集成计算材料工程中的计算机模拟技术.pdf.pdf

中仿科技（CnTech）技术白皮书 集成计算材料工程中的计算机模拟技术 集成计算材料工程中的计算机模拟技术 人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。材料发展一小步，世界进步一大步。所以 从诞生之日，材料就与应用密不可分，材料科学与工程技术密不可分。近 20 年来，随着计算 机科学与技术的飞速发展，材料科学与物理、化学、数学、工程力学诸多学科相互交叉，诞生 了计算材料学这门新兴学科，其主旨是根据材料科学和相关科学基本原理，通过模型化与计算 实现对材料制备、加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述，理解材料结构与性 能和功能之间的关系，引导材料发现发明，缩短材料研制周期，降低材料过程成本。 然而材料科学与工程技术不能分家，计算材料学的创立和发展也是以工程应用为目的。在 这个认识的基础上，采用逆向思路，用具体的关键工程来引导材料科学的发展，这就可以对国 家的工业、国防等重要行业产生根本性的推动，这就是集成计算材料工程（ICME）。 集成计算材料工程在世界上引起广泛的关注。美国 21 世纪启动了著名的“材料加速熟化” 计划，组织了数十家产学研机构，选定喷气发动机用高温金属材料和飞机用先进复合材料两大 目标，针对共性基础问题和难点问题，开展计算机模拟与实验验证密切结合的集成设计与研制。 在此计划的激励下，大批研究成果涌现。最典型的比如美国西北大学 G. B. Olson 等人采用多 层次计算模拟方法，发展了由纳米晶粒计算直至结构性能预测的程序，先后设计出性能优异的 航天飞机轴承用耐热碳钢和新型高强度飞机起落架。英国工贸部 2001 年发布《英国的预测性 材料模拟》专题报告，部署相关研究计划和人才培养措施。法国国家研究中心 (CNRS)的研究 人员提出的位错动力学方法用于实际材料的变形，如疲劳、蠕变等过程中，对大量位错的自组 织结构的形成机制及其对力学性质的影响进行了细致研究。日本的各大公司都建立专门从事材 www.CnT 1 料开发和应用的团队。比如丰田公司研究中心 2003 年在第一性原理计算指导下发现某些钛合 金在同时满足某些特殊条件是具有奇异的性能组合，在此基础上设计了 Ti-Ta-Nb-V-Zr-O 系合 金，它在 400 摄氏度温度范围内热膨胀系数基本不变，是制作精密仪器的理想材料，在外太 空探测等领域具有重要应用价值。20 世纪 90 年代以来，我国对计算材料学和集成计算材料工 程的发展也给予了高度关注，国家自然科学基金、国家科委技术攻关、“863”计划当中都有 多项资助。时至今日，计算材料学和集成计算材料工程已经作为国家重大战略性学科，集合了 众多的人才和资源，为国防工业贡献着重要的力量。 集成计算材料工程中的计算机模拟技术 ，主要可分为材料科学模拟和材料行为工艺模拟两 个方面。相图、材料热力学计算以及多物理场耦合分析的结合，对工程师的跨学科综合能力提 出了更高要求。本文结合一流的材料热力学计算软件 JmatPro 和全球领先的多物理场模拟软 件 COMSOL Multiphysics ，对集成计算材料工程种的计算机模拟技术的应用做了详细的介绍。 集成计算材料工程中的计算机模拟技术 1 一、材料科学研究中的多物理场模拟 3 • 温度场模拟 3 o 强制对流换热 4 o 自然对流换热 4 o 凝结换热 5 o 沸腾换热 5 o 应用实例：搅拌摩擦焊接 6 • 应力场模拟 7 o 弹性