(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111332035.1 (22)申请日 2021.11.11 (71)申请人 上海理工大 学 地址 200093 上海市杨 浦区军工路516号 (72)发明人 董琴　余成义　毛阳　李天箭　 吴薇　 (74)专利代理 机构 上海德昭知识产权代理有限 公司 31204 代理人 郁旦蓉 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G16C 10/00(2019.01) G16C 20/20(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真 方法 (57)摘要 本发明公开了一种锡基轴承合金力学性能 的跨尺度仿真方法， 具有这样的特征， 包括以下 步骤： 步骤1， 对锡基轴承合金进行原子尺度下锡 基轴承合金 组成相力学性能的仿真分析， 利用分 子动力学模拟方法得到各组成相的基本物性和 力学性能参数； 步骤2， 根据各组成相的基本物性 和力学性能参数， 对锡基轴承合金进行介观尺度 下锡基轴承合金微观组织的有限元分析， 得到锡 基轴承合金的力学性能。 其中， 介观尺度下锡基 轴承合金微观组织的有 限元分析是基于锡基轴 承合金微观组织的二维RVE模型或三维RVE模型 进行的。 权利要求书1页 说明书6页 附图4页 CN 114038521 A 2022.02.11 CN 114038521 A 1.一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1， 对锡基轴承合金进行原子尺度 下锡基轴承合金组成相力学性能的仿真分析， 利 用分子动力学模拟方法得到各组成相的基本物性和力学性能参数； 步骤2， 根据所述各组成相的基本物性和力学性能参数， 对所述锡基轴承合金进行介观 尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析， 得到锡基轴承合金的力学性能， 其中， 所述介观尺度 下锡基轴 承合金微观 组织的有限元分析是基于锡基轴承合金微观 组织的二维代 表性体积单 元模型或三维代 表性体积单 元模型进行的。 2.根据权利要求1所述的一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法， 其特 征在于： 其中， 步骤1中， 所述原子尺度下锡基轴 承合金组成相力学性能的仿真分析过程包括以 下子步骤： 步骤1‑1， 对所述锡基轴承合金进行X射线衍射物相分析， 确定所述锡基轴承合金各组 成相的空间群及晶格常数； 步骤1‑2， 确定能准确描述组成相各原子间相互作用的势函数； 步骤1‑3， 基于所述各组成相的空间群及晶格常数和所述势函数， 建立各组成相的分子 动力学模拟分析模 型， 设置边界条件， 利用Lammps软件对 所述模型进行拉伸、 压缩以及剪切 过程的分子动力学模拟分析； 步骤1‑4， 对所述分子动力学模拟分析的结果进行分析， 获取锡基轴承合金各组成相的 基本物性和力学性能参数。 3.根据权利要求1所述的一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法， 其特 征在于： 其中， 步骤2中， 介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析过程包括以下子步 骤： 步骤2‑1， 构建反映锡基轴承合金微观组织的二维代表性体积单元模型或三维代表性 体积单元模型； 步骤2‑2， 基于所述代表性体积单元模型和所述各组成相的基本物性和力学性能参数 定义材料属性， 进 行网格划分、 设置接触类型以及添加边界条件和载荷， 建立有限元分析模 型； 步骤2‑3， 对所述有限元分析模型进行求 解， 得到模拟结果； 步骤2‑4， 对所述模拟结果进行分析， 查看模型的应力及变形分布云图、 读取模拟过程 的应力‑应变曲线， 获得锡基轴承合金的基本物性和力学性能参数。 4.根据权利要求3所述的一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法， 其特 征在于： 其中， 步骤2 ‑1中， 所述 二维代表性体积单 元模型的构建过程 为： 通过光学显微镜或扫描电镜获取锡基轴承合金的二维微观组织， 选取典型的微观组织 形貌， 经Photoshop软件去污、 去噪、 去划痕处理， 和CorelDRAW软件矢量图转换， 以及 AutoCAD软件格式转换后， 导入到有限元 软件中进行分体建模及装配。 5.根据权利要求3所述的一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法， 其特 征在于： 其中， 步骤2 ‑1中， 所述 三维代表性体积单 元模型的构建过程 为： 采用基于连续切片的三维重构技术， 依次通过抛光、 腐蚀、 打硬度、 拍照的重复步骤， 获 得锡基轴承合金的连续金相切片， 再导入到Mimic s软件中进 行微观组织的三 维代表性体积 单元模型重构。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114038521 A 2一种锡基轴承 合金力学性能的跨尺度仿真方 法 技术领域 [0001]本发明涉及锡基轴承合金材料性能预测技术领域， 具体涉及一种锡基轴承合金力 学性能的跨尺度仿真方法。 背景技术 [0002]锡基轴承合金以其优异的嵌藏性、 顺应性和抗咬合性， 一直以来都是船用 低速机 滑动轴承的首选材料。 研究显示， 锡基轴承合金 的强度、 硬度、 塑性和韧性等力学性能直接 决定了滑动轴承的耐磨性、 嵌藏性、 顺应性、 抗咬合性、 耐疲劳性以及 承载能力等轴承特性， 而锡基轴承合金的力学性能很大程度上又直接取决其微观组织以及各相的形态与数量等。 目前， 对锡基轴承合金力学性能的研究大部分停留在宏观尺度力学性能的表征分析上， 以 及通过实验分析微观组织和力学性能的相关 关系上。 [0003]正所谓“一代材料， 一代装备 ”， 随着科学技术的快速 发展， 传统上局限于材料单一 尺度尤其是宏观尺度的研究分析已无法满足当今社会对高性能材料研发的迫切需求。 随着 各国材料基因组计划的相继提出和发展， 基于材料模拟计算、 高通量实验和数据库的材料 研发模式， 使 材料从发现、 研发、 生产到应用的速度至少提高了一倍， 成本降低了数倍。 跨尺 度研究是材料基因组计划的核心组成， 由于材料在各尺度下结构的差异， 导致材料的性质， 尤其是力学性质， 通常是从原子尺度到宏观尺度的相互关联。 随着人类对材料各尺度研究 的不断深入， 计算材料学在不同尺度下都形成了对应的理论和模拟方法， 如宏观连续状态 下的有限元仿真， 介观状态下 的形貌仿真， 以及原子状态下 的第一性原理仿真和分子动力 学计算等。 [0004]近年来， 随着有限元方法和计算机技术的发展， 越来越多的研究学者采用数值模 拟的方法来研究材料 的微观结构特征如形貌、 分布和含量等对材料宏观力学性能的影响。 然而， 对于锡基轴承合金， 目前国内外尚未有关于其微观组织模拟的研究。 因此， 开展基于 真实微观组织的有限元分析以获取锡基轴承合金在不同模拟条件下微观组织的响应分析， 建立锡基轴承合金微观组织与力学性能之 间的关系， 对锡基轴承合金的微观设计具有重要 的研究意 义。 [0005]然而， 开展锡基轴承合金微观组织的有限元分析， 需要输入各组成相的相关力学 性能参数， 如弹性模量、 泊松比、 应力 ‑应变曲线等。 由于微观组织中各组成相的尺寸 都在微 米级的范围， 使微区的试样制备极为困难， 目前只有极少数有关锡基轴承合金组成相力学 性能表征方面的研究， 仅有的数据不 足以为锡基轴承合金微观组织的有限元分析提供相关 的材料属性参数。 因此， 开展锡基轴承合金各组成相的原子尺度模拟分析， 以获取各组成相 的基本物性和力学性质， 为锡基轴承合金微观组织的有限元分析提供相关参数是非常有必 要的。 发明内容 [0006]本发明是为了解决上述问题而进行的， 目的在于提供一种锡基轴承合金力学性能说　明　书 1/6 页 3 CN 114038521 A 3