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淬火退火相变与应力疲劳系统总览

项目: BladeSmith 日期: 2026-01-23 目标: 实现游戏娱乐级的高真实度冶金学物理系统 性能目标: 60 FPS @ 锤击操作

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1. 设计目标

1.1 核心物理现象

实现以下冶金学物理过程：

1. 淬火硬化（马氏体相变）

   • 快速冷却改变晶体结构
   • 极大提升硬度和脆性
   • 温度区间与冷却速率双参数控制

2. 退火/回火机制

   • 重新加热软化材料
   • 应力松弛，硬度降低
   • 可逆性支持（可多次热处理）

3. 应力累积与松弛

   • 多来源应力：塑性形变、热应力、相变应力、残余应力
   • 应力影响形变阻力和开裂风险
   • 温度驱动的应力松弛机制

4. 疲劳累积与耐久度

   • 反复锻打导致的材料疲劳
   • 裂纹起始与扩展机制
   • 刀具使用中的耐久度系统

1.2 设计原则

• 游戏体验优先: 简化物理模型，保留核心机制，60 FPS性能
• 三阶段可视化: 淬火过程高辨识度→冷却过渡→真实物理表现
• 渐进式实现: 分阶段开发，每阶段可独立运行
• 架构扩展性: 为未来功能预留接口
• YAGNI原则: 避免过度设计，专注核心功能

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2. 整体架构方案

2.1 混合体素-顶点架构

核心思想: 体素存储"物理场"，顶点存储"材料历史"

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     锤击输入                             │
└─────────────────┬───────────────────────────────────────┘
                  │
         ┌────────┴────────┐
         │                 │
    ┌────▼─────┐    ┌─────▼────┐
    │ 体素层   │    │  顶点层   │
    │ (GPU)    │    │  (GPU)    │
    └────┬─────┘    └─────┬────┘
         │                 │
         │  双向采样通信   │
         └────────┬────────┘
                  │
         ┌────────▼────────┐
         │   渲染 & 显示    │
         └─────────────────┘

2.2 体素层（全局物理场）

存储内容:

• 温度场（已有）
• 冷却速率场（用于淬火判定）
• 相态标记（0=奥氏体, 1=马氏体, 2=珠光体, 3=开裂）

分辨率: 50×50×50（可配置） 更新方式: GPU Compute Shader（Ping-Pong双缓冲）

2.3 顶点层（局部材料历史）

存储内容:

• 硬度系数（影响形变阻力）
• 脆性系数（影响开裂风险）
• 内部应力值（标量简化）
• 疲劳值（0-1，影响耐久度）
• 相态标记（从体素采样）
• 回火颜色（用于真实视觉表现）
• 氧化层度数（用于氧化层表现）
• 打磨度（表面状态）

数量: 20-50万顶点（基础）

2.4 数据流

锤击事件
  ↓
1. 形变计算（顶点位移）
  ↓
2. 应力累积（塑性应力+残余应力）
  ↓
3. 从温度体素采样相态和材料参数
  ↓
4. 硬度/脆性计算（基于相变+冷却速率）
  ↓
5. 更新顶点属性（硬度、应力、疲劳）
  ↓
6. 应力扩散与松弛
  ↓
7. 疲劳累积与裂纹判定
  ↓
8. 材质可视化更新

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3. 子系统概述

3.1 淬火退火相变系统

目标: 实现基于温度和冷却速率的真实热处理效果

核心机制:

• 温度区间判定（800-1200°C）
• 冷却速率计算（快速/中速/慢速）
• 硬度倍数映射（基于Sigmoid函数）
• 脆性系数增加（基于冷却速率）
• 相态标记永久保留

可视化:

• 三阶段可视化：过程高辨识度→冷却过渡→真实物理表现
• 真实回火色系统（基于最后回火温度）
• 氧化层表现（基于冷却介质）

详细设计: 见 淬火退火相变系统设计.md

3.2 应力累积系统

目标: 模拟多来源应力累积与物理表现

应力来源:

• 塑性形变应力（锤击）
• 热应力（温度梯度）
• 相变应力（马氏体膨胀）
• 残余应力（外部约束）

物理表现:

• 弯曲/扭曲（应力梯度导致）
• 裂纹起始与扩展（应力超阈值）
• 应力松弛（温度驱动）

辅助功能:

• 应力扫描模式（玩家主动开启）
• 彩虹色谱可视化应力分布

详细设计: 见 应力累积系统设计.md

3.3 疲劳累积与耐久度系统

目标: 模拟材料疲劳和刀具耐久度

疲劳机制:

• 累积式疲劳值（每次锻打增加）
• 应力和温度影响疲劳率
• 疲劳裂纹起始与扩展

耐久度系统:

• 基于平均疲劳、裂纹数量、最大应力
• 使用中的损伤累积
• 回火部分恢复耐久度

详细设计: 见 疲劳累积与耐久度系统设计.md

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4. 数据结构设计

4.1 扩展体素结构

USTRUCT(BlueprintType)
struct FTemperatureVoxel
{
    GENERATED_BODY()

    // ===== 已有字段 =====
    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 =====
    UPROPERTY()
    float CoolingRate;              // 冷却速率（°C/s）

    UPROPERTY()
    uint8 PhaseState;               // 相态（0=奥氏体, 1=马氏体, 2=珠光体, 3=开裂）

    FTemperatureVoxel()
        : Temperature(20.0f)
        , PlasticityCoefficient(0.0f)
        , Flags(0)
        , CoolingRate(0.0f)
        , PhaseState(0)
    {}
};

4.2 顶点自定义属性

// 在DynamicIronBlock.h中添加
class ADynamicIronBlock : public ADynamicMeshActor
{
    // 顶点属性层（使用FDynamicMesh3的扩展属性系统）
    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* HardnessCoefficient;    // 硬度系数
    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* Brittleness;            // 脆性系数（0-1）
    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* InternalStress;        // 内部应力值
    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* FatigueValue;          // 疲劳值（0-1）
    TDynamicMeshVertexAttribute<uint8>* PhaseState;            // 相态标记
    TDynamicMeshVertexAttribute<FVector>* TemperColor;        // 回火颜色
    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* OxidationLevel;        // 氧化层度数
    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* PolishAmount;          // 打磨度
};

4.3 顶点颜色编码方案

由于顶点颜色只有4通道（RGBA），需要精心分配：

通道	用途	范围	说明
R	温度可视化	0-1	淬火过程：温度映射，冷却后恢复
G	打磨度	0-1	0=生锈，1=光亮金属
B	噪声种子	0-1	用于无漂移纹理采样
A	辅助标记	0-3	0=正常, 1=裂纹区, 2=淬火区（临时）

额外数据通过UV1通道或自定义属性传递。

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5. GPU-CPU分工

5.1 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
• 相态判定
• 应力扩散（简化版）

5.2 CPU职责

• 顶点属性更新
• 锤击碰撞检测
• 形变计算
• 硬度/脆性/应力/疲劳公式应用
• 开裂判定
• 材质可视化更新
• 游戏逻辑（辅助功能触发）

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6. 性能预算

6.1 目标帧时间分解（60 FPS = 16.67ms）

系统	预算	说明
渲染（UE5基础）	10ms	场景渲染、后处理
锤击形变计算	2-3ms	顶点位移、BVH更新
网格质量优化	1-2ms	边翻转、平滑
GPU物理计算	1ms	Compute Shader（异步）
应力/疲劳更新	0.5ms	公式计算
材质可视化	0.5ms	顶点颜色更新
总锤击开销	≤7ms	保持在预算内

6.2 内存预算

数据	大小	说明
网格顶点（20万）	16.8 MB	84字节/顶点（新增属性）
网格三角形（40万）	4.8 MB	3×4字节索引
BVH结构	5 MB	加速结构
物理场体素（50³）	0.4 MB	扩展后的体素结构
GPU缓冲区	3 MB	Ping-Pong缓冲
单铁块总计	~30 MB	可接受

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7. 实施计划

阶段1：淬火退火相变系统（3-4天）

目标: 实现完整的热处理机制

• 扩展体素结构（冷却速率、相态）
• 顶点硬度/脆性属性系统
• 温度区间判定逻辑
• 冷却速率计算（滑动平均）
• 硬度/脆性公式实现
• 三阶段可视化系统
• 回火色系统
• 氧化层表现

验收标准:

• 淬火后硬度显著提升
• 冷却速率影响硬度和脆性
• 回火后硬度降低，应力松弛
• 视觉表现符合真实物理规律

阶段2：应力累积系统（2-3天）

目标: 实现应力累积与物理表现

• 应力来源分类与计算
• 应力累积规则
• 应力扩散机制
• 形变阻力公式
• 弯曲/扭曲机制
• 裂纹起始判定
• 裂纹扩展逻辑
• 应力扫描辅助功能

验收标准:

• 多来源应力正确累积
• 高应力区域形变困难
• 应力超阈值产生裂纹
• 裂纹沿应力梯度扩展

阶段3：疲劳累积与耐久度系统（2-3天）

目标: 实现材料疲劳和耐久度机制

• 疲劳值累积规则
• 应力和温度影响疲劳率
• 疲劳裂纹起始
• 裂纹扩展概率
• 耐久度计算公式
• 使用中的损伤累积
• 回火恢复机制
• 刀具失效判定

验收标准:

• 反复锻打疲劳累积
• 疲劳裂纹产生并扩展
• 耐久度正确计算
• 使用导致耐久度下降
• 回火部分恢复耐久度

阶段4：集成与优化（1-2天）

目标: 系统集成与性能优化

• 各子系统联动测试
• 参数调优
• 性能Profiling
• 调试工具完善
• 文档更新

验收标准:

• 60 FPS @ 连续锤击
• 所有功能正常运行
• 调试工具完善
• 文档齐全

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8. 风险评估

8.1 技术风险

风险	概率	影响	缓解措施
公式过于复杂，性能不足	中	高	简化计算，使用GPU并行
参数调优困难	中	中	提供调试工具，分阶段测试
可视化效果不真实	中	中	参考真实照片，迭代优化
网格拓扑变化导致属性丢失	中	高	使用持久化ID追踪顶点

8.2 设计风险

风险	概率	影响	缓解措施
过度复杂化，开发周期过长	高	高	严格遵守YAGNI，分阶段验收
物理模型过于简化，真实感不足	中	中	阶段性用户测试，迭代调整
辅助功能与真实表现混淆	低	中	明确区分，UI提示清晰

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9. 参考资料

9.1 物理基础

• 《金属塑性成形原理》（清华大学出版社）
• 《材料科学基础》（上海交通大学出版社）
• 《金属热处理原理与工艺》（机械工业出版社）
• Metals Handbook: Heat Treating (ASM International)

9.2 游戏案例

• My Summer Car - 机械装配真实度
• BeamNG.drive - 动态网格形变
• Dwarf Fortress - 材料属性系统

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10. 文件索引

• 淬火退火相变系统设计.md
• 应力累积系统设计.md
• 疲劳累积与耐久度系统设计.md

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文档版本: 1.0 最后更新: 2026-01-23 状态: 设计完成，待评审