[发明专利]一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法

说明书

一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法，属于计算材料学、模拟仿真、高通量计算等多学科交叉领域。通过纳观尺度的第一性原理计算、微观尺度的分子动力学模拟、介观尺度的热力学计算可以获得宏观尺度的有限元模拟所需的各种物性参数，包括复合材料中各个相在不同温度、不同晶粒尺寸下的弹塑性物理参数等。利用聚焦离子束实验和图像处理引入获得真实的材料组织结构。通过各个尺度计算结果之间的参数耦合与参数传递，结合材料的组织结构，可以模拟多相复合材料在复杂应力和不同温度下的应力应变关系、应力分布及其演变、塑性变形等力学行为。

技术领域

本发明属于计算材料学、模拟仿真、高通量计算等多学科交叉领域，具体涉及基于材料真实组织结构的适用于描述多相复合材料力学行为的计算机模拟分析方法。

背景技术

在“材料基因组计划(MGI)”的革命性思维的引领下，材料计算在指导新材料设计研发中的作用越来越重要，可为新材料设计开发提供准确的指导，有效改变传统材料设计开发的“试错”过程，大大提升新材料的研发效率，从而有效推动高性能新材料开发及相关先进制造业的快速发展。目前常用的材料计算模拟方法包括纳观、微观尺度的第一性原理计算和分子动力学模拟等方法，可以对材料成分和结构进行筛选设计；宏观的有限元模拟等方法能够对材料的服役行为和使用性能进行计算分析。然而，目前国内外公认的普遍问题是，不同尺度下计算模拟方法所用的计算模型、典型算法、输入输出数据和参数各不相同，虽然各个尺度下的计算可能有丰富的方法和工具，但是严重缺乏跨尺度、多尺度的计算模型和模拟方法；不同尺度的计算方法之间很难进行数据传输、无法实现同一类参量在不同尺度之间数据的融合贯通。因此，当前迫切需要开发材料成分-组织-工艺-性能之间内禀关联的多尺度计算模型，以此实现材料全链条一体化设计和高效、准确的材料性能预测和分析。

多相复合材料有着广泛的工程应用，粉末冶金方法是制备该类材料的典型途径。对于多相复合材料而言，由于各相之间的物性参数差异较大，尤其，热膨胀系数的差异会造成粉末烧结过程中产生较大的热残余应力，而制备态热应力会对材料性能产生很大影响。进一步，热应力与外加应力的交互作用会极大地影响材料服役过程中的力学行为和使用性能。在多相复合材料中，通常会出现应力分布不均匀的现象，服役过程中各相内会出现差异较大的应力响应。结合真实微观组织的三维有限元模拟能够准确揭示相内不均匀应力响应规律，对材料力学行为与性能的研究具有重要意义。然而三维有限元模拟需要大量材料物性参数，很多参数缺乏实验数据，因此构建多尺度计算模型和算法，结合其他尺度的计算方法，为有限元模拟提供参数数据，可解决单一有限元模拟数据匮乏的问题。而且，由于多尺度模型涉及纳观、微观、宏观多种计算方法，能够同时完成对材料成分筛选、组织结构优化和使用性能的预测分析，因此开发基于真实材料组织结构的多相复合材料力学行为的多尺度模拟计算方法具有极为重要的意义和应用价值。

发明内容

本发明提供了一种基于材料真实微观组织，对多相复合材料的力学行为进行多尺度模拟的方法。通过纳观尺度的第一性原理计算、微观尺度的分子动力学模拟、介观尺度的热力学计算可以获得宏观尺度的有限元模拟所需的各种物性参数，包括复合材料中各个相在不同温度、不同晶粒尺寸下的弹塑性物理参数等。通过各个尺度计算结果之间的参数耦合与参数传递，可以模拟多相复合材料在复杂应力下的应力应变关系、应力分布及其演变规律、塑性变形等力学行为。

为实现上述目的，本发明一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法，其特征在于，包含以下技术方案和步骤：

(1)纳观尺度的第一性原理计算

纳观尺度的第一性原理计算可以分别获得多相复合材料中金属相和陶瓷相在0K下的弹性性质以及不同体积的晶体结构对应的能量，计算方案如下：

1.1对0K下的多相复合材料中的金属相和陶瓷相的杨氏模量、体弹模量、剪切模量、泊松比进行计算：

首先分别对金属相和陶瓷相材料的单晶结构进行结构弛豫。利用弛豫后的晶体结构对材料的弹性矩阵C的矩阵元，即弹性常数，进行计算。