表面摩擦行为的多尺度力学特性研究

According to statistics, 1/3 - 1/2 of the world's energy is consumed in friction and wear and proper use of tribological principles can save 1% -1.4% of GDP. However, due to its complexity, the friction mechanism of the contacting rough solids is still not clear, thus it is a scientific problem to be solved. Therefore, using molecular dynamics - the Green's function model at nanoscale, this project aims to obtain a basic theoretical framework to predict the macroscopic friction and study the effect of atomic force and surface roughness on the friction. The theory can be used for friction surface design and control. The main contents and innovations of this project are: (1) establish a robust molecular dynamics - the Green's function model to study the friction and carry out parameter analysis based on its fast computational ability;(2) perform multiscale analys in three scales(i.e., atomic scale, asperity scale and macroscopic scale)for the same system and bridge the gaps between them; (3) study how the atomic forces develop to surface friction and how the surface roughness effects on the macroscopic friction, and finally provide a theoretical framework to predict macroscopic friction.

据统计，世界上能源的1/3-1/2消耗于摩擦与磨损；合理运用摩擦学原理可以节约1%-1.4%的国民生产总值。然而固体表面摩擦机理复杂，至今仍不明确，是一个亟待解决的科学问题。基于此，本项目采用分子动力学-格林函数混合法从纳微观尺度研究宏观界面的摩擦问题，旨在获得预测宏观表面摩擦力的基本框架理论，获知原子力场、界面形貌对摩擦力的影响，从而为摩擦界面的设计、摩擦力的控制提供有力的理论依据。本项目的主要研究内容和创新点为：（1） 建立完善的分子动力学-格林函数混合法数值模型，对摩擦进行全程分析，利用其快速的计算，进行多参数分析；（2）在同一系统上同时研究三个尺度的摩擦行为,即原子尺度、微凸体尺度及宏观尺度，并分析其间的相互关系，建立微观与宏观之间的桥梁；（3） 从根源上研究原子力场如何发展成界面摩擦力，分析表面形貌参数对界面摩擦力的影响,提供预测宏观摩擦力的框架性理论模型。

据统计，世界上能源的1/3-1/2消耗于摩擦与磨损；合理运用摩擦学原理可以节约1%-1.4%的国民生产总值。然而固体表面摩擦机理复杂，至今仍不明确，是一个亟待解决的科学问题。基于此，本项目采用分子动力学-格林函数混合法从纳微观尺度研究宏观界面的摩擦问题，旨在获得预测宏观表面摩擦力的基本框架理论，获知原子力场、界面形貌对摩擦力的影响，从而为摩擦界面的设计、摩擦力的控制提供有力的理论依据。.本项目的主要研究内容和成果为：（1）建立了完善的分子动力学-格林函数混合法数值模型，对摩擦进行全过程分析。（2）进一步发展和验证了界面生成理论和算法，建立了随机理论与统计参数间的数学表达式。（3）在同一系统上同时研究了三个尺度的摩擦行为,建立了微观与宏观之间的桥梁。（4）从根源上研究原子力如何发展成界面摩擦力，分析表面形貌参数对界面摩擦力的影响,提供预测宏观摩擦力的框架性理论模型。研究成果表明，摩擦滑移过程中，微凸体并非同时达到最大摩擦力，它们分批失效。宏观理论（如有限单元法）预测的摩擦力，实际是分子理论结果的上限，而摩擦力的下限，取决于微凸体的大小和空间分布，这可能是未来界面设计的关键因素。（5）在宏观尺度下，改进了有限单元法框架下的接触算法，对接触模型进行简化后，大幅提高了计算效率；提出的接触理论，对大型转体装置进行了分析及优化，给出了转体装置接触应力分布的准确计算公式，并提出了接触面优化设计理论，理论在工程实践中得到了验证。