想象一下，如果一個人變得非常渺小，以至于他可以潛入固體材料中，看到原子的結(jié)構(gòu)，當(dāng)施加外力時，它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?、移動和響?yīng)，以及外部溫度如何影響它們的性質(zhì)，改變它們的結(jié)構(gòu)，那人們就可以更好地選擇、加工和設(shè)計用于制造軸承的材料。

 

在中國的TIMKEN工程與研究中心（CTC），進行研究的目的是虛擬地深入TIMKEN產(chǎn)品的構(gòu)成材料，以更好地了解其行為，這使TIMKEN能夠響應(yīng)客戶的要求，開發(fā)新材料，以提高其軸承的質(zhì)量、耐用性和其他特定性能。

 

在大多數(shù)情況下，使用實驗方法足以充分了解外部約束對產(chǎn)品制造材料的影響，并找到預(yù)防性和對抗性解決方案，然而，即使使用了最先進的實驗技術(shù)，也不可能充分了解某些現(xiàn)象對材料的影響，在某些情況下，如對于處于設(shè)計階段的新材料或產(chǎn)品，僅限于使用實驗室測試工具并不總是具有時間效率或成本效益，這就是為什么計算方法是必不可少的。

 

當(dāng)涉及到機械零件，例如滾動軸承時，大多數(shù)設(shè)計問題都可以使用“大規(guī)模”模擬技術(shù)來解決，如廣泛使用的有限元法（FEM），然而，一些特殊問題超出了該建模工具的能力，需要使用替代的介觀和微觀模擬方法進行處理。

 

為了深入了解TIMKEN的產(chǎn)品，并能夠解決在特定時間和長度尺度上可能存在的問題，TIMKEN的科學(xué)家不斷開發(fā)其在多尺度模擬方法的使用和發(fā)展方面的專業(yè)知識，有不同的工具（想象一下放大鏡，都有不同的放大能力）可以用來理解決定材料在應(yīng)用條件下行為的特定現(xiàn)象，如下圖所示。

 

在材料中潛得越深，進行模擬所需的計算能力和時間就越多，因此，TIMKEN正在使用一個具有1536個處理器的高性能計算機集群。

 

一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

 

第一條研究線是“MultiHy”項目的一部分，該項目是氫脆多尺度建模的簡稱，該項目由歐洲各行業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴組成的財團領(lǐng)導(dǎo)，并由歐盟資助，該項目的最初動機是有充足的實驗證據(jù)支持氫降低軸承和結(jié)構(gòu)鋼疲勞壽命的觀點，氫的這種效應(yīng)在技術(shù)術(shù)語中被稱為氫脆，TIMKEN對MultiHy的主要興趣是能夠預(yù)測氫如何擴散到軸承鋼中并通過軸承鋼，更重要的是，發(fā)現(xiàn)如何捕獲和固定可用的氫，以抵消氫脆對軸承使用壽命的影響。

 

這種氫遷移率及其對疲勞壽命的影響的模擬補充了其他正在進行的研究，這些研究涉及各種氫源，例如潮濕環(huán)境和潤滑劑的可能降解。

 

從原子論的角度來看，正在使用稱為密度泛函理論（DFT）的計算量子力學(xué)建模方法進行模擬，該方法通常用于研究許多身體系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)，如上圖所示。更具體地說，正在進行模擬，以評估新的實驗性含釩軸承鋼中的機械性能和氫的影響，其中可以捕獲氫以避免脆化。MultiHy項目的結(jié)果將有助于這種新型鋼的最終開發(fā)，從而最終可以將其用于需要耐氫性的應(yīng)用中。

 

二、疲勞機制

 

第二條研究線旨在對軸承鋼的微觀結(jié)構(gòu)及其對材料在滾動接觸疲勞下的行為的影響進行原子描述。在本項目中，分子動力學(xué)（MD）方法用于研究裂紋在軸承鋼中萌生和傳播時原子如何移動和相互作用，如下圖所示，對這一現(xiàn)象的理解將使TIMKEN能夠找到提高TIMKEN產(chǎn)品壽命和整體性能的方法。

 

三、聚合物設(shè)計

 

第三個應(yīng)用涉及用于制造密封件的填充橡膠材料的研究，總體目標是識別和量化在不同尺度上發(fā)生的物理現(xiàn)象，這些物理現(xiàn)象影響填充橡膠的準靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變行為。該項目由TIMKEN與清華大學(xué)和西班牙巴塞羅那大學(xué)的科學(xué)家合作開展。

 

這里使用耗散粒子動力學(xué)（DPD）這種中尺度模擬工具，能夠分析流體和聚合物（如下圖所示）的動態(tài)特性，其尺度超出了可以使用MD處理的尺度，通過采用DPD，可以充分考慮各種因素的影響，例如填料顆粒和聚合物鏈之間的相互作用以及密封材料靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)行為中聚合物網(wǎng)絡(luò)的拓撲變化。

 

四、摩擦學(xué)

 

最終應(yīng)用解決了兩個表面之間的潤滑接觸，例如混合軸承中滾動元件和滾道之間的潤滑，這項工作使用的方法也是MD，其目的是解釋鋼/鋼和鋼/陶瓷表面之間摩擦和磨損的根本差異，以提高混合軸承的性能，此外，還可以考慮潤滑劑和表面之間的化學(xué)反應(yīng)。

 

到目前為止，建模已經(jīng)表明，鋼/鋼和混合接觸之間存在與摩擦和磨損相關(guān)的根本差異，更重要的是，混合接觸比鋼/鋼接觸具有更低的摩擦。