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动力学在动画的学习过程中重要吗 什么是动力学?

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怎么根据熔化常数确定温度

确定材料熔点的最基本方法是简单地加热固体晶胞直至熔化。实际上,这意味着运行NVT或NPT系综动力学模拟,同时在运行过程中增加恒温器温度,以模拟真实实验的方式。然而,由于分子动力学中可用的时间尺度很小,加热速率非常高。这一点,再加上小的系统尺寸导致过热,因此仅提供熔化温度的上限。以类似的方式,液体也可以冷却直到结晶,从而产生滞回线,在其间可以找到熔化温度。

一个稍微复杂的过程是共存方法,其中固液界面晶胞在接近预测熔化温度的温度下构建。此方法中的主要计算通常在 NVE 或 NPH 系综中执行。如果整个系统的温度低于熔化温度,则晶胞的某些区域将结晶,产生潜热并提高温度。同样,如果温度过高,一些晶胞会熔化,冷却系统。通过这种方式,分子动力学计算运行足够长的时间将平衡到熔化温度。

论文“通过分子动力学精确计算熔化曲线-Precise calculation of melting curves by molecular dynamics”(Karavaev,2016)很好地概述了可用于确定熔点的不同方法。

除了评估熔点外,共存方法还可用于获得相关属性,例如固液界面刚度或能量,这些属性可用作粗粒度方法(如相场模型)中的参数。

简介:本教程向您展示如何使用共存法计算fcc铜的熔化温度。您将使用(Asadi,2015)中描述的方法的修改和简化版本。

目的:介绍了利用Forcite和嵌入原子法力场用共存法计算金属熔点的方法。

本教程重要节点:

创建力场-平衡晶体-平衡液体-构建共存晶胞-确定熔化温度

1. 创建力场

首先需要一个合适的力场,Materials Studio中包含几个EAM力场。但是,可能需要使用不同的、更适合具体研究体系的力场,或者需要使用标准Materials Studio力场中未包含的元素。EAM 力场通常以几种标准格式之一的表格形式发布,Materials Studio包含一个脚本,用于将这些格式转换为.off格式。还提供了两个包含表格化EAM数据的示例文件,本教程中将使用其中一个。

单击Import按钮并导航到Examples\Scripting文件夹。确保选中All Files (*.*),然后双击ConvertEAMtoOFF.pl。

再次单击Import按钮并双击CuNi_Example.eam.alloy.txt。

在Project Explorer中,双击ConvertEAMtoOFF.pl。将输入文件名(第35行附近)更改为CuNi_Example.eam.alloy,然后按下CTRL+S键。

在Scripting工具栏上,单击Debug按钮。

提示:可以将EAM转换脚本添加到User菜单命令中,并将输入文件名作为参数。有关更多信息,请参阅User菜单教程中的执行脚本(Executing scripts)教程。

脚本现在应该运行,并创建一个名为CuNi_Example.eam.alloy.off的力场文件。打开并查看力场。

打开CuNi_Example.eam.alloy.off力场,选择Interactions选项卡。打开Show interaction下拉菜单。

EAM力场由三种类型的相互作用组成:电子密度、嵌入函数和EAM对势。

一对原子i和j的电子密度函数描述了原子j对i受到的电子密度的贡献。对i的所有邻域求和,得到总电子密度ρ,它构成嵌入函数的输入。接下来,将为铜创建嵌入函数的图像。

将Show interaction设置为Embedding Function。选择Cu力场类型的行。

在Interactions选项卡的顶部,单击Extract To。

创建一个包含两列的数据表,其中包含一系列密度的嵌入能量。

在数据表中选择A列和B列。单击Study Table Viewer工具栏上的Quick Plot按钮

图中显示了当铜原子嵌入给定电子密度的场中时,所储存的能量。在密度为0时,嵌入能量为0,并且随着密度的增加,嵌入能量(负值)的绝对值增加。在一定密度下,嵌入能量变得不那么有利。

将Show interaction设置为EAM Pair Potential。选择用于Cu和Cu力场类型组合的行。在Interactions选项卡的顶部,单击Extract To。

在数据表中,选择A列和B列,然后单击Quick Plot按钮

EAM对势在很大程度上是排斥的,可以防止原子在嵌入能的作用下坍塌。

从菜单栏中选择File | Save Project,然后选择Window | Close All。

2. 平衡晶体

下一步是导入fcc Cu结构。

单击Import按钮,导航至Structures\metals\pure-metals文件夹,双击Cu.xsd文件。选择File | Save As...,将其重命名为Cu_Solid。

要进行真实的分子动力学模拟,需要比单胞中的4个原子多得多的原子数。

选择Build | Symmetry | Supercell,打开Supercell对话框。将三个维度上的Supercell range均设置为10,单击Create Supercell按钮,关闭对话框。

将使用此结构作为共存计算的固体区域的基础。首先,在开始NPT运行之前,使用NVT系综进行短时间计算,以减少应力。由于这是一个初始构型平衡计算,将使用速度标度恒温方法,它能够非常快速地校正动能。

单击Modules工具条上的Forcite按钮,从下拉菜单中选择Calculation,或从菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation。

将Task设置为Dynamics,单击More...按钮,打开Forcite Dynamics对话框。将Ensemble设置为NVT,Temperature设置为1200 K,Frame output every设置为500。在Thermostat选项卡中,选择Velocity Scale为Thermostat,关闭对话框。

在Energy选项卡中,从Forcefield下拉菜单中选择Browse...,然后在Choose Forcefield对话框中,选择CuNi_Example.eam.alloy.off。

使用EAM表格化力场时,无需设置截断距离。在使用EAM时,Forcite将始终使用表格的全部范围。

注意:范德华表格化势能的情况并非如此。使用通常的范德华项截断距离,可在Forcite Non-Bond Options对话框上设置。

单击Run按钮,并关闭对话框。

当NVT运行后,将创建一个新的文件夹Cu_Solid Forcite Dynamics。计算任务完成后,NVT动力学计算的结果将存储在此文件夹中。

接下来,从轨迹的最后一帧开始运行NPT动力学计算。这确保晶格参数具有当前力场的正确平衡值,这可能与实验值略有不同。Andersen恒压方法只允许晶胞中的各向同性变化,这是合适的,因为晶胞应保持立方体。速度标度恒温方法可以以非物理方式改变原子的动力学,这可能会影响计算结果,因此建议使用NHL恒温方法。这对体系的扰动影响要小得多,因此最好用于构型生产运行。

确保Cu_Solid Forcite Dynamics\Cu_Solid.xsd为当前文档,并打开Forcite Calculation对话框,单击Setup选项卡上的More...按钮。

将Ensemble设置为NPT,Total simulation time设置为25 ps,Pressure设置为0.000101325 GPa。

在Thermostat选项卡中,将Thermostat设置为NHL,Q ratio设置为1。

在Barostat选项卡中,将Barostat设置为Andersen。关闭对话框。

单击Run按钮,关闭对话框。

将在现存的Cu_Solid Forcite Dynamics文件夹中,建立一个新的文件夹Cu_Solid Forcite Dynamics。当计算运行时,可以开始建立液体晶胞。

当计算运行时,应保存工程。

从菜单栏中选择File | Save Project,然后选择Window | Close All。

3. 平衡液体

现在需要在高于熔化温度的温度下确定液态铜的密度。实验测定的熔点处,液态铜的密度为8.02 g/cm3。然而,此处使用的原子间势可能会产生不同的值。

将使用Amorphous Cell模块创建初始液态几何构型,并使用分子动力学对此进行平衡。这将在以后用于构建共存单元。

要使用Amorphous Cell模块创建液态单位晶胞,应从包含单个铜原子的原子文档开始。

选择工程根目录并创建一个新的3D原子结构文档3D Atomistic Document,将其重命名为Cu_Atom。

绘制一个铜原子。保存并关闭文档。

现在,将使用Amorphous Cell模块创建初始液态几何构型。由于目的只是在无序状态下创建初始构型,因此可以使用默认的力场Universal。

从菜单栏中选择Modules | Amorphous Cell | Calculation,打开Amorphous Cell Calculation对话框。

在Composition列表中,单击Molecule列,从下拉列表中选择Cu_Atom.xsd。将Loading设置为4000 ,Density设置为8.02。

单击Options...按钮,打开Amorphous Cell Options对话框。取消勾选Optimize geometry复选框,关闭对话框。

在Project Explorer单击树状根目录,单击Run按钮,开始结构创建过程。关闭对话框。

在Project Explorer中将创建一个新文件夹Cu_Atom AC Construct。

当Amorphous Cell计算任务结束后,将输出轨迹的单帧复制到一个新的原子结构文档中。

使得Cu_Atom AC Construct\Cu_Atom.xtd为当前文档。从菜单栏中选择Edit | Select All,然后选择Edit | Copy。

在工程根目录中创建一个新的3D原子结构文档,右键单击该文档,从菜单栏中选择Edit | Paste。

将该文档重命名为Cu_Liquid并保存。

现在,将在1500 K下建立平衡结构密度。将重复前面用于固体的步骤,这次使用更高的温度。

打开Forcite Dynamics Calculation对话框。将Ensemble设置为NVT,Total simulation time设置为5 ps,Temperature设置为1500 K。

在Thermostat选项卡中,将Thermostat设置为Velocity Scale。关闭对话框。

单击Forcite Calculation对话框上的Run按钮。

将创建一个新文件夹Cu_Liquid Forcite Dynamics,NVT计算结果将保存在该文件夹中。等待此计算完成,然后继续进行NPT动力学模拟。

由于该体系是一种液体,可以置入任何形状的单位晶胞中,因此可以要求模拟单位晶胞保持立方体。因此,Andersen恒压方法仍然适用。

确保Cu_Liquid Forcite Dynamics\Cu_Liquid.xsd为当前文档。

打开Forcite Dynamics对话框,将Ensemble设置为NPT,Total simulation time设置为25 ps。在Thermostat选项卡中,将Thermostat设置为NHL。关闭对话框。

单击Run按钮,开始计算,并关闭对话框。

与之前一样,在现存的Cu_Liquid Forcite Dynamics文件夹中,将创建一个新的文件夹Cu_Liquid Forcite Dynamics。现在应该等待所有正在运行的计算完成。完成后,将

C4D基础教程

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1.整个界面右上方的界面下拉菜单可选择布局,也可手动拖拽自定义布局并保存。右边的小放大镜可以搜索C4D所有的功能、命令等。

2.工具栏和菜单都可以自定义并保存。

3.视图右上角四个小图标:移动、缩放、旋转和切换到分割视图。

视图上点鼠标中键可显示透视视图和三视图。

4.alt+鼠标左键旋转视图,E+鼠标左键移动,R+鼠标左键旋转,T+鼠标左键缩放。ctrl+R渲染,alt+R交互式区域渲染。ctrl+tab进入全屏。

1.第一栏:显示物体及其层级关系。选中物体,ctrl+鼠标拖拽即复制物体。

第二栏:第一个方框设置物体所在图层。两个点默认灰色,上面的点点一下变绿表示强制在视图里可见,再点一下变红表示在视图里不可见;下面的点变绿表示强制在渲染里可见,变红表示在渲染里不可见。点击一个向下拖拽可以笔刷式批量修改。箭头表示是否激活对象。

第三栏:标签栏。

右侧标签有:对象、场次、内容浏览器、构造。

2.对象菜单

(1)文件菜单:合并多个对象、另存所选对象为单独的C4D文件、导入对象预设、保存对象预设、导入标签预设、保存标签预设。

(2)编辑菜单:复制粘贴等常规操作、全选、全不选、选择可见对象、选择子集。

3.内容浏览器(相当于C4D内置的资源管理器)

1.上边栏图标

左箭头表示后退操作,上箭头表示到树状结构上一级。

锁:锁定当前对象的参数。

加号:弹出新的属性窗口,编辑其他对象的参数。

同心圆:锁定当前对象的类型。

2.模式(较复杂的在后期专门介绍)

(1)工程模式

显示-活动对象:勾选显示标签,结合显示标签,可单独对某个对象进行显示设置。显示法线。动画路径。等参线。变形器编辑模式。边缘点(线模式下显示点)。旋转带。轮廓线。

过滤:是否显示。

视图:纹理,背面忽视,安全框。

HUD:快捷数据显示。

立体编辑。

3.编辑。复制粘贴全选设置为默认。

4.基本属性栏,坐标(每个对象都有)

P代表轴向移动,S代表轴向缩放,R代表轴向旋转

5.层系统管理器

编辑-工程设置。帧率亚洲一般25帧/秒,渲染设置的帧率要与工程帧率相匹配。

K关键帧实现动画效果。

启用轴心(快捷键L),可更改中心点位置。网格-重置中心轴。

(1)显示

(2)细分曲面

如果只做边缘倒角,其他部分形状保持不变,则把立方体从细分曲面中拉出来,快捷键C转为可编辑对象。选择点模式,右键-循环/路径切割,各个角都切好后再拖入细分曲面。

(1)挤压和内部挤压。新建立方体,快捷键C转为可编辑对象,选择面模式,右键-挤压/内部挤压。

(2)线性切割、平面切割、循环/路径切割。

(3)封闭多边形孔洞。点模式下用。封闭后多余的点线可以选中删除,右键消除。

(4)优化。面模式下删掉某个面,切回点模式,已删除的面的结构点还在,右键-优化可删除这些点。光影着色(线条)下优化,交点连接。

(1)基础选择。框选、多边形、套索。注意选择工具的属性里有一项仅选择可见元素,根据需要进行勾选。

(2)快捷键V,选择工具,对应快捷键。循环选择、环状选择、路径选择、扩展选区、收缩选区、全选、转换选择模式。

(1)灯光类型

灯光:点光源

聚光灯

目标聚光灯:大纲里有一个灯光目标(空白),方便调整灯光角度

区域光:面光,向两边照射,光线较柔和

IES灯:建筑用光,需匹配场景

远光灯:有方向无范围

日光:模拟太阳光

(2)灯光属性

颜色、强度

投影:阴影贴图(软阴影)效果较真实,光线跟踪(强烈)影子较锐利,区域阴影最接近真实阴影但渲染较慢,可对阴影属性进行设置。

工程的排除和包括,设置某个对象是否显示高光、阴影等。

(1)新建摄像机。点大纲里摄像机后面的方框图案即进入摄像机。编辑渲染设置-输出,设置摄像范围。摄像机类型:基础摄像机、目标摄像机、立体摄像机(3D)、运动摄像机(模拟手持摄像机)、摇臂摄像机。

物理天空、天空(自定义)。

自定义天空需要材质来给照明信息。渲染设置-选项-默认灯光,先关闭。双击材质栏,拖动到大纲的天空处,双击材质打开材质编辑器,只勾选发光。

渲染设置-效果-全局光照,模拟环境中所有光照信息,渲染出的光照非常均匀柔和。

HDR贴图。打开材质编辑器,窗口-内容浏览器,搜索HDR(高动态范围图像,记录环境中的灯光信息),选中目标图片拖动到材质编辑器的纹理处。

(1)新建一个地面和一个球体,分别为它们新建两个材质。

为球体某部分着色:转为可编辑模式,选择面模式,选择目标面,新建材质,修改颜色,将该材质直接拖动到目标面上。大纲中显示的小三角为选集标签。同一个物体用不同材质时,大纲后面的纹理标签有层级关系,后面的标签是上层。

(2)材质编辑器。前面有圆圈的属性可以K帧。

漫射:表面不平整的物体,常用于突出细节

透明:设置折射率等参数模拟透明物体

反射:需要环境。层-添加-传统反射,设置反射强度、层颜色。

运动图形-克隆,新建立方体,拖动到克隆子集。

(1)对象属性

模式选择对象,新建一个圆环,将大纲里的圆环拖动到对象栏,则克隆的立方体都附着在圆环上。

模式选择线性,模式可选每步和终点。调整XYZ轴控制排列位置,XYZ轴缩放、旋转,针对每个对象渐次变化的。前面这个旋转不同于步幅旋转的效果。

(2)变换属性

(1)对象属性

(2)封顶属性

几种封顶方式中常用圆角封顶。圆角类型有线性、凸起、凹陷、半圆等。

(3)运动图形文本和画笔文本的区别

转为可编辑模式后,运动图形的文本被拆分为单个字母,画笔的文本则是一个整体。

先网格克隆立方体,选择克隆,新建随机效果器。随机模式选噪波为动态。

选择衰减形状,只有在形状内的物体才会被随机,可对形状K位移、旋转帧。

(2)着色。

(1)扭曲。新建立方体和扭曲,把扭曲放在立方体子集。注意层级关系:绿-浅蓝-深蓝(由外向内)。首先要增加立方体分段数才能实现扭曲。调节扭曲参数。

(2)螺旋。

(3)样条约束。样条约束放在立方体子集,画笔-圆环,把圆环放在样条约束属性的样条里。曲线图任意位置ctrl+鼠标可添加点。

(4)减面。可制作lowpoly效果。

新建地面和球体,大纲球体处右键-模拟标签,有刚体、柔体、碰撞体、布料等。

此处球体选择刚体,地面选择碰撞体,C4D自动产生重力,可ctrl+D调出工程设置-动力学,进行设置。

动力学-激发,立即、在峰速(设关键帧)、开启碰撞。

碰撞-独立元素,关闭、全部。

新建地面、立方体网格克隆和球体,球体为碰撞体或刚体,克隆为刚体,激发都选择开启碰撞,克隆的碰撞独立元素选择全部,为球体添加位移动画去碰撞克隆体。

新建地面和立方体,地面碰撞体,立方体柔体。新建细分曲面,把立方体放在细分曲面子集下,转为可编辑模式。柔体属性,弹簧、保持外形、压力,其中常用的参数有构造、弯曲、硬度、压力。

(1)用布料做桌布。

新建一个平面,组合一个桌子,再新建一个平面放在桌子上方做桌布。地面和桌子都是布料碰撞器,桌布为布料,并转为可编辑模式。将桌布细分曲面会使桌布更柔软,与桌布接触的桌面也要细分够,否则会穿破桌布。

(2)用布料做飘扬的旗帜。

新建平面,旋转为竖向,转为可编辑模式,添加布料。选择点模式,框选左边一列点,布料-修整-固定点-设置。

布料-影响,调整风力强度、风力方向、湍流等。

模拟-粒子发射器。新建宝石,拖动到粒子发射器子集里,发射器-粒子,勾选显示对象,即替换粒子为宝石。常用属性有投射起点、投射终点、速度、生命、旋转。

做一个碗:新建球体-半球体,转为可编辑模式,选择面模式,ctrl+A选择所有面,右键-挤压(注意要勾选创建封顶才会有厚度)。宝石为刚体,碗为碰撞体,注意要选中球体力学里的碰撞标签,其中的外形选择自动(MoDynamics)。

(1)显示。通过K帧来控制可见与否,常用于环境美化。

(2)振动。常用于制作随机动画,启用位置、缩放、旋转。

(3)对齐曲线。常用于摄像机和物体的路径动画。

新建立方体,一个XY方向圆环,一个目标摄像机,摄像机对象设为立方体,为摄像机添加对齐曲线,将圆环拖动到摄像机对齐曲线的曲线路径上,通过K位置关键帧实现摄像机绕着圆环拍摄立方体。

(4)合成。


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