高速碰撞问题的有限温度光滑分子动力学多尺度方法

高速碰撞过程常伴有高温高压和材料的破碎、相变与熔化，涉及宏微观多个尺度，且具有很强的非线性，对数值模拟提出了巨大挑战。本项目以高速碰撞过程为应用背景，以光滑分子动力学理论为主线，发展完善高温下的多尺度计算方法。本项目拟依次建立有限温度光滑分子动力学方法、分子动力学-有限温度光滑分子动力学自适应耦合方法、粒子型层进多尺度计算方法。这些方法可大幅扩展高温过程分子模拟的时间尺度，合理转化与传递不同空间尺度的信息，实现宏微观贯通分析，且易于处理具有结构超大变形和材料断裂破碎的问题。在此基础上，本项目将对高温高应变率下材料参数的演化规律开展大规模分子模拟研究，对材料和结构在高速碰撞过程中的动力学行为进行多尺度计算分析。研究成果将促进多尺度理论的发展，为高速碰撞过程提供有效的多尺度数值研究手段。

空间碎片撞击等高速碰撞过程常伴有高温高压和材料断裂破碎，涉及宏细微观多个尺度，具有很强的非线性，对数值模拟提出了巨大挑战。本项目以光滑分子动力学（SMD）理论为主线，发展适于高速碰撞相关过程的多尺度计算方法。. 项目组对SMD方法进行了全面改进，使其能够准确求解有限温度问题。项目组提出了有限温度下的光滑分子动力学方法——交替光滑分子动力学（AltSMD）方法，AltSMD方法引入了分子动力学（MD）弛豫步骤，在保持很高计算效率的同时，大幅提升SMD方法的精度；详细研究了AltSMD中参数变化对计算精度的影响，实现了SMD计算与MD弛豫交替的准则自动控制。项目组建立了自适应耦合MD-SMD方法，可在计算中自动对不同区域分别采用MD或SMD模拟，充分发挥了两种方法的优势；还提出了一种耦合界面处理方案，可以有效防止高频运动分量的界面反射，且形式简单、计算量很小。项目组发展了多种用于判断MD计算和SMD计算转换的准则，可以准确地给出何时何区域需要使用MD计算，其中原子力准则和原子位移准则充分利用了SMD计算过程的特点，非常简便易行。上述研究使SMD成为有限温度问题的高效准确分子模拟方法，且由于SMD方法与宏观物质点法（MPM）的相似性，为MD与MPM的连接提供了平滑过渡的桥梁。. 项目组对宏细微观结合模拟高速碰撞的粒子型方法进行了深入研究。项目组建立了宏微观结合的MD-MPM层进多尺度计算方法，解决了高温高压下状态方程参数不易确定的困难，发挥了MPM非常适合模拟高速碰撞过程的优势；通过层进多尺度模拟，获得了高速撞击中碎片相变分数的经验公式。项目组发展了泡沫铝、蜂窝等轻质材料的细观结构粒子建模方法，建模过程简单易行，能够真实反映泡沫铝等材料的复杂内部结构；基于细观结构粒子模型，研究了相对密度、基体应变率效应等对泡沫铝宏观动力学性质的影响，对泡沫铝防护结构的高速撞击过程进行了成功模拟；基于细观结构粒子模型，深入研究了蜂窝夹芯板的高速撞击，获得了撞击参数和内结构参数对防护性能的影响规律，提出了蜂窝芯质撞击孔道锥度随参数变化的经验公式。上述研究为高速碰撞问题提供了新型多尺度建模与分析手段，相关经验公式对空间碎片高速撞击防护设计具有指导意义。. 本项目的研究成果可促进粒子型数值方法、多尺度计算等领域的理论发展，为实际高速撞击问题的研究提供了有力的数值分析手段。