JPH0835831A - 摩擦摩耗解析装置 - Google Patents

摩擦摩耗解析装置

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JPH0835831A
JPH0835831A JP17067294A JP17067294A JPH0835831A JP H0835831 A JPH0835831 A JP H0835831A JP 17067294 A JP17067294 A JP 17067294A JP 17067294 A JP17067294 A JP 17067294A JP H0835831 A JPH0835831 A JP H0835831A
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JP
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friction
atom
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JP17067294A
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Naoya Sasaki
直哉 佐々木
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】微小な接触面で発生している摩擦摩耗の解析を
行うものにおいて、二つの物体の接触条件に応じた材料
設計を最適かつ短時間に行うことが可能な摩擦摩耗解析
装置を提供する。 【構成】二つの物体の原子種類,原子数などの物性値や
計算条件に関するデータを読み込むためのデータ入力装
置1と、各物体の結晶データを記憶する結晶データ記憶
装置3と分子動力学法で用いる原子間ポテンシャルを所
定の条件に合うように自動的に作成するポテンシャル記
憶装置6と、データに基づき、計算モデルを作成するモ
デル作成装置2と、作成された計算格子をもとに二物体
間で発生する原子レベルの摩擦摩耗での原子の位置,速
度等を分子動力学法を用いて計算する解析装置4と、解
析された計算結果の出力装置12とを備えた摩擦摩耗解
析装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、二つの物体を接触させ
た状態で発生する摩擦摩耗の現象を解析することができ
る装置に係り、特に、磁気ディスク装置,磁気テープ、
及びフロッピディスク装置のように、磁気記録媒体と磁
気ヘッドの間で発生する摩擦,摩耗現象を解析する装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、金属表面上の薄膜の摩擦,摩耗状
態を分子動力学を用いて解析したものとして、1992
年に発行された「モデリング.アンド.シミュレーショ
ン.オブ.マテリアル.サイエンス.イン.エンジニア
リング」(“Modelling and Simulation of Material
Science in Engineering”vol .1(1992)pp83)に記載さ
れている。この論文に記載されたものは、下地とこの下
地表面の薄膜と、この薄膜に接触するピンとを原子から
なる摩擦モデルとしてピンに作用させる荷重を二つのパ
ラメータで定められた所定の方程式を用いて一定にする
方法を採用している。また、ピンと薄膜との間に生じる
相互作用を表す原子間ポテンシャルとしては指数型のポ
テンシャルであるモース (Morse)ポテンシャル型を用
いて表してる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、荷重
を一定にするために二つのパラメータを決める必要があ
り、大量の原子数の計算をするにはその計算時間が多大
となる。また、ピンと薄膜との間のポテンシャルがモー
ス(Morse )型の場合、関数型が固定されてしまい、任
意の形状のポテンシャルをつくる場合の対応について配
慮がなされておらず、原子間の距離がいくつかの区間に
おいてそれぞれ違った関数のポテンシャルの時、関数型
を設定するのに手間が掛るなどの問題があった。
【0004】本発明の目的は、このような問題点を解決
し、ピンに作用する荷重を一定にコントロールして異種
の原子材料同士の接触時における界面のポテンシャルを
作成することができる薄膜摩擦,摩耗を原子レベルで解
析することができる摩擦,摩耗解析装置を提供すること
にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は二つの物体の微小な接触面で発生している
摩擦,摩耗を解析するものにおいて、前記各物体の原子
種類,原子数などの物性値や計算条件に関するデータを
読み込むためのデータ入力装置と、前記各物体の結晶デ
ータを記憶する結晶データ記憶装置と分子動力学法で用
いる原子間ポテンシャルを所定の条件に合うように自動
的に作成するポテンシャル記憶装置と、データに基づ
き、計算モデルを作成するモデル作成装置と、前記作成
された計算格子をもとに二つの物体間で発生する原子レ
ベルの摩擦,摩耗においての原子の位置,速度等を分子
動力学法を用いて計算する解析装置と、解析された計算
結果を出力する出力装置とを備えたことを特徴とする摩
擦摩耗解析装置を設ける。
【0006】
【作用】ピンと薄膜と下地の原子の種類,質量,数と、
分子動力学計算条件,境界条件等がデータ入力装置より
入力され、計算モデル作成装置や結晶データ記憶装置,
ポテンシャル記憶装置,解法データ記憶装置に渡され
る。計算モデル作成装置においては、入力データを基に
結晶データ記憶装置からデータをもらい計算モデルを作
成する。分子動力学解析装置では、計算モデル作成装置
からデータをもらい、入力データより自動的に作られた
ポテンシャルのデータが蓄積されているポテンシャル記
憶装置や解法データ記憶装置からのデータを基に、二分
法をもとにした荷重コントロール条件で各原子の挙動を
計算する。計算結果はデータ記憶装置アされると共に、
温度や摩擦力,摩擦係数等の特性値計算装置にデータが
渡され特性値が計算される。また、原子の状態図や特性
値の時間,空間変化等が出力装置の画面に表示される。
【0007】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。
【0008】図1は、本発明における解析装置の一実施
例を示すものである。図1において、1は解析する対象
となる原子の種類,原子数,格子定数,原子質量、など
の値および、計算に用いる条件となる計算ステップ間
隔,境界条件,初期温度などの値を入力するためのデー
タ入力装置を示す。2はデータ入力装置1に入力された
データをもとに計算原子モデルを作成するモデル作成装
置である。3はデータ入力装置1に入力されたデータを
もとにその原子の種類などと参照される各材料の単位結
晶構造が記憶されている結晶データ記憶装置である。こ
こでは、すでに登録されている単位結晶構造の原子位置
情報が計算原子モデル作成装置2へ送られる。また、新
しい構造はモデル作成装置2から逆に原子位置情報が結
晶データ記憶装置3へ送られ新たに登録される。4は分
子動力学解析装置で、この解析装置は予め原子間ポテン
シャルの記述式が記憶されているポテンシャルデータ記
憶装置6や原子の運動方程式を積分するための分子動力
学解析方法が記憶されている解法データ記憶装置7から
の情報をデータ接続装置5を介して取り込み、モデル作
成装置2で作成された計算モデルで原子挙動を計算す
る。分子動力学解析装置4で計算されるものは各原子位
置,速度の時間ステップΔtごとのデータとなる。上記
のデータはデータ記憶装置8に送られ記憶され、さら
に、各種特性値計算装置9において、原子位置,速度の
時間変化データより、計算している系の温度や原子間に
作用する力,系のポテンシャルエネルギ,着目している
部分の摩擦力,摩擦係数などの各時間ステップの計算値
を求めている。データ記憶装置8と各種特性値計算装置
9のデータは計算結果データ記憶装置11に記憶され、
出力装置12でプリンタなどに出力される。また、原子
の2,3次元図や各種の特性値の時間変化を画面に出力
するカラーディスプレーなどの出力端末10にもデータ
が送られる。
【0009】図2は本発明を構成するポテンシャルデー
タ記憶装置6の詳細な構成を示すものである。この図に
おいて、材料の構造を決めるためのポテンシャル形状は
データ入力装置1から入力されたデータにより判断され
(手順14)予め一般的に知られるものはすでに原子間
距離rの多項式やその他の形式で、その係数,区間など
が記憶されているデータからポテンシャル形状を作成す
る(手順15)。しかし、新しいポテンシャル形状を設
定する場合は、データ入力装置1から入力された材料の
弾性率や凝集エネルギの値をもとにポテンシャルの関数
型f(r,a1,a2 ,…)における係数a1,a2,…
が決定される(手順16,17,18)。決められたポ
テンシャル形状は新たに記憶される(手順19)。
【0010】図3は本発明を構成する結晶データ記憶装
置3の概要を示すものである。ここにはすでに知られて
いるCuのデータ20,Alのデータ20,Feのデー
タ21,グラファイトのデータ22等の結晶構造に対す
る各原子の位置情報が記憶されている。計算モデル作成
装置2からの要請により単位セルの情報が原子の座標位
置として計算モデル作成装置2に伝えられる。
【0011】図4は本発明を構成する解法データ記憶装
置7の処理概要を示すものである。原子の運動は基本的
にニュートンの運動方程式を解いて得られる(手順2
3)。(N+1)ステップの原子位置X(n+1),速
度V(n+1)はNステップの原子位置X(n),速度
V(n)を用いて原子の運動方程式を離散的に解いて求
められる(手順24)。この方程式を時間的に離散的に
解く方法はいろいろ有り、そのプログラムをサブルーチ
ン25として登録しておく。この中の一つを適宜選択し
て解く。
【0012】次に上述した本発明の装置の一実施例の動
作を説明する。
【0013】まず計算モデル作成装置2はデータ入力装
置1からのデータと結晶データ記憶装置3からのデータ
によって図5に示すような原子モデルを作成する。次に
分子動力学解析装置4で行われている原子の動きを計算
するアルゴリズムを図6を用いて説明すると、まず、計
算モデル作成装置2で作られた原子モデル(図5)にお
いて、各原子の初期位置を単結晶の理想格子位置に設定
し、初期速度ベクトルは系の初期温度Tを達成するため
のマックスウェル分布から得られる平衡状態の値を与え
る(手順26)。図5において、ピン34の最上部の原
子層を初期位置h(n)から薄膜原子36との接触面方
向へΔhだけ下げる(手順27)。最上部の原子全体に
作用する力の接触面と直角方向成分を荷重w(n)とみ
なし,この値が所定の荷重w*に対して小さい場合はさ
らにΔhだけ下げる。逆に、大きい場合は0と1の間の
値をとる係数βをΔhにかけた値βΔhだけ下げること
にする。ここでnは計算ステップ数を示す。(2)と
(3)の操作は各計算ステップで行う(手順28)。計
算ステップNが所定の値N0 を超えるか否かを判断する
(手順29)。計算ステップNが所定の値N0 を超える
までは系温度を初期温度T0 に保つように原子の速度を
速度スケーリングにより制御する(手順30)。速度ス
ケーリングとは、nステップ目の速度をv(n)とし
て、その時の温度をT1 とするとT1 をT0 にするため
に速度を次の式で修正する方法である。
【0014】
【数1】 v=v(n)×(T0/T1) …(数1) NがN0 を超えた場合、速度スケーリングを止める。速
度スケーリングを止めた後、ある一定期間系をそのまま
にする。そして、系の温度が変わらないことを確認す
る。ここで平衡状態が達成されたことになる。次に、ピ
ン34のすべり方向への変位を単位時間ステップ当たり
Δxとして薄膜原子36の上をすべらせる(手順3
1)。この場合、すべり速度はVp=Δx/Δtとな
る。最後に、分子動力学法により全ての原子の位置,速
度を数値解析により計算する(手順32)。最上部の原
子全体に作用する力の接触面とすべる方向成分を求め
て、摩擦力を求める。摩擦力に移動距離をかけた仕事量
に相当するエネルギEに対し、原子モデル(図5)の最
下面の原子や側面の原子の速度を数1の考え方で制御す
る(手順33)。
【0015】以上、上記の手順で操作を行うことによ
り、ピン34が薄膜36の上をこする場合の摩擦,摩耗
現象が計算可能となる。計算結果の短手方向断面例を図
7,図8に示す。図7はピンに作用する荷重が小さい場
合、図8はピンに作用する荷重が大きい場合を示す。す
べり速度はおよそ100m/sである。荷重の大きい場
合、ピンと薄膜との間で原子レベルの摩耗が発生してい
る現象を再現している。このように、本発明の解析装置
を用いることにより原子レベルの微小な接触面で発生し
ている摩擦,摩耗を解析することが可能となる。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、原子レベルの微小な接
触面で発生している摩擦摩耗を解析することができるの
で、二つの物体の接触条件に応じた材料設計を最適かつ
短時間に行うことが可能となり、その作業性を向上させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の解析装置の一実施例のブロック図。
【図2】本発明におけるポテンシャルデータ記憶装置の
働きを示す説明図。
【図3】本発明における結晶データ記憶装置の説明図。
【図4】本発明における解法データ記憶装置の処理のフ
ローチャート。
【図5】本発明において作成される計算モデルの一例を
示す説明図。
【図6】本発明における分子動力学解析装置で行われる
原子の動きを計算するフローチャート。
【図7】本発明における分子動力学解析装置で計算され
た結果の例を示す説明図。
【図8】本発明における分子動力学解析装置で計算され
た結果の例を示す説明図。
【符号の説明】
1…データ入力装置、2…計算モデル作成装置、3…結
晶データ記憶装置、4…分子動力学解析装置、5…デー
タ接続装置、6・・ポテンシャルデータ記憶装置、7…解
法データ記憶装置、8…データ記憶装置、9…各種特性
値計算装置、10…2,3次元原子図・特性値グラフ出
力装置、11…計算結果データ記憶装置、12…出力装
置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // G01N 37/00 A

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】二つの物体の微小な接触面で発生している
    摩擦,摩耗を解析するものにおいて、前記各物体の原子
    種類,原子数などの物性値や計算条件に関するデータを
    読み込むためのデータ入力装置と、前記各物体の結晶デ
    ータを記憶する結晶データ記憶装置と分子動力学法で用
    いる原子間ポテンシャルを所定の条件に合うように自動
    的に作成するポテンシャル記憶装置と、データに基づ
    き、計算モデルを作成するモデル作成装置と、前記作成
    された計算格子をもとに二つの物体間で発生する原子レ
    ベルの摩擦,摩耗においての原子の位置,速度等を分子
    動力学法を用いて計算する解析装置と、解析された計算
    結果を出力する出力装置とを備えたことを特徴とする摩
    擦摩耗解析装置。
JP17067294A 1994-07-22 1994-07-22 摩擦摩耗解析装置 Pending JPH0835831A (ja)

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