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疲劳累积与耐久度系统设计

项目: BladeSmith 日期: 2026-01-23 目标: 模拟材料疲劳和刀具耐久度 设计原则: 累积式疲劳，可恢复耐久度

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1. 疲劳累积机制

1.1 疲劳值定义

疲劳值（Fatigue）:

• 范围：0（完好）到 1（完全疲劳/失效）
• 每个顶点独立维护
• 累积式，不可逆（除非回火）

1.2 疲劳累积规则

基础公式:

Fatigue += BaseFatigueRate × StressFactor × TemperatureFactor × DeltaTime

1.3 各因子详细说明

基础疲劳率（BaseFatigueRate）:

锻打类型	BaseFatigueRate	说明
正常锻打	0.001	标准锤击
过度锻打	0.005	形变过大（超过阈值）
应力集中	0.010	高应力区域

判定过度锻打:

if (StrainIncrement > CriticalStrainThreshold)
{
    BaseFatigueRate = 0.005;  // 过度锻打
}

应力因子:

StressFactor = clamp(InternalStress / StressLimit, 1.0, 3.0)

应力越高，疲劳累积越快:

• 应力 < 1.0 × StressLimit: StressFactor = 1.0
• 应力 = 1.5 × StressLimit: StressFactor = 1.5
• 应力 ≥ 3.0 × StressLimit: StressFactor = 3.0

温度因子:

TemperatureFactor =
  0.1  (T > 800°C, 高温疲劳慢)
  1.0  (常温)
  2.0  (T < 200°C, 低温疲劳快)

高温时材料更"柔软"，疲劳较慢；低温时更"脆"，疲劳快。

1.4 疲劳限制

Fatigue = clamp(Fatigue, 0.0, 1.0)

疲劳值达到1.0后不再增加，但可能触发失效。

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2. 疲劳可视化（辅助功能）

2.1 疲劳扫描模式

触发方式:

• 玩家按住特定键（如Shift键）切换到"疲劳视图"
• 或在UI中选择"疲劳扫描"工具

2.2 视觉效果

顶点颜色着色:

// 蓝色：疲劳值 < 0.3
if (Fatigue < 0.3)
{
    Color = Lerp(Blue, Green, Fatigue / 0.3);
}
// 绿色：疲劳值 0.3-0.7
else if (Fatigue < 0.7)
{
    Color = Lerp(Green, Yellow, (Fatigue - 0.3) / 0.4);
}
// 黄色：疲劳值 0.7-0.9
else if (Fatigue < 0.9)
{
    Color = Lerp(Yellow, Orange, (Fatigue - 0.7) / 0.2);
}
// 红色：疲劳值 > 0.9（危险区）
else
{
    Color = Red;
    // 叠加脉冲效果
    Pulse = sin(Time × 5.0) × 0.5 + 0.5;
    Emissive = Pulse × Red;
}

2.3 UI面板

• 平均疲劳值
• 最大疲劳值
• 危险区域数量（Fatigue > 0.9）
• 预估寿命

2.4 退出可视化

释放辅助功能键后，完全恢复正常视觉表现。

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3. 疲劳裂纹系统

3.1 疲劳裂纹起始

触发条件:

if (Fatigue > 0.9 && InternalStress > 0.5 × StressLimit)
{
    // 触发疲劳开裂
    if (Random() < CrackProbability)
    {
        CreateFatigueCrack(Vertex);
    }
}

疲劳开裂概率:

CrackProbability = (Fatigue - 0.9) × 10.0  // 最大1.0

疲劳值越高，开裂概率越大:

• Fatigue = 0.9: CrackProbability = 0.0
• Fatigue = 0.95: CrackProbability = 0.5
• Fatigue = 1.0: CrackProbability = 1.0

3.2 疲劳裂纹扩展

每次锻打检查:

if (Vertex.IsCracked && CrackType == Fatigue)
{
    // 裂纹扩展概率
    ExtendProbability = (Fatigue - 0.7) × 2.0

    if (Random() < ExtendProbability)
    {
        // 找到疲劳值最高的相邻顶点
        TargetNeighbor = FindMaxFatigueNeighbor();
        CrackTo(TargetNeighbor);
    }
}

疲劳裂纹特点:

• 沿高疲劳值方向扩展
• 扩展速度与疲劳值成正比
• 可能产生多条细小裂纹（应力裂纹通常是单条）

3.3 疲劳裂纹视觉表现

几何表现:

1. 细小裂缝:

   • 开口宽度较小（0.01-0.02）
   • 多条裂纹可能交织

2. 边缘锯齿:

   • 裂纹边缘不光滑
   • 顶点位置随机抖动

材质表现:

1. 表面氧化:

   • 显示轻微锈迹
   • 氧化程度与时间相关

2. 内部损伤:

   • 深处 darker
   • 模拟材料损伤

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4. 耐久度系统

4.1 耐久度定义

耐久度（Durability）:

• 范围：0（损坏）到 1.0（完好）
• 基于整个刀具计算
• 影响刀具使用效果

4.2 耐久度计算公式

综合耐久度:

Durability = 1.0 - (AverageFatigue + CrackPenalty + StressPenalty)

各分量说明:

平均疲劳:

AverageFatigue = Σ(Fatigue_i) / VertexCount

裂纹惩罚:

CrackPenalty = CrackCount × 0.1  // 每条裂纹扣10%耐久

裂纹包括:

• 应力裂纹（由应力超阈值产生）
• 疲劳裂纹（由疲劳累积产生）

应力惩罚:

StressPenalty = (MaxStress / StressLimit) × 0.2

高应力区域最高扣除20%耐久度。

4.3 耐久度限制

Durability = clamp(Durability, 0.0, 1.0)

耐久度降到0后刀具可能失效。

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5. 使用中的损伤累积

5.1 刀具使用场景

切割/砍击:

• 每次使用造成冲击
• 冲击点附近疲劳增加

抛光/打磨:

• 减少疲劳（回火效果）
• 恢复部分耐久度

5.2 冲击疲劳计算

冲击应力:

ImpactStress = ImpactForce × MaterialStiffness × (1 - ImpactAngle)

其中:

• ImpactForce: 冲击力（来自物理引擎）
• MaterialStiffness: 材料刚度
• ImpactAngle: 冲击角度（0-1，垂直=1.0）

疲劳增量:

Fatigue += ImpactStress / Durability × FatigueRate

其中:

• FatigueRate: 疲劳率（可配置，默认0.0001）

局部更新: 冲击影响半径内的顶点更新疲劳值。

5.3 耐久度实时更新

每次使用后:

// 重新计算耐久度
Durability = CalculateDurability();

// 更新UI
UpdateDurabilityUI();

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6. 耐久度恢复机制

6.1 回火恢复

加热至回火温度（200-400°C）:

疲劳恢复:

if (Temperature > 200°C && Temperature < 400°C)
{
    Fatigue -= 0.1 × DeltaTime;  // 慢慢消除疲劳
    Fatigue = clamp(Fatigue, 0.0, 1.0);
}

耐久度恢复:

if (Temperature > 200°C && Temperature < 400°C)
{
    Durability += 0.05 × DeltaTime;
    Durability = clamp(Durability, 0.0, 1.0);
}

注意事项:

• 疲劳可部分恢复
• 但裂纹无法愈合
• 裂纹惩罚永久存在

6.2 打磨恢复

打磨操作:

表面损伤修复:

• 打磨可去除表面疲劳痕迹
• 减少视觉上的"老伤"

疲劳影响:

if (PolishAmount > OldPolishAmount)
{
    Fatigue -= (PolishAmount - OldPolishAmount) × 0.5;
    Fatigue = clamp(Fatigue, 0.0, 1.0);
}

耐久度影响:

• 打磨不恢复耐久度
• 但可以改善外观

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7. 刀具失效判定

7.1 失效条件

条件1: 耐久度耗尽:

if (Durability < 0.0)
{
    BreakWeapon();
}

条件2: 主裂纹存在:

if (MajorCrackExists)
{
    // 主裂纹判定：长度超过阈值或穿过关键区域
    if (CrackLength > MajorCrackThreshold || CrackThroughCriticalArea)
    {
        BreakWeapon();
    }
}

条件3: 瞬时过载:

if (ImpactForce > UltimateStrength)
{
    // 瞬间断裂
    InstantBreakWeapon();
}

7.2 失效表现

几何表现:

1. 断裂:

   • 刀身分离成两段
   • 网格拓扑断裂
   • 删除断裂部分的顶点和三角形

2. 破碎:

   • 多个小碎片
   • 适合薄刃刀具

材质表现:

1. 断口:

   • 显示粗糙断裂面
   • 颜色暗淡
   • 无光泽

2. 音效:

   • 断裂音效
   • 碎片掉落声

物理表现:

• 断裂部分掉落
• 受重力影响
• 碰撞地面产生音效

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8. 实现架构

8.1 数据结构

顶点属性扩展:

TDynamicMeshVertexAttribute<float>* FatigueValue;  // 疲劳值（0-1）

裂纹数据结构:

UENUM(BlueprintType)
enum class ECrackType : uint8
{
    Stress = 0,    // 应力裂纹
    Fatigue = 1,   // 疲劳裂纹
    Impact = 2     // 冲击裂纹
};

USTRUCT(BlueprintType)
struct FCrackData
{
    GENERATED_BODY()

    UPROPERTY()
    int32 StartVertex;      // 裂纹起始顶点ID

    UPROPERTY()
    int32 EndVertex;        // 裂纹结束顶点ID

    UPROPERTY()
    TEnumAsByte<ECrackType> CrackType;  // 裂纹类型

    UPROPERTY()
    float CrackWidth;       // 裂纹宽度

    UPROPERTY()
    float CrackDepth;       // 裂纹深度

    UPROPERTY()
    float CreationTime;     // 创建时间

    UPROPERTY()
    bool bIsMajor;          // 是否主裂纹
};

刀具耐久度数据:

USTRUCT(BlueprintType)
struct FWeaponDurability
{
    GENERATED_BODY()

    UPROPERTY()
    float Durability;       // 耐久度（0-1）

    UPROPERTY()
    float AverageFatigue;   // 平均疲劳

    UPROPERTY()
    int32 CrackCount;      // 裂纹数量

    UPROPERTY()
    float MaxStress;        // 最大应力

    UPROPERTY()
    int32 MajorCrackCount;  // 主裂纹数量
};

8.2 GPU-CPU分工

GPU Compute Shader职责:

• 无（疲劳计算纯CPU）

CPU职责:

• 疲劳累积计算
• 疲劳裂纹判定
• 裂纹扩展逻辑
• 耐久度计算
• 使用中的损伤累积
• 回火/打磨恢复
• 刀具失效判定
• 疲劳扫描可视化

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9. 性能优化

9.1 疲劳计算优化

局部更新:

• 锤击时仅更新受影响区域
• 使用空间分区加速查询

批量更新:

• 每帧最多更新N个顶点
• 使用优先级队列（高疲劳优先）

9.2 裂纹判定优化

阈值检查:

// 仅检查接近阈值的顶点
if (Fatigue > 0.8 && InternalStress > 0.5 × StressLimit)
{
    // 检查裂纹
}

空间分区:

• 使用八叉树或BVH
• 快速查询相邻顶点

9.3 可视化优化

疲劳扫描:

• 按需启用
• 使用简化着色器
• 降低更新频率

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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
BaseFatigueRateNormal	0.001	0.0005-0.002	正常锻打疲劳率
BaseFatigueRateOverwork	0.005	0.002-0.01	过度锻打疲劳率
BaseFatigueRateStress	0.010	0.005-0.02	应力集中疲劳率
CriticalStrainThreshold	0.1	0.05-0.2	临界应变阈值
TemperatureFactorHigh	0.1	0.05-0.2	高温疲劳因子
TemperatureFactorNormal	1.0	0.8-1.2	常温疲劳因子
TemperatureFactorLow	2.0	1.5-2.5	低温疲劳因子
CrackPenalty	0.1	0.05-0.2	单条裂纹惩罚
StressPenalty	0.2	0.1-0.3	应力惩罚系数
FatigueRecoveryRate	0.1	0.05-0.2	回火疲劳恢复率
DurabilityRecoveryRate	0.05	0.02-0.1	回火耐久恢复率
ImpactFatigueRate	0.0001	0.00005-0.0002	冲击疲劳率
MajorCrackThreshold	10.0	5.0-20.0	主裂纹长度阈值

10.2 调试工具

• 疲劳热图：实时显示疲劳分布
• 疲劳时间线：记录疲劳变化历史
• 裂纹追踪：记录裂纹生成和扩展
• 耐久度面板：实时显示耐久度
• 预估寿命：基于当前疲劳率预估

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11. 实施计划

11.1 第一阶段：疲劳累积（1天）

• 疲劳值属性系统
• 疲劳累积规则
• 应力和温度因子
• 疲劳限制
• 单元测试

11.2 第二阶段：疲劳裂纹（1天）

• 疲劳裂纹起始判定
• 疲劳裂纹扩展逻辑
• 疲劳裂纹视觉表现
• 集成测试

11.3 第三阶段：耐久度系统（1天）

• 耐久度计算公式
• 使用中的损伤累积
• 回火/打磨恢复
• 耐久度UI
• 集成测试

11.4 第四阶段：刀具失效（0.5天）

• 失效条件判定
• 失效表现（几何/材质/音效）
• 集成测试

11.5 第五阶段：辅助功能（0.5天）

• 疲劳扫描模式
• 疲劳热图
• UI面板
• 调试工具

11.6 第六阶段：集成测试（0.5天）

• 完整流程测试
• 性能Profiling
• 参数调优
• 文档更新

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12. 风险评估

12.1 技术风险

风险	概率	影响	缓解措施
疲劳计算性能不足	中	中	局部更新，批量处理
裂纹判定过于频繁	低	高	提高阈值，减少检查
耐久度平衡困难	中	中	参数可调，快速迭代

12.2 设计风险

风险	概率	影响	缓解措施
疲劳积累过快，玩家受挫	中	高	降低基础疲劳率，提供恢复机制
刀具失效过于突然	低	中	增加预警，渐进式失效
辅助功能滥用	低	低	限制使用时长，增加冷却

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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