开题报告-微尺度轴承润滑的分子动力学模拟

1、本科生毕业论文开题报告学生姓名： 学 号：班 级：专 业：机械工程及自动化指导教师： 5开题报告开题报告1、 课题名称微尺度轴承润滑的分子动力学模拟2、 课题背景 机电一体化技术的发展为机械向微小型方向演化提供了动力。上世纪80年代后期，微机电系统逐渐兴起（简称MEMS），该系统由尺寸范围为毫米、微米乃至纳米级的微型机械组成，集微机构、微传感器、微驱动器、微执行器和微控制器于一体。MEMS技术目前已开始在我国的社会生产中发挥作用，如微操作机器人已开始用于生物芯片的制造工艺等。本文主要针对于微尺度动压滑动轴承分析其润滑状态。微尺度轴承主要应用于信息器件及航空航天领域。经过超精密制造的微尺度机械，

2、由于其自身尺寸的减小，摩擦副的间隙常处于纳米级，有时甚至出现零间隙。该尺寸效应的存在使得其在运动过程中粘着力、摩擦力以及表面张力比传统机械中的体积力表现得更为突出，成为影响其自身性能、稳定性和使用寿命的关键因素。本文所讨论的主要问题为微尺度轴承的润滑行为，旨在研究微尺度轴承的润滑方式以及其流体润滑特点，探讨液体润滑膜的性质变化，同时利用壁面性质提出新的动压轴承模型。3、 国内外相关技术 上世纪80年代，加州伯克利大学率先制造出直径为60,厚度为1的微型马达，开创MEMS技术的先河。上世纪90年代，MEMS技术逐渐商业化，但由于摩擦理论发展不完善，很大程度上制约了产品尺寸。微纳尺度的摩擦体系与宏

3、观摩擦体系的主要区别在于：1）在微纳尺度下，摩擦因数不再独立于载荷以及表面间的接触面积；2）许多力的作用已无法忽略，如静电作用力及范德华力；3）微纳尺度下其自重与粘着力相比可忽略。为解决这些问题，纳米摩擦技术（nanotribology）应运而生。 微纳尺度机械在润滑过程其表面难以形成连续薄膜。Bowden、Tabor早期实验发现在玻璃纤维表面添加单层脂肪酸可减小摩擦力，但该层分子会随着运动时间逐渐消耗掉。之后衍生了固体润滑薄膜，这种方法的缺点是润滑过程中有其他副产物出现，从而污染整个系统。起初很多研究者认为在MEMS系统中液体不适宜做润滑剂，主要原因在于液体与浸湿表面有较大黏性阻力，且在液体

4、薄膜中动压摩擦较大。但近期有研究指出牛顿流体可以在非常光滑的表面流过而不致产生过大的黏性阻力，从而使得MEMS系统的液体润滑成为可能。J.H.Choo等人提出一种能够减小动压摩擦的轴承模型，即令轴承的一个表面为光滑的疏水表面，另一表面为相对粗糙的亲水表面，并通过实验验证了改方案的可行性。这种轴承既有较高的承载能力，又能有效地降低摩擦力。中国MEMS研究中心提出了一种新型微尺度动压滑动轴承模型，即通过轴承表面润湿性的不同而非传统的楔形空间来形成液体动压。该模型采用全光滑表面，其中将上表面部分区域设为亲水表面，其余部分及下表面均为光滑的非亲水表面，使用液氩作为润滑剂，得到的动压曲线与传统的动压润滑

5、轴承曲线相似。近年来，除了流体及气体润滑外，研究人员还探讨了其它的润滑方式，Chad M.Brick等人通过对烷基化八苯基倍半硅氧烷的研究，提出一种新的微尺度自润滑球轴承模型，并指出了该轴承的应用前景。4、 研究内容与要求 本文将对微尺度轴承的润滑进行分子动力学模拟。首先在Chad M.Brick等人的基础上对基于烷基化八苯基倍半硅氧烷（OPS）的自润滑轴承进行分子动力学模拟，观察烷基化OPS的性质，其次研究Couette流动下轴承流体润滑的特点及润滑膜的性质变化，最后模拟轴承壁面润湿性对其润滑效果的影响，通过改变表面润湿性形成新型动压轴承模型。分子动力学模拟（Molecular Dynami

6、cs Simulation）被广泛地用于计算庞大复杂系统。自1970年起，由于分子力学的发展迅速，有系统的建立了许多适用于生化分子体系，聚合物，金属与非金属材料的流程，使得计算复杂体系的结构与一些热力学与光谱性质的能力及精准性大为提升。分子动力模拟为应用这些力场及根据牛顿动力学原理所发展的计算方法，广泛地用于研究经典的多粒子体系的研究中。该方法是按体系内部的内禀动力学规律来计算并确定位形的转变。它首先需要建立一组分子的运动方程，并通过直接对系统中的一个个分子运动方程进行数值求解，得到每个时刻各个分子的坐标与动量，即在相空间的运动轨迹，再利用统计计算方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到系统

7、的宏观性质。因此，分子动力学模拟方法可看作是体系在一段时间内的发展过程的模拟。模拟过程使用的软件包括Materials Studio 4.0以及LAMMPS。Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可在PC上运行的模拟软件，支持Windows98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台，可协助研究人员对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。 Materials Studio包括多个功能模块，本次模拟中主要使用Materials Visualizer、Discover、Amorphous Cell、Foricte及DPD模块。Vi

8、sualizer提供了搭建分子、晶体以及高分子材料结构模型所需的工具，可以操作、观察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据；Discover为MS的分子力学计算引擎，通过分子力学及动力学方法准确计算最低能量构型、分子体系结构及动力学轨迹等；Amorphous Cell模块允许建立复杂的无定型系统，并对主要性质进行检测，可以研究的性质包括内聚能密度（CED）、状态方程行为、链堆砌及局部链运动等；DPD(Dissipative particle dynamics)模块可对包括全部流体动力学相互作用流体粒子体系进行动力学模拟，能够通过平面墙的作用对体系施加限制，同时Lees-Edwards

9、周期边界能够用来模拟体系的剪切过程。 LAMMPS即Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, 也就是大规模原子分子并行模拟器，主要用于分子动力学相关的一些计算和模拟工作，一般来讲，分子动力学所涉及到的领域，LAMMPS代码也都涉及到了。LAMMPS由美国Sandia国家实验室开发，以GPL licence发布，即开发源代码以免费获取使用。它可以支持包括气态、液态或者固态相形态下、各种系统下百万级的原子分子体系，并提供支持多种势函数。具体的研究步骤如下：1）用Materials Studio 4.0对基于烷基化八苯基倍半

10、硅氧烷的微尺度自润滑球轴承进行分子动力学模拟，完成分子建模，并通过模拟得出烷基化OPS的熔点与烷基碳链长度的关系，并解释其润滑机理。2）在Materials Studio 4.0中建立轴承模型，以铁原子构建轴承壁面，选用分子数比例为70%的甘油水溶液为润滑剂，使用LAMMPS对体系进行分子动力学模拟，研究在Couette流动下液体润滑膜的性质及与宏观润滑状态的区别，分析所得的密度及速度曲线。3）改变壁面的相对滑移速度，研究不同的壁面滑移速度对液体分子的影响。4)改变轴承的壁面间距，重新对所建物理体系进行分子动力学模拟，分析薄膜厚度对液体润滑的影响，得出此时液体分子的分布曲线。 5)建立以石墨晶

11、体为壁面，水分子为润滑剂的轴承模型，通过改变壁面的润湿性研究轴承表面性子对薄膜润滑的影响。 6）通过对壁面润湿性的控制，提出新的动压轴承模型，使得在两平行壁面间形成动压曲线，改变壁面的滑动速度，观察不同滑动速度对曲线形状的影响。5、研究难点 本次研究由于缺乏必要的实验条件，仅对物理模型进行理论模拟。通过初步分析，研究过程中存在难点如下：1） 物理模型的建立。由于该物理模型涉及到液体润滑剂等问题的处理，相对来说比较复杂，对身为初学者的本人而言存在一定难度。2） 表面亲水性的控制。表面的亲水特性可通过作用参数来控制，其数值的掌握是一个难点。例如若上表面的亲水性差别不大，可能无法产生足够的液体动压，

12、导致轴承的承载能力受到影响。这一问题需要通过不断改变作用参数来寻找最优的组合。6、所需知识和技能 本次研究对分子动力学功底有较高的要求，需要掌握分子动力模拟方法的原理与其实现方法。在模拟过程中需要具备一定的物理与化学的基础知识，由于与本专业所学内容存在一定差异，需要参考大量书籍文献，获得正确模拟方法。 在模拟与数据处理的过程涉及到多款软件，主要包括Materials Studio 4.0, LAMMPS, Matlab及Origin 8.0软件，由于之前对这些软件没有过多接触，需要掌握其使用方法。7、进度安排 文献翻译-2011.03.072011.04.01； 开题报告-2011.04.02

13、2011.04.12； 模拟程序调试-2011.04.132011.05.01； 完成计算机模拟-2011.05.022011.06.01； 完成毕业论文-2011.06.022011.06.08； 准备答辩-2011.06.082011.06.10。8、参考文献 1 Gyoko Nagayama, Ping Cheng, Effects of interface wettability on microscale flow by molecular dynamics simulation, International Journal of Hear and Mass Transfer 47(

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15、ng,Yunfei Chen,Kedong Bi,Interface slip and the buildup of hydrodynamic pressure n nanoscale bearings, Physica B 404(2009)231-234. 5 Seong H.Kim,David B.Asay,and Michael T.Dugger, Nanotribology and MEMS, Nanotoday October 2007,volume 2,number 5. 6 Bharat Bhushan, Nanotribology and nanomechanics, Wea

16、r 259(2005)1507-1531. 7 Bin Shen,Fanghong Sun, Molecular dynamics investigation on the atomic-scale friction behaviors between copper(001) and diamond(111) surfaces, Applied Surface Science 255(2009) 7663-7668. 8 M.Kalin,I.Velkavrh,J.Vizintin, The stribeck curve and lubrication design for non-fully wetted surfaces, Wear 267(2009) 1232-1240. 9 Gustavo Buscaglia, Ionel S,Ciuperca,Mohammed Jai, On nano-scale hydrodynami