铝合金高通量多尺度模拟与性能优化

孔毅¹，袁定旺²，郭猛³，胡望宇^2*

¹ 中南大学，湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号， 410083，中国

² 湖南大学，湖南省长沙市岳麓区麓山南路2号，410082，中国

³国家超级计算济南中心，山东省济南市高新区新泺大街1768号，250101，中国

详细摘要： 基于材料基因工程理念，针对铝合金、金属钨，钛合金和不锈钢等设计了材料计算模拟和性能优化的全链条流程框架和工作系统，开发了智能服务云平台。平台集成了第一性原理、分子动力学、蒙特卡洛、相图计算、相场模拟和有限元分析等多个尺度材料计算软件，建立了分布式材料数据库和知识图谱库。通过网格接口调度超算资源和专用数据库系统，为云平台客户提供统一资源服务。本报告以铝合金高通量多尺度模拟为例进行演示说明。在电子原子尺度上，采用第一性原理计算和分子动力学模拟，对热处理过程强化相进行计算，得到晶体结构、界面能、弹性常数、本征应变和扩散系数等参数。通过耦合计算相图数据库和扩散动力学数据库，并考虑长程弹性相互作用、对温度场和外部应力场的响应、以及晶粒取向与分布等因素，将原子尺度所得参数传递到相场模拟中，进行介观尺度的模拟计算。将相场模拟所得的晶粒尺寸、分布、晶界与晶粒取向等三维微结构信息输入到晶体塑性有限元程序，模拟多晶结构变形过程中微结构演变及其对力学性能的影响规律，达到调控微结构优化铝合金力学性能的目的。未来我们将进一步聚合先进计算资源、整合材料计算软件、丰富材料数据库、扩充高通量多尺度材料计算流程和案例、开放平台并探索适用于材料基因工程发展的计算平台运营模式，制订材料基因工程计算资源、数据资源、科研成果的服务机制和交易流程，为新材料研发与应用提供更好的平台支撑。