本發(fā)明涉及材料科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面能量密度的方法及疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、位錯(cuò)結(jié)構(gòu)演化引起的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能在材料微觀組織演化過程中扮演著重要角色，特別是在孿晶形核、裂紋萌生等涉及新界面形成的過程中。然而，該能量本身并不足以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)新表面的局部生成，還需要考慮存儲(chǔ)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能的長(zhǎng)度尺度。這一長(zhǎng)度尺度提供了每單位面積能量的驅(qū)動(dòng)速率，對(duì)于促進(jìn)新自由表面能相關(guān)的能量與每單位裂紋面積位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能釋放之間的增量能量平衡至關(guān)重要。因此，為了更深入地理解這些微觀組織演化過程，計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能的面能量密度并確定其長(zhǎng)度尺度顯得尤為重要。

2、在現(xiàn)有的計(jì)算方法中，基于晶體塑性的方法雖然能夠提供一定的能量密度計(jì)算手段。這種方法通常涉及存儲(chǔ)于材料中的能量體積分?jǐn)?shù)、應(yīng)力以及塑性應(yīng)變?cè)隽康葏?shù)，同時(shí)考慮了統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)存位錯(cuò)（statistics?stored?dislocations，ssd）密度與幾何必需位錯(cuò)（geometrically?necessary?dislocations，gnd）密度的影響。然而，盡管這種方法在晶體塑性領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但并沒有基于位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)的深入考慮。因此，亟需一種基于位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)且能夠準(zhǔn)確計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度的方法來解決這些問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本部分的目的在于概述本發(fā)明的實(shí)施例的一些方面以及簡(jiǎn)要介紹一些較佳實(shí)施例。在本部分以及本申請(qǐng)的說明書摘要和發(fā)明名稱中可能會(huì)做些簡(jiǎn)化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發(fā)明名稱的目的模糊，而這種簡(jiǎn)化或省略不能用于限制本發(fā)明的范圍。

2、鑒于上述和/或現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了本發(fā)明。

3、第一方面，本發(fā)明提供一種基于離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面能量密度的方法，包括：

4、基于預(yù)設(shè)的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型模擬目標(biāo)材料在塑性變形過程中的位錯(cuò)行為；

5、確定計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度所需的兩種尺寸的網(wǎng)格：第一種網(wǎng)格用于計(jì)算位錯(cuò)密度，第二種網(wǎng)格用于計(jì)算局部結(jié)構(gòu)能密度；

6、在第一種網(wǎng)格中，利用位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算目標(biāo)材料中的幾何必需位錯(cuò)密度；幾何必需位錯(cuò)密度的計(jì)算通過無量綱凈柏氏矢量除以其面積得出；第一種網(wǎng)格中在發(fā)生位錯(cuò)堆積的晶界附近幾何必需位錯(cuò)密度滿足預(yù)設(shè)值；

7、在第二種網(wǎng)格中，通過局部評(píng)估的方式確定應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而計(jì)算局部結(jié)構(gòu)能密度；第二種網(wǎng)格中局部極值與離散位錯(cuò)的位置對(duì)應(yīng)，且平均能量密度收斂；

8、通過混合網(wǎng)格劃分方法，選取介于兩種網(wǎng)格大小之間的網(wǎng)格尺寸，對(duì)單元內(nèi)的能量密度與位錯(cuò)密度進(jìn)行平均化處理，以在相同子域內(nèi)綜合考慮不同變量對(duì)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度的影響；

9、根據(jù)平均化處理后的能量密度與位錯(cuò)密度，計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度；位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度通過位錯(cuò)密度與局部結(jié)構(gòu)能密度的預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系獲得。

10、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型包括離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型，用于模擬材料中位錯(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和相互作用。

11、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，第一種網(wǎng)格大小的選擇基于能夠清晰區(qū)分不同位置幾何必需位錯(cuò)密度的差異，并避免網(wǎng)格尺寸過大導(dǎo)致的位錯(cuò)密度計(jì)算不準(zhǔn)確。

12、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，第二種網(wǎng)格大小的選擇基于能夠反映位錯(cuò)結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的局部能量集中，并確保平均能量密度的收斂性。

13、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，混合網(wǎng)格劃分方法包括在兩種網(wǎng)格之間選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格尺寸，并對(duì)單元內(nèi)的能量密度與位錯(cuò)密度進(jìn)行加權(quán)平均處理，以提高位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度的計(jì)算準(zhǔn)確性。

14、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，該方法適用于計(jì)算金屬材料、合金材料或其他具有復(fù)雜微觀組織的材料中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度。

15、第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面能量密度進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，包括：

16、通過第一方面提供的方法計(jì)算目標(biāo)材料的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面能量密度；

17、基于面能量密度，結(jié)合目標(biāo)材料的力學(xué)性能和疲勞行為特征，建立疲勞壽命預(yù)測(cè)模型；

18、根據(jù)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)預(yù)設(shè)工況條件下的目標(biāo)材料進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，獲得目標(biāo)材料在預(yù)測(cè)工況條件下的疲勞壽命預(yù)測(cè)值；其中，預(yù)設(shè)工況條件至少包括目標(biāo)材料的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面能量密度、應(yīng)力狀態(tài)、工作環(huán)境。

19、本發(fā)明實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

20、本發(fā)明提供了一種基于離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面能量密度的方法及疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，基于預(yù)設(shè)的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型模擬目標(biāo)材料在塑性變形過程中的位錯(cuò)行為；確定計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度所需的兩種尺寸的網(wǎng)格：第一種網(wǎng)格用于計(jì)算位錯(cuò)密度，第二種網(wǎng)格用于計(jì)算局部結(jié)構(gòu)能密度；在第一種網(wǎng)格中，利用位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算目標(biāo)材料中的幾何必需位錯(cuò)密度；幾何必需位錯(cuò)密度的計(jì)算通過無量綱凈柏氏矢量除以其面積得出；第一種網(wǎng)格中在發(fā)生位錯(cuò)堆積的晶界附近幾何必需位錯(cuò)密度滿足預(yù)設(shè)值；在第二種網(wǎng)格中，通過局部評(píng)估的方式確定應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而計(jì)算局部結(jié)構(gòu)能密度；第二種網(wǎng)格中局部極值與離散位錯(cuò)的位置對(duì)應(yīng)，且平均能量密度收斂；通過混合網(wǎng)格劃分方法，選取介于兩種網(wǎng)格大小之間的網(wǎng)格尺寸，對(duì)單元內(nèi)的能量密度與位錯(cuò)密度進(jìn)行平均化處理，以在相同子域內(nèi)綜合考慮不同變量對(duì)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度的影響；根據(jù)平均化處理后的能量密度與位錯(cuò)密度，計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度；位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度通過位錯(cuò)密度與局部結(jié)構(gòu)能密度的預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系獲得。如此，解決了在計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度時(shí)遇到的網(wǎng)格不統(tǒng)一問題。通過采用混合網(wǎng)格劃分方法，該方法能夠在相同子域內(nèi)同時(shí)考慮位錯(cuò)密度和局部位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能密度對(duì)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度的影響，從而實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確的計(jì)算。

技術(shù)特征：

1.一種基于離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面能量密度的方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型包括離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型，用于模擬材料中位錯(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和相互作用。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一種網(wǎng)格大小的選擇基于能夠清晰區(qū)分不同位置幾何必需位錯(cuò)密度的差異，并避免網(wǎng)格尺寸過大導(dǎo)致的位錯(cuò)密度計(jì)算不準(zhǔn)確。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二種網(wǎng)格大小的選擇基于能夠反映位錯(cuò)結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的局部能量集中，并確保平均能量密度的收斂性。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合網(wǎng)格劃分方法包括在兩種網(wǎng)格之間選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格尺寸，并對(duì)單元內(nèi)的能量密度與位錯(cuò)密度進(jìn)行加權(quán)平均處理，以提高位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度的計(jì)算準(zhǔn)確性。

6.一種基于位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面能量密度進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)的方法，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面能量密度的方法及疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其中，基于離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面能量密度的方法包括：模擬目標(biāo)材料在塑性變形過程中的位錯(cuò)行為；確定計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度所需的兩種尺寸的網(wǎng)格：在第一種網(wǎng)格中，利用位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算幾何必需位錯(cuò)密度；在第二種網(wǎng)格中，通過局部評(píng)估的方式確定應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而計(jì)算局部結(jié)構(gòu)能密度；通過混合網(wǎng)格劃分方法，對(duì)能量密度與位錯(cuò)密度進(jìn)行平均化處理；進(jìn)而計(jì)算位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度。如此，通過采用混合網(wǎng)格劃分方法，能夠在相同子域內(nèi)同時(shí)考慮位錯(cuò)密度和局部位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能密度對(duì)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)能面密度的影響，從而實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確的計(jì)算。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭澤邦,辛海,詹梅,魯明杭,羅鋅,趙盼娣
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28