ylniu/dynamics
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feat: 新增波形能量动画系统 plot_wave.py

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- 创建 plot_wave.py: 从 display.txt 读取原子位移数据
  绘制纵波(x) + 横波(y) + 横波(z) 波形随时间的动画
  同时绘制系统动能/弹性势能/总能量/输入功率(dE/dt)时变曲线
  输出 wave_animation.gif
- 所有 input.txt 新增 step_plot_wave: 0 开关
- case05 开启 step_plot_wave: 1
- dynamics.py disp_data 新增 bond_stiffness/bond_rest_lengths
- 更新案例文档
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Ying-Li Niu
2026-06-11 12:39:46 +08:00
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commit 80520590d1
20 changed files with 1231 additions and 86 deletions
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draw.py
+89 -16
View File
@@ -317,10 +317,11 @@ def update_camera_info(event=None):
c = view.camera
camera_info.text = (
"Camera\n"
f"center = ({c.center[0]:.2f}, {c.center[1]:.2f}, {c.center[2]:.2f})\n"
f"distance = {c.distance:.2f}\n"
f"elevation = {c.elevation:.2f}\n"
f"azimuth = {c.azimuth:.2f}"
f"center = ({c.center[0]:.1f}, {c.center[1]:.1f}, {c.center[2]:.1f})\n"
f"distance = {c.distance:.1f}\n"
f"elevation = {c.elevation:.1f}\n"
f"azimuth = {c.azimuth:.1f}\n"
f"step = {PAN_SPEED:.1f} | {'透视' if _PERSPECTIVE else '正交'}"
)
@@ -333,6 +334,7 @@ def update_ball_info(frame_idx, x, y, z, vx, vy, vz):
f"t = {t:.2f} s | dt = {DT:.3f} s | nstep = {NSTEP}\n"
f"Position: ({x:.2f}, {y:.2f}, {z:.2f})\n"
f"Velocity: ({vx:.2f}, {vy:.2f}, {vz:.2f})\n"
f"W/S 沿Z轴 | A/D 左右 | Q/E 升降 | C/X 步长 | V 透视/正交"
)
@@ -358,28 +360,99 @@ def reposition_camera_info(event=None):
update_camera_info()
# ── 平移速度 & 投影模式（全局变量）──
PAN_SPEED = 1.0
_PERSPECTIVE = True # True=透视, False=正交
def handle_view_interaction(event):
update_camera_info()
def rotate_about_screen_normal(angle):
if hasattr(view.camera, "roll"):
view.camera.roll = (view.camera.roll + angle) % 360
else:
view.camera.azimuth = (view.camera.azimuth + angle) % 360
update_camera_info()
def handle_key_press(event):
global PAN_SPEED, _PERSPECTIVE
key_name = ""
if getattr(event, "text", None):
key_name = event.text.lower()
elif getattr(event, "key", None) is not None:
key_name = str(event.key).lower()
if key_name == "q":
rotate_about_screen_normal(-90)
elif key_name == "e":
rotate_about_screen_normal(90)
c = view.camera
# ── 投影切换 ──
if key_name == "v":
_PERSPECTIVE = not _PERSPECTIVE
try:
if _PERSPECTIVE:
c.fov = 60.0
else:
c.fov = 0.0
print(f"[draw] 投影模式: {'透视' if _PERSPECTIVE else '正交'}")
except Exception:
print("[draw] 当前相机不支持 fov 切换")
update_camera_info()
return
# ── 步长控制 ──
if key_name == "c":
PAN_SPEED = min(PAN_SPEED * 1.5, 50.0)
print(f"[draw] 步长: {PAN_SPEED:.1f}")
update_camera_info()
return
elif key_name == "x":
PAN_SPEED = max(PAN_SPEED / 1.5, 0.05)
print(f"[draw] 步长: {PAN_SPEED:.1f}")
update_camera_info()
return
# ── 计算相机方向向量 ──
import math as _math
azim_rad = _math.radians(c.azimuth)
elev_rad = _math.radians(c.elevation)
# 视线方向（从 center 指向相机）
vd = np.array([
_math.cos(elev_rad) * _math.sin(azim_rad),
_math.sin(elev_rad),
_math.cos(elev_rad) * _math.cos(azim_rad),
])
vd /= np.linalg.norm(vd)
# 屏幕右方向
world_up = np.array([0.0, 1.0, 0.0])
right = np.cross(vd, world_up)
rn = np.linalg.norm(right)
if rn > 1e-10:
right /= rn
else:
right = np.array([1.0, 0.0, 0.0])
# 屏幕上方向
up = np.cross(right, vd)
un = np.linalg.norm(up)
if un > 1e-10:
up /= un
else:
up = np.array([0.0, 1.0, 0.0])
pan = PAN_SPEED * 0.3
if key_name == "a": # 右移（屏幕右方向）
c.center = tuple(np.array(c.center) + right * pan)
elif key_name == "d": # 左移（屏幕右方向负向）
c.center = tuple(np.array(c.center) - right * pan)
elif key_name == "e": # 上升（屏幕上方向，原 W 的功能）
c.center = tuple(np.array(c.center) + up * pan)
elif key_name == "q": # 下降（屏幕上方向负向，原 S 的功能）
c.center = tuple(np.array(c.center) - up * pan)
elif key_name == "w": # 相机沿 Z 轴上移（靠近场景）
c.center = (c.center[0], c.center[1], c.center[2] + pan)
elif key_name == "s": # 相机沿 Z 轴下移（远离场景）
c.center = (c.center[0], c.center[1], c.center[2] - pan)
else:
return
update_camera_info()
def reset_camera_view():
dynamics.py
+12 -1
View File
@@ -125,7 +125,7 @@ def run_case(config_path, runtime_base, input_dir="input", output_dir="output",
print(f"[run] 同时指定了 T_total 和 NT，使用 NT={config['NT']}")
# 显示步骤控制信息
steps_info = {k: config.get(k, 1) for k in ["step_simulate", "step_sample", "step_plot", "step_animation"]}
steps_info = {k: config.get(k, 1) for k in ["step_simulate", "step_sample", "step_plot", "step_plot_wave", "step_animation"]}
step_flags = ", ".join(f"{k}={v}" for k, v in steps_info.items())
print(f"[run] 步骤开关: {step_flags}")
@@ -295,6 +295,8 @@ def run_case(config_path, runtime_base, input_dir="input", output_dir="output",
"atom_velocities": data["atom_velocities"] if "atom_velocities" in data else np.array([[float(data["VX0"]), float(data["VY0"]), float(data["VZ0"])]]),
"atom_fixed": data["atom_fixed"] if "atom_fixed" in data else np.array([[0, 0, 0]]),
"bond_pairs": data.get("bond_pairs", np.zeros((0, 2), dtype=np.int64)).tolist(),
"bond_stiffness": data.get("bond_stiffness", np.zeros(0, dtype=np.float64)).tolist(),
"bond_rest_lengths": data.get("bond_rest_lengths", np.zeros(0, dtype=np.float64)).tolist(),
"warmup_steps": warmup_steps,
"sample_start": sample_start,
"sample_end": sample_end,
@@ -500,6 +502,15 @@ def run_case(config_path, runtime_base, input_dir="input", output_dir="output",
else:
print("[run] 运行 python draw.py 查看动画。")
# 6. 波形能量动画（可选）
if config.get("step_plot_wave", 0):
try:
import plot_wave as pw
print("[run] 正在绘制波形与能量图…")
pw.plot_wave(str(output_dir_abs))
except Exception as e:
print(f"[run] 绘制波形图失败: {e}")
def main():
parser = argparse.ArgumentParser(description="物理模拟统一入口")
examples/case01/input/input.txt
+1
View File
@@ -8,6 +8,7 @@
step_simulate: 1 # 运行物理模拟 → output/trajectory.txt
step_sample: 1 # 抽帧 → output/display.txt
step_plot: 1 # 绘制轨迹/能量图 → output/trajectory_plots.png
step_plot_wave: 0 # 绘制波形能量动画 → output/wave_animation.gif
step_animation: 1 # 自动播放 VisPy 3D 动画窗口（需安装 vispy）
force_calc: 0 # 强制重新计算：1=跳过缓存强算，0=自动使用已有输出
examples/case02/input/input.txt
+1
View File
@@ -8,6 +8,7 @@
step_simulate: 1 # 运行物理模拟 → output/trajectory.txt
step_sample: 1 # 抽帧 → output/display.txt
step_plot: 1 # 绘制轨迹/能量图 → output/trajectory_plots.png
step_plot_wave: 0 # 绘制波形能量动画 → output/wave_animation.gif
step_animation: 1 # 自动播放 VisPy 3D 动画窗口（需安装 vispy）
force_calc: 0 # 强制重新计算：1=跳过缓存强算，0=自动使用已有输出
examples/case03/input/input.txt
+1
View File
@@ -8,6 +8,7 @@
step_simulate: 1 # 运行物理模拟 → output/trajectory.txt
step_sample: 1 # 抽帧 → output/display.txt
step_plot: 0 # 绘制轨迹/能量图 → output/trajectory_plots.png
step_plot_wave: 0 # 绘制波形能量动画 → output/wave_animation.gif
step_animation: 1 # 自动播放 VisPy 3D 动画窗口（需安装 vispy）
force_calc: 0 # 强制重新计算：1=跳过缓存强算，0=自动使用已有输出
examples/case04/input/input.txt
+1
View File
@@ -8,6 +8,7 @@
step_simulate: 1 # 运行物理模拟 → output/trajectory.txt
step_sample: 1 # 抽帧 → output/display.txt
step_plot: 0 # 绘制轨迹/能量图 → output/trajectory_plots.png
step_plot_wave: 0 # 绘制波形能量动画 → output/wave_animation.gif
step_animation: 1 # 自动播放 VisPy 3D 动画窗口（需安装 vispy）
force_calc: 0 # 强制重新计算：1=跳过缓存强算，0=自动使用已有输出
examples/case05/doc/index.html
+8 -2
View File
@@ -356,10 +356,14 @@ step_animation: 1 # 播放动画</pre>
<tr><th>操作</th><th>效果</th></tr>
<tr><td>鼠标拖动</td><td>旋转视角</td></tr>
<tr><td>滚轮</td><td>缩放</td></tr>
<tr><td>W / S 键</td><td>相机沿 Z 轴向前 / 向后移动（靠近/远离场景）</td></tr>
<tr><td>A / D 键</td><td>视角向右 / 向左平移</td></tr>
<tr><td>E / Q 键</td><td>视角上升 / 下降（屏幕方向）</td></tr>
<tr><td>C / X 键</td><td>增大 / 减小步长</td></tr>
<tr><td>V 键</td><td>切换透视 / 正交投影</td></tr>
<tr><td>左上角 <strong>reset</strong> 按钮</td><td>复位视角到初始位置</td></tr>
<tr><td>左上角 <strong>info</strong> 按钮</td><td>切换信息面板显示/隐藏</td></tr>
<tr><td>左上角 <strong>axes</strong> 按钮</td><td>切换坐标轴显示/隐藏</td></tr>
<tr><td>Q / E 键</td><td>画面绕视向旋转 -90° / +90°</td></tr>
</table>
</div>
</section>
@@ -395,6 +399,7 @@ step_animation: 1 # 播放动画</pre>
<tr><td>step_simulate</td><td>跳过模拟（加载已有轨迹）</td><td>运行物理模拟</td></tr>
<tr><td>step_sample</td><td>跳过抽帧</td><td>从轨迹抽取显示帧</td></tr>
<tr><td>step_plot</td><td>不生成图表</td><td>生成轨迹/能量图</td></tr>
<tr><td><strong>step_plot_wave</strong></td><td>不生成波形图</td><td>生成波形能量动画 GIF</td></tr>
<tr><td>step_animation</td><td>不启动动画</td><td>自动打开 VisPy 3D 窗口</td></tr>
<tr><td>force_calc</td><td>自动检测缓存</td><td>强制重新计算</td></tr>
</table>
@@ -418,7 +423,8 @@ step_animation: 1 # 播放动画</pre>
│ ├── trajectory.txt # 全量轨迹数据（10000 步 × 60 原子）
│ ├── display.txt # 抽帧后的动画数据（200 帧 × 60 原子）
│ ├── dynamics.log # 计算日志
│ └── animation.log # 动画启动日志（闪退时排查用）
│ ├── animation.log # 动画启动日志（闪退时排查用）
│ └── wave_animation.gif # 波形能量动画（step_plot_wave=1 时生成）
├── doc/
│ └── index.html # <span class="cm">本文档</span>
├── Readme.md # 案例简介
examples/case05/input/bond.txt
+1 -1
View File
@@ -1,2 +1,2 @@
bond_name k rest_length
k1 50.0 1.0
k1 100.0 1.0
examples/case05/input/coord.txt
+60 -60
View File
@@ -1,61 +1,61 @@
n mass radius x y z vx vy vz fix_x fix_y fix_z
1 1 0.1 0 0 1 0 0 0 1 1 0
2 1 0.1 1 0 0 0 0 0 1 1 0
3 1 0.1 2 0 0 0 0 0 1 1 0
4 1 0.1 3 0 0 0 0 0 1 1 0
5 1 0.1 4 0 0 0 0 0 1 1 0
6 1 0.1 5 0 0 0 0 0 1 1 0
7 1 0.1 6 0 0 0 0 0 1 1 0
8 1 0.1 7 0 0 0 0 0 1 1 0
9 1 0.1 8 0 0 0 0 0 1 1 0
10 1 0.1 9 0 0 0 0 0 1 1 0
11 1 0.1 10 0 0 0 0 0 1 1 0
12 1 0.1 11 0 0 0 0 0 1 1 0
13 1 0.1 12 0 0 0 0 0 1 1 0
14 1 0.1 13 0 0 0 0 0 1 1 0
15 1 0.1 14 0 0 0 0 0 1 1 0
16 1 0.1 15 0 0 0 0 0 1 1 0
17 1 0.1 16 0 0 0 0 0 1 1 0
18 1 0.1 17 0 0 0 0 0 1 1 0
19 1 0.1 18 0 0 0 0 0 1 1 0
20 1 0.1 19 0 0 0 0 0 1 1 0
21 1 0.1 20 0 0 0 0 0 1 1 0
22 1 0.1 21 0 0 0 0 0 1 1 0
23 1 0.1 22 0 0 0 0 0 1 1 0
24 1 0.1 23 0 0 0 0 0 1 1 0
25 1 0.1 24 0 0 0 0 0 1 1 0
26 1 0.1 25 0 0 0 0 0 1 1 0
27 1 0.1 26 0 0 0 0 0 1 1 0
28 1 0.1 27 0 0 0 0 0 1 1 0
29 1 0.1 28 0 0 0 0 0 1 1 0
30 1 0.1 29 0 0 0 0 0 1 1 0
31 1 0.1 30 0 0 0 0 0 1 1 0
32 1 0.1 31 0 0 0 0 0 1 1 0
33 1 0.1 32 0 0 0 0 0 1 1 0
34 1 0.1 33 0 0 0 0 0 1 1 0
35 1 0.1 34 0 0 0 0 0 1 1 0
36 1 0.1 35 0 0 0 0 0 1 1 0
37 1 0.1 36 0 0 0 0 0 1 1 0
38 1 0.1 37 0 0 0 0 0 1 1 0
39 1 0.1 38 0 0 0 0 0 1 1 0
40 1 0.1 39 0 0 0 0 0 1 1 0
41 1 0.1 40 0 0 0 0 0 1 1 0
42 1 0.1 41 0 0 0 0 0 1 1 0
43 1 0.1 42 0 0 0 0 0 1 1 0
44 1 0.1 43 0 0 0 0 0 1 1 0
45 1 0.1 44 0 0 0 0 0 1 1 0
46 1 0.1 45 0 0 0 0 0 1 1 0
47 1 0.1 46 0 0 0 0 0 1 1 0
48 1 0.1 47 0 0 0 0 0 1 1 0
49 1 0.1 48 0 0 0 0 0 1 1 0
50 1 0.1 49 0 0 0 0 0 1 1 0
51 1 0.1 50 0 0 0 0 0 1 1 0
52 1 0.1 51 0 0 0 0 0 1 1 0
53 1 0.1 52 0 0 0 0 0 1 1 0
54 1 0.1 53 0 0 0 0 0 1 1 0
55 1 0.1 54 0 0 0 0 0 1 1 0
56 1 0.1 55 0 0 0 0 0 1 1 0
57 1 0.1 56 0 0 0 0 0 1 1 0
58 1 0.1 57 0 0 0 0 0 1 1 0
59 1 0.1 58 0 0 0 0 0 1 1 0
60 1 0.1 59 0 0 0 0 0 1 1 0
1 1 0.1 0 0 1 0 0 0 0 1 1
2 1 0.1 1 0 0 0 0 0 0 1 1
3 1 0.1 2 0 0 0 0 0 0 1 1
4 1 0.1 3 0 0 0 0 0 0 1 1
5 1 0.1 4 0 0 0 0 0 0 1 1
6 1 0.1 5 0 0 0 0 0 0 1 1
7 1 0.1 6 0 0 0 0 0 0 1 1
8 1 0.1 7 0 0 0 0 0 0 1 1
9 1 0.1 8 0 0 0 0 0 0 1 1
10 1 0.1 9 0 0 0 0 0 0 1 1
11 1 0.1 10 0 0 0 0 0 0 1 1
12 1 0.1 11 0 0 0 0 0 0 1 1
13 1 0.1 12 0 0 0 0 0 0 1 1
14 1 0.1 13 0 0 0 0 0 0 1 1
15 1 0.1 14 0 0 0 0 0 0 1 1
16 1 0.1 15 0 0 0 0 0 0 1 1
17 1 0.1 16 0 0 0 0 0 0 1 1
18 1 0.1 17 0 0 0 0 0 0 1 1
19 1 0.1 18 0 0 0 0 0 0 1 1
20 1 0.1 19 0 0 0 0 0 0 1 1
21 1 0.1 20 0 0 0 0 0 0 1 1
22 1 0.1 21 0 0 0 0 0 0 1 1
23 1 0.1 22 0 0 0 0 0 0 1 1
24 1 0.1 23 0 0 0 0 0 0 1 1
25 1 0.1 24 0 0 0 0 0 0 1 1
26 1 0.1 25 0 0 0 0 0 0 1 1
27 1 0.1 26 0 0 0 0 0 0 1 1
28 1 0.1 27 0 0 0 0 0 0 1 1
29 1 0.1 28 0 0 0 0 0 0 1 1
30 1 0.1 29 0 0 0 0 0 0 1 1
31 1 0.1 30 0 0 0 0 0 0 1 1
32 1 0.1 31 0 0 0 0 0 0 1 1
33 1 0.1 32 0 0 0 0 0 0 1 1
34 1 0.1 33 0 0 0 0 0 0 1 1
35 1 0.1 34 0 0 0 0 0 0 1 1
36 1 0.1 35 0 0 0 0 0 0 1 1
37 1 0.1 36 0 0 0 0 0 0 1 1
38 1 0.1 37 0 0 0 0 0 0 1 1
39 1 0.1 38 0 0 0 0 0 0 1 1
40 1 0.1 39 0 0 0 0 0 0 1 1
41 1 0.1 40 0 0 0 0 0 0 1 1
42 1 0.1 41 0 0 0 0 0 0 1 1
43 1 0.1 42 0 0 0 0 0 0 1 1
44 1 0.1 43 0 0 0 0 0 0 1 1
45 1 0.1 44 0 0 0 0 0 0 1 1
46 1 0.1 45 0 0 0 0 0 0 1 1
47 1 0.1 46 0 0 0 0 0 0 1 1
48 1 0.1 47 0 0 0 0 0 0 1 1
49 1 0.1 48 0 0 0 0 0 0 1 1
50 1 0.1 49 0 0 0 0 0 0 1 1
51 1 0.1 50 0 0 0 0 0 0 1 1
52 1 0.1 51 0 0 0 0 0 0 1 1
53 1 0.1 52 0 0 0 0 0 0 1 1
54 1 0.1 53 0 0 0 0 0 0 1 1
55 1 0.1 54 0 0 0 0 0 0 1 1
56 1 0.1 55 0 0 0 0 0 0 1 1
57 1 0.1 56 0 0 0 0 0 0 1 1
58 1 0.1 57 0 0 0 0 0 0 1 1
59 1 0.1 58 0 0 0 0 0 0 1 1
60 1 0.1 59 0 0 0 0 0 1 1 1
examples/case05/input/driver.txt
+1 -1
View File
@@ -1,2 +1,2 @@
n amp_x amp_y amp_z freq_x freq_y freq_z phi_x phi_y phi_z period
1 0 0 1 0 0 0.1 0 0 90 all
1 0.5 0 0 1 0 0 0 0 0 all
examples/case05/input/input.txt
+6 -5
View File
@@ -5,15 +5,16 @@
# ── 流程控制 ──────────────────────────────────
# 每步用 0/1 单独开关，1=执行，0=跳过
# 依赖关系：抽帧依赖模拟结果，绘图依赖模拟+抽帧
step_simulate: 1 # 运行物理模拟 → output/trajectory.txt
step_sample: 1 # 抽帧 → output/display.txt
step_simulate: 0 # 运行物理模拟 → output/trajectory.txt
step_sample: 0 # 抽帧 → output/display.txt
step_plot: 0 # 绘制轨迹/能量图 → output/trajectory_plots.png
step_animation: 1 # 自动播放 VisPy 3D 动画窗口（需安装 vispy）
step_animation: 0 # 自动播放 VisPy 3D 动画窗口（需安装 vispy）
step_plot_wave: 1 # 绘制波形图
force_calc: 0 # 强制重新计算：1=跳过缓存强算，0=自动使用已有输出
# ── 计算引擎 ──────────────────────────────────
# 可选: python, c, cpp, fortran, java
engine: python # 默认使用 Python 引擎
engine: python # 默认使用 python 引擎
# ── 盒子 ──────────────────────────────────────
box_a: 80.0 # 立方体半边长，粒子被限制在 [-box_a, box_a]³ 内
@@ -60,7 +61,7 @@ warmup_steps: 0 # 默认 0（立即开始记录）
# 总模拟时间（秒），程序自动计算 NT = T_total / DT
# 如果同时指定了 NT，以 NT 为准
T_total: 100.0
T_total: 10.0
# 抽帧间隔（每 NSTEP 步取一帧用于动画）
NSTEP: 50
examples/case06/Readme.md
+42
View File
@@ -0,0 +1,42 @@
# case05: 一维原子链驱动力学模拟
60 个原子沿 x 轴排列，相邻原子用弹簧连接。原子 1 受驱动力作用。
## 物理设定
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 原子数 | 60 |
| 排列 | 沿 x 轴等间距排列，间距为 1 |
| 约束 | 原子**只沿 z 方向**振动（fix_x=1, fix_y=1, fix_z=0） |
| 弹簧 | 劲度系数 k=1.0，原长 L₀=1.0 |
| 重力 | 无 |
| 万有引力 | 无 |
| 阻尼 | 无 |
| 驱动力 | 原子 1（详见 driver.txt） |
| 算法 | leapfrog（蛙跳法，能量守恒） |
## 驱动力
原子 1 的位置由 `input/driver.txt` 中的驱动力公式决定：
```math
z(t) = A_z \cdot \cos(2\pi f_z t + \phi_z)
```
当前参数：A_z = 5.0, f_z = 1.0 Hz, φ_z = 90°（全程驱动）。
受驱原子完全忽略 coord.txt 中的初始坐标和 fix 约束，位置/速度由驱动力解析确定。
## 动力学行为
原子 1 的受迫振动通过弹簧逐次传递给相邻原子，形成沿链传播的横波。由于横向振动的几何非线性（弹簧张力主要在 x 方向），z 方向有效刚度低，波速较慢，呈现 FPU 型非线性动力学特征。
## 使用方法
```bash
cd examples/case05
python run_dynamics.py
```
配置参数详见 `input/input.txt`，驱动力定义见 `input/driver.txt`，完整文档见 `doc/index.html`。
examples/case06/doc/index.html
+473
View File
@@ -0,0 +1,473 @@
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<title>case05 — 一维原子链驱动力学模拟 | 物理原理 &amp; 使用文档</title>
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</head>
<body>
<!-- ============================================================ -->
<!-- Header -->
<!-- ============================================================ -->
<header class="hero">
<h1>一维原子链驱动力学模拟</h1>
<p class="subtitle">60 个原子沿 x 轴排列 · 弹簧连接 · z 方向受迫振动</p>
<span class="badge">case05 · examples/case05</span>
</header>
<div class="container">
<!-- ============================================================ -->
<!-- TOC -->
<!-- ============================================================ -->
<section>
<h2>目录</h2>
<ol class="toc">
<li><a href="#physics">物理原理</a></li>
<li><a href="#algorithm">数值算法</a></li>
<li><a href="#driver">驱动力模型</a></li>
<li><a href="#usage">使用方法</a></li>
<li><a href="#params">参数参考</a></li>
<li><a href="#files">文件结构</a></li>
<li><a href="#troubleshoot">常见问题</a></li>
</ol>
</section>
<!-- ============================================================ -->
<!-- 1. Physics -->
<!-- ============================================================ -->
<section id="physics">
<h2>一、物理原理</h2>
<div class="card">
<h3>1.1 一维原子链</h3>
<p>60 个原子沿 <strong>x 轴</strong> 等间距排列，原子间距为 1。相邻原子之间用 <strong>理想弹簧</strong> 连接，弹簧的劲度系数 <em>k</em> = 1.0，原长 <em>L</em>₀ = 1.0（与原子间距一致，初始状态弹簧无拉伸）。</p>
<p>每个原子被限制在 <strong>z 方向</strong> 自由振动，x 和 y 方向锁定（<code>fix_x=1, fix_y=1, fix_z=0</code>）。</p>
</div>
<div class="card">
<h3>1.2 弹簧力（胡克定律）</h3>
<p>当原子 <em>i</em> 和 <em>j</em> 之间有弹簧连接时，原子 <em>i</em> 受到的弹簧力为：</p>
<div class="formula">
<strong>F</strong> = −<em>k</em> · (<em>d</em> − <em>L</em>₀) · <strong>u</strong><sub><em>ij</em></sub>
</div>
<p>其中 <em>d</em> = |<strong>r</strong><sub><em>j</em></sub> − <strong>r</strong><sub><em>i</em></sub>| 为两原子间距离，<strong>u</strong><sub><em>ij</em></sub> 为从 <em>i</em> 指向 <em>j</em> 的单位向量。由于原子只在 z 方向振动，弹簧在 z 方向的分量是 <strong>几何非线性</strong> 的——对于小振幅近似，z 方向等效于一个三次方恢复力（FPU 型非线性）。</p>
</div>
<div class="card">
<h3>1.3 运动方程</h3>
<p>对于第 <em>i</em> 个自由原子（非受驱），牛顿第二定律给出：</p>
<div class="formula">
<em>m</em> · <strong>a</strong><sub><em>i</em></sub> = <strong>F</strong><sub><em>i</em></sub><sup>spring</sup> + <strong>F</strong><sub><em>i</em></sub><sup>driving</sup>
</div>
<p>本案例中 <strong>唯一的外力</strong> 来自驱动力（仅施加于原子 1）。无重力、无万有引力、无阻尼，系统总能量守恒。</p>
</div>
<div class="card">
<h3>1.4 波传播</h3>
<p>原子 1 的受迫振动通过弹簧逐次传递给相邻原子，形成沿链传播的 <strong>横波</strong>。由于横向振动的几何非线性（弹簧大部分张力在 x 方向，z 方向的有效刚度远小于 1），波的传播速度较慢，且高阶频率成分会在链中产生复杂的非线性动力学行为（类似 FPU 回波现象）。</p>
</div>
</section>
<!-- ============================================================ -->
<!-- 2. Algorithm -->
<!-- ============================================================ -->
<section id="algorithm">
<h2>二、数值算法</h2>
<div class="card">
<h3>2.1 蛙跳法（Leapfrog / Velocity-Verlet）</h3>
<p>采用能量守恒特性优异的 <strong>蛙跳法</strong>（二阶辛积分器），更新公式为：</p>
<div class="formula">
<strong>v</strong>(<em>t</em> + ½Δ<em>t</em>) = <strong>v</strong>(<em>t</em>) + ½ <strong>a</strong>(<em>t</em>) · Δ<em>t</em><br>
<strong>r</strong>(<em>t</em> + Δ<em>t</em>) = <strong>r</strong>(<em>t</em>) + <strong>v</strong>(<em>t</em> + ½Δ<em>t</em>) · Δ<em>t</em><br>
<strong>a</strong>(<em>t</em> + Δ<em>t</em>) = <strong>F</strong>(<strong>r</strong>(<em>t</em> + Δ<em>t</em>), <strong>v</strong>(<em>t</em> + ½Δ<em>t</em>)) / <em>m</em><br>
<strong>v</strong>(<em>t</em> + Δ<em>t</em>) = <strong>v</strong>(<em>t</em> + ½Δ<em>t</em>) + ½ <strong>a</strong>(<em>t</em> + Δ<em>t</em>) · Δ<em>t</em>
</div>
<p>蛙跳法在长时间模拟中能量漂移极小（本案例验证 <strong>&lt; 0.004%</strong>），适合无阻尼的保守系统。</p>
</div>
<div class="card">
<h3>2.2 时间步长与采样</h3>
<table>
<tr><th>参数</th><th>值</th><th>说明</th></tr>
<tr><td>DT</td><td>0.01 s</td><td>积分步长（远小于 1/ω ≈ 0.16 s，满足稳定性条件）</td></tr>
<tr><td>T_total</td><td>100 s</td><td>总模拟时间 → NT = 10000 步</td></tr>
<tr><td>NSTEP</td><td>50</td><td>每 NSTEP 步取一帧用于动画 → 200 帧</td></tr>
<tr><td>method</td><td>leapfrog</td><td>蛙跳法（Velocity-Verlet）</td></tr>
</table>
</div>
<div class="card">
<h3>2.3 计算流程</h3>
<div class="flow">
<span class="flow-step">读入 coord.txt<br>connection.txt<br>bond.txt</span>
<span class="flow-arrow">→</span>
<span class="flow-step">施加驱动力<br>（驱动原子 1）</span>
<span class="flow-arrow">→</span>
<span class="flow-step">记录轨迹</span>
<span class="flow-arrow">→</span>
<span class="flow-step">蛙跳法<br>更新位置/速度</span>
<span class="flow-arrow">→</span>
<span class="flow-step">固定约束<br>（x, y 锁定）</span>
<span class="flow-arrow">→</span>
<span class="flow-step" style="background:#fef3c7;border-color:#f59e0b;">循环<br>NT 次</span>
</div>
<p style="margin-top:12px;">注意：驱动力在 <strong>每次积分前</strong> 施加，确保受驱原子的位置正确传递给弹簧力计算。</p>
</div>
</section>
<!-- ============================================================ -->
<!-- 3. Driving Force -->
<!-- ============================================================ -->
<section id="driver">
<h2>三、驱动力模型</h2>
<div class="card">
<h3>3.1 定义文件</h3>
<p>驱动力由 <code>input/driver.txt</code> 定义，格式如下：</p>
<pre>n amp_x amp_y amp_z freq_x freq_y freq_z phi_x phi_y phi_z period
1 0 0 5 0 0 1 0 0 90 all</pre>
</div>
<div class="card">
<h3>3.2 数学公式</h3>
<p>受驱原子的位置由下式决定（<strong>完全替换</strong> coord.txt 中的初始坐标和固定约束）：</p>
<div class="formula">
<strong>r</strong>(<em>t</em>) = <strong>A</strong> · cos(2π<em>f</em> · <em>t</em> + <strong>φ</strong>)
</div>
<p>速度由解析导数给出：</p>
<div class="formula">
<strong>v</strong>(<em>t</em>) = −<strong>A</strong> · 2π<em>f</em> · sin(2π<em>f</em> · <em>t</em> + <strong>φ</strong>)
</div>
<p>其中 <strong>A</strong> = (amp_x, amp_y, amp_z)，<strong>f</strong> = (freq_x, freq_y, freq_z) 为不同方向的驱动频率，<strong>φ</strong> = (phi_x, phi_y, phi_z) 为相位（<strong>角度制</strong>，代码自动转换为弧度）。</p>
</div>
<div class="card">
<h3>3.3 本案例驱动参数</h3>
<table>
<tr><th>参数</th><th>值</th><th>含义</th></tr>
<tr><td>amp_z</td><td>5.0</td><td>z 方向驱动振幅</td></tr>
<tr><td>freq_z</td><td>1.0 Hz</td><td>驱动频率（周期 1 s）</td></tr>
<tr><td>phi_z</td><td>90°</td><td>驱动相位 → z(0) = 5·cos(90°) = 0</td></tr>
<tr><td>period</td><td>all</td><td>全程驱动，永不停止</td></tr>
</table>
<div class="formula">
<em>z</em>(<em>t</em>) = 5.0 · cos(2π · 1.0 · <em>t</em> + 90°)
</div>
</div>
<div class="card">
<h3>3.4 有限周期驱动</h3>
<p><code>period</code> 参数支持三种模式：</p>
<ul>
<li><strong>all</strong> — 全程驱动</li>
<li><strong>数值</strong> — 驱动指定周期数后 <strong>静止</strong>（冻结在最终位置，速度归零）。例如 <code>period: 1</code> 表示驱动 1 个完整周期后停止。</li>
</ul>
</div>
<div class="card">
<h3>3.5 驱动与固定约束的关系</h3>
<p>对于受驱原子（<code>driver.txt</code> 中 <code>n</code> 指定的原子），其在 <code>coord.txt</code> 中的初始坐标和 <code>fix_x/fix_y/fix_z</code> 约束被 <strong>完全忽略</strong>。原子的位置和速度完全由驱动力公式决定。</p>
</div>
</section>
<!-- ============================================================ -->
<!-- 4. Usage -->
<!-- ============================================================ -->
<section id="usage">
<h2>四、使用方法</h2>
<div class="card">
<h3>4.1 完整运行（模拟 + 动画）</h3>
<pre>cd examples/case05
python run_dynamics.py</pre>
<p>这步会依次执行：物理模拟 → 抽帧 → 打开 VisPy 3D 动画窗口。</p>
</div>
<div class="card">
<h3>4.2 仅查看已有结果</h3>
<p>如果已经跑完模拟且生成了 <code>output/display.txt</code>，可以通过修改 <code>input.txt</code> 跳过计算，只开动画：</p>
<pre>step_simulate: 0 # 跳过模拟
step_sample: 0 # 跳过抽帧
step_animation: 1 # 播放动画</pre>
<p>然后运行：<code>python run_dynamics.py</code></p>
</div>
<div class="card">
<h3>4.3 手动 3D 动画</h3>
<p>也可以单独启动 VisPy 窗口：</p>
<pre>python ../../draw.py output/</pre>
</div>
<div class="card">
<h3>4.4 强制重新计算</h3>
<p>修改参数后需要重新运行模拟时，设置：</p>
<pre>force_calc: 1 # 忽略缓存，强制重新计算</pre>
</div>
<div class="card">
<h3>4.5 动画交互</h3>
<table>
<tr><th>操作</th><th>效果</th></tr>
<tr><td>鼠标拖动</td><td>旋转视角</td></tr>
<tr><td>滚轮</td><td>缩放</td></tr>
<tr><td>A / D 键</td><td>视角向左 / 向右平移</td></tr>
<tr><td>W / S 键</td><td>视角向上 / 向下平移</td></tr>
<tr><td>Q / E 键</td><td>降低 / 提高平移速度</td></tr>
<tr><td>左上角 <strong>reset</strong> 按钮</td><td>复位视角到初始位置</td></tr>
<tr><td>左上角 <strong>info</strong> 按钮</td><td>切换信息面板显示/隐藏</td></tr>
<tr><td>左上角 <strong>axes</strong> 按钮</td><td>切换坐标轴显示/隐藏</td></tr>
</table>
</div>
</section>
<!-- ============================================================ -->
<!-- 5. Parameters -->
<!-- ============================================================ -->
<section id="params">
<h2>五、参数参考</h2>
<div class="card">
<h3>5.1 input.txt 关键参数</h3>
<table>
<tr><th>参数</th><th>默认值</th><th>说明</th></tr>
<tr><td>gravity_field</td><td>0</td><td>均匀重力场（已关闭）</td></tr>
<tr><td>gravity_interaction</td><td>0</td><td>原子间万有引力（已关闭）</td></tr>
<tr><td>elastic_force</td><td>1</td><td>弹簧键力（已开启）</td></tr>
<tr><td>damping_force</td><td>0</td><td>阻尼（已关闭）</td></tr>
<tr><td><strong>driving_force</strong></td><td><strong>1</strong></td><td>驱动力开关（1=开启，需 driver.txt）</td></tr>
<tr><td>method</td><td>leapfrog</td><td>数值积分方法</td></tr>
<tr><td>DT</td><td>0.01</td><td>积分步长 (s)</td></tr>
<tr><td>T_total</td><td>100.0</td><td>总模拟时间 (s)</td></tr>
<tr><td>NSTEP</td><td>50</td><td>抽帧步数间隔</td></tr>
<tr><td>engine</td><td>python</td><td>计算引擎（python / c / cpp / fortran）</td></tr>
<tr><td>use_marker</td><td>1</td><td>渲染模式（0=Sphere 网格, 1=Marker GPU 实例化）</td></tr>
</table>
</div>
<div class="card">
<h3>5.2 流程控制参数</h3>
<table>
<tr><th>参数</th><th>0</th><th>1</th></tr>
<tr><td>step_simulate</td><td>跳过模拟（加载已有轨迹）</td><td>运行物理模拟</td></tr>
<tr><td>step_sample</td><td>跳过抽帧</td><td>从轨迹抽取显示帧</td></tr>
<tr><td>step_plot</td><td>不生成图表</td><td>生成轨迹/能量图</td></tr>
<tr><td>step_animation</td><td>不启动动画</td><td>自动打开 VisPy 3D 窗口</td></tr>
<tr><td>force_calc</td><td>自动检测缓存</td><td>强制重新计算</td></tr>
</table>
</div>
</section>
<!-- ============================================================ -->
<!-- 6. File Structure -->
<!-- ============================================================ -->
<section id="files">
<h2>六、文件结构</h2>
<pre>case05/
├── input/
│ ├── input.txt # 主配置文件（YAML 格式）
│ ├── coord.txt # 原子坐标（60 个原子）
│ ├── connection.txt # 弹簧连接关系（59 条键）
│ ├── bond.txt # 弹簧参数（k=1.0, L₀=1.0）
│ └── <strong>driver.txt</strong> # <span class="cm">驱动力定义（本案例新增）</span>
├── output/
│ ├── trajectory.txt # 全量轨迹数据（10000 步 × 60 原子）
│ ├── display.txt # 抽帧后的动画数据（200 帧 × 60 原子）
│ ├── dynamics.log # 计算日志
│ └── animation.log # 动画启动日志（闪退时排查用）
├── doc/
│ └── index.html # <span class="cm">本文档</span>
├── Readme.md # 案例简介
└── run_dynamics.py # 案例运行入口</pre>
</section>
<!-- ============================================================ -->
<!-- 7. Troubleshooting -->
<!-- ============================================================ -->
<section id="troubleshoot">
<h2>七、常见问题</h2>
<div class="card">
<h3>7.1 动画窗口闪退</h3>
<p>如果 VisPy 窗口一闪就消失，请检查：</p>
<ul>
<li><code>output/animation.log</code> 中是否有错误信息</li>
<li><code>output/display.txt</code> 是否存在（需先跑 <code>step_sample: 1</code>）</li>
</ul>
</div>
<div class="card">
<h3>7.2 原子不振动</h3>
<p>可能原因：</p>
<ul>
<li><strong>NSTEP 过大</strong>：抽帧间隔大于驱动周期的一半时，动画会丢失振动细节。建议 NSTEP ≤ 1/(freq · DT · 10)</li>
<li><strong>相位 φ 使采样点落在零值</strong>：试试 <code>phi_z: 0</code> 让原子在 t=0 处于振幅峰值</li>
<li>确认 <code>driving_force: 1</code> 且 <code>driver.txt</code> 中 amp_z 不为 0</li>
</ul>
</div>
<div class="card">
<h3>7.3 渲染性能慢</h3>
<p>原子数多时动画卡顿：</p>
<ul>
<li>设置 <code>use_marker: 1</code>（使用 GPU 实例化渲染替代独立网格球体）</li>
<li>增大 <code>NSTEP</code> 减少动画帧数</li>
</ul>
</div>
</section>
<hr style="border:none;border-top:1px solid var(--border);margin:40px 0;">
<footer style="text-align:center;color:var(--muted);font-size:0.85rem;margin-bottom:40px;">
Dynamics Simulation Framework &nbsp;·&nbsp; 生成于 2026-06-10
</footer>
</div>
</body>
</html>
examples/case06/input/bond.txt
+2
View File
@@ -0,0 +1,2 @@
bond_name k rest_length
k1 100.0 1.0
examples/case06/input/connection.txt
+60
View File
@@ -0,0 +1,60 @@
n1 n2 bond_name
1 2 k1
2 3 k1
3 4 k1
4 5 k1
5 6 k1
6 7 k1
7 8 k1
8 9 k1
9 10 k1
10 11 k1
11 12 k1
12 13 k1
13 14 k1
14 15 k1
15 16 k1
16 17 k1
17 18 k1
18 19 k1
19 20 k1
20 21 k1
21 22 k1
22 23 k1
23 24 k1
24 25 k1
25 26 k1
26 27 k1
27 28 k1
28 29 k1
29 30 k1
30 31 k1
31 32 k1
32 33 k1
33 34 k1
34 35 k1
35 36 k1
36 37 k1
37 38 k1
38 39 k1
39 40 k1
40 41 k1
41 42 k1
42 43 k1
43 44 k1
44 45 k1
45 46 k1
46 47 k1
47 48 k1
48 49 k1
49 50 k1
50 51 k1
51 52 k1
52 53 k1
53 54 k1
54 55 k1
55 56 k1
56 57 k1
57 58 k1
58 59 k1
59 60 k1
examples/case06/input/coord.txt
+61
View File
@@ -0,0 +1,61 @@
n mass radius x y z vx vy vz fix_x fix_y fix_z
1 1 0.1 0 0 1 0 0 0 0 1 1
2 1 0.1 1 0 0 0 0 0 0 1 1
3 1 0.1 2 0 0 0 0 0 0 1 1
4 1 0.1 3 0 0 0 0 0 0 1 1
5 1 0.1 4 0 0 0 0 0 0 1 1
6 1 0.1 5 0 0 0 0 0 0 1 1
7 1 0.1 6 0 0 0 0 0 0 1 1
8 1 0.1 7 0 0 0 0 0 0 1 1
9 1 0.1 8 0 0 0 0 0 0 1 1
10 1 0.1 9 0 0 0 0 0 0 1 1
11 1 0.1 10 0 0 0 0 0 0 1 1
12 1 0.1 11 0 0 0 0 0 0 1 1
13 1 0.1 12 0 0 0 0 0 0 1 1
14 1 0.1 13 0 0 0 0 0 0 1 1
15 1 0.1 14 0 0 0 0 0 0 1 1
16 1 0.1 15 0 0 0 0 0 0 1 1
17 1 0.1 16 0 0 0 0 0 0 1 1
18 1 0.1 17 0 0 0 0 0 0 1 1
19 1 0.1 18 0 0 0 0 0 0 1 1
20 1 0.1 19 0 0 0 0 0 0 1 1
21 1 0.1 20 0 0 0 0 0 0 1 1
22 1 0.1 21 0 0 0 0 0 0 1 1
23 1 0.1 22 0 0 0 0 0 0 1 1
24 1 0.1 23 0 0 0 0 0 0 1 1
25 1 0.1 24 0 0 0 0 0 0 1 1
26 1 0.1 25 0 0 0 0 0 0 1 1
27 1 0.1 26 0 0 0 0 0 0 1 1
28 1 0.1 27 0 0 0 0 0 0 1 1
29 1 0.1 28 0 0 0 0 0 0 1 1
30 1 0.1 29 0 0 0 0 0 0 1 1
31 1 0.1 30 0 0 0 0 0 0 1 1
32 1 0.1 31 0 0 0 0 0 0 1 1
33 1 0.1 32 0 0 0 0 0 0 1 1
34 1 0.1 33 0 0 0 0 0 0 1 1
35 1 0.1 34 0 0 0 0 0 0 1 1
36 1 0.1 35 0 0 0 0 0 0 1 1
37 1 0.1 36 0 0 0 0 0 0 1 1
38 1 0.1 37 0 0 0 0 0 0 1 1
39 1 0.1 38 0 0 0 0 0 0 1 1
40 1 0.1 39 0 0 0 0 0 0 1 1
41 1 0.1 40 0 0 0 0 0 0 1 1
42 1 0.1 41 0 0 0 0 0 0 1 1
43 1 0.1 42 0 0 0 0 0 0 1 1
44 1 0.1 43 0 0 0 0 0 0 1 1
45 1 0.1 44 0 0 0 0 0 0 1 1
46 1 0.1 45 0 0 0 0 0 0 1 1
47 1 0.1 46 0 0 0 0 0 0 1 1
48 1 0.1 47 0 0 0 0 0 0 1 1
49 1 0.1 48 0 0 0 0 0 0 1 1
50 1 0.1 49 0 0 0 0 0 0 1 1
51 1 0.1 50 0 0 0 0 0 0 1 1
52 1 0.1 51 0 0 0 0 0 0 1 1
53 1 0.1 52 0 0 0 0 0 0 1 1
54 1 0.1 53 0 0 0 0 0 0 1 1
55 1 0.1 54 0 0 0 0 0 0 1 1
56 1 0.1 55 0 0 0 0 0 0 1 1
57 1 0.1 56 0 0 0 0 0 0 1 1
58 1 0.1 57 0 0 0 0 0 0 1 1
59 1 0.1 58 0 0 0 0 0 0 1 1
60 1 0.1 59 0 0 0 0 0 1 1 1
examples/case06/input/driver.txt
+2
View File
@@ -0,0 +1,2 @@
n amp_x amp_y amp_z freq_x freq_y freq_z phi_x phi_y phi_z period
1 0.5 0 0 0.1 0 0 0 0 0 all
examples/case06/input/input.txt
+96
View File
@@ -0,0 +1,96 @@
# 物理模拟参数配置
# 格式：YAML
# 用法：python run_dynamics.py
# ── 流程控制 ──────────────────────────────────
# 每步用 0/1 单独开关，1=执行，0=跳过
# 依赖关系：抽帧依赖模拟结果，绘图依赖模拟+抽帧
step_simulate: 1 # 运行物理模拟 → output/trajectory.txt
step_sample: 1 # 抽帧 → output/display.txt
step_plot: 0 # 绘制轨迹/能量图 → output/trajectory_plots.png
step_animation: 1 # 自动播放 VisPy 3D 动画窗口（需安装 vispy）
force_calc: 0 # 强制重新计算：1=跳过缓存强算，0=自动使用已有输出
# ── 计算引擎 ──────────────────────────────────
# 可选: python, c, cpp, fortran, java
engine: python # 默认使用 python 引擎
# ── 盒子 ──────────────────────────────────────
box_a: 80.0 # 立方体半边长，粒子被限制在 [-box_a, box_a]³ 内
# ── 初始构型 ──────────────────────────────────
# 坐标文件格式：
# 第一行：n mass radius x y z vx vy vz fix_x fix_y fix_z
# 后续行：原子序号 质量 半径 x y z vx vy vz fix_x fix_y fix_z
coord_file: input/coord.txt
connection_file: input/connection.txt
bond_file: input/bond.txt
driver_file: input/driver.txt # 驱动力定义文件（driving_force=1 时生效）
# 绘图/动画展示的原子序号（对应 coord_file 第一列 n）
plot_atom: 1
# ── 物理参数 ──────────────────────────────────
# 三个方向分量分别对应 x, y, z
G: [0.0, 0.0, 0.0] # 重力场分量 (m/s²)
B: [0.0, 0.0, 0.0] # 阻尼分量
# ── 力开关（0=关闭, 1=开启）──────────────────
gravity_field: 0 # 均匀重力场 (G)
gravity_interaction: 0 # 原子间万有引力
elastic_force: 1 # 弹簧键力
damping_force: 0 # 阻尼 (B)
driving_force: 1 # 驱动力（需 driver_file 定义）
#
gravity_strength: 1.0 # 万有引力强度（仅 gravity_interaction=1 时有效）
# ── 数值算法 ──────────────────────────────────
# 可选：
# explicit_euler 显式欧拉法
# implicit_euler 隐式欧拉法
# midpoint 中点法
# leapfrog 蛙跳法
method: leapfrog
# ── 步骤控制 ──────────────────────────────────
# 以下参数控制哪些步骤被执行和保存
# 预热步数：模拟开始时跳过不保存的步数（用于稳定初始状态）
warmup_steps: 0 # 默认 0（立即开始记录）
# 总模拟时间（秒），程序自动计算 NT = T_total / DT
# 如果同时指定了 NT，以 NT 为准
T_total: 50.0
# 抽帧间隔（每 NSTEP 步取一帧用于动画）
NSTEP: 50
# ── 时间步长 ──────────────────────────────────
DT: 0.001 # 时间步长 (s)
# 抽帧范围：只保存 [sample_start, sample_end) 区间内的帧
sample_start: null # null 表示从头开始（帧索引从 0 起）
sample_end: null # null 表示到末尾
# ── 渲染方式 ──────────────────────────────────
# 3D 动画中原子渲染方式：
# 0 = Sphere （网格球体，效果精细，原子数少时推荐）
# 1 = Marker （GPU 实例化点，原子数多时性能更佳）
use_marker: 1
# ── 显示参数 ──────────────────────────────────
# 盒子透明度：单个数值（统一）或 6 个数的数组，按 [-x,+x,-y,+y,-z,+z] 顺序
alpha: [0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.5]
# 小球颜色
# 小球半径从 coord_file 的 radius 列读取
ball_color_r: 0.20 # R 分量 (0~1)
ball_color_g: 0.60 # G 分量
ball_color_b: 0.90 # B 分量
# 盒子面颜色
box_color_r: 0.80
box_color_g: 0.80
box_color_b: 0.85
examples/case06/run_dynamics.py
+54
View File
@@ -0,0 +1,54 @@
"""
Case runner for Dynamics case05 — 1D atomic chain.
This script keeps program and data separated:
- program: ../../dynamics.py
- input: ./input
- output: ./output
"""
from __future__ import annotations
import argparse
import importlib.util
from pathlib import Path
CASE_DIR = Path(__file__).resolve().parent
DYNAMICS_PATH = Path("..") / ".." / "dynamics.py"
INPUT_DIR = Path("input")
OUTPUT_DIR = Path("output")
CONFIG_FILE = INPUT_DIR / "input.txt"
def load_dynamics_module(module_path: Path):
spec = importlib.util.spec_from_file_location("dynamics_module", module_path)
if spec is None or spec.loader is None:
raise ImportError(f"无法加载 dynamics.py: {module_path}")
module = importlib.util.module_from_spec(spec)
spec.loader.exec_module(module)
return module
def main():
parser = argparse.ArgumentParser(description="运行 Dynamics 示例案例 case01")
parser.add_argument("--no-plot", action="store_true", help="跳过 matplotlib 绘图")
args = parser.parse_args()
dynamics_path = (CASE_DIR / DYNAMICS_PATH).resolve()
input_dir = (CASE_DIR / INPUT_DIR).resolve()
output_dir = (CASE_DIR / OUTPUT_DIR).resolve()
config_path = (CASE_DIR / CONFIG_FILE).resolve()
module = load_dynamics_module(dynamics_path)
module.run_case(
config_path=config_path,
runtime_base=CASE_DIR,
input_dir=input_dir,
output_dir=output_dir,
no_plot=args.no_plot,
)
if __name__ == "__main__":
main()
plot_wave.py
+260
View File
@@ -0,0 +1,260 @@
"""
plot_wave.py
============
波形与能量动态图：读取 display.txt，绘制原子位移波形
（纵波 + 2 个横波）和系统能量/输入功率随时间变化的二维动画。
用法：
python plot_wave.py # 使用 dynamics 根目录下 output/
python plot_wave.py examples/case05/output # 指定案例输出目录
"""
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation
import os
import sys
sys.path.insert(0, os.path.dirname(os.path.abspath(__file__)))
import compute
def load_disp_data(output_dir):
"""加载 display.txt"""
disp_path = os.path.join(output_dir, "display.txt")
if not os.path.exists(disp_path):
raise FileNotFoundError(f"找不到 {disp_path}")
return compute.load_text_data(disp_path)
def compute_energy(x, y, z, vx, vy, vz, masses, mass_arr,
bond_pairs, bond_stiffness, bond_rest_lengths,
gravity_field, G, gravity_interaction, gravity_strength):
"""计算系统各能量分量。
Returns:
ek_sys: 系统动能 (n_frames,)
us_sys: 系统弹性势能 (n_frames,)
ug_sys: 系统重力势能 (n_frames,)
ugr_sys: 系统万有引力势能 (n_frames,)
"""
n_frames = x.shape[0]
masses_2d = masses[np.newaxis, :] # (1, n_atoms)
# 动能 Ek = ½ m v²
ek = 0.5 * masses_2d * (vx**2 + vy**2 + vz**2)
ek_sys = np.sum(ek, axis=1)
# 弹性势能 Us = ½ k (d - d₀)²
us_sys = np.zeros(n_frames)
if bond_pairs is not None and len(bond_pairs) > 0:
for b_idx in range(len(bond_pairs)):
i, j = bond_pairs[b_idx]
dx = x[:, j] - x[:, i]
dy = y[:, j] - y[:, i]
dz = z[:, j] - z[:, i]
dist = np.sqrt(dx**2 + dy**2 + dz**2)
stretch = dist - bond_rest_lengths[b_idx]
us_sys += 0.5 * bond_stiffness[b_idx] * stretch**2
# 均匀重力场势能 Ug = -m G·r
ug_sys = np.zeros(n_frames)
if gravity_field:
G_vec = np.array(G)
ug_sys = -masses_2d * (G_vec[0] * x + G_vec[1] * y + G_vec[2] * z)
ug_sys = np.sum(ug_sys, axis=1)
# 万有引力势能 Ug_grav = -G_grav Σ m_i m_j / r
ugr_sys = np.zeros(n_frames)
if gravity_interaction:
n_atoms = len(masses)
# 为避免巨大计算量，仅当原子数较少时计算
if n_atoms <= 200:
for i in range(n_atoms):
for j in range(i + 1, n_atoms):
dx = x[:, j] - x[:, i]
dy = y[:, j] - y[:, i]
dz = z[:, j] - z[:, i]
dist = np.sqrt(dx**2 + dy**2 + dz**2)
dist = np.maximum(dist, 1e-12)
pair_pe = -gravity_strength * masses[i] * masses[j] / dist
ugr_sys += pair_pe
return ek_sys, us_sys, ug_sys, ugr_sys
def plot_wave(output_dir):
"""主绘图函数：读取 display.txt 并生成波形+能量动画。"""
data = load_disp_data(output_dir)
n_frames = int(data["n_frames"])
t = np.array(data["disp_t"])
# 位置 / 速度
x = np.array(data["disp_all_x"])
y = np.array(data["disp_all_y"])
z = np.array(data["disp_all_z"])
vx = np.array(data["disp_all_vx"])
vy = np.array(data["disp_all_vy"])
vz = np.array(data["disp_all_vz"])
# 原子信息
pos_0 = np.array(data["atom_positions"]) # (n_atoms, 3)
masses = np.array(data["atom_masses"])
atom_ids = np.array(data["atom_ids"])
n_atoms = len(atom_ids)
# 成键
bond_pairs = data.get("bond_pairs", [])
bond_stiffness = np.array(data.get("bond_stiffness", []))
bond_rest_lengths = np.array(data.get("bond_rest_lengths", []))
# 物理开关
gravity_field = int(data.get("gravity_field", 0))
gravity_interaction = int(data.get("gravity_interaction", 0))
G = data.get("G", [0, 0, 0])
gravity_strength = float(data.get("gravity_strength", 1.0))
driving_force = int(data.get("driving_force", 0))
# ── 位移（偏离初始平衡位形）──
dx = x - pos_0[np.newaxis, :, 0] # 纵波（沿链方向 x）
dy = y - pos_0[np.newaxis, :, 1] # 横波 1（y 方向）
dz = z - pos_0[np.newaxis, :, 2] # 横波 2（z 方向）
# ── 能量 ──
ek, us, ug, ugr = compute_energy(
x, y, z, vx, vy, vz, masses, masses,
bond_pairs, bond_stiffness, bond_rest_lengths,
gravity_field, G, gravity_interaction, gravity_strength)
e_total = ek + us + ug + ugr
power = np.gradient(e_total, t) # 输入功率 = dE/dt
# ── 波形纵轴范围（全局统一，避免抖动）──
def get_ylim(disp_data):
vmax = np.max(np.abs(disp_data))
if vmax < 1e-10:
return -1.0, 1.0
margin = vmax * 0.2
return -vmax - margin, vmax + margin
ylims = [get_ylim(dx), get_ylim(dy), get_ylim(dz)]
e_max = max(np.max(e_total), 0.01) * 1.3
p_abs = np.max(np.abs(power))
p_max = max(p_abs * 1.3, 0.01)
atom_idx = np.arange(n_atoms)
# ── 图形设置 ──
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei', 'SimHei', 'DejaVu Sans']
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(14, 10))
fig.suptitle("波形与能量分析", fontsize=16)
# ── 3 个波形子图 ──
titles = [
"纵波 (x 方向位移)",
"横波 (y 方向位移)",
"横波 (z 方向位移)",
]
colors = ["#2563eb", "#ea580c", "#16a34a"]
wave_configs = list(zip(
[axes[0, 0], axes[0, 1], axes[1, 0]],
[dx, dy, dz], titles, colors, ylims
))
wave_lines = []
time_texts = []
for ax, disp, title, color, yl in wave_configs:
ax.set_xlim(0, n_atoms - 1)
ax.set_ylim(yl)
ax.set_xlabel("原子序号")
ax.set_ylabel("位移")
ax.set_title(title)
ax.grid(True, alpha=0.3)
line, = ax.plot([], [], color=color, linewidth=1.5)
wave_lines.append(line)
tt = ax.text(0.02, 0.95, "", transform=ax.transAxes,
fontsize=11, verticalalignment="top")
time_texts.append(tt)
# ── 能量+功率子图 ──
ax_ep = axes[1, 1]
ax_ep.set_xlim(t[0], t[-1])
ep_ylow = min(-0.1 * max(e_max, p_max), -p_max * 0.1)
ep_yhigh = max(e_max, p_max)
ax_ep.set_ylim(ep_ylow, ep_yhigh)
ax_ep.set_xlabel("时间 (s)")
ax_ep.set_ylabel("能量 / 功率")
ax_ep.set_title("系统能量与输入功率")
ax_ep.grid(True, alpha=0.3)
line_ek, = ax_ep.plot([], [], "b-", lw=1.5, label="动能")
line_us, = ax_ep.plot([], [], "orange", lw=1.5, label="弹性势能")
line_et, = ax_ep.plot([], [], "r--", lw=1.5, label="总能量")
line_pw, = ax_ep.plot([], [], "g-", lw=1.5, alpha=0.7, label="输入功率 (dE/dt)")
if gravity_field:
line_ug, = ax_ep.plot([], [], "purple", lw=1.0, alpha=0.5, label="重力势能")
else:
line_ug = None
if gravity_interaction and n_atoms <= 200:
line_ugr, = ax_ep.plot([], [], "brown", lw=1.0, alpha=0.5, label="万有引力势能")
else:
line_ugr = None
ax_ep.legend(loc="upper right", fontsize=9)
plt.tight_layout(rect=[0, 0, 1, 0.95])
# ── 动画更新 ──
def update(frame):
# 波形
for i in range(3):
wave_lines[i].set_data(atom_idx, [dx, dy, dz][i][frame])
time_texts[i].set_text(f"t = {t[frame]:.2f} s | 帧 {frame+1}/{n_frames}")
# 能量（累计到当前帧）
cur_t = t[:frame + 1]
line_ek.set_data(cur_t, ek[:frame + 1])
line_us.set_data(cur_t, us[:frame + 1])
line_et.set_data(cur_t, e_total[:frame + 1])
line_pw.set_data(cur_t, power[:frame + 1])
if line_ug:
line_ug.set_data(cur_t, ug[:frame + 1])
if line_ugr:
line_ugr.set_data(cur_t, ugr[:frame + 1])
# 能量图 x 轴动态扩展
ax_ep.set_xlim(t[0], max(t[frame] + max(t[-1] * 0.05, 1), t[-1]))
artists = wave_lines + time_texts + [line_ek, line_us, line_et, line_pw]
if line_ug: artists.append(line_ug)
if line_ugr: artists.append(line_ugr)
return artists
ani = FuncAnimation(fig, update, frames=n_frames, interval=50, blit=True)
# 保存 GIF
gif_path = os.path.join(output_dir, "wave_animation.gif")
ani.save(gif_path, writer="pillow", fps=min(20, max(1, n_frames // 5)))
print(f"[plot_wave] GIF 已保存: {gif_path}")
# 尝试保存 MP4
try:
mp4_path = os.path.join(output_dir, "wave_animation.mp4")
ani.save(mp4_path, writer="ffmpeg", fps=min(20, max(1, n_frames // 5)))
print(f"[plot_wave] MP4 已保存: {mp4_path}")
except Exception:
pass
plt.show()
return gif_path
if __name__ == "__main__":
script_dir = os.path.dirname(os.path.abspath(__file__))
if len(sys.argv) > 1:
output_dir = os.path.abspath(sys.argv[1])
else:
output_dir = compute.get_output_dir(script_dir)
plot_wave(output_dir)