J-OCTA跨尺度分子模拟：为材料设计与新材料开发提供尖端技术支持

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导语：作为一款跨尺度分子动力学软件，J-Octa能够从原子级到微米级的范围内对橡胶、塑料、薄膜、涂料及电解质材料等的开发所需的材料特性进行预测的“材料物性分析软件”。也可以将其作为“知识发现工具”用来理解那些在实验中无法完全把握的复杂现象和材料物性。8月29日19时，仿真秀认证机构庭田科技将邀请分子动力学领域湘潭大学唐现琼老师，在仿真秀官网和App为大家带来《J-OCTA跨尺度模拟软件：一座连接分子模拟、粗粒化与有限元的桥梁》公开课，报名后立即观看并提供回放，详情见后文。

一、跨尺度分子动力学软件J-Octa

计算物理学作为探索微观和纳观世界的规律方法，使研究人员更加细微的掌握复杂材料特性和现象，而这些现象是无法通过实验结果获得的。

J-Octa作为一款跨尺度分子动力学软件能够实现从本质上理解材料组分与性能间的关系。更能从原子级到微米级的范围内对橡胶、塑料、薄膜、涂料及电解质材料等的开发所需的材料特性进行预测。J-Octa通过在共享平台上与面向各尺度开发的模拟器合作，为材料设计与新材料开发提供最尖端的技术支持

（图1：软件架构）

J-Octa作为计算软件优于其他软件的地方在于J-OCTA中所有输入数据和计算结果都对用户开放，便于定制运算。J-Octa通过开源多尺度仿真平台用UDF文本传递数据、利用并行求解器+功能扩展及外部扩展器解析，将所有所有功能集成到GUI界面中，为用户使用提供了较大便利。

（图2：离子液体的MD模拟）

（图3：全原子及粗粒化模型示意图）

二、J-Octa作为模拟分析软件的具体应用

1、高分子的交联结构模拟

（1）利用J-OCTA/ VSOP，模拟DGEBA、44DDS交联为环氧树脂的过程（如图4）

（图4，Ref: T. Okabe,“Atomistic simulation of curing and mechanical properties of Epoxy resin”, J-OCTA Users Conference 2014）

（2）弹性模量的模拟（如图5）

（图5，Ref: V. Sundararaghavan, A. Kumar, International Journal of Plasticity, 47, 111 (2013)）

• NPT系综、伸长率为10.22m/s

• 施加5%应变，拟合应力-应变曲线得到弹性模量

• 模拟得到的弹性模量:4.22GPa(实验值:3.76GPa)

2. 机器学习（如图6）

（图6）

3. 代表性体积单元（RVE）µ-FEM（如图7）

从分散相到STL界面或体素网格
从分散填料到STL或位置信息

（图7）

4. 分散相结构

• 非线性结构分析：采用J-OCTA获得橡胶、树脂的相分离（如图8、9）

（图8）

（图9）

5. 粗粒化（CG）模型的典型案例（如图10）

• 具有交联结构的橡胶

• 交联、填料-聚合物作用的影响

（图10：左图为无交联网络、不同变形速度下的应力应变曲线；右图为存在交联网络（变形速度为0.001）的应力应变曲线）

6. 循环拉伸变形下的填充橡胶模拟

（1）从形态学（Morphology）的角度讨论动态响应差异的来源（如图11）

（图11，数据来源：

）

（2）滞后机理（如图12）

（图12，数据来源：

）

7. 缠结熔体聚合物的动力学行为（如图13）

（图13）

三、J-Octa分子模拟公开课

为了更好的为大家讲解J-Octa软件及其广泛应用，8月29日19时，湘潭大学唐老师受邀在仿真秀官网和App为科研工作者和工程师朋友带来J-Octa软件的详细讲解和应用。

1、讲师介绍

唐现琼工学博士湘潭大学硕士研究生导师

长期从事基础力学与力学交叉方面的计算机模拟研究，在宏观材料的有限元分析计算(ANSYS、ABAQUS等)、微观材料的分子模拟(MaterialsStudio、LAMMPS、J-OCTA等)计算方面已有近10年的经验，主持湖南省自然科学基金、湖南省研究生创新基金、湘潭大学科研启动基金多项。参与国家自然科学基金、湖南省自然科学基金多项。主持构建湘潭大学机械工程与力学学院中科曙光高性能计算集群并担任管理员。

研究方向

工程应用方面：

固体力学的CAE应用，含: ABAQUS、ANSYSWorkbench等；
流体力学的CAE应用，含: Fluent、Polyflow等；
离散元软件的应用，含: EDEM、Rocky DEM等；
基于人工智能的港口、矿山设备的健康监测与寿命预估，含: 传感器、信号传输、MATLAB信号分析与处理、TensorFlow信号分析与处理、高性能计算平台、大数据展示平台等。

科学研究方面：