量的实验数据之外，并参照了精确的量子计算结果，尤其适用于有机分子系统。CFF91、CFF95、COMPASS与PCFF都属于第二代力场。
一般情况下，分子的总能量为动能与势能的和，而分子的势能可表示为简单的几何坐标的函数。复杂分子的总势能一般可分为各类型势能的总和，即由成键项（Ubonded）、交叉项(Ucross)和非键项(Unobonded)三部分构成，即：
总势能=成键项势能+交叉项势能+非键项势能 习惯上常用的数学表达式为：U=Ubonded+Ucross+Unobonded
成键项（Bonded term）包括键伸缩项(Ub)、键角弯曲项(Uθ)、二面角扭曲项(Uφ)和离平面振动项(Uχ)。
交叉能量项(Cross energy term)主要指成键作用之间耦合引起的能量变化，包括键伸缩-键伸缩(Ubond-bond)、键伸缩-键角弯曲-键伸缩(Ubond-angle-bond)、键角弯曲-键角弯曲(Uangel-angle)、二面角扭转项-键伸缩(Utorsion-bond)、二面角扭转项-键角弯曲-键角弯曲(Utorsion-angle-angle)、键角弯曲-二面角扭转项-键角弯曲(Uangle-torsion-angle)、离平面振动-二面角扭转项-离平面振动(Uoop-torsion-oop)，一般情况下，交叉能量项对整体势能影响较小,所以在一般的力场中并不含有这些项,只有在计算结果精度要求较高时才有交叉能量项。交叉项通常形式比较复杂,计算起来非常耗时,尤其是在计算原子数目较多的体系时。
非键项（Nobonded term）包括范德瓦耳斯作用（Uvdw）、库伦静电作用（Uel）和氢键作用（UH）等。
以下着重强调几个重要的势能项：
(1) 非键结范德瓦耳斯势能(Uvdw) 若A、B两原子属于同一分子但其间隔多于两个连接的化学键（如 A—C—C—B），或者两原子属于不同的分子，虽无直接连接成键但因为距离较近，则此两原子间有非键结范德瓦耳斯力（Nobonded van der waals force）。计算非键结作用时，通常将某个原子视为位于其原子核坐标的一点，力场中最常见的非键结势能形式为Lennard-Jones(L-J)势能，这种势能又称为12-6势能，其数学表达式为：
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式中ε与ζ为势能参数（因原子对而异），r为原子对间的距离，r-12项为
排斥项，r-6项为吸引项，当r很大时势能趋近于零，这表明原子对距离很远时已无非键结作用，如图 2- 错误！仅主文档。 L-J势能曲线，表 2. 错误！仅主文档。部分常见分子的LJ势能参数。
图 2- 错误！仅主文档。 L-J势能曲线
表 2. 错误！仅主文档。部分常见分子的LJ势能参数
原子或分子 He Ar O2 CH4 C3H8
注: 1=0.1nm 。
（ε/kb）/ K 10.41 141.6 126.3 161.3 268.5
r/ 2.602 3.350 3.382 3.721 4.992
(2)键伸缩势能(Ub) 在分子中相互键结的原子形成化学键，如C—H，O—H键等，化学键的键长并非恒定不变，而是在其平衡值附近呈小幅度的振动，这种振动所产生的势能称为键伸缩势能或键伸缩势能项（Bond stretching term）。
键伸缩势能项的一般形式为(将此形式视为简谐振动)：
（2. 错误！仅主文档。）
式中kb为键伸缩的弹力常数，弹力常数越大，振动频率越高，振动越快；ri和分别表示第i个键的键长与第i个键的平衡键长。
表 2. 错误！仅主文档。 MM2力场一些键的伸缩势能参数
键结 Csp3—Csp3 Csp3—Csp2 Csp2=Csp2 Csp3—H Csp2=O Csp3—Nsp3
平衡键长r/ 1.523 1.497 1.337 1.113 1.438 1.438
弹力常数kb/[kcal/(mol·)] 317 317 690 662 777 367
注：1kcal=4.187 kJ, 1=0.1nm 。
有些力场（如MM3力场）为了增加计算的准确性，除了简谐振动项外增加了非简谐振动项(除了二次的简谐振动项外，还增加了三次与四次的非间歇振动项)以更准确的描述键伸缩势能，如：
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(3) 键角弯曲势能(Uθ) 若分子中连续键结的三原子形成一定的键角。与键的伸缩一样，这些键角并非维持不变，而是在其平衡值附近呈小幅度的振荡（一般视为简谐振荡），通过键角弯曲项（Angle bending term）可以描述这项势能项，键角弯曲项的一般形式为：
（2. 错误！仅主文档。）
式中θi及分别表示第i个键的键角及其平衡键角，kθ为键角弯曲的弹力常数。为了增加计算的精确性，我们可以像键伸缩势能项一样增加高次非简谐项以提高计算的精确度。
(4) 二面角扭曲势能(Uφ) 若分子中连续键结四个原子并形成二面角（Dihedral angle），如丙烷CH3CH2CH3中的H—C—C—C、H—C—C—H等，一般分子中的二面角易于扭动，所以需要一个势能项来描述这种势能，我们称之为二面角扭曲项（Torsion angle term），二面角扭曲项的一般形式为：
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式中，φ为二面角角度，V1、V2和V3均为二面角扭曲项的弹力常数。 (5) 离平面振动势能(Uχ) 在分子中，有些原子有共平面的倾向，如丙酮
CH3C(O)CH3中，碳原子与氧原子的平衡位置位于共同平面，其他如苯环上的碳氢原子、烯类中的碳氢原子等均有共平面的倾向，通常共平面的四个原子的中心原子会离开平面小幅度的振动，所以我们使用离平面振动项（Out-of-plane bending term）来描述这种势能，离平面振动项的一般形式为：
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式中，χ为离开平面振动的角度，kχ为离开平面振动项的弹力常数。 (6) 库伦静电势能（Uel） 离子或带有部分电荷的分子，则这些带电荷的粒子间因相对距离存在着静电吸引或排斥作用，我们通过库伦作用项（Columbic interaction term）来描述这种静电作用，库伦作用项的一般形式为：
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式中，qi和qj为第i个粒子与第j个粒子所带的电荷，rij为所带电荷粒子间的距离，D为有效介电常数（effective dielectric constant）。
2.2.3 Lennard-Jones(L-J)作用势与Tersoff作用势
对于单壁碳纳米的分子动力学模拟，由于单壁碳纳米管模型中既有两体相互作用也有三体相互作用，所以针对此模拟体系，采用了两种作用势，分别是Lennard-Jones作用势与Tersoff作用势。
Lennard-Jones(L-J)作用势（又称L-J势能函数或6-12势能函数）是计算化学中用来模拟两分子间作用势能的一个函数，是一种两体作用势。最早由曼彻斯特大学的数学家John Lennard-Jones于1931年提出。由于其解析形式简单所以被广泛使用，L-J作用势的表达式为：
L-J作用势相应的两体作用力为：
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式中ε为L-J作用势的势能阱的参数，ζ是L-J作用势的互相作用势能正好为零时的两体距离（也称为平衡常数）,rij为粒子i、j间的距离。
Tersoff作用势是一种典型的三体作用势，它已被广泛用于描述碳族化合物的原子间的作用力[i]。Tersoff作用势的公式如下：
其中：
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