LAMMPS应用：LAMMPS模拟冲击压缩

冲击波通常是由爆炸或宏观物体的高速碰撞产生的，如炸药爆炸，高速弹丸穿甲，陨石撞击等。冲击波作用下材料在极短时间内发生塑性形变、熔化或化学反应等本质上不可逆的变化。冲击载荷相关的空间尺度（如晶格层次形变）和时间分辨率（皮秒至飞秒量级）都非常适合于通过MD模拟进行研究。下面简要介绍如何使用MD软件LAMMPS模拟冲击波在材料中传播。使用LAMMPS进行非平衡分子动力学模拟时产生冲击波主要有以下三种方式[1]：

（1）活塞（piston）冲击法或“动量镜”（momentum mirror）法；

（2）对称冲击法（symmetric impact）；

（3）收缩周期性边界条件（shrinking periodic boundary conditions）方法。

下面分别说明在LAMMPS脚本中如何实现。

第（1）种冲击方式在非平衡分子动力学模拟中应用比较多。示意图如下，图（a）中无限大质量的活塞以速度+Up移动，推动相对静止的材料并在其中产生冲击波；或者等效地如图（b），活塞处于静止状态而材料整体以速度-Up向活塞面移动，所有与活塞面接触的粒子都被反射或速度反向，即活塞面相当于“动量镜”。这种方法在侧向上使用周期性边界条件，而在冲击方向使用非周期性边界条件。!70相应的脚本实现有两种途径。第一种，先划分区域：
上面第一行命令设定piston的速度为“v_Up”，沿z轴冲击；第二行设定piston内原子受力为0。另外一种，用较为简单的命令即可实现同样的效果：这个命令设定piston初始位置为0，piston沿z轴以“v_Up”速度冲击材料。注意，使用该命令需先在LAMMPS中安装SHOCK软件包。更多关于这一命令的介绍详见官网：https://lammps.sandia.gov/doc/fix_wall_piston.html

第（2）种对称冲击法如下图所示，两等质量的材料分别以+Up和-Up的速度相向运动，在中间处发生碰撞并在中心处产生-Us和+Us的冲击波向外边界传播。这种方法和实验中飞片（flyer）撞击靶板材料而产生平面冲击波的情况类似。
脚本如下：
冲击方向同样为非周期性边界，其余两侧为周期性边界。第（3）种，收缩周期性边界条件方法，与上述对称冲击方法（2）类似，不同的是这里使用三维周期性边界条件[2]。两等质量的材料也分别以+Up和-Up的速度相向运动，而冲击压缩时边界也以恒定的速度Up跟随收缩。主要脚本命令如下：这里用“fix deform”命令使边界收缩，v_rate为工程应变率，收缩为负号，其值与冲击时间和最终收缩量相关。边界收缩时为保持周期性，两侧边界（Lz1和Lz2, 并假设冲击方向为z）都要做出相应的收缩调整：

Lz0为边界初始值。这种方法可在冲击波刚好到达两端边界时终止冲击并停止收缩边界。停止收缩边界的时刻可用两块材料的动能差最小或者质心速度差值最小作为判据。理论上此时体系质心速度近似为0，因而可以研究非平衡加载之后体系后续较长时间的演化过程，如化学反应和扩散混合等。单纯收缩边界情况下冲击波也可以从两侧边界产生并向中间传播，可达到同样的效果。对称冲击方法能有效消除流体自由表面的影响，特别适用于流体中冲击波的模拟。

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