Modelling

轴承研究:进入原子尺度

本文通过SKF建模方法,对轴承的四个主要研究领域进行了探讨:轴承钢、疲劳机制、聚合物设计和摩擦学。

作者:Sebastián Echeverri Restrepo,荷兰新维根 SKF工程研究中心研究员

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概要

在过去几年中,SKF不断加强对DFT、MD和DPD等原子尺度模拟方法的运用,以了解材料在产品中的性能。这已经并将继续使SKF能够通过确保每个原子位于它应在的位置来进行创新,并应对与日俱增的技术挑战。

想象一下,如果一个人可以变得非常小,小到能够进入固体材料内部,看到其原子的结构 —— 它们在外力作用下,如何相互作用、运动并作出反应,以及外面的温度如何影响它们的特性并改变它们的结构。如果这成为可能,人们就可以更好地选择、加工和设计用于制造产品和机器的材料。

在荷兰SKF工程研究中心(ERC),为了更好地了解SKF产品所用材料的性能特征,研究人员通过虚拟的方式进入其中。这不仅使SKF能够应对客户的需求,更重要的是,还有助于SKF开发出新的材料,来提高产品质量、耐久性和其他特殊性能。

在多数情况下,要充分了解外部约束条件如何影响制造产品的材料,并找到预防和应对措施,使用试验方法就够了。

然而,即便使用最新的试验技术,也并不总是能够充分了解某个现象对材料造成的影响。此外,在一些情况下,如使用新材料或处于设计阶段的新产品,单纯使用实验室测试工具并不总是能够节约时间或成本。这正是必须使用计算方法的原因所在。

在机械零件方面,如滚动轴承,大多数设计问题可采用大型仿真技术加以解决,如广泛使用的有限元法(FEM)。但是,一些特殊的问题无法用该模型工具解决,而需要用其他的介观和微观模拟方法来解决。

为彻底了解SKF产品,并能够解决在特定时间和长度尺度上可能出现的问题,SKF科学家不断拓宽自己在多尺度模拟方法的使用和改进方面的专业知识。这意味着可以用各种不同的工具(相当于用不同放大倍率的放大镜)来了解在应用条件下决定材料性能的特定现象。正因如此,SKF使用了量子力学到连续体各种模型(图 1).

越深入研究材料,模拟需要的计算能力就越高,时间也就越长。因此,SKF采用了有1,536个处理器的高性能计算机集群。

目前,使用介观和微观方法的研究领域主要有四个。

钢材设计
第一个研究领域是“MultiHy”项目[1]的一部分,MultiHy是氢脆多尺度建模的缩写。该项目由欧洲多个工业和学术合作伙伴组成的联盟领导,并得到了欧盟的资助。该项目的初始动机是,大量试验证据[2]表明,氢能够降低轴承和结构钢的疲劳寿命。

氢的这种影响在技术领域的术语称为氢脆。SKF之所以开展MultiHy项目,主要是因为它能用于预测氢气如何在轴承钢中扩散并穿透过去。更重要的,通过MultiHy项目,SKF能够发现有效氢的捕捉和固化,并将其用于抵消氢脆对轴承使用寿命的影响。

这种对氢运动及其对疲劳寿命影响的模拟,是对其他正在进行的关于各种氢气来源的研究的有益补充,如潮湿环境和可能发生的润滑剂降解。

从原子论的观点来说,模拟是采用被称作密度泛函理论(DFT)的计算量子力学建模方法进行的,它被普遍用于研究多体系统的电子结构 (图 2)。更具体地说,模拟是在新的试验性含钒轴承钢中进行的,以评估氢的机械特性及影响 (图 3),在这种轴承钢中,氢会被抑制,从而避免脆化[3]。开展MultiHy项目有助于最终开发出这种新型钢材,并最终将其应用于需要耐氢性的应用。

疲劳机制
第二个研究领域旨在从原子方面对轴承钢的微观结构及其处于滚动接触疲劳状态时对材料性能的影响进行研究。

该项目使用的是分子动力学(MD)方法,研究在轴承钢中出现裂纹并扩展时原子的移动和相互作用方式 (图 4). 。通过了解这种现象,SKF可以找到提高产品寿命和整体性能的方法。

聚合物设计
第三个应用领域是关于用填充橡胶材料生产密封件的研究,其总体目标是识别并量化在不同水平上发生的、影响填充橡胶的准静态和动态应力-应变性能的物理现象。目前,SKF正与中国清华大学和西班牙巴塞罗那大学的科学家合作开展该项目。

这个研究领域使用的是耗散粒子动力学(DPD)这一介观模拟工具,能在无法使用分子动力学这一尺度时分析液体和聚合物的动态特性 (图 5)。通过采用DPD,SKF能够全面考虑诸如填充物颗粒和聚合物链的相互作用等各种因素的影响,以及聚合物网络中密封材料的静态和动态机械性能的拓扑结构变化。

摩擦学
最后一个应用领域要处理的是两个表面之间的润滑接触[4],例如动静压轴承中滚动体和滚道间的接触。它所使用的方法也是分子动力学。其目的是解释钢/钢和钢/陶瓷表面间的摩擦和磨损的本质差异,从而提高动静压轴承的性能。此外,还可考虑润滑剂和表面间的化学反应。

迄今为止,该模型已经揭示了钢/钢接触和复合接触在摩擦和磨损方面具有本质差异。更重要的是,结果显示,复合接触比钢/钢接触的摩擦要小。

参考文献
[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, PhD thesis, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Karlsruher Institut für Technologie (2013).

图1:SKF使用的不同模拟方法的长度尺度,即密度泛函理论(DFT)、分子动力学(MD)、耗散粒子动力学(DPD)和有限元法(FEM)。图4:铁中裂纹扩展前端局部图。原子的颜色代表原子张力。 图像由AtomEye软件生成。 图3:铁与钒和碳析出物之间边界出现的氢原子。图像由 XCrySDen软件生成。图2:碳化钒(VC)结构,包括电荷密度的两维切层。图像由 XCrySDen软件生成。 图5:用耗散粒子动力学(DPD)方法对一种聚合物进行模拟的样本模型。深蓝色颗粒代表填充物,紫色颗粒 代表聚合物链。图像由Ovito软件生成。

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