基于Open CASCADE的分子动力学交互式建模系统研究与应用

作     者：葛露明 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄志刚

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 081202[工学-计算机软件与理论] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：Open CASCADE 分子动力学 交互式建模 可视化 Qt 

摘      要：分子动力学方法作为一种强大的微观数值仿真工具,可以动态计算和分析原子或分子尺度下粒子系统的结构特征与性质,已广泛应用于科学研究的多个领域。对于各类仿真对象,如何快速、准确、有效地构建其分子动力学模型,一直是研究人员需要解决的难题。目前,常见的分子动力学软件有LAMMPS、OVITO、GROMACS、NAMD、VMD等。这些软件因良好的灵活性和众多的功能,被许多研究人员广泛使用。然而,目前主流分子动力学软件的建模方式缺乏针对各类模型的系统构建方法,尤其在面对几何形状较为复杂的模拟对象时,建模难度更加突显。针对这个问题,以提供分子动力学交互式、可视化建模服务为出发点,开发了一款基于Open CASCADE和Qt的分子动力学交互式三维建模软件。创建了一个可以构建任意形状模型的自主三维建模平台,设计了针对各类分子动力学模型的离散算法和实现了模型的仿真前处理,并对软件的分子动力学建模功能进行了实例应用。主要研究内容如下:(1)基于三维几何造型引擎Open CASCADE和界面开发工具Qt创建了三维建模平台。实现了三维建模软件常用的功能,包括通过鼠标、键盘交互绘制二维直线、矩形、圆、贝塞尔曲线和B样条曲线等图元,以及使用拉伸、旋转、扫描、自由曲面等方式构建三维模型。提供了特征点标注、修改和三维模型布尔运算、提取边界等辅助功能,开发了具备完全自由度的小型化三维建模平台。(2)基于三维建模平台,提出了针对各类分子动力学模型的构建方法,并完成了各类离散模型信息的导出和可视化。分别对单晶结构、多晶结构和非晶体材料采用了不同的离散算法。通过三维方向上的离散,并确定其晶向,从而离散出单晶模型。使用三维Voronoi图方法构建出多晶晶粒结构,然后对其中的每个晶粒采取单晶模型的离散方法,进而生成多晶离散模型。将非晶体模型的构建工作分为规则排列和随机排列两个方面分别考虑,实现了二维圆形和三维球体细胞等规则排列的建模,以及溶液等随机排列粒子模型的构建。(3)为分子动力学模拟提供了仿真前处理的实现。基于已经构建出来的三维模型,软件可以对指定模型表面的几何信息进行提取,获得一定厚度分子动力学边界,并实现边界离散和生成边界粒子模型的操作。软件提供了生成仿真前处理接口文件的功能,能够通过对话框输入仿真命令及参数的方式,生成示范性的LAMMPS仿真接口文件。(4)利用软件进行了实例研究,构建了DLD芯片分离细胞的分子动力学模型,并利用该模型进行了分子动力学模拟,研究了细胞的运动特性。然后利用软件分别生成并显示了金刚石切削单晶硅和2,2,4-三甲基己烷的分子动力学模型。