一种基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法，包括：在

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法


[0001]本专利技术属于微观摩擦研究
，具体是一种基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法
。

技术介绍

[0002]据调查，机械结构摩擦副间的摩擦所导致的磨损失效约占机械设备损坏的
70
％，机械摩擦副的摩擦特性直接影响其工作性能
。
摩擦副间
(
即金属与金属之间
)
的摩擦力越大，摩擦界面温升越大，摩擦传热引起的高表面温度会影响摩擦副的可靠性和稳定性
。
目前国内外对于摩擦副的摩擦特性的研究多集中于宏观层面上，利用实验仪器对摩擦副的摩擦力进行预测和分析，从而提出减少摩擦力
、
改善界面温升的方法，缺乏从微观层面对于摩擦力的机理研究，在目前的研究中探索摩擦传热过程中的物理机制仍然是一个巨大的挑战
。
由于声子涉及摩擦和传热过程，因此需要一种能够从分子尺度研究摩擦力方法
。
[0003]因此，需提供一种新的方法研究每一个声子模式传热对摩擦力的贡献，即预测频谱摩擦力
。
预测出频谱摩擦力后可以从声子层面设计摩擦界面材料，降低摩擦力频谱中主导声子对摩擦力的贡献，从而降低摩擦，反之亦然
。
该方法对于降低摩擦力频谱中主导声子对摩擦力的贡献从而降低摩擦力和改善界面温升具有重要意义
。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法，本基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法从分子尺度研究了固体原子间摩擦传热的过程，进而获得每一频率下的摩擦力，也即每一个声子模式传热对摩擦力的贡献
。
[0005]为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0006]一种基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法，包括以下步骤：
[0007](1)
针对两个固体物块在
lammps
软件中建立其对应的摩擦模型，在正则系综下设置模拟温度和法向载荷，得到初始的摩擦模型，初始的摩擦模型包括上部固体物块和下部固体物块；
[0008](2)
待到模拟温度和法向载荷稳定后，在微正则系综下通过弹簧牵引上部固体物块的刚体层使得上部固体物块沿
x
方向或
y
方向以预设速度运动，使用
Langevin
动力学方法将下部固体物块的基底调温区间的温度维持在预设温度，执行
lammps
软件运行命令的配置文件，得到模拟数据，所述模拟数据包括不同时刻下的基底调温区间能量涨落累计变化
、
上部固体物块的下表面各个原子与下部固体物块的上表面各个原子之间的相互作用力以及下部固体物块的上表面各个原子的速度；
[0009](3)
基于
matlab
软件对步骤
(2)
输出的模拟数据进行数据处理，计算出频谱摩擦力，进而获得每一频率下对摩擦力的贡献值
。
[0010]作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述的摩擦模型中，上部固体物块包括刚体
层和摩擦区间，其中刚体层位于上部固体物块的顶部，摩擦区间位于上部固体物块的底部；下部固体物块包括固定层
、
基底调温区间和摩擦区间，其中固定层位于下部固体物块的底部，基底调温区间位于固定层的上方，摩擦区间位于下部固体物块的顶部
。
[0011]作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述的摩擦模型中，在
x
方向和
y
方向上采用周期性边界条件，在
z
方向上采用非周期性边界条件
。
[0012]作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述的执行
lammps
软件运行命令的配置文件的过程中，采用嵌入原子法
EAM
势函数描述金属原子间相互作用，采用
LJ
势函数描述上部固体物块的摩擦区间原子与下部固体物块的摩擦区间原子之间的相互作用
。
[0013]作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述的步骤
(3)
具体为：
[0014]基于
matlab
软件对步骤
(2)
输出的模拟数据进行数据处理，计算出瞬时摩擦力，瞬时摩擦力为某时刻下的上部固体物块的下表面原子与下部固体物块的上表面原子之间的相互作用力的水平方向分力；
[0015]平均摩擦力为所有时刻对应的瞬时摩擦力的平均值；
[0016]计算频谱摩擦力，频谱摩擦力
f(
ω
l
)
为：
[0017][0018]其中
v
表示上部固体物块沿
x
方向或
y
方向设定的速度，
q
tip
→
sub
(
ω
l
)
表示从上部固体物块
tip
流向下部固体物块
sub
的热流，
f(
ω
l
)
表示频谱摩擦力，也即分解到每一频率下对摩擦力的贡献值；
[0019]其中：
[0020][0021]A
表示界面区域的面积，
Δ
t
s
为采样间隔，
M
为频域空间的频率样本数，
*
表示共轭运算，离散角频率
[0022][0023]其中，表示每隔
Δ
t
s
下部固体物块上表面第
i
个原子受到上部固体物块各原子的作用力之和；
[0024][0025]表示每隔
Δ
t
s
下部固体物块上表面第
i
个原子的速度
。
[0026]本专利技术的有益效果为：
[0027]本专利技术的方法通过
lammps
软件构建包括上下两部分固体物块的分子动力学摩擦模型；选取
EAM
力场描述铝原子间的相互作用；编写脚本进行分子动力学模拟，包括在
NVT
系综下设置模拟温度和预设
z
方向法向载荷
、
在
NVE
系综下进行上下两部分固体物块的摩擦模拟，输出相应数据；通过公式推导与计算，基于
matlab
软件对所需数据进行统计分析，得出每一频率下对摩擦力的贡献值，绘制摩擦力频谱图
。
[0028]本专利技术提供的方法中，提出了在相应环境下对上下两部分固体进行摩擦模拟的方案，成功实现了摩擦过程的仿真，结合声子传热理论
、
实验研究成果，可进一步分解出每一个声子模式传热对摩擦力的贡献
。
[0029]本专利技术从分子尺度研究了固体原子间摩擦传热的过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
针对两个固体物块在
lammps
软件中建立其对应的摩擦模型，在正则系综下设置模拟温度和法向载荷，得到初始的摩擦模型，初始的摩擦模型包括上部固体物块和下部固体物块；
(2)
待到模拟温度和法向载荷稳定后，在微正则系综下通过弹簧牵引上部固体物块的刚体层使得上部固体物块沿
x
方向或
y
方向以预设速度运动，使用
Langevin
动力学方法将下部固体物块的基底调温区间的温度维持在预设温度，执行
lammps
软件运行命令的配置文件，得到模拟数据，所述模拟数据包括不同时刻下的基底调温区间能量涨落累计变化
、
上部固体物块的下表面各个原子与下部固体物块的上表面各个原子之间的相互作用力以及下部固体物块的上表面各个原子的速度；
(3)
基于
matlab
软件对步骤
(2)
输出的模拟数据进行数据处理，计算出频谱摩擦力，进而获得每一频率下对摩擦力的贡献值
。2.
根据权利要求1所述的基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法，其特征在于，所述的摩擦模型中，上部固体物块包括刚体层和摩擦区间，其中刚体层位于上部固体物块的顶部，摩擦区间位于上部固体物块的底部；下部固体物块包括固定层
、
基底调温区间和摩擦区间，其中固定层位于下部固体物块的底部，基底调温区间位于固定层的上方，摩擦区间位于下部固体物块的顶部
。3.
根据权利要求2所述的基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法，其特征在于，所述的摩擦模型中，在
x
方向和
y
方向上采用周期性边界条件，在
z
方向上采用非周期性边界条件
。4.
根据权利要求2所述的基于分子动力学的摩擦力频谱分析方法，其特征在于，所述的执行
lammp...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟宇，蒋昕池，周权，倪晓宇，马晨波，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：