中文摘要：

研究分子动力学-有限元/无网格多尺度耦合计算方法，建立求解微/纳尺度滑动接触问题的计算模型和方法体系；研究微/纳尺度滑动接触问题中表面粘着与摩擦力相互作用机理，通过数值模拟及其实验验证，全面研究分析工程接触表面纹理的形状、尺寸、密度及其分布规律，以及压头的滑动速度、滑动方向、压入深度和压头半径等参数对微/纳尺度滑动接触摩擦性能的影响规律；构建微/纳尺度滑动接触摩擦性能图谱，为微/纳器件表面纹理主动设计与滑动接触特性控制提供指导和依据。项目的研究成果不仅有利于揭示表面纹理和接触压头对微/纳器件滑动接触性能的影响规律，而且可以为工程实际产品（如医疗器械、微纳器件以及存储磁盘等）控制表面滑动接触性能的表面纹理主动设计提供有效手段，具有重要的理论意义与工程应用价值。

结论摘要：

本项目提出了分子动力学-有限元多尺度耦合方法，运用该方法研究了刚性圆柱压头与光滑表面、纹理表面的纳观粘着接触以及粘着滑动接触等问题，讨论了表面纹理凸峰高度、凸峰间距、凸峰形状、纹理形状、纹理密度以及压头半径、下压深度、滑动速度、滑动方向等主要参数对滑动摩擦力的影响。研究了多尺度方法的基本原理和实现流程。多尺度方法所得结果与全分子动力学模拟结果吻合，验证了多尺度方法的有效性。与全分子动力学模拟相比，多尺度方法在保证计算精度的前提下，可以大大节省计算时间。运用多尺度方法求解圆柱压头与光滑表面的纳观粘着接触问题，发现了尺度效应和粘着滞后现象。在此基础上引入表面纹理，讨论了主要参数对接触力的影响梯形纹理凸峰高度越高，接触力越大，矩形纹理凸峰间距越小，接触力越大。研究了圆柱压头与光滑表面及纹理表面的纳观粘着滑动接触问题，总结了主要参数对摩擦力的影响规律梯形纹理的减摩效果优于矩形纹理，凸峰高度为4层原子的矩形纹理，摩擦力较为稳定，6层原子梯形纹理减摩效果最好；7凸峰或9凸峰纹理可用于降低摩擦力；对于光滑表面、矩形纹理或2层原子梯形纹理，摩擦力随压头半径的增大而增大；4层及6层原子梯形纹理，压头半径对摩擦力影响较小；滑动初始阶段，摩擦力随压头下压深度增大而增大，此后摩擦力无规律变化；低速滑动时，速度对摩擦力影响较小，而高速滑动时，摩擦力随速度增大而减小；纹理方向与压头滑动方向一致时，摩擦力较小，反之，摩擦力较大。分析了表面纹理方向和纹理密度对滑动摩擦力的影响。结果表明表面纹理密度小于50%时，0°和90°方向纹理表面的滑动摩擦力振幅较小，且45°方向纹理表面最易发生滑移塑性变形；纹理密度相差较大时，对于0°和90°方向纹理表面，滑动摩擦力随纹理密度的增大而增大；纹理密度较小时，0°和90°方向纹理表面的减摩效果优于光滑表面。制备了一系列不同尺寸的沟槽表面纹理，试验研究了滑动方向对摩擦系数的影响规律。对于某些纹理表面，探针沿纵向滑动的摩擦系数大于沿横向滑动的摩擦系数。主要是因为探针沿纵向滑动时，始终与纹理的凸峰接触，探针与纹理也始终发生粘着作用，而探针沿横向滑动时，接触面积较小，且由于横跨凸峰，粘着作用仅在接触过程中发生作用。本项目研究成果为利用表面纹理控制粘着力、改善滑动接触性能等研究提供了理论依据，对纹理表面滑动接触试验研究具有指导意义。