纳米轴承动压润滑的分子动力学模拟

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随着微电子机械系统以及纳米机械的迅速发展,对于纳米尺度下机械零件的摩擦、润滑和磨损等特性的研究提出了迫切的要求。本文对超薄膜润滑以及边界滑移问题的研究现状进行了概括。讨论了分子动力学模拟方法的基本原理和详细步骤。在此基础上,对两种模型的纳米轴承进行模拟,研究了薄膜的动压润滑效应以及液体的输运特性。首先,模拟了传统纳米轴承模型,该模型是建立在动压效应的产生原理上,并从几何结构上实现其楔形收敛间隙。模拟结果表明,纳米量级的薄膜流体会在靠近固体壁面的位置产生类固化。轴承在较低滑动速度时,动压随着滑动速度线性增加,符合经典的雷诺方程。纳米轴承中滑动速度存在一个临界值,当滑动速度超过该临界值时,经典雷诺方程就不再适用了。 在验证模型的基础上,模拟了新型纳米轴承的动压润滑。与传统轴承的物理模型相区别的是,新型轴承实际上是两平行平板。通过对模型采取特殊的结构设计,新模型可以通过直接控制表面材料的润湿性,达到控制液体流动速度的目的,从而实现动压润滑的效果。模拟结果显示,新模型依靠其特殊的结构设计,成功实现了两平行平板之间的动压效应。由于在固体壁面构建了亲水表面,引起局部的滑移长度不同,从而使液体流动速度曲线与传统轴承中趋势相同,最终轴承产生承载力。在剪切速度较低时,动压随着转动速度线性增船,符合经典雷诺方程。当剪切速度达到临界值时,滑移长度迅速增大并趋向于无穷大,从而最终导致轴承失效。
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