论文题目：基于OpenGL的NanoMD分子动力学软件的研究与应用
摘要：近几年来,纳米技术作为一门交叉性很强的综合学科,研究的内容涉及现代科技的广泛领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米机械学、纳米测量学等。它是现代科学和现代技术结合的产物,例如混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物。NanoMD是由南京大学化学化工学院赵健伟教授课题组开发的一款超大规模分子动力学（ULMD）专业软件。该软件集后台计算和前台界面显示为一体。用户通过调用后台的计算程序,在前台界面中动态显示模拟结果,实时跟踪模拟过程。该程序针对纳米材料和纳米操作的特点,对建模和模拟过程做了优化,可以从原子尺度研究纳米材料的稳定性,纳米机械过程中材料的形变、以及晶体生长等过程。软件依据大量粒子周期性排布的特点,结合信号处理学科中的傅里叶变换分析等原理,开发了一系列的专用分析方法,可以开展晶体结构观察、表面形貌分析、体相晶态分析、局域能量分析、原子配位数分析等。成为纳米科技研究的有力工具。 NanoMD是一款以分子动力学为理论基础,在纳米科技中具有广泛应用价值的计算软件。该软件针对纳米技术的特殊需求,实现了超大规模高性能分子动力学仿真程序和分析方法,这个过程中需要运用OpenGL显示技术、大规模并行计算技术和一些如Cell-List和Verlet列表的特殊算法。此外在数据处理过程中结合了晶体学和信号处理技术。为了提高性能、扩展应用,本硕士论文主要集中在OpenGL显示效果的改进,仿真系统的实时旋转和基于原子配位数的表面和缺陷显示。此外,为了深入理解纳米过程中的原子细节,本论文实现了新的工程-机械控制的纳米劈裂（MCBJ）,并利用已改进的显示技术,系统地分析了温度和形变速率对单晶铜纳米线形变行为的影响。利用信号处理技术中的傅里叶变换分析研究了晶体材料的特征。在拉伸过程中,具有高能态的表面原子起到了主要作用。 这些算法的改进与程序的实现为NanoMD软件的进一步推广奠定了良好的基础。
关键词：纳米技术;NanoMD;界面;OpenGL;旋转视点;配位数;表面原子
学科专业：信号与信息处理
摘要
Abstract
目录
第1章 绪论
1.1 分子动力学
1.2 分子动力学问题的计算机简化
1.3 论文的基本框架
第2章 程序设计基本框架与开发需求
2.1 程序架构
2.1.1 晶体建模
2.1.2 计算模块
2.1.3 图形显示模块(OpenGL显示)
2.1.4 动画模块
2.1.5 后期处理模块
2.2 开发需求
第3章 OpenGL显示特点与NanoMD显示效果的改进
3.1 OpenGL的工作原理以及builder程序的开发步骤
3.2 显示效果的改进
3.2.1 增加显示方式
3.2.2 灯光设置
3.2.3 原子大小设置
3.2.4 原子颜色设置
3.2.5 鼠标放大缩小和平移操作
第4章 表面显示与点线显示
4.1 程序设计的基本原理和实现方法
4.2 已有算法介绍
4.2.1 传统Verlet列表算法(Verlet table algorithm)
4.2.2 Cell连锁列表算法
4.2.3 改进的Verlet-Cell连锁列表算法
4.2.4 Verlet-Cell的链表数据结构
4.3 程序流程图
4.4 仿真结果
4.5 结论
第5章 基于OpenGL的三维旋转算法及其在计算化学中的应用
5.1 已有方案的特点分析
5.1.1 利用虚拟球模仿3D跟踪球
5.1.2 运用旋转变换的四元数法
5.1.3 通过旋转视点来旋转物体
5.2 基于视点的三维旋转算法在分子动力学模拟上的程序实现
5.3 显示实例
5.4 结论
第6章 MCBJ工程的实现
6.1 模拟方法
6.2 程序流程图
6.3 结果与讨论
第7章 单晶铜纳米线的形变行为对温度和速率的依赖关系
7.1 实验部分
7.2 结果与讨论
7.2.1 拉伸速率对纳米线形变行为的影响
7.2.2 温度效应对纳米线形变行为的影响
7.3 速率和温度对纳米线机械行为的影响
7.3.1 应力应变曲线
7.3.2 径向分布函数
7.3.3 能量曲线
7.4 结论
结论与展望
致谢
参考文献