入门必备-经典的分子动力学软件LAMMPS简版手册

文章来源：“分子动力学”公众号

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本部分大致介绍了LAMMPS的一些功能和缺陷

1、什么是LAMMPS?；LAMMPS是一个经典的分子动力学软件；LAMMPS是一可以修改和扩展的计算程序
2、LAMMPS的功能；总体功能；可以串行和并行计算；分布式MPI策略；模拟空间的分解并行机制

一、简介

1、什么是LAMMPS

LAMMPS是一个经典的分子动力学代码，可以模拟液体中的粒子，固体和汽体的系综。也可以采用不同的力场和边界条件来模拟全原子，聚合物，生物，金属，粒状和粗料化体系。LAMMPS可以计算的体系小至几个粒子，大到上百万甚至是上亿个粒子。LAMMPS可以在单个处理器的台式机和笔记本本上运行且有较高的计算效率，但是它是专门为并行计算机设计的。他可以在任何一个安装了C++编译器和MPI的平台上运算，这其中当然包括分布式和共享式并行机和Beowulf型的集群机。

LAMMPS是一可以修改和扩展的计算程序，比如，可以加上一些新的力场，原子模型，边界条件和诊断功能等。

通常意义上来讲，LAMMPS是根据不同的边界条件和初始条件对通过短程和长程力相互作用的分子，原子和宏观粒子集合对它们的牛顿运动方程进行积分。高效率计算的LAMMPS通过采用相邻清单来跟踪他们邻近的粒子。这些清单是根据粒子间的短程互拆力的大小进行优化过的，目的是防止局部粒子密度过高。在并行机上，LAMMPS采用的是空间分解技术来分配模拟的区域，把整个模拟空间分成较小的三维小空间，其中每一个小空间可以分配在一个处理器上。各个处理器之间相互通信并且存储每一个小空间边界上的”ghost”原子的信息。LAMMPS(并行情况)在模拟3维矩形盒子并且具有近均一密度的体系时效率最高。

2、LAMMPS的功能

总体功能：

可以串行和并行计算

分布式MPI策略

模拟空间的分解并行机制

开源

高移植性C++语言编写

MPI和单处理器串行FFT的可选性（自定义）

可以方便的为之扩展上新特征和功能

只需一个输入脚本就可运行有定义和使用变量和方程完备语法规则

在运行过程中循环的控制都有严格的规则

只要一个输入脚本式就可以同时实现一个或多个模拟任务

粒子和模拟的类型：

（atom style命令）

原子

粗粒化粒子

全原子聚合物，有机分子，蛋白质，DNA

联合原子聚合物或有机分子

金属

粒子材料

粗粒化介观模型

延伸球形与椭圆形粒子

点偶极粒子

刚性粒子

所有上面的杂化类型

力场：

（命令：pair style, bond style, angle style, dihedral style, improper style, kspace style）对相互作用势：L-J, Buckingham, Morse, Yukawa, soft, class2(COMPASS), tabulated. 带点对相互作用势：Coulombic, point-dipole.

多体作用势：EAM, Finnis/Sinclair EAM, modified EAM(MEAM), Stillinger-Weber, Tersoff, AIREBO, ReaxFF

粗粒化作用势：DPD, GayBerne, Resquared, Colloidal, DLVO

介观作用势：granular, Peridynamics

键势能：harmonic, FENE, Morse, nonlinear, class2, quartic

键角势能：harmonic, CHARMM, cosine, cosine/squared, class2(COMPASS)

二面角势能：harmonic, CHARMM, multi-harmonic, helix, OPLS, class2(COMPASS) 不合理势能：harmonic, CVFF, class2(COMPASS)

聚合物势能：all-atom, united-atom, bead-spring, breakable

水势能：TIP3P，TIP4P，SPC

隐式溶剂势能：hydrodynamic lubrication, Debye

长程库伦与分散：Ewald, PPPM, Ewald/N(针对长程L-J作用)

可以有与普适化力场如CHARMM，AMBER，OPLS，GROMACS相兼容的力场可以采用GPU加速的成对类型

杂化势能函数：multiple pair, bond, angle, dihedral, improper potentials(多对势能处于更高的优先级)

原子创建：

（命令：read_data, lattice, create-atoms, delete-atoms, displace-atoms, replicate）从文件中读入各个原子的坐标

在一个或多个晶格中创建原子

删除几何或逻辑原子基团

复制已存在的原子多次

替换原子

系综，约束条件，边界条件：

（命令：fix）

二维和三维体系

正角或非正角模拟空间

常NVE，NVT，NPT，NPH积分器

原子基团与几何区域可选择不同的温度控制器

有Nose/Hoover和Berendsen压力控制器来控制体系的压力（任一维度上）

模拟合子的变形（扭曲与剪切）

简谐（unbrella）束缚力

刚体约束

摇摆键与键角约束

各种边界环境

非平衡分子动力学NEMD

各种附加边界条件和约束

积分器：

Velocity-verlet积分器

Brown积分器

rRESPA继承时间延化积分器

刚体积分器

共轭梯度或最束下降算法能量最小化器

输出：

（命令：dump, restart）

热力学信息日志

原子坐标，速度和其它原子量信息的文本dump文件

二进制重启文件

各原子量包括：能量，压力，中心对称参数，CAN等

用户自定义系统宽度或各原子的计算信息

每个原子的时间与空间平均

系统宽量的时间平均

原子图像，XYZ，XTC，DCD，CFG格式

数据的前处理与后处理：

包里提供了一系列的前处理与后处理工具

另外，可以使用独立发行的工具组pizza.py, 它可以进行LAMMPS模拟的设置，分

析，作图和可视化工作。

特别功能：

实时的可视化与交互式MD模拟

与有限元方法结合进行原子-连续体模拟

在POEMS库中提供了刚体积分工具

并行退火

并行复制动力学

对低密度液体直接使用MC模拟

Peridynamic介观建模

目标型与无目标型分子动力学

双温度电子模型

LAMMPS不具备的功能：

由于LAMMPS是对牛顿运动方程积分的工具，所以很多必要的数据前处理与后处理功能是LAMMPS核心不具备的。其原因为：

保证LAMMPS的小巧性

前处理与后处理不能进行并行运算

这些功能可以由其它工具来完成

原代码开发的局限性

特别地，LAMMPS不能：

通过图形用户界面来工作

创建分子体系

自动的加上力场系数

为MD模拟提供智能化的数据分析

MD的可视化为输出数据作图

我们需要为LAMMPS输入一系列的原子类型，原子坐标，分子拓朴信息和所有原子与键的力场参数。LAMMPS不会自动的为我们创建分子体系与力场参数。对于原子体系，LAMMPS提供了creat-atoms命令来为固态晶格加上原子。可以通过pair coeff,bond coeff, angle coeff等命令来加上小数目的力场参数。

对于分子体系或更复杂的模拟体系，我们通常会用其它工具来创建或者是转换LAMMPS输出文件来做到这些事情。有的还会写一些自已的代码来完成这项任务。

对于一个复杂的分子体系（如，蛋白质），我们需要为之提供上面个拓朴信息与力场参数。所以我们建议用CHARMM或AMBER或其它的分子建模器来完成这些任务，并把之输到一个文件中去。然后，改变其格式以达到LAMMPS所允许的输入格式。

同样，LAMMPS的输出文件是一种简单的文本格式，我们也可以通过其它的工具来完成。

我们可以用以下几个软件来完成高质量的可视工作：

VMD

AtomEye

Pymol

Raster3d

RasMol

最后要说一下的是，以下这些也是自由分子动力学包，它们大多数是并行的，可能也适合来完成你的研究工作，当然也可以与LAMMPS联合起来使用以完成模拟工作。CHARMM

AMBER

NAMD

NWCHEM

DL_POLY

Tinker

CHARMM，AMBER，NAMD，NWCHEM，Tinker是专门用于模拟生物分子的。

二、开始

本部分主要描述如何创建和运行LAMMPS。

1、在LAMMPS发行包中含有：

README

LICENSE

Bench：测试任务

Doc：文本

Examples：简单的测试任务

Potentials：嵌入原子方法与力场文件

Src：源代码

Tools: 前处理与后处理工具

假如你下载的是windows可执行文件的话，你里面只有一个文件（并行与非并行两种） Lmp-windows.exe

2. 编译LAMMPS

之前的工作：

编译LAMMPS不是一个繁琐的工作。首先你可能要写一个makefile文件，里面要选择编译器，附加的一些将要用到的库等。事先装上MPI或FFT等库。

编译出一个可执行LAMMPS：

在SRC目录里头含有C++源文件和头文件。当然也包括一个高水平的Makefile，在MAKE目录里头有几个低水平的Makefile.*files分别适有不同的平台。进入SRC目录，输入make或gmake，你将会看到一列的可选项。假如其中有一种符合你的机器，你可以输入像下面一样的命令：

Make linux

Gmake mac

注意，在一个多处理器或多核处理器的平台上你可以进行平行编译，在make命令中使用“-j”选项就可以，这样编译起来会更快一些。

在此过程中不发生错误的话，你可以得到一个类似于lmp-linux的可执行文件。

在编译过程当中将会发生的常见错误：

（1）如果编译过程当中发生错误，并提示不能找到一个含有通配符*为名的文件的话，说明你机器上的make器允许makefile中使用通配符。那就尝试使用gmake。如还不行的话，就试试加入-f选项，用Makefile.list作为make对像。如：Make makelist

Make –f makefile.list linux

Gmake –f makefile.lst mac

（2）当你使用低水平的makefile时，可能由于对机器的设置不正确，会导致一些错误。假如你的平台叫“foo”,的话，你将要在MAKE目录中创建一个Makefile.foo。使用任何一个与你机器相近的文件作为开始总是一个不错的选择。

（3）如你在链接的时候出现库丢失或少了依赖关系的话，可能是由于：你编译的包需要一个附加的库，但却没有事先编译需要的package libaray。你要链接的库在你的系统中不存在。没有连接到必要的系统库后两种问题出现，你就需要修改你的低水平makefile.foo。

编辑一个新的低水平makefile.foo：

（1）在#后的句子中，替换foo，不论你写成什么，这一行将会出现在屏幕上，如果你只输入make命令的话。

（2）在“complier/linker settings”部分为你的C++编译器列出编译器与链接器的设置，包括优化符号。你可以在任何UNIX系统中使用G++编译器。当然你也可以用MPICC，如果你的系统中安装了MPI的话。如果在编译过程当中需要附加的库，你需在LIB变量中列出来。DEPFLAGS设置可以让C++编译器创建一个源文件的依赖关系列表，当源文件或头文件改变的时候可以加快编译速度。有些编译器不能创建依赖关系列表，或者你可以用选项—D来实现。G++可以使用-D。如果你的编译器不能创建依赖关系文件的话，那么你就需要创建一个Makefile.foo来与Makefile.storm（它用一系列的不需要依赖文件的规划）相对应。

（3）“system-specific settings”部分有四个小部分：A LMP—INC变量，包括一些与系统相关的条件选项。B 3个MPI变量用于指定MPI库。

如你要进行并行计算的话，那么你必须在你的平台上安上MPI库。如你想用MPI内置C++编译器的话，你可以让这三个变量空着，如你不用MPICC的话，那么，你要指定MPI.h(MPI_INC)文件在哪，MPI(MPI_PATH)库在哪，还有库名(MPI_LIB)。

如果你想自已安装MPI的话，我们建议用MPICH1.2或2.0。LAM MPI也可以。如你用LAM或MPICH，你必须要设置他并编译他使之适合你的平台。

如果你想在单处理器的机器上运行的话，你可以用STIBS库，这样你就可以不用在你的系统中安装MPI库。仿照makefile.serial，看是如果设置这三个变量的。当然你在编译LAMMPS之前你必须创建STUBS库。在STUBS目录中，输入make，不出错的话你将会得到一个libmpi.a文件可供链接到LAMMPS。当出错，你则要修改STUBS下的MAKEFILE。

STUBS/MPI.CPP有一个CPU计时器MPI_Wtime()可以调用gettimeofday(). 如你的系统不支持gettimeofday()，则你就要插入一句代码来调用另一个计时器，要注意的是，clock()函数在一个小时之后会归0，所以对于一个长时间的LAMMPS模拟来说这是不够用的。

C FTT变量用于指定FFT库，当要用到kspace-style命令来计算长程库伦作用时使用PPPM选项时要用到。

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