低熔点金属微层裂的多尺度建模与计算研究

Micro-spalling is a typical destroy mode of metals under strong shock loading. It is one of the most important physical and mechanical processes in the initial stages of implosion of some strategic weapons. Due to coupling of several strong non-linear behaviors, including elastic-plastic deformation, high pressure solid-solid phase transition, shock melting and material fracture and fragmentation, the studying on micro-spalling has posed great challenges in experimental techniques, theortical modeling and numerical simulation methods. This project will carry out multiscale modeling and computation studies on fundamental science problems in micro-spalling, by combining macroscopic and microscopic mechanical models. We will focus on the coupling effects between elastic-plastic deformation, solid-solid phase transition, shock melting and damage accumulation. The main research contents incude: Accurate atomistic potentials for metals; Micromechanisms of micro-spalling; Multiscale constitutive models for micro-spalling and the calculation of the constitutive parameters; Numerical methods for simulating micro-spalling at macroscopic scales. The main objective of the project is to provide valuable knowledge about micromechanisms, mechanical models and related material parameters and numerical simulation techniques, for solving micro-spalling problems in weapon mateiral and structure designing. The applicant and participants of the project have rich experiences and achievements in related research fields.

微层裂是强冲击载荷下金属材料的一种典型破坏模式，是某战略武器内爆前期的重要物理、力学过程之一。微层裂过程中包含了弹-塑性变形、固-固相变、冲击熔化、损伤破碎等强非线性行为，具有复杂的物理、力学机理，对实验技术、理论建模和数值模拟技术均提出了重大挑战。本项目将围绕典型低熔点金属微层裂过程中涉及的基础科学问题，结合宏、微观力学模型，开展多尺度建模与计算研究。项目将重点关注微层裂过程中弹-塑性变形、固-固相变、熔化和损伤累积过程之间的耦合效应。研究内容包括：典型金属材料的精确原子势函数构建；微层裂微观机理研究；微层裂多尺度本构模型研究及其本构参数计算；微层裂破碎过程的宏观数值模拟技术研究。项目的研究目标是从机理认识、力学模型与物性参数、数值模拟技术三个方面，为涉及微层裂问题的武器材料和结构设计提供有价值的参考。项目申请人和参与人在相关研究领域有丰富的研究经验和成果积累。

微层裂是强冲击作用下伴随动态熔化的损伤破碎过程，是重要的武器物理问题，同时也是超出传统损伤、断裂力学范畴的冲击动力学前沿问题。本项目结合微、细、宏观力学方法，系统深入地开展了金属微层裂多尺度建模与数值模拟研究。项目主要创新成果包括：（1）发展了适用于强冲击模拟的金属精确嵌入原子势函数，能够同时刻画位错、形变孪晶、相变、虚拟熔化等应力松弛微观机制的相互耦合和竞争，为原子尺度模拟强冲击下的复杂材料动力学行为奠定了重要基础。（2）基于分子动力学模拟，开展了金属微层裂的微观机理研究，揭示了强冲击下金属材料弹塑性变形、熔化、损伤过程的耦合机理;发展了准确计算局部热-力学路径的更新拉格朗日-Binning-Analysis方法，将其与高压熔化曲线相结合，展现了冲击靶体不同区域材料的动态熔化特征及其与加载方式的关系; 揭示了层裂强度的温度依赖特性。（3）采用分子动力学、位错动力学和连续介质波动力学理论有机结合的多尺度研究方法，系统研究了典型微结构的冲击响应特征及其对层裂、微层裂行为的影响; 针对强冲击、高应变率条件下孔洞表面、复合材料界面的位错行为建立了新的理论模型。（4）开展了宏观尺度动态损伤断裂力学模型研究，对孔洞成核-生长模型做出了重要改进，解决了原模型在模拟材料损伤动态累积过程中应力不能自然衰减到零的问题; 基于双尺度渐近展开理论，发展了包含微结构效应和应变梯度效应的瞬态断裂模型, 该模型在不引入唯象参数的情况，重现断裂强度的尺度效应、应变梯度效应，并定量重现一系列实验结果。（5）基于微-细-宏观递进式多尺度建模思想，建立了耦合流体-弹塑性-损伤力学与高压熔化动力学的多尺度微层裂模型; 模型中显式包含了非平衡动态熔化过程及其对材料动力学响应的影响，使其能够描述强冲击下材料的“过热”、“过冷”状态，其适用范围超出了基于平衡热力学理论的传统流体-弹塑性-损伤模型; 开发了独立计算程序模块MS4MS，并植入到了依托单位ALE总体数值模拟平台，在实验装置分析中得到应用。在项目资助下，在J. Mech. Phys. Solids, Int. J. Plast等期刊发表学术论文12篇；培养博士生1名，硕士生2名，博士后3名。