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基于粗粒化模型对有机溶剂的分子动力学模拟

物理化学学报 2011年第8期27卷 1839-1846页

作者：许佩军唐媛媛张静张知博王昆邵颖沈虎峻毛英臣辽宁师范大学物理与电子技术学院辽宁大连116029 中国科学院大连化学物理研究所辽宁大连116023 大连海事大学物理系辽宁大连116026

在基于Boltzmann分布对四种基本构象进行MonteCarlo取样后,通过与全原子模型的范德华势比较得到了Gay-Berne(GB)参数.又在对用量化计算得到的分子体系的电势进行电荷、偶极矩和四极矩的拟合后,得到了电多极展开势(EMP)参数.利用得到的... 详细信息

在基于Boltzmann分布对四种基本构象进行MonteCarlo取样后,通过与全原子模型的范德华势比较得到了Gay-Berne(GB)参数.又在对用量化计算得到的分子体系的电势进行电荷、偶极矩和四极矩的拟合后,得到了电多极展开势(EMP)参数.利用得到的粗粒化参数,基于粗粒化模型,对CHCl3及四氢呋喃(THF)两种有机溶剂进行了分子动力学模拟(MDS),并将结果同全原子模拟进行了比较.计算结果表明用粗粒化模型从整体上能重复全原子模型的模拟结果,但在某些细节的计算与全原子模型有偏差,其原因可能是目前工作仅考虑了单位点情况,为此今后在对具有复杂结构的分子进行粗粒化模拟时还应考虑合理放置及增加相互作用位点.

关键词：粗粒化模型 Gay-Berne势电多极展开势径向分布函数分子动力学模拟

基于粗粒化的DEM-CFD侵蚀弱化模型及突水突泥模拟研究

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基于粗粒化的DEM-CFD侵蚀弱化模型及突水突泥模拟研究

作者：孙浩诚山东大学

学位级别：硕士

随着交通强国战略的提出,我国隧道建设量显著上升,并且隧道建设难度也是最大的国家之一。虽然我国隧道的建设技术和能力强,但是还有众多未得到妥善解决的难题威胁着隧道建设安全。隧道建设过程中多面临地下水困扰,导致突水突泥灾害。我... 详细信息

随着交通强国战略的提出,我国隧道建设量显著上升,并且隧道建设难度也是最大的国家之一。虽然我国隧道的建设技术和能力强,但是还有众多未得到妥善解决的难题威胁着隧道建设安全。隧道建设过程中多面临地下水困扰,导致突水突泥灾害。我国隧道工程建设重心逐渐向西部地区以及深海区域迈进,这些地区地形复杂,时刻面临着高水压和高地应力等严酷环境威胁,突水突泥灾害频率更高。突水突泥灾害灾变机理以及演化过程的科学认知为灾害主动防控提供理论基础,但目前对于突水突泥灾害演化过程的认识还不够清晰,这给突水突泥灾害的主动防控增添了阻碍。近些年发生的突水突泥灾害中,有一部分是由于砂土颗粒骨架间的粘土基质遇到水流的冲刷而发生侵蚀弱化现象,粘土基质随水流被冲出,逐渐形成贯通的突水通道,进而携带大量泥沙冲出发生突水突泥灾害,因此对于侵蚀弱化过程的细致研究可以为该类型突水突泥灾害的有效防控提供理论基础。目前的研究手段中,数值模拟方法计算成本低、花费时间较少、可控性强,成为了一种主流研究手段。由于土体的离散特性,本文选择离散单元法(DEM)和计算流体力学(CFD)耦合方法进行研究,其中,离散单元法存在模拟时间长、计算成本较高等问题,因此本文在工程尺度上的计算,采用了基于冲量定理的粗粒化方法,提高计算效率,能够从工程尺度揭示砂土骨架-粘土基质侵蚀弱化和突水突泥问题的机理和规律。本文以DEM-CFD流固耦合模拟方法为手段,通过理论推导、程序开发、数值模拟等方法研究土体颗粒间对侵蚀弱化过程和突水突泥演化规律进行研究,实现了工程尺度侵蚀弱化效应的突水突泥模拟。主要研究内容如下:(1)通过研究离散单元法原理,结合土体颗粒特性,选定颗粒间接触模型及粘结模型,利用C语言编写离散元计算程序。开展悬臂梁挠度经典实验数值模拟,验证颗粒间粘结模型准确性,实现离散元部分准确模拟。编写离散元程序与FLUENT流体计算软件耦合接口,实现DEM-CFD流固耦合程序计算。(2)根据工程现场隧道底板下软弱地层突水突泥灾害情况,构造几何模型结构。结合几何模型选取能够准确模拟突水突泥情况的湍流模型,并划分流体网格且进行边界层加密,边界条件选取合理湍动模量。并对网格进行不同程度地加密,对不同精度网格实现纯流场计算,进行网格无关性检验,选择计算效率高并且最为准确的网格精度。(3)建立侵蚀弱化过程与离散元方法之间的联系,引入剪切阈值表征侵蚀弱化过程,在流固耦合计算程序中嵌入侵蚀弱化模型,实现土体材料侵蚀弱化过程模拟研究;建立了基于粗粒化理论的侵蚀弱化模型,通过数值模拟对比,对该模型进行验证,实现工程尺度突水突泥灾害演化过程数值模拟。(4)依托佛山地铁2号线突水突泥灾害,基于所开发的流固耦合计算程序,利用所建立的粗粒化侵蚀弱化模型、流体模型等,开展工程尺度参数化计算。通过单向耦合与双向耦合,揭示了突水突泥灾变在不同影响因素下的规律:颗粒受力主要受到流体曳力、颗粒间作用力等;侵蚀程度随着侵蚀系数增高而更加迅速,突水突泥灾害随着粒径增大而减弱,随水压增大而更加显著等。本文结合工程实际,基于离散元原理以及流固耦合原理,建立了粗粒化侵蚀弱化模型,编写了相应的计算程序,能够实现大规模颗粒计算,提高了计算效率并揭示了土体侵蚀弱化过程和渗流灾害演化过程等部分规律,对于突水突泥灾害的防控具有一定的理论价值。

关键词： DEM-CFD流固耦合侵蚀弱化过程湍流模型粗粒化模型突水突泥灾害模拟

多层石墨烯的粗粒化分子动力学模型与力学性能

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北京工业大学学报 2016年第12期42卷 1798-1804页

作者：杨庆生尚军军刘夏北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124

为了有效研究多层石墨烯等石墨烯集合体的力学性能,避免由于实验难度大、全原子计算成本高等带来的困难,基于Tersoff势函数提出一种可用于计算大规模石墨烯的粗粒化分子动力学方法.该方法计算时只需输入原子坐标,大大减少了模型的数据处... 详细信息

为了有效研究多层石墨烯等石墨烯集合体的力学性能,避免由于实验难度大、全原子计算成本高等带来的困难,基于Tersoff势函数提出一种可用于计算大规模石墨烯的粗粒化分子动力学方法.该方法计算时只需输入原子坐标,大大减少了模型的数据处理,提高了计算效率.通过与全原子模型计算结果比较,本文提出的粗粒化分子动力学方法可以准确预测多层石墨烯的拉伸破坏性能,对制备高性能石墨烯纤维有一定的指导意义.

关键词：多层石墨烯粗粒化模型分子动力学模拟力学性能破坏强度

基于Gay-Berne势和电多极势的粗粒化模型对有机分子体系的动力学模拟

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基于Gay-Berne势和电多极势的粗粒化模型对有机分子体系的动力学...

作者：王昆辽宁师范大学

学位级别：硕士

高分子科学领域的计算机模拟技术已经得到了迅猛的发展,几乎高分子物理和化学的各个领域都在使用计算机模拟技术。然而,关于高分子链体系在微观尺度上模拟,由于现在计算机计算能力的限制,这种模拟仍是一件非常困难的事情。粗粒化模型对... 详细信息

高分子科学领域的计算机模拟技术已经得到了迅猛的发展,几乎高分子物理和化学的各个领域都在使用计算机模拟技术。然而,关于高分子链体系在微观尺度上模拟,由于现在计算机计算能力的限制,这种模拟仍是一件非常困难的事情。粗粒化模型对于一些特定的高分子体系能够很好地解决这个问题。本文当中,主要介绍基于粗粒化势和电多极势对几个有机分子体系进行粗粒化分子动力学模拟。分子动力学是模拟大量粒子集合体系中单个粒子运动的一种手法,这里最关键的概念就是运动,即准确记录每个时刻粒子的位置和动量随时间的演化,分子动力学中质点可以是原子、分子、或更大的粒子集合。然后再利用统计计算方法得到多体系统的静态和动态特性,从而得到系统的宏观性质。粗粒化分子动力学通过各向异性的粗粒化方程把分子间的相互作用处理成软的单轴椭球相互作用,这样就得到了范德华粗粒化势。点多极展开包括质心处的点电荷、偶极矩、四极矩,这样可以得到粗粒化势。粗粒化势和点多极势在全原子惯性坐标定义的质心坐标系里合并在一起。具体过程,构建新力场,取出成对分子多组不同构象。然后拟合出粗粒化参数以及进行二百个分子的粗粒化分子动力学。最后,分析比较了全原子分子动力学模拟和粗粒化分子动力学模拟结果。一些流体分子的分子动力学模拟已经使用了这种粗粒化模型。这种模型不但把计算效率提高了几个数量级,而且计算结果和全原子的结果以及实验数据显示出合理的一致。我们也讨论了这种粗粒化模型用于极性分子和分子体系。

关键词：粗粒化模型电多极势 GB势径向分布函数分子模拟

基于GB-EMP粗粒化模型对RNA分子的动力学模拟

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基于GB-EMP粗粒化模型对RNA分子的动力学模拟

作者：梁雷辽宁师范大学

学位级别：硕士

弗朗西斯·克里克在1958年提出了分子生物学的中心法则，从此有关于生物分子研究的重要性开始逐步地提升。随着计算机技术的不断进步，各种各样的计算机生物分子模拟方法被开发出来，而在众多的生物分子研究方法中，分子动力学模拟是最... 详细信息

弗朗西斯·克里克在1958年提出了分子生物学的中心法则，从此有关于生物分子研究的重要性开始逐步地提升。随着计算机技术的不断进步，各种各样的计算机生物分子模拟方法被开发出来，而在众多的生物分子研究方法中，分子动力学模拟是最主流的一种方法。但由于我们所研究的分子体系越来越大，利用全原子模型进行模拟时相应的模拟时间也越来越长，为了提高计算效率，本文应用了一种粗粒化粒子模型代替全原子模型进行分子动力学模拟。本文介绍的粗粒化模型是一种改进后的粒子模型，因为考虑到粒子的形状、粒子形状的非对称性以及它们的电荷多极矩效应，我们所采用的粗粒化模型是基于粒子形状非对称性的Gay-Berne势以及电荷多极矩展开势建立起来的。文中我们首先构建了三种RNA分子模型，为了实现粗粒化模型与全原子模型的精确拟合，我们将组成RNA分子的4种碱基、核糖以及磷酸分别构建为六种粗粒化粒子。选取各自的基本构想进行参数拟合，计算它们的范德华相互作用，通过与全原子模型范德华相互作用的比较进行优化，使各项粗粒化参数更接近全原子模型。之后，我们对各个粗粒化粒子的电负性进行分析，确定静电相互作用位点，拟合出它们的静电相互作用参数。利用所得到的GB-EMP参数来构建相应RNA分子粗粒化模型，并对这三种RNA分子粗粒化模型进行分子动力学模拟。拟合出粗粒化模型体系的均方根偏差、径向分布函数等参数后，与全原子模型的各项参数进行比较，进一步优化粗粒化模型。通过对所得各项参数进行的比较分析可知，虽然我们所构建粗粒化模型能够满足各项模拟计算的基本要求，但其精确度仍然可以进一步提高。粗粒化模型的建立及应用，相比于全原子模型大幅度缩短了动力学模拟的时间，提高了计算效率，这种计算时间上的优势在像DNA、RNA这样的大分子体系上体现的尤为明显。

关键词：分子动力学模拟粗粒化模型 Gay-Berne势电多极展开势均方根偏差

基于GB-EMP粗粒化模型对DNA的分子动力学模拟

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基于GB-EMP粗粒化模型对DNA的分子动力学模拟

作者：于文晶辽宁师范大学

学位级别：硕士

分子动力学模拟已经成为一种非常重要的模拟方法，特别是针对复杂的分子体系尤为如此。但是由于全原子模型计算时间长，加之计算机的运算能力尚待提高，所以对于生物大分子体系而言，进行分子动力学模拟仍有一定局限性。而本文采用的粗... 详细信息

分子动力学模拟已经成为一种非常重要的模拟方法，特别是针对复杂的分子体系尤为如此。但是由于全原子模型计算时间长，加之计算机的运算能力尚待提高，所以对于生物大分子体系而言，进行分子动力学模拟仍有一定局限性。而本文采用的粗粒化模型就恰好能够解决这一不足。本文介绍的粗粒化模型较原始的粗粒化模型有所改进，考虑到粒子形状的各向异性以及电多极效应，采用基于各向异性的Gay-Berne势和包含电荷、偶极、四极的电多极展开势的粗粒化模型。脱氧核糖核酸（DNA）能够引导生物发育与生命机能运作，是生物体研究的重要组成部分。本文构建了两种DNA，由于DNA是较大分子，所以将DNA的脱氧核糖、磷酸以及四种碱基这六种组成部分看作六种粗粒化粒子，以求得更好的结果。选取六种组成部分的基本构象，分别计算每种构象的van der Waals相互作用势，并将所得结果与利用AMOEBA力场的全原子模型计算所得van der Waals相互作用势的结果比较，并拟合出相应的范德瓦尔斯参数。为了使电多极展开势的参数更加精确，根据每个组成部分的各原子电负性的具体情况，选取相应的电多极展开位点，得到静电参数。最后，利用得到的GB-EMP参数，采用粗粒化模型对两条选定的DNA进行分子动力学模拟，并计算体系的均方根偏差、径向分布函数、双螺旋结构的大沟小沟等参数，将得到的结果与全原子模型的结果进行比较，拟合的较好。在所得结果方面，本文采用的粗粒化模型所得的结果与全原子模型结果仍存在一定的偏差。若能调整位点位置或增加位点数目，以及更加精确的调试所得参数，可能会得到更加准确的结果。粗粒化模型具有能够保证较高精度的前提下，大幅度的提高分子动力学模拟的速度的优点。特别是针对较大分子体系，这种优势表现的更为明显。这是因为粗粒化模型忽略了分子内部键长、键角、二面角的振动;同时利用粗粒化粒子代替了多对原子之间的相互作用，效率得到很大提高。因此本文采用的粗粒化模型适用范围很广，无论是小分子体系，还是大分子体系均可适用。

关键词：分子动力学模拟粗粒化模型 Gay-Berne势电多极展开势均方根偏差

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基于粗粒化模型对有机溶剂的分子动力学模拟

基于粗粒化模型对有机溶剂的分子动力学模拟

作者：唐媛媛辽宁师范大学

学位级别：硕士

这篇论文介绍了一个一般的基于电多极展开势和Gay-Berne (GB)势的粗粒化分子力学模型.在这个粗粒化模型中,把有机溶液分子处理成为单轴的椭球体,用各向异性的GB函数表示单轴椭球体之间的相互作用,从而实现了范德瓦尔斯势的粗粒化.分子... 详细信息

这篇论文介绍了一个一般的基于电多极展开势和Gay-Berne (GB)势的粗粒化分子力学模型.在这个粗粒化模型中,把有机溶液分子处理成为单轴的椭球体,用各向异性的GB函数表示单轴椭球体之间的相互作用,从而实现了范德瓦尔斯势的粗粒化.分子体系的电荷分布用电多极展开来表示,包括位于质心处的点电荷、偶极矩和四极矩.在基于Boltzmann分布对四种基本的分子构象进行了Monte Carlo取样之后,通过与全原子模型的范德瓦尔斯势比较得到了GB参数.又在对用量子化学方法计算得到的分子体系的静电势进行了电荷、偶极矩和四极矩的拟合之后,得到了电多极展开势参数. 利用得到的粗粒化参数,基于此粗粒化模型,本文对CHCl、CHCl、CHN、DMF、DMSO、THF六种有机溶剂分子进行了分子动力学模拟,并将其结果同全原子模型的模拟结果进行了比较.计算得到的结果表明了用此粗粒化模型从整体上能够重复全原子模型的模拟结果,但是在某些细节的计算上与全原子模型的计算结果有些偏差,其原因可能是在我们目前的工作中仅仅考虑了单个位点的情况.为此,今后在对具有复杂结构的分子体系进行粗粒化模拟时还应该考虑合理地放置相互作用的位点,以及考虑合理地增加相应的相互作用位点的数目.通过粗粒化模型进行分子动力学模拟的主要优点是可以在保证能获得一定精度的条件下较大幅度地提高计算的效率,这主要是由于用粗粒化的GB-EMP相互作用代替了多对原子之间的相互作用,从而使自由度的数目得到了较大地减少.此外另外一个重要的因素就是由于忽略了键长、键角和二面角的高频运动,而使模拟的时间尺度增大了.还需要指出的是,由于在处理GB效应中引入的d w参数较好地控制了GB势的柔性,所以用在本文中介绍的粗粒化模型还可以被用来模拟更大的更复杂得分子体系.此外在考虑了能够更精确地描述静电相互作用势的电多极势效应之后,使基于此粗粒化模型模拟那些带高电量的生物大分子体系成为可能.

关键词：粗粒化模型 Gay-Berne势电多极展开势径向分布函数分子动力学模拟

基于多极水BMW-MARTINI力场框架的PEO/PPO均聚物和Poloxamer共聚物的粗粒化模型构建

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基于多极水BMW-MARTINI力场框架的PEO/PPO均聚物和Poloxamer共聚...

作者：麻素敏吉林大学

学位级别：硕士

采用计算机模拟技术研究细胞膜表面发生的物理化学过程是研究生物体系复杂相行为的一个重要方面。由于水分子在这些物理化学过程中起着非常重要的作用,在计算机模拟中选取合适的水模型来准确地描述水相环境下细胞膜表面性质对研究细胞... 详细信息

采用计算机模拟技术研究细胞膜表面发生的物理化学过程是研究生物体系复杂相行为的一个重要方面。由于水分子在这些物理化学过程中起着非常重要的作用,在计算机模拟中选取合适的水模型来准确地描述水相环境下细胞膜表面性质对研究细胞膜表面复杂相行为以及生物大分子与细胞膜表面特定的相互作用起到决定性的影响。距今为止人们开发了众多水模型来描述不同模拟尺度上水相的结构和热力学性质。BMW(Big Multipole Water)水模型具有三位点拓扑结构,并且能够准确描述分子模拟体系中四分子水团簇结构的偶极矩和四极矩张量,因而受到科研工作者的广泛关注。此外BMW水模型与描述由磷脂分子组成的双层磷脂膜体系的MARTINI力场具有较好的兼容性,因此经常用于研究生物体系的复杂物理化学行为。Poloxamer共聚物由亲水的聚环氧乙烷(PEO)嵌段和疏水的聚环氧丙烷(PPO)嵌段组成,在药物输送和改进药物制剂性质方面具有十分广泛的应用。有鉴于此,我们在本论文中以BMW-MARTINI力场框架为基础构建了PEO/PPO均聚物和Poloxamer共聚物的粗粒化模型,通过大量全原子和粗粒化分子动力学模拟确定了粗粒化粒子之间的有效相互作用,为将来研究Poloxamer共聚物-磷脂膜复合体系的复杂相行为提供了可靠的理论框架。本论文的主要研究内容包括:1)优化了BMW水模型的力场参数,使得该模型能更好地描述BMW水相体系的热力学、结构以及动力学性质;2)以MARTINI力场的粗粒化规则为基础,开发了PEO/PPO均聚物以及相应Poloxamer共聚物的粗粒化模型;3)拟合粗粒化粒子之间的键连相互作用参数使得PEO/PPO均聚物和Poloxamer共聚物粗粒化模型的键长、键角和二面角分布能够与从全原子分子动力学模拟得到的模拟结果相一致;4)调控粗粒化粒子之间的非键相互作用参数使得相应的粗粒化模型能准确地描述PEO/PPO均聚物和Poloxamer共聚物在稀溶液环境下的构象行为以及均聚物的亲水/疏水特性。所取得的研究结果为我们研究Poloxamer共聚物与生物膜的相互作用打下良好基础。

关键词： BMW水模型 MARTINI力场 PEO/PPO均聚物 Poloxamer共聚物粗粒化模型

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一种单珠子粗粒化DNA模型

一种单珠子粗粒化DNA模型