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本文以 LAMMPS 官方文档 fix_surface_global.rst 为主体，完整讲解fix surface/global命令的语法、input/model关键字与可选参数的全部含义，并结合 src/GRANSURF/fix_surface_global.cpp 的源码实现与 examples/gransurf 下的完整示例，说明如何在全局颗粒表面（三角形/线段）上施加胡克/赫兹/通用 granular 接触模型，实现颗粒-表面接触力计算、表面整体运动与dump image渲染。读完后你可以独立配置一个基于 STL 或分子模板文件的颗粒容器/螺旋喂料器等边界条件，并正确设置fix_modify move等进阶操作。

命令定位：全局表面与局部表面的区别

fix surface/global用于在颗粒（granular）模拟中把颗粒表面（granular surface）作为边界条件。颗粒表面由一组三角形（3d 体系）或线段（2d 体系）定义。LAMMPS 中颗粒表面分为两种风格，官方使用文档 Howto_granular_surfaces.rst 给出了总体使用指引：

• global（全局）：表面不存为粒子、不跨处理器分布，而是由本 fix 统一存储，每个处理器都保存全部表面的副本，并由该 fix 直接计算所有颗粒与表面之间的力。适合表面数量适中的场景；每个三角形/线段可以任意大，甚至可以和模拟盒的一个维度一样大。
• local（局部）：由 fix surface/local 命令处理，表面作为特殊粒子参与并行分布，适合表面数量极大的场景。

从源码结构看，fix surface/global注册在 GRANSURF 命名空间下（src/GRANSURF/fix_surface_global.h 中通过FixStyle(surface/global,FixSurfaceGlobal)宏注册），其构造函数强制要求原子属性中必须包含radius和omega（fix_surface_global.cpp），因为颗粒接触模型需要粒子半径与角速度。

命令语法总览

完整语法如下（ID 与 group-ID 的含义见 fix 命令文档）：

fix ID group-ID surface/global input args ... model args ... keyword value ...

• ID、group-ID：fix 的标准标识符与受作用的原子组；
• surface/global：风格名；
• input：可指定一个或多个，定义表面的几何来源；
• model：可指定一个或多个，定义颗粒类型 × 表面类型的接触模型；
• 末尾可追加零个或多个keyword value对。

input 关键字：表面几何的两种来源

input子句的形式为source source-args，source取mol或stl：

input args = source source-args source = mol 或 stl mol arg = template-ID template-ID = molecule 命令中定义的分子模板 ID， 该模板由一组三角形（3d）或线段（2d）构成 stl args = stype smol stlfile stype = 分配给 STL 文件中所有三角形的数值表面类型 smol = 分配给 STL 文件中所有三角形的数值分子 ID stlfile = 定义三角形集合的 STL 文件名

来源一：molecule 文件（mol）

若三角形/线段已经通过 molecule 命令读入，则source用mol，template-ID参数填写 molecule 命令使用的模板 ID。注意：

• 一条molecule命令可以把多个分子文件挂到同一个 template-ID 上；每个分子文件必须定义三角形或线段，不能是原子。
• 多个分子文件时，最终表面集合是所有文件中三角形/线段的并集。
• 分子文件中的每条线段/每个三角形都会带有自己的 type 和 molecule ID，这是与 STL 的重要区别——mol 来源可以逐面指定类型。

来源二：STL 文件（stl）

STL（stereolithography）文件只定义一组三角形，不包含逐三角形的类型或标记，因此：

• stype：赋给该文件全部三角形的表面类型（数值）；
• smol：赋给全部三角形的分子 ID（数值）；
• stlfile：STL 文件名，支持文本或二进制格式，命令会自动检测格式；
• STL 文件不能用于 2d 模拟，因为它只能定义三角形（源码中 fix_surface.cpp 对dimension == 2直接报错）。

一个值得注意的实现细节：工程设计软件导出的 STL 常含退化三角形（顶点重复或共线、面积为零）。自 2Sep2026 版本起，读取时会跳过这类三角形，并在 0 号处理器打印带跳过数量的警告。源码位于 fix_surface.cpp：对每个新三角形计算两条边向量的叉积，若叉积全零则nskip++并跳过，循环结束后若nskip非零则输出Skipped {} degenerate triangle(s) in STL file {}警告。若需要手工编辑二进制 STL，可用仓库中 tools/stl_bin2txt.cpp 工具把二进制转为文本；文本 STL 示例可参考 examples/gransurf/surf.tri.stl（一个由 4 个 facet 拼成的平面示例）。

命令允许多次使用input关键字，每次的来源可以是mol或stl，最终使用的表面是所有 input 输入三角形与线段的并集（源码构造函数中以哈希表按坐标去重合并点集，见 fix_surface_global.cpp）。

连接性（connectivity）：表面如何被"拼"在一起

所有 global 三角形/线段定义完成后，该命令会计算它们的连接关系：

• 3d：两个三角形"相连"当且仅当它们属于同一分子，且共享一个角点或一条边（两个角点）；
• 2d：两条线段"相连"当且仅当属于同一分子且共享一个端点。

一对相连的表面若同时与某个颗粒接触，将按 Howto_granular_surfaces.rst 文档中定义的规则相互作用，以产生物理上合理的合力。表面之间不要求全部连成一个整体，可以表示多个独立物体的表面。颗粒只要与某个（或几个）三角形/线段接触（重叠）即参与相互作用；三角形的两面都会与颗粒作用，因此表面可以无限薄，例如搅拌器的桨叶。

源码层面，连接关系分别存入Connect2d/Connect3d结构及neigh_p1/p2（2d 端点）与neigh_e1/e2/e3（3d 边）、neigh_c1/c2/c3（3d 角点）等锯齿二维数组（见 fix_surface_global.h），构造函数在connectivity2d_global()/connectivity3d_global()之后调用check_molecules()：若一组互连的三角形/线段的 molecule ID 不一致，LAMMPS 会打印警告（但不报错）。

model 关键字：颗粒类型 × 表面类型的接触模型

每个model子句作用于"一个或多个颗粒类型 × 一个或多个表面类型"的笛卡尔积：

model args = ptype stype fstyle fstyle-args ptype = 数值颗粒类型（也支持通配符形式） stype = 数值表面类型（也支持通配符形式） fstyle = hooke 或 hooke/history 或 hertz/history 或 granular hooke / hooke/history / hertz/history 的 args = Kn Kt gamma_n gamma_t xmu dampflag (limit_damping) Kn = 法向颗粒排斥弹性常数（力/距离或压力单位，见 pair gran/* 文档） Kt = 切向接触弹性常数（同上） gamma_n = 法向碰撞阻尼系数（1/时间 或 1/时间·距离） gamma_t = 切向碰撞阻尼系数（同上） xmu = 静摩擦屈服判据（0.0–1.0e4 之间的无量纲值） dampflag = 0 或 1，是否排除/包含切向阻尼力 limit_damping = 可选参数，防止出现吸引相互作用 granular 的 args = 与 pair_style granular 的 pair_coeff 命令相同语法

要点（均与 pair_style gran/* / pair_style granular 文档保持一致）：

• 通配符：ptype/stype可以是单个数值，或*、*n、n*、m*n形式。若无数字，*表示 1 到 N 的所有类型；*n表示 1..n（含）；n*表示 n..N（含）；m*n表示 m..n（含）。
• 全覆盖检查：model 关键字必须为"每个颗粒类型 × 每个表面类型"的组合都指定相互作用，否则报错；若某个组合被重复指定，则采用最后一次指定。从源码看，表面类型的上界取smaxtype或输入表面中的最大 type（上限 1024，见 fix_surface_global.cpp 中MAXSURFTYPE/MAXSURFMOL常量），随后在types2model二维表中逐格检查，发现nullptr即报Fix surface/global type pair is missing a granular model错误（fix_surface_global.cpp）。
• 力的物理含义：三角形/线段与颗粒间作用力与pair_style gran/*中的公式相同，只是取其中一个粒子半径与质量趋于无穷大（即平面）的极限：delta = radius - r为颗粒与表面的重叠量，m_eff取颗粒质量，有效接触半径取颗粒自身半径。重叠量与法向量的几何计算细节见 Howto_granular_surfaces.rst。
• NULL 缺省：Kt写 NULL 时取缺省Kt = 2/7 * Kn；gamma_t写 NULL 时取缺省gamma_t = 1/2 * gamma_n（含义与单位与pair_style gran/*页相同）。

从源码结构看，model解析区分两条路径（fix_surface_global.cpp）：

1. classic 路径：fstyle为hooke/hooke/history/hertz/history时调用model->define_classic_model(...)，可再跟一个limit_damping标记；
2. granular 路径：fstyle为granular时按pair_coeff语法调用model->add_sub_model(...)，可追加tangential、damping、rolling、twisting、heat等子模型，以及limit_damping标记。若指定了heat子模型，则heat_flag置 1，从而必须提供temperature关键字，否则构造函数直接报错（fix_surface_global.cpp）。

文档中给出的最简示例（对应上面两种 input 来源）：

molecule lines surf.line fix 1 all surface/global input mol linesurf model 1 1 hooke 4000.0 NULL 100.0 NULL 0.5 1 fix 1 all surface/global input stl 1 1 object.stl model * 1 hooke/history 4000.0 NULL 100.0 NULL 0.5 1

该命令可以多次使用（定义多个 fix surface/global），但通常没必要；多次使用时，不同命令定义的表面之间不会按上述规则建立连接关系。

可选关键字（keyword/value 对）

关键字速查表

各关键字的行为与源码印证：

• smaxtype/smaxmol：默认取 input 表面中的最大类型/分子 ID。若之后要用fix_modify type/region（见下文）把表面类型改成比默认更大的值，需要先用这两个关键字把上界调大。源码中smaxtype不能小于 input 已出现的最大类型，且不得超过内部上限 1024（fix_surface_global.cpp）。
• flat：设置阈值maxangle（角度制）。两条夹角不超过阈值的相连表面在接触模型中被当作"flat"，即使颗粒同时接触两面也只施加一个力。默认 1 度；源码把角度阈值换算为flatthresh = 1 - cos(π·flat/180)存储（[fix_surface_global.cpp](https://link.gitcode.com/i/3f9eedea2644f836adbfd1402970e65f#L66-L67, L277-L283)），并对取值做了 0–90 度的合法性检查。
• temperature：值Tsurf为表面温度（开尔文）。若任一 granular model 含依赖表面温度的 heat 模型则必填，否则被忽略。源码中该值还允许v_前缀的变量形式（fix_surface_global.cpp）。
• neighbor：决定表面与原子之间邻居列表的构建算法，与 neighbor 命令类似：bin（默认）把原子与表面按空间分箱，仅检查相邻 bin 内的组合；nsq则对所有原子-表面对做 O(N²) 式遍历。文档建议两种都测试：一般而言表面数量越多bin相对越划算；当表面数量非常大时，fix surface/local 可能性能更好。

完整实战示例：向三角形容器倾倒颗粒并旋转喂料器

仓库 examples/gransurf 目录提供了 global/local/surf 三种风格的对照示例。下面以 examples/gransurf/in.tri.gran.global 为例，逐步说明一次典型配置：

# pouring spheres into box made of triangles units lj atom_style sphere boundary f f f dimension 3 comm_modify vel yes region box block -7 7 -7 7 0 9 units box create_box 2 box # simply for dump_modify to color lines = green pair_style granular pair_coeff * * hooke 4000.0 100.0 & tangential linear_history 1000.0 1.0 0.5 & damping mass_velocity neighbor 0.3 bin neigh_modify delay 0 every 1 check yes molecule tris surf.tri fix 20 all surface/global input mol tris & model * * granular hooke 4000.0 100.0 & tangential linear_history 1000.0 1.0 0.5 & damping mass_velocity fix 2 all nve/sphere fix 3 all gravity 1.0 vector 0 0 -1

关键步骤解读：

1. atom_style sphere提供 radius/omega 属性，满足fix surface/global的构造要求；
2. molecule tris surf.tri先把三角形文件 examples/gransurf/surf.tri 读成模板；
3. fix 20 all surface/global input mol tris model * * granular ...：用 mol 来源引用模板tris，模型部分对"所有颗粒类型 × 所有表面类型"使用granular风格，主接触模型hooke 4000.0 100.0，切向子模型linear_history 1000.0 1.0 0.5（对应 Kt、gamma_t、xmu），阻尼子模型mass_velocity——这套参数与颗粒-颗粒的pair_coeff保持一致，使表面接触行为与颗粒间接触物理上协调；
4. 颗粒动力学由fix nve/sphere+fix gravity提供，fix ins pour在盒顶上方持续补充颗粒；
5. 示例结尾展示了本文后续详述的fix_modify move用法：

run 5000 fix_modify 20 move * rotate 0 0 0 0 0 1 25 run 5000 fix_modify 20 move * none run 5000

即先纯倾倒 5000 步，再让全部表面绕 z 轴以周期 25 旋转（相当于旋转的锥形喂料器），最后用move * none停转。

同一目录下的 examples/gransurf/in.tri.gran.global.stl 是 STL 版对照，差异只在表面来源一行：

fix 20 all surface/global input stl 2 1 surf.tri.stl & model * * granular hooke 4000.0 100.0 & tangential linear_history 1000.0 1.0 0.5 & damping mass_velocity

注意 STL 来源时三角形类型统一设为 2、分子 ID 统一设为 1，而 mol 版由 examples/gransurf/surf.tri 文件逐行给出。两份输入在 examples/gransurf 中均附有 g++.1/g++.4 的完整运行日志（如log.17Jul26.tri.gran.global.g++.4），可直接用于核对输出。

dump image 渲染支持

该 fix 支持 dump image 的fix关键字，会把表面几何信息传给dump image一并渲染：

• 2d 体系：表面是一组线段，渲染为圆柱；fflag1设定圆柱半径；
• 3d 体系：表面是一组三角形，可渲染为 wireframe、实心三角形或两者兼有；fflag1选择渲染风格（1 = triangles，2 = wireframe，3 = both），fflag2设定 wireframe 线径。

颜色规则：默认按三角形所关联原子类型的配色（color style 为 "type" 或 "element" 时）；color style "const" 时默认白色，可用dump_modify fcolor修改；透明度默认不透明，可用dump_modify ftrans修改。示例输入中的注释块给出了实际用法：

#dump viz all image 100 tri.gran.global-*.ppm type diameter & # size 800 600 zoom 1.5 shiny 0.4 fsaa yes view 70 10 box yes 0.025 & # region zcylinder white transparent 0.5 fix 20 const 1 0 #dump_modify viz pad 6 acolor 1 orange boxcolor midnightblue backcolor black & # backcolor2 white lights 0.2 0.9 0.45 0.9 fcolor 20 silver ftrans 20 1

从源码看，几何导出由FixSurfaceGlobal::image()完成（fix_surface_global.cpp）：2d 时每个条目打Graphics::LINE标志并输出两个端点坐标，3d 时打Graphics::TRI标志并输出三个顶点坐标，同时携带表面 type 供配色。

fix_modify：move、type/region、mol/region

本 fix 为 fix_modify 命令定义了三个专属关键字（只在本文档页描述，不在 fix_modify 总页中）：move、type/region、mol/region，均可多次使用。通用格式：

fix_modify fix-ID keyword values ...

move：让表面按预设方式运动

move的值为smol mstyle args：

move values = smol mstyle args smol = 表面分子 ID（支持逗号分隔与通配符形式） mstyle = none / linear / wiggle / rotate / transrot / variable none args = （无） linear args = Vx Vy Vz wiggle args = Ax Ay Az period rotate args = Px Py Pz Rx Ry Rz period transrot args = Vx Vy Vz Px Py Pz Rx Ry Rz period variable args = v_dx v_dy v_dz v_vx v_vy v_vz

• smol可以是逗号分隔的多个表面分子 ID：sm,sm,...,sm，每个子项可为数值或*/*n/n*/m*n通配形式（语义同前：N为分子总数）。
• 必须包含相连物体的全部分子 ID：若一个物体由 2 个以上分子的表面构成，而move没有列全它们的分子 ID，会破坏连接关系。文档明确说明LAMMPS 不检查这一要求；同理，多次move造成的运动若违反表面几何限制（见 Howto 文档），LAMMPS 也不会检查。
• none风格用于关闭之前启用的运动（例如停止一个物体的旋转）。
• 除none外的各风格语义及其参数与 fix move 相同。
• variable风格比 fix move 受限：只允许 equal 风格变量（variable 命令定义），不允许 atom 风格变量；且若某方向的位移变量与速度变量均为 NULL，则该方向的位置/速度分量不变——这与 fix move 对单个粒子的说明不同。

源码印证：modify_param中解析move子句，variable风格的每个变量名都经variable->exists()与equal_flag检查（fix_surface_global.cpp）；运动状态存于Motion结构列表，none会取消该组分子的运动并在全部停转时释放pointmove内存（fix_surface_global.cpp）。对 local 表面，同样的运动操作可以直接用fix move命令加一个包含三角形/线段粒子类型的 group 实现。

type/region 与 mol/region：事后重设表面类型/分子 ID

type/region values = stype region-ID stype = 数值表面类型 region-ID = 之前用 region 命令定义的几何区域 ID mol/region values = smol region-ID smol = 数值表面分子 ID region-ID = 之前用 region 命令定义的几何区域 ID

这两个关键字都用于在input完成初始化之后重设表面属性，对 STL 三角形特别有用——因为 STL 文件无法逐三角形指定 type 或 molecule ID。判定规则：

• mol/region中smol必须在 1 到 maxmol 之间（maxmol 为 input 读入的最大分子 ID 或smaxmol关键字的设置值）；
• region 可以定义为几何物体的内部或外部（如球、block 的 inside/outside）；
• 用三角形/线段的几何中心点判断表面是否位于区域内，若在内则把其分子 ID/type 重置为给定值（源码中即region->match(xsurf[i][0],xsurf[i][1],xsurf[i][2])，见 fix_surface_global.cpp）。

文档给出的示例：

fix_modify 1 move 2 rotate 0 0 0 0 0 1 25 fix_modify 1 move 1,3*5,8* rotate 0 0 0 0 0 1 25 fix_modify 1 type/region 3 myBlock

重启、输出与 run 行为

• 不写二进制 restart：本 fix 的信息不会写入 restart 文件，重启时需重新执行该命令；
• 不产生全局量或 per-atom 量：没有可供 输出命令 访问的 compute 式数据；
• 无 start/stop 参数：本 fix 的任何参数都不能用于 run 命令的start/stop关键字；
• 能量极小化期间不激活：minimize过程中不调用本 fix。

限制与默认值汇总

限制：

1. 属于GRANSURF package，只有在 LAMMPS 编译时启用了该包才可用，见 Build_package 页；
2. 分子 ID 目前尚未真正参与颗粒表面相互作用（未来可能用到），其设计意图是唯一指派给每个互连的三角形/线段集合（相当于把每个物体看作一个"分子"），但这不是强制要求，LAMMPS 不检查；若一组互连表面的分子 ID 不一致会收到警告；
3. 多个fix surface/global命令之间定义的表面上互不连接（见前文）；
4. STL 不可用于 2d；move的完整性与几何合法性不被自动校验。

默认值：smaxtype（smaxmol）= input 中所有表面的最大类型（分子 ID）；flat= 1 度；neighbor=bin；temperature= 无。

相关命令：fix surface/local（局部表面）、pair_style surf/granular（以 pair 风格计算表面接触力）、fix smd/wall_surface（MACHDYN 包中的表面墙）。

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