一种异质增材跨尺度界面本构映射与损伤评估方法与流程

本发明属于增材制造力学仿真，具体涉及一种异质增材跨尺度界面本构映射与损伤评估方法。

背景技术：

1、随着航空航天技术向高超声速与机电热一体化方向快速发展，高频通信天线罩等复杂共形构件的服役环境日益苛刻。为实现高集成度的射频功能，异质增材制造技术因其极高的设计自由度，被广泛应用于在非晶态二氧化硅等陶瓷基底表面原位沉积银等金属纳米导电薄膜，以构建表面共形天线阵列或频率选择表面。然而，金属纳米颗粒墨水在成型后必须经历高温烧结以实现导电网络的致密化。由于金属银与二氧化硅陶瓷的热膨胀属性存在跨量级的巨大差异，在烧结完成后的降温固化阶段，银层的自由收缩受到刚性陶瓷基底的强烈限制，从而在异质界面处激发出极大的热失配残余应力。这种跨尺度的微观预应力使得增材制造薄膜在后续服役中，一旦叠加高超声速气动压力、剧烈机械振动或热-力耦合弯曲载荷，极易在应力集中区诱发微裂纹的萌生与扩展，最终导致整个导电薄膜发生起翘、脱粘与大面积剥离失效，严重威胁飞行器的通信链路安全。

2、为预测并抑制上述界面剥离现象，现有的宏观力学仿真评估广泛采用内聚力区域模型来模拟界面的非线性损伤演化过程。该模型的计算准确性高度依赖于三个核心本构参数的精准输入：界面弹性刚度、峰值起裂强度以及界面断裂能。目前，业界主要依赖宏观物理实验配合数值反演来尝试获取上述参数，具体而言，宏观测试方法包括划痕实验、胶带剥离实验、微弯曲实验等。但是，针对厚度通常在微纳米量级的超薄增材制造导电薄膜，传统的宏观测试手段与唯象仿真模型存在难以克服的原理性缺陷：其一，尺寸效应与测试耦合干扰严重。宏观剥离实验测得的响应往往是基底弯曲变形、金属薄膜塑性耗散与真实界面断裂的混合叠加态，极难在数学上精准剥离出界面固有本构参数，导致获取的刚度和断裂能数据存在极大的离散性与误差。其二，微观物理机制与宏观力学脱节。现有的宏观内聚力区域模型将异质界面视为理想情况，完全忽略了微观增材制造工艺对界面原子级键合强度的深刻影响。具体而言，该类模型未能充分考量烧结温度、保温致密化时间、纳米颗粒尺度特征以及非晶态基底的随机原子形貌等底层物理参量。

3、综上所述，由于缺乏底层微观物理机制的支撑，现有基于宏观经验参数的界面仿真方法，无法真实反映工艺引起的初始残余应力状态，更难以建立涵盖微观工艺、固有本构及宏观演化的多尺度定量映射关系。这导致在极端服役环境下的界面可靠性评估往往沦为缺乏前瞻预测能力的被动数据拟合，极大地限制了高性能异质增材制造天线罩的正向抗损设计与工艺迭代优化。因此，亟需一种全新的跨尺度界面本构提取与损伤评估方法来打破这一技术瓶颈。

技术实现思路

1、鉴于上述，为克服现有宏观力学仿真方法过度依赖经验参数、忽视微观工艺影响且无法建立多尺度物理映射的技术缺陷，本发明的目的是提供一种异质增材跨尺度界面本构映射与损伤评估方法，采用微观原子尺度模拟-内聚力本构提取-宏观有限元注入的多尺度递进式架构，通过在微观层面构建金属纳米颗粒与陶瓷基底的异质界面模型并执行包含升温、等温致密化与降温固化的完整热力学烧结循环以引入真实热失配预应力，继而实施准静态拉拔模拟提取牵引力-位移本构关系，并结合自适应窗口拟合与全位移域积分获取界面弹性刚度、峰值强度及临界断裂能，最终将上述参数映射至宏观单位制并注入有限元内聚力模型以计算损伤演化变量。本发明能够建立从微观工艺演化到宏观失效判定的跨尺度物理映射桥梁，消除了内聚力区域模型对经验参数的依赖，实现增材制造薄膜开裂与剥离的高精度定量评估，适用于高性能射频天线罩等复杂异质构件的抗剥离设计与可靠性评估。

2、为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

3、本发明实施例提供的一种异质增材跨尺度界面本构映射与损伤评估方法，包括以下步骤：

4、构建包含金属纳米颗粒与陶瓷基底的微观异质界面模型，并将陶瓷基底底部的原子组设定为非积分的绝对刚体约束状态；

5、对微观异质界面模型执行热力学烧结循环模拟，使金属纳米颗粒在陶瓷基底上铺展成膜并产生热失配残余预应力；

6、对烧结后的微观异质界面模型进行系综驰豫至平衡，随后沿界面法向施加准静态恒速位移载荷，并采集拉拔过程中的界面合力与法向分离位移；

7、基于采集的数据构建牵引力-位移本构关系，提取包含界面弹性刚度、界面峰值强度及临界断裂能的力学参数；

8、将提取的力学参数映射至宏观单位制后，作为本构参数注入宏观结构有限元模型的内聚力区域模型计算损伤演化变量以判定界面开裂与失效。

9、优选地，所述金属纳米颗粒的初始几何直径设定为20~100å，进一步优选为40å；在构建微观异质界面模型时，对金属纳米颗粒施加的热力学弛豫温度为900~1500k，进一步优选为1300k，且单次弛豫持续时间为50~200ps，进一步优选为100ps。其中，（1）初始直径设定为20~100å：该尺寸高度契合真实电流体动力学或喷墨打印增材制造工艺中所使用的纳米金属墨水的典型粒径量级。在分子动力学中，20~100å的颗粒既能保证包含足够数量的原子以消除小尺寸带来的统计涨落误差，又能使其比表面能足够大，充分激发小尺寸效应带来的熔点降低特性，从而在较低温度下真实重现纳米颗粒的表面熔融与烧结铺展行为；（2）热力学弛豫温度设定为900~1500k：对于20~100å的银纳米颗粒，900~1500k恰好高于其纳米尺度下的有效熔点，但又远低于其剧烈气化的温度。该温度能赋予系统充足的动能，使金属原子跨越局部势垒，消除单纯依靠几何建模切割带来的非物理高频初始应力，使颗粒自发收缩为最稳定的低能球态；（3）持续时间设定为50~200ps：该时间窗口恰好满足体系的均方根位移与势能曲线达到水平渐近线所需的最小收敛时间，在确保颗粒内部达到绝对热力学平衡状态的同时，避免了过度弛豫带来的算力浪费。

10、优选地，所述陶瓷基底的空间模型水平面边长设定为80~200å，厚度设定为15~50å，进一步优选尺寸设定为100å×100å×20å；在构建微观异质界面模型时，对陶瓷基底的热力学弛豫演化过程包括四个阶段：第一阶段，在20~100ps（更优选为50ps）内将体系温度由初始室温（如300k）升至高温2000~3000k（更优选为2000k）；第二阶段，保持体系在所述高温下等温运行50~200ps（更优选为100ps）；第三阶段，在100~500ps（更优选为200ps）内将体系匀速降温至所述初始室温；第四阶段，在所述初始室温下继续等温维持50~200ps（更优选为100ps）。其中，（1）空间尺寸设计：80~200å的水平面边长超过金属颗粒直径的两倍以上，能够彻底避免颗粒在铺展后通过周期性边界条件与自身的镜像发生非物理的人工自我交互；15~50å的厚度则严格大于vashishta势函数和l-j势函数的截断半径10å，确保了底部的绝对刚体约束层不会对表面铺展成膜的原子相互作用产生干涉；（2）第一阶段升温至2000~3000k与第二阶段保持等温50~200ps：2000~3000k的超高温能够彻底打破二氧化硅原有的长程有序晶格键合，50~200ps的等温时间使硅氧四面体网络在空间中实现完全的随机化分布，这是获取真实非晶态玻璃液相结构的必要物理条件；（3）第三阶段100~500ps内降温至初始室温：该阶段通过控制时间定义了体系的淬火冷却速率。在分子动力学仿真中，该特异性降温速率能够完美抑制硅氧网络的二次结晶，使其在降温过程中被冻结在非晶态，生成的拓扑结构在短程有序性和密度上均最逼近真实世界的高保真非晶态二氧化硅基底；（4）第四阶段初始室温等温维持50~200ps：用于释放极速淬火过程中在基底内部积聚的高残余应变能，使其在室温下达到结构松弛与能量极小值，从而为后续异质纳米颗粒的沉积与界面交互提供稳定的、无热波干扰的平整基底环境。

11、优选地，构建所述微观异质界面模型时，其势场计算采用杂化势函数描述，其中金属原子间的同质相互作用采用嵌入原子法势函数计算，金属与陶瓷原子间的异质相互作用采用lennard-jones势函数计算，陶瓷原子间的相互作用采用多项vashishta势函数计算。

12、优选地，所述热力学烧结循环在nvt系综下执行，包括三个阶段：第一阶段为升温熔融阶段，在50~200ps（更优选为100ps）内将体系温度由初始室温（如300k）匀速升至设定烧结温度900~1500k（更优选为1300k）；第二阶段为等温致密化阶段，保持体系在所述设定烧结温度下等温运行50~300ps（更优选为100ps）；第三阶段为降温固化阶段，在50~200ps（更优选为100ps）内将体系匀速降温至所述初始室温。其中，（1）采用nvt系综：保持体系体积与原子数恒定，有效避免了底层受刚体约束的基底在升降温过程中由于体积剧烈波动引发的非物理形变，最真实地还原了局部约束烧结的边界条件；（2）第一阶段升温至900~1500k：匀速升温避免了温度跃变对体系带来的数值冲击，900~1500k的温度提供了充足的热激活能，克服了纳米颗粒的表面扩散势垒，促使金属原子在陶瓷基底上发生深度的物理浸润与铺展形变；（3）第二阶段等温致密化50~300ps：给予界面处的异质原子充足的运动与重排时间，以填平铺展初期的局部孔隙和晶界缺陷，完成导电薄膜的完全致密化，建立大面积的稳定界面吸附网络；（4）第三阶段降温固化50~200ps：该阶段完美复现了增材制造后处理的真实冷却历史。由于银薄膜的宏观热膨胀系数远大于二氧化硅基底，在匀速降温的收缩过程中，刚性基底的限制作用会在异质界面自发激发出极高的热失配预应力，从而将真实制造工艺带来的微观界面预损伤无损封存至模型内部，奠定了后续力学评估的物理保真度基础。

13、优选地，所述将陶瓷基底底部的原子组设定为非积分的绝对刚体约束状态，包括：将陶瓷基底远离界面的底层原子组设定为非积分的绝对刚体状态，取消该区域原子间内力的时间步积分迭代求解，以实现对陶瓷基底内部的原子相互作用进行简化计算处理。以此能够在不影响界面交互计算精度的前提下，提升整体跨尺度模型的计算效率。

14、优选地，所述准静态恒速位移载荷的拉拔速度为0.001~0.1å/ps，进一步优选为0.01å/ps，且数据采样输出间隔设定为1~50个积分步，进一步优选为不大于10个积分步。其中，（1）拉拔速度设定为0.001~0.1å/ps：在分子动力学仿真中，该速度处于绝佳的准静态力学响应窗口。若拉拔速度过快，会导致体系动能激增，激发人工动态应力波，引发界面的动态硬化错觉，导致高估断裂能；而0.001~0.1å/ps的极低拉拔速率能确保拉拔过程中的系统动能远小于势能，使界面原子的应变能得以充分传递与松弛重分布，保证测得的本构响应完全对应于真实环境下的准静态抗剥离性能；（2）数据采样间隔设定为1~50个积分步：异质界面中原子键的批量断裂是一个极度非线性的瞬态雪崩事件。在拉拔曲线上，应力到达最高点后会发生急剧的软化跌落，采用1~50个积分步的极高密度采样频率，能够从底层逻辑上严密防止数据混叠和峰值漏采，确保牵引力-位移曲线中的界面起裂峰值及软化包络面积被精确记录，为后续积分计算界面断裂能提供绝对可靠、无失真的离散数据源保障。

15、优选地，所述牵引力-位移本构关系的构建包括：将金属纳米颗粒整体质心沿拉拔方向的相对位移变化量定义为法向分离位移，并将金属纳米颗粒内所有金属原子在拉拔方向上所受相互作用力的总和定义为界面合力，通过提取连续弛豫时间步下的法向分离位移与界面合力，共同构建形成牵引力-位移曲线。

16、优选地，所述提取包含界面弹性刚度、界面峰值强度及临界断裂能的力学参数，包括：定位牵引力-位移本构关系中应力达到全局最大值的点作为界面峰值强度

σ

max，自动截取应力在15%

σ

max至75%

σ

max之间且分离位移小于峰值位移的曲线上升段离散点，利用最小二乘法进行一元线性拟合，拟合直线斜率即为界面弹性刚度

k；定位界面法向牵引应力随法向分离位移增加而衰减至零时的极限失效位移，对牵引力-位移本构关系从起始至极限失效位移的全位移域进行数值积分，得到临界断裂能

g

c。

17、优选地，内聚力区域模型基于本构参数计算损伤演化变量以判定界面开裂与失效，包括：

18、所述内聚力区域模型通过基于表面的内聚力行为实现，以界面弹性刚度建立内聚力区域的初始弹性刚度响应，损伤起始采用最大名义应力准则并以界面峰值强度作为损伤起始判定依据，损伤演化采用由临界断裂能控制的线性软化模型；通过提取结构全场的应力分布以定位界面应力集中区域，并提取界面应力集中区域的界面接触面的标量刚度退化变量，以标量刚度退化变量演化至1.0作为界面完全开裂与裂纹扩展的定量判定依据。

19、与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

20、（1）提出了非积分绝对刚体约束算法，显著提升了跨尺度计算效率：在多尺度仿真中，陶瓷基底因包含庞大的空间原子阵列，其热力学积分计算占用了绝大部分微观运算资源。本发明在微观异质界面模型底部设立非积分的绝对刚体约束群组，该该群组原子在系统演化期间完全不参与复杂的内力矩阵时间步迭代求解。这一算法在完美保留界面原子间近程交互势能精度的前提下，大幅消除了基底内部高频声子振动的冗余计算量，使分子动力学拉拔与烧结计算的整体效率提升了数倍，成功解决了跨尺度计算力学中微观算力消耗过大的高成本痛点。

21、（2）实现了从制造工艺到结构服役性能的闭环数字孪生预测：现有力学评估手段将异质界面简单等效为无损黑盒，切断了前端制造工艺与后端力学服役表现的关联。本发明在微观层面显性化引入了包含升温熔融、等温致密化与降温固化的完整热力学烧结循环模拟，能够灵敏捕捉由工艺温变和材料热膨胀系数差异诱发的多尺度热失配残余预应力、吸附位移偏置及晶格局域畸变。这些微观工艺历史引起的初始界面预损伤通过严格的量纲转换被无缝继承到宏观有限元分析中，使得高超声速气动载荷、弯曲载荷下的薄膜剥离行为预测具有高度的工艺相关性，直接赋能了高性能天线罩的工艺-结构正向一体化抗损设计。

22、（3）建立了纯物理机制驱动的本构定标范式，消除了宏观实验的系统误差：传统有限元内聚力区域模型的力学参数输入高度依赖于划痕、胶带剥离或微弯曲等宏观破坏性实验，测得的数据不可避免地混杂了金属薄膜的宏观塑性形变能、基底的弹性弯曲回复能及试验机夹具的柔度干扰，无法剥离出纯粹的界面力学特性。本发明自下而上地利用分子动力学原子间势函数梯度直接定标本构参数，通过15%~75%峰值应力窗口自适应拟合去除了微观热噪声，从而为超薄异质增材制造薄膜提供了一把不受尺寸效应和多场耦合干扰的、纯粹物理驱动的精准界面力学标尺。

23、（4）打通了微宏观特征长度匹配瓶颈，确保了宏观有限元的高保真与数值收敛：微观原子破键导致的内聚力特征长度通常在纳米量级，若直接输入宏观有限元模型，将要求宏观网格细化至微纳米级别，会致使工程级结构仿真的计算资源崩溃；若强行采用粗网格，则会引发严重的瞬态开裂与隐式动力学不收敛报错。本发明通过建立严格的量纲映射，并给出在保持临界断裂能守恒的前提下对强度与刚度进行等比例缩放的降维算法，使调整后的内聚力特征长度能够平滑跨越3~5个0.05mm的宏观单元尺度，辅以微量粘性正则化，既保证了宏观弯曲剥离极限载荷和开裂全路径的高保真度，又确保了大规模工程有限元求解的稳健收敛。