高速撞击下金属微结构演化与结合机制的多尺度模拟研究

The cold spray has been deemed as an advanced technique to realize additive manufacturing for metals under relatively low temperature in recent years. The key scientific issue of the cold spray is the bonding mechanism of the particle and the substrate under high-velocity impact, but no conclusion for the bonding mechanism has been widely accepted. In this project, an adaptive multiscale method seamlessly coupling the molecular dynamics, the smoothed molecular dynamics, and the material point method will be proposed. We aim to explore the evolution of microstructure and the bonding mechanism between metals under high-velocity impact through multiscale computation. The research of the project will include: 1) The smoothed molecular dynamics method for alloys will be investigated, and the efficiency of the smoothed molecular dynamics method will be further increased; 2) The molecular dynamics method and the material point method will be adaptively and seamlessly coupled with the smoothed molecular dynamics as the bridge. 3) The high-velocity impact process of micro metal particles will be simulated with the proposed multiscale method. The local extremely-large deformation and the evolution of microstructure will be investigated. 4) The bonding mechanism between metals under high-velocity impact will be investigated, and the influences of impact conditions and material parameters will be discussed. The project achievements will advance the theory of multiscale computational methods. The dynamical behavior of metals under extreme loading conditions will be better understood, and the theory can be used to support the development of additive manufacturing technologies.

冷喷涂是近年来被认为有望在较低温度下实现金属增材制造的先进技术，其核心科学问题是高速撞击下颗粒与基体的结合机制，目前尚无定论。本项目拟建立针对金属与合金的分子动力学-光滑分子动力学-物质点自适应无缝耦合多尺度方法，力图通过多尺度计算探究高速撞击下金属的微结构演化规律与金属间结合机制。内容包括：1) 研究针对合金材料的光滑分子动力学方法，并进一步提升光滑分子动力学的计算效率；2) 以光滑分子动力学为桥梁，实现分子动力学与物质点法的自适应无缝耦合；3) 实现微米级金属颗粒高速撞击过程的自适应多尺度模拟，研究高速撞击下金属的局部超大变形和微结构演化过程；4) 研究高速撞击下金属间的结合机制，探讨撞击条件和材料参数的影响规律。项目成果将促进多尺度计算方法理论的发展，深化对金属在极端载荷条件下动态力学行为的理解，为增材制造技术的发展提供理论支持。

冷喷涂是近年来被认为有望在较低温度下实现金属增材制造的先进技术，其核心科学问题是高速撞击下颗粒与基体的结合机制，目前尚无定论。本项目在项目申请人提出的光滑分子动力学（SMD）的基础上，发展针对金属与合金的改进光滑分子动力学方法，构建分子动力学-光滑分子动力学-物质点无缝耦合多尺度方法，通过宏微观多尺度结合的数值模拟手段，力图探究高速撞击下金属的微结构演化规律与金属间结合机制。主要研究内容和重要成果包括：1) 建立了更适合于合金材料的双重网格光滑分子动力学方法，提出了具有更好精度和局部表达能力的高阶光滑分子动力学，针对以SMD方法和物质点法为代表的质点-网格双重离散方法提出了高效并行算法；2) 以光滑分子动力学为桥梁，实现分子动力学与物质点法的无缝耦合；3) 通过分子动力学模拟，深入研究了金属在高应变率下的微结构演化，给出了孔洞生长聚合的规律；4) 通过宏观物质点法模拟，深入研究了微米级金属颗粒的高速撞击过程，给出了可能指示粘接的指标变化规律，探讨了多层颗粒相互作用的影响；5) 提出了一种基于落锤的低速撞击实验，实现了在低速撞击下的铜片粘接，通过微结构表征发现重结晶和晶粒细化是与粘接机制密切相关的因素，粘接时未发现任何熔化现象和金属射流，为冷喷涂高速撞击粘接提供了重要借鉴。项目成果将促进多尺度计算方法理论的发展，深化对金属在极端条件下动态力学行为的理解，为增材制造技术的发展提供理论支持。