[发明专利]一种基于分子动力学的复合材料摩擦性能预测方法

说明书

本发明公开了一种基于分子动力学的复合材料摩擦性能预测方法，包括：利用Material Studio软件建立材料的分子模型；将复合材料作为中间层，上下分别添加铁纳米棒和铁基底，构建剪切仿真分子模型，施加周期性边界条件；获取模型的力场参数；采用力场参数对模型进行几何优化、退火弛豫以及剪切模拟，记录模型在剪切模拟过程中的原子运动轨迹；根据原子运动轨迹，基于Material Studio软件的二次开发，统计复合材料在滑移过程中受到的平均切向力和平均法向力，计算摩擦系数和磨损率。该预测方法成本低、效率高、能够探究复合材料在摩擦过程中的损耗机理，并为复合材料的制备及实际应用提供理论指导。

技术领域

本发明涉及计算机分子模拟技术领域，具体而言，涉及一种基于分子动力学的复合材料摩擦性能预测方法。

背景技术

目前,研究复合材料摩擦性能的方法主要有试验测试方法和有限元模拟方法。

其中，试验测试方法具体步骤为：通过相关仪器设备制备复合材料试件，制备完复合材料之后需要对其进行进一步的表面处理，如：抛光、打磨等，这是为了消除在试件表面的杂质对复合材料摩擦性能的影响。接着将试件放置在摩擦试验机上产生相对运动，摩擦试验机可大致分为圆盘-圆盘、圆盘-平面以及平面-平面三种类型，在试验机运转过程中测量试件的摩擦系数和磨损率。该方法的主要缺点是：试验整体方案较为复杂，对制备试件的仪器和摩擦试验机的要求较高，需要耗费大量的人力和物力，成本高、效率低。此外，该方法对试验条件也非常严格，在不同试验环境下得到试件的摩擦性能可能具有较大的差异。

有限元模拟方法的具体步骤为：通过试验得到复合材料的力学参数并建立复合材料的有限元模型，使复合材料与基体之间产生摩擦效应，从而计算其复合材料的摩擦性能。该方法的主要缺点是：无法深入地研究复合材料摩擦过程的损耗机理，也不能为复合材料的制备以及实际应用提供理论指导。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于分子动力学的复合材料摩擦性能预测方法，以解决现有技术中的复合材料摩擦性能研究方法成本较高、效率较低、无法探究复合材料在摩擦过程中的损耗机理的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于分子动力学的复合材料摩擦性能预测方法，该方法包括以下步骤：

根据复合材料的原子构型和排列方式，利用Material Studio软件建立复合材料的分子模型；

将复合材料的分子模型作为中间层，在复合材料的上下两侧分别添加一层铁纳米棒和一层铁基底，构建剪切仿真分子模型，并在剪切仿真分子模型的x、y、z三个方向上均施加周期性边界条件；

对剪切仿真分子模型中所有原子间的键相互作用、键角相互作用、二面角相互作用、非二面角相互作用、范德华相互作用以及库伦相互作用的参数进行求解，获取所述剪切仿真分子模型中的力场参数；

采用力场参数对剪切仿真分子模型进行几何优化，消除在建模过程中该模型产生的原子重叠现象；

采用力场参数对几何优化后的剪切仿真分子模型进行退火弛豫，消除该模型中的残余应力，使其达到能量最低点；

采用力场参数对退火弛豫后的剪切仿真分子模型进行剪切模拟，使铁纳米棒与复合材料之间产生相对运动，从而产生摩擦效应，记录该模型在剪切模拟过程中的原子运动轨迹；

根据该模型的原子运动轨迹，基于Material Studio软件的二次开发，统计复合材料在滑移过程中所受到的切向力和法向力，并根据相关公式计算复合材料的摩擦系数和磨损率。

进一步地，根据原子运动轨迹，基于Material Studio软件的二次开发，统计复合材料在滑移过程中所受到的切向力和法向力，包括：