航發科普
材料基因組計劃與材料計算工具
來源:       發布時間:2018-12-17

  材料工藝的設計研究一直是航空發動機研制生產的重要部分,在一定程度上代表著航空發動機的水平。隨著發動機性能不斷改進,對材料也不斷提出新要求。縱觀航空發動機發展歷程,發動機性能的提高有三分之一歸功于采用了新材料和新工藝,今后,這個比例可能會更高。

  目前,從新材料的研發至工程應用一般需要10~20年的時間,材料的研發速度嚴重滯后于新材料產品的設計速度。為縮短材料的研發時間,世界各國的材料科學家開始嘗試借助于信息技術和大數據完成材料研發試驗。“材料基因組計劃”在此背景下提出。

  2011年,美國經過信息技術革命后,充分認識到材料革新對技術進步和產業發展的重要作用,宣布實施“材料基因組計劃”,將通過實驗技術、計算技術和數據庫之間的協作共享,讓材料研發周期縮短至2~3年。

  “材料基因組計劃”可以精確調整新材料設計中復雜的物理與化學特性,適應不同的應用,并且準確跟蹤這些特性在材料合成、生產和使用過程中的改變,大大降低了研發成本。“MGI”成功的關鍵因素之一就在于材料計算工具的開發和使用。

  材料設計與工藝仿真軟件

  “工欲善其事,必先利其器。”每個人的生活都離不開工具,工具可以幫助我們更好地工作和生活。同樣,研究材料工藝,也需要特定的計算工具——材料設計與工藝仿真軟件。

  在材料設計與工藝研究中,常用的計算方法有有限元、擴展有限元、計算流體力學和計算損傷力學四種,而材料仿真軟件可以模擬真實材料,建立工藝設計過程模型,借助相應軟件和數據進行理論計算。

  20世紀70年代,科學家基于熱力學理論建立起CALPHAD方法。CALPHAD方法是目前唯一可以計算多元體系熱力學性質并能滿足實際應用精度要求的熱力學計算方法。它還是材料動力學、微觀結構演變模擬的熱力學基礎。

  20世紀90年代后期,在材料微觀結構模擬領域,相場理論和多物理場模型相繼發展,敲開了微觀結構演化表征與控制研究的大門。而密度泛函理論、原子模型、分子動力學模型等更是為多尺度模擬提供條件。隨著有限元模擬技術的進步,如今,材料設計與工藝仿真軟件可以實現材料、工藝制造以及服役全過程預測。

  材料設計與工藝仿真軟件應用

1.用于量子力學和原子從頭計算的仿真軟件

  在材料設計中,常常會采用熱處理工藝來引發微觀結構上的相變,來控制或改變材料的性能。原子從頭計算方法跨越了從量子力學的“第一性原理”到起始于等效交互勢的半經驗理論,可以對單一相的材料性能進行計算,實現材料微觀結構尺度的區域化處理。這一類的軟件工具,提供了密度泛函理論(DFT)和基于量子力學的類似方法,不僅可以計算材料未知的性能,還可以確定材料界面的聚合性能,在分子動力學相關方法中經常用到。

2. 用于計算熱力學和擴散的仿真軟件

  這些計算軟件提供了能夠計算相含量、相成分以及不同相之間相互作用驅動力的工具。通過熱力學數據與形核模型相結合,可實現析出相分布的演化過程計算。

3. 用于材料微觀結構模擬和材料性能評價方面的軟件

  這些軟件可以模擬相變動力學以及微觀結構在二維和三維的演化。基于計算或者試驗獲得的微觀結構數據,從而在微觀尺度與宏觀尺度之間搭建橋梁。

4. 用于宏觀尺度的材料工藝仿真軟件

  在宏觀尺度,不僅有面向特定應用的仿真工具,如焊接工藝仿真、鑄造仿真,還有可以用于多種工藝的有限元仿真軟件等,可以模擬多種不同的材料加工工藝。這些強大的有限元軟件工具能夠研究熱、力學或者流體力學問題,并且能夠耦合多種物理現象,實現多物理場耦合求解。
  近年來,中國航發航材院逐步建立了材料設計與工藝模擬仿真的各類軟件系統,有材料設計軟件、材料微觀結構與性能模擬軟件、宏觀尺度仿真模擬軟件等,為材料設計與優化、材料成形工藝方案制定以及參數優化等研究提供保障。

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