modelling

Lagerforskning i atomskala

Denna artikel ger en inblick i de fyra huvud­linjerna inom modellbaserad forskning hos SKF − lagerstål, utmattningsmekanismer, polymerkonstruktion och tribologi.

Författare:
Sebastián Echeverri Restrepo, forskare vid SKF Engineering & Research Centre (ERC), SKF BV, Nieuwegein, Nederländerna

Övrig industri Övriga produkter Forskning och teori

Sammandrag

Under de senaste åren har SKF har utvecklat sina kunskaper med hjälp av simuleringsmetoder på atomskala, som DFT, MD och DPD, i syfte att förstå hur material uppträder i företagets produkter. Detta har öppnat och breddat vägar för SKF att hantera allt större tekniska utmaningar genom att se till att varje enskild atom sitter där den ska.

Tänk om man kunde göra sig så liten att man kunde röra sig inuti fasta material och se deras atomstruktur – hur atomerna samverkar, flyttar sig och reagerar när de utsätts för en yttre kraft samt hur omgivningstemperaturen påverkar deras egenskaper och struktur. Om detta vore möjligt skulle det bli enklare att välja, behandla och specificera material för komponenter och maskiner.

Vid SKF Engineering and Research Centre (ERC) i Nederländerna forskar man på att virtuellt dyka på djupet i de material som SKFs produkter tillverkas av, i syfte att få bättre förståelse för deras beteende. Med de kunskaper djupdykningarna ger kan SKF ge sina kunder bättre svar på deras frågor och, ännu viktigare, utveckla nya material som förbättrar produkternas kvalitet, hållbarhet och andra specifika egenskaper.

I de flesta fall räcker experimentella metoder för att få förståelse för hur yttre begränsningar kan påverka de material som produkterna är tillverkade av och för att hitta förebyggande och korrigerande lösningar.

Men inte ens de modernaste experimentella teknikerna är alltid tillräckliga för att förstå vilken verkan vissa fenomen kan ha på materialen. Dessutom är det inte alltid vare sig tidsbesparande eller kostnadseffektivt att vara begränsad till laboratoriemetoder vid test av ett nytt material eller en ny produkt. Därför är datorsimulering viktig.

När det gäller mekaniska delar, till exempel rullningslager, kan de flesta konstruktionsmässiga spörsmål hanteras med ”storskalig” simuleringsteknik, som den vanliga finita elementmetoden (FEM). Men vissa frågor låter sig inte besvaras med detta modelleringsverktyg. Här krävs alternativa mesoskopiska och mikroskopiska simuleringsmetoder.

SKFs forskare utvecklar ständigt sina kunskaper i användning av flerskaliga simuleringsmetoder och förbättrar dem kontinuerligt. Syftet är att förbättra förståelsen för SKFs produkter och att kunna ta itu med de frågor som är kopplade till specifika tids- och storleksskalor. Detta innebär att det finns olika verktyg (tänk förstoringsglas med olika förstoringsgrader) för att förstå specifika fenomen som bestämmer beteendet hos ett material under användning. Därför använder SKF allt från kvantmekanik till kontinuummekanik (fig. 1).

Ju djupare man tränger in i ett material desto mer beräkningskraft och tid krävs för simuleringar. För ändamålet använder SKF ett högpresterande datorkluster med 1 536 processorer.

För närvarande finns det fyra huvudsakliga forskningslinjer där meso- och mikroskalebaserade metoder används.

Stålkonstruktion
Det första forskningsledet utgör en del av projektet ”MultiHy” [1], en förkortning av Multiscale Modelling of Hydrogen Embrittlement. Det EU-finansierade projektet leds av ett konsortium bestående av olika europeiska industriella och akademiska partners. Drivkraften bakom projektet är att det finns gott om experimentella bevis [2] som stöder tanken att väte minskar utmattningslivslängden hos lager och konstruktionsstål. Denna inverkan av väte kallas inom teknikvärlden för väteförsprödning. SKFs huvudsakliga intresse inom ramen för MultiHy är att kunna förutsäga hur väte diffunderar in i och genom lagerstål och, ännu viktigare, att upptäcka hur tillgängligt väte kan fångas och immobiliseras för att motverka väteförsprödning och dess negativa inverkan på lagrets brukbarhetstid.

Sådana simuleringar kring vätemobilitet och dess inverkan på utmattningslivslängden kompletterar andra pågående forskningssatsningar som behandlar olika källor till väte, till exempel fuktiga miljöer och eventuella nedbrytningsprodukter från smörjmedel.

Ur molekylär synvinkel genomförs simuleringar med hjälp av en kvantmekanisk modelleringsmetod som kallas täthetsfunktionalteori (DFT). Den används i första hand för att undersöka den elektroniska strukturen hos flerkroppssystem (fig. 2). Simuleringar utförs närmare bestämt för att utvärdera de mekaniska egenskaperna hos, och inverkan av, väte på ett nytt experimentellt vanadinlegerat lagerstål (fig. 3). Stålet gör det möjligt att fånga in väte och därmed förebygga försprödning [3]. Resultaten av MultiHy-projektet kan bidra till vidareutvecklingen av detta nya stål, så att det så småningom kan bli aktuellt för tillämpningar där väteresistens behövs.

Utmattningsmekanismer
En annan forskningslinje är inriktad på atomär beskrivning av mikro­strukturen i lagerstål och strukturens inverkan på beteendet hos material som utsätts för rullkontaktsutmattning.

I detta projekt tillämpas molekylärdynamik (MD) som metod för att studera hur atomerna rör sig och interagerar med varandra när en spricka initieras och utbreds genom lagerstål (fig. 4). Förståelsen av detta fenomen öppnar vägen för metoder att öka livslängd och prestanda hos SKFs produkter.

Polymerkonstruktion
En tredje linje handlar om att studera fyllda gummimaterial som ingår i tätningar. Det övergripande målet är att identifiera och kvantifiera fysikaliska fenomen på olika skalor som påverkar kvasi-statiska och dynamiska belastnings-spänningsbeteenden hos fyllda gummimaterial. Projektet genomförs av SKF i samarbete med forskare från Tsinghua University i Kina och från Barcelonas universitet i Spanien.

I detta sammanhang används dissipativ partikeldynamik (DPD), ett simuleringsverktyg på meso­skala som tillåter analys av de dynamiska egenskaperna hos fluider och polymerer (fig. 5) i skalor utanför dem som kan hanteras med MD. Med hjälp av DPD går det att ta hänsyn till inverkan av olika faktorer, som växelverkan mellan fyllmedelspartiklar och polymerkedjor samt topologiska förändringar hos polymernätverket vid statisk och dynamisk påverkan av tätningsmaterial.

Tribologi
Tribologiforskningslinjen, slutligen, handlar om den smorda kontakten mellan två ytor [4], som den mellan en rullkropp och en löpbana i ett hybridlager. Även här utnyttjas MD. Målet är att förklara de grundläggande skillnaderna i friktion och slitage vid ytkombinationen stål/stål respektive stål/keram, med målet att förbättra prestanda hos hybridlager. Dessutom kan kemiska reaktioner mellan smörjmedlet och ytorna beaktas.

Hittills har modellering visat att det finns fundamentala skillnader, sett till friktion och slitage, mellan stål/stål- och hybridkontakter. Ännu viktigare är att resultaten visat att hybridkontakter ger lägre friktion än stål/stål-kontakter.

Referenser
[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).

Fig. 1: Längdskalor för de olika simuleringsmetoder som används inom SKF, nämligen täthetsfunktionalteori (DFT), molekylärdynamik (MD), dissipativ partikeldynamik (DPD) och finita elementmetoden (FEM). Fig. 2. Struktur av vanadinkarbid (VC), inklusive tvådimensionella snitt av laddningsdensiteten. Bild producerad med programvaran XCrySDen.Fig. 3: Väteatomer vid gränsen mellan järn och en fällning bestående av vanadin och kol. Bild producerad med programvaran XCrySDen. Fig. 4. Detalj av fronten av en spricka som utbreder sig i järn. Färgerna på atomerna representerar belastningen av dem. Bild producerad med programvaran AtomEye. Fig. 5. Provmodell som används för simulering av en polymer med den dissipativa partikeldynamikmetoden (DPD). Mörkblå partiklar representerar fyllmedel medan de lila partiklarna representerar polymerkedjorna. Bild producerad med programvaran Ovito.

Relaterat innehåll