Modelowanie komputerowe - rozwiązania dla przemysłu

Przystępując do nowej inwestycji, czy modernizując istniejącą zawsze pojawia się pytanie czy możemy to zrobić lepiej, nowocześniej i efektywniej. Dostawcy branży informatycznej przekonują, że właśnie ich narzędzia są drogą do poprawienia wyników. Systemy komputerowe wspierają prawie każdą dziedzinę, a do inwestorów co dnia pukają firmy oferujące integrację wszystkiego ze wszystkim. Ze względu na wzrost mocy obliczeniowej komputerów, duże systemy wspierające projektowanie i eksploatację zakładów stają się obecnie osiągalne dla mniejszych inwestycji. Pojawia się pytanie jakie rozwiązanie wybrać, które zapewni nam ciągłość działania, jak wielokrotnie wykorzystać powstające dane? Postaram się przybliżyć te zagadnienia.

Tomasz Kwaśniewski

2D CAD czy model 3D
Niezależnie od dziedziny przemysłu, o której byśmy chcieli mówić, dla każdego zakładu istniał etap jego historii, gdy był jedynie projektem. Czy mówimy o przetwórstwie ropy, chemii czy farmacji projekt taki zawierał swoje założenia, schematy, dane, rysunki. Firmy inżynierskie tworzące te projekty używają oprogramowania o różnym poziomie zaawansowania od prostych programów wspomagających obliczenia, poprzez systemy CAD (Computer Aided Design) wspomagających wykonywanie dokumentacji rysunkowej do zaawansowanych systemów integrujących wszystkie dane pozwalające stworzyć model przyszłego zakładu. W niniejszym raporcie spróbuję przedstawić aktualną sytuację na rynku tych właśnie systemów w inżynierskim slangu nazywanych aplikacjami plantowymi. Wiele z tych informacji pochodzi z danych dostępnych na tegorocznej konferencji DaratechPLANT2004, ale moje kontakty z krajowymi dostawcami takich rozwiązań pozwolą również ocenić sytuację na naszym rodzimym rynku.
Tak jak na rynku programów CAD, tak i w świecie systemów wspomagających projektowanie zakładów przemysłowych ilość liczących się dostawców rozwiązań nie jest zbyt duża. Obydwa te światy zresztą mocno się przenikają. Obecne systemy plantowe często pochodzą od specjalizowanych nakładek na programy CAD. Popularne programy rysujące stanowią nadal graficzne okno do baz danych opisujących model, i stanowią wygodne narzędzie do manipulowania nimi, czy nawigowania po wirtualnej fabryce. Takimi podstawowymi platformami były zawsze programy AutoCAD firmy Autodesk i Microstation firmy Bentley. Mniejsze znaczenie ma Visio Microsoftu, choć czasem jest stosowane do produkcji rysunków schematów. Rozpatrując wielkość zysków ze sprzedaży oprogramowania na rynku światowym niezachwianą pozycję ma trzech graczy: Autodesk, Bentley i Intergraph.
Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę tylko specjalizowane systemy oprogramowania sprzedawane do wspomagania projektowania zakładów przemysłowych to rola Autodesku jako lidera rynku CAD przestaje mieć znaczenie i głównymi rywalami okazują się Intergraph, Bentley i Aveva

Jak widać różnica w podziale rynku zależy od przyjętego kryterium przyporządkowania narzędzia i łatwo jest uzyskać różne wyniki na wykresach zmieniając kategorię czy obszar geograficzny. W naszych rodzimych rankingach firm informatycznych niektóre ze wspominanych tutaj w ogóle nie występują. W rankingu TOP200 pisma Computerworld w 2003 roku taką potęgę jak Autodesk znajdujemy na 108 pozycji a Intergraph na 181 miejscu wśród największych firm informatycznych w Polsce. Bentley znalazł się w wykazie firm informatycznych działających w Polsce poza dwusetką. Intergraph wymieniany jest jeszcze pośród firm świadczących usługi na 94 pozycji.
Systemy plantowe przewyższają zwykłe oprogramowanie CADowskie funkcjonalnością i wpływają na wzrost wydajności biur inżynierskich. Poza tym, że posiadają narzędzia do tworzenia dokumentacji płaskiej (projektowanie 2D) umożliwiają też tworzenie modelu trójwymiarowego (projektowanie 3D). Taki model jest podstawą do bardziej zaawansowanych funkcji jak wykrywanie kolizji (w ramach poszczególnych instalacji, lub instalacji z konstrukcją budowlaną), automatyczne generowanie rysunków izometrycznych, rzutów i przekrojów oraz tworzenie wykazów materiałów potrzebnych do wybudowania obiektu. Prowadzi to do skrócenia czasu trwania procesu projektowego, wyeliminowania wielu błędów i poprawy koordynacji.

Technologia na dłużej
Wydawało by się, że możliwości doskonalenia procesu powstawania zakładu przemysłowego z użyciem komputerowego wspomagania wyczerpują się. Jednak wszyscy wiodący producenci takich systemów zauważyli ścieżkę rozwoju, która przyniesie efekt nie tylko w procesie samej inwestycji (projektowanie i budowa zakładu) ale będzie umożliwiała poprawę efektu również po wybudowaniu zakładu i uruchomieniu produkcji. Będzie można wtedy rozpatrywać efektywność całego projektu. Stworzony w biurze projektowym model reprezentowany jest przez bazę danych, która może być wykorzystana również na etapie wznoszenia i eksploatacji obiektu. Baza taka wyposażana jest w narzędzia integrujące wszystkie branże, pozwala na sterowanie procesem inwestycji (np. połączenie harmonogramowania z czynnościami technologicznymi i dostawami), wielokrotne używanie tych samych danych, współprace między branżami i podwykonawcami, zarządzanie zmianami.
Ilustracja wyżej prezentuje ogólną tendencję rozwoju systemów, które wraz ze zwiększającą się funkcjonalnością pozwalają klientom osiągać coraz lepszy efekt ekonomiczny. Możliwe jest to dzięki temu, że systemy zaczęły obejmować cały cykl życia produktu (w tym wypadku zakładu przemysłowego). Wdrożenie takich systemów nie daje się już rozpatrywać w kategoriach zakupu i uruchomienia poszczególnych programów komputerowych, sztukach licencji, ilości stanowisk komputerowych i przeszkolonych operatorów. Inwestycji w oprogramowanie, pozycji rynkowych, obrotów itd. nie daje się wprost przełożyć na sukces zastosowanej technologii. Istotna jest zdolność dostawców do świadczenia ciągłego wsparcia, praca podwykonawców integrujących systemy, elastyczność i zdolność dostosowania systemu do specyficznych wymagań klienta.
Polskie modelowanie
Na Polskim rynku obecni są wszyscy najwięksi dostawcy systemów plantowych: Aveva, Bentley i Intergraph. Od kilku do kilkuset instalacji flagowych produktów tych producentów można znaleźć w polskich firmach projektowych lub w przedstawicielstwach firm zagranicznych działających na terenie Polski.
Aveva (dawniej Cadcentre) sprzedaje system PDMS - Plant Design and Management System. Intergraph od lat utrzymuje silną pozycje z systemem PDS - Plant Design System. Bentley lansuje integrację projektowania wokół serii oprogramowania Bentley Plant. Bardzo trudno jest dokonać jakiegokolwiek pozycjonowania firm na naszym rynku. Nikt tych danych nie zbiera. Dodatkowo, część licencji na takie systemy nie jest kupowana a dzierżawiona lub udostępniana w sieciach korporacyjnych. Duży wpływ mają preferencje klientów, i stosowane przez firmę inżynierską oprogramowanie zależy od tego dla kogo wykonywany jest projekt. Wiele lądowych instalacji przemysłowych w sektorze chemicznym opiera się na narzędziach dostarczanych przez dział Process, Power & Marine w Intergraph Corporation. Podobnie jest na rynku przetwórstwa ropy i gazu. Przykładami są tu firmy Lurgi Polska, Fluor (dawniej Prosynchem), Prozap Puławy, Biprozat Tarnów, Orlen Projekt Płock. W sektorze energetycznym i platform wiertniczych konkurencja jest bardziej wyrównana i często spotykamy tu system PDMS z Aveva. Na przykład w firmie Prochem S.A. z Warszawy system PDMS był wykorzystywany do projektowania rozbudowy platformy Troll-A na Morzu Północnym we współpracy z Norweskim ABB. Jak złożone instalacje obejmuje taki projekt dobrze ilustruje widok orurowania przedstawiony na ilustracji.

Na dorocznej konferencji użytkowników systemów firmy Bentley w maju 2004 roku w Orlando po raz pierwszy polskie firmy również odnotowały sukcesy. W kategorii zintegrowanego modelowania 3D pierwsze miejsce zajęła firma Rafako S.A. za projekt zakładu odsiarczania gazów spalinowych oraz miejsce piąte Energoprojekt S.A. Katowice za system zarządzania środowiskiem projektowym dla Elektrowni Pątnów.

Strona: 2/2

Modelowanie komputerowe - rozwiązania dla przemysłu (cd...)

Ułatwić projektowanie
Rozpatrując przyszłość poszczególnych systemów plantowych, należy zwracać uwagę na inwestycje i umowy podpisywane przez główne firmy na rynku. Świadczą one o tym co się będzie działo w najbliższych latach. Przykładem takich strategicznych działań jest podpisana pod koniec zeszłego roku umowa pomiędzy Autodeskiem i Avevea. Alians pomiędzy największym dostawcą systemów 2D a jedną z potęg w modelowaniu ma według managerów tych firm doprowadzić do poprawy jakości, wydajności i elastyczności. Dla świata inżynierskiego oznacza to, że będzie się on porozumiewał z zaawansowaną technologią PDMSa przy pomocy bardzo dobrze znanej technologii AutoCADa. Firma Bentley przejęła i zintegrowała ze swoimi rozwiązaniami PlantSpace oprogramowanie AutoPLANT / AutoPIPE firmy Rebis. To również oznacza, że kolejna poważna firma postawiła na rozwiązania oparte na AutoCADzie. Aktualna wersja Bentley Plant V8 2004 edition pozwala połączyć funkcjonalność AutoPLANT-a i PlantSpace. Intergraph nie zarzucając wspierania od lat panującego na rynku PDSa uzupełnił swoją ofertę o projektowanie branżowe 2D (SmartPlant PID, SmartPlant Electrical, INtools), zarządzanie informacją materiałową (MARIAN), oraz automatyczne składowanie i dystrybucję danych i dokumentacji tech. (SmartPlant Foundation), zapewniając obsługę pełnego cyklu tworzenia i obsługi danych opisujących kompleks przemysłowy. Nie ustają też prace nad wchodzacym na rynek w końcu 2004 środowiskiem SmartPlant 3D.

Każda z firm stara się udowodnić, że poza świetnymi narzędziami do modelowania zapewnia narzędzia dla budowy i eksploatacji zakładu po jego uruchomieniu (środowisko dla tzw. Engineering Contractors oraz Owners Operators). Planując taką ścieżkę rozwoju, trzeba już indywidualnie dostosowywać rozwiązanie do specyfiki danej inwestycji.

Bez tabelek
Wiedza o wynikach finansowych, ilości instalacji czy utrzymywanych licencji w na inżynierskie systemy plantowe w naszym kraju nie jest dostępna. Dlatego moje opracowanie pozbawione jest tabelek z cyferkami. Prawdopodobnie dane te będą wkrótce dostępne w publikowanych analizach dla rynku UE.

Podsumowując można stwierdzić, że Polski rynek systemów wspomagających projektowanie zakładów przemysłowych odpowiada, choć w znacznie mniejszej skali tendencjom światowym. Dostępne są i stosowane wszystkie najnowsze narzędzia. Biura inżynierskie osiągają światowy poziom. Wybór systemów wielokrotnie zależy od preferencji inwestora. Jeśli zainwestowane w system projektowania środki mają przynieść naprawdę efekt ekonomiczny, to proces inwestycyjny musi być rozpatrywany włącznie z późniejszą eksploatacją, a zebrane w procesie projektowania dane muszą być efektywnie wykorzystywane w następnych fazach eksploatacji obiektu. Dostawcy oprogramowania tworzą właśnie narzędzia, które będą to umożliwiały. Niezbędnym czynnikiem jest tu świadomość potencjalnych inwestorów o możliwościach takich systemów pracy i możliwych do osiągnięcia efektach ekonomicznych. Będą oni wtedy w stanie wybrać odpowiednie narzędzie, postawić jednostce inżynierskiej wymagania i zaangażować firmę usługową wspomagającą integrację całego procesu.

Modelowanie komputerowe udoskonali proces spiekania ceramiki

aktualizowano

2009-03-25 12:29:02

Inżynierowie z University of Leicester opracowali nowa technikę wytwarzania ceramiki, która ma szansę znacznie skrócić czas produkcji, obniżyć jej koszty, oraz zredukować ilość odpadków. Ta nowatorska metoda eliminuje z procesu produkcji tradycyjne podejście ‘prób i błędów’, proponując zamiast tego nowe techniki modelowania komputerowego.

Naukowcy z University of Leicester, pod kierownictwem profesora Jingzhe Pana, skupili się na kluczowym w procesie produkcji etapie, określanym mianem ‘spiekania’.

„Wytwarzanie zaawansowanych elementów ceramicznych nawet dziś w erze tak precyzyjnych technik wciąż w dużej mierze opera się na metodzie ‘prób i błędów.” – stwierdził Pan.

„Ceramika produkowana jest ze sprasowanego pyłu poddanego następnie spiekaniu. W procesie tym, pył jest nagrzewany do takiej temperatury, w której jego cząsteczki spajają się. Na tym etapie materiał kurczy się zwiększając przy tym swoją gęstość. A przy tym kruchość ceramiki sprawia, że bardzo trudne są wszelkie zmiany wymiarów w procesie postprodukcyjnym. W praktyce, niewłaściwe oszacowanie ostatecznych rozmiarów ceramicznych elementów prowadzi od straty materiału, czasu i pieniędzy.” – dodał Pan.

Opracowana przez Pana technika pomaga minimalizować błędy procesu produkcji powstające na etapie spiekania. „Przewidywanie zmian rozmiarów podczas spiekania jest trudne i wymaga dużej ilości informacji. Gromadzenie tych danych było dotąd trudne i kosztowne.” – stwierdził Pan.

„Nasza metoda wykorzystuje po prostu pomiary gęstości różnych elementów ceramicznych podczas procesu spiekania. W oparciu o te pomiary, komputer może przewidzieć zmiany wymiarów zanim w ogóle jeszcze produkcja się rozpocznie.” – dodał.

„Metoda ta nie jest uzależniona od fizycznych właściwości jakiekolwiek materiału ceramicznego; wykorzystuje po prostu dane dotyczące zgęstnienia pochodzące z małej próbki materiału, które zostają ekstrapolowane tak, by mogły być zastosowane do większych ilości materiału w procesie produkcji. Może ona zatem być stosowana do wielu rodzajów ceramiki.” – dodał.

Pan, który badał ten proces przez ostatnie 10 lat, dodał, że przemysł ceramiczny jest świadomy ogromnego potencjału modelowania matematycznego i komputerowego. Jednakże, zanim metoda ta znajdzie zastosowanie w przemyśle, wciąż pozostaje do rozwiązania kilka kwestii.

Na przykład, system musi zostać przekształcony w nieco bardziej przyjazny użytkownikowi. A do tego technika musi dowieść swej użyteczności w całej gamie zastosowań przemysłowych.

Motywacje dla modelowania komputerowego: 

• modelowanie eliminuje przybliżenia

• badania układów nie poddających się dotąd opisowi analitycznemu

• weryfikacja teorii przybliżonych

• mogą wypełnić lukę miedzy teorią a eksperymentem

 

• Aby rozpocząć proces symulacji, musimy mieć dobrze zdefiniowany

   model układu fizycznego 

• Przyjmujemy, że własności (observable) układu pojawiają się jako

   średnie po próbce pewnej przestrzeni (na przykład przestrzeni

   konfiguracji) 

• Przyjmujemy, że badany układ ma modelowy hamiltonian H

 

• Stan układu oznaczymy przez x=(x₁, ... x_n), gdzie n jest liczbą stopni

   swobody  

• Zbiór stanów tworzy dostępną przestrzeń fazową Ω

 

• Obliczana własność A jest funkcją stanów badanego układu

• W metodach stochastycznych przejście z jednej konfiguracji do

   do następnej jest realizowane w wyniku ewolucji probabilistycznej

   za pośrednictwem procesu Markowa 

• Proces Markowa jest probabilistycznym analogiem dynamiki

   wewnętrznej 

• Oprócz problemu skończoności czasu obserwacji, modelowanie

   komputerowe ma trudność skończonego rozmiaru układu 

• Modelowanie komputerowe jest możliwe do realizacji jedynie na

   układach małych w porównaniu z granicą termodynamiczną 

• Mogą się pojawić efekty rozmiaru (finite-size effects) 

 

• Aproksymacje polegają na przyjęciu specjalnych warunków

   brzegowych 

Wstęp do modelowania

Modelowanie Komputerowe

        Modelowanie molekularne, zwane inaczej chemią obliczeniową, ma zastosowanie zarówno w chemii, biochemii, inżynierii materiałowej jak i w nanotechnologii. Rozwój komputerów oraz programów sprawił, że w ostatnich czasach stało się ono dostępne dla wszystkich, a obliczenia chemiczne można już przeprowadzać na komputerze osobistym. Koszt oraz czas badań teoretycznych jest niejednokrotnie o wiele mniejszy niż wstępne badania praktyczne a uzyskane wyniki coraz bardziej zbliżają się do wyników eksperymentalnych. Korzystając z dobrodziejstw chemii teoretycznej możemy już dziś z bardzo dobrymi rezultatami przewidzieć właściwości fizyczne i chemiczne, modelować reakcje oraz stany przejściowe, symulować widma spektroskopowe, czy też badać układy bardziej skomplikowane, jakim są centra aktywne enzymów. Możemy także projektować leki oraz nowe materiały. Modelowanie komputerowe często nie może dać jednoznacznej odpowiedzi na zadawane pytania, ale w znaczny sposób pomaga zrozumieć oraz rozwiązać problemy. Wszechstronnie wykształcony chemik powinien umieć korzystać z najnowszych dobrodziejstw, jakim niewątpliwie jest wsparcie badań eksperymentalnych obliczeniami.

Opis atomów, cząsteczek – czyli rzeczywistość w ujęciu teoretycznym

       Dzisiejsze techniki badawcze pozwalają rejestrować bardzo subtelne właściwości molekuł począwszy od pojedynczego spinu[1]e lektronu a skończywszy na oddziaływaniach międzycząsteczkowych. Metody obliczeniowe pozwalają na matematyczny opis atomów, cząsteczek a przez to stworzenie teoretycznego modelu obserwowanych właściwości. Niejednokrotnie badania teoretyczne pozwalają na przewidzenie właściwości chemicznych cząsteczek, a czasem ułatwiają nawet właściwe zaprojektowanie eksperymentu.[2]

      Podstawowym budulcem cząsteczek są atomy. Rozmiar atomu wynosi poniżej jednej dziesięciomiliardowej metra (10-10 metra, co odpowiada jednostce 1 Ả -Angstrom). Składa się on z jądra atomowego, w którym skupiony jest ładunek dodatni i elektronów o ładunku ujemnym. Jądro atomowe w porównaniu z atomem jest bardzo małe i jest w nim skupiona praktycznie cała masa atomu. Jeśli by powiększyć atom tak, aby jego średnica wynosiła 10 metrów wówczas średnica jądra sięgałaby zaledwie 1 mm. Ze względu na tak duża masę i małą objętość, oraz położenie jądra w centrum atomu, o oddziaływaniach między atomami decydują głównie elektrony. W matematycznym opisie atomów nie możemy używać fizyki klasycznej, ponieważ zjawiska zachodzące w skali atomowej nie mają odpowiednika w skali makro, dlatego do opisu zjawisk w skali atomowej stosuje się fizykę kwantową.

      Chcąc opisać układ (atom lub cząsteczkę) musimy znać:

Geometrie – dla cząsteczki (układu co najmniej dwóch atomów), czyli wzajemne położenie atomów w przestrzeni. Możemy również podać geometrię początkową a następnie zoptymalizować strukturę, czyli znaleźć optymalne odległości i kąty między atomami charakteryzującymi stan równowagowy o najniższej energii.

Ładunek – jaki posiada badany układ, świadczy dla jonów o nadmiarze lub braku elektronu. Ładunek całkowity wyrażony w jednostkach atomowych przyjmuje zawsze wartości całkowite. Ładunek może również być wyrażony w ułamkach, gdy podzielony jest na indywidualne atomy w cząsteczce.

Multipletowość spinowa – jest to sposób obsadzenia poziomów energetycznych cząsteczki lub atomu. Obliczamy ją z równia 2S+1, gdzie S jest całkowitą liczbą kwantową spinu atomu lub cząsteczki. Multipletowość o wartości 1 nazywamy singletem, 2 – dubletem, 3 – trypletem, 4 – kwartetem, 5 – kwintetem, itd. Każdy elektron posiada spin równy ½ bądź -½. Dla układów, które posiadają wszystkie sparowane elektrony (S=0, sparowane elektrony posiadają spin o różnym znaku) multipletowość wynosi 1. Dla układów posiadających niesparowane elektrony (każdy niesparowany elektron ma wartość ½) multipletowość obliczamy z wzoru 2S+1 i tak na przykład:

– dla jonu, który powstał przez oderwanie bądź przyłączenie elektronu (mamy jeden niesparowany elektron, czyli wypadkowa liczba spinowa wynosi: S=1/2) multipletowość 2.

– dla jonu, który powstał przez oderwanie protonu od obojętnej cząsteczki związku organicznego multipletowość wynosi jeden (związek posiada wszystkie sparowane elektrony i ładunek minus jeden, wypadkowa liczba kwantowa spinu S wynosi 0).

– dla jonu, który powstał przez przyłączenie protonu na przykład karbokation powstały po przyłączeniu protonu do wiązania podwójnego multipletowość wynosi jeden (cząsteczka posiada wszystkie sparowane elektrony i ładunek plus jeden, wypadkowa liczba kwantowa spinu S wynosi 0).

        Dla niektórych związków lub dla układów w stanie wzbudzonym mamy większą liczbę elektronów niesparowanych, zatem multipletowość jest większa. Takimi przykładami związków, które w stanie podstawowym mają wyższą multipletowość są to cząsteczki O2 i FeCl3, które są w stanie trypletowym. Atomy, cząsteczki w stanie trypletowym posiadają dwa niesparowane elektrony.

     Mając te wszystkie dane możemy przystąpić do kwantowego opisu cząsteczki bądź atomu. Przedstawiony tutaj opis będzie bardzo fragmentaryczny dla zainteresowanych polecamy literaturę zakresu chemii kwantowej.

     Rozwiązanie równania Schrödingera prowadzi do znalezienia funkcji falowej. Funkcja ta jest wyrażona za pomocą orbitali molekularnych, które z kolei są kombinacjami liniowymi orbitali atomowych. Orbitale atomowe, w przybliżonej postaci, podaje się jako tzw. bazę atomowa. Najbardziej popularnymi bazami są bazy korzystające z funkcji Gaussa (G). Minimalną taką bazą składającą się jedynie z orbitali obsadzonych w stanie podstawowym atomu jest baza STO-3G zawierająca konieczną liczbę funkcji dla każdego atomu. Bazę tę stosuje się dla bardzo dużych układów, lub w obliczeniach semiempirycznych. Bazy rozszerzone o dodatkowe orbitale o wyższych głównych liczbach kwantowych to na przykład 3-21G, 6-31G, 6-311G. Bazy te nazywamy bazami Gaussowskimi lub Poplowskimi. W notacji tych baz spotykamy dodatkowe oznaczenie nie wspierane już w najnowszej rewizji Gaussiana (rev E) w postaci gwiazdki - *, bądź z podanymi orbitalami w nawiasie – p, d, f. Jest to uwzględnienie funkcjami polaryzacyjnych na atomach drugiego i wyższych okresów np.: 6-31G(d) (inny zapis 6-31G*) –baza z dodatkową funkcją dla orbitalu d dla ciężkich atomach; 6-31G(d,p) (inny zapis 6-31G*) baza z dodatkowymi funkcjami dla ciężkich atomów (orbital d) oraz dla atomów wodoru funkcje dla orbitalu p. Funkcje polaryzacyjne umożliwiają zmianę kształtu orbitali i są stosowane dla średniej wielkości molekuł. Dodatkowe funkcję bazy to funkcje rozmyte zaznaczmy w bazie Gaussowskiej poprzez użycie znaku +. Podobnie jak wyżej użycie dwóch ++ powoduje dodanie funkcji polaryzacyjnej także na atomach wodoru. Funkcje te stosowane są dla układów, w którym mamy duże odległości między elektronem a jądrem atomowym np.: dla cząsteczek z wolną parą elektronową, anionów, układów wzbudzonych, lub z układami z wiązaniem wodorowym. Oprócz baz Gaussowskich możemy stosować inne bazy, np.: Dunningowskie: cc-PVDZ, z funkcjami polaryzacyjnymi aug-cc-PVDZ, lub specjalistyczne na przykład Huizinga czy IGLO. Więcej informacji na temat różnych baz a także same bazy można znaleźć na stronie: http://www.emsl.pnl.gov/forms/basisform.html.

     Po doborze odpowiedniego sposobu opisu funkcji, następnym etapem jest wybór „przybliżenia”, które pozwoli na rozwiązanie równania Schrödingera. Energie układu możemy wyznaczyć stosując różne metody i tak między innymi w metodzie HF (Hartree Fock) nie uwzględniamy korelacji między elektronami. Metody oparta na funkcji HF, lecz uwzględniające korelacje między elektronami to między innymi MP2, która jest już bardziej wymagająca obliczeniowo, lecz dająca lepsze wyniki. Ale ciągle są to metody przybliżone oparte na jednym wyznaczniku Slatera. Metody oparte na rozwiązywaniu równania Schrödingera poprzez zastosowanie podstawowych praw mechaniki kwantowej nazywamy metodami ab-initio. Inne metody to metody półempiryczne polegające na założeniu, że elektrony i orbitale wewnątrz atomów nie biorą udziału w tworzeniu wiązań. Jedynie w tworzeniu wiązania biorą udział elektrony walencyjne, które są uwzględniane podczas obliczeń kwantowych. Pozostałe elektrony uwzględniane są jedynie jako pseudopotencjały będące imitacjami rzeczywistych powłok wewnętrznych. Metody półempiryczne różnią się od metod ab initio, dla których uwzględnia się wszystkie elektrony tym, że część danych stosowanych w obliczeniach pochodzi z badań eksperymentalnych i dokładnych obliczeń teoretycznych (czasami mówimy że są sparametryzowane). Metody półempiryczne są mało kosztowne obliczeniowo, dlatego znalazły zastosowanie do obliczeń bardzo dużych układów. Najbardziej popularne metody to: AM1, PM3, PM3MM, MNDO, INDO, CNDO.

    Metody DFT to metody ab initio (niektórych autorzy uważają je za metody półempiryczne) dające lepsze wyniki w porównaniu z metodami HF przy tych samych wymogach obliczeniowych komputerów. Metody te bazują na gęstości elektronowej. Metody te uwzględniają korelację między elektronami. Najpopularniejsze to B3LYP, LSDA, PW91, B3PW91, B1LYP, PBEPBE.

     Metody mechaniki molekularnej (MM), opierają się na zastosowaniu mechanicznego modelu cząsteczki, w którym atomy traktowane są jak kule, a wiązania traktowane są jako sprężyny najczęściej spełniające prawo Hooka. Energia potencjalna obliczana jest jako suma wkładów pochodzących od oddziaływań deformacji wiązań, katów i kątów dwuściennych tworzonych przez atomy oraz oddziaływań elektrostatycznych i Van der Waalsa. Do opisu tych metod służą pola siłowe. Najczęściej stosowane pola to:

- AMBER, GROMOS nadające się do białek i kwasów nukleinowych,

- CHARMM i ECEPP do białek,

- EAS do alkanów

- MM2 do zastosowania ogólnego.

Dla układów molekularnych, których chcemy badać dynamiczne i termodynamiczne właściwości możemy zastosować dynamikę molekularna. Jest ona oparta na równaniach ruchu Newtona dla atomów, którym nadawane są losowe prędkości zgodnie z rozkładem Maxwella. Oprócz dynamiki molekularnej jest jeszcze: Dynamika Langevina -uwzględniająca rozpuszczalnik, dynamika Monte-Carlo polegająca na losowych zmianach np.: konformacyjnych i analizie energii.

 

Programy chemiczne

      Zainteresowanie obliczeniami chemicznymi sprawiło, że ilość oprogramowania do dostępnego na rynku jest coraz większa i są one coraz łatwiejsze w użyciu. Większość oprogramowań opiera się na takich samych metodach opisu cząsteczki, algorytmach rozwiązań jedyna różnica między nimi to: autorzy, firmy tworzące oprogramowanie, sposoby matematyczne rozwiązywania równań, a także różne interfejsy programów. Oprogramowanie, które jest tu przedstaione to w głoownej mierze programy Gaussian oraz HyperChem. Gaussian jest to profesjonalne narzędzie pracy chemików, które w ostatnich latach dzięki graficznym aplikacjom stało się przyjazne dla niedoświadczonego użytkownika. HyperChem cechuje się przyjaznym graficznym interfejsem. Wybór oprogramowania do rozwiązywania określonych ćwiczeń i nauki zostawiamy czytelnikowi.