[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

说明书

本发明一种模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型及方法，属于分子动力学技术领域；仿真模型包括压头、基体和弹簧，压头设置于基体正上方，两个弹簧分别沿Z向和Y向设置于基体的底部。模拟方法中，首先构建分子动力学仿真模型；然后对压头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；最后进行仿真计算，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。与传统研究振动的分子动力学模型相比，本发明模型更加贴近实际的工况条件，提高了模拟结果的准确性。

技术领域

本发明属于分子动力学技术领域，具体涉及一种模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型及方法。

背景技术

航天器在轨运行期间反复进出地球阴影，温度交替变化范围宽，且随轨道高度和季节等变化而变化，导致空间机构经受反复剧烈的温度交替，这种长期剧烈的温度交替使得材料内部积攒了大量内力，将导致机械结构的低频振动。且因空间微重力环境的存在，重力与其他作用力相比较小，航天机构易受摩擦力矩而发生抖动，且不会很快恢复至平衡位置，而是在平衡位置附近做无规则抖动，这将引起机构的颤振，导致碰撞摩擦，严重影响精密设备的运动和稳定性。

对于地面环境而言模拟微重力较为困难，成本高，且实验的方式很难观测到动态摩擦过程，数值模拟方法成为解决这一问题的有效途径。分子动力学方法是目前应用广泛的计算复杂体系的方法，发展至今，研究学者建立了许多适用于不同材料体系的力场模型，极大地提升了计算复杂体系结构与热力学性质的能力及准确性，其模拟系统中粒子的运动具有了确定的物理依据。同时可获得系统的动态特性与热力学统计数据，为相关研究的理论分析提供了重要依据。

碰撞滑动摩擦是摩擦学研究的一种，现有基于分子动力学的摩擦学研究，如2018年发表于期刊《A Molecular Dynamics Simulation Study》第8卷第3期129页的文章《TheInfluence of Vertical Vibration on Nanoscal Friction》,通过分子动力学研究了振动对纳观摩擦的影响，指出摩擦力存在一定的频率依赖性，通过给压头施加强迫振动，考虑了压头振动对摩擦的影响，却忽略了基体因压头振动而产生随动的现象。而实际的工况条件下，轴孔会因销轴的振动而产生颤振现象，因此单纯考虑销轴的振动而忽略轴孔的随动无法体现真实的运动过程。本发明通过建立分子动力学仿真模型，给压头施加强迫正弦振动来模拟销轴的振动，同时在基体的Y向和Z向施加弹簧来模拟轴孔的随动，以此来进行颤振环境下的摩擦学研究仿真分析。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种模拟颤振环境铰链机构运动分子动力学仿真模型及其构建方法，通过压头和基体对颤振环境下铰链机构摩擦磨损的微观机理进行模拟，分析振动对其摩擦力的影响。

本发明的技术方案是：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。

一种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；