开题报告-微尺度轴承润滑的分子动力学模拟.doc

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1、本科生毕业论文开题报告学生姓名：学号：班级：专业：机械工程及自动化指导教师：5开题报告开题报告1、课题名称微尺度轴承润滑的分子动力学模拟2、课题背景机电一体化技术的发展为机械向微小型方向演化提供了动力。上世纪80年代后期，微机电系统逐渐兴起（简称MEMS），该系统由尺寸范围为毫米、微米乃至纳米级的微型机械组成，集微机构、微传感器、微驱动器、微执行器和微控制器于一体。MEMS技术目前已开始在我国的社会生产中发挥作用，如微操作机器人已开始用于生物芯片的制造工艺等。本文主要针对于微尺度动压滑动轴承分析其润滑状态。微尺度轴承主要应用于信

2、息器件及航空航天领域。经过超精密制造的微尺度机械，由于其自身尺寸的减小，摩擦副的间隙常处于纳米级，有时甚至出现零间隙。该尺寸效应的存在使得其在运动过程中粘着力、摩擦力以及表面张力比传统机械中的体积力表现得更为突出，成为影响其自身性能、稳定性和使用寿命的关键因素。本文所讨论的主要问题为微尺度轴承的润滑行为，旨在研究微尺度轴承的润滑方式以及其流体润滑特点，探讨液体润滑膜的性质变化，同时利用壁面性质提出新的动压轴承模型。3、国内外相关技术上世纪80年代，加州伯克利大学率先制造出直径为60,厚度为1的微型马达，开创MEMS技术的先河。上

3、世纪90年代，MEMS技术逐渐商业化，但由于摩擦理论发展不完善，很大程度上制约了产品尺寸。微纳尺度的摩擦体系与宏观摩擦体系的主要区别在于：1）在微纳尺度下，摩擦因数不再独立于载荷以及表面间的接触面积；2）许多力的作用已无法忽略，如静电作用力及范德华力；3）微纳尺度下其自重与粘着力相比可忽略。为解决这些问题，纳米摩擦技术（nanotribology）应运而生。微纳尺度机械在润滑过程其表面难以形成连续薄膜。Bowden、Tabor早期实验发现在玻璃纤维表面添加单层脂肪酸可减小摩擦力，但该层分子会随着运动时间逐渐消耗掉。之后衍生了固体

4、润滑薄膜，这种方法的缺点是润滑过程中有其他副产物出现，从而污染整个系统。5开题报告起初很多研究者认为在MEMS系统中液体不适宜做润滑剂，主要原因在于液体与浸湿表面有较大黏性阻力，且在液体薄膜中动压摩擦较大。但近期有研究指出牛顿流体可以在非常光滑的表面流过而不致产生过大的黏性阻力，从而使得MEMS系统的液体润滑成为可能。J.H.Choo等人提出一种能够减小动压摩擦的轴承模型，即令轴承的一个表面为光滑的疏水表面，另一表面为相对粗糙的亲水表面，并通过实验验证了改方案的可行性。这种轴承既有较高的承载能力，又能有效地降低摩擦力。中国MEM

5、S研究中心提出了一种新型微尺度动压滑动轴承模型，即通过轴承表面润湿性的不同而非传统的楔形空间来形成液体动压。该模型采用全光滑表面，其中将上表面部分区域设为亲水表面，其余部分及下表面均为光滑的非亲水表面，使用液氩作为润滑剂，得到的动压曲线与传统的动压润滑轴承曲线相似。近年来，除了流体及气体润滑外，研究人员还探讨了其它的润滑方式，ChadM.Brick等人通过对烷基化八苯基倍半硅氧烷的研究，提出一种新的微尺度自润滑球轴承模型，并指出了该轴承的应用前景。1、研究内容与要求本文将对微尺度轴承的润滑进行分子动力学模拟。首先在ChadM.B

6、rick等人的基础上对基于烷基化八苯基倍半硅氧烷（OPS）的自润滑轴承进行分子动力学模拟，观察烷基化OPS的性质，其次研究Couette流动下轴承流体润滑的特点及润滑膜的性质变化，最后模拟轴承壁面润湿性对其润滑效果的影响，通过改变表面润湿性形成新型动压轴承模型。分子动力学模拟（MolecularDynamics5开题报告Simulation）被广泛地用于计算庞大复杂系统。自1970年起，由于分子力学的发展迅速，有系统的建立了许多适用于生化分子体系，聚合物，金属与非金属材料的流程，使得计算复杂体系的结构与一些热力学与光谱性质的能力

7、及精准性大为提升。分子动力模拟为应用这些力场及根据牛顿动力学原理所发展的计算方法，广泛地用于研究经典的多粒子体系的研究中。该方法是按体系内部的内禀动力学规律来计算并确定位形的转变。它首先需要建立一组分子的运动方程，并通过直接对系统中的一个个分子运动方程进行数值求解，得到每个时刻各个分子的坐标与动量，即在相空间的运动轨迹，再利用统计计算方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观性质。因此，分子动力学模拟方法可看作是体系在一段时间内的发展过程的模拟。模拟过程使用的软件包括MaterialsStudio4.0以及LAMMPS

8、。MaterialsStudio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可在PC上运行的模拟软件，支持Windows98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台，可协助研究人员对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。Materi