J-OCTA在材料研發(fā)領域的應用
J-OCTA軟件作為分子動力學計算軟件，通過對材料從原子級別到微米級別的模擬計算實現對幾乎所有材料的分析。本文主要講述該軟件在材料研發(fā)領域的表現，著重介紹J-OCTA通過建模、求解、分析等功能在材料多尺度仿真方面的重要作用。
（圖1：離子液體的MD模擬）
（圖2：全原子及粗?；Ｐ褪疽鈭D）
J-OCTA作為計算軟件優(yōu)于其他軟件的地方在于J-OCTA中所有輸入數據和計算結果都對用戶開放，便于定制運算。其他商業(yè)軟件（如Materials Studio,簡稱MS）的數據通常以二進制格式存取，不會公開，只可作為黑箱使用。
J-OCTA通過開源多尺度仿真平臺用UDF文本傳遞數據、利用并行求解器+功能擴展及外部擴展器解析，將所有所有功能集成到GUI界面中，為用戶使用提供了較大便利。
（圖3：軟件架構）
除此外，J-OCTA在材料研發(fā)領域還有很多區(qū)別于其他同類軟件的優(yōu)勢。
1. 速度快：VSOP和LAMMPS在同類軟件中的計算速度較快，用戶可以使用VSOP和LAMMPS進行大規(guī)模的計算(原子數超過100K+)，計算效率是MS軟件的N倍（實測N＞5）。
（圖4：由1200萬個粒子組成的大規(guī)模復合材料模型）
2. 精度高：J-OCTA的內置工具可以通過量子化學的計算結果對力場參數進行優(yōu)化。此外，支持EAM（金屬）、PCFF（聚合物）、混合（EAM+LJ）等多種力場。
（圖5：分子二面角勢能優(yōu)化）
3. 反應快：根據量子化學計算結果，可以在MD(VSOP)中進行反應模擬。J-OCTA內置GUI可以簡單便捷地設置反應位點。更重要的是，計算效率是MS軟件的幾十倍（1天vs2個月），物超所值！
（圖6：環(huán)氧樹脂的固化反應）
4. 界面：J-OCTA利用SIESTA(基于原子軌道基底的DFT計算軟件)作為內置的界面能計算工具，可以預測分子和固體表面之間的界面能，以此來確定LJ勢。
（圖7：界面能和勢能優(yōu)化的DFT計算）
5. 建模：J-OCTA可以通過將珠簧模型(Kremer-Grest)反向映射為全原子模型來建立無定形結構。該功能可以顯著提高聚合物的構建效率。
（圖8：利用反向映射建立無定形結構）
6. 流變：具有獨特的“流管模型”，可用來模擬流變特性。只能在J-OCTA中通過PASTA、NAPLES和VSOP-DPD實現。利用VSOP-DPD，可以用相分離和填料分散來評價熔融聚合物的動力學特性。
（圖9：利用原語鏈表網絡模型預測熔融聚合物粘彈性）
7. 介觀：對于介觀尺度上的模擬，尤其是SCF或DPD，J-OCTA顯著優(yōu)于其他軟件，其求解器功能強大且效率很高。
8. 粗?；?/strong>：J-OCTA支持粗?；瘎菽艿淖詣油扑愎δ?。同時支持反向映射函數功能，可以從SCF縮放成MD或FEM模型。其中從SCF到MD的反向映射很少見，該功能可以簡單便捷地構建界面結構。
（圖10：利用SCF得到的相分離結構導入為FEM模型）
9. 有限元：對于有限元建模，J-OCTA可以使用相分離結構數據創(chuàng)建STL數據、LS-DYNA和Nastran的體素網格。LS-DYNA可以直接在J-OCTA中調用。
（圖11：相分離結構、體素網格以及使用LS-DYNA模擬單軸拉伸）
10. RVE : J-OCTA可以用于構建復合材料的復雜結構，該結構稱為代表性體積單元(RVE)，這一功能支持建立高填充填料的分散結構模型。
（圖12：代表性體積單元(RVE)示例）
11. 費用低：除了VSOP，J-OCTA中大部分求解器都是開源的，建立模型后用戶可以在服務器上免費進行運算。
12. 機器學習：對于數據科學，J-OCTA具有基于機器學習(ML)的定量構效-屬性關系(QSPR)預測功能。該功能可以通過學習化學結構和材料屬性數據之間的關系來預測物理特性（如圖13）。
（圖13：使用ML-QSPR法預測聚合物密度 ）
13. 批處理：為了分析龐大的數據，利用MD建模接口和Python腳本，支持高通量的分子動力學模擬，可以在命令行中構建分子模型并連續(xù)執(zhí)行MD模擬命令。同時，利用Python腳本可以進行多種后處理分析。
14. 后處理：可以將其他軟件（LAMMPS等）的計算結果轉換為J-OCTA格式，以便靈活地輸出想要的結果。
15. 便于學習的幫助文檔：包含案例手冊及用戶手冊。
（圖14：幫助文檔界面）
多達10多種的軟件優(yōu)勢，在實際應用中是如何工作的，以下將做部分應用舉例。
1. 高分子的交聯結構模擬
（1）利用J-OCTA/ VSOP，模擬DGEBA、44DDS交聯為環(huán)氧樹脂的過程（如圖15）
（圖15，Ref: T. Okabe,“Atomistic simulation of curing and mechanical properties of Epoxy resin”, J-OCTA Users Conference 2014）
（2）彈性模量的模擬（如圖16）
（圖16，Ref: V. Sundararaghavan, A. Kumar, International Journal of Plasticity, 47, 111 (2013)）
? NPT系綜、伸長率為10.22m/s
? 施加5%應變，擬合應力-應變曲線得到彈性模量
? 模擬得到的彈性模量:4.22GPa(實驗值:3.76GPa)
2. 機器學習（如圖17）
（圖17）
3. 代表性體積單元（RVE）μ-FEM（如圖18）
? 從分散相到STL界面或體素網格
? 從分散填料到STL或位置信息
（圖18）
4. 分散相結構
? 非線性結構分析：采用J-OCTA獲得橡膠、樹脂的相分離（如圖19、20）
（圖19）
（圖20）
5. 粗?；–G）模型的典型案例（如圖21）
? 具有交聯結構的橡膠
? 交聯、填料-聚合物作用的影響
（圖21：左圖為無交聯網絡、不同變形速度下的應力應變曲線；右圖為存在交聯網絡（變形速度為0.001）的應力應變曲線）
6. 循環(huán)拉伸變形下的填充橡膠模擬
（1）從形態(tài)學（Morphology）的角度討論動態(tài)響應差異的來源（如圖22）
（圖22）
（2）滯后機理（如圖23）
（圖23）
7. 纏結熔體聚合物的動力學行為（如圖24）
（圖24）
如果您對分子動力學或J-OCTA軟件感興趣，可以關注我們的官方公眾號（庭田科技）了解更多內容。同時我們誠摯邀請您參與我們于10月24日及10月26日開展的針對J-OCTA軟件專題研討會，詳情請關注官網及官方公眾號（庭田科技），期待您的到來！
相關產品鏈接：http://www.anscos.com/jocta.html
J-OCTA專題研討會：邀請函- 庭田科技 (anscos.com)
如需更多技術咨詢，請隨時與我們聯系：
全國熱線：400 633 6258
官方郵箱：info@anscos.com
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP
