小分子气体在液压油中扩散行为的分子动力学研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 01 4 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 1 2 ． 0 1 1 小分子气体在液压油中扩散行为的分子动力学研究 安 骥， 金 敏 ， 王 位， 孔勇 上海海事大学商船学院， 上海 2 0 1 3 0 6 摘 要 为了从微观层次上揭示气体小分子在液压系统中的扩散机理， 对小分子在液压油中的扩散溶解行为进行了分子动力学模拟。 采用分子动力学模拟软件， 模拟了不同温度下气体小分子在液压油中的扩散。结果表明， 温度越高， 扩散系数越大， 且与文献报道的 实验数据吻合较好， 说明分子动力学模拟是研究小分子在液压油中扩散行为的有效方法。 关键词 分子动力学 ； 扩散系数； 液压油 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 1 2 0 0 2 9 0 3 S t u d y o n t h e Ga s Di ff u s i o n i n Hy d r a u l i c Oi l b y M o l e c u l a r Dy n a mi c s S i mu l a t i o n ANJ i ， J I N Mi n， W ANG We i ， KONG y 0 Me r c h a n t Ma r i n e Co l l a g e ， S h a n g h a i Ma r i t i me U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 1 3 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e v e a l t h e d i f f u s i o n me c h a n i s m o f g a s mo l e c u l e s i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m o n t h e mi c r o l e v e l ， d i f f u s i o n d i s s o l u t i o n b e h a v i o r s o f s ma l l - mo l e c u l e i n h y d r a u l i c o i l we r e s i mu l a t e d b a s e d o n t h e mo l e c u l a r d y n a mi c s ． By u s i n g the mo l e c u l ar d y n a mi c s s i mu l a t i o n s o ft wa r e ， t h e d i f f u s i o n o f s ma l l g a s mo l e c ule s wa s s i mu l a t e d i n the h y dra u l i c o i l a t d i ff e r e n t t e mp e r a t u r e s ． T h e r e s u l t s s h o we d t h a t the d i ff u - s i o n c o e ffi c i e n t i n c r e a s e s wi th t h e ris i n g t e mp e r a t u r e ， a n d the e x p e ri m e n t a l d a t a a g r e e s we l l wi th the l i t e r a t u r e ． I t i s c o n c l u d e d tha t the mo - l e c u l a r d y n am i c s s i mu l a t i o n i s an e ffe c t i v e me t h o d t o p r e d i c t the g a s d i f f u s i o n c o e ffic i e n t o f s ma l l mo l e c u l e s i n h y d r a uli c o i l ． Ke y wo r d s mo l e c u l ar d y n a mi c ； d i ff u s i o n c o e ffic i e n t ； h y dra u l i c o i l O 引言 液压油体积弹性模量是影 响系统响应速度 、 频率 和稳定性的主要参数 ， 而液压油体积弹性模量在动态 计算时却很难设定 ， 其主要原因就在于其不溶性气体 含量很难准确测量。因此， 为探究空气溶解的规律， 根 据系统需要控制液压油的体积弹性模量 ， 对气体在液 基金项目 上海市教委重点学科资助项目 J 5 0 6 0 3 和上海海事大学“ 学 术新人” 基金 Y X R 2 0 1 4 0 1 8 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 2 7 作者简介 安骥 1 9 7 4 一 男 ， 山东济宁人， 副教授 ， 博士 ， 研究方向 液压 系统体积弹性模量控制机理。 压油中扩散规律进行微观机理研究是极其必要 的。 近年来， 随着科学技术及计算机的飞速发展， 分子 动力学 MD 模拟已逐步成为被用来对材料性质进行预 测解释的一种重要手段 。 目前已有许多领域学者利用 分子动力学来计算及解释分子扩散行为。徐辉等[2 1利 用分子动力学计算了氧气和甲烷在水中的扩散系数。 廖瑞金等 l计算了不同小分子气体在油纸绝缘系统中 的扩散系数， 并对扩散原理进行了微观解释。钟颖等 计算了小分子气体在聚叔丁基乙炔中的扩散溶解系 数。陶长贵等 研究了氧气在聚丙烯中的扩散系数及 其 与温度 的关系 。刘清芝等 介绍 了模拟过程 中分子 数 目对结果 的影 响。Hs u P J 等川 模拟解释 了多肽在水 数器上设置加载次数 ， 将转换开关拨到需要的加载档 位。将工件放人固定孑 L ， 双手同时按压两个启动开关 ， 开始加载。待加载完全结束后将工件取下 ， 之后可进 行 下一个 工件的加载 。加载工作结 束后 ， 将转换开关 拨到0 档， 操作结束。在出现紧急情况及意外时， 按下 急停开关。 在操作时效台时应遵循如下操作注意事项。在操 作过程中禁止将肢体伸人加载头与工件的空隙内， 由1 人操作机器， 禁止多人操作， 超载完全停止后方可取工 件， 超载过程中禁止触碰转换开关， 禁止其他可能造成 伤害的动作。 参考文献 【 1 】 张世亮． 液压与气压传动[ M 】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 机械设计手册编委会． 气压传动与控制【 M 】 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 3 】 成大先． 机械设计手册[ M ] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 2 ． 【 4 】 董继先， 吴春英． 流体传动与控制【 M】 ． 北京 国防工业出版社， 2 0 1 0 ． [ 5 】 邱宣怀， 等． 机械设计[ M ] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 7 ． [ 6 】6 杨海荣。 气动大压紧力 自锁加载机构设计[ J ] ． 液压气动与密 封， 2 0 1 3 ， 1 1 ． 【 7 】 张友根． 油缸驱动肘杆机构合模部件开模瞬时停顿的研究 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 2 ． 2 9 液 压 气 动 与 密 - ／2 0 1 4 1 2期 中的溶解扩散过程 。Hu a n g H C等嗍 解释了不同温度下 氧离子在晶体中的扩散机理。然而， 利用分子模拟技 术对小分子在液压油中扩散的研究却鲜见相关报道。 本文利用分子动力学方法对空气在液压油中的扩 散行为进行研究 。采用分子动力学软件 ， 搭建气体小 分子的液压油模 型 ， 模拟 了不同温度下气体小分子在 液压油 中的扩散 ， 并计算得 到其在液压油 中的扩散 系 数， 与文献报道的实验值进行对比。研究结果丰富了 气体小分子在液压油中的扩散理论 ， 为液压油的体积 弹性模量的测量提供理论参考 。 1 模型搭建 1 ． 1气体小分子模型的构建 考虑到氮气的相对分子质量与氧气相对分子质量 较为接近 ， 所 以两种气体的适量不均匀性对计算影响 较小 ， 且 氧气 与氮气在 液压 油中的扩散系数相近n 叫 ， 故可认为氧气在液压油中的扩散系数与空气的大致相 同。本文将主要研究氧气在液压油中的扩散规律。 1 ． 2 液压油模型的构建 前文综述可知 ， 对于小分子在液压油 中的扩散研 究主要是 以试验为基础 ， 而对其微 观机理并未有深入 研究 ； 分 子动力学则主要用于聚合 物等材料科学领域 的研究， 将二者结合起来的文献则鲜见报道。因此， 本 研究借鉴丁川等 u 的试验基础上进行仿真验证， 以国产 4 ℃ 磨液压油为研究对象。 目前， 国产4 6 抗磨液压油已被广泛应用于船舶液 压系统中， 该液压油是以石蜡基矿物油为基础油的极 压抗磨液压油。根据质谱分析n 可知， 石蜡基矿物油的 主要成分为链烃和环烷烃， 且其分别在石蜡基矿物油 中所占的具体质量分数如表 1 所示。 表 1石 蜡基液压油的成分组成 链烃质量分数％ 环烷烃质量分数％ 一 环烷 烃二环烷烃三环烷 烃四环烷烃 本文根据表 1 所给出的质量分数， 对氧气的液压油 模型进行构建。其中， 每个油模型均由1 5 个气体小分 子和4 组油分子搭建而成 每组油分子根据质量分数的 比例分别取链烃、 一环烷烃、 二环烷烃、 三环烷烃和四 环烷烃的分子数为 3 、 2 、 2 、 1 、 1 ， 目 标密度设定为0 ． 8 8 g ／ c m ， 构建出氧气的液压油模型如图1 所示。 2 分子动力学模拟方法 2 。 1模拟细节 本文 计算 主要采 用 A c c e l r y s 公 司的 MS Ma t e r i a l s 3 O S t u d io 7 ．O 软件进行模拟， 首先对构建的无定形周期结 构单元进行能量优化 m i n i mi z e r ， 并 对所搭建的模 型 进行模拟退火处理 ， 以使其能量趋于稳定 ， 空间结构得 到充分优化， 从而最大程度地保证所搭建模拟体系与 实际材料的吻合度。 图 1 氧气的液压油模型 整 个模 拟过 程 中 ， 力 场选 用适 合计 算 聚合 物 和 有机化合物 的P C F F P o l y m e r C o n s i s t e n t F o r c e F i e l d 力 场n ， 系综均选用N 粒子数 、 P 体积 、 T 温度 恒定 的N P T 系综。模拟时间为5 0 0 p s ， 每 l p s 输出一帧。温 度选用 A n d e r s o n 方法进行控制 ， 压力则选用 B e r e n d s e n 方法 ， 各分子起始速度选用 Ma x w e l 1 分布方法 ， 求 解牛顿方程时 ， 采用 Ve l o c i t y V e r l e t 跳蛙法 。非键相互 作用的方程求解中， 范德华作用力选用A t o m B a s e d 方 法 ， 静 电相互作用力选用 E w a l d 法 ， 由于本文主要是 研究小分子体 系 ， 因此 ， 计算两种力 时 以原子 团为基 础， 即采用“ G r o u p B a s e d ” 模块。设定边界条件为周期 性边界条件 p e r i o d i c b o u n d a r y c o n d i t i o n 。 2 ． 2 扩散系数 气体在液压油 中的存 在形式分 为两种 ， 一种是溶 解空气 ， 一种是掺混空气 。而气体在不 同工况下的溶 解度是变化的， 气体在这两种存在形式的转换则可认 为是一个分子的扩散过程， 且其扩散速度可用扩散系 数来表示 。 扩散系数可以根据 E i n s t e i n 。 系式求出 D { 蔷 [r -- r io ] 1 式中D扩散系数； Ⅳ _粒子数； [ r 一 r o ] 粒 子 的均方 位 移 M S D m e a n s q u a r e d i s p l a c e m e n t 。 由于M S D已经对扩散原子数N作了平均， 所以 1 式可简化为 D 2 其中m为M S D与时间关系图的曲线斜率。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 4 3 结果分析 对氧气的液压油模型在不同工况下进行分子动力 学模 拟 ， 压 力均 设定 为 2 0 2 k P a ， 当温 度分别 为 2 9 8 K、 3 0 3 K、 3 0 8 K、 3 1 3 K、 3 1 8 K、 3 2 3 K、 3 2 8 K时 ， 模拟得到的氧 气分子的M S D随时间变化结果如图2 所示。 0 l 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 t i p s 图2 不同温度下氧气在液压油中的均方位移 MS D 由图2 可看 出， 在一定时间范围内 ， 气体分子的 MS D曲线与时间大致符合线性关系， 这说明本模拟计算 过程中， 采用的爱因斯坦方程是可行的。通过借用O r i g i n 软件对M S D 曲线的近线性部分进行最小二乘法直线 拟合， 得到拟合直线的斜率 ， 并由式 2 可计算得到扩散 系数D， 计算结果列于表2 中， 由表2 可看出， 模拟得到的 数据数量级和变化趋势与实验值I” 均吻合良好。 表2 氧气分子在液压油中的扩散系数的计算值和实验值 4 结论 通过本分子动力学模拟计算得到的结果可知 ， 氧 气在液压油中的扩散系数随温度的升高而增大。同 时， 模拟计算值与实验值在同一数量级上， 且变化趋势 完全一致。这表明用分子动力学模拟方法来模拟预测 空气在液压油中的扩散行为是行之有效的， 为液压油 体积弹性模量的测量提供理论支持与参考。 参考文献 【 l 】 王毅． 油液弹性模量对轧制力的影响及改进措施[ J 】 ． 流体传 动与控制， 2 0 1 4 ， 2 1 8 - 2 1 ． [ 2 】 许辉， 刘清芝， 胡仰栋， 等． 气体在水中扩散过程的分子模拟 [ J ] ． 计算机与应用化学， 2 0 0 9 ， 2 6 2 1 5 3 1 5 6 ． [ 3 ] 廖瑞金， 贡春艳， 周欣， 等． 基于分子动力学模拟的油纸绝缘 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 8 】 [ 9 】 【 1 0 】 [ 1 1 】 [ 1 2 ] [ 1 3 ] 【 1 4 】 [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] 【 2 0 ] 系统 中气体 小分子 扩散行 为[ J ] ． 高 电压技 术， 2 0 1 2 ， 3 8 0 0 9 2 3 7 3 2 3 8 2 ． 钟颖， 王瑁， 陈志谦小 分子气体在聚叔丁基乙炔中扩散溶解 行为的分子动力学模拟[ J 】 ． 西南大学学报自然科学版， 2 0 1 2 ， 3 4 0 0 3 5 4 6 1 ． 陶长贵， 冯海军， 周健， 等． 氧气在聚丙烯内吸附和扩散的分 子模拟[ J 】 ． 物理化学学报， 2 0 0 9 ， 2 5 0 7 1 3 7 3 1 3 7 8 ． 刘清芝，杨登峰， 胡仰栋． 水和盐分子在反渗透膜内扩散过程 的分子模拟[ J 】 ． 高等学校化学学报， 2 0 0 9 ， 3 0 3 5 6 8 - 5 7 2 ． Hs u P J ， La i S K， Ra p a l l o A． P e p t i d e Dy n a mi c s b y Mo l e c u l a r Dy n a mi c s S i mu l a t i o n a n d Di f f u s i o n T h e o r y Me t h o d w i t h I m- p r o v e d B a s i s S e t s [ J ] ． T h e J o u mal o f C h e mi c a l P h y s i c s ， 2 0 1 4 ， 1 4 0 1 0 1 0 4 9 1 0 ． Hu a n g H C ， S u P C， Kw a k S K， e t a 1 ． Mo l e c u l ar D y n a mi c s S i m u l a t i o n o f Ox y g e n I o n Di ff u s i o n i n Yt t r i a S t a b i l i z e d Z i r c o n i a S i n g l e C r y s t a l s a n d B i c r y s t al s [ J ] ． F u e l C e i l s ， 2 0 1 4 ． 郭关柱， 范毓润， 贾风昌． 空气在二甲基硅油和液压油中的溶 解度[ J 】 I 物理化学学报， 2 0 0 8 ， 2 4 U 1 2 2 5 1 2 3 2 ． C h ara t i ，S ． G． ， S t e r n ， S ． A．Di f f u s i o n o f Ga s e s i n S i l i c o n e P o l y m e r s Mo l e c u l a r D y n am i c s S i m u l a t i o n [ J ] ． Ma c r o m o l e c u l e s ， 1 9 9 8 ， 3 1 1 6 ， 5 5 2 9 5 5 3 5 ． Di n g C ， F a n Y． Me a s u r e me n t o f Di ff u s i o n C o e ffi c i e n t s o f Ai r i n S i l i c o n e O i l a n d i n H y d r a u l i c O i l [ J ] ． C h i n e s e J o u r n al o f C h e m i c al E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 1 ， 1 9 2 2 0 5 2 1 1 ． 刘枫林， 徐魏． 石蜡基和环烷基变压器油的性能比较『 J ] ． 变 压器， 2 0 0 4 ，4 1 7 2 7 3 O ． Ma p l e J R， Di n u r U， Ha g l e r A T ． De r i v a t i o n o f F o r c e F i e l d s f o r Mo l e c u l a r Me c h a n i c s a n d Dy n a mi c s f r o m a b I n i t i o En e r g y S u r f a c e s[ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e N a t i o n al Ac a d e m y o f S c i e n c e s ， 1 9 8 8 ， 8 5 1 5 5 3 5 0 5 3 5 4 ． S u n H，Mu mb y S J ， Ma p l e J R， e t a 1 ． An a b i n i t i o CF F 9 3 a l l a t o m F o r c e F i e l d fo r P o l y c arb o n a t e s [ J 】 ． J o u rnal o f t h e A m e r i ． c a n C h e mi c al S o c i e t y ， 1 9 9 4 ， 1 1 6 7 2 9 7 8 2 9 8 7 ． S u n H． Ab I n i t i o Calc u l a t i o n s a n d F o r c e fie l d D e v e l o p me n t for C o m p u t e r S i m u l a t i o n o f P o l y s i l a n e s[ J ] ．Ma c r o mo l e c u l e s ， 1 9 9 5 ， 2 8 3 7 0 1 7 1 2 ． Ma z e s u K，He u x L．Mo l e c u l ar Dy n a mi c s S i mu l a t i o n o f B u l k N a t i v e C rys t all i n e a n d A mo r p h o u s S t r u c t u r e s o f C e l l u l o s e[ J ] ． T h e J o u r n al o f P h y s i c al C h e m i s t ry B ， 2 0 0 3 ， 1 0 7 1 o 】 2 3 9 4 2 4 0 3 ． An d e r s e n H C．Mo l e c u l a r Dy n a mi c s S i mu l a t i o n s a t C o n s t a n t P r e s s u r e a n d ／ o r T e mp e r a t u r e [ J ] ． T h e J o u r n al o f C h e m i c al P h y s i c s ， 1 9 8 0 ， 7 2 4 2 3 8 4 2 3 9 3 ． Be r e n d s e n H J C， P o s t ma J P M， v a n Gu n s t e r e n W F ， e t a 1 ． Mo ． 1 e e u l ar D y n a mi c s w i t h C o u p l i n g t o a n E x t e rnal B a t h [ J ] ． T h e J o u rnal o f C h e mi c al P h y s i c s ， 1 9 8 4 ， 8 l 8 3 6 8 4 - 3 6 9 0 ． Ew a l d P P．Di e Be r e c h n u n g Op t i s c h e r u n d E l e k t r o s t a t i s c h e r G i t t e r p o t e n t i a l e [ J 1 ． A n n al e n d e r P h y s i k ， 1 9 2 1 ， 3 6 9 3 2 5 3 - 2 8 7 ． A l l e n M P ， T i l d e s l e y D J ． C o m p u t e r S i mu l a t i o n o f L i q u i d s [ M] ． Ox f o r d C h are n d o n P r e s s ， 1 9 8 7 ． 3】 ∞ ∞ 踮 ∞ 如 钟 如 m r 盏