概 述
铝的机械性能
工业应用
涂料、运输及汽车、国防及航空
挑战
预测铝在恒定应变速率下的杨氏模量
模拟内容
晶胞在 x 轴上恒定应变速率下的变形
绘制动态应力-应变曲线并计算杨氏模量
模拟结果
铝超胞的 x 轴在恒定应变速率下发生形变。通过应力/应变曲线得到杨氏模量，
模拟结果与相应的实验测定值具有极佳的吻合。
分 类
工业应用
涂料
国防及航空
运输及汽车
软件
Classical
AMORPHOUS BUILDER
LAMMPS ATOMISTIC
Engineering
MAPS
性质计算
机械性能
杨氏模量
应用
金属
铝是地球上含量最丰富的金属，同时也是工业上应用最广泛的有色金属。铝具有密度低、优异的导电、导热性，钝化后耐腐蚀，及低温下抗拉强度增加的特性。铝通常作为合金应用，能够显著改善材料的机械性能，尤其是经钢化处理后。鉴于以上因素，在航空工业及运输行业的飞船、汽车、飞行器、卡车、火车、自行车制造、导电合金、引擎、发动机、电容器与变压器、及建筑行业皆至关重要。此外，还应用于包装罐、铝箔及框材等要求无毒低吸附领域。
挑战
铝由于其独特的机械性能在众多工业应用领域中具有至关重要的作用。因此通过计算机模拟的方法对所关注的机械性能进行预测与改性具有极大意义。在本研究中，我们利用分子动力学方法（MD）模拟对铝沿轴方向施加恒定应变速率的压力后的形变并对变形方向上的杨氏模量进行计算。
模拟内容
利用MAPS的LAMMPS模块进行分子动力学模拟。利用Mishin等人的内嵌原子势方法模拟铝的原子间相互作用。通过计算应力/应变曲线初始的线性部分得到杨氏模量。
Figure 1：将Al沿x轴暴露于机械压力后的初始（a）及最终（b）构象
模拟结果
构建了1个含有4000个Al原子的10*10*10超胞并在T=300 K、p=0 bar条件下进行20 ps的NPT动力学平衡。接下来采用NPT系综沿x轴在1010 s-1的恒定应变速率进行步长为1 fs 、20 ps的形变模拟。模拟的初始及终态结构如Figure 1的a和b所示。将计算得到的应变对应力作图（Figure 2）。通过Figure 2中的线性部分得到杨氏模量为66.3 GPa，与实验测得的69 GPa具有很好的一致性。
Figure 2：沿x轴进行20 ps的NPT形变模拟得到的应力-应变曲线
通过本研究案例显示，MAPS的LAMMPS模块可通过分子动力学模拟精确重现铝的杨氏模量实验测量值，因此该方法可被用于对所研究材料机械性能的预测。
Mishin, Y.; Farkas, D.; Mehl, M. J.; Papaconstantopoulos, D. A., Phys. Rev. B, 1999, 59, 3393-3407.
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MAPS软件拥有：（一）建模功能（二）分析功能
LAMMPS ATOMISTIC: 分子动力学计算模块，功能最全面的分子动力学计算模块，计算效率高、支持的力场丰富。它能理论预测粘度、摩擦性能、应力应变曲线、扩散系数、温度和压强下结构变化、密度和各种相互作用能。擅长处理聚合物、金属合金、高分子、表面活性剂、含能材料、离子液体等体系。
AMORPHOUS BUILDER: 无定型结构建模模块，基于目前最流行的蒙特卡洛方法，结合反冲生长技术，构建真实的无定型结构模型。Amorphous Builder 的最大的特点是建模效率高。Amorphous Builder 应用于高分子、流体、纳米结构、石油、橡胶、气固液混合结构、离子液体、电解质和表面活性剂等模型。
