一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法，该方法包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法


[0001]本专利技术涉及摩擦学计算
，尤其涉及一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法。

技术介绍

[0002]早在1902年，德国学者Stribeck R.在对轴承进行摩擦学实验研究中，探讨了润滑剂的粘度、相对速度以及法向载荷等参数与摩擦系数的关系，并得到了以“(润滑剂的粘度
×
相对速度)/法向载荷”物理量为横坐标，摩擦系数为纵坐标的函数图像，这就是摩擦领域中著名的Stribeck曲线。
[0003]长期以来，Stribeck曲线一直是研究人员用于定性分析摩擦系统性能的工具，并利用它将摩擦系统的润滑状态划分为动压润滑、混合润滑、薄膜润滑以及边界润滑等。同时，该曲线表明，摩擦系统随着法向载荷增大、相对速度和润滑剂粘度的降低，摩擦系数将会增大。完整的Stribeck曲线横坐标采用对数坐标形式，其量级跨度较大，一般为6 ~ 14个数量级，因此在理论上难以通过单一数学模型完整且精准地表征出从零油膜到流体动压润滑等多种润滑状态；此外已有的实验设备难以满足如此大的测量工况范围。目前仅有四川大学的Dong Zhu团队利用准系统弹流润滑模型计算出较为完整的点接触Stribeck曲线，并在宽转速摩擦试验台上得到良好的验证。
[0004]分子动力学是一种在微观尺度上采用牛顿力学理论开展系统性质研究的模拟方法，适用于金属、陶瓷、复合材料、有机物等材料体系。目前，该方法已在微观摩擦领域具有较为成熟的应用，可预测法向载荷、摩擦力、摩擦系数、温度及应力分布等摩擦学特征参量。因此，采用分子动力学方法开展摩擦副的Stribeck曲线模拟计算是一种简单有效的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种简单、快速的基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法。
[0006]为解决上述问题，本专利技术所述的一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法，包括以下步骤：
⑴
在分子动力学模拟软件中创建包括固定件、润滑剂以及运动件的摩擦系统微观结构的几何模型；
⑵
利用数值计算方法完成几何模型的能量最小化；
⑶
设定模拟系统的计算参数；
⑷
对运动件和润滑剂分别施加法向载荷P1和法向载荷P2，然后在分子动力学模拟软件中给定计算步数，完成加载过程的模拟；
⑸
给定运动件沿运动方向的运动速度V，在分子动力学模拟软件中完成摩擦过程的模拟，并计算运动件的摩擦力F
y
；
⑹
计算Stribeck曲线中涉及的物理量；
⑺
绘制Stribeck曲线图。
[0007]所述步骤
⑴
中固定件为填充有待被摩擦材料原子的长方体盒子Ⅰ，并从长方体盒子Ⅰ底面起自下而上依次定义两个L型区域，即固定层与恒温层，其余区域定义为牛顿层。
[0008]所述步骤
⑴
中润滑剂为构成润滑剂的基础分子通过给定润滑剂密度ρ和基础分子数量比例构建出填充润滑油分子的长方体盒子Ⅱ，该长方体盒子Ⅱ与所述固定件的长方体盒子Ⅰ的长、宽大小一致，且位于所述固定件的上表面。
[0009]所述步骤
⑴
中运动件为填充有摩擦材料原子，半径为r的球体，该球体位于所述润滑剂的长方体盒子Ⅱ上方，且二者间距为10 ~ 15
ꢀÅ
。
[0010]所述步骤
⑵
中数值计算方法为共轭梯度法、最速下降法、牛顿
‑
拉森法中的一种。
[0011]所述步骤
⑵
中几何模型的能量最小化按下述方法完成：在分子动力学仿真软件中给定几何模型在迭代过程中的最大迭代步数与迭代收敛精度，然后采用数值计算方法得到稳定的摩擦副微观几何模型。
[0012]所述最大迭代步数是指模型受力的最大迭代步数与迭代收敛精度和模型能量的最大迭代步数，且两者最大迭代步数为1000 ~ 5000步。
[0013]所述迭代收敛精度为1
×
10
‑
10 ~ 1
×
10
‑
15
。
[0014]所述步骤
⑶
中模拟系统的计算参数包括模拟系统的长方体盒子Ⅲ三个正交方向的边界条件、模拟时间步长、系统初始温度T0、系综和原子之间的势函数。
[0015]所述边界条件为周期性边界条件、自由边界条件或固定边界条件中的一种。
[0016]所述模拟时间步长为被研究材料的分子运动最小振动周期的1/30 ~ 1/10。
[0017]所述系统初始温度T0为给定系统内全部原子在0时刻的温度，其中恒温层采用系统控温方法进行控温。
[0018]所述系综为NVT系综、NVE系统、NPT系综或NVH系综中的一种或多种。
[0019]所述原子之间的势函数是指设定系统为混合力场，并给出系统内任意两种原子的力场；所述力场为L
‑
J力场、L
‑
J库伦力场、L
‑
J长程库伦力场、L
‑
J短程库伦力场、Mores力场、EAM力场、MEAM力场、OPLS力场、PCFF力场、CVFF力场、tersoff力场、reax/c力场中的一种或多种。
[0020]所述步骤
⑷
中法向载荷P1为固定件与运动件的相互作用力，且P1为0.1 ~ 10 kcal/(mol
·
Å
)。
[0021]所述步骤
⑷
中法向载荷P2为润滑剂所处环境的边界压力，且边界压力为标准大气压。
[0022]所述步骤
⑷
中计算步数为能够使系统弛豫后达到动态平衡所需要的计算步数，且计算步数为1
×
10
4 ~ 1
×
107步。
[0023]所述步骤
⑸
中运动速度V为运动件与固定件间的相对运动速度，且运动速度为0.0001 ~ 1000 m/s。
[0024]所述步骤
⑹
中涉及的物理量分别为润滑剂温度T、润滑剂粘度η、系统的摩擦系数μ和Stribeck曲线横坐标参量U。
[0025]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术通过建立固定件、润滑剂以及运动件的摩擦系统几何模型，开展在给定温度、载荷和相对运动速度工况下，系统在摩擦过程中的分子动力学模拟，得到摩擦系数，
进而得到摩擦系统的Stribeck曲线。
[0026]2、本专利技术在理论上可以得到外界工况与系统的摩擦系数的定量关系，解决了难以通过同一种计算模型完整地描述出从零油膜到流体动压润滑多种润滑状态的Stribeck曲线计算问题，可为材料摩擦、润滑等领域的润滑状态定量划分研究提供依据。
[0027]3、本专利技术方法简单、快速、易于实现，适用于点、线、面等各种接触形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法，包括以下步骤：
⑴
在分子动力学模拟软件中创建包括固定件、润滑剂以及运动件的摩擦系统微观结构的几何模型；
⑵
利用数值计算方法完成几何模型的能量最小化；
⑶
设定模拟系统的计算参数；
⑷
对运动件和润滑剂分别施加法向载荷P1和法向载荷P2，然后在分子动力学模拟软件中给定计算步数，完成加载过程的模拟；
⑸
给定运动件沿运动方向的运动速度V，在分子动力学模拟软件中完成摩擦过程的模拟，并计算运动件的摩擦力F
y
；
⑹
计算Stribeck曲线中涉及的物理量；
⑺
绘制Stribeck曲线图。2.如权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法，其特征在于：所述步骤
⑴
中固定件为填充有待被摩擦材料原子的长方体盒子Ⅰ，并从长方体盒子Ⅰ底面起自下而上依次定义两个L型区域，即固定层与恒温层，其余区域定义为牛顿层。3.如权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法，其特征在于：所述步骤
⑴
中润滑剂为构成润滑剂的基础分子通过给定润滑剂密度ρ和基础分子数量比例构建出填充润滑油分子的长方体盒子Ⅱ，该长方体盒子Ⅱ与所述固定件的长方体盒子Ⅰ的长、宽大小一致，且位于所述固定件的上表面。4.如权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法，其特征在于：所述步骤
⑴
中运动件为填充有摩擦材料原子，半径为r的球体，该球体位于所述润滑剂的长方体盒子Ⅱ上方...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔竹辉，李彤阳，于源，王鲁杰，汤华国，
申请(专利权)人：烟台先进材料与绿色制造山东省实验室烟台中科先进材料与绿色化工产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：