材料动态响应性能是战斗部和结构防护设计中重点关注的问题之一,也是空间碎片防护、交通运输安全等研究中的重要问题,在航空航天、能源等领域有着越来越广泛的应用。相关研究表明:材料在冲击加载和复杂变形条件下的动态响应特性与低压、低应变率加载的情况存在明显不同。基于对实验的数学归纳提出的宏观本构关系模型,已经不能普遍描述材料在冲击加载下的动态响应行为,也不能满足工程设计提出的具备研究微结构变化导致力学性能改变的能力,需要发展新的研究手段。分子动力学方法(MD)对认识引起强度变化的微观机制和机理有着重要的作用,但受计算尺寸和应变率范围的限制,获取的动态强度结果与宏观实验相差较远。位错动力学方法(DD)仍难以模拟材料冲击加载过程中的复杂位错演化情况。鉴于宏观研究需求和微观模拟能力间存在明显差距,急需发展介于微观和宏观尺度之间的材料动态响应描述方法。在广泛调研各种方法的基础上,认为常用于模拟多晶材料准静态力学性能的晶体塑性理论是一种典型的介于宏观与微观的重要研究方法,具有很大的发展潜力,但对动力学问题的模拟仍有不足。基于晶体塑性理论,建立了适合于(FCC、BCC和HCP)金属材料动态加载下,含孪晶的热弹-粘塑性晶体塑性模型、计算方法和相应程序模块,对Al、Ta和Be材料的典型动态响应问题进行了研究,主要研究进展及成果如下:(1)针对经典的晶体塑性理论的不足,考虑了动态加载下,材料微观变形特征,对位错运动、应变硬化、晶体弹性变形和孪晶增长模式等进行了更为合理的描述,建立了适合于(FCC、BCC和HCP)金属材料动态加载下,含孪晶的热弹-粘塑性晶体塑性理论、计算方法和相应程序模块。(2)采用该模型模拟了动态加载下Al、Be和Ta材料强度随压力的变化情况,计算结果相比宏观用SG模型在高压加载下与实验结果符合更好。研究了不同压力下材料的织构演化情况,即使在冲击加载早期,织构也存在明显的择优取向现象。(3)比较分析了孪晶对Ta和Be材料强度及织构演化的影响,中高应变率加载下,孪晶变形对Ta和Be材料力学强度的影响程度并不相同,孪晶对于Be材料的强度变化和织构演化更为敏感,是Be材料冲击加载下塑性变形的重要物理机制。(4)通过晶体塑性模型结合有限元程序计算,较为准确的模拟了 Al、Ta和Be材料在冲击-卸载中出现的准弹性过程,分析认为剪切波速随着应变而发生变化(Bauschinger效应)是导致材料准弹性卸载的重要原因。