Microsoft Word Шилов монография окончательный

3.2. Моделирование триботехнических и реологических 
характеристик мезоморфных веществ
2
 
Раскрытие физико-химического механизма смазочного действия 
разнообразных 
трибоактивных 
компонентов 
— 
чрезвычайно 
непростая задача. Главная сложность ее состоит в принципиальной 
невозможности исследования смазочного слоя «in situ», что 
заставляет исследователей строить достаточно произвольные модели 
надмолекулярной 
организации 
граничного 
слоя 
смазочного 
материала, обоснованность которых сомнительна. Новые и весьма 
многообещающие возможности в этом направлении предоставляет 
быстрое 
развитие 
методов 
компьютерного 
молекулярного 
моделирования (молекулярно-динамическое моделирование), которое 
позволяет описывать не только отдельные молекулы, но и развитые 
молекулярные ансамбли, такие, например, как участки поверхностей, 
димеры, мицеллы и другие агрегаты. Учитывая, что эти 
пространственные модели строятся по принципу энергетической 
оптимизации, имеем основания полагать, что результаты такого 
моделирования в большей мере соответствуют действительности, чем 
имевшие место ранее волюнтаристские модели. 
В трибологии существуют две смежные задачи, для решения 
которых можно было бы применить описанные выше методы: это 
строение смазочного слоя в гидродинамическом режиме трения и 
структура пленок при граничной смазке. В первом случае это 
процесс, протекающий в объеме, во втором — на границе смазочного 
2
Годлевский В.А., Фомичёв Д.С., Шилов М.А. и др. Применение метода 
компьютерного молекулярного моделирования для описания строения 
смазочного слоя // Трение и износ. – Гомель: Беларусь, 2009. - С. 16 – 21. 

---

116 
материала и твердой фазы. Рассмотрим оба названных случая в 
контексте применения метода молекулярного моделирования. 
Модельным объектом в данном случае является достаточно 
толстый (имеющий толщину в десятки характерных молекулярных 
размеров) гидродинамический слой, полностью разделяющий 
твердые поверхности пары трения. Для такого объекта с помощью 
моделирования можно было бы найти ответы на следующие вопросы: 
- какова надмолекулярная организация слоя с учетом природы его 
компонентов (базовой жидкостной основы и функциональных 
присадок);
- каковы кинетические параметры процесса надмолекулярной 
самоорганизации;
- каковы реологические особенности течения слоя. 
Расчеты по анализу гидродинамического смазочного слоя 
проводились авторами настоящей работы с помощью пакета 
программ для молекулярно-динамического моделирования Hyper 
Chemistry, который представляет собой наиболее развитый, быстрый 
и теоретически обоснованный на настоящий момент пакет программ. 
Для молекулярной оптимизации веществ был применен алгоритм MM+.
Схема молекулярно - динамического расчета молекулярной 
системы состояла из следующих шагов:
- минимизация молекул — 100 - 500 шагов;
- разогрев системы до 300

К;
- выход системы на равновесное состояние;
- расчет молекулярно - динамической траектории, при прохождении 
которой система релаксирует.

---

117 
Запись координат проводится после каждого шага; по 
полученным траекториям можно анализировать поведение системы 
во времени. При выходе системы на равновесное состояние в конце 
траектории получают геометрические и энергетические параметры 
системы. 
Для моделирования течения наперёд заданного объема 
исследуемого вещества был применен метод, основанный на 
решении классических уравнений динамики (уравнений Ньютона) 
[5]. На первом этапе моделирования задается некоторое начальное 
распределение 
частиц 
в 
пространстве 
(исходная 
структура 
материала) 
и 
начальное 
распределение 
скоростей 
частиц 
(механическое и тепловое движение системы в исходном состоянии). 
Происходит 
генерация 
начальных 
условий 
на 
макро- 
и 
микроуровнях.
Далее 
на 
макроскопическом 
уровне 
задается 
размер 
пространственной 
ячейки, 
в 
которой 
будут 
производиться 
вычисления (L
x
, L
y
, L
z
), форма объектов моделирования и их 
макроскопические скорости. Под макроскопической скоростью 
понимается либо скорость движения исследуемого объема, либо 
средняя 
скорость 
течения 
выделенного 
слоя 
объема. 
На 
микроскопическом уровне задаются вид упаковки частиц (структура 
материала) и скорости хаотического движения (тепловое движение). 
Скорость 
каждой 
частицы 
в 
начальный 
момент 
времени 
складывается 
из 
макроскопической 
скорости 
и 
случайной 
компоненты, получаемой при помощи генератора случайных чисел. 
Необходимо отметить, что траектории движения частиц должны 

---

118 
генерироваться в заданном ансамбле в соответствии с теми 
термодинамическими условиями, в которых изучается система.
Реальные системы содержат 
25
23
10
10


N
частиц. В то же время 
количество частиц, которое можно изучать в методе молекулярной 
динамики, обычно составляет 
5
3
10
10

. Если система ограничена 
жесткими стенками, то возникающие при этом граничные эффекты 
могут 
вносить 
значительный 
вклад 
в 
формирование 
макроскопических потоков, что усложняет процесс моделирования. 
Такое влияние граничных зон в случае задачи гидродинамического 
слоя желательно было устранить, что стало возможным при 
использовании периодических граничных условий. Для нашего 
случая было принято решение, чтобы размеры ячейки, по крайней 
мере, в два раза превышали размер исследуемой системы во 
избежание взаимодействия