资源描述：
《分子动力学在纳米机械加工技术中的应用new》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、中国机械工程第10卷第6期1999年6月3分子动力学在纳米机械加工技术中的应用罗熙淳梁迎春董申摘要介绍分子动力学的基本原理、算法,阐述它在研究纳米机械加工机理中的重要作用。介绍国外应用分子动力学研究超精密切削机理的现状和方法。指出应用分子动力学研究纳米机械加工机理的发展趋势。认为分子动力学是探索纳米机械加工机理的有力工具,它必将推动纳米机械加工技术的发展。关键词分子动力学计算机模拟切削机理纳米机械加工技术罗熙淳博士研究生中国图书资料分类法分类号TG501.1分子动力学(MolecularDynamics
2、)用于计算的限制,纳米加工过[1]以固体、液体、气体为模型的单个分子运动,它程的实验计算和分是探索各种现象本质和某些新规律的一种强有力析不可避免地存在的计算机模拟方法,具有沟通宏观特性与微观结着很多困难,而分子构的作用,对于许多在理论分析和实验观察上难动力学模拟完全可以理解的现象可以作出一定的解释,在物理、化以克服这些困难。借[2]学、材料、摩擦学等学科得到了广泛而成功的应助分子动力学可以用,在纳米机械加工中,它同样可以大有作为。建立纳米加工的分(原)子模型,该模型1分子动力学应用于纳米机械加工技术图1
3、二维分子动力学切削由边界分(原)子、牛的意义模型顿(原)分子和恒温纳米机械加工技术是在0.1nm～100nm空层分(原)子组成,图1是一个典型二维纳米切削分间尺度内操作原子和分子,对材料进行机械加工,子动力学模型。刀具粒子与材料粒子之间的相互[3]制造具有特定功能的产品的高新技术。金刚石作用力可通过势能函数计算,由于这些粒子属于车削是纳米机械加工的主要形式。在进行纳米切经典粒子,因而可以忽略其量子效应,建立运动方削加工时,切削发生在很小的区域内,该区域只包程。数值求解运动方程便得到材料与刀具粒子的含数个
4、原子层至数百个原子层。切削过程在本质位移与速度,从而仿真不同时刻粒子的运动轨迹,上是原子的离散现象,工件材料应看作是原子或由此可以对加工过程中材料的去除过程和加工表分子的集合体,采用传统的连续介质力学显然是面的形成过程做出合理的解释。通过分析仿真结不合适的,必须采取分子动力学方法来分析研究果,还可以研究切削力、切削热,材料的物理性质纳米加工过程。在切削机理中的作用,以及表面质量与各种工艺实现稳定的纳米机械加工,关键是要突破目因素的关系,这些结果用来指导纳米加工,将有助前的切削极限。文献[4,5]介绍的在
5、高精密机床上于实现稳定的纳米级加工精度。进行的切削实验证实,使用金刚石车刀可以实现可见,分子动力学是纳米机械加工技术的理数个纳米的切削厚度,然而对于纳米加工最终可论基础,它将带来机械超精密加工理论的一场革达到的精度和纳米切削的机理(如切屑的去除机命,并极大地推动纳米机械加工技术的发展。理和加工表面的形成机理)等问题还不是很清楚。2分子动力学基本原理和算法由于纳米加工过程的可控性和观察测量技术3国家自然科学基金资助项目(59835180)2.1分子动力学模拟的基本过程(见图2)收稿日期:1998—11—1
6、6修回日期:1999—03—29分子动力学将连续介质看成由N个原子或·692·分子动力学在纳米机械加工技术中的应用——罗熙淳梁迎春董申分子组成的粒子系统,各粒子之间的作用力可以动力学模拟。通过量子力学势能函数求导得出,忽略量子效应势函数确定以后,分子间作用力便可以通过后,运用经典牛顿力学建立系统粒子运动数学模势函数对rij求导得出分子间作用力型,通过数值求解得到粒子在相空间的运动轨迹,du(rij)Fij=-(4)drij然后由统计物理学原理得出该系统相应的宏观动而作用在第i个原子上的总原子力态静态特性
7、。du(rij)Fi=6Fij=6-dr(5)ijjj2.3周期边界条件为了减少分子动力学模拟系统中粒子数小于真实系统中粒子数而带来的尺寸效应,分子动力学采用周期边界条件。周期边界条件是将一定数量的粒子N集中在一定的容积V中,这个容积V图2分子动力学模拟过程图称为原胞,原胞周围的部分可以看作是原胞的复2.2分子间作用力计算制,它们称作镜像细胞。这些镜像细胞的尺寸和形分子间作用力计算较为复杂,人们大量采用状与原胞完全相同,并且每个镜像原胞所包含的能量法计算分子间作用力。根据量子力学知识,计N个粒子是原胞中
8、粒子的镜像。这样原胞在各个算任何一种原子排列构型的总能量,需要求解该方向上周期复制便形成了宏观物质样本。这样只构型下多电子体系的薛定谔方程。对于一般的复需根据原胞周围的边界条件计算原胞内粒子的运杂系统,这几乎是不可能的,为解决这一问题,人动,因而可以大幅度减少工作量。们进行了种种简化处理,提出对偶势和多体势的以二维周期边界条件为例简单说明周期边界[6]3种最典型的势函数形式条件的基本原理。图3中,每个细胞都赋予了参考-m-nV(r)=4E[
