modelling

Моделирование подшипников: выход на атомный масштаб

В статье представлены четыре основных направления исследований, в которых SKF использует методы моделирования: подшипниковая сталь, механизмы усталости, разработка полимеров и трибология.

Автор:
Себастьян Эхеверри Рестрепо, научный сотрудник научно-исследовательского центра SKF (ERC), SKF B.V., Ньювегейн, Нидерланды

Другие отрасли Другая продукция Исследования и теория

РЕЗЮМЕ

В последнее время компания SKF расширяет свои научные познания с помощью методов моделирования в атомном масштабе (DFT, MD и DPD), позволяющих понять, как ведут себя материалы, из которых производится продукция компании. Это даёт возможность компании находить инновационные решения и удовлетворять постоянно растущие технические требования.

Представьте себе, что существует возможность проникнуть внутрь твёрдых материалов и увидеть структуру атомов: как они взаимодействуют, перемещаются и реагируют на действие внешних сил, и как внешняя температура влияет на их свойства и меняет их структуру. Если бы это было возможным, то было бы легче выбирать, обрабатывать и проектировать материалы, используемые для производства изделий и оборудования.

В научно-исследовательском центре SKF в Нидерландах проводятся исследования, целью которых является виртуальное проникновение внутрь материалов, используемых в изделиях SKF, чтобы добиться лучшего понимания их поведения в рабочих условиях. Это позволяет SKF соответствовать требованиям клиентов и, что не менее важно, разрабатывать новые материалы для своей продукции, которые повышают качество, надёжность и другие характеристики изделий.

В большинстве случаев экспериментальных методов достаточно, чтобы оценить влияние внешних ограничивающих факторов на материал, из которого произведено изделие, и найти соответствующие защитные и профилактические средства.

Тем не менее, даже самые современные экспериментальные методы не всегда способны обеспечить достаточное понимание механизмов воздействия некоторых явлений на материалы. Кроме того, в некоторых ситуациях, например, в случае новых материалов или изделий, которые находятся на этапе разработки, использование одних только лабораторных испытаний не всегда является оправданным с точки зрения экономии времени и средств. Вот почему существенную роль здесь играют вычислительные методы.

При разработке механических деталей, например, подшипников качения, большинство проблем может быть решено с помощью «крупномасштабных» методов моделирования, таких как метод конечных элементов (FEM). Однако возможности данного метода не охватывают некоторые специальные аспекты, что требует проведения альтернативного мезо- и микроскопического моделирования.

Чтобы лучше изучить продукцию SKF и иметь возможность решать проблемы, которые могут возникнуть в определённый момент времени при определённых пространственных масштабах, научные сотрудники SKF постоянно развивают научную базу в области использования и совершенствования методов крупномасштабного моделирования. Это значит, что существуют различные инструменты (представьте себе, например, увеличительные стёкла разной силы), которые можно использовать, чтобы понять специфические явления, определяющие поведение материала в разных условиях эксплуатации. Именно поэтому модели, применяемые в SKF, имеют разные пространственные масштабы, от квантово-механических до макроскопических (рис. 1).

Чем глубже «проникновение» в материал, тем больше вычислительной мощности и времени требуется для выполнения моделирования. Поэтому в исследовательских подразделениях SKF используются высокопроизводительные кластеры с 1536 процессорами.

В настоящее время существуют четыре основных направления исследований, для которых используются методы мезо- и микромасштабного моделирования.

Разработка стали
Первое направление исследований — это работы в рамках проекта «Крупномасштабное моделирование водородного охрупчивания» (“MultiHy”) [1]. Этот проект реализуется консорциумом различных европейских промышленных и научных организаций и финансируется Европейским союзом. Отправной точкой для реализации проекта послужило наличие множества экспериментальных данных [2], которые свидетельствуют о негативном влиянии водорода на усталостный ресурс подшипниковых и конструкционных сталей. На техническом языке это явление называют водородным охрупчиванием. В проекте MultiHy компанию SKF прежде всего интересует возможность спрогнозировать диффузию водорода в подшипниковую сталь и, что ещё важнее, выяснить, каким образом можно захватить и заблокировать свободный водород, чтобы нейтрализовать влияние водородного охрупчивания на срок службы подшипников.

Такое моделирование подвижности водорода и его влияния на усталостный ресурс дополняется другими современными исследованиями, изучающими различные источники водорода, такие как влажная среда и возможная деградация смазочных материалов.

В атомном масштабе моделирование выполняется с помощью квантово-механического метода расчёта, называемого теорией функционала плотности (DFT). Обычно этот метод используется для исследования электронной структуры систем многих тел (рис. 2). Конкретнее, моделирование выполняется для оценки механических свойств и воздействия водорода на новую экспериментальную ванадий-содержащую подшипниковую сталь (рис. 3), в которой водород может быть заблокирован, чтобы избежать охрупчивания [3]. Результаты, полученные в рамках проекта MultiHy, помогут завершить разработку данной новой стали, которую затем можно будет применять там, где необходима стойкость к водороду.

Механизмы усталости
Второе направление исследований связано с атомной микроструктурой подшипниковых сталей и её влиянием на поведение материала, который подвергается усталости от действия контактных напряжений.

Для реализации этого проекта используется метод молекулярной динамики (MD), позволяющий узнать, как атомы двигаются и взаимодействуют друг с другом, когда в подшипниковой стали возникает и начинает распространяться трещина (рис. 4). Понимание этого явления поможет SKF увеличить срок службы и улучшить общие характерис­тики своей продукции.

Разработка полимеров
Третье направление – изучение наполненных каучуков, используемых в производстве уплотнений. Цель исследований – обнаружение и количественная оценка физических явлений в макро- и микроструктурах, которые влияют на квазистатические и динамические напряжения наполненных каучуков в деформированном состоянии. Этот проект реализуется SKF в сотрудничестве с учёными из Университета Цинхуа в Китае и Барселонского университета в Испании.

Метод диссипативной динамики частиц (DPD) – это метод мезомасштабного моделирования, который позволяет анализировать динамические свойства жидкостей и полимеров (рис. 5) в таких масштабах, где невозможно использовать метод молекулярной динамики. Используя метод диссипативной динамики частиц, можно подробно изучить влияние различных факторов (например, взаимодействие между частицами наполнителя и полимерными цепями, а также топологические изменения в структуре полимера) на статическое и динамическое механическое поведение материалов уплотнений.

Трибология
Последнее направление исследований – это изучение контакта между двумя смазанными поверхностями [4], например, между телом качения и дорожкой качения в гибридном подшипнике. Здесь также используется метод молекулярной динамики. Цель исследований – выяснение причин фундаментальной разницы в трении и износе между контактными поверхностями сталь/сталь и сталь/керамика с целью улучшения рабочих характеристик гибридных подшипников. Кроме того, данный метод позволяет изучать химические реакции между смазочным материалом и контактными поверхностями.

Моделирование уже выявило наличие фундаментальной разницы в отношении трения и износа между контактными поверхностями сталь/сталь и гибридными контактными поверхностями. В частности, выяснилось, что трение гибридных контактных поверхностей ниже, чем контактных поверхностей сталь/сталь.

Список литературы
[1] http://www.multihy.eu.
[2] R. A. Oriani, Annual Review of Materials Science 8, 327 (1978).
[3] B. Szost, R. Vegter, and P. Rivera-Diaz-del Castillo, Materials & Design 43, 499 (2013).
[4] D. Savio, Nanoscale phenomena in lubrication: from atomistic simulations to their integration into continuous models, Ph.D. thesis, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Karlsruher Institut für Technologie (2013).

Рис. 1: Пространственные масштабы в различных методах моделирования, которые использует SKF: метод теории функционала плотности (DFT), метод молекулярной динамики (MD), метод диссипативной динамики частиц (DPD) и метод конечных элементов (FEM). Рис. 2: Структура карбида ванадия (VC), включающая двухмерные сечения плотности заряда. Изображение получено с помощью программы XCrySDen.Рис. 3: Атомы водорода на границе между железом и отложениями, состоящими из ванадия и углерода. Изображение получено с помощью программы XCrySDen. Рис. 4: Фронт трещины, распространяющейся в железе. Цвета атомов соответствуют возникающим в них напряжениям. Изображение получено с помощью программы AtomEye.Рис. 5: Модель выборки, используемая для моделирования полимера методом диссипативной динамики частиц (DPD). Тёмно-синие частицы – это наполнитель, а пурпурные частицы – полимерные цепи. Изображение получено с помощью программы Ovito.

Материалы по теме