《高速碰撞問題的有限溫度光滑分子動力學多尺度方法》是依託清華大學，由劉岩擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高速碰撞問題的有限溫度光滑分子動力學多尺度方法
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：劉岩
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高速碰撞過程常伴有高溫高壓和材料的破碎、相變與熔化，涉及宏微觀多個尺度，且具有很強的非線性，對數值模擬提出了巨大挑戰。本項目以高速碰撞過程為套用背景，以光滑分子動力學理論為主線，發展完善高溫下的多尺度計算方法。本項目擬依次建立有限溫度光滑分子動力學方法、分子動力學-有限溫度光滑分子動力學自適應耦合方法、粒子型層進多尺度計算方法。這些方法可大幅擴展高溫過程分子模擬的時間尺度，合理轉化與傳遞不同空間尺度的信息，實現宏微觀貫通分析，且易於處理具有結構超大變形和材料斷裂破碎的問題。在此基礎上，本項目將對高溫高應變率下材料參數的演化規律開展大規模分子模擬研究，對材料和結構在高速碰撞過程中的動力學行為進行多尺度計算分析。研究成果將促進多尺度理論的發展，為高速碰撞過程提供有效的多尺度數值研究手段。
結題摘要
空間碎片撞擊等高速碰撞過程常伴有高溫高壓和材料斷裂破碎，涉及宏細微觀多個尺度，具有很強的非線性，對數值模擬提出了巨大挑戰。本項目以光滑分子動力學（SMD）理論為主線，發展適於高速碰撞相關過程的多尺度計算方法。項目組對SMD方法進行了全面改進，使其能夠準確求解有限溫度問題。項目組提出了有限溫度下的光滑分子動力學方法——交替光滑分子動力學（AltSMD）方法，AltSMD方法引入了分子動力學（MD）弛豫步驟，在保持很高計算效率的同時，大幅提升SMD方法的精度；詳細研究了AltSMD中參數變化對計算精度的影響，實現了SMD計算與MD弛豫交替的準則自動控制。項目組建立了自適應耦合MD-SMD方法，可在計算中自動對不同區域分別採用MD或SMD模擬，充分發揮了兩種方法的優勢；還提出了一種耦合界面處理方案，可以有效防止高頻運動分量的界面反射，且形式簡單、計算量很小。項目組發展了多種用於判斷MD計算和SMD計算轉換的準則，可以準確地給出何時何區域需要使用MD計算，其中原子力準則和原子位移準則充分利用了SMD計算過程的特點，非常簡便易行。上述研究使SMD成為有限溫度問題的高效準確分子模擬方法，且由於SMD方法與巨觀物質點法（MPM）的相似性，為MD與MPM的連線提供了平滑過渡的橋樑。項目組對宏細微觀結合模擬高速碰撞的粒子型方法進行了深入研究。項目組建立了宏微觀結合的MD-MPM層進多尺度計算方法，解決了高溫高壓下狀態方程參數不易確定的困難，發揮了MPM非常適合模擬高速碰撞過程的優勢；通過層進多尺度模擬，獲得了高速撞擊中碎片相變分數的經驗公式。項目組發展了泡沫鋁、蜂窩等輕質材料的細觀結構粒子建模方法，建模過程簡單易行，能夠真實反映泡沫鋁等材料的複雜內部結構；基於細觀結構粒子模型，研究了相對密度、基體應變率效應等對泡沫鋁巨觀動力學性質的影響，對泡沫鋁防護結構的高速撞擊過程進行了成功模擬；基於細觀結構粒子模型，深入研究了蜂窩夾芯板的高速撞擊，獲得了撞擊參數和內結構參數對防護性能的影響規律，提出了蜂窩芯質撞擊孔道錐度隨參數變化的經驗公式。上述研究為高速碰撞問題提供了新型多尺度建模與分析手段，相關經驗公式對空間碎片高速撞擊防護設計具有指導意義。本項目的研究成果可促進粒子型數值方法、多尺度計算等領域的理論發展，為實際高速撞擊問題的研究提供了有力的數值分析手段。
