[发明专利]模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型及方法

权利要求书

1.一种模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型，其特征在于：包括压头、基体和弹簧，所述压头为圆柱体结构，用于模拟铰链机构中轴的运动；所述基体为长方体结构，通过弹簧安装于压头的下方，用于模拟铰链机构中轴孔的随动；所述压头的轴向平行于基体顶面；

所述弹簧包括第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧的轴向沿Z向设置，并垂直固定于基体底面中心，模拟铰链中Z向运动；所述第二弹簧的轴向沿Y向设置，并垂直固定于基体侧壁底边中心，模拟铰链中Y向运动。

2.一种权利要求1所述模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型的构建方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：依据铰链机构运动特性，在模拟软件中设置系统的边界条件，选取原子相互作用势函数；设定系统的初始条件，即初始位置和初始速度；并选定时间步长，构建分子动力学仿真模型；

步骤二：通过在基体的Y向和Z向设置弹簧，实现基体随压头振动的随动状态；

步骤三：压头Y向和Z向施加强迫正弦振动，同时给压头施加水平速度Vs，在微正则系综下开始碰撞滑动摩擦；

步骤四：对步骤三在微正则系综下进行的碰撞滑动摩擦过程进行分子动力学仿真计算，统计计算结果，得到不同振动频率下压头与基体的位置坐标以及碰撞滑动过程中压头受到的摩擦力曲线。

3.根据权利要求2所述模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型的构建方法，其特征在于：所述步骤一中，构建分子动力学仿真模型的具体步骤如下：

步骤1：根据铰链机构的运动特性，在软件中建立模拟铰链机构的压头与基体模型；所述基体包括固定层、恒温层和牛顿层，将基体底部和X向的相对两侧a范围内的原子设置为固定层原子；将底部固定层上方的a范围内原子设置为恒温层原子，用以吸收摩擦过程中产生的热量；基体内其余原子设置为牛顿层原子；恒温层和牛顿层内的原子遵循牛顿第二运动定律；

步骤2：设定模拟区域X向和Y向为周期性边界条件，用以减小尺寸效应；

步骤3：通过系统内不同元素原子之间相互作用势函数，获得原子之间的相互作用；

步骤4：根据Maxwell-Boltzmann能量分布函数设定系统内所有原子的初始速度，从而建立压头和基体原子分配的初始速度，该速度对应于其各自平衡状态的温度；设定系统温度为300K，积分步长选择为1fs；

步骤5：完成步骤1-4的设定后，在正则系综NVT下，依据所设定系统内各原子的初始位置和初始速度，根据选取的势函数计算系统中各原子的势能、位置及速度，对压头和基体原子进行平衡约束，以使系统初始模型达到平衡状态；系统弛豫完成后，在微正则系综Microcanonical.NVE下对系统进行内部平衡态演化，使系统达到平衡状态。

4.根据权利要求3所述模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型的构建方法，其特征在于：所述步骤1中，利用LAMMPS软件构建基体为非金属硅的晶体模型，硅的晶格结构为金刚石结构，晶格常数a为0.543nm，模型在X，Y和Z方向上分别对应晶向[100]、[010]和[001]，各向尺寸为50a×16a×25a，包含有162416个硅原子；所述压头为半径是8a的圆柱形，材料为金刚石。

5.根据权利要求4所述模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型的构建方法，其特征在于：所述压头去除上半部分原子，计算时仅保留下半部分的圆柱结构，去除后压头内部共含有30679个碳原子。

6.根据权利要求3所述模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型的构建方法，其特征在于：所述步骤3中，包括三种相互作用势：Si-Si原子、C-C原子以及C-Si原子。

7.根据权利要求6所述模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型的构建方法，其特征在于：所述Si-Si原子之间的相互作用通过Tersoff多体势函数拟合；金刚石压头和硅基体原子之间的相互作用采用Morse电势描述。