异种金属高速冲击固相连接过程的近场动力学数值模拟方法研究

High velocity collision-based solid state welding is an important approach for fabricating lightweight structures with dissimilar metals. The process of high velocity collision-based solid state welding is intricate because of severe plastic deformations due to impact, multi-physics coupling phenomena, and metallic bonding between two surfaces under high pressure. So far, most simulations, treating high velocity impact welding as a contact problem for simplification, are incapable of unveiling fundamental mechanisms of solid state welding processes. This project proposes to conduct numerical investigation of high velocity collision-based solid state welding processes via peridynamics, including numerical simulations of impact taking places at welding interfaces, equivalent modeling of metallic bonding, and modeling of thermo-mechanical coupling under high pressure. This project is aimed at bringing in modeling capability of welding interface morphology and defect evolutions, providing theoretical basis for high velocity collision-based solid state welding, and promoting applications of lightweight structures with dissimilar metals in automotive, aeronautics and aerospace industries.

高速冲击固相连接技术是实现异种金属新型轻质结构的重要手段。高速冲击固相连接过程极为复杂，涉及界面剧烈塑性变形、多物理场耦合以及固相原子力结合形成的金属键接等。现有的仿真仅从宏观力学角度分析高速冲击固相连接过程的接触问题，难以深入揭示连接机理。本项目拟开展异种金属高速冲击固相连接过程的近场动力学数值模拟方法研究，研究内容包括：连接界面高速碰撞过程近场动力学建模;表面固相结合近场动力学建模;界面高压环境热力耦合近场动力学建模。本项目将实现连接组件高速碰撞、界面结合、界面形貌以及细观损伤演化的高精度仿真，深入揭示高速冲击固相连接机理，为连接工艺提供重要理论支撑, 从而有望推动轻量化的发展和异种金属连接结构在汽车、航空、航天等行业的应用。

轻量化技术是《中国制造2025》中多个重点领域的关键共性技术，是实现我国汽车节能标准整体目标的重要措施之一。轻量化手段之一是把高强度的钢材与低密度的铝材结合在一起形成一个混合车身。目前用于连接异种金属的主要方法包括焊接、机械连接以及胶结。机械连接和胶结的连接强度远小于焊接的强度。然而，由于不同金属的熔点不同，传统熔焊或者钎焊方法难以实现不同性质金属连接。高速冲击固相连结可以有效实现异种金属以及难焊金属材料的连接。高速冲击固相连接过程极为复杂，涉及界面剧烈塑性变形、多物理场耦合以及固相原子力结合形成的金属键接等。现有的仿真仅从宏观力学角度分析高速冲击固相连接过程的接触问题，难以深入揭示连接机理。由于高速冲击连接过程时间极短，由于现有实验手段很难对高速冲击连接过程的物理力学参数演变进行观测，对深入研究高速冲击连接机理造成了困难。本项目通过研究连接界面高速碰撞过程近场动力学建模、表面固相结合近场动力学建模、界面高压环境热力耦合近场动力学建模实现了冲击连接过程多物理场模拟，对界面波形演变过程及机制进行了详细分析。研究成果为高速冲击连接工艺研究提供理论支撑。