考虑材料微结构演变的动态热-力耦合的多尺度算法研究

It is well accepted that the properties of materials from macro-scale to micro-scale can be significantly affected by their micro-structures at different levels. To evaluate the stablitity of the structures under distinct loadings，we want to know the physcial and mechanical responses of some key parts in the micro-nanoscale. However, there is few multi-scale algorithms which can effectively investigate the thermo-mechanical behavior of materials. Thus, we will have a discussion in this subject developing a nested and adaptive multi-scale algorithm for thermo-mechanical computation, which couples macro continuum model, atomic-continuum coupling model(ACCM) and atomic model. We will mainly study the coupling algorithm between macro continuum model and ACCM, and the coupling algorithm between ACCM and atomic model. Especially, we will consider all the ingredients (eg. the selection of the representive volume elements at different scales, the creation of the boundary in molecular dynamics simulations, et.al) to guarantee the precision of the algorithm and improve the efficiency of the computation. Besides, the computaional precision and error of the finite volume method and the finite element method, the stability of the time-space integral will also be discussed. The results of the project can supply theoretical supports for the analysis of macro-mechanical behavior and the computation of the micro-nano behavior of materials under different loadings.

材料及其结构的宏、细、微观性能在很大程度上受不同层次微结构的影响。有时，人们又希望知道宏观结构受载时，结构关键部位在微-纳米尺度下的物理力学行为，以评价材料与结构的安全性。但到目前为止，尚未有一种高效的可对材料从微观到宏观进行热-力学行为模拟的多尺度分析方法。鉴于此，本课题拟将原子-连续关联模型作为过渡模型，建立宏观连续模型、原子-连续关联模型与原子模型的嵌套式自适应热-力耦合多尺度算法。课题将重点研究宏观连续模型与原子-连续关联模型的耦合算法，以及原子-连续关联模型与原子模型的耦合算法。特别地，将综合考虑各方面因素（如各尺度下代表体积元的选取，分子动力学边界条件的建立等），以保证算法精度的同时又能提高计算效率。此外，课题还将分析相关的有限体积法、有限单元法在时空尺度下的计算精度与误差以及时程积分格式的计算稳定性等。项目的研究成果将为材料的宏观力学行为分析以及微-纳米行为计算提供理论支持。

材料及其结构的宏、细、微观性能在很大程度上受不同层次微结构的影响。有时，人们又希望知道宏观结构受载时，结构关键部位在微-纳米尺度下的物理力学行为，以评价材料与结构的安全性。但到目前为止，尚未有一种高效的可对材料从微观到宏观进行热-力学行为模拟的多尺度分析方法。鉴于此，本课题拟建立宏观连续模型、细观模型与原子模型的自适应热-力耦合多尺度算法。特别地，将综合考虑各方面因素（如各尺度下代表体积元的选取，分子动力学边界条件的建立等），以保证算法精度的同时又能提高计算效率。此外，课题还将分析相关的有限体积法、有限单元法在时空尺度下的计算精度与误差以及时程积分格式的计算稳定性等。项目的研究成果将为材料的宏观力学行为分析以及微-纳米行为计算提供理论支持。