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应力累积系统设计

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-应力累积系统设计.md

本文档描述应力累积系统的技术实现。需求见 [../requirements/06-应力累积与开裂需求.md]。总体架构见 00-锻造系统总体技术架构.md。

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1. 技术背景

应力累积系统模拟锻造过程中多来源应力（塑性应力、热应力、相变应力、残余应力）的产生、累积、扩散与松弛机制。系统通过应力对形变阻力的影响、物理表现（弯曲/扭曲/裂纹）以及辅助可视化功能，实现真实应力行为模拟。

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2. 应力来源分类

2.1 塑性形变应力

来源: 锤击导致材料永久形变

计算公式:

Stress_plastic = k_plastic × StrainIncrement × Hardness

参数说明:

• k_plastic = 10.0: 塑性应力系数（可调）
• StrainIncrement: 本次锤击的应变增量
• Hardness: 当前硬度系数

应用范围: 锤击影响区域内的所有顶点

2.2 热应力

来源: 温度梯度导致内部膨胀不均匀

计算公式:

Stress_thermal = ThermalStressCoeff × CoolingRate × (T_current - 20°C)

参数说明:

• ThermalStressCoeff = 0.005: 热应力系数（可调）
• CoolingRate: 冷却速率（°C/s）
• T_current: 当前温度（°C）
• 20°C: 环境温度

应用范围: 所有体素和顶点

2.3 相变应力

来源: 马氏体转变导致体积膨胀

计算公式:

Stress_phase = PhaseStressCoeff × MartensiteFraction

参数说明:

• PhaseStressCoeff = 50.0: 相变应力系数（可调）
• 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)

应用范围: 淬火区域的所有顶点

2.4 残余应力

来源: 锤击时周边材料限制形变

计算公式:

Stress_residual = k_residual × (TargetStrain - ActualStrain)

参数说明:

• k_residual = 5.0: 残余应力系数（可调）
• TargetStrain: 目标应变（基于锤击强度）
• ActualStrain: 实际应变（受限后）

应用范围: 锤击区域周边的顶点

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3. 应力累积规则

3.1 总应力计算

综合应力公式:

TotalStress = Stress_plastic + Stress_thermal + Stress_phase + Stress_residual

顶点更新:

InternalStress += TotalStress × DeltaTime

3.2 应力限制

InternalStress = clamp(InternalStress, 0.0, MaxStress)

其中MaxStress为材料极限应力，可配置。

3.3 应力扩散机制

目的: 应力向周围顶点扩散，模拟真实物理行为

拉普拉斯平滑:

Stress_diffused = Stress_original + α × (AverageNeighborStress - Stress_original)

参数说明:

• α: 扩散系数（0.1-0.3，可调）
• AverageNeighborStress: 相邻顶点的平均应力

实现方式: 每帧对每个顶点执行扩散，迭代1-2次。

3.4 应力松弛机制

温度驱动的松弛:

松弛因子:

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

时间常数公式:

InternalStress = InternalStress × exp(-t / τ)

参数说明:

• t: 时间（秒）
• τ: 松弛时间常数
  • τ = 60秒（常温）
  • τ = 10秒（回火温度）

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4. 应力对形变阻力的影响

4.1 形变阻力公式

DeformationResistance（形变阻力）:

DeformationResistance = BaseResistance × HardnessFactor × StressFactor × TemperatureFactor

4.2 各因子详细公式

基础阻力:

BaseResistance = 1.0

硬度因子:

HardnessFactor = 1.0 + (Hardness / MaxHardness) × 2.0

硬度越高，形变阻力越大（最大3倍阻力）。

应力因子:

StressFactor = 1.0 + (InternalStress / StressLimit) × 1.5

应力越高，材料越难形变（最大2.5倍阻力）。

温度因子:

TemperatureFactor =
  3.0  (T > 800°C, 高温软)
  1.5  (500°C < T ≤ 800°C, 中温)
  1.0  (T ≤ 500°C, 常温)

4.3 顶点位移计算

锤击位移:

Displacement = BaseDisplacement / DeformationResistance

应力高的区域:

• 更难锻打
• 需要更用力
• 或重复锤击

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5. 应力物理表现

5.1 弯曲/扭曲机制

弯曲角度公式:

BendAngle = (StressLocal - StressAverage) × BendSensitivity
BendDirection = CrossProduct(HammerDirection, Normal)

实现步骤:

1. 计算应力梯度:

   ∇Stress = Stress_neighbor - Stress_center
   

2. 应用顶点位移:

   VertexPosition += BendDirection × BendAngle × DistanceFromCenter
   

扭曲公式: 当材料两侧应力不均匀时:

TwistAngle = (Stress_Left - Stress_Right) × TwistSensitivity
VertexPosition = RotateAroundAxis(VertexPosition, Axis, TwistAngle)

视觉效果:

• 刀身沿应力梯度方向自然弯曲
• 应力集中区域出现扭曲
• 大幅应力差导致明显形变

5.2 裂纹起始判定

临界应力阈值:

CriticalStressThreshold = MaterialStrength × SafetyFactor

参数说明:

• MaterialStrength: 材料强度（可配置，默认100.0）
• SafetyFactor: 安全系数（默认1.2）

开裂条件:

if (InternalStress > CriticalStressThreshold)
{
    CreateCrack(Vertex);
}

概率开裂: 为避免一次性开裂过多，引入概率:

CrackProbability = (InternalStress / CriticalStressThreshold) - 1.0
if (Random() < CrackProbability)
{
    CreateCrack(Vertex);
}

5.3 裂纹扩展机制

裂纹生长方向: 优先沿应力梯度方向扩展（应力最大方向）

每帧检查:

if (Vertex.IsCracked)
{
    // 裂纹扩展概率
    ExtendProbability = (InternalStress / CriticalStressThreshold) - 0.8

    if (Random() < ExtendProbability)
    {
        // 找到应力最高的相邻顶点
        TargetNeighbor = FindMaxStressNeighbor();
        CrackTo(TargetNeighbor);
    }
}

裂纹合并: 当两条裂纹相交时:

• 大块材料脱落
• 网格拓扑断裂
• 几何处理: 删除被包围的顶点和三角形

5.4 裂纹视觉表现

几何表现:

1. 裂缝开口:

   CrackVertex.Position += Normal × CrackOpeningWidth
   

   其中CrackOpeningWidth为裂缝开口宽度（可配置）

2. 边缘抖动: 裂纹边缘顶点位置随机抖动，模拟粗糙断裂

材质表现:

1. 锈迹:

   • 裂纹区域显示RustTexture
   • 锈迹深度基于裂纹时间

2. 内部氧化:

   • 裂缝深处更暗
   • 模拟内部氧化

3. 纹理扰动: 使用顶点法线扰动模拟裂纹纹理

物理影响:

• 裂纹区域的硬度系数降为0.3
• 裂纹顶点不再参与后续锻打形变（断裂）

5.5 应力释放事件

开裂后应力释放:

if (CrackCreated)
{
    InternalStress = InternalStress × 0.3  // 应力释放
    // 释放应力用于下次计算
}

回火对应力的影响: 加热至回火温度（200-400°C）:

• 加速应力松弛（详见松弛机制）
• 但如果已经开裂，裂纹无法愈合

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6. 应力可视化（辅助功能）

6.1 应力扫描模式

触发方式:

• 按住特定键切换到"应力视图"
• 或在UI中选择"应力扫描"工具

6.2 视觉效果

顶点颜色着色（彩虹色谱）:

// 蓝色：低应力（< 30% StressLimit）
if (Stress < 0.3 × StressLimit)
{
    Color = Lerp(Blue, Green, StressRatio);
}
// 绿色：中等应力（30-60% StressLimit）
else if (Stress < 0.6 × StressLimit)
{
    Color = Lerp(Green, Yellow, StressRatio);
}
// 黄色：高应力（60-90% StressLimit）
else if (Stress < 0.9 × StressLimit)
{
    Color = Lerp(Yellow, Red, StressRatio);
}
// 红色：接近开裂（≥ 90% StressLimit）
else
{
    Color = Red;
    // 叠加闪烁效果
    Emissive = Flicker();
}

应力流线（可选）:

• 显示应力传导路径
• 从高应力区域流向低应力区域
• 帮助理解应力分布

6.3 UI面板

• 实时显示最大应力值
• 平均应力值
• 超阈值顶点数量
• 裂纹数量

6.4 退出可视化

释放辅助功能键后，完全恢复正常视觉表现:

• 顶点颜色恢复到正常状态（打磨度、回火色等）
• 材质参数恢复
• 无任何残留效果

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7. 实现架构

7.1 GPU-CPU分工

GPU Compute Shader职责:

• 热应力计算
• 应力扩散（简化版）

CPU职责:

• 塑性应力计算
• 相变应力应用
• 残余应力计算
• 应力累积
• 形变阻力计算
• 弯曲/扭曲应用
• 裂纹判定与扩展
• 应力扫描可视化

7.2 数据结构

顶点属性扩展:

TDynamicMeshVertexAttribute<float>* InternalStress;  // 内部应力值
TDynamicMeshVertexAttribute<uint8>* CrackState;      // 裂纹状态（0=无, 1=有）

裂纹数据结构:

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()
    float CrackWidth;       // 裂纹宽度

    UPROPERTY()
    float CrackDepth;       // 裂纹深度

    UPROPERTY()
    float CreationTime;     // 创建时间
};

7.3 性能优化

应力扩散:

• 只在锤击后更新，每帧不需要
• 局部扩散，仅受影响区域

裂纹判定:

• 仅在高应力区域检查
• 使用空间分区加速

可视化:

• 应力扫描模式按需启用
• 使用简化着色器

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8. 参数配置

8.1 可调参数（蓝图可配）

参数名	默认值	范围	说明
MaxStress	150.0	100-200	最大应力值
k_plastic	10.0	5-20	塑性应力系数
ThermalStressCoeff	0.005	0.001-0.01	热应力系数
PhaseStressCoeff	50.0	20-100	相变应力系数
k_residual	5.0	2-10	残余应力系数
DiffusionAlpha	0.2	0.1-0.3	扩散系数
BendSensitivity	0.001	0.0005-0.002	弯曲敏感度
TwistSensitivity	0.0005	0.0002-0.001	扭曲敏感度
CriticalStressThreshold	120.0	80-150	临界应力
CrackOpeningWidth	0.05	0.01-0.1	裂纹宽度
RelaxationTimeNormal	60.0	30-120	常温松弛时间
RelaxationTimeTemper	10.0	5-20	回火松弛时间

8.2 调试工具

• 应力热图：实时显示应力分布
• 裂纹追踪：记录裂纹生成和扩展
• 应力时间线：记录应力变化历史
• 统计面板：最大应力、平均应力、裂纹数量

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9. 实施计划

9.1 第一阶段：应力计算（1天）

• 四种应力来源实现
• 应力累积规则
• 应力扩散机制
• 应力松弛机制
• 单元测试

9.2 第二阶段：形变阻力（0.5天）

• 形变阻力公式
• 顶点位移计算
• 参数调优
• 集成测试

9.3 第三阶段：物理表现（1.5天）

• 弯曲/扭曲机制
• 裂纹起始判定
• 裂纹扩展逻辑
• 裂纹视觉表现
• 几何处理（裂纹开口、抖动）
• 材质表现（锈迹、氧化）

9.4 第四阶段：辅助功能（0.5天）

• 应力扫描模式
• 顶点颜色着色
• UI面板
• 应力流线（可选）

9.5 第五阶段：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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10. 已知限制

1. 应力张量简化: 真实是3×3张量，当前仅用单值
2. 各向同性假设: 真实钢有晶粒取向，当前材料各向同性
3. 简化扩散: 真实应力扩散是复杂偏微分方程，当前用拉普拉斯近似

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11. 引用

• 对应需求: ../requirements/06-应力累积与开裂需求.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/2026-01-23-应力累积系统设计.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
• 相关专题(淬火系统): 05-淬火退火相变系统设计.md
• 相关专题(疲劳系统): 07-疲劳与耐久度系统设计.md