Page 118 - 《摩擦学学报》2021年第3期
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第 3 期 周峰, 等: 两类润滑剂物性参数和摩擦系数的高通量分子动力学计算 407
标量偶极矩 µ基于电荷 采用如下公式计算 公式(9)中前面的符号为正；如果这一标量积为负，则
q k
2 2 2 1/2 公式(9)中前面的符号为负. 利用上述方法就可以确定
∑ ∑ ∑
µ = ± q k x k + q k y k + q k z k (9) 出任意离子液体和酯类化合物的力场参数以供模拟
k k k
使用. 由此便可迅速建立包含大量润滑剂分子动力学
x k y k 和 为原子
其中： ， z k k的笛卡尔坐标. 当计算得到的 的模型库. 为方便后处理，对每个润滑剂根据其分子
偶极矩矢量与正确的偶极矩矢量具有正的标量积时， 结构进行命名，结果如图2所示.
Naming rule of ionic liquids 2019_anion_carboxylic-acid_R_C01.lmp_cation_ammonium_CCCR_C09.lmp
ID Functional Alkyl C-chain Functional Alkyl C-chain
group form length group form length
Naming rule of ester compounds 0058_adipate_RR_C05_C05.lmp
Functional Alkyl C-chain
group form length
Fig. 2 The rule of naming of ionic liquids and ester compounds
图 2 离子液体和酯类化合物的命名规则
(10)
1.2 两层高通量计算方法
m i ¨r i = −∇U i
基于搭建的润滑剂分子动力学模型库，进行润滑 对于有 n个原子的系统就有 n个运动方程. 在每一
时刻对这些方程进行积分并结合初始时刻所有原子
剂物性参数和摩擦系数的两层高通量并行计算方法.
在高通量计算中，计算量集中在两个方面：第一，库中 的位置和速度就可获得后续任意时刻的原子位置和
的润滑剂数量众多，需要每个都开展计算；第二，为了 速度. 系统所有原子在任意时刻的位置和速度称为系
保证计算精度，单个润滑剂的计算采用了全原子尺度 统原子的轨迹，基于对系统原子轨迹的分析即可获得
模拟，计算较为耗时. 为解决计算量的问题，采用两层 系统的性质和属性.
并行策略以提高计算效率，如图3所示. 第一层并行将 控制方程求解采用速度-Verlet法，该方法在不同
库中的润滑剂文件进行分块，分块完成后同时并发计 的时间步计算原子的位置和速度，即在 t+h/2时刻更
算每一块中的润滑剂. 在某一块中，对润滑剂依次计 新原子的速度，然后在 t+h更新原子位置，最后再更新
算. 第二层并行设置为在计算某个润滑剂采用多 在 t+h的速度. 由于在实际的分子动力学模拟中，会先
CPU进行并行分子动力学计算. 给定初始时刻系统内所有原子的位置和速度以及为
第一层并发由于不同润滑剂块之间互不影响，因 避免在不同时间步计算位置和速度，通常采用如下的
此并发设置较为简单，可采用单次提交多个计算任务 方法
来完成. 第二层并行计算为某一润滑剂的分子动力学 ˙ r(t +h/2) =˙r(t)+h/2¨r(t)
模拟. 在计算时采用基于空间分割的并行算法，将模 r(t +h) =r(t)+h˙r(t +h/2) (11)
˙ r(t +h) =˙r(t +h/2)+h/2¨r(t +h)
拟区域分割为不同的子区域， 每个子区域都由1个
CPU进行计算，在不同CPU之间采用分布式内存消息 计算中采用周期性边界条件. 周期性边界条件等
传递接口(MPI)对计算信息进行通信. 同时在计算过 价于在模拟区域周围放置与模拟区域完全相同的镜
程中原子分布会有很大的变化，因此进一步采用负 像. 周期性边界条件具有两个特点. 第一个特点是当
载-平衡技术以最大程度利用CPU的计算资源. 上述两 某个原子跨越1个边界时会立刻从对面的边界重新进
层并发并行算法可保证计算的高效率执行，从而实现 入模拟区域. 第二个特点与计算原子所受非键结力有
高通量计算. 关. 原子间的非键结力在两个原子距离较远时可以忽
1.3 分子动力学计算原理 略不计，因此在计算某个原子所受非键结力时，会设
假设1个对象或系统由 n个原子构成，这 n个原子 置1个截断半径 r c ，即1个原子只有处于以该原子为中
的位置为 r= (r 1 ,r 2 ,,r n )，速度为 v= (v 1 ,v 2 ,,v n )以及质量为 心， r c 为半径的圆形区域(三维条件下为球形区域)内
m= (m 1 ,m 2 ,,m n ). 原子受到的力为其总势能的梯度，由 时才考虑这个原子对该原子的受力. 周期性边界条件
此根据牛顿第二定律建立任一原子的运动方程为 要求在计算边界附近原子的受力时，不仅要考虑本身
