開題報(bào)告-微尺度軸承潤(rùn)滑的分子動(dòng)力學(xué)模擬

1、本科生畢業(yè)論文開題報(bào)告學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：專 業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化指導(dǎo)教師： 5開題報(bào)告開題報(bào)告1、 課題名稱微尺度軸承潤(rùn)滑的分子動(dòng)力學(xué)模擬2、 課題背景 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展為機(jī)械向微小型方向演化提供了動(dòng)力。上世紀(jì)80年代后期，微機(jī)電系統(tǒng)逐漸興起（簡(jiǎn)稱MEMS），該系統(tǒng)由尺寸范圍為毫米、微米乃至納米級(jí)的微型機(jī)械組成，集微機(jī)構(gòu)、微傳感器、微驅(qū)動(dòng)器、微執(zhí)行器和微控制器于一體。MEMS技術(shù)目前已開始在我國的社會(huì)生產(chǎn)中發(fā)揮作用，如微操作機(jī)器人已開始用于生物芯片的制造工藝等。本文主要針對(duì)于微尺度動(dòng)壓滑動(dòng)軸承分析其潤(rùn)滑狀態(tài)。微尺度軸承主要應(yīng)用于信息器件及航空航天領(lǐng)域。經(jīng)過超精密制造的微尺度機(jī)械，

2、由于其自身尺寸的減小，摩擦副的間隙常處于納米級(jí)，有時(shí)甚至出現(xiàn)零間隙。該尺寸效應(yīng)的存在使得其在運(yùn)動(dòng)過程中粘著力、摩擦力以及表面張力比傳統(tǒng)機(jī)械中的體積力表現(xiàn)得更為突出，成為影響其自身性能、穩(wěn)定性和使用壽命的關(guān)鍵因素。本文所討論的主要問題為微尺度軸承的潤(rùn)滑行為，旨在研究微尺度軸承的潤(rùn)滑方式以及其流體潤(rùn)滑特點(diǎn)，探討液體潤(rùn)滑膜的性質(zhì)變化，同時(shí)利用壁面性質(zhì)提出新的動(dòng)壓軸承模型。3、 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù) 上世紀(jì)80年代，加州伯克利大學(xué)率先制造出直徑為60,厚度為1的微型馬達(dá)，開創(chuàng)MEMS技術(shù)的先河。上世紀(jì)90年代，MEMS技術(shù)逐漸商業(yè)化，但由于摩擦理論發(fā)展不完善，很大程度上制約了產(chǎn)品尺寸。微納尺度的摩擦體系與宏

3、觀摩擦體系的主要區(qū)別在于：1）在微納尺度下，摩擦因數(shù)不再獨(dú)立于載荷以及表面間的接觸面積；2）許多力的作用已無法忽略，如靜電作用力及范德華力；3）微納尺度下其自重與粘著力相比可忽略。為解決這些問題，納米摩擦技術(shù)（nanotribology）應(yīng)運(yùn)而生。 微納尺度機(jī)械在潤(rùn)滑過程其表面難以形成連續(xù)薄膜。Bowden、Tabor早期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在玻璃纖維表面添加單層脂肪酸可減小摩擦力，但該層分子會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間逐漸消耗掉。之后衍生了固體潤(rùn)滑薄膜，這種方法的缺點(diǎn)是潤(rùn)滑過程中有其他副產(chǎn)物出現(xiàn)，從而污染整個(gè)系統(tǒng)。起初很多研究者認(rèn)為在MEMS系統(tǒng)中液體不適宜做潤(rùn)滑劑，主要原因在于液體與浸濕表面有較大黏性阻力，且在液體

4、薄膜中動(dòng)壓摩擦較大。但近期有研究指出牛頓流體可以在非常光滑的表面流過而不致產(chǎn)生過大的黏性阻力，從而使得MEMS系統(tǒng)的液體潤(rùn)滑成為可能。J.H.Choo等人提出一種能夠減小動(dòng)壓摩擦的軸承模型，即令軸承的一個(gè)表面為光滑的疏水表面，另一表面為相對(duì)粗糙的親水表面，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改方案的可行性。這種軸承既有較高的承載能力，又能有效地降低摩擦力。中國MEMS研究中心提出了一種新型微尺度動(dòng)壓滑動(dòng)軸承模型，即通過軸承表面潤(rùn)濕性的不同而非傳統(tǒng)的楔形空間來形成液體動(dòng)壓。該模型采用全光滑表面，其中將上表面部分區(qū)域設(shè)為親水表面，其余部分及下表面均為光滑的非親水表面，使用液氬作為潤(rùn)滑劑，得到的動(dòng)壓曲線與傳統(tǒng)的動(dòng)壓潤(rùn)滑

5、軸承曲線相似。近年來，除了流體及氣體潤(rùn)滑外，研究人員還探討了其它的潤(rùn)滑方式，Chad M.Brick等人通過對(duì)烷基化八苯基倍半硅氧烷的研究，提出一種新的微尺度自潤(rùn)滑球軸承模型，并指出了該軸承的應(yīng)用前景。4、 研究?jī)?nèi)容與要求 本文將對(duì)微尺度軸承的潤(rùn)滑進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。首先在Chad M.Brick等人的基礎(chǔ)上對(duì)基于烷基化八苯基倍半硅氧烷（OPS）的自潤(rùn)滑軸承進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，觀察烷基化OPS的性質(zhì)，其次研究Couette流動(dòng)下軸承流體潤(rùn)滑的特點(diǎn)及潤(rùn)滑膜的性質(zhì)變化，最后模擬軸承壁面潤(rùn)濕性對(duì)其潤(rùn)滑效果的影響，通過改變表面潤(rùn)濕性形成新型動(dòng)壓軸承模型。分子動(dòng)力學(xué)模擬（Molecular Dynami

6、cs Simulation）被廣泛地用于計(jì)算龐大復(fù)雜系統(tǒng)。自1970年起，由于分子力學(xué)的發(fā)展迅速，有系統(tǒng)的建立了許多適用于生化分子體系，聚合物，金屬與非金屬材料的流程，使得計(jì)算復(fù)雜體系的結(jié)構(gòu)與一些熱力學(xué)與光譜性質(zhì)的能力及精準(zhǔn)性大為提升。分子動(dòng)力模擬為應(yīng)用這些力場(chǎng)及根據(jù)牛頓動(dòng)力學(xué)原理所發(fā)展的計(jì)算方法，廣泛地用于研究經(jīng)典的多粒子體系的研究中。該方法是按體系內(nèi)部的內(nèi)稟動(dòng)力學(xué)規(guī)律來計(jì)算并確定位形的轉(zhuǎn)變。它首先需要建立一組分子的運(yùn)動(dòng)方程，并通過直接對(duì)系統(tǒng)中的一個(gè)個(gè)分子運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到每個(gè)時(shí)刻各個(gè)分子的坐標(biāo)與動(dòng)量，即在相空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，再利用統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法得到多體系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，從而得到系統(tǒng)

7、的宏觀性質(zhì)。因此，分子動(dòng)力學(xué)模擬方法可看作是體系在一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展過程的模擬。模擬過程使用的軟件包括Materials Studio 4.0以及LAMMPS。Materials Studio是專門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的一款可在PC上運(yùn)行的模擬軟件，支持Windows98、2000、NT、Unix以及Linux等多種操作平臺(tái)，可協(xié)助研究人員對(duì)各種晶體、無定型以及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進(jìn)行深入的研究。 Materials Studio包括多個(gè)功能模塊，本次模擬中主要使用Materials Visualizer、Discover、Amorphous Cell、Foricte及DPD模塊。Vi

8、sualizer提供了搭建分子、晶體以及高分子材料結(jié)構(gòu)模型所需的工具，可以操作、觀察及分析結(jié)構(gòu)模型，處理圖表、表格或文本等形式的數(shù)據(jù)；Discover為MS的分子力學(xué)計(jì)算引擎，通過分子力學(xué)及動(dòng)力學(xué)方法準(zhǔn)確計(jì)算最低能量構(gòu)型、分子體系結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)軌跡等；Amorphous Cell模塊允許建立復(fù)雜的無定型系統(tǒng)，并對(duì)主要性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，可以研究的性質(zhì)包括內(nèi)聚能密度（CED）、狀態(tài)方程行為、鏈堆砌及局部鏈運(yùn)動(dòng)等；DPD(Dissipative particle dynamics)模塊可對(duì)包括全部流體動(dòng)力學(xué)相互作用流體粒子體系進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬，能夠通過平面墻的作用對(duì)體系施加限制，同時(shí)Lees-Edwards

9、周期邊界能夠用來模擬體系的剪切過程。 LAMMPS即Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, 也就是大規(guī)模原子分子并行模擬器，主要用于分子動(dòng)力學(xué)相關(guān)的一些計(jì)算和模擬工作，一般來講，分子動(dòng)力學(xué)所涉及到的領(lǐng)域，LAMMPS代碼也都涉及到了。LAMMPS由美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，以GPL licence發(fā)布，即開發(fā)源代碼以免費(fèi)獲取使用。它可以支持包括氣態(tài)、液態(tài)或者固態(tài)相形態(tài)下、各種系統(tǒng)下百萬級(jí)的原子分子體系，并提供支持多種勢(shì)函數(shù)。具體的研究步驟如下：1）用Materials Studio 4.0對(duì)基于烷基化八苯基倍半

10、硅氧烷的微尺度自潤(rùn)滑球軸承進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，完成分子建模，并通過模擬得出烷基化OPS的熔點(diǎn)與烷基碳鏈長(zhǎng)度的關(guān)系，并解釋其潤(rùn)滑機(jī)理。2）在Materials Studio 4.0中建立軸承模型，以鐵原子構(gòu)建軸承壁面，選用分子數(shù)比例為70%的甘油水溶液為潤(rùn)滑劑，使用LAMMPS對(duì)體系進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究在Couette流動(dòng)下液體潤(rùn)滑膜的性質(zhì)及與宏觀潤(rùn)滑狀態(tài)的區(qū)別，分析所得的密度及速度曲線。3）改變壁面的相對(duì)滑移速度，研究不同的壁面滑移速度對(duì)液體分子的影響。4)改變軸承的壁面間距，重新對(duì)所建物理體系進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，分析薄膜厚度對(duì)液體潤(rùn)滑的影響，得出此時(shí)液體分子的分布曲線。 5)建立以石墨晶

11、體為壁面，水分子為潤(rùn)滑劑的軸承模型，通過改變壁面的潤(rùn)濕性研究軸承表面性子對(duì)薄膜潤(rùn)滑的影響。 6）通過對(duì)壁面潤(rùn)濕性的控制，提出新的動(dòng)壓軸承模型，使得在兩平行壁面間形成動(dòng)壓曲線，改變壁面的滑動(dòng)速度，觀察不同滑動(dòng)速度對(duì)曲線形狀的影響。5、研究難點(diǎn) 本次研究由于缺乏必要的實(shí)驗(yàn)條件，僅對(duì)物理模型進(jìn)行理論模擬。通過初步分析，研究過程中存在難點(diǎn)如下：1） 物理模型的建立。由于該物理模型涉及到液體潤(rùn)滑劑等問題的處理，相對(duì)來說比較復(fù)雜，對(duì)身為初學(xué)者的本人而言存在一定難度。2） 表面親水性的控制。表面的親水特性可通過作用參數(shù)來控制，其數(shù)值的掌握是一個(gè)難點(diǎn)。例如若上表面的親水性差別不大，可能無法產(chǎn)生足夠的液體動(dòng)壓，

12、導(dǎo)致軸承的承載能力受到影響。這一問題需要通過不斷改變作用參數(shù)來尋找最優(yōu)的組合。6、所需知識(shí)和技能 本次研究對(duì)分子動(dòng)力學(xué)功底有較高的要求，需要掌握分子動(dòng)力模擬方法的原理與其實(shí)現(xiàn)方法。在模擬過程中需要具備一定的物理與化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，由于與本專業(yè)所學(xué)內(nèi)容存在一定差異，需要參考大量書籍文獻(xiàn)，獲得正確模擬方法。 在模擬與數(shù)據(jù)處理的過程涉及到多款軟件，主要包括Materials Studio 4.0, LAMMPS, Matlab及Origin 8.0軟件，由于之前對(duì)這些軟件沒有過多接觸，需要掌握其使用方法。7、進(jìn)度安排 文獻(xiàn)翻譯-2011.03.072011.04.01； 開題報(bào)告-2011.04.02

13、2011.04.12； 模擬程序調(diào)試-2011.04.132011.05.01； 完成計(jì)算機(jī)模擬-2011.05.022011.06.01； 完成畢業(yè)論文-2011.06.022011.06.08； 準(zhǔn)備答辯-2011.06.082011.06.10。8、參考文獻(xiàn) 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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