LAMMPS输入文件(in文件)详解及案例分析

作者：海天一色y

适用对象：分子动力学模拟初学者、材料计算研究者

一、引言

LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）是目前材料科学领域最广泛使用的开源分子动力学模拟软件之一。无论是金属材料、聚合物、生物分子还是界面体系，LAMMPS都能提供强大的模拟支持。然而，对于初学者来说，编写正确的输入文件（in文件）往往是第一道门槛。

本文将系统介绍LAMMPS in文件的完整结构，帮助您建立清晰的模拟流程框架。涵盖了LAMMPS分子动力学模拟的基础知识，包括in文件的基本结构、模型设置、系统建模、力场参数、温度初始化、弛豫设置、模拟设置、输出设置以及程序运行方法等核心内容。

二、in文件八大核心模块

一个完整的LAMMPS模拟输入文件通常包含以下八个部分，按执行顺序排列：

┌─────────────────────────────────────┐
│ 1. 模型基本设置 (Basic Settings)   │
│ 2. 系统建模 (System Modeling)     │
│ 3. 力场参数设置 (Force Field)     │
│ 4. 温度初始化 (Temperature Init)   │
│ 5. 弛豫设置 (Equilibration)       │
│ 6. 模拟设置 (Simulation Setup)     │
│ 7. 输出设置 (Output Settings)     │
│ 8. 启动运算 (Run Simulation)       │
└─────────────────────────────────────┘

三、模块详解与代码实例

3.1 模型基本设置

这是in文件的开头部分，定义模拟的基本物理单位和计算环境。

# 基本设置命令
units metal           # 单位制：metal（金属常用，基于Å、ps、K等）
dimension 3           # 维度：3维体系
boundary p p p       # 边界条件：周期性边界（p=periodic）
atom_style atomic     # 原子类型：简单原子（无电荷、无分子键）
neighbor 2.0 bin     # 邻居列表：截断半径+2.0Å，使用bin算法
neigh_modify every 5 delay 0 # 邻居列表更新频率

关键参数说明：

• units metal：适用于金属、无机材料，能量单位为eV，距离为Å，时间为ps

• boundary p p p：三个方向均为周期性边界；若使用s表示非周期性收缩边界

• neigh_modify：每5步重新构建邻居列表，delay 0表示不延迟

3.2 系统建模

LAMMPS提供两种建模方式：读取外部数据文件或内部构建晶体。

方式一：读取现有结构文件

read_data Al.data     # 读取包含原子坐标、类型、盒子尺寸的数据文件

方式二：内置命令构建晶体（推荐初学者）

# 以铝(Al)的面心立方(FCC)结构为例
lattice fcc 4.05     # 定义FCC晶格，晶格常数4.05Å（铝的晶格常数）
region box block 0 10 0 10 0 10 # 定义模拟区域：10×10×10个晶胞
create_box 1 box     # 创建模拟盒子，包含1种原子类型
create_atoms 1 box   # 在盒子内填充类型1的原子

建模技巧：

• lattice命令支持sc（简单立方）、bcc（体心立方）、fcc、 diamond等结构

• region可定义复杂形状：block（长方体）、sphere（球体）、cylinder（圆柱）等

• 可通过create_atoms的随机分布参数创建无序体系

3.3 力场参数设置

力场是分子动力学的核心，决定了原子间相互作用。LAMMPS支持多种势函数类型：

3.3.1 嵌入原子法（EAM）——金属体系首选

# 标准EAM势
pair_style eam
pair_coeff * * Al_mm.eam Al
​
# 或EAM/fs（更精确的多体势）
pair_style eam/fs
pair_coeff * * Al_mm.eam.fs Al

3.3.2 Lennard-Jones势——简单流体/惰性气体

pair_style lj/cut 11.0   # LJ势，截断半径11Å
pair_coeff 1 1 0.238 3.4 # 类型1-1相互作用：ε=0.238 eV, σ=3.4Å

势函数选择指南：

3.4 温度初始化

为原子赋予初始速度，建立初始温度分布。

velocity all create 300.0 8989 # 为所有原子创建300K的初始速度
                              # 8989是随机数种子，保证可重复性

注意事项：

• 速度分布服从Maxwell-Boltzmann分布

• 相同种子产生相同速度分布，便于结果对比

• 通常在create_atoms后立即执行，确保体系有初始动能

3.5 弛豫设置（系综选择）

弛豫阶段让体系达到热力学平衡。LAMMPS通过fix命令实现不同系综：

NVE系综（微正则系综）

fix 1 all nve   # 能量守恒，用于短时平衡或验证能量守恒

NVT系综（正则系综）——控温常用

# 恒温300K（温度窗口300-300K，阻尼系数0.1ps）
fix 1 all nvt temp 300.0 300.0 0.1
​
# 升温模拟：从300K升温到1000K
fix 1 all nvt temp 300.0 1000.0 0.1

NPT系综（等温等压系综）——控温控压

# 各向同性压力控制：300K，0压（单位bar）
fix 1 all npt temp 300.0 300.0 0.1 iso 0.0 0.0 1.0
​
# 单轴压力控制：仅x方向加压，y、z自由
fix 1 all npt temp 300.0 300.0 0.1 x 0.0 0.0 1.0

系综选择建议：

• 结构优化：先NPT达到目标密度，再NVT平衡

• 升温过程：使用NVT with 变温目标

• 力学加载：NVT或NVE（固定盒子尺寸，手动变形）

3.6 模拟设置

计算量定义（compute）

# 计算每个原子的应力张量（用于后续力学分析）
compute 1 mobile stress/atom NULL
​
# 计算特定原子组的温度
compute myTemp mobile temp

约束与操作（fix）

# 单轴拉伸：x方向以0.05/100的应变率变形
fix 1 all deform 100 x erate 0.05 remap x

常用fix命令：

• fix nvt/npt/nph：系综控温/控压

• fix deform：盒子变形（拉伸、剪切）

• fix spring：原子约束（弹簧固定）

• fix wall：添加边界墙

• fix ave/time：时间平均计算

3.7 输出设置

体系变量输出（thermo）

thermo_style custom step temp pe ke press # 自定义输出：步数、温度、势能、动能、压力
thermo 100                                 # 每100步输出一次

原子轨迹输出（dump）

# 输出原子类型和坐标到xyz文件（可用OVITO、VMD可视化）
dump 1 all custom 100 tension.xyz type x y z
​
# 更详细的输出（包含速度、力）
dump 2 all custom 100 dump.lammpstrj id type x y z vx vy vz fx fy fz

输出文件格式对比：

3.8 启动运算

run 10000   # 运行10000步

四、完整in文件示例：铝单轴拉伸模拟

# 1. 基本设置
units metal
dimension 3
boundary p p p
atom_style atomic
neighbor 2.0 bin
neigh_modify every 5 delay 0
​
# 2. 系统建模
lattice fcc 4.05
region box block 0 10 0 10 0 20
create_box 1 box
create_atoms 1 box
​
# 3. 力场设置
pair_style eam/alloy
pair_coeff * * Al_u3.eam.alloy Al
​
# 4. 温度初始化
velocity all create 300.0 12345
​
# 5. 弛豫（NPT达到平衡密度）
fix 1 all npt temp 300.0 300.0 0.1 iso 0.0 0.0 1.0
run 10000
unfix 1
​
# 6. 拉伸模拟设置
reset_timestep 0
fix 2 all nvt temp 300.0 300.0 0.1
fix 3 all deform 100 x erate 0.001 remap x
​
# 7. 输出设置
compute peratom all stress/atom NULL
compute p all reduce sum c_peratom[1] c_peratom[2] c_peratom[3]
variable press equal -(c_p[1]+c_p[2]+c_p[3])/(3*vol)
​
thermo 100
thermo_style custom step temp pe v_press lx ly lz
​
dump 1 all custom 100 dump.tension.lammpstrj id type x y z
​
# 8. 运行
run 50000

五、程序运行方法

5.1 Windows系统

# 进入工作目录
cd d:
cd Cu
​
# 单核运行
lmp_mpi -in in.cu
​
# MPI多核并行（8核）
mpiexec -np 8 lmp_mpi -in in.cu

5.2 Linux系统

# 进入目录
cd Cu
ls  # 查看文件
​
# 编辑文件（可选）
vim in.cu
# 按i进入编辑，ESC+:wq保存退出
​
# 运行
mpiexec -np 8 lmp_mpi -in in.cu    # 8核并行
lmp_mpi -in in.cu                   # 单核

高性能计算（HPC）提交示例：

#!/bin/bash
#SBATCH -J lammps_job
#SBATCH -N 2
#SBATCH –ntasks-per-node=24
#SBATCH -t 24:00:00
​
module load lammps
srun lmp -in in.cu

六、调试技巧与常见错误

七、学习资源推荐

• 官方文档：https://docs.lammps.org/Manual.html

• 案例库：LAMMPS自带的examples目录

• 可视化工具：OVITO（推荐）、VMD、AtomEye

掌握LAMMPS in文件的编写逻辑是进行分子动力学模拟的基础。记住"八步走"流程：基本设置→建模→力场→初始化→弛豫→模拟→输出→运行。建议从简单的金属体系（如本文的Al拉伸）入手，逐步尝试更复杂的聚合物、界面或反应力场模拟。

分子动力学是一门实践性很强的技术，多写、多跑、多分析轨迹，才能逐步积累经验。祝您的模拟之路顺利！

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