集成计算材料工程中的计算机模拟技术

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wenku.baidu.com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。
二、材料行为工艺模拟 . .............................................................................................................................................. 1 0 • TTT 和 CCT 曲线 .................................................................................................................................................................. 1 0 o 采用连续冷却转变曲线（CCT）模拟 . ................................................................................................................. 1 1 o 采用等温转变曲线（TTT）模拟 ........................................................................................................................... 1 2 • 基于 CCT 曲线的真实冷却转变模拟 . ........................................................................................................................ 1 3
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。
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。
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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 弹性力学原理 . ................................................................................................................................................................... 8 o 应用实例：搅拌摩擦焊接过程中的热应力分布 . ............................................................................................... 9 • 浓度场分析 . ............................................................................................................................................................................... 9 o 扩散的控制方程 ............................................................................................................................................................... 9 o 应用实例： 焊接过程中的界面组织的扩散 .................................................................................................... 1 0
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