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金属材料作为工业基础的核心材料，其性能优化与设计一直是材料科学、机械工程和航空航天等领域的研究热点。传统实验方法在探索材料微观机理与宏观性能关联时，往往面临成本高、周期长、尺度局限等挑战，难以全面揭示材料变形、相变、损伤等复杂行为的跨尺度机制。随着计算科学的飞速发展，多尺度计算模拟技术通过整合第一性原理计算、分子动力学、相场法、晶体塑性有限元等方法，构建了从电子/原子尺度到宏观连续尺度的集成工作流，实现了材料性能的精准预测与理性设计。

为了助力科研人员与工程师掌握金属材料多尺度模拟的前沿方法与实战技能，推动材料设计从“经验驱动”向“计算驱动”转变，特举办本次专题培训会议。本次培训将系统讲解多尺度模拟的理论基础、参数传递策略及工业应用案例，通过全流程实战教学，提升学员解决实际科学与工程问题的能力。

适合材料科学与工程、机械工程与航空航天、计算材料学与物理、化学工程与冶金工程、等领域的科研人员、工程师、高校师生及相关行业技术人员。

1. 跨尺度整合与机理深入：课程系统覆盖从微观（电子结构、原子尺度）到宏观（连续介质）的多尺度模拟范式，强调尺度间参数传递与机理关联。

2. 全流程实战导向：以工业界典型问题（如纳米线变形、枝晶生长、铸造缺陷）为案例，提供从模型构建、参数计算到结果可视化的完整操作指南。

3. 前沿技术覆盖：涵盖 DFT 计算、分子动力学、相场法、晶体塑性有限元、铸造过程模拟等。

4. 科研与工程应用结合：不仅讲解原理，还展示多尺度模拟在优化铸造工艺、抗裂材料设计中的经济效益。提供经典文献复现，助力成果转化与论文发表

金属材料多尺度计算模拟技术与应用：微观机理到宏观性能的集成工作流

第一部分 多尺度模拟基础与微观机理

1. 理论内容：

1.1. 金属材料多尺度模拟范式：从电子结构到宏观性能的跨尺度关联

1.2. 第一性原理计算基础：密度泛函理论（DFT）的基本假设、泛函选择及标准计算流程

1.3. 分子动力学模拟核心：经典势函数的物理内涵、适用范围与验证原则；

LAMMPS 的基本建模思想

1.4. 跨尺度参数传递的基本原则：从电子/原子尺度计算获取

2. 实践内容：（从参数计算到原子尺度变形模拟）

例 案例 1 ：金属物性计算 — 后续微观 / 跨尺度计算的基准前提

 计算晶格常数：构建原子模型（纯金属、缺陷、合金）的几何基础

 计算体积模量：反映材料抵抗体积压缩的能力

 计算弹性常数矩阵：连续尺度本构模型的直接输入参数

 计算空位形成能与迁移能垒：揭示材料的 “动态响应机制”

 计算简单合金体系的形成能：从纯金属到实际合金的体系扩展，判断合金的热力学稳定性，为介观组织模拟提供基础。

例 案例 2 ：纳米线拉伸变形的 MD 模拟 — — 跨尺度塑性机制的核心桥梁

 构建金属纳米线模型并施加载荷，复现材料动态受力场景

 可视化解析塑性微观机制：追踪原子轨迹，分析位错的形核位点等

 量化多因素影响规律：对比不同温度与加载速率下位错运动特征，理解热激活过程与尺度效应

第 二 部分 相场方法：微观组织演化与断裂模拟

1. 理论内容：

1.1. 相场法核心思想

1.2. 相场热力学动力学耦合模型

1.3. 相场模型参数物理意义

1.4. 相场模型参数化分析：如何利用第一部分计算结果校准相场模型中的

关键参数（如界面能、迁移率）

2. 实践内容：（从微观组织演化到裂纹扩展）

案例：微观组织演化 模拟 — — 连接微观参数与宏观性能的

 模拟凝固枝晶生长行为

 固态相变核心过程：模拟固态相变过程中新相的形核与生长

 模拟多晶晶粒生长行为

 探究 Zener 钉扎调控机制：在多晶模型中引入第二相粒子，研究钉扎

效应对晶粒长大的抑制机制

案例：锯齿型晶界对裂纹扩展的抑制机制 — 抗裂材料微观结构设计的支撑

 构建含不同曲率锯齿形晶界的双晶模型：引入初始微裂纹

 解析裂纹扩展动态机制：采用相场 - 力学耦合方法施加外载，模拟并

分析裂纹尖端塑性区演变及裂纹扩展路径

 验证抗裂优化设计准则

 关联疲劳损伤演化规律：研究循环载荷下裂纹的扩展行为

第 三 部分 晶体塑性有限元模拟与多尺度衔接

1. 理论内容：

1.1. 晶体塑性理论框架

1.2. 晶体塑性有限元在科学软件中实现

1.3. 多尺度数据传递策略与模型验证

2. 实践内容：（从单晶到多晶的塑性响应预测）

案例：晶体塑性本构模型的单晶验证

 滑移系开动的数值模拟：基于弹性常数与滑移系参数，模拟典型滑移系的启动与演化过程，验证本构模型

 分析单晶各向异性力学响应：模拟单晶在不同取向下的拉伸与压缩变形，分析各向异性响应

案例：基于真实微观结构的多晶宏观性能预测

 微观组织 - 有限元网格映射：将相场法生成的微观组织图像通过脚本转换为有限元网格，实现微观结构与数值模型的对应。

 多晶宏观力学响应计算：构建多晶代表性体积单元，施加周期性边界条件，计算宏观应力-应变响应。

 组织 - 性能定量关联分析：讨论组织特征（晶粒尺寸、取向分布）对整体力学性能的影响

案例：循环载荷下的疲劳损伤与织构演化分析

 模型构建与循环载荷模拟：基于相场微观组织特征建立三维多晶 RVE模型，模拟循环加-卸载过程。

 疲劳损伤与织构演化耦合分析

第四部分 金属液铸造成型过程模拟与应用实例

1. 理论内容

1.1 铸造成型过程模拟软件（EasyCast）概述

1.2 流场、温度场控制方程及求解

1.3 缺陷预测

1.4 与相场微观组织模拟耦合

2. 实践内容：（为企业界优化铸造工艺，带来经济效益）

 舱体、轮毂、隔板件等铸造成型过程建模仿真

第 五部分 分集成工作流与论文实例解读与复现

1. 理论内容：

1.1. 专题研讨：相场-扩散耦合模拟在金属氢致裂纹问题中的应用

1.2. 专题研讨：基于晶体塑性有限元 CPFEM 的高温蠕变损伤分析

1.3. 多尺度模拟结果在科研论文中的有效呈现与数据解读技巧

1.4. 集成工作流设计原则：针对特定科学问题，选择和组合多尺度方法

2. 实践内容：（前沿论文总结与复现）

案例：典型多尺度模拟论文精读与关键结果复现

 Serrated grain boundary modulation inhibits nano cracks propagation in

pure magnesium: A phase field crystal and quasi in-situ EBSD study, Acta

Materialia, 301(2025):121573

.

 Enhancing plasticity in BCC Mg-Li-Al alloys through controlled

precipitation at grain boundaries, International Journal of

Plasticity,181(2024):104105