Page 232 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

Numerical Simulation Driven Hot Working Technology for High-temperature Alloys
数值模拟驱动的高温合金热加工技术

制造方面有探索进展，模拟不同材料在同一增材制造过程中的相互作用，为制造
具有特殊性能的复合材料零件提供理论支撑。数值模拟研究还涉及增材制造设备
性能评估，通过模拟设备运行过程中的能量传输、机械运动等，能对设备参数进

行优化，如优化送粉系统的送粉精度至 ±0.05g。

第四节 多尺度—多学科协同仿真技术展望

多尺度模拟是一种跨学科的计算方法，旨在通过整合不同时间和空间尺度的
模型，揭示复杂系统的行为机制。其核心思想在于，单一尺度的模型无法全面描
述具有多层次相互作用的系统，而多尺度方法通过耦合量子、分子、介观和宏观

尺度的信息，实现从微观到宏观的无缝衔接。以下从定义、方法、数学工具、应
用案例及技术实现等多个维度展开分析，并结合具体文献中的图表进行详细阐释。
多尺度模拟的核心目标是通过跨尺度信息传递，预测材料或系统的宏观行为。
例如，在聚合物材料研究中，量子尺度的化学键特性可能直接影响材料的宏观力
学性。根据耦合方式的不同，多尺度方法可分为三类：顺序方法、并发方法和自

适应分辨率方案。顺序方法（如粗粒化分子动力学）通过“消息传递”将小尺度
结果映射到大尺度模型中。例如，分子尺度的自由能计算结果被用于构建介观尺
度的高斯链模型，最终预测聚合物的流变行为。并发方法则强调不同尺度模型的

实时耦合。以准连续介质方法（Quasicontinuum Method）为例，该方法在缺陷区
域（如位错核心）采用原子级分辨率，而在远离缺陷的区域使用连续介质模型，
通过有限元网格的自适应细化实现跨尺度动态耦合。自适应分辨率方案（如自适
应分子动力学）允许分子在不同区域切换分辨率。例如，在界面区域的分子采用
全原子模型，而体相分子则简化为粗粒化模型，从而平衡计算效率与精度。

多尺度模拟的数学工具需解决尺度间参数传递与边界条件匹配问题。典型的
数学方法包括：多尺度有限元法（MsFEM）通过构建适应局部微分算子的基函数，
有效捕捉复合材料中复杂微观结构对宏观行为的影响。该方法的关键步骤包括基

函数的构造、利用过采样技术消除共振误差，以及算法的并行化实现。离散经验
插值法（DEIM）是一种常用的降阶建模技术，通过选取关键自由度来大幅减少
计算量。在研究中，DEIM 与小波基函数相结合，有效加速了多孔介质中溶质传
输过程的模拟，同时保持了较高的模拟精度，为处理高维非线性问题提供了可行

216