home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Los Alamos National Laboratory / LANL_CD.ISO / stills / mat_mod.txt < prev    next >
Text File  |  1992-12-01  |  7KB  |  189 lines

  1. MATERIALS MODEL-
  2. ING VIA MASSIVELY 
  3. PARALLEL MOLECU-
  4. LAR DYNAMICS
  5.  
  6. At Los Alamos, we have embarked 
  7. upon a program to study the behavior 
  8. of materials under the influence of 
  9. external stresses and heat flow, using 
  10. the method of molecular dynamics 
  11. (MD), where the motion of millions of 
  12. strongly interacting atoms or molecules 
  13. is followed on a computer. Because the 
  14. complex flow phenomena occur on 
  15. much larger distance scales than do 
  16. molecular sizes and spacings, and 
  17. because the time scales of interest are 
  18. much longer than are vibrational peri-
  19. ods or mean collision times, we are 
  20. using the massively parallel CM-5 at 
  21. the ACL for these simulations. On the 
  22. earlier version of this machine (CM-2), 
  23. we were able to carry out preliminary 
  24. simulations of 106 atoms for over 1000 
  25. vibrational periods, using some 50 
  26. hours of cpu time. For these 2D calcula-
  27. tions, the linear dimension is 0.3 
  28. micrometers, and the physical time 
  29. duration is a nanosecond. In fact, we 
  30. have shown that 8 x 106 atoms are feasi-
  31. ble on the CM-2, and 3 x 107 atoms can 
  32. be simulated on the CM-5, which is 
  33. estimated to be capable of 10 times the 
  34. clock speed of the CM-2 by the end of 
  35. 1992. This order of magnitude increase 
  36. in both size and speed of the CM-5 rela-
  37. tive to the CM-2 is comparable to the 
  38. relative advantages of the CM-2 over 
  39. the single-processor Cray Y-MP. On the 
  40. CM-5, we may be able to extend the 
  41. physical time simulated to 0.1 ms, for 
  42. cpu times of less than 200 hours.
  43.  
  44.  The Fortran 90 MD code on the Con-
  45. nection Machines has been written in 
  46. such a way that a variety of geometries 
  47. (initial conditions) and external driving 
  48. forces (boundary conditions) are easily 
  49. implemented. For bulk materials, 
  50. where periodic boundary conditions 
  51. are appropriate, three distinct kinds of 
  52. dynamics are available: (1) the usual 
  53. Newtonian equations of motion (micro-
  54. canonical ensemble - NVE - constant 
  55. number of particles N, constant volume 
  56. V, constant total energy E, as well as 
  57. constant total linear momentum); (2) 
  58. isothermal Nose'-Hoover MD (canoni-
  59. cal ensemble - NVT - where T is the 
  60. temperature of the heat bath); and (3) 
  61. isothermal-isobaric Nose'-Hoover MD 
  62. (NPT - where P is the diagonal of the 
  63. pressure tensor). In addition to these 
  64. special ensemble dynamics, the peri-
  65. odic boundaries under Newtonian 
  66. mechanics can be moved at constant 
  67. independent velocities. If correspond-
  68. ing velocity gradients are imposed 
  69. upon the peculiar momenta of the 
  70. atoms, homogeneous adiabatic expan-
  71. sion can be simulated; otherwise, inho-
  72. mogeneous shock waves can be 
  73. generated. Moreover, boundary-driven 
  74. flows, such as either Couette shear flow 
  75. or heat flow between hot and cold 
  76. walls, can be simulated. Simple geo-
  77. metric objects (e.g., free surfaces, 
  78. spheres, and plates) can be generated 
  79. and given body velocities. Input to the 
  80. code at setup time and for restarts is 
  81. uncomplicated, and modifications of 
  82. the MD code to do more complicated 
  83. initial and boundary conditions is not 
  84. difficult.
  85.  
  86.  The particle positions and momenta 
  87. are updated by integrating the equa-
  88. tions of motion via the Stoermer (or 
  89. Verlet) method of finite central differ-
  90. ences. In the case of Nose'-Hoover 
  91. dynamics, the handful of global control 
  92. variables for coupling of the thermostat 
  93. and barostat are also easily handled by 
  94. the Stoermer method. In addition to 
  95. being time-reversible and very robust 
  96. (e.g., energy and linear momentum are 
  97. well conserved over long trajectory 
  98. times), Stoermer integration minimizes 
  99. memory requirements to arrays for the 
  100. phase (particle coordinates and 
  101. momenta) and forces, plus the few sca-
  102. lars for the Nose'-Hoover coupling 
  103. variables.
  104.  
  105.  We have applied this parallel MD code 
  106. to shock-wave propagation, annealing 
  107. of polycrystalline materials, and spalla-
  108. tion phenomena (fracture). Shock-wave 
  109. simulations revealed similar induced 
  110. plasticity for ductile materials, whose 
  111. atoms interact via a many-body embed-
  112. ded-atom method (EAM) potential 
  113. appropriate for metals, compared with 
  114. brittle pair-potential materials - at least 
  115. in 2D, where dislocations are more eas-
  116. ily formed than in 3D. The annealing 
  117. calculations demonstrate that coarsen-
  118. ing of grains proceeds by the motion of 
  119. grain boundaries in the direction of 
  120. concavity (big grains gobble up little 
  121. ones), so that the average linear dimen-
  122. sion grows with time t like t0.3. Spalla-
  123. tion occurs when a thin plate of 
  124. material hits a thicker target at suffi-
  125. cient velocity. The shock waves gener-
  126. ated on impact are relieved by 
  127. rarefaction waves at the free surfaces 
  128. opposite the impact plane. When the 
  129. rarefactions meet at the spall plane, the 
  130. material is put into tension; if the 
  131. impact is hard enough, the material 
  132. expands until it breaks. Our MD simu-
  133. lations showed that homogeneous 
  134. uniaxial adiabatic expansion (linear 
  135. velocity profile about the spall plane) is 
  136. an excellent approximation. Moreover, 
  137. a simple dislocation-motion model 
  138. accounts well for the stress at failure, as 
  139. a function of the imposed strain rate.
  140.  
  141.  We are planning to apply this versatile 
  142. MD code (in both 2D and 3D) to a wide 
  143. variety of interesting phenomena, 
  144. including fracture under various exter-
  145. nal driving forces, dislocation genera-
  146. tion at crack tips, shock-wave-induced 
  147. plasticity in granular (polycrystalline) 
  148. solids, ablation of surfaces by radiation 
  149. (in collaboration with 3M), chemically 
  150. reactive flow (as in detonation waves, 
  151. in collaboration with the Naval 
  152. Research Laboratory), and polymer 
  153. dynamics problems, including simula-
  154. tion of the flow of colloidal suspensions 
  155. (in collaboration with du Pont). Many 
  156. of these applications directly impact the 
  157. development and manufacturing of 
  158. novel materials by American industry.
  159.  
  160. The first sequence (TXY) shows a MD simula-
  161. tion of shock wave in a 2D Lennard-
  162. Jones solid. Particle velocities are col-
  163. ored by a rainbow ranging from -up 
  164. (deep blue) to 0 (blue-green) to +up 
  165. (bright red), where up is the piston 
  166. velocity. The shock front moves to the 
  167. right at the shock velocity (us) which 
  168. is greater than the speed of sound; the 
  169. piston is at the far left. An elastic pre-
  170. cursor has almost reached the right-
  171. hand edge of the window, which 
  172. includes about 1/3 of the total number 
  173. of atoms (65K). The plastic wave is 
  174. near the midpoint of the window.
  175.  
  176. The second sequence (V) shows a MD shock-
  177. wave simulation. Local crystal orienta-
  178. tion for each particle (hexagonal sym-
  179. metry is assumed) is colored by a 
  180. rainbow ranging from -30 deg. relative to 
  181. the horizontal (deep blue) to 0 deg. (blue-
  182. green) to + 30 deg. (bright red). Shock-
  183. induced dislocation generation is 
  184. apparent near the midpoint of the 
  185. window (plastic wave front); disloca-
  186. tion cores appear as localized spots. 
  187.  
  188. Acknowledgement: Brad Holian, LANL, T-12
  189.