一种基于分子动力学模型的旋转部件摩擦力计算方法

本发明涉及分子动力学，特别是涉及一种基于分子动力学模型的旋转部件摩擦力计算方法。

背景技术：

1、微机电系统(mems)由于其尺寸和质量小、功耗低、惯性小等优点被广泛应用在航天领域中，例如各种实时测量飞行器状态和环境因素的mems传感器和微纳卫星上集成的mems器件等。旋转部件是mems系统中常见的执行部件之一，其润滑性能直接影响其功耗。当卫星在低轨道运行时会受到严重的原子氧侵蚀，受到侵蚀后旋转部件的润滑性能会明显下降，从而导致其功耗升高，寿命缩短。空间环境中常用的固体润滑剂，如银、铜等软金属和二硫化钼等层状化合物都易被氧化而降低摩擦性能，金由于化学性质稳定因而具有较好的原子氧耐受性，且其作为一种软金属，剪切强度较低因而具有良好的摩擦性能，因此可作为在低轨道运行的微纳卫星中mems器件的一种良好润滑剂。

2、现有研究，如2022年发表于期刊《surface&coatings technology》第451卷编号129039的文章《friction properties of the single-crystal si in collisionsliding contacts under different lubrication conditions》，采用分子动力学方法研究了空间环境中单晶硅在不同润滑条件下的碰撞滑动接触问题的摩擦机理。该研究将轴颈在轴承孔内的旋转运动等效为圆柱压头在光滑基体上的水平平动，将压头受到的无规则碰撞等效为压头在y向和z向的正弦振动的叠加，并通过给基体设置弹簧考虑了基体的随动现象对摩擦力的影响。但该方法忽略了轴承孔的曲率对轴颈与孔之间接触面积的影响，而接触面积与粘着摩擦力成正比，对于mems器件来说，由于构件尺寸非常小，因此采用这种等效可能会引入较大的误差，推导得出的摩擦力变化结论可能与真实情况不一致。此外，现有研究通常将压头下压与基体接触作为计算摩擦力的起点，并假设轴颈与轴承孔的轴线是平行的，忽略了轴颈与孔之间的初始间隙对摩擦力的影响，也忽略了微重力可能导致的轴颈与孔轴线不平行对摩擦力的影响。因此计算的轴颈摩擦力准确性低。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于分子动力学模型的旋转部件摩擦力计算方法，通过将轴颈与轴承孔的轴线倾斜一定角度，研究轴线倾斜对摩擦力的影响，通过在z方向为轴颈与孔预留一定的初始间隙，研究初始间隙对摩擦力的影响，并通过建立一个与本发明模型条件一致的等效平动模型，研究轴承孔曲率对摩擦力的影响。

2、本发明提供一种基于分子动力学模型的旋转部件摩擦力计算方法，包括以下步骤：

3、构构建压头模型和基体模型，所述基体模型套设在压头模型外面，且预留有初始间隙；所述压头模型用于模拟旋转部件中的轴颈，基体模型用于模拟旋转部件中的轴承孔，所述压头模型和基体模型的轴线均与y轴重合；

4、将基体模型绕x轴旋转设定角度，用于模拟轴颈轴线不与压头轴线重合的初始状态；

5、将压头模型沿z轴向下移动设定距离；

6、在微正则系综下对移动后的压头模型施加x向和z向的正弦振动，同时施加绕y轴的匀速旋转运动；

7、对压头模型受到的摩擦力进行计算。

8、优选的，对移动后的压头模型和旋转后的基体模型进行碰撞摩擦模拟之前，在基体模型的x向和z向上均设置弹簧，所述弹簧用于模拟基体模型受压头模型碰撞产生的随动状态。

9、优选的，构建压头模型和基体模型，具体包括以下步骤：

10、对模拟软件中的多个参数进行设置；

11、根据设置的多个参数建立压头和基体的分子动力学仿真模型，得到压头模型和基体模型；

12、对模拟软件中的多个参数进行设置，包括：

13、设置x向和z向为固定边界条件，y向为周期性边界条件；

14、选择嵌入原子势eam作为原子间相互作用势函数；

15、设置仿真步长为10fs；

16、设定系统的初始温度为300k。

17、优选的，所述压头模型和基体模型的材料均为金，晶格结构为面心立方结构，晶格常数a为0.408nm，压头模型的半径为15a，基体模型的内径为38a，外径为84a，压头模型和基体模型沿y向的长度均为8a，压头模型共有22568个原子，基体模型共有140960个原子。

18、优选的，所述基体模型包括固定层、恒温层和牛顿层，基体模型最外面2层原子为固定层，固定层以内2层原子为恒温层，其余原子为牛顿层。

19、优选的，在将基体模型绕x轴旋转设定角度后，需对基体模型进行弛豫，具体包括以下步骤：

20、通过正则系综nvt对基体模型的恒温层和牛顿层进行预设时间长度的第一次弛豫；

21、第一次弛豫完成后，通过微正则系综nve对基体模型的牛顿层原子进行预设时间长度的第二次弛豫。

22、优选的，将压头模型沿z轴向下移动后，需通过微正则系综nve对压头模型进行预设时间长度的第三次弛豫。

23、优选的，所述设定角度为10°，所述设定距离通过下式计算：

24、d1＝d-c0

25、式中，d1表示设定距离，d表示压头模型质心与基体模型质心之间的初始间隙，c0表示停止移动时压头模型质心与基体模型质心之间的间隙。

26、优选的，通过下式对移动后的压头模型施加x向和z向的正弦振动，同时施加绕y轴的匀速旋转运动：

27、

28、其中，

29、t＝(timestep-startstep)dt

30、

31、式中，xt和zt为仿真时长t时刻的原子x、z位移，x0和z0为仿真开始时的原子x、z坐标，θ为仿真时长t时刻相对于仿真开始时刻压头原子转过的角度，ax和az分别为压头在x向和z向的振幅，ωx和ωz分别为压头沿x向和z向振动的圆频率，timestep为仿真时长t时刻对应的仿真步数，startstep为仿真开始时刻对应的仿真步数，dt为仿真步长，t为压头匀速旋转的周期。

32、优选的，通过下式对压头模型受到的摩擦力进行计算：

33、

34、其中，

35、

36、

37、

38、

39、式中，f为压头模型所受到的摩擦力，为压头最外面三层第i个原子所受到的切向力，n为压头最外面三层原子的总数，为压头最外面三层第i个原子受到的x方向和z方向的力组成的力矢量，为压头最外面三层第i个原子的单位速度矢量，和分别为压头最外面三层第i个原子受到的x方向和z方向的力，为压头最外面三层第i个原子的x坐标和z坐标组成的位移矢量，xi和zi分别为压头最外面三层第i个原子的x坐标和z坐标。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

41、本发明提供了一种基于分子动力学模型的旋转部件摩擦力计算方法，构建了一个分子动力学模型，包括用于模拟旋转部件中轴颈的运动的压头模型和用于模拟旋转部件中固定的轴承孔的基体模型，二者的初始状态预留有初始间隙，考虑了轴颈与孔之间的初始间隙，同时将基体模型进行旋转，考虑了轴颈与孔轴线之间的相对倾斜对摩擦力的影响，轴颈的运动形式为绕y轴的匀速旋转运动和沿x轴与z轴的正弦振动的叠加，更符合空间环境中纳米旋转部件的真实工况，仿真结果的置信度更高，计算得到的摩擦力更准确。