[發明專利]基于分子動力學的納米尺度金剛石摩擦磨損過程模擬方法

有效

• 申請號: 202110253578.8
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN113012765B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 沈煜年;金春雷
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G06F30/25;G06F111/04;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 岑丹

本發明公開了一種基于分子動力學的納米尺度金剛石摩擦磨損過程模擬方法，屬于摩擦學分子動力學方法研究領域，選取能夠反應納米尺度金剛石特性的勢函數，設定系統弛豫與分子建模軟件中分子動力學模擬的參數，通過分子動力學模擬軟件計算納米尺度金剛石在摩擦磨損過程中磨損量受溫度的影響。通過lammps計算并輸出金剛石模型模擬的坐標文件，導入可視化軟件進行可視化分析，并通過切面分析得到結構內部的信息。本發明能夠采用分子動力學模擬納米尺度金剛石在摩擦磨損過程中的微觀結構變化和應力結果，并可視化觀察結構破壞的過程。

技術領域

本發明屬于納米摩擦磨損領域，具體為一種基于分子動力學的納米尺度金剛石摩擦磨損過程模擬方法。

背景技術

雖然目前國內外以及對金剛石的納米摩擦磨損問題進行了較為全面的研究，但現有的研究中尚未對溫度對納米尺度單晶金剛石磨損過程影響做出具體分析，缺乏在微觀結構下結合溫度變化對金剛石磨損過程有清晰直觀的認識，也無法得到較為直觀的熱力學與力學信息。另外，在現有的對納米尺度金剛石的研究中，大多對溫度的研究都是摩擦磨損導致的溫度升高，缺乏環境溫度控制對納米級金剛石磨損速率影響的研究。

經典Achard磨損定律有效地解決了大尺寸結構的宏觀磨損問題，但它被質疑是否適用于納米材料的磨損分析。即使僅僅計算納米尺度上的接觸應力或摩擦應力，也已經證明了某些連續介質模型的能力是有限的。在研究納米尺度的磨損時，Achard定律不具有普遍的適用性。另外Achard定律在分析磨損量時沒有考慮溫度變化造成的影響。

發明內容

本發明的目的在于提出了一種基于分子動力學的納米尺度金剛石摩擦磨損的溫度效應研究方法。

實現本發明目的的技術方案為：一種基于分子動力學的納米尺度金剛石摩擦磨損過程模擬方法，包括以下步驟：

步驟1、讀取納米尺度金剛石模型數據，將金剛石模型分為磨粒與基底部分2個區域；

步驟2、利用晶格命令在劃定的區域內填充碳原子形成金剛石；

步驟3、確定能夠描述納米尺度金剛石體系中原子間相互作用力的勢函數；

步驟4、設定系統弛豫與分子動力學模擬的參數以及模擬環境；

步驟5、對金剛石模型進行能量最小化計算，確定模型的能量最優結構；

步驟6、對金剛石邊界施加約束，使邊界層原子成為不可變形的剛體作為夾板；

步驟7、在磨粒半球頂部施加法向載荷，水平方向施加一個恒定的速度，使磨粒在基底表面摩擦，獲得含有原子坐標信息的輸出文件；

步驟8、改變模型初始溫度參數，重復步驟5-7，得到不同溫度下含有原子坐標信息的輸出文件；

步驟9、將含有原子坐標信息的輸出文件導入可視化軟件Ovito進行摩擦磨損過程的可視化；

步驟10、根據模型的原子坐標信息獲得各個溫度下不同時刻金剛石磨粒磨損掉落的原子數量，計算磨損量。

優選地，在劃定的區域利用晶格命令建立晶格并填充碳原子形成金剛石，其中，晶格設置為：晶格常數

優選地，所述勢函數為Tersoff勢函數，所述Tersoff勢函數包括具有描述長程相互作用力的勢函數與描述碳碳鍵合作用力的勢函數。

優選地，所述勢函數能量公式為：

V_ij＝f_C(r_ij)[f_R(r_ij)+b_ijf_A(r_ij)]