[发明专利]一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法

说明书

本发明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：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。本发明方法简单、易于实现，可为摩擦系统的润滑状态定量划分研究提供依据。

技术领域

本发明涉及摩擦学计算技术领域，尤其涉及一种基于分子动力学模拟的Stribeck曲线计算方法。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为解决上述问题，本发明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。

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。