[发明专利]一种基于分子动力学的复合材料摩擦性能预测方法

权利要求书

1.一种基于分子动力学的复合材料摩擦性能预测方法，其特征在于，包括：

根据复合材料的原子构型和排列方式，利用Material Studio软件建立所述复合材料的分子模型；

将所述复合材料的分子模型作为中间层，在所述复合材料的上下两侧分别添加一层铁纳米棒和一层铁基底，构建剪切仿真分子模型，并在所述剪切仿真分子模型的x、y、z三个方向上均施加周期性边界条件；

对所述剪切仿真分子模型中所有原子间的键相互作用、键角相互作用、二面角相互作用、非二面角相互作用、范德华相互作用以及库伦相互作用的参数进行求解，获取所述剪切仿真分子模型的力场参数；

采用所述力场参数对所述剪切仿真分子模型进行几何优化，消除在建模过程中所述剪切仿真分子模型产生的原子重叠现象；

采用所述力场参数对几何优化后的所述剪切仿真分子模型进行退火弛豫，消除所述剪切仿真分子模型中的残余应力，使其达到能量最低点；

采用所述力场参数对退火弛豫后的所述剪切仿真分子模型进行剪切模拟，使所述铁纳米棒与所述复合材料之间产生相对运动，从而产生摩擦效应，记录所述剪切仿真分子模型在所述剪切模拟过程中的原子运动轨迹；

根据所述剪切仿真分子模型的原子运动轨迹，基于Material Studio软件的二次开发，统计所述复合材料在滑移过程中所受到的平均切向力和平均法向力，并计算所述复合材料的摩擦系数和磨损率。

2.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的复合材料摩擦性能预测方法，其特征在于，根据所述剪切仿真分子模型的原子运动轨迹，基于Material Studio软件的二次开发，统计所述复合材料在滑移过程中所受到的平均切向力和平均法向力，包括：

收集所述剪切仿真分子模型在滑移过程中所记录的所有原子运动轨迹，将所述复合材料的原子运动轨迹作为研究对象，隐藏所述铁纳米棒和所述铁基底的原子运动轨迹；

依次计算在每一帧下所述复合材料中所有原子的受力大小以及方向直至滑移结束，将每一帧的计算结果进行笛卡尔坐标矢量分解，将每个原子所受到的力沿着滑移方向和法向垂直于滑移方向进行分解；

根据矢量叠加原理，将所述分解得到的沿着滑移方向和法向垂直于滑移方向的力进行叠加，分别作为复合材料在当前帧下所受到的切向力和法向力，并将结果对总帧数取平均作为复合材料在滑移过程中所受到的平均切向力和平均法向力。

3.根据权利要求2所述的一种基于分子动力学的复合材料摩擦性能预测方法，其特征在于，计算所述复合材料的摩擦系数和磨损率，包括：

根据所述复合材料在滑移过程中所受到的平均切向力和平均法向力，按照以下公式分别计算所述复合材料的摩擦系数和磨损率：

其中，μ为所述复合材料的摩擦系数；W为所述复合材料的磨损率；F_s和F_N分别为所述复合材料在滑移过程中受到的平均切向力和平均法向力；N_A和N_T分别为所述复合材料在滑移过程结束之后由于磨损而脱离复合材料基体的原子总数和所述复合材料的原子总数。

4.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的复合材料摩擦性能预测方法，其特征在于，对所述剪切仿真分子模型中所有原子间的键相互作用、键角相互作用、二面角相互作用、非二面角相互作用、范德华相互作用以及库伦相互作用的参数进行求解，获取所述剪切仿真分子模型的力场参数，包括：

对于已测量的力场参数直接从实验结果中获取，对于未测量的力场参数通过LJ势混合算法求解；整合所述参数来描述所述剪切仿真分子模型中原子间的键相互作用、键角相互作用、二面角相互作用、非二面角相互作用、范德华相互作用以及库伦相互作用。