强冲击加载下材料微层裂的热-力耦合多尺度研究

The dynamical responses and damage properteies of materials under strong shock.loading are one of key fundamental science problems in military and national defense engineering. Micro-spallation is complicated phenomenon of materials under strong shock loading, which includes high pressure,high temperature and thermo-mechanical effects and is a strong nonlinear problem of high strain rate spallation. Based on research achivements of the applicants， the present project is aimed at multi-scale modelling and computing about micro-spallation of materials under strong shock loading. Main research contents of this projects are as follows: (1) Study the mechanism of micro-spallation phenomenon at micro-nano scales using molecular dynamics simulations; (2) Based on atomistic model and mesomechanics, construct thermo-mechanical constitutive relations, damage and melting criteria of materials in high strain rate, high temperature and high pressure cases; (3) Develop coupled atomistic-continuum thermo-mechanical multiscale models computing methods, and develop multiscale simulation program to simulate the dynamical process of micro-spallation. The main objective of this project is to derive dependable multiscale theory and develop effective computing methods and simulation program, which are expected to be usefull references for designing advanced weapons and instruments in military and national defense engineering.

材料在强冲击加载下的动态响应和破坏特性是军事、国防工程领域的关键基础科学问题之一。微层裂是材料在强冲击作用下的一种复杂的破坏行为，包含着高温、高压和热-力耦合效应以及高应变率破碎等强非线性行为。本项目拟在申请人已有的研究成果的基础上，针对材料在强冲击载荷作用下的微层裂现象展开多尺度建模和计算的研究。主要研究内容包括：（1）在微-纳米尺度下，利用分子动力学模拟研究微层裂碎片产生的微观机理。（2）基于原子模型和细观力学模型，建立适合于高应变率、高温、高压情况的热-力耦合本构关系和损伤、熔化判据。（3）建立热-力耦合多尺度模型和计算方法,开发多尺度计算程序，从多个时空-尺度上对微层裂碎片的形成、断裂到喷射的动态过程做全面、系统的模拟和分析。本项目的研究目标是建立可靠的理论模型和数值计算程序，为军事、国防工程中的高端武器和科学仪器设计所涉及到的微层裂问题提供有价值的参考。

材料在强冲击加载下的动态响应和破坏特性是军事、国防工程领域的关键基础科学问题之一。微层裂是材料在强冲击作用下的一种复杂的破坏行为，包含着高温、高压和热-力耦合效应以及高应变率破碎等强非线性行为。本项目主要针对金属材料在强冲击载荷作用下的微层裂现象展开多尺度建模和计算的研究。主要研究内容包括三个方面：（1）在微-纳米尺度下，利用分子动力学模拟研究微层裂碎片产生的微观机理。（2）基于原子模型和细观力学模型，建立适合于高应变率、高温、高压情况的热-力耦合本构关系和损伤演化模型。（3）建立热-力耦合多尺度模型和计算方法，开发多尺度计算程序。本项目的主要研究成果包括：（1）通过大规模分子动力学模拟研究，发现了微层裂破坏的主要微观机制是空化过程，微层裂与经典层裂的主要区别体现在孔洞成核点的分布上；研究了热耗散、加载强度、加载波前驱宽度以及晶界对微层裂过程的重要影响。（2）基于分子动力学模拟的统计结果和介观平均场均匀化方法，发展了多尺度损伤本构模型。（3）开发了通用多场耦合多尺度数值模拟软件GeMMS，实现了原子-连续递进式和并发式耦合计算。在本项目资助下，发表7篇学术论文，并取得国家版权局软件著作权登记一项。本项目的研究成果对武器工程设计具有一定的参考价值。