超快激光与金属材料相互作用的多尺度多物理模拟

随着金属微纳米材料和结构的广泛应用，利用超快激光对金属材料进行微纳米加工受到了学术界和工业界的普遍关注。开展超快激光与金属材料相互作用的多尺度多物理模拟对发展和完善金属超快激光加工技术具有十分重要的意义。本课题拟在分子动力学、耗散粒子动力学和物质点法等粒子方法的基础上，结合双温模型，建立研究超快激光与金属材料相互作用的多尺度多物理模拟体系，并利用该模拟体系，对金、铜、镍三种金属材料在超快激光作用下的热应力响应进行三维参数化多尺度多物理模拟。通过对模拟结果的分析和统计，定量给出超快激光参数与材料响应间的内在关系，查明材料响应背后的机理，确定影响材料响应的主要激光参数，提出调节材料响应的合理措施，从而为更好地优化和控制金属超快激光加工过程提供可靠的理论指导。

金属材料的微纳米加工处理是超快激光的一个重要应用，正受到全球范围内学术界和工业界的广泛关注。由于激光的超短脉宽和超高激光强度，超快激光作用下金属材料经历超快速温升和超高应变率变形。此极端条件下材料热应力响应的科学认识对金属超快激光加工技术的发展至关重要。本项目研究利用分子动力学与双温模型相结合方法，研究了动态光学参数下超快激光照射下金属靶材的固液相变，分析了超快激光脉冲的脉宽、脉冲数、脉冲时间间隔对金属材料热应力响应的影响，以及材料烧蚀行为的热电子爆轰力效应。此外，本项目利用原子嵌入势和遗传算法，发展了基于耗散粒子动力学的金属材料介观粒子模型，实现该介观方法与物质点法的一致耦合，建立了相应的跨尺度计算框架，为开展超快激光与金属相互作用的跨尺度模拟奠定了基础。