跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法

本发明属于航行器表面涂层，具体涉及跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法。

背景技术：

1、随着航天技术的不断进步，跨域航行器在执行复杂任务时，往往面临更加严苛的环境条件。在高空、大气层、深海以及太空等多样化的环境中，航行器表面涂层作为其关键防护材料，不仅承受外部物理、化学的作用，还暴露于温度变化、压力波动、海水腐蚀、机械冲击等多种环境因素下。

2、这些因素可能导致涂层出现微孔洞、微裂纹等缺陷，从而影响航行器的力学性能和使用寿命。

3、因此，研究和评估涂层材料在复杂环境损伤下的弹性模量变化，对于航行器的设计优化和长期服役中的可靠性保障具有重要的战略意义。

4、近年来，分子动力学(md)模拟方法作为材料研究中不可或缺的工具，在微观尺度上具有显著的优势。分子动力学方法通过精确追踪原子或分子在外力作用下的运动轨迹，可以模拟材料在环境损伤作用下的微观力学行为，特别是在原子级别的损伤(如点缺陷、微孔洞、微裂纹)分析中，能够提供深入的机制解析。通过分子动力学模拟，能够获得材料在辐射、压力变化或腐蚀等环境下的受力状态，为理解材料性能退化提供重要的参考依据。

5、然而，涂层材料的损伤问题并非仅限于微观层面，材料在实际服役过程中还受到复杂的多物理场耦合影响。例如，航行器表面涂层在承受外部压力、热流、腐蚀、辐射等环境因素的同时，其宏观力学性能也会发生显著变化。因此，针对涂层材料的弹性模量变化，单纯依赖分子动力学方法或传统的宏观力学分析方法并不充分。

6、为此，有限元仿真(fem)作为一种有效的数值计算工具，能够在宏观尺度上分析多物理场的耦合效应，研究外部环境因素(如压力、温度等)对涂层材料力学性能的影响。有限元方法可以通过建立复杂的几何模型和材料模型，模拟材料在不同环境负荷下的变形和损伤行为，弥补分子动力学模拟在宏观尺度上的不足。

7、现有的研究大多集中在单一环境因素对材料性能的影响分析，缺乏对涂层材料在多种环境损伤下弹性模量变化的综合评估。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法，包括以下步骤：

4、s1、构建表面涂层合金立方单晶初始模型，通过nose-hoover控温结构优化，最终得到结构稳定的基态合金模型；

5、s2、模拟涂层材料在应用环境中的损伤过程，设置压力梯度，通过分子动力学方法模拟微孔洞、预裂纹缺陷的产生和演化过程；针对涂层材料中的每个粒子，建立一定范围内邻近粒子交互列表，并计算粒子在环境损伤影响下的运动轨迹，通过分析各个粒子在不同运动轨迹处的位移演变情况，识别涂层内部的微孔洞和微裂纹发展趋势，进而确定其在整个涂层中的损伤密度；

6、s3、针对不同的环境损伤程度，在已有缺陷的基础上，通过调整微观缺陷浓度，进一步模拟涂层材料在长时间服役下的缺陷演变情况；通过实验参数合理设计丢失原子的位置并建立位错，实现更多微孔洞和预裂纹，形成高浓度缺陷；通过分子动力学方法测试涂层材料在变压力环境下的弹性模量；

7、s4、建立多晶合金涂层材料的有限元模型；将s3中获得的不同损伤程度下的涂层材料的基本力学参数作为输入，对多晶合金涂层材料进行有限元单轴拉伸试验，得到弹性变形下的应力-应变曲线，并通过曲线拟合得到宏观弹性模量；

8、s5、基于多尺度仿真结果，构建涂层材料在多物理场(如压力变化、海水腐蚀)耦合下的弹性模量计算模型，实现涂层材料在复杂环境损伤下的弹性模量预测。

9、优选的，所述s1中采用等温等压系综进行弛豫，模拟实际环境压力变化对涂层材料的影响。

10、优选的，所述s2中的模拟的实际环境包括但不限于压力变化、海水腐蚀、机械磕碰环境，所述模拟海水腐蚀环境下的缺陷演化过程时，采用微正则系综，维持系统能量守恒。

11、优选的，所述s2中，模拟涂层材料在环境损伤下的缺陷产生时，设置模拟总时间和总步数；当达到设定的模拟总时间或总步数时，停止模拟，基于此时的原子状态参数识别出涂层材料的缺陷分布。

12、优选的，所述s1中采用500000个以上的原子构建涂层材料的立方单晶初始模型，提高计算精度和模拟效果。

13、优选的，采用维格纳-赛茨元胞方法识别微观缺陷，包括微孔洞、微裂纹和位错。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、不仅考虑了单一环境因素(如压力变化、海水腐蚀、机械磕碰)对涂层材料性能的影响，还综合考虑了多种环境因素耦合作用下的弹性模量变化，提供了更贴近实际服役环境的评估结果，为涂层材料的设计和优化提供了更准确的依据，同时通过采用500000个以上的原子构建涂层材料的立方单晶初始模型，并在弛豫过程中采用等温等压系综模拟实际环境压力变化，提高了计算精度和模拟效果。

16、同时本发明结合了分子动力学模拟在微观尺度上的精确性和有限元仿真在宏观尺度上的有效性，实现了从微观到宏观的跨尺度分析。这有助于更全面地理解涂层材料在不同尺度下的损伤机制和力学性能变化，为跨域航行器表面涂层的设计优化和长期服役中的可靠性分析提供了创新的解决方案。这有助于延长涂层材料的使用寿命，提高航行器的整体性能和安全性。

技术特征：

1.跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法，其特征在于：所述s1中采用等温等压系综进行弛豫，模拟实际环境压力变化对涂层材料的影响。

3.根据权利要求1所述的跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法，其特征在于：所述s2中的模拟的实际环境包括但不限于压力变化、海水腐蚀、机械磕碰环境，所述模拟海水腐蚀环境下的缺陷演化过程时，采用微正则系综，维持系统能量守恒。

4.根据权利要求1所述的跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法，其特征在于：所述s2中，模拟涂层材料在环境损伤下的缺陷产生时，设置模拟总时间和总步数；当达到设定的模拟总时间或总步数时，停止模拟，基于此时的原子状态参数识别出涂层材料的缺陷分布。

5.根据权利要求1所述的跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法，其特征在于：所述s1中采用500000个以上的原子构建涂层材料的立方单晶初始模型，提高计算精度和模拟效果。

6.根据权利要求1所述的跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法，其特征在于：采用维格纳-赛茨元胞方法识别微观缺陷，包括微孔洞、微裂纹和位错。

技术总结
本发明涉及航行器表面涂层技术领域，具体公开了跨尺度的跨域航行器表面涂层环境损伤弹性模量计算方法，包括以下步骤、构建表面涂层合金立方单晶初始模型，模拟涂层材料在实际环境下的损伤过程，建立多晶合金涂层材料的有限元模型，通过分子动力学模拟微观尺度的力学行为，利用细观力学验证和宏观有限元仿真，全面考虑不同环境损伤对涂层材料弹性模量的影响，为跨域航行器表面涂层的性能评估、设计优化以及长期服役过程中的可靠性分析提供了理论依据和技术支持，有助于延长涂层材料的使用寿命，提高航行器的整体性能和安全性。

技术研发人员：岳思良,齐辉,郭晶,王喆,吴昊,刘志伟
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/24