LAMMPS中fix deform命令在多段运行时的注意事项

问题背景

在分子动力学模拟中，使用LAMPS的fix deform命令对模拟盒子进行变形是一个常见操作。当我们需要分多段运行模拟（例如在集群上提交作业）时，如果使用变量来控制变形速率，可能会遇到盒子尺寸突然跳变的问题。

现象描述

用户在使用fix deform命令时发现：

1. 当使用erate参数直接指定变形速率时，连续多个run命令可以平滑地进行盒子变形
2. 当改用variable参数控制变形时，在第二个run命令开始时会出现盒子尺寸的跳变
3. 只有在第二个run命令添加"pre no"选项时，才能避免这种跳变

技术分析

fix deform命令的工作原理

fix deform命令允许在模拟过程中动态改变模拟盒子的尺寸和形状。它支持两种主要方式来指定变形：

1. 直接指定变形速率（如erate、trate等）
2. 通过变量（variable）来控制变形量

变量模式下的特殊要求

当使用变量控制变形时，有一个关键要求：变量在run命令开始时的第一个时间步必须返回0.0值。这意味着：

• 变量应该返回盒子尺寸的"变化量"，而不是绝对尺寸
• 在连续的run命令之间，如果不重置变量，会导致变形量计算错误

多段运行的处理方法

要实现平滑的连续变形，有以下几种解决方案：

1. 使用"pre no"选项：这会跳过run命令开始时的初始化步骤，保持变形连续性

   run 10000 pre no
   

2. 重新定义变量：在每次run命令前重新定义变量，使其在开始时返回0

   variable ly0 equal ${ly}  # 保存初始长度
   variable disp equal (time-${last_step})*${rate}*${ly0}
   run 10000
   

3. 使用run 0初始化：先运行0步初始化系统，再使用"pre no"选项

   run 0
   fix def all deform 1 y variable v_disp v_zero units box
   run 100000 pre no
   

最佳实践建议

1. 对于简单的单段变形，直接使用erate/trate参数最为方便
2. 对于需要分多段运行的复杂变形：
   • 如果需要保持完全相同的变形行为，推荐使用"pre no"选项
   • 如果需要更灵活地控制变形，可以重新定义变量
3. 在集群上提交作业时，可以考虑使用run 0初始化+pre no的组合

总结

LAMMPS的fix deform命令在多段运行时需要特别注意变量的初始化问题。理解这一机制后，用户可以根据实际模拟需求选择最适合的解决方案，确保获得预期的变形行为。这一知识点对于进行大规模分子动力学模拟，特别是涉及非平衡态模拟的研究人员尤为重要。