中文摘要：

冲击加载条件下材料动力学行为的研究是爆炸力学、材料和武器物理研究中的重要研究课题。冲击作用下材料内部的各种微观缺陷演化为宏观损伤效应的过程是一个多尺度物理问题。本项目将深入研究不同空间尺度模拟方法的连接技术、发展适合冲击加载的多尺度数值模拟方法，建立多尺度模拟平台。利用该平台模拟微裂纹、微孔洞、位错、晶界等缺陷在冲击加载条件下的动力学行为，研究产生位错、绝热剪切带、局部高温熔化、微层裂和断裂等效应的微观机理，深入研究材料应变、应变率和温度与损伤演化的关系，探讨合理的损伤模型，深化对材料动态响应力学行为的认识。

结论摘要：

冲击作用下材料内部的各种微观缺陷演化为宏观损伤效应的过程是一个多尺度物理问题，其核心是多物理耦合和跨尺度关联。基于界面能量反射和热-力耦合等物理模型，本项目系统研究了原子—有限元、原子—粒子等不同空间尺度和时间尺度并发模拟方法的连接技术，发展了适合冲击加载的多尺度数值模拟方法，建立了相应二维、轴对称和三维多尺度模拟程序。利用该程序模拟了微裂纹、微空洞、位错、晶界等材料缺陷在冲击加载条件下的动力学行为，研究产生位错、绝热剪切带、局部高温熔化、微层裂和断裂等效应的微观机理，深入研究了材料应变、应变率和温度与损伤演化的关系，深化了对材料动态响应力学行为的认识。根据中国工程物理研究院的研究需要，本项目的工作主要分为方法研究和应用研究两部分。方法研究成果研究基于时间核函数的多尺度方法理论,发展了有特色的高性能多尺度方法。针对拉伸、剪切等加载条件下由材料微缺陷引发局部有限元网格大变形问题，结合网格重分重映技术，发展了自适应多尺度方法。在高应变率冲击加载条件下，采用无网格粒子方法代替有限元作为宏观解法器，研究了耦合原子—粒子模拟的统一边界条件，提出了稳定化多尺度无网格方法，其中稳定化参数由宏微观模型相容性计算得到。为了提高界面附近激波捕捉精度，得到更为准确的微观边界条件，我们采用守恒型中心格式求解宏观动量方程，修正了交错网格上节点速度的计算公式，改进了数值模拟效果。针对低应变率下微观尺度无法长时程模拟以达到指定应变的困难，提出了一种宏观变时间尺度技术，实现了真实时空尺度的匹配。另外，建立了热力学耦合模型以正确反映宏微观区能量双向传递效应。基于以上方法研究编写了相应的二维、轴对称和三维程序，实现了冲击、剪切、拉伸加载下的多尺度数值模拟，利用标准测试例子验证了程序。应用研究成果开展了延性金属材料Al/Cu在冲击加载下动力学行为的多尺度研究。深入分析了延性金属中剪切局部化导致的绝热剪切带形成机制；应变、应变率、局部温度与绝热剪切带形成的关系；研究了绝热剪切带的进一步演化，并发生断裂的机制。提出了微空洞在冲击加载下局部热点形成机制，探讨了位错、微空洞、微裂纹对绝热剪切带形成的影响机制。系统研究了材料表面在冲击加载条件下的微层裂效应，包括近表面微缺陷导致的材料表面局部熔化效应，建立了包含近表面微缺陷的多尺度模型。综合以上各种微观缺陷诱生的材料损伤行为，探讨和建立了宏观损伤模型。