炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台设备论证.docx

炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台设备论证.docx

《炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台设备论证.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台设备论证.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台设备论证

1、炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台（软件类★）

1）名称、版本、功能模块、用途

名称：

炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台

版本：

3.4.1版

组成及功能：

（1）MAPSPlatform平台模块

功能：

a.友好的建模功能：

基于三维切图和分子片段；力场分配和建议优化功能;聚合物建模；晶体建模；表面建模；Mesoscale建模；纳米结构建模；

b.方便的基于力场的计算分析功能：

分子模拟过程的动画显示；结构（键长、键角和二面角等）和能量随时间变化曲线；扩散系数计算；径向分布函数；自由体积计算；相关系数计算；结构（键长、键角和二面角等）分布情况

c.支持Python语言脚本编写并可以提交任务功能：

软件平台的GUI功能都可通过编写的Python脚本来实现，并且通过组合脚本实现自动化管理计算任务的目的。

d.提供友好的作业管理系统：

可以进行监控作业的运行、跟踪、强制取消等任务（包括远程任务）。

特殊运行条件的控制也可以通过该系统实现。

可以与PBS作业管理系统结合使用。

（2）MAPS.LAMMPSAtomistic分子动力学计算模块

功能：

a.采用Newton移动方程描述原子、分子和宏观粒子的移动，可支持多种边界条件和约束条件：

除了支持周期体系之外，还能处理非周期体系，包括固定边界条件、收缩边界条件和最小收缩边界条件。

b.拥有广泛的力场，包括：

Amber、CHARMM、Dreding、Martin力场和EAM势。

c.能处理液态、固态和气态的各种粒子系综。

可以模拟原子、聚合物、生物大分子、金属和粒状体系。

d.有效的处理部分带电系统的长程修正，RESPA多时间步积分和能处理非正交和金属体系。

e.能做结构优化，包括原子位置和胞体积，能做分子动力学计算，支持的系综有NVE、NVT和NPT。

f.预测多种性质并解释很多现象，如分子在聚合物中的扩散、溶解度参数和相容性、表面附着力、粘度、摩擦、有机物和无机物的密度。

g.可以实现自由电子动力学计算。

（3）MAPS.LAMMPS-DPD耗散粒子动力学计算模块

功能：

a.采用Newton移动方程和指定的相互作用能描述我们研究的体系，并计算其运动轨迹，由此计算体系的各种性质。

b.广泛应用于复杂液体模拟、胶束形成、块体聚合物形态预测、药物释放现象和很多其它。

c.允许发生两个粒子的位置重叠

（4）MAPS.AmorphousBuilder无定形物建模模块

功能：

a.基于MonteCarlo技术结合反冲生长技术建立复杂单质或混合物的无定形结构。

界面或接口系统采用周期系统来解决。

b.可以建立与实验密度一致的刚体系统。

可以建立单质或混合物的模型，例如聚合物熔体、溶液、多相界面、表面和任意材料的多层结构模型。

c.可以通过该模块控制如何把选取的组分添加到模拟单胞中；也可以实现把某个单层物质添加到由两层平行“墙”组成的空隙中，并模拟限制系统；可以定义被排除的球形体积，控制分子摆放在表面的任意位置；用户可以结合上述功能完成需要的各种不同的形态学模型。

d.应用质量控制技术可以避免不合理的连接或渗透现象。

可以防止分子生长过程中的重叠，例如聚合物链和纳米颗粒在纳米复合材料的建模。

e.可以用来作为结构优化或者分子动力学模拟的输入，预测静态和动态性质：

如扩散系数、渗透率、粘度、弹性性质及很多其它性质。

f.可以一步就产生高密度的聚合物如密度高达1.5g/cm3的Kapton或者Polysulfonates。

（5）MAPS.ElasticProperties预测材料弹性性质计算模块

功能：

基于分子动力学模拟的预测材料的弹性性质（预测材料的应力应变曲线、杨氏模量和泊松比）。

（6）MAPS.ReaxFF反应动力学计算分析模块

功能：

采用经典分子动力学模拟手段研究大尺度反应体系和扩展观察时间。

分析ReaxFF模拟得到的结果，如燃烧、氧化和聚合反应，研究不同因素对反应的影响，如温度、压强和组成。

（7）MAP.Cross-linkBuilder交联结构建模模块

功能：

依靠分子模拟引擎建立cross-linked聚合物模型

（8）MAPS.ABINIT密度泛函第一性原理计算模块

功能：

a.在密度泛涵理论框架内基于平面波赝势和平面波基组，能进行体系的结构优化和分子动力学计算，也能进行总能、电荷密度和电子结构计算。

b.可以得到很多性质，包括动力学矩阵、Born有效电荷和介电张量。

它也可以处理激发态计算问题，如用TD-DFT研究分子、多体微绕理论（GW近似）研

究固体。

非常适合解决固体物理、材料科学、化学和材料工程中的固体、分子、表面和界面问题。

c.可以计算声子频率、声子态密度和力常数；可以计算简协近似下的热动力学性质

（9）MAPS.Towhee蒙特卡洛计算模块

功能：

a.蒙特卡洛计算工具适合预测流体相平衡研究。

b.适用各种系综、支持多种力场和与固体的相互作用（包括多孔材料），

c.使用GrandCanonicalMonteCarlo（GCMC）方法

d.可用于吸附等温线、结合位、结合能、扩散途径及分子选择性的研究。

（10）MAPS.TeamFF高精度力场模块

功能：

a.解决了力场计算中经常遇到的“缺少参数”的问题，可以对不同类型的中小分子直接从量子化学计算结果推导其力场参数，可由分子片段得到大分子或高分子的力场。

b.包含：

（1）高精度力场数据库

（2）根据量子化学计算结果模拟力场参数功能（3）分子动力学计算优化VDW参数

（11）MAPS.NWChem高效量子化学计算程序

功能：

a.标准的量子化学计算模块，计算效率高，能处理的分子很大，可以调用的CPU数目多大几十万个。

b.提供键长、键角、振动频率、光学性质（IR,RAMAN,UV-Vis）和其它性质，化学反应过程中能量变化，即过渡态搜索计算。

c.多尺度计算方法HF,DFT,TD-DFT,MP2，CCSD和CCSD（T）。

d.通过分子动力学计算动力学性质，并可以进行异构体搜索计算。

e.可以处理气相化学问题、各种化学反应（如均相催化），通过COSMO模型可以考虑溶剂化效应。

f.采用RPA和Tamm-Dancoff方法计算激发态（单态和三态），包括CD谱计算。

g.包含相对论效应；旋轨耦合。

用途：

采用先进的多尺度材料模拟软件技术，可以用于建立宏观炸药性质和微观材料特性之间的相互关系。

这种关系的建立有助于清楚炸药制造影响因素中哪个是关键的，并能做到有效的提高炸药的整体性质。

多尺度模拟设计软件弥补了以往理论研究过于理想化和简化工作条件等诸多与实际偏离的缺陷。

可以计算高分子的物性，小分子和高分子凝聚状态和变化分析，研究分子反应机理，固体、表面、界面的电子结构计算。

2）功能要求

1.具有很强扩展性的材料设计平台，提供一系列模拟模块，组成强有力的、高扩展性的材料设计环境。

2.提供3个用户界面，用户界面同时支持Windows和Linux操作系统；

3.不限制服务器端并行度和同时可以提交的作业数。

4.分子动力学模块提供丰富的力场，包括Amber、CHARMM、Dreding、Martin力场和EAM势、MEAM、Tersoff、SW、UniversalForceField、CVFF、PCFF、OPLS、TIP4P等。

5.模拟平台支持用户二次开发，支持计算引擎修改。

6.分子动力学计算模块要求支持的系综有NVE、NVT和NPT，可以考虑的边界条件种类丰富，如：

固定边界条件、内缩边界条件、膨胀-内缩边界条件等。

7.分子动力学计算模块要求可直接获得粘度、扩散系数等结果的分析功能。

8.提供丰富的反应动力学计算分析功能，例如：

化学反应分析、生成物跟踪分析等。

9.可以构建交联结构模型。

10.第一性原理计算模块要求可以直接进行声子谱计算功能，支持GW方法。

11.蒙特卡洛计算模块要求支持NVT/NPT/uVT/Gibbs系综，支持CMBC方法。

12.支持Python脚本语言。

3）新增的必要性

A、研究任务和课题存在哪些关键技术难点；

随着工业向研发更高附加值的产品及其更加复杂的工艺的方向发展，越来越需要深入了解复杂产品的结构特性和整个工艺过程对产品性质的影响。

随着物理学、材料学、化学和计算机技术的发展，我们关注对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构在原子层次上的设计已成为材料研究的主要内容，需要对功能材料研究到电子层次。

然而，原子层次的结构材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本大幅提高，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。

通过材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。

使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，使研究与材料开发更具方向性、前瞻性，可以大大提高研究效率。

B、描述本单位现有条件在哪些方面不能完成仿真、计算；

本单位目前拥有的软件不能提供更加丰富的力场和反应动力学、材料的力学性质的模拟分析工作，同时目前的本单位不拥有蒙特卡洛计算方法的模拟软件。

并且我们希望能够在现有的最先进的计算模拟的方法上进行计算引擎的改动，以便达到在高效率的界面环境下，将来开展有自己特色的微观模拟工作。

C、拟选软件对解决关键技术难点所能起到的作用；

MAPS是材料模拟使用非常友好的软件，是成熟的商业软件，目前它所提供的各项计算引擎都是相关领域领先的被世界科研工作者认可的模拟引擎，其中的分子动力学力场是最全面的，反应动力学分析是最先进的，具备炸药在热、力作用下的反应动力学研究的最先进的功能；第一性原理计算功能是最早具备GW计算方法，同时是唯一可以在同一个软件包中完成电子结构计算和声子谱热力学性质计算的软件；蒙特卡洛计算模块是包含所有流行力场的计算模块；量子力学计算模块是计算效率非常高的，适用范围非常广泛的计算模块。

并且该平台提供高效率的无定形物建模以及交联结构建模工具，极大的提高了工作效率。

同时，模拟平台支持用户的二次开发，支持计算引擎修改。

此外还提供有方便高效的API接口，是基于python脚本语言的。

用户可以把自己开发的代码加入到模拟平台中，并且与模拟平台原有的其他计算引擎协同操作。

便于我们将来开展有自己特色的微观模拟工作。

D、为什么不能采取外协的方式完成；

材料的模拟是当今流行的、先进的科研手段之一，因此当前非常有必要建立完整的炸药微观模拟平台，培养模拟技术人员和完成对学生的培养，建立起一支完整的模拟设计队伍。

如果采用外协方式，不方便学生进行熟练的操作，同时考虑到模拟硬件的资源紧张，外协方式可能导致科研模拟课题的延迟，同时考虑科研内容的保密性，也建议不采用外协的方式。

故新增1套炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台是十分必要的。

4）主要技术性能参数对比分析

经调研，Scienomics公司、BIOVIA公司、富士通公司研制炸药反应微观多尺度计算软件。

其主要技术性能参数和价格对比如下：

炸药反应微观多尺度计算软件主要技术性能参数和价格对比表

数据厂商

功能版本

项目

法国Scienomics公司

3.4.1版

MAPS

美国BIOVIA公司

8.0版本

MaterialsStudio

波兰富士通公司

2.6版

Scigress

1.完整的多尺度材料设计平台，同时支持Windows和Linux双平台用户界面；提供友好的多尺度建模工具。

2.一个模块即可拥有广泛的力场，包括：

Amber、CHARMM、Dreding、Martin力场和EAM势。

3.模拟平台支持用户二次开发，支持计算引擎修改。

4.提供有方便高效的基于python语言的API接口，用户可以把自己开发的代码加入到模拟平台中，并且与模拟平台原有的其他计算引擎协同操作。

5.能做结构优化，包括原子位置和胞体积，能做分子动力学计算，支持的系综有NVE、NVT和NPT。

6.高计算效率

7.反应力场方法先进，提供最符合我单位炸药研究的反应力场，并提供化学反应分析、生成物跟踪分析等分析功能。

8.第一性原理计算模块可以直接计算声子谱，支持PAW赝势，计算更加准确。

9.不限制CPU并行度和并行作业数

1.完整的多尺度材料设计平台，仅Windows操作平台下有用户界面。

2.单个模块仅包含一类力场，如需多类力场，需购买多个模块。

3.支持脚本语言PerlScript。

可根据自己需求进行脚本语言的编程。

4.支持的系综有NVE和NVT

5.第一性原理计算模块用户广泛，但是不提供PAW赝势

6.不限制CPU并行数

7.限制同时提交作业数，根据购买License数量。

1.仅限于分子动力学模拟的软件平台，Windows单平台操作界面。

2.包含多种力场。

3.支持的系综有NVE和NVT。

4.不含第一性原理计算模块

5.不支持反应力场

6.不支持脚本语言开发，可付费进行力场开发。

7.CPU并行数量有限制，可根据需要购买。

报价（CIF）

9万美元

15.32万美元

8.0万美元

优点

用户界面友好、计算引擎先进并被广泛认可、力场丰富、提供丰富的反应力场计算和分析功能，可提供计算引擎二次开发、不限制并行作业数量

计算引擎先进、用户界面友好、第一性原理计算模块被广泛认可

界面友好，力场丰富，分子动力学计算分析功能丰富

不足

第一性原理计算赝势有待丰富

不同的力场分散在不同模块中，需单独购买；反应力场及分析功能缺乏、限制并行作业数，需按数量购买

功能有限，限制并行核数、并行作业数，性价比不高，且不提供第一性原理计算功能和蒙特卡洛计算功能

选择结论

经对比，拟选择1套Scienomics公司研制的3.4.1版本MAPS多尺度材料设计软件。

5）仪器设备选择结论

综上所述，Scienomics公司研制的3.4.1版本MAPS多尺度材料设计软件具备力场丰富、界面友好、提供计算引擎二次开发、分析功能丰富、支持反应力场、支持多种系综模拟、并行度和并行作业数不限制、性价比高等特点，能满足本项目对炸药反应微观多尺度计算软件的要求，故拟新增1套Scienomics公司研制的3.4.1版本MAPS多尺度材料设计软件。

报价：

9万美元（CIF）。

6）组成及工作原理

MAPS多尺度材料设计软件组成示意图如下：

MAPS多尺度材料设计软件组成示意图

MAPS多尺度材料设计软件工作原理（流程）如下：

MAPS'核心结构包括称之为"插件"的结构，使得MAPS模拟环境可以适用客户的各种需求。

相比按钮式的软件，MAPS提供了更高的灵活性。

MAPS的特色包括：

插件

开放的分子建模环境

所有应用的常用功能

方便的可扩展性

不同用户之间的合作支持

集成数据库（可选）

在这样的构架下，可以通过适当的插件，用户自行进行开发。

MAPS多尺度材料设计软件分析计算或仿真案例（与本项目相近的）如下：

分子晶体作为典型的含能材料收到广大研究者的关注。

能准确描述分子晶体的结构与相关热力学性质是研究含能材料的基础。

MAPS-Abinit能准确的描述分子晶体的结构。

分子晶体示意图：

扑热息痛晶体结构

MAPS-Abinit基于DFT方法给出分子晶体结构和能量

MAPS多尺度材料设计软件计算分子晶体案例

含能材料的热力学性质由MAPS-Lammps提供。

RDX分子结构和形成炸药时的晶体结构

MAPS-ReaxFFAnalysis提供详细的化学反应种类和存活时间随反应过程的变化。

MAPS-ReaxFF给出的不同分子随反应时间变化曲线

MAPS多尺度材料设计软件反应动力学计算案例

Theodora等根据PC-SAFT理论采用MAPS平台预测了分子在纯溶液和溶液混合物中的溶解度。

paracetamol在乙醇（EtOH）、丙酮和乙酸乙酯（EtOAc）中溶解度随温度变化；

实验值（点）和PC-SAFT计算值（线）

ibuprofen在乙醇（EtOH）和异丙醇中溶解度随温度变化；

实验值（点）和PC-SAFT计算值（线）

lovastatin在乙醇（EtOH）和乙酸乙酯（EtOAc）中溶解度随温度变化；

实验值（点）和PC-SAFT计算）

MAPS多尺度材料设计软件分子热力学性质预测案例

MAPS-Towhee在分子尺度上准确预测有机混合物的相图，对理解和控制相变过程提供物理图像。

MAPS多尺度材料设计软件有机材料相图预测模拟案例