多尺度方法和材料動態回響的數值模擬研究

《多尺度方法和材料動態回響的數值模擬研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由徐雲擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：多尺度方法和材料動態回響的數值模擬研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：徐雲
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

衝擊載入條件下材料動力學行為的研究是爆炸力學、材料和武器物理研究中的重要研究課題。衝擊作用下材料內部的各種微觀缺陷演化為巨觀損傷效應的過程是一個多尺度物理問題。本項目將深入研究不同空間尺度模擬方法的連線技術、發展適合衝擊載入的多尺度數值模擬方法，建立多尺度模擬平台。利用該平台模擬微裂紋、微孔洞、位錯、晶界等缺陷在衝擊載入條件下的動力學行為，研究產生位錯、絕熱剪下帶、局部高溫熔化、微層裂和斷裂等效應的微觀機理，深入研究材料應變、應變率和溫度與損傷演化的關係，探討合理的損傷模型，深化對材料動態回響力學行為的認識。

結題摘要

衝擊作用下材料內部的各種微觀缺陷演化為巨觀損傷效應的過程是一個多尺度物理問題，其核心是多物理耦合和跨尺度關聯。基於界面能量反射和熱-力耦合等物理模型，本項目系統研究了原子—有限元、原子—粒子等不同空間尺度和時間尺度並發模擬方法的連線技術，發展了適合衝擊載入的多尺度數值模擬方法，建立了相應二維、軸對稱和三維多尺度模擬程式。利用該程式模擬了微裂紋、微空洞、位錯、晶界等材料缺陷在衝擊載入條件下的動力學行為，研究產生位錯、絕熱剪下帶、局部高溫熔化、微層裂和斷裂等效應的微觀機理，深入研究了材料應變、應變率和溫度與損傷演化的關係，深化了對材料動態回響力學行為的認識。 根據中國工程物理研究院的研究需要，本項目的工作主要分為方法研究和套用研究兩部分。方法研究成果：研究基於時間核函式的多尺度方法理論,發展了有特色的高性能多尺度方法。針對拉伸、剪下等載入條件下由材料微缺陷引發局部有限元格線大變形問題，結合格線重分重映技術，發展了自適應多尺度方法。在高應變率衝擊載入條件下，採用無格線粒子方法代替有限元作為巨觀解法器，研究了耦合原子—粒子模擬的統一邊界條件，提出了穩定化多尺度無格線方法，其中穩定化參數由宏微觀模型相容性計算得到。為了提高界面附近激波捕捉精度，得到更為準確的微觀邊界條件，我們採用守恆型中心格式求解巨觀動量方程，修正了交錯格線上節點速度的計算公式，改進了數值模擬效果。針對低應變率下微觀尺度無法長時程模擬以達到指定應變的困難，提出了一種巨觀變時間尺度技術，實現了真實時空尺度的匹配。另外，建立了熱力學耦合模型以正確反映宏微觀區能量雙向傳遞效應。基於以上方法研究編寫了相應的二維、軸對稱和三維程式，實現了衝擊、剪下、拉伸載入下的多尺度數值模擬，利用標準測試例子驗證了程式。 套用研究成果：開展了延性金屬材料Al/Cu在衝擊載入下動力學行為的多尺度研究。深入分析了延性金屬中剪下局部化導致的絕熱剪下帶形成機制；應變、應變率、局部溫度與絕熱剪下帶形成的關係；研究了絕熱剪下帶的進一步演化，並發生斷裂的機制。提出了微空洞在衝擊載入下局部熱點形成機制，探討了位錯、微空洞、微裂紋對絕熱剪下帶形成的影響機制。系統研究了材料表面在衝擊載入條件下的微層裂效應，包括近表面微缺陷導致的材料表面局部熔化效應，建立了包含近表面微缺陷的多尺度模型。綜合以上各種微觀缺陷誘生的材料損傷行為，探討和建立了巨觀損傷模型。