动态裂纹的多尺度模拟研究

作为一个跨越多重时间和空间尺度的宏观物理问题，材料的断裂由于其复杂的动力学过程不仅受到了广泛的关注，而且还遇到了巨大的挑战。在本项目中，我们采用已发展的动力学多尺度方法模拟二维体系中I型和II型预置裂纹的萌生、传播，研究原子与连续区域耦合界面对弹性波的影响，探索准静态或动态加载对脆性和延性裂纹萌生时间的影响规律，以及不同应变率对裂纹传播速度影响的物理机制，通过微观的分析获取裂纹在传播过程中其形貌的变化规律，为正确预测动态裂纹的扩展路径奠定基础。研究结果对于力学、物理、材料等学科发展，以及在工业、国防及地震中的应用有着重要意义。

动力学多尺度模拟方法是当前最为热门的数值模拟发展课题之一，是开展空间及时间尺度强耦合动力学现象研究的重要基础。本项目致力于建立一个完整的多尺度模拟方法，涉及理论方法的分析、程序的实施、数值模拟证实及应用。具体地包括了提出一个新的理论耦合方法精确地连接连续与微观模型，保证低频模在不同模型间的顺利传播以及新的耗散方法用于消除高频的反射波。基于一维及二维数值模拟中反射及透射系数的计算证实该方法的可靠性。在此基础上研究脆性材料的动态裂纹扩展，分析应变率与裂纹萌生时间的关系，比较裂纹传播与实验的关系，提高了对裂纹传播物理过程的认识。利用已发展的多尺度程序包，开展原子尺度级别的动力学破碎初步模拟，着重关注其内包含的多尺度物理过程，为后期进一步提高多尺度程序并开展大范围内应用奠定基础。