[15] 张,Z。;邱,Y。;Hu,Z.,超弹性材料动态断裂的显式相场全拉格朗日材料点法,计算。方法应用。机械。工程,398,第115234条pp.(2022)·Zbl 1507.74042号
[16] 蔡伟(Cai,W.)。;德科宁,M。;Bulatov,V.V.,《耦合域模拟中最小化边界反射》,Phys。修订稿。,852113(2000年)
[17] 瓦格纳,G.J。;Karpov,E.G。;Liu,W.K.,规则晶格的分子动力学边界条件,计算。方法应用。机械。工程,1931579-1601(2006)·Zbl 1079.74526号
[18] Sadeghirad,A。;Tabarraei,A.,耦合原子-组分模拟的阻尼边界条件,计算。机械。,52, 535-551 (2013) ·Zbl 1282.74109号
[19] Tadmor,E.B。;奥尔蒂斯,M。;Phillips,R.,固体缺陷的准连续分析,Phil.Mag.A,73,6,1529-1563(1996)
[20] Groot,R.D。;Warren,P.B.,《耗散粒子动力学:弥合原子模拟和介观模拟之间的差距》,J.Chem。物理。,107, 4423 (1997)
[21] 马林克,S.J。;de Vries,A.H.,《半定量脂质模拟的粗粒度模型》,J.Phys。化学。B、 1092469-2473(2005)
[22] 刘,B。;黄,Y。;姜浩,原子尺度有限元法,计算。方法应用。机械。工程,1931849-1864(2004)·Zbl 1079.74645号
[23] 熊,L。;塔克,G。;McDowell,D.L.,位错的粗颗粒原子模拟,J.Mech。物理学。固体,59,160-177(2011)·Zbl 1270.74008号
[24] 杨琼。;Biyikli,E。;To,A.C.,多分辨率分子力学:静力学,计算。方法应用。机械。工程,258,26-38(2013)·Zbl 1296.74006号
[25] 刘,Y。;张,X。;Sze,K.Y.,大步进时间积分的平滑分子动力学,计算。模型。工程科学。,177-192年3月20日(2007年)
[26] He,N。;刘,Y。;张欣,分子动力学-光滑分子动力学(MD-SMD)无缝过渡自适应耦合方法,国际。J.数字。方法工程,108,233-251(2016)
[27] He,N。;刘,Y。;Zhang,X.,通过平滑分子动力学实现分子动力学和材料点方法的无缝耦合,国际。J.数字。方法工程,112380-400(2017)
[28] 谢诺伊,V.B。;米勒,R。;Tadmor,E.B.,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,47611-642(1999)·Zbl 0982.74071号
[29] 江,S。;陈,Z。;Sewell,T.D.,基于材料点法的离散纳米结构对极端载荷条件响应的多尺度模拟,计算。方法应用。机械。工程,297219-238(2015)·Zbl 1423.74082号
[30] Madadi,A.A。;Khoei,A.R.,研究非均匀FCC纳米材料力学行为的粗粒度原子多尺度方法,计算。马特。科学。,199,第110725条pp.(2021)
[31] Anciaux,G。;Ramisetti,S.B。;Molinari,J.F.,MD-FE耦合的有限温度桥接域方法及其在接触问题中的应用,计算。方法应用。机械。工程,205-208,204-212(2012)
[32] 苏,Y。;江,S。;Gan,Y.,基于分子动力学和粗颗粒分子动力学的铜纳米线机械响应研究,计算。第部分。机械。,6, 177-190 (2019)
[33] 盛,N。;Li,S.,冲击波传播的非平衡多尺度模拟,机械。Res.Commun.公司。,35, 10-16 (2008) ·Zbl 1258.74120号
[34] Sadeghirad,A。;Liu,F.,有限温度下耦合原子-组分模拟的三层网格桥接域:公式和测试,计算。方法应用。机械。工程,268299-317(2014)·Zbl 1295.74101号
[35] 陈,X。;迪亚兹,A。;熊,L.,《从原子到连续体的传播波》,J.Compute。物理。,354, 393-402 (2018)
[36] 马,J。;刘,Y。;Lu,H.,使用广义插值材料点(GIMP)方法的纳米压痕多尺度模拟,位错动力学(DD)和分子动力学(MD),计算。模型。工程科学。,16, 41-55 (2006)
[37] Sadeghirad,A。;苏,N。;Liu,F.,使用三层网格桥接域方法对石墨烯进行机械建模,Comput。方法应用。机械。工程,294,278-298(2015)·Zbl 1423.74596号
[38] Karpov,E.G。;帕克,H.S。;Liu,W.K.,固体原子和多尺度模拟的声子热浴方法,国际。J.数字。方法工程,70,351-378(2007)·Zbl 1194.74526号
[39] 马修,北。;密苏里州皮库。;Bloomfield,M.,有限温度下原子和连续体模型的并发耦合,计算。方法应用。机械。工程,200,765-773(2011)·Zbl 1225.74010号
[40] To,交流。;Fu,Y。;Liu,W.K.,准平衡分子动力学模拟的热力学分解去噪方法,计算。方法应用。机械。工程,2001979-1992(2011)·Zbl 1228.74118号
[41] Ramisetti,S.B。;Anciaux,G。;Molinari,J.F.,《在有限温度下用有限元桥接分子动力学的空间滤波器》,计算。方法应用。机械。工程,253,28-38(2013)·Zbl 1297.74128号
[42] Ramisetti,S.B。;Anciaux,G。;Molinari,J.F.,《一种并行原子和连续介质耦合方法及其在热-机械问题中的应用》,国际多尺度计算杂志。工程,97,707-738(2014)·Zbl 1352.82011年
[43] Wurm,P。;Ulz,M.H.,有限温度下并发原子-连续体模型中基于需求的尺度耦合,J.Mech。物理学。固体,137,第103849条pp.(2020)
[44] 瓦格纳,G.J。;Karpov,E.G。;Liu,W.K.,规则晶格的分子动力学边界条件,计算。方法应用。机械。工程,1931579-1601(2004)·Zbl 1079.74526号
[45] 巴泽夫斯基,A.D。;Bond,S.D.,具有正prony可表示记忆核的扩展变量广义Langevin方程的数值积分,J.Chem。物理。,139,第044107条pp.(2013)
[46] Morrone,J.A。;马克兰,T.E。;Ceriotti,M.,《高效多时间尺度分子动力学:使用有色噪声恒温器稳定共振》,J.Chem。物理。,134,第014103条pp.(2011)
[47] Mess,H。;斯特拉·L。;Lorenz,C.D.,《广义Langevin方程的应用:朝向浴缸的真实描述》,Phys。B版,91,第014301条,pp.(2015)
[48] Nakano,A。;Bachlechner,M。;Kalia,R.K.,纳米系统的多尺度模拟,计算。科学。工程师,3,4,56-66(2001)
[49] 克劳斯,D。;Fackeldey,K。;Krause,R.,耦合分子动力学和有限元的并行多尺度模拟工具箱,ZIB-Respot,13-50(2013)
[50] Cho,I.H。;Porter,K.A.,多层多尺度分析的多层分组并行算法,国际。J.数字。方法工程,100914-932(2014)·Zbl 1352.65669号
[51] Plimpton,S.,《短程分子动力学快速并行算法》,J.Compute。物理。,117, 1-19 (1995) ·Zbl 0830.65120号
[52] 陈,H。;徐,S。;Li,W.,并发原子含量模拟器的空间分解并行算法及其初步应用,计算。马特。科学。,144, 1-10 (2018)
[53] 迪亚兹,A。;顾,B。;Li,Y.,并发原子-内容方法的并行算法,J.Compute。物理。,463,第111140条pp.(2022)·Zbl 07536743号
[54] Murashima,T。;Urata,S。;Li,S.,用于分层多尺度模拟的有限元方法与大规模原子/分子大规模并行模拟器(LAMMPS)耦合,《欧洲物理》。J.B,92,211(2019)
[55] 张,X。;陈,Z。;Liu,Y.,第3章-材料点法,(材料点法:极端荷载情况下基于连续介质的粒子法(2017),学术出版社),37-101
[56] 镍,R。;Zhang,X.,显式材料点法的精确临界时间步长公式,Internat。J.数字。方法工程,121,4989-5016(2020)
[57] 顾晓云。;Dong,C.Y。;Cheng,T.,《应用于各向同性材料的瞬态热传导MPM和GIMP》,《工程分析》。已绑定。元素。,66, 155-167 (2016) ·Zbl 1402.80008号
[58] 陶,J。;郑毅。;Chen,Z.,热力耦合过程的广义插值材料点法,国际机械杂志。马特。设计。,12, 577-595 (2016)
[59] 陶,J。;张,H。;Zheng,Y.,用于模拟完全耦合热机械失效演化的广义插值材料点法的发展,计算。方法应用。机械。工程,332,325-342(2018)·Zbl 1440.74113号
[60] 王,S。;赵,L。;Liu,Y.,用改进的平滑分子动力学方法对石墨烯和结构超润滑性进行大尺度模拟,计算。方法应用。机械。工程,392,第114644条pp.(2022)·Zbl 1507.76047号
[61] Bardenhagen,S.G.公司。;Kober,E.M.,广义插值材料点法,计算。模型。工程科学。,5, 477-495 (2004)
[62] 甘,Y。;孙,Z。;Chen,Z.,使用B样条基函数增强材料点法,国际。J.数字。方法工程,113,411-431(2018)
[63] Song,J.U。;Kim,H.G.,使用移动最小二乘形状函数的改进材料点法,计算。第部分。机械。,8, 751-766 (2021)
[64] 王,S。;赵,L。;Liu,Y.,一种改进的高阶形状函数平滑分子动力学方法,Internat。J.数字。方法工程,122,3300-3322(2021)
[65] Ceriotti,M。;Bussi,G。;Parrinello,M.,《恒温分子动力学模拟中带有色噪声的朗之万方程》,物理学。修订稿。,102,第020601条pp.(2009)
[66] 马尔切尼,F。;Grigolini,P.,《关于将Kramers化学弛豫理论推广到非白噪声情况》,J.Chem。物理。,78, 6287 (1983)
[67] Ceriotti,M。;Bussi,G。;Parrinello,M.,《使用有色噪声恒温器的固体中的核量子效应》,Phys。修订稿。,103,第030603条pp.(2009)
[68] 贝伦德森,H.J.C。;Postma,J.P.M。;van Gunsteren,W.F.,《与外浴耦合的分子动力学》,J.Chem。物理。,81, 3684-3690 (1984)
[69] 施耐德,T。;Stoll,E.,扭曲相变三维单组分模型的分子动力学研究,Phys。B版,171302(1984)
[70] 赵,L。;王,S。;Liu,Y.,颗粒网格对偶离散化的并行算法,计算。机械。(2022)
[71] 亨德里克森,B。;Devine,K.,计算力学中的动态负载平衡,计算机。方法应用。机械。工程,184,2-4,485-500(2000)·Zbl 0965.74080号
[72] Johnson,R.A.,FCC金属的分析近邻模型,物理。B版,37、8、3924-3931(1988年)
[73] 胡,J。;刘,X。;Wei,Y.,纳米级摩擦下塑性和粘附力对粘滑转变的影响,Tribol。国际,164,第107230条pp.(2021)
[74] Doan,D。;Fang,T。;Chen,T.,晶粒尺寸和温度对CuAlNi合金在纳米压痕和纳米划痕下摩擦学特性的影响,Int.J.Mech。科学。,185,第105865条pp.(2020)
[75] 胡,C。;吕,J。;Bai,M.,纳米颗粒在不同温度下对摩擦加热和摩擦性能影响的分子动力学模拟,《摩擦》,第8期,第531-541页(2020年)
[76] 张,L。;Tanaka,H.,《在原子尺度上加深对磨损和摩擦的理解——分子动力学分析》,《磨损》,211,44-53(1997)
[77] 朱,P。;胡,Y。;Ma,T.,使用分子动力学研究基于AFM的纳米切割过程,应用。表面科学。,256, 7160-7165 (2010)
[78] 乔希,A。;James,S.,冷喷涂过程的分子动力学模拟研究,J.Manuf.process。,33, 136-143 (2018)
[79] Rahmati,S。;苏尼加,A。;Jodoin,B.,《撞击时铜颗粒的变形:冷喷涂的分子动力学研究》,计算。马特。科学。,171,第109219条pp.(2020)
[80] Fradan,A。;伯恩特,C.C。;Ahmed,R.,《冷喷涂涂层中颗粒冲击和残余应力的数值模拟:综述》,《表面涂层》。技术。,409,第126835条,第(2021)页
[81] Alhafez,I.A。;Urbassek,H.M.,尖端粘附力对纳米压痕和划痕的影响,模拟建模。马特。科学。工程,27,第065014条pp.(2019)
[82] Ceriotti,M。;Parrinello,M.,《(delta)恒温器:有色噪声Langevin动力学的选择性法向模式激励》,Procedia Compute。科学。,1, 1607-1614 (2010)
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