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使用LAMMPS软件进行工业仿真

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本文介绍如何使用E-HPC集群运行LAMMPS开源仿真软件,以3d Lennard-Jones melt模型进行工业仿真,并通过可视化的方式查看仿真结果。

背景信息

LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)是一款经典分子动力学软件。 LAMMPS包含的势函数可用于固体材料(金属、半导体)、软物质(生物大分子,聚合物)、粗粒化或介观尺度模型体系。

E-HPC作为高性能且弹性的计算集群,可为复杂工程和力学结构提供辅助分析,通过大量数据仿真模拟优化产品结构和性能,目前在工业仿真领域的应用越来越多。

准备工作

  1. 创建E-HPC集群。具体操作,请参见使用向导创建集群

    配置集群时,本文使用的软硬件参数配置示例如下:

    参数

    说明

    硬件参数

    部署方式为标准,包含2个管控节点,1个计算节点和1个登录节点,其中计算节点使用vCPU≥32的实例规格(例如ecs.c7.8xlarge)。

    说明

    本示例计算量不大,实际使用中可以依据作业计算量增加计算节点的数量。

    软件参数

    镜像选择CentOS 7.6公共镜像,调度器选择pbs,并打开VNC开关。

  2. 创建集群用户。具体操作,请参见创建用户

    集群用户用于登录集群,进行编译软件、提交作业等操作,本文创建的用户示例如下:

    • 用户名:testuser

    • 用户组:sudo权限组

  3. 安装软件。具体操作,请参见安装软件

    需安装的软件如下:

    • lammps-openmpi,版本为31Mar17

    • openmpi,版本为1.10.7

    • vmd,版本为1.9.3

步骤一:连接集群

选择以下一种方式连接集群。本文使用的用户名为testuser,连接集群后会默认登录到/home/testuser

  • 通过客户端

    该方式仅支持使用PBS调度器的集群。操作前,请确保您已下载安装E-HPC客户端,且已配置客户端所需环境。具体操作,请参见配置客户端所需环境

    1. 打开并登录E-HPC客户端。

    2. 在客户端左侧导航栏,单击会话管理

    3. 会话管理页面的右上角,单击terminal,打开Terminal窗口。

  • 通过控制台

    1. 登录弹性高性能计算控制台

    2. 在顶部菜单栏左上角处,选择地域。

    3. 在左侧导航栏,单击集群

    4. 集群页面,找到目标集群,单击远程连接

    5. 远程连接页面,输入集群用户名、登录密码和端口,单击ssh连接

步骤二:提交作业

  1. 执行以下命令创建算例文件,算例文件命名为lj.in。

    vim lj.in

    算例内容示例如下:

    # 3d Lennard-Jones melt
    
    variable        x index 1
    variable        y index 1
    variable        z index 1
    
    variable        xx equal 20*$x
    variable        yy equal 20*$y
    variable        zz equal 20*$z
    
    units           lj
    atom_style      atomic
    
    lattice         fcc 0.8442
    region          box block 0 ${xx} 0 ${yy} 0 ${zz}
    create_box      1 box
    create_atoms    1 box
    mass            1 1.0
    
    velocity        all create 1.44 87287 loop geom
    
    pair_style      lj/cut 2.5
    pair_coeff      1 1 1.0 1.0 2.5
    
    neighbor        0.3 bin
    neigh_modify    delay 0 every 20 check no
    
    fix             1 all nve
    dump 1 all xyz 100 sample.xyz
    run             10000
  2. 执行以下命令创建作业脚本文件,脚本文件命名为lammps.pbs。

    vim lammps.pbs

    作业脚本内容示例如下:

    说明

    以下示例使用1个计算节点的32 vCPU,使用32个MPI任务进行高性能计算。请根据实际计算节点规格配置vCPU数,算力要求vCPU≥32。

    #!/bin/sh
    #PBS -l select=1:ncpus=32:mpiprocs=32     
    #PBS -j oe
    
    export MODULEPATH=/opt/ehpcmodulefiles/   #module命令依赖的环境变量
    module load lammps-openmpi/31Mar17
    module load openmpi/1.10.7
    
    echo "run at the beginning"
    mpirun lmp -in ./lj.in                    #请根据实际修改lj.in文件的路径
  3. 执行以下命令提交作业。

    qsub lammps.pbs

    预期返回如下,表示生成的作业ID为0.scheduler。

    0.scheduler

步骤三:查看作业结果

  1. 执行以下命令查看作业结果。

    cat lammps.pbs.o0
    说明

    如果您不指定作业标准输出路径,则默认按照调度器行为生成输出文件。默认作业结果文件输出/home/<用户名>/目录下,本示例中的作业结果文件为/home/testuser/lammps.pbs.o0

    预期返回如下:

    ......
    Per MPI rank memory allocation (min/avg/max) = 3.777 | 3.801 | 3.818 Mbytes
    Step Temp E_pair E_mol TotEng Press 
           0         1.44   -6.7733681            0   -4.6134356   -5.0197073 
       10000   0.69814375   -5.6683212            0   -4.6211383   0.75227555 
    Loop time of 9.81493 on 32 procs for 10000 steps with 32000 atoms
    
    Performance: 440145.641 tau/day, 1018.856 timesteps/s
    97.0% CPU use with 32 MPI tasks x no OpenMP threads
    
    MPI task timing breakdown:
    Section |  min time  |  avg time  |  max time  |%varavg| %total
    ---------------------------------------------------------------
    Pair    | 6.0055     | 6.1975     | 6.3645     |   4.0 | 63.14
    Neigh   | 0.90095    | 0.91322    | 0.92938    |   0.9 |  9.30
    Comm    | 2.1457     | 2.3105     | 2.4945     |   6.9 | 23.54
    Output  | 0.16934    | 0.1998     | 0.23357    |   4.3 |  2.04
    Modify  | 0.1259     | 0.13028    | 0.13602    |   0.8 |  1.33
    Other   |            | 0.06364    |            |       |  0.65
    
    Nlocal:    1000 ave 1022 max 986 min
    Histogram: 5 3 6 3 4 4 2 2 1 2
    Nghost:    2705.62 ave 2733 max 2668 min
    Histogram: 1 1 0 3 7 5 4 5 4 2
    Neighs:    37505 ave 38906 max 36560 min
    Histogram: 7 3 2 4 5 2 3 3 2 1
    
    Total # of neighbors = 1200161
    Ave neighs/atom = 37.505
    Neighbor list builds = 500
    Dangerous builds not checked
    Total wall time: 0:00:10
  2. 使用VNC可视化查看作业结果。

    1. 打开VNC。

      说明

      请确保集群所属安全组已打开VNC所需端口。控制台操作时系统会自动打开12016端口,客户端操作时,请您自行打开端口,首个VNC窗口使用12017端口,如果有多个用户使用VNC,则端口号按顺序递增。

      • 通过客户端

        1. 在客户端的左侧导航栏,单击会话管理

        2. 在会话管理页面的右上角,单击VNC,打开VNC窗口。

      • 通过控制台

        1. 弹性高性能计算控制台的左侧导航栏,单击集群

        2. 集群页面,找到目标集群,单击更多 > VNC

        3. 使用VNC远程连接可视化服务。具体操作,请参见连接可视化服务

    2. 在VNC窗口中,选择Application>System Tools>Terminal

    3. 运行/opt/vmd/1.9.3/vmd打开VMD软件。

    4. 在VMD Main对话框中,选择File > New Molecule...

    5. 单击Filename处对应的Browse...,选择结果文件sample.xyz。

      说明

      sample.xyz文件的路径为/home/testuser/sample.xyz。

    6. 单击Load,可在VMD 1.9.3 OpenGL Display窗口查看可视化结果。

      lammps-vnd

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