基于FPGA的分子动力学模拟系统设计

FPGA加速分子动力学模拟在材料科学、分子科学等方面应用广泛,一直是高性能计算领域的热门话题之一,在分子动力学模拟中,分子问作用力(LJ力)的计算是整个过程耗时最长的部分,文中设计的系统将其放在FPGA上完成,其余部分由CPU完成,根据LJ力的特点,FPGA加速的计算采用以下方法进行设计:利用邻近粒子搜索算法-元胞列表算法选取粒子对,并使用过滤模块进一步减少计算量;计算LJ力时采用先离散后插值的方法计算公式中的高次幂同时避免了开方运算,所有部件组成流水线结构,进一步提高整体的性能.     

经典分子动力学模拟的主要技术

综述了分子动力学模拟的基本原理、发展过程及主要应用,介绍了原子间势函数的发展及势参数的确定,给出了分子动力学模拟中相关的有限差分算法、初始条件及边界条件的选取、平衡态系综及其调控、感兴趣量的提取及主要过程。最后还指出了分子动力学模拟方法本身进一步的研究方向。     

低能入射Si与Si(001)2×1重构表面相互作用过程的分子动力学模拟

利用Tersoff势函数,对300K时初始入射动能为0.03eV的单个Si原子从6个不同位置轰击Si(001)2×1重构表面的动力学过程进行了模拟.分析了入射Si原子的动能变化、势能变化以及其运动轨迹.结果表明:入射原子与表面原子相互作用几个皮秒后即可进入稳定位置,其与基底原子的结合能最大可以达到2.99eV;从位置1,2,3,4入射的原子不能使基底表面的二聚体键断开,而从位置5和位置6入射时,表面二聚体键的断开在入射原子与基底表面原子发生相互作用几十飞秒后即可完成.     

含有空位缺陷的单晶锗纳米切削过程分子动力学仿真

针对含有空位缺陷的单晶锗纳米切削过程展开研究,利用分子动力学仿真软件构建了含有空位缺陷的单晶锗切削模型并进行了分子动力学仿真切削。文中从原子角度考虑了切削过程中系统势能的变化、切削力的变化,解释了材料的去除过程和切屑的形成机理,并分析了空位缺陷对切削的影响。结果显示在切削过程中,单晶锗晶体所含空位数越多则基础系统势能越大,且随着切削的进行系统势能逐渐增大。该结果表明空位缺陷的增加会加剧系统的不稳定性。     

飞秒激光作用铝-玻璃界面的分子动力学模拟研究

异质材料连接,尤其是金属和玻璃,广泛应用在各种工业产品上。超快激光焊接异质材料是一种快速、清洁和非接触的新技术,近年来得到了广泛研究。采用分子动力学方法对飞秒激光作用铝和石英玻璃界面进行了理论模拟研究,模拟根据石英玻璃的熔点和弹性常数,构建了石英玻璃的Lennard-Jones(LJ)相互作用势函数。根据铝-石英玻璃之间的黏附功,建立了铝-石英玻璃之间的LJ相互作用势函数,从而在保持宏观特性的同时简化和加速模拟过程。采用耦合到分子动力学的双温模型对飞秒激光作用铝和石英玻璃界面进行了小规模分子动力学模拟。飞秒激光辐照后,焊接区局部瞬时温度高达10000 K,应力高达20 GPa,出现铝原子向石英玻璃一侧扩散移动的现象。铝和石英玻璃的混合区由于高温粒子的持续碰撞而不断扩大,同时两种材料的混合区域中心向石英玻璃一侧移动,在微观上揭示了飞秒激光作用铝-石英玻璃界面皮秒时间尺度的分子动力学演化过程,为飞秒激光焊接异质材料提供理论基础。     

基于分子动力学的纳机电开关的静态分析

采用分子动力学方法分析了纳机电开关中碳纳米管悬臂梁的静态特性。仿真中C—C原子间相互作用采用Tersoff-Brenner势函数,C—Cu及Cu—Cu间相互作用采用L-J势函数,并同时采用截断半径和邻域列表法以提高运算速度。首先模拟了纳机电开关的开和关两种工作状态,得出开关的闭合电压为1.0 V,然后模拟了碳纳米管的弯曲变形情况,结果表明,当电压小于1.0 V时,碳纳米管弯曲符合经典弹性理论;当电压介于1.0 V~1.9 V时碳纳米管中出现Stone-Wales变形;当电压达到1.9 V后,碳纳米管中逐渐出现塌陷结构甚至孔洞;当电压达到2.9 V时,碳纳米管完全断裂。最后分析了碳纳米管原子间的受力情况,结果表明,纳机电开关的最薄弱环节是电极与碳纳米管之间的结合处。所得模拟和分析结果为纳结构器件的进一步设计和优化提供了理论依据。     

基于激光诱导碎裂光谱下的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)方法对激光诱导碎裂效应进行了数值模拟.通过分子动力学方法给出了样品受到激光辐照后的物理图像.其中激光能量为60 mJ,计算步长取3 fs.数值模拟结果表明分子动力学方法完全适用于激光诱导碎裂光谱(LIBS)的理论计算.     

基于python的教学资源开发与应用

python语言基于计算机生态的大环境下应运而生,并在现代信息技术的高速发展过中,令其获得广泛的应用。其展现出的最简化、直接的语言,以及先进的设计理念令其受到全世界的关注与认可。而基于python的教学资源开发与应用,应明确教学资源的设计形式。并能准确划分理论教学与知识模块,从而确保学习者能建立清晰、明确的学习方向。     

应用到BPM的HCOM吸收边界条件

本文将Higdon吸收边界条件（HABC）及其补偿算符应用到光传播算法（BPM）,计算了高斯光束在自由空问和波导中的传输,发现HCOM能够有效的吸收边界的反射,对于自由空间和波导的边界处理都比较适用.     

基于改进分水岭算法的粒度分析

材料样品的粒度分析是材料结构分析中一项基础而又重要的内容.在分析颗粒图像特点和不良分割原因的基础上,通过构造基于势能比较的评价函数,提出一种改进的分水岭算法来分割颗粒,以避免传统分水岭算法和势能阈值算法分割不当的问题.实验结果表明,该改进算法得到的分割结果正确性、鲁棒性更好,因而其粒度分析可靠性更高.     

基于MoM-PO的各向异性阻抗面电磁散射研究

该文基于阻抗边界条件(IBC),采用矩量法-物理光学(MoM-PO)混合算法,研究了3维各向异性阻抗面的电磁散射特性。根据表面等效原理,将空间散射场等效为MoM区和PO区电磁流的辐射场,感应电磁流以3维RWG (Rao-Wilton-Glisson)矢量基函数展开。以表面阻抗并矢表征电磁参数,给出典型各向异性阻抗面目标的电磁仿真算例,结果与Mie级数等精确解吻合良好,显示了该方法的有效性。     

基于不同边界条件的SIW谐振腔导模场分析及应用

总结了完备的六种不同边界条件的基片集成波导(SIW)谐振腔结构体系.基于镜像原理和亥姆霍兹方程,给出而不同边界条件下SIW谐振腔的导模场的闭式解.分析了所有边界条件下的谐振腔的场分布,与全波仿真分析、传输线模型法和空腔模型理论给出的结果一致.给出了各种边界条件下SIW谐振腔的谐振频率计算公式.基于提出的传输线附加额外的两个边界条件与谐振腔等效的原理,分析了在SIW谐振腔内,TE模、TM模与TEM模的共存机理.阐述了不同边界条件下的SIW谐振腔的演变关系.最后设计了基于不同边界条件的SIW谐振腔结构的双模带通滤波器和均衡器,该滤波器的两个模式,TE100(TEM模式)和TE102独立可调.器件的实测结果与仿真结果一致,验证了理论分析的正确性,为微波器件的小型化设计提供了思路.     

低能入射Si与Si(001)2×1重构表面相互作用过程的分子动力学模拟

利用Tersoff势函数,对300K时初始入射动能为0.03eV的单个Si原子从6个不同位置轰击Si(001)2×1重构表面的动力学过程进行了模拟.分析了入射Si原子的动能变化、势能变化以及其运动轨迹.结果表明:入射原子与表面原子相互作用几个皮秒后即可进入稳定位置,其与基底原子的结合能最大可以达到2.99eV;从位置1,2,3,4入射的原子不能使基底表面的二聚体键断开,而从位置5和位置6入射时,表面二聚体键的断开在入射原子与基底表面原子发生相互作用几十飞秒后即可完成.     

一个基于SLIQ算法的模型及应用

针对当前银行系统应用数据挖掘的重要性，利用决策树技术构建了一个银行信用等级评估模型，并详细介绍了如何应用SLIQ算法实现。SLIQ算法的可伸缩性对于银行数据有很好的适应性。     

基于关联规则的数据挖掘算法的分析及应用

数据挖掘就是从大量的数据中挖掘出有用的信息。数据挖掘与传统的数据分析的本质区别是数据挖掘是在没有明确假设的前提下去挖掘信息、发现知识。文章分析了数据挖掘算法的关联规则特性,对其在股票市场中的应用进行了重点,以便更好的应用在更多的领域。     

基于LMS算法的自适应滤波及在回声消除中的应用

介绍NLMS和NVLMS两种算法控制步长的思想。在此基础上，提出了新的变步长算法，同时使用误差积累和误差控制步长变化，并构建了基于自适应滤波算法的回声消除系统，将三种算法分别在此系统中应用，仿真验证了提出的算法具有更快的收敛速度和更小的稳态误差。并且在发生系统跳变时也能快速收敛。     

基于数据挖掘算法的煤矿安全隐患预警研究及应用分析

煤矿企业安全问题一直以来都是国家煤矿战略要点之一。由于在各种隐患过程中产生的数据复杂繁多,而企业对这些数据的管理又缺乏系统性、科学性,文章利用数据挖掘算法研究煤矿安全隐患问题,利用数据库技术导入数据,最终采用基于Apriori算法的数据挖掘技术进行挖掘得出关联规则。实验结果表明,通过该方法得出的关联关系可作为煤矿企业安全管理的科学依据,具有重要的参考价值。     

基于PSO的关联规则挖掘方法及应用

本文简要描述了关联规则问题及二进制粒子群优化算法(Binary Particle Swarm Optimization,BPSO),提出了一种基于粒子群优化算法的关联规则挖掘算法.仿真试验研究了关联规则在股市走势中的应用,选取相对强弱指标RSI,收集交易数据进行实证分析,得出若干条有用的关联规则.     

纳米间隙电极的制备及应用

综述了国内外纳米间隙电极的制备方法,其中主要包括扫描隧道显微镜法、Hg滴法、机械断裂法、微加工法、电迁移法、电化学法等,对每种方法的制备过程及原理进行了较详细的介绍;对每种纳米间隙电极在分子电子学方面的应用,特别是对利用纳米间隙电极测定单分子的I-V性质、制作分子整流器和分子晶体管等工作做了简单介绍。突出了纳米间隙电极在分子器件研究中的重要作用;最后讨论了分子电子学所面临的一些问题并对该领域的发展方向作出了展望。