一种超声电机摩擦界面特性的分子动力学模拟方法

摘要

本发明公开了一种超声电机摩擦界面特性的分子动力学模拟方法，包括在分子动力学模拟软件中构建摩擦界面模型，设置合理的边界条件，选择适合的势函数，然后对摩擦副模型进行结构弛豫和优化，选择合理模型，优化完成后根据超声电机工况进行加载，设定与工况相仿的速度等模拟参数。计算完成后首先对计算结果进行可视化处理，观察摩擦界面动态变化过程；然后对计算数据进行处理，分析摩擦过程中摩擦力、界面温度、原子运动速度、摩擦系数等参数变化。该方法通过对超声电机摩擦界面纳米级粗糙度的分子动力学仿真模拟，进一步加深了对超声电机摩擦界面的摩擦、磨损、发热等机理的理解。

说明书

技术领域

本发明涉及分子动力学模拟技术领域，特别涉及一种超声电机摩擦界面特性的分子动力学模拟方法。

背景技术

超声电机一种新型微电机，其定子通过摩擦界面向转子传递动力，因而摩擦界面的性能对超声电机起着至关重要的作用。目前，超声电机接触界面通常为磷青铜定子与聚合物基摩擦材料粗糙接触，其表面为微凸体接触，在运行过程中微凸体之间存在粘滑磨损现象，这会导致电机的运动精度、稳定性下降。

截至目前，研究超声电机摩擦界面相互作用的方法主要有实验分析法、有限元模拟法，但这种方法受限于实验手段和表征方法，无法从更小尺度研究超声电机高频微振动环境下的摩擦界面相互作用机理，这为从原子和分子尺度上理解超声电机摩擦界面的相互作用机理带来了很大的困难。为了从根本上提高超声电机的运动精度和稳定性，需要从关键的摩擦界面入手，深入到纳米尺度，研究摩擦界面的作用机理。因此，分析纳米级粗糙度超声电机接触界面，对于提高超声电机运动精度和速度稳定性具有重要的作用。而国内外还没有深入到原子尺度研究超声电机摩擦界面的报导。因此，本发明从原子尺度利用分子动力模拟研究超声电机摩擦界面特性具有重要的理论意义。

发明内容

本发明目的是针对现有的超声电机摩擦界面，提供一种研究超声电机摩擦界面特性的分子动力学模拟方法，它通过对超声电机摩擦界面纳米级粗糙度的分子动力学仿真模拟，进一步的了解超声电机摩擦界面的摩擦、磨损、发热等机理。

该模拟方法包含以下步骤：

1.构建摩擦模型及划分区域：在分子动力学模拟软件中，构建摩擦副的一对模型，其形状可以为半球-半球、半球-长方体、长方体-长方体不同尺寸的模型。下面以模拟摩擦界面粗糙度的半球模型为例进行区域划分，最底部为固定层，固定层的上方为恒温层，其余为牛顿层，固定层在整个模拟过程中保持固定，恒温层在模拟过程中保持温度恒定，牛顿层是两个微凸体接触的主要区域，这样划分能够尽量减少“尺寸效应”的影响。

2.设定边界条件并选择对应材料的势函数：将两个摩擦副的模型，在X，Y，Z三个方向上设置周期性边界，自由边界，周期性边界，并对摩擦模型的材料选择合适的势函数。

3.对摩擦模型分别进行弛豫：将两个配副的模型分别进行能量最小化处理。然后，在NVT系综下进行弛豫，若是系统总能量没有基本稳定在某一值或温度没有稳定在设定值的附近，重新回到第一步，摩擦模型重新进行优化处理。

4.对摩擦模型系统进行弛豫：将上步的两个模型生成组合模型，并对其进行能量最小化处理。然后，在NVT系综下进行弛豫。以半球-半球组合模型为例，模型示意图如图1所示。

其中，R1：上半球摩擦试样的半径

R2：下半球摩擦试样的半径

a：上下半球顶点之间的距离，用来表征压入的深度

b：上下半球中心的初始距离

V：半球摩擦试样的运动速度

5.根据工况对摩擦模型进行加载：解除弛豫时的NVT系综，并对固定层进行固定处理，恒温层进行恒温处理，然后让系统在NVE系综下进行工况加载。根据不同超声电机摩擦界面的摩擦工况，设定合理的半球运动速度V，时间步长，模拟时间等。

6.计算结果分析：该步骤包括两部分的结果分析，一是可视化分析处理，利用可视化分子模拟软件，观察原子的运动状况，分析摩擦磨损类型等。二是相关数据的处理，利用分子动力学模拟软件计算出摩擦模型的动能、势能、摩擦力、正压力、摩擦系数、界面温度等数据保存至log文件中，并对这些参数进行下一步的分析处理，以便于了解系统整个运动过程的数据变化情况，分析摩擦磨损机理。

本方案总体实施流程图如图2所示。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)能够从原子尺度上研究不用摩擦模型的摩擦磨损机理；

(2)相比于现有的实验分析方法来说，本发明的模拟方法成本低，效率高。

附图说明

图1为半球-半球模型示意图。

图2为本发明的实施流程图。

图3为铜-氧化铝摩擦模型图

图4为铜-氧化铝摩擦模型系统总能量曲线图

图5为铜-氧化铝摩擦模型摩擦现象图

图6为铜-氧化铝摩擦模型摩擦力分析处理图

图7为铜-铝摩擦模型图

图8为铜-铝摩擦模型200K下的摩擦现象

图9为铜-铝摩擦模型不同温度下摩擦力数据处理图

图10为铜-氧化钛摩擦模型图

图11为铜-氧化钛400K下摩擦现象图

图12为铜-氧化钛400K下摩擦系数图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

选用超声电机的定子为铜和转子为氧化铝，使用本方法进行分析。

实施例1

1.构建铜-氧化铝摩擦模型，如图3所示。铜半球和氧化铝半球的半径均为3nm，固定层、恒温层均为0.4nm，其余部分为两个半球模型的牛顿层。

2.设定边界条件并选择对应材料的势函数：在X，Y，Z三个方向上设置周期性边界，自由边界，周期性边界，并对该模型选择EAM势函数进行模拟。

3.对铜-氧化铝摩擦模型分别进行弛豫：对铜半球模型和氧化铝半球模型分别进行能量最小化处理。然后，在NVT系综下进行弛豫，设定初始温度300K，弛豫时间10000ps。

4.对铜-氧化铝摩擦模型进行系统弛豫：构建铜-氧化铝组合摩擦模型，在NVT系综下进行弛豫，设定初始温度300K，弛豫时间30000ps。弛豫后的系统总能量如图4所示。

5.根据工况进行加载：本实例中选用模拟分析时间步长0.002ps，时间步为2000000步，氧化铝半球向x轴负方向运动，速度为10m/s。解除弛豫时的NVT系综，并对固定层进行固定处理，恒温层进行恒温处理，然后让系统在NVE系综下进行工况加载。

6.计算结果分析：一、利用OVITO进行可视化处理，摩擦现象如图5所示。二、利用数据处理软件对计算的数据进行处理，摩擦力数据处理图如图6所示。

实施例2

1.构建铜-铝摩擦模型，如图7所示。铜半球和铝半球的半径均为5nm，固定层、恒温层均为0.5nm，其余部分为两个半球模型的牛顿层。

2.设定边界条件并选择对应材料的势函数：在X，Y，Z三个方向上设置周期性边界，自由边界，周期性边界，并对该模型选择EAM/ALLOY势函数进行模拟。

3.对铜-铝摩擦模型分别进行弛豫：对铜半球模型和铝半球模型分别进行能量最小化处理。然后，在NVT系综下进行弛豫，设定初始温度200K，弛豫时间15000ps。

4.对铜-氧化铝摩擦模型进行系统弛豫：构建铜-氧化铝组合摩擦模型，在NVT系综下进行弛豫，设定初始温度200K，模拟时间15000ps。

5.根据工况进行加载：本实例中选用模拟分析时间步长0.015ps，时间步为3000000步，氧化铝半球向x轴负方向运动，速度为50m/s。解除弛豫时的NVT系综，并对固定层进行固定处理，恒温层进行恒温处理，恒温于200K，然后让系统在NVE系综下进行工况加载。

6.计算结果分析：一、利用OVITO进行可视化处理，200K下的摩擦现象如图8所示。二、利用数据处理软件对计算的数据进行处理，在上述其他条件不变的前提下，设置5组数据(200K、250K、300K、350K、400K)分析不同温度下摩擦磨损情况。不同温度下摩擦力数据处理如图9所示。

实施例3

1.构建铜-氧化钛摩擦模型，如图10所示。铜半球和氧化钛半球的半径均为4.5nm，固定层、恒温层均为0.4nm，其余部分为两个半球模型的牛顿层。

2.设定边界条件并选择对应材料的势函数：在X，Y，Z三个方向上设置周期性边界，自由边界，周期性边界，并对该模型选择hybrid复合势函数进行模拟。

3.对铜-氧化钛摩擦模型分别进行弛豫：对铜半球模型和氧化钛半球模型分别进行能量最小化处理。然后，在NVE系综下进行弛豫，设定初始温度400K，弛豫时间30000ps。

4.对铜-氧化钛摩擦模型进行系统弛豫：构建铜-氧化钛组合摩擦模型，在NVE系综下进行弛豫，设定初始温度400K，模拟时间30000ps。

5.根据工况进行加载：本实例中选用模拟分析时间步长0.001ps，时间步为3000000步，氧化钛半球向x轴负方向运动，速度为20m/s。解除弛豫时的NVE系综，并对固定层进行固定处理，恒温层进行恒温处理，恒温于400K，然后让系统在NVE系综下进行工况加载。

6.计算结果分析：一、利用OVITO进行可视化处理，400K下的摩擦现象如图11所示。二、利用数据处理软件对计算的数据进行处理，400K下的摩擦系数如图12所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干不同特征摩擦界面特性的模拟，这些改进也应视为本发明的保护范围。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。