正庚烷微观润滑摩擦特性的分子动力学模拟

发布时间：2017-04-05 03:09

  本文关键词：正庚烷微观润滑摩擦特性的分子动力学模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：摩擦现象存在于日常生活以及工业生产的方方面面。对于相关问题的研究,形成了一门新的学科——摩擦学(tribology)。无用的摩擦可造成大量的能量损失,也可导致接触面之间的磨损,破坏设备,降低设备使用寿命,对于能源和环境都造成严重危害。据资料记载,因为摩擦而损耗的一次性能源占全球一次性能源总量的1/3-2/3。因此减小摩擦可以保护设备,增加机械设备的使用寿命,节约能源,保护环境。随着现代科技的不断进步,润滑油膜的尺度已经达到了微观尺度,微观尺度下的润滑油膜不再满足流体的连续性理论,体现出了与固体相似的性质,也就是类固性,传统的连续性理论对于微观摩擦学不再适用,因此对于微尺度的润滑摩擦现象机制的揭示是目前研究的重点,很多的科研工作者针对微尺度的润滑摩擦现象进行了大量的研究,在实验和模拟计算方面都取得了很多的研究结果,不断的对微观机理进行了揭示。在实验、CFD数值计算以及分子动力学这三种方法中,分子动力学方法在揭示微观润滑膜的润滑机理方面有着明显的优势。分子动力学模拟从分子和原子的角度出发,采用统计力学的原理,从本质上对润滑摩擦现象进行统计计算。本文采用该方法,系统的研究了限制在两层铁原子之间的正庚烷流体的微观结构特征和流变特性,具体内容如下：(1)介绍了摩擦学基本概况,引出了研究微观摩擦学的背景及意义,介绍了分子动力学方法的研究进展。(2)简要介绍分子动力学基本原理、正庚烷模拟计算的分子力场和势函数,以及正庚烷物性参数的统计方法。(3)正庚烷分子力场以及势函数的选择。通过使用较为简单的直链烷烃(烷烃是润滑油的主要成分之一,同时分子力场的开发都是以烷烃为基础的),采用分子动力学的方法,应用不同的全原子力场和联合原子力场系统的模拟计算了正庚烷在不同温度下的粘度、密度以及导热系数,从而选择出成本最低、计算最准确的原子力场和势函数。通过一系列的模拟计算发现,OPLS-CHARMM联合原子力场对粘度、导热系数和密度的计算结果与实验值符合的很好,是一种既经济又准确的原子力场。(4)薄膜润滑微观特性研究。使用OPLS-CHARMM联合原子力场对薄膜润滑进行模拟计算,计算结果表明温度越高,分子密度越小,压缩时系统高度降低,在近壁面处有吸附膜产生,并且随着温度的提高而增厚。压力越大,系统高度越低,越易形成层状结构,但是在流体内部仍保持一部分流体特性,这表明薄膜润滑是一种过渡状态,且是一种可以独立存在的过渡状态。(5)边界润滑微观特性研究。使用OP LS-CHARMM联合原子力场对边界润滑进行模拟计算。计算结果表明当油膜分为5层时,分层结构十分明显,此时不管是温度还是压力对层状结构的形成影响都不大,当温度升高时摩擦力增大,当压力升高时。摩擦力增大,但是其近壁面分子的吸附作用以及润滑分子的类固性保持稳定。当润滑膜的厚度进一步降低,达到3层分子层时,压力对润滑膜的影响是十分显著的,当压强为250MPa时,润滑膜的层状结构不明显,继续升高压力,当压强达到500MP时,润滑膜的层状结构非常明显的分为三层,此时系统高度降低,摩擦力增大,润滑膜容易发生破裂。(6)凸峰接触微观特性研究。研究结果表明,当压强为250MPa时,润滑膜在335K时发生破裂,增大压强到500MP时,润滑膜在315K时就已经发生了破裂。同时本文考察了剪切速度对润滑膜破裂的影响,结果表明剪切速度越大,润滑膜的承载能力越强。将上层金属材料改为Cu,探究摩擦副材料对凸峰接触的影响,结果表明：铁原子层对铜原子层造成了切削作用,摩擦副形变小,摩擦力减小。
【关键词】：润滑摩擦 分子动力学模拟 联合原子力场 正庚烷
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH117
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-21
• 1.1 润滑摩擦简介12-13
• 1.2 润滑摩擦研究的背景及意义13-15
• 1.3 润滑摩擦研究方法及进展15-19
• 1.3.1 润滑摩擦常规研究方法15-17
• 1.3.2 润滑摩擦分子动力学模拟研究进展17-19
• 1.4 润滑摩擦分子动力学模拟存在的主要问题19-20
• 1.5 本文主要研究内容20-21
• 2 分子动力学模拟方法21-31
• 2.1 分子动力学模拟简介21
• 2.2 分子动力学计算的基本原理21-23
• 2.2.1 模型建立及初始条件22
• 2.2.2 周期性和非周期性边界条件22-23
• 2.3 分子动力学求解方法简介23-24
• 2.4 分子动力学力场及势函数24-28
• 2.4.1 力场简介24-25
• 2.4.2 常规力场25-28
• 2.5 宏观热力参数统计方法28-30
• 2.6 本章小结30-31
• 3 分子力场及势函数的选择31-47
• 3.1 引言31-32
• 3.2 分子力场简介及模拟方法32-35
• 3.2.1 分子力场简介32
• 3.2.2 分子力场势函数简介32-34
• 3.2.3 正庚烷流体基础特性参数的统计方法34-35
• 3.3 分子动力学模拟计算过程简介35-39
• 3.3.1 全原子力场分子无关性35-37
• 3.3.2 联合原子导热系数和密度的分子无关性37-38
• 3.3.3 分子动力学的模拟体系38-39
• 3.3.4 模拟过程及边界条件39
• 3.4 计算结果及讨论39-46
• 3.4.1 时间自相关函数40-43
• 3.4.2 全原子力场粘度的模拟计算结果43
• 3.4.3 不同温度下正庚烷的粘度比较43-44
• 3.4.4 全原子力场导热系数模拟计算结果44-45
• 3.4.5 联合原子力场导热系数模拟计算结果45-46
• 3.5 本章小结46-47
• 4 正庚烷多种摩擦方式的分子动力学模拟47-82
• 4.1 薄膜润滑47-57
• 4.1.1 薄膜润滑模拟体系48-49
• 4.1.2 势函数及力场参数49
• 4.1.3 模拟过程及边界条件49
• 4.1.4 度对薄膜润滑油膜组成结构的影响49-51
• 4.1.5 温度对薄膜润滑速度分布的影响51-53
• 4.1.6 温度对薄膜润滑摩擦力的影响53
• 4.1.7 压力对薄膜润滑组成结构的影响53-54
• 4.1.8 压力对薄膜润滑界面滑移的影响54-55
• 4.1.9 速度对薄膜润滑的影响55-57
• 4.2 边界润滑57-71
• 4.2.1 边界润滑模拟体系57-58
• 4.2.2 模拟过程及边界条件58
• 4.2.3 温度对边界润滑组织结构的影响58-61
• 4.2.4 温度对边界润滑速度分布的影响61-63
• 4.2.5 温度对边界润滑摩擦力的影响63-65
• 4.2.6 压力对边界润滑组成结构的影响65-67
• 4.2.7 压力对边界润滑界面滑移的影响67-69
• 4.2.8 速度对边界润滑的影响69-71
• 4.3 凸峰接触71-81
• 4.3.1 凸峰接触模拟体系71-72
• 4.3.2 温度对凸峰接触润滑油组成结构的影响72-73
• 4.3.3 温度对凸峰接触润滑油膜速度分布的影响73-74
• 4.3.4 温度对凸峰接触润滑膜摩擦力的影响74-76
• 4.3.5 温度和压力对于凸峰接触的影响76-78
• 4.3.6 剪切速度对于凸峰接触的影响78-80
• 4.3.7 金属材料对于凸峰接触的影响80-81
• 4.4 本章小结81-82
• 结论82-83
• 参考文献83-90
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况90-91
• 致谢91-92

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 郑玉明;萨本豪;C.Ngo;L.De Paula;;热核稳定性的动力学模拟[J];中国原子能科学研究院年报;1990年00期

2 郑博恺;罗施中;;粗粒化动力学模拟在膜蛋白研究中的应用[J];中国科技论文在线;2011年12期

3 马云霞;赵慧霞;杨晓峰;;分子动力学模拟的基本步骤及误差分析[J];硅谷;2012年03期

4 吴方棣;郑辉东;刘俊劭;郑细鸣;;分子动力学模拟在化工中的应用进展[J];重庆理工大学学报(自然科学);2013年10期

5 商志才;;液体氩结构的分子动力学模拟[J];绍兴师专学报;1992年05期

6 熊大曦,李志信,过增元;氩气热力学参数和输运系数的分子动力学模拟[J];清华大学学报(自然科学版);1997年11期

7 岳雅娟;刘清芝;伍联营;胡仰栋;;有机分子在聚乙烯膜中扩散过程的分子动力学模拟[J];化工学报;2012年01期

8 刘娟芳,曾丹苓,刘朝,王德明;分数布朗函数在分子动力学模拟中的应用[J];工程热物理学报;2004年02期

9 罗彬宾;李祥;陈云飞;;超薄水膜剪切流的分子动力学模拟[J];机械工程学报;2007年09期

10 霍德鸿,梁迎春,曲世民;微型机械力学行为的分子动力学模拟研究进展[J];江苏机械制造与自动化;2001年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 黄庆生;吴洪明;吴建华;;用纳米孔道测定蛋白质序列的分子动力学模拟[A];第八届全国生物力学学术会议论文集[C];2006年

2 岳红伟;王艳;陈光巨;;不同的识别剂、剪切剂对接到DNA上的动力学模拟比较[A];中国化学会第27届学术年会第14分会场摘要集[C];2010年

3 言天英;高学平;Gregory A．Voth;;分子动力学模拟离子液体的结构与动力学性质[A];中国化学会第九届全国量子化学学术会议暨庆祝徐光宪教授从教六十年论文摘要集[C];2005年

4 黄世萍;;分子筛中烷烃的甲基旋转动力学:分子动力学模拟研究[A];中国化学会第26届学术年会理论化学方法和应用分会场论文集[C];2008年

5 田国才;华一新;;分子动力学模拟研究离子液体中水分子的光谱和动力学[A];中国化学会第26届学术年会理论化学方法和应用分会场论文集[C];2008年

6 王后芳;雷鸣;;小分子抑制剂与甲状腺结合前清蛋白对接,分子动力学模拟及结合自由能计算研究[A];中国化学会第26届学术年会化学信息学与化学计量学分会场论文集[C];2008年

7 张辉;李全伟;李英;李志强;;泡沫液膜的分子动力学模拟及泡沫析液机制的研究[A];中国化学会第十二届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2009年

8 徐爱进;周哲玮;胡国辉;;固体平板上超薄水膜润湿过程的分子动力学模拟[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

9 张继伟;卞富永;施国军;徐四川;;多巴胺在细胞膜中扩散和透过分子动力学模拟研究[A];第八届全国化学生物学学术会议论文摘要集[C];2013年

10 赵克杰;陈常青;;铜单晶中纳米孔洞生长尺度效应的分子动力学模拟[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

中国重要报纸全文数据库 前2条

1 ;曙光超级计算机缩短病毒研究时间[N];中国电子报;2006年

2 记者 耿挺;铝如何对人体造成伤害[N];上海科技报;2014年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张云安;微尺度下单晶硅疲劳失效机理的分子动力学模拟研究[D];国防科学技术大学;2014年

2 于华;蛋白质—肽相互作用的分子动力学模拟研究[D];浙江大学;2015年

3 张仕通;层状复合金属氢氧化物理论模拟分子力场的建立及其结构拓扑转变研究[D];北京化工大学;2015年

4 冯婷婷;几种重要疾病蛋白和抑制剂相互作用机理的分子动力学模拟研究[D];中国科学技术大学;2015年

5 郑耀庭;金属表面初期氧化行为的原位拉曼实验及分子动力学模拟[D];华东理工大学;2015年

6 冯文玲;电离、电子贴附解离和氧负离子—甲烷分子反应的从头算动力学模拟[D];中国科学技术大学;2016年

7 刘金峰;发展和应用分块的量子化学方法进行生物大分子性质计算和动力学模拟[D];华东师范大学;2016年

8 马义丁;拥挤环境下的高分子扩散动力学[D];中国科学技术大学;2016年

9 孙浩;糖原合成酶激酶-3β结构与功能的动力学模拟研究[D];浙江大学;2009年

10 陈林;极端嗜热蛋白结构与功能的分子动力学模拟研究[D];吉林大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 代春月;白细胞介素IL-8及受体CXCR1的分子动力学模拟[D];华南理工大学;2015年

2 王正;RO/R_2O-Al_2O_3-SiO_2熔体粘度特性的分子动力学模拟[D];山东建筑大学;2015年

3 钟建峰;抑杂剂与离子型稀土矿中铝杂质相互作用的分子动力学模拟分析[D];江西理工大学;2015年

4 相敏;金属熔体特征温度的分子动力学模拟[D];西安工业大学;2015年

5 胡立梅;蛋白质在材料表面吸附的分子动力学模拟[D];山东大学;2015年

6 赵智博;两种与癌症相关的酶的结构与活性的分子模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

7 黎迪晖;水碱浸泡条件下环氧树脂的性能演化与分子动力学模拟[D];哈尔滨工业大学;2015年

8 郭子凤;碲基材料热导率的分子动力学模拟[D];广西大学;2015年

9 李晶晶;服饰皮革材料热稳定性的分子动力学模拟研究[D];武汉纺织大学;2015年

10 侯银菊;铝熔化各向异性的分子动力学模拟[D];山西大学;2014年

  本文关键词：正庚烷微观润滑摩擦特性的分子动力学模拟，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：286360