前言

时间尺度和长度尺度的图解表示概述，这些计算方法与用于时间和长度尺度新材料开发中的计算模拟的计算方法相关。研究和分析纳米结构和新材料的机械失效的一个基本且非常重要的概念是建立从实验平均值中获得的有效方法。可以建立一个完全原子的计算模型来模拟纳米结构和新材料的物理性质，其中无功和非无功力场中描述的参数集直接从实验提供的结果中获得。

实验测试与计算建模概念的结合在纳米结构和新材料的物理性质研究中显示出有希望和有效的结果，在可访问的计算成本尺度上具有纳米结构的尺寸。纳米技术中的这一策略在科技创新和应用中的原子和分子模拟中取得了重要成果。

在石墨烯的合成之后，碳纳米结构的模拟受到了特别的关注，通过石墨的机械剥离方法从而开创了材料科学的新时代，并提出了由碳原子形成的系统的全原子计算模拟的新时代，特别是诸如“石墨烯”，单层石墨和碳纳米管，圆柱形的卷起一维石墨烯膜。

介绍石墨烯和CNT的机械性能。试图展示反应分子动力学计算方法的效率，其原子间势由实验结果参数化。在纳米尺度上展示了石墨烯单层和碳纳米管机械失效的理论结果。通过使用反应力场反应原子间势的经典分子动力学方法进行计算机模拟，显示了石墨烯和的机械失效，极限抗拉强度和临界应变。

经典分子动力学模拟方法

经典分子动力学是一种研究粒子系统作为时间函数的行为的技术。在某些相互作用系统中，这些粒子集合的时间演变是通过运动方程的积分获得的。基于此，“建模”和“模拟”等术语被广泛用于涉及相互作用粒子的物理问题的数值求解。

CMD模拟是一种计算涉及许多物体的经典系统中平衡和热传递特性的方法。在这种情况下，“经典”一词意味着这些粒子的运动遵循经典力学定律，是研究大量纳米结构和新材料的物理性质的绝佳近似，特别是石墨烯和CNT。

该方法包括求解一组原子和分子的牛顿方程，从而获得在模拟的每个时刻构成物理系统的每个粒子的速度和位置。CMD的理论基础体现了分析力学中知名人士产生的许多结果，其中一些结果包含对自然的基本观察，而其他结果则是经典力学链接计算机集的理论发展中的优雅重新表述。

这些计算机协同工作，作为单个系统执行计算计算。共享内存由计算集群的多线程并行执行。在安装代码后，根据您要模拟的内容，有必要用C++语言构建计算代码，通过执行计算建模来确定要研究的问题的物理属性。

该代码是用计算语言C++编写的，其中通过命令输出的热力学量对于按原子数规范化所有物理量非常重要。此行为可以通过热修改范数命令进行更改。

在代码的初始定义之后，建立统计集，该统计集将描述打算计算模拟的计算样本的物理属性，例如NVT统计规范融合。在许多情况下，由于系统具有非常多的粒子，不可能通过分析找到这种复杂系统的性质。原子和分子的轨迹是通过牛顿运动方程的数值解确定的，到具有相互作用粒子的系统，其中粒子之间的力和势能由分子力学力场定义。

原子模拟的目标是预测材料中每个原子的运动，其特征在于一组协同工作的链接计算机，作为单个系统执行计算计算。在代码的初始定义之后，建立统计集，该统计集将描述打算计算模拟的计算样本的物理属性，粒子在势能的作用下，可以计算出控制系统的力。确定粒子动力学的运动方程，在这种情况下应用牛顿定律。分子动力学使用汉密尔顿的经典运动方程。

原子间反作用力场

反应力场被开发为化学量子和经验力场之间的桥梁，使用一组相对简单的函数来描述能量和几何之间的关系。在最简单的形式中，EFF方法通过简单的谐波方程处理CMD系统或凝聚态系统，这些方程描述了键的拉伸和压缩以及键角的弯曲。伦纳德-琼斯势由两个项之和组成的双体相互作用函数组成，由于泡利不相容原理，与轨道原子之间的排斥有关，是一对原子的平衡距离的表达式系数。

经典模型并不是开发许多身体潜力的唯一可能方法。基于第一原则的发展可以导致更准确地描述感兴趣的案例的潜力。在这一类更现代的电位中包括所谓的无功电位，专门为描述材料中键的形成和断裂动力学而开发。作为无功电位，潜在用途描述了石墨烯单层和CNT的失效力学的物理性质。

现代反作用力场通过第一性原理计算进行参数化，并与实验结果进行比较。当比较反应分子动力学模拟和数据实验时，碳纳米结构的健康状况在2.8和2.9kcal/mol之间变化，评论器中用于碳原子配体之间执行反应性的设置参数有效性除以部分能量贡献。

分子大规模并行模拟器代码

开发的所有模拟均使用大规模原子大规模并行模拟器，代码是使用经典分子动力学方法模拟一组粒子的代码。它是一种代码，旨在当在并行处理器上为粒子位于密度大致均匀的3D矩形框中的系统执行仿真时获得仿真效率。它是一个开源程序，由桑迪亚国家实验室的研究人员维护和分发，用C++写成。这是一个稳定的程序，能够模拟从几个粒子到数十亿个粒子。

纳米结构力学失效的计算建模

LAMMPS代码是一种语言C++经典的分子动力学模拟，旨在在并行计算机上高效运行。是一个开源代码，根据桑迪亚国家实验室开发的GNU公共许可证条款免费分发。LAMMPS在单个处理器上运行或并行运行，或者在单个笔记本电脑或使用内存消息传递并行性并行的高级计算集群中运行。

一组协同工作的链接计算机作为单个系统执行计算计算。共享内存由计算集群的多线程并行执行。在安装代码后，根据您要模拟的内容，有必要用C++语言构建计算代码，通过执行计算建模来确定要研究的问题的物理属性。在代码的初始定义之后，建立统计集，该统计集将描述打算计算模拟的计算样本的物理属性，例如NVT统计集成。

NVT命令在鼻子-胡佛恒温器风格，旨在生成CMD-ReaxFF计算建模下计算采样的位置和速度。通过一组宏观参数表征，石墨烯和碳纳米管与热储层接触。考虑到与打算研究的计算样本相比非常大的储层，E的总能量系统，有热力学假设和统计力学的有效性。

全原子计算模拟：石墨烯和碳纳米管的弹性特性

在纳米结构体系机械失效研究的所有技术和物理性质之后，石墨烯单层和碳纳米管的弹性特性,展示了石墨烯单层的原子构型,其碳原子为3256个，常规碳纳米管为手性扶手椅的616个碳原子和锯齿形的352个碳原子。

可以看到石墨烯单层在300、600和1000K温度下的应变曲线的图形表示。对于300、600和1000K的石墨烯单层，清楚地注意到两种状态,线性状态，然后是直到完全断裂的塑性状态.在300K下，通过使用原子间力场ReaxFF进行的全原子反应分子动力学模拟获得的结果，可以在室温下看到线性状态。

没有看到与塑性状态不同的永久变形，其中石墨烯单层在碳原子之间存在断裂键直到断裂点，其特征是应力值在0.10处突然下降到零方向的临界应变。对于更高的温度，石墨烯的应变曲线显示极限拉伸强度和临界应变降低值。

石墨烯单层的应力与应变曲线，ReaxFF原子间势在X方向和Y方向的300K、600K和1000K下预测了石墨烯单层的应力与应变曲线。石墨烯单层在X方向应变载荷下的原子框架表示,左侧在应变的10.14%处开始断裂一些化学键，石墨烯单层在应变的10.96%处完全断裂。

石墨烯单层在Y方向载荷应变下的原子框架表示未拉伸应变，应变的12.14%，在应变的12.79%处开始断裂一些化学键,石墨烯单层在应变的13.24%处完全断裂。

可以看到石墨烯单分子层的ReaxFF势的全原子反应分子动力学模拟，分别施加在X和Y方向的机械载荷应变。在ReaxFF电位下获得的结果表明，这些键在施加的载荷应变的X和Y对齐。在所有温度。

快照帧下方的颜色条显示了单层中的应力集中和拉伸动力学，其中蓝色表示石墨烯单层中的低应力集中，红色表示高应力集中。用于碳纳米管的CMD-ReaxFF的结果，应力沿纳米管主轴方向高度积聚在锯齿形链上。断裂从平行和几乎平行于锯齿形和扶手椅碳纳米管主轴的键开始。由于碳纳米管没有乙炔链，结构更刚性，应力直接累积在六方环上，临界应变较小，极限强度值较大。