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docs: 添加物理模拟与淬火系统技术设计

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design/04 仅保留加工硬化与晶粒演化,应力/淬火部分引用 design/05、design/06。design/05 涵盖温度区间、冷却速率、Sigmoid 硬度映射、相态系统、三阶段可视化(过程高辨识→冷却过渡→真实回火色)。

Ultraworked with [Sisyphus](https://github.com/code-yeongyu/oh-my-openagent)

Co-authored-by: Sisyphus <clio-agent@sisyphuslabs.ai>
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starmen1265
2026-08-11 08:58:38 +08:00
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docs/design/04-物理模拟-加工硬化与晶粒演化设计.md
+792
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@@ -0,0 +1,792 @@
# 物理模拟-加工硬化与晶粒演化设计
**项目**: BladeSmith
**文档类型**: 技术设计(专题)
**版本**: 2.0
**最后更新**: 2026-08-11
**状态**: 整合自原 `2026-01-22-物理模拟架构细节.md`
> 本文档描述加工硬化与晶粒演化的技术实现。需求见 [../requirements/04-加工硬化与晶粒演化需求.md](../requirements/04-加工硬化与晶粒演化需求.md)。总体架构见 [00-锻造系统总体技术架构.md](00-锻造系统总体技术架构.md)。
>
> **注意**: 应力分布系统的详细技术内容见 [06-应力累积系统设计.md](06-应力累积系统设计.md)。淬火退火相变系统的详细技术内容见 [05-淬火退火相变系统设计.md](05-淬火退火相变系统设计.md)。本文档仅简要引用这两部分。
---
## 1. 技术背景
加工硬化(Work Hardening)和晶粒演化是锻造过程中的核心物理现象:
- **加工硬化**: 金属在塑性形变后变硬,屈服强度提高,机理是位错密度增加、晶格畸变。加热到再结晶温度(约600°C)后可软化。
- **晶粒演化**: 温度和应变影响微观组织。细晶粒高强度高韧性(Hall-Petch关系),粗晶粒高温下更容易形变。
---
## 2. 数据结构
### 2.1 扩展体素结构
```cpp
USTRUCT(BlueprintType)
struct FTemperatureVoxel
{
GENERATED_BODY()
// ===== 已有字段（保留） =====
UPROPERTY()
float Temperature; // 温度（°C）
UPROPERTY()
float PlasticityCoefficient; // 塑性系数（0-1）
UPROPERTY()
uint8 Flags; // 标志位（bit 0: 表面体素）
// ===== 新增字段 =====
// 平均应变率（记录形变活跃度）
UPROPERTY()
float AverageStrainRate; // 0-1范围，归一化的应变率
// 冷却速率（用于淬火判断，详见设计文档05）
UPROPERTY()
float CoolingRate; // °C/s
// 相态标记（详见设计文档05）
UPROPERTY()
EPhaseState PhaseState; // 奥氏体/马氏体/珠光体
// 淬火标记（是否经历过快速冷却，详见设计文档05）
UPROPERTY()
bool bHasBeenQuenched; // 淬火状态
FTemperatureVoxel()
: Temperature(20.0f)
, PlasticityCoefficient(0.0f)
, Flags(0)
, AverageStrainRate(0.0f)
, CoolingRate(0.0f)
, PhaseState(EPhaseState::Austenite) // 初始为奥氏体
, bHasBeenQuenched(false)
{}
};
```
### 2.2 相态枚举
```cpp
/**
* 相态枚举
* 相变系统详细内容见设计文档05
*/
UENUM(BlueprintType)
enum class EPhaseState : uint8
{
Austenite UMETA(DisplayName = "奥氏体"), // 高温软相（>800°C）
Martensite UMETA(DisplayName = "马氏体"), // 淬火硬相
Pearlite UMETA(DisplayName = "珠光体"), // 缓冷软相
Bainite UMETA(DisplayName = "贝氏体"), // 中间相
Cracked UMETA(DisplayName = "开裂") // 永久缺陷
};
```
### 2.3 顶点属性结构
```cpp
class ADynamicIronBlock
{
private:
// ===== 顶点自定义属性层 =====
// 初始位置（用于无漂移纹理采样）
TDynamicMeshVertexAttribute<FVector>* InitialPositions;
// 累积塑性应变（0-1，归一化）
TDynamicMeshVertexAttribute<float>* AccumulatedStrain;
// 当前硬度系数（0-1，0=最软，1=最硬）
TDynamicMeshVertexAttribute<float>* HardnessCoefficient;
// 打磨度（表面状态，0=生锈，1=光亮）
TDynamicMeshVertexAttribute<float>* PolishAmount;
// 晶粒尺寸（0-1，归一化，0=细晶粒，1=粗晶粒）
TDynamicMeshVertexAttribute<float>* GrainSize;
// 应力值（简化标量，0-1，0=无应力，1=高应力）
// 应力系统详细内容见设计文档06
TDynamicMeshVertexAttribute<float>* StressValue;
// 应力方向（可选，三维向量）
TDynamicMeshVertexAttribute<FVector>* StressDirection;
public:
// 初始化所有顶点属性
void InitializeVertexAttributes();
};
```
---
## 3. 加工硬化模型
### 3.1 物理原理
加工硬化(Work Hardening):
- **现象**: 金属在塑性形变后变硬,屈服强度提高
- **机理**: 位错密度增加,晶格畸变
- **可逆性**: 加热到再结晶温度(约600°C)后软化
### 3.2 应变-硬度映射
```cpp
/**
* 应变-硬度映射（简化经验公式）
* 基于真实钢的应力-应变曲线拟合
*/
float CalculateHardnessFromStrain(float AccumulatedStrain)
{
// 参数（可调）
const float InitialHardness = 0.2f; // 初始硬度
const float MaxHardness = 1.0f; // 最大硬度
const float SaturationStrain = 0.5f; // 饱和应变
// Ludwik方程简化版：σ = σ₀ + k·εⁿ
float HardnessIncrease = MaxHardness - InitialHardness;
float StrainEffect = FMath::Pow(AccumulatedStrain / SaturationStrain, 0.5f);
return InitialHardness + HardnessIncrease * FMath::Min(StrainEffect, 1.0f);
}
```
### 3.3 温度软化因子
高温下硬度降低(模拟动态回复)。
```cpp
/**
* 温度软化因子
* 高温下硬度降低（模拟动态回复）
*/
float CalculateThermalSoftening(float Temperature, float Hardness)
{
// 再结晶温度（简化）
const float RecrystallizationTemp = 600.0f; // °C
if (Temperature < RecrystallizationTemp)
return Hardness; // 低温：无软化
// 高温：软化
float Overheating = Temperature - RecrystallizationTemp;
float SofteningFactor = FMath::Clamp(Overheating / 400.0f, 0.0f, 0.8f);
return Hardness * (1.0f - SofteningFactor);
}
```
### 3.4 锤击时更新硬度和应变
```cpp
/**
* 锤击时更新硬度和应变
*/
void ADynamicIronBlock::OnHammerImpact(
FVector HitLocation,
float ImpactRadius,
float ImpactForce)
{
FVector LocalHitPos = GetTransform().InverseTransformPosition(HitLocation);
DynamicMesh->EditMesh([&](FDynamicMesh3& Mesh)
{
for (int32 VID : Mesh.VertexIndicesItr())
{
FVector VertexPos = Mesh.GetVertex(VID);
float Distance = FVector::Dist(VertexPos, LocalHitPos);
if (Distance < ImpactRadius)
{
// 1. 计算局部形变量（简化）
float DistanceRatio = Distance / ImpactRadius;
float LocalDeformation = FMath::Pow(1.0f - DistanceRatio, 2.0f);
float StrainIncrease = LocalDeformation * ImpactForce * 0.0001f;
// 2. 累积应变
float CurrentStrain = AccumulatedStrain->GetValue(VID);
float NewStrain = FMath::Min(1.0f, CurrentStrain + StrainIncrease);
AccumulatedStrain->SetValue(VID, NewStrain);
// 3. 从温度体素采样温度
FVector VoxelPos = VertexPos / VoxelSize;
float Temperature = SampleTemperatureFromVoxel(VoxelPos);
// 4. 计算硬度（应变硬化）
float StrainHardness = CalculateHardnessFromStrain(NewStrain);
// 5. 温度软化
float FinalHardness = CalculateThermalSoftening(Temperature, StrainHardness);
// 6. 更新硬度
HardnessCoefficient->SetValue(VID, FinalHardness);
// 7. 硬度影响形变阻力（可选：反馈到形变计算）
// 下一锤击时，高硬度区域形变小
}
}
});
}
```
---
## 4. 晶粒演化模型
### 4.1 物理原理
晶粒尺寸影响材料特性:
- **细晶粒**: 高强度、高韧性(Hall-Petch关系)
- **粗晶粒**: 高温下更容易形变
晶粒演化因素:
- **再结晶**: 高温+应变 → 新晶粒形成
- **晶粒长大**: 高温下晶粒合并
- **晶粒细化**: 大应变+低温 → 细化
### 4.2 晶粒尺寸演化
```cpp
/**
* 晶粒尺寸演化（简化标量模型）
*/
float EvolveGrainSize(
float CurrentGrainSize, // 当前晶粒尺寸（归一化0-1）
float Temperature, // 当前温度（°C）
float Strain, // 累积应变
float DeltaTime) // 时间步长
{
const float RecrystallizationTemp = 600.0f;
const float GrainGrowthTemp = 900.0f;
// 1. 再结晶：大应变+高温 → 晶粒细化
if (Temperature > RecrystallizationTemp && Strain > 0.3f)
{
float RecrystallizationRate = 0.1f; // 可调
return CurrentGrainSize * (1.0f - RecrystallizationRate * DeltaTime);
}
// 2. 晶粒长大：高温 → 晶粒粗化
if (Temperature > GrainGrowthTemp)
{
float GrowthRate = 0.05f * (Temperature - GrainGrowthTemp) / 300.0f;
return FMath::Min(1.0f, CurrentGrainSize * (1.0f + GrowthRate * DeltaTime));
}
// 3. 晶粒细化：大应变 → 晶粒细化
if (Strain > 0.5f)
{
float RefinementRate = 0.02f;
return FMath::Max(0.1f, CurrentGrainSize * (1.0f - RefinementRate * DeltaTime));
}
return CurrentGrainSize;
}
```
### 4.3 更新顶点晶粒尺寸
```cpp
/**
* 更新顶点晶粒尺寸
*/
void ADynamicIronBlock::UpdateGrainStructure(float DeltaTime)
{
DynamicMesh->EditMesh([&](FDynamicMesh3& Mesh)
{
for (int32 VID : Mesh.VertexIndicesItr())
{
float CurrentGrainSize = GrainSize->GetValue(VID);
float Strain = AccumulatedStrain->GetValue(VID);
// 采样温度
FVector Pos = Mesh.GetVertex(VID);
float Temperature = SampleTemperatureFromVoxel(Pos);
// 演化晶粒尺寸
float NewGrainSize = EvolveGrainSize(CurrentGrainSize, Temperature, Strain, DeltaTime);
GrainSize->SetValue(VID, NewGrainSize);
}
});
}
```
### 4.4 大马士革花纹模拟
```cpp
/**
* 初始化层状材料（用于大马士革钢）
*/
void InitializeLayeredMaterialStructure()
{
DynamicMesh->EditMesh([&](FDynamicMesh3& Mesh)
{
TDynamicMeshVertexAttribute<int32>* MaterialLayerID =
new TDynamicMeshVertexAttribute<int32>(&Mesh);
for (int32 VID : Mesh.VertexIndicesItr())
{
FVector Pos = Mesh.GetVertex(VID);
// 简单层状分布：沿Z轴
// 每层厚度2mm
int32 LayerID = (int32)FMath::Floor(Pos.Z / 2.0f) % 2;
MaterialLayerID->SetValue(VID, LayerID);
}
});
}
```
### 4.5 大马士革花纹材质HLSL
```hlsl
// 材质中基于MaterialLayerID采样不同颜色
float LayerID = MaterialLayerAttribute; // 从顶点属性读取
float3 HighCarbonColor = float3(0.15, 0.1, 0.08); // 深色层
float3 LowCarbonColor = float3(0.75, 0.7, 0.65); // 浅色层
float3 BaseColor = lerp(HighCarbonColor, LowCarbonColor, LayerID);
// 添加扭曲（基于形变）
float Distortion = length(AccumulatedStrain) * 5.0;
float3 WarpedPattern = WarpedNoise(BaseColor, Distortion);
FinalColor = BaseColor * (0.8 + WarpedPattern * 0.2);
```
---
## 5. GPU Compute Shader集成
### 5.1 Shader结构
```
MiceShaders/Source/MiceShaders/Private/
├── MetallurgyComputeShader.usf
├── MetallurgyComputeShader.h
└── MetallurgyComputeShader.cpp
```
### 5.2 Metallurgy Compute Shader HLSL
```hlsl
// MetallurgyComputeShader.usf
#define VOXEL_SIZE 50
#define THREAD_COUNT 32
// 输入/输出缓冲区
RWStructuredBuffer<float4> TemperatureBufferA; // 温度 + 塑性系数
RWStructuredBuffer<float4> TemperatureBufferB; // Ping-Pong
RWStructuredBuffer<float4> MetallurgyBuffer; // 应变率 + 冷却速率 + 相态 + 淬火标记
// 参数
cbuffer MetallurgyParams
{
float DeltaTime;
float3 VoxelWorldMin;
float VoxelSize;
float3 Padding;
};
/**
* 计算 Metallurgy Shader 主函数
*/
[numthreads(THREAD_COUNT, THREAD_COUNT, 1)]
void MetallurgyComputeShader(uint3 ThreadId : SV_DispatchThreadID)
{
uint VoxelIndex = ThreadId.x + ThreadId.y * VoxelSize;
// 读取温度
float Temperature = TemperatureBufferA[VoxelIndex].r;
float Plasticity = TemperatureBufferA[VoxelIndex].g;
// 读取应变率
float StrainRate = MetallurgyBuffer[VoxelIndex].r;
// 1. 应变率衰减（模拟时效）
StrainRate *= 0.99;
// 2. 计算冷却速率（相变判断基础，详见设计文档05）
float3 WorldPos = VoxelToWorldPosition(VoxelIndex);
float SurfaceFactor = IsSurfaceVoxel(WorldPos) ? 1.0 : 0.1;
float CoolingRate = SurfaceFactor * (Temperature - 20.0) * 0.1;
// 3. 相态判断（详细相变逻辑见设计文档05）
uint PhaseState = 0; // 奥氏体
if (CoolingRate > 100.0 && Temperature > 800.0)
{
PhaseState = 1; // 马氏体（淬火）
}
else if (Temperature < 600.0)
{
PhaseState = 2; // 珠光体（缓冷）
}
// 写回
MetallurgyBuffer[VoxelIndex] = float4(StrainRate, CoolingRate, PhaseState, 0.0);
}
/**
* 辅助函数：体素索引转世界坐标
*/
float3 VoxelToWorldPosition(uint Index)
{
uint X = Index % VoxelSize;
uint Y = (Index / VoxelSize) % VoxelSize;
uint Z = Index / (VoxelSize * VoxelSize);
return VoxelWorldMin + float3(X, Y, Z) * VoxelSize;
}
/**
* 辅助函数：判断是否为表面体素
*/
bool IsSurfaceVoxel(float3 WorldPos)
{
// 简化：边界体素为表面
// 实际应使用法线判断
return false;
}
```
### 5.3 C++ Shader封装
```cpp
// MetallurgyComputeShader.h
class FMetallurgyComputeShader
{
public:
static void Dispatch(
FRHICommandListImmediate& RHICmdList,
FStructuredBufferRHIRef TemperatureBufferA,
FStructuredBufferRHIRef TemperatureBufferB,
FStructuredBufferRHIRef MetallurgyBuffer,
float DeltaTime,
FIntVector VoxelResolution);
};
```
### 5.4 C++ Shader调用
```cpp
// MetallurgyComputeShader.cpp
void FMetallurgyComputeShader::Dispatch(
FRHICommandListImmediate& RHICmdList,
FStructuredBufferRHIRef TemperatureBufferA,
FStructuredBufferRHIRef TemperatureBufferB,
FStructuredBufferRHIRef MetallurgyBuffer,
float DeltaTime,
FIntVector VoxelResolution)
{
// 设置Shader
TShaderMapRef<FMetallurgyComputeShader> ComputeShader(GetGlobalShaderMap(GMaxRHIFeatureLevel));
// 设置参数
RHICmdList.SetComputeShader(ComputeShader.GetComputeShader());
ComputeShader->SetParameters(RHICmdList, TemperatureBufferA, TemperatureBufferB,
MetallurgyBuffer, DeltaTime, VoxelMin, VoxelSize);
// Dispatch
int32 ThreadGroupCount = (VoxelResolution.X + 31) / 32;
RHICmdList.DispatchComputeShader(ThreadGroupCount, ThreadGroupCount, 1);
}
```
### 5.5 异步Dispatch模式
```cpp
ENQUEUE_RENDER_COMMAND(FMetallurgyComputeDispatch)(
[this, DeltaTime](FRHICommandListImmediate& RHICmdList)
{
FMetallurgyComputeShader::Dispatch(
RHICmdList,
TemperatureBufferA,
TemperatureBufferB,
MetallurgyBuffer,
DeltaTime,
TemperatureResolution
);
bMetallurgyComputeComplete = true;
}
);
// CPU 继续其他工作，不等待GPU
```
---
## 6. 材质可视化
### 6.1 硬度可视化
```hlsl
// 材质中：基于硬度调整颜色
float Hardness = SampleHardnessFromVoxel(WorldPos);
float3 SoftColor = float3(0.6, 0.5, 0.4); // 软：棕色
float3 HardColor = float3(0.8, 0.8, 0.85); // 硬：银白色
float3 HardnessColor = lerp(SoftColor, HardColor, Hardness);
```
### 6.2 应力可视化
**注意**: 应力分布系统的详细可视化见 [06-应力累积系统设计.md](06-应力累积系统设计.md)。此处为简要引用。
```hlsl
// 顶点颜色.A通道存储应力
float Stress = VertexColor.a;
float3 LowStressColor = float3(0.3, 0.5, 0.7); // 低应力：蓝色
float3 HighStressColor = float3(1.0, 0.3, 0.1); // 高应力：红色
float3 StressColor = lerp(LowStressColor, HighStressColor, Stress);
// 混合到基础颜色
BaseColor = lerp(BaseColor, StressColor, Stress * 0.5);
```
### 6.3 相态可视化
**注意**: 淬火相变系统的详细可视化见 [05-淬火退火相变系统设计.md](05-淬火退火相变系统设计.md)。此处为简要引用。
```hlsl
// 从体素采样相态
float PhaseState = SamplePhaseStateFromVoxel(WorldPos);
float3 AusteniteColor = float3(1.0, 0.8, 0.6); // 奥氏体：浅橙色
float3 MartensiteColor = float3(0.9, 0.85, 0.8); // 马氏体：银白色
float3 PearliteColor = float3(0.7, 0.6, 0.5); // 珠光体：深灰色
float3 PhaseColor;
if (PhaseState < 0.5)
PhaseColor = AusteniteColor;
else if (PhaseState < 1.5)
PhaseColor = MartensiteColor;
else
PhaseColor = PearliteColor;
// 根据温度过渡
float Temp = SampleTemperatureFromVoxel(WorldPos);
float MixFactor = smoothstep(600.0, 800.0, Temp);
BaseColor = lerp(PhaseColor, AusteniteColor, MixFactor);
```
---
## 7. 性能优化
### 7.1 GPU优化策略
```cpp
// 1. 使用共享内存（GroupShared）
groupshared float SharedTemperature[THREAD_COUNT * THREAD_COUNT];
// 2. 波前优化（Wave Intrinsics）
uint WaveSize = GetWaveSize();
float WaveSum = WaveActiveSum(StrainRate);
// 3. 避免分支 divergence
if (CoolingRate > 100.0) // 差：条件跳转
PhaseState = 1.0;
PhaseState = step(100.0, CoolingRate); // 好：无分支
```
### 7.2 CPU-GPU异步
```cpp
// 异步Dispatch
ENQUEUE_RENDER_COMMAND(FMetallurgyComputeDispatch)(
[this, DeltaTime](FRHICommandListImmediate& RHICmdList)
{
FMetallurgyComputeShader::Dispatch(
RHICmdList,
TemperatureBufferA,
TemperatureBufferB,
MetallurgyBuffer,
DeltaTime,
TemperatureResolution
);
// 标记完成
bMetallurgyComputeComplete = true;
}
);
// CPU继续其他工作，不用等待GPU
```
### 7.3 LOD策略
```cpp
// 根据摄像机距离调整计算频率
float DistanceToCamera = FVector::Dist(GetActorLocation(), CameraLocation);
int32 ComputeFrequency;
if (DistanceToCamera < 200.0f)
ComputeFrequency = 1; // 每帧计算
else if (DistanceToCamera < 500.0f)
ComputeFrequency = 2; // 每2帧计算
else
ComputeFrequency = 5; // 每5帧计算
static int32 FrameCounter = 0;
if (++FrameCounter % ComputeFrequency == 0)
{
DispatchMetallurgyComputeShader();
}
```
---
## 8. 参数配置示例
### 8.1 碳钢(C105)
```cpp
// 加工硬化参数
InitialHardness = 0.25f;
SaturationStrain = 0.6f;
WorkHardeningExponent = 0.55f;
// 相变参数（详见设计文档05）
AustenitizingTemp = 800.0f;
QuenchingCriticalRate = 120.0f;
MartensiteHardness = 0.95f;
// 晶粒参数
InitialGrainSize = 0.5f;
RecrystallizationTemp = 650.0f;
```
### 8.2 高碳钢(C150)
```cpp
// 更容易硬化
InitialHardness = 0.35f;
SaturationStrain = 0.4f;
// 淬火更敏感（详见设计文档05）
QuenchingCriticalRate = 80.0f; // 更容易淬火
MartensiteHardness = 1.0f; // 更硬
```
### 8.3 低碳钢(C20)
```cpp
// 难硬化
InitialHardness = 0.15f;
SaturationStrain = 0.8f;
// 难淬火（详见设计文档05）
QuenchingCriticalRate = 200.0f; // 很难淬火
MartensiteHardness = 0.7f;
```
---
## 9. 调试工具
### 9.1 体素数据可视化
```cpp
void ADynamicIronBlock::DebugDrawVoxelData()
{
for (int32 Z = 0; Z < TemperatureResolution.Z; ++Z)
{
for (int32 Y = 0; Y < TemperatureResolution.Y; ++Y)
{
for (int32 X = 0; X < TemperatureResolution.X; ++X)
{
FIntVector Coord(X, Y, Z);
int32 Index = GetTemperatureIndex(Coord);
const FTemperatureVoxel& Voxel = TemperatureGrid[Index];
// 只绘制表面体素
if (!(Voxel.Flags & VOXEL_FLAG_SURFACE))
continue;
FVector WorldPos = VoxelCoordToWorldPos(Coord);
// 颜色：温度
FLinearColor Color = FLinearColor(
FMath::Clamp(Voxel.Temperature / 1200.0f, 0.0f, 1.0f),
0.0f,
1.0f - FMath::Clamp(Voxel.Temperature / 1200.0f, 0.0f, 1.0f)
);
DrawDebugPoint(GetWorld(), WorldPos, 3.0f, Color.ToFColor(), false, 0.1f);
}
}
}
}
```
### 9.2 应力热图
**注意**: 应力热图的详细实现见 [06-应力累积系统设计.md](06-应力累积系统设计.md)。此处为简要引用。
```cpp
void ADynamicIronBlock::DebugDrawStressHeatmap()
{
if (!DynamicMesh->HasMesh())
return;
for (int32 VID : DynamicMesh->VertexIndicesItr())
{
if (VID % 50 != 0) // 稀疏采样
continue;
float Stress = StressValue->GetValue(VID);
FVector WorldPos = GetActorTransform().TransformPosition(DynamicMesh->GetVertex(VID));
// 蓝色（低应力）→ 红色（高应力）
FColor HeatColor = FLinearColor::LerpUsingHSV(
FColor::Blue,
FColor::Red,
Stress
).ToFColor();
DrawDebugPoint(GetWorld(), WorldPos, 5.0f, HeatColor, false, 5.0f);
}
}
```
---
## 10. 已知限制与未来改进
### 10.1 当前限制
1. **简化模型**: 所有物理模型均为经验公式,非严格物理计算
2. **无热-力耦合**: 温度场和应力场独立计算,未考虑形变生热
3. **无磁-电效应**: 忽略了电磁场对相变的影响
4. **各向同性**: 假设材料各向同性,真实钢有晶粒取向
5. **晶粒模型极度简化**: 真实晶粒有复杂3D形状与取向,当前用标量GrainSize
### 10.2 适用场景
游戏娱乐级,足够真实感但非科研级精度。
---
## 11. 引用
- 对应需求: [../requirements/04-加工硬化与晶粒演化需求.md](../requirements/04-加工硬化与晶粒演化需求.md)
- 总体架构: [00-锻造系统总体技术架构.md](00-锻造系统总体技术架构.md)
- 原始设计文档(归档): [../_archive/plans/2026-01-22-物理模拟架构细节.md](../_archive/plans/2026-01-22-物理模拟架构细节.md)
- 相关专题(淬火系统): [05-淬火退火相变系统设计.md](05-淬火退火相变系统设计.md)
- 相关专题(应力系统): [06-应力累积系统设计.md](06-应力累积系统设计.md)
docs/design/05-淬火退火相变系统设计.md
+470
View File
@@ -0,0 +1,470 @@
# 淬火退火相变系统设计
**项目**: BladeSmith
**文档类型**: 技术设计(专题)
**版本**: 2.0
**最后更新**: 2026-08-11
**状态**: 整合自原 `2026-01-23-淬火退火相变系统设计.md`
> 本文档描述淬火退火相变系统的技术实现。需求见 [../requirements/05-淬火退火相变需求.md]。总体架构见 [00-锻造系统总体技术架构.md](00-锻造系统总体技术架构.md)。
---
## 1. 技术背景
淬火退火相变系统模拟热处理过程中的相变行为，基于温度和冷却速率计算材料状态变化。系统通过温度区间判定、冷却速率计算、相态判定、硬度/脆性计算以及三阶段可视化，实现真实的热处理效果模拟。
---
## 2. 温度区间判定
### 2.1 温度阈值定义
**三个关键温度阈值**:
| 阈值名称 | 温度范围 | 效果 |
|---------|---------|------|
| 临界下限 | < 800°C | 淬火无效，硬度无提升 |
| 黄金区间 | 900-1100°C | 最佳淬火，硬度最大提升 |
| 临界上限 | > 1200°C | 材料开裂风险，硬度提升低 |
### 2.2 温度区间修正系数
**TemperatureFactor 公式**:
```
TemperatureFactor =
3.0 (900°C ≤ T ≤ 1100°C, 黄金区间)
1.8 (800°C ≤ T < 900°C 或 1100°C < T ≤ 1200°C, 次优区间)
0.5 (T < 800°C, 温度过低)
0.2 (T > 1200°C, 温度过高且可能开裂)
```
---
## 3. 冷却速率计算
### 3.1 基础冷却速率公式
```
CoolingRate = |T_current - T_previous| / Δt
```
**参数说明**:
- `T_current`: 当前帧体素温度
- `T_previous`: Δt时间前的体素温度
- `Δt`: 采样时间窗口（推荐0.5-1.0秒）
### 3.2 滑动平均平滑
**平滑公式**:
```
CoolingRate_smoothed = Σ(CoolingRate_i) / N (i=1 to N, N=10)
```
使用过去10帧的平均值，消除瞬时波动。
---
## 4. 硬度映射系统
### 4.1 硬度倍数公式
**基于冷却速率的Sigmoid函数**:
```
HardnessMultiplier = BaseMultiplier × Sigmoid(CoolingRate)
```
其中:
```
Sigmoid(CoolingRate) = 1 + 2 / (1 + exp(-k × (CoolingRate - Threshold)))
```
**参数说明**:
- `BaseMultiplier = 1.0`: 基准倍数
- `Threshold = 35°C/s`: 中点冷却速率
- `k = 0.1`: 曲线陡峭度（可调节）
### 4.2 冷却速率分类
| 冷却速率 | 范围 | 淬火方式 | 硬度表现 |
|---------|------|---------|---------|
| 快速冷却 | > 50°C/s | 水淬 | 硬度最高 |
| 中速冷却 | 20-50°C/s | 油淬 | 硬度适中 |
| 慢速冷却 | < 20°C/s | 空冷 | 硬度低（退火） |
### 4.3 最终硬度计算
**综合硬度公式**:
```
FinalHardness = InitialHardness × HardnessMultiplier × TemperatureFactor
```
### 4.4 硬度对形变的影响
**形变阻力公式**:
```
HardnessFactor = 1.0 + (Hardness / MaxHardness) × 2.0
```
硬度越高，形变阻力越大（最大3倍阻力）。
---
## 5. 脆性计算系统
### 5.1 脆性系数公式
**基础脆性公式**:
```
Brittleness = BaseBrittleness + BrittlenessIncrease × CoolingRate_normalized
```
**参数说明**:
- `BaseBrittleness = 0.1`: 基准脆性（未经淬火的钢）
- `BrittlenessIncrease = 0.6`: 最大脆性增加量
- `CoolingRate_normalized`: 归一化冷却速率
**归一化公式**:
```
CoolingRate_normalized = clamp(CoolingRate / 80°C/s, 0, 1)
```
### 5.2 脆性对开裂的影响
脆性系数与开裂概率直接相关，详见应力系统文档。
### 5.3 脆性可视化阈值
| 脆性范围 | 颜色 | 含义 |
|---------|------|------|
| < 0.3 | 绿色 | 韧性良好 |
| 0.3 - 0.6 | 黄色 | 中度脆性 |
| ≥ 0.6 | 红色 | 高度脆性 |
---
## 6. 内部应力公式
### 6.1 应力分量
**热应力分量（温度梯度）**:
```
StressThermal = ThermalStressCoeff × CoolingRate × (T_current - 20°C)
```
**参数说明**:
- `ThermalStressCoeff = 0.005`: 热应力系数（可调）
- `T_current`: 当前温度（°C）
- 20°C: 环境温度
**相变应力分量（马氏体体积膨胀）**:
```
StressPhase = PhaseStressCoeff × MartensiteFraction
```
**参数说明**:
- `PhaseStressCoeff = 50.0`: 相变应力系数
- `MartensiteFraction`: 马氏体转化比例
**马氏体转化比例公式**:
```
MartensiteFraction = clamp(CoolingRate / 80°C/s, 0, 1)
```
### 6.2 总应力
**综合应力公式**:
```
InternalStress = StressThermal + StressPhase
```
### 6.3 应力松弛机制
**温度驱动的松弛公式**:
```
RelaxationFactor =
0.99 (T < 100°C, 常温慢松弛)
0.90 (200°C ≤ T < 400°C, 回火快松弛)
0.85 (T ≥ 400°C, 快速松弛)
```
**每帧更新**:
```
InternalStress = InternalStress × RelaxationFactor
```
---
## 7. 相态系统
### 7.1 相态枚举
**EPhaseState 定义**:
```cpp
UENUM(BlueprintType)
enum class EPhaseState : uint8
{
Austenite = 0, // 奥氏体（软）
Martensite = 1, // 马氏体（硬）
Pearlite = 2, // 珠光体（中）
Cracked = 3 // 开裂（永久缺陷）
};
```
### 7.2 相变判定规则
**奥氏体→马氏体（淬火）**:
```cpp
if (Temperature > 800°C && CoolingRate > 20°C/s)
{
PhaseState = EPhaseState::Martensite;
// 硬度和脆性提升
}
```
**奥氏体→珠光体（退火）**:
```cpp
if (Temperature > 800°C && CoolingRate < 20°C/s)
{
PhaseState = EPhaseState::Pearlite;
// 硬度适中，脆性低
}
```
**重置相态**:
```cpp
if (Temperature > 800°C && TimeAbove800C > 5.0s)
{
PhaseState = EPhaseState::Austenite;
// 材料回到软态，可重新淬火
}
```
---
## 8. 三阶段可视化设计
### 8.1 阶段1：淬火过程（临时高辨识度）
**顶点颜色强制覆盖**:
```hlsl
// R通道：温度的互补色
R = 1.0 - Temperature / MaxTemperature
// G通道：冷却速率（快=绿色，慢=红色）
G = clamp(1.0 - CoolingRate / 80°C/s, 0, 1)
// B通道：硬度倍数（暗色=软，亮色=硬）
B = (Hardness - MinHardness) / (MaxHardness - MinHardness)
// A通道：脆性（透明=韧性，不透明=脆）
A = Brittleness
```
**材质临时参数**:
- 自发光：启用，随温度变化
- 金属度：暂时设为1.0（全金属感）
- 粗糙度：暂时设为0.0（镜面反光）
### 8.2 阶段2：冷却过渡（逐步恢复正常）
**颜色过渡公式**（0.5-1.0秒）:
```hlsl
// 插值因子
Alpha = (CurrentTime - QuenchStartTime) / TransitionDuration
// R通道：温度回归到常温
R = Lerp(TemporaryR, 0.0, Alpha)
// G通道：恢复到打磨度
G = Lerp(TemporaryG, PolishAmount, Alpha)
// B通道：恢复到噪声种子
B = Lerp(TemporaryB, NoiseSeed, Alpha)
// A通道：保留相态标记
A = PhaseState // 0=奥氏体, 1=马氏体, 2=珠光体, 3=开裂
```
**材质过渡**:
```hlsl
// 自发光：指数衰减至0
Emissive = TemporaryEmissive × exp(-Alpha × 5.0)
// 金属度/粗糙度：恢复到打磨度驱动
Metallic = 0.5 + PolishAmount × 0.5
Roughness = 0.6 - PolishAmount × 0.4
```
### 8.3 阶段3：最终真实表现（永久保留）
#### 8.3.1 回火色系统
**回火色映射表**:
| 回火温度 | 颜色 | RGB值 |
|---------|------|-------|
| 20-150°C（无回火） | 银灰色 | (0.8, 0.8, 0.8) |
| 150-200°C | 淡黄色 | (0.95, 0.9, 0.7) |
| 200-250°C | 金黄/麦秆色 | (0.95, 0.8, 0.4) |
| 250-300°C | 棕色 | (0.7, 0.5, 0.3) |
| 300-350°C | 紫色 | (0.6, 0.4, 0.7) |
| 350-400°C | 蓝色 | (0.4, 0.5, 0.8) |
| >400°C | 灰色 | (0.6, 0.6, 0.6) |
实现方式: 根据最后回火温度设置顶点TemperColor属性。
#### 8.3.2 氧化层表现
**OxidationLevel 属性定义**（0-1）:
| 冷却介质 | OxidationLevel | 视觉效果 |
|---------|---------------|---------|
| 水淬 | 0.8-1.0 | 深色氧化层 |
| 油淬 | 0.4-0.6 | 浅棕色氧化层 |
| 空冷 | 0.1-0.3 | 轻微氧化 |
#### 8.3.3 最终材质组合
**基础颜色公式**:
```hlsl
BaseColor = OxidationColor × (1 - PolishAmount) + TemperColor × PolishAmount
```
**参数说明**:
- `OxidationColor`: 基于OxidationLevel的深灰色
- `TemperColor`: 基于TemperColor的回火色
- `PolishAmount`: 打磨度（打磨后露出金属底色）
#### 8.3.4 相态的微妙影响
虽然马氏体组织肉眼不可见，但通过细微色调表现:
- 马氏体区域: 略微更冷色调（蓝灰倾向）
- 珠光体区域: 略微更暖色调（棕灰倾向）
- 奥氏体区域: 中性灰调
---
## 9. 实现架构
### 9.1 GPU-CPU分工
**GPU Compute Shader职责**:
- 体素层面热力学计算
- 温度场更新
- 冷却速率计算（滑动平均）
- 相态判定
- 热应力计算
**CPU职责**:
- 顶点属性更新
- 硬度/脆性公式应用
- 相态采样到顶点
- 三阶段可视化逻辑
- 材质参数更新
### 9.2 数据流
```
温度更新（GPU）
↓
冷却速率计算（GPU）
↓
相态判定（GPU）
↓
硬度/脆性公式（CPU）
↓
顶点属性更新（CPU）
↓
材质可视化（CPU）
```
### 9.3 性能优化
**冷却速率计算**:
- 使用Ping-Pong双缓冲避免冲突
- 滑动平均使用历史缓冲，减少计算量
**相态判定**:
- 只在温度变化时重新计算
- 使用标志位避免重复判定
**可视化**:
- 临时效果使用简单着色器
- 最终效果复用现有材质系统
---
## 10. 参数配置
### 10.1 可调参数（蓝图可配）
| 参数名 | 默认值 | 范围 | 说明 |
|-------|--------|------|------|
| `CriticalTempLow` | 800.0°C | 600-900 | 临界下限 |
| `CriticalTempHigh` | 1200.0°C | 1100-1400 | 临界上限 |
| `GoldTempMin` | 900.0°C | 800-1000 | 黄金区间下限 |
| `GoldTempMax` | 1100.0°C | 1000-1200 | 黄金区间上限 |
| `CoolingRateThreshold` | 35.0°C/s | 20-50 | Sigmoid中点 |
| `SigmoidK` | 0.1 | 0.05-0.2 | 曲线陡峭度 |
| `ThermalStressCoeff` | 0.005 | 0.001-0.01 | 热应力系数 |
| `PhaseStressCoeff` | 50.0 | 20-100 | 相变应力系数 |
| `RelaxationTimeNormal` | 60.0s | 30-120 | 常温松弛时间 |
| `RelaxationTimeTemper` | 10.0s | 5-20 | 回火松弛时间 |
### 10.2 调试工具
- 体素可视化：显示温度、冷却速率、相态
- 顶点属性检查：硬度、脆性、应力值
- 时间线：记录淬火-回火过程
- 统计面板：覆盖率、平均硬度、最大脆性
---
## 11. 实施计划
### 11.1 第一阶段：核心公式（1天）
- 冷却速率计算
- 硬度/脆性公式
- 相态判定逻辑
- 单元测试
### 11.2 第二阶段：顶点属性（1天）
- 顶点属性扩展
- 公式应用到顶点
- 材质参数更新
- 基础可视化
### 11.3 第三阶段：三阶段可视化（1-2天）
- 淬火过程临时效果
- 冷却过渡动画
- 回火色系统
- 氧化层表现
- UI辅助工具
### 11.4 第四阶段：集成测试（0.5天）
- 完整流程测试
- 性能Profiling
- 参数调优
- 文档更新
---
## 12. 已知限制
1. **相变模型经验化**: 真实马氏体转变需要CCT曲线，当前用冷却速率阈值近似
2. **各向同性假设**: 真实钢有晶粒取向，当前材料各向同性
3. **简化热力学**: 忽略形变生热、磁性等二次效应
---
## 13. 引用
- 对应需求: [../requirements/05-淬火退火相变需求.md](../requirements/05-淬火退火相变需求.md)
- 总体架构: [00-锻造系统总体技术架构.md](00-锻造系统总体技术架构.md)
- 原始设计文档(归档): [../_archive/plans/2026-01-23-淬火退火相变系统设计.md](../_archive/plans/2026-01-23-淬火退火相变系统设计.md)
- 相关专题(物理模拟): [04-物理模拟-加工硬化与晶粒演化设计.md](04-物理模拟-加工硬化与晶粒演化设计.md)