基于分子动力学模拟的粗糙表面接触与摩擦特性研究

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1、基于分子动力学模拟的粗糙表面接触与摩擦特性研究栾智存2015年1月中图分类号：TH117.1UDC分类号：基于分子动力学模拟的粗糙表面接触与摩擦特性研究作者姓名栾智存学院名称机械与车辆学院指导教师苑士华教授答辩委员会主席马彪教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchontheContactandFrictionCharacteristicsofRoughSurfacesBasedonMolecularDynamicsSimulationsCandidateName：ZhicunLuanSchoolorDepar

2、tment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.ShihuaYuanChair,ThesisCommittee：Prof.BiaoMaDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan，2015北京理工大学硕士学位论文摘要轴向柱塞泵是现代液压传动中使用最广泛的液压元件之一，在高压低速条件下，其关键摩擦副的工作界面不能形成完整的润滑

3、油膜，其摩擦界面处在混合润滑状态，既存在润滑油膜，又有粗糙峰的接触。因此，固体接触区域的接触和摩擦问题，是研究混合润滑状态接触与摩擦问题的基础，同时，也一直是摩擦学研究的一个重要方面。考虑到连续介质力学模型在微观尺度下的局限性，本文采用分子动力学方法进行微米尺度粗糙表面的接触与摩擦特性研究。针对纳米尺度单粗糙峰的接触和摩擦行为，建立了刚性球形粗糙峰对弹性平面基体的微观力学模型，利用分子动力学理论求解该模型，模拟分析了变形量，温度，速度，粗糙峰曲率半径等参数对接触力，摩擦力和摩擦系数的影响规律，并得到了单粗糙峰接触力，摩擦力与接触变形量的关系式。为了进一步地研究纳米尺度粗

4、糙表面的真实接触力和接触面积，在分析G-W统计接触模型的基础之上，提出了基于分子动力学模拟的粗糙表面接触模型。该模型给出了原子尺度下接触面积的计算方法，并运用接触面积和接触力与接触变形量的关系以及粗糙峰统计分布模型，将单粗糙峰的接触行为扩展到粗糙表面的接触行为，并对两种模型的结果进行了对比分析。为了将纳米尺度下单粗糙峰接触和摩擦回归模型扩展到微米尺度，研究了纳米尺度下粘附作用的影响。进一步地进行了微米尺度粗糙表面的接触摩擦特性分析，为了验证微米尺度粗糙表面的接触摩擦特性，最后采用表面形貌仪和UMT测试试验机进行了接触和摩擦试验研究。关键词：分子动力学模拟，接触，摩擦，粗

5、糙表面I北京理工大学硕士学位论文AbstractAxialpistonpumpisoneofthemostwidelyusedhydrauliccomponentsinmodernhydraulicdrivesystems.Underthehighpressureandlowspeedconditions,theinterfaceofkeyfrictionalpairscan’tformthecompletelubricantfilm,sothefrictioninterfaceisinthemixedlubricationstate,inwhichbothlubric

6、atingfilmandasperitiescontactexist.Sotheproblemofcontactandfrictionatsolidcontactareaisthebasisoftheresearchonthemixedlubricationstate,whichhasalsobeenanimportantaspectoftribologyresearch.Takingintoaccountthelimitationsofcontinuummechanicsinthemicroscopicscale,moleculardynamicssimulation

7、isadoptedtostudythecontactandfrictionbehavioronroughsurfaces.Firstly,forthecontactandfrictionbehaviorofsingleasperityatnanoscopicscale,themicromechanicsmodeloftherigidsphericalasperityagainstelasticplanesubstrateisestablishedandmoleculardynamicstheoryisadoptedtosolvethemo