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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。总体架构见 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。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。本文档仅简要引用这两部分。

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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。

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2. 数据结构

2.1 扩展体素结构

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

/**
 * 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

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();
};

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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

/**
 * 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)。

/**
 * 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

/**
 * 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
            }
        }
    });
}

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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

/**
 * 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

/**
 * 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

/**
 * 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

// 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);

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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

// 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

// 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

// 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

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

// 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。此处为简要引用。

// 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。此处为简要引用。

// 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

// 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

// 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

// 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)

// 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)

// 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)

// 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

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。此处为简要引用。

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);
    }
}

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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。

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11. 引用

• 对应需求: ../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
• 原始设计文档(归档): ../_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
• 相关专题(应力系统): 06-应力累积系统设计.md