研究材料在高速冲击过程中的响应行为具有重要的军事及民用价值。由于作用时间短暂,且涉及高温、高压等复杂载荷条件,以现有实验和理论分析手段对高速冲击过程中材料的响应行为进行研究,尚存在极大困难。数值模拟方法虽然在解决上述问题时具有独特优势,但在材料复杂响应行为的再现及宏细观响应行为的有效关联方面,仍面临挑战。为此,本文对现有数值模拟方法进行了优化,并建立了一种宏细观跨尺度数值模拟方法。应用上述方法,针对固-固冲击、流-固冲击以及破片形成及飞散三种典型高速冲击过程中材料的响应行为开展了跨尺度数值模拟研究,为深入揭示材料的内在响应机制提供了一种有效的技术手段。建立了一种从宏观到细观的跨尺度数值模拟方法。该方法基于载荷信息传递思想,利用LS-DYNA软件平台,提取宏观计算模型微区载荷信息,并施加于细观模型,实现了材料宏细观响应行为的有效关联。运用该方法,成功实现了对Ti-6Al-4V细观组织绝热剪切变形过程的模拟,模拟得到的绝热剪切带形貌、动态再结晶温度等结果,与相关实验的结果具有较好的一致性,验证了该方法的有效性和可靠性。针对固-固高速冲击问题,将基于累积损伤效应的材料应力-应变耦合失效思想引入到上述过程的数值模拟工作中,并建立了相应的失效判据。运用该思想,对12.7mm穿甲弹侵彻30mm厚Ti-6Al-4V钛合金靶板过程进行了模拟,成功再现了钛合金靶板开坑、塑性扩孔、背部崩落等典型失效特征。结果表明,靶板的开坑及背部崩落是由材料内部拉应力累积导致的,而靶板的塑性扩孔则是由材料的应变累积导致的。揭示了Ti-6Al-4V钛合金靶板内部周期性绝热剪切带的形成机制。模拟结果表明,弹靶侵彻过程中,靶板轴线不同位置单元的应变呈现周期性增大的特征,且应变增大的位置与靶板内部周期性绝热剪切带分布具有较好的一致性。进一步分析表明,上述位置单元发生失效前的等效应力基本保持稳定,而静水压则呈现周期性增大的现象。因此,静水压的周期性累积-释放是导致靶板内部产生周期性绝热剪切带的直接原因。针对流-固高速冲击问题,将SPH方法引入到上述过程的数值模拟工作中,并从模型构建、相互作用粒子数量控制、人工粘度、粒子接触与失效、计算效率等多个方面对其进行了优化。基于优化得到的流-固高速冲击数值模拟方法,对钨铜合金药型罩形成射流及破甲过程进行了模拟。结果表明,钨铜射流的动能及头部速度均较高,分别达到549.5KJ及5845m/s。金属靶板对射流的防护效果极为有限,射流穿透靶板后其射流头部速度仅下降45m/s,而动能依旧高达439KJ,且射流形态保持完整;而射流侵彻反应装甲后,虽然动能依旧较高,但其头部会发生严重溃散,侵彻能力大大下降。运用所构建的宏细观跨尺度数值模拟方法,对药型罩压垮过程中钨铜两相的协调变形机制进行了研究。结果表明,钨铜两相的变形行为差距极大。钨相的形态基本保持不变,其平均应变仅为0.12左右;而铜相则被严重拉伸呈条带状,其平均应变达到3.5左右。变形发生后,铜相中的温度可以升高至500℃~600℃,达到其动态再结晶温度;而钨相的温度仅为400℃~500℃,不具备发生动态再结晶的条件。铜相的动态再结晶行为为钨铜两相的协调变形提供了条件。针对高速冲击中常见的破片形成及飞散问题,优化得到了一种基于节点分离思想的破片形成方法,并提出了破片识别以及数量、速度、质量统计的基本思想。运用上述方法,对40CrMnSiB钢圆筒的爆炸形成破片过程进行了模拟,再现了圆筒膨胀、开裂等现象。基于优化得到的破片识别及数量、质量、速度统计思想,采用APDL语言编程对LS-DYNA软件计算结果进行二次开发,在重构得到的破片场中,逐一搜索单元并赋予其编号,实现了破片的自动识别及数量统计;进而通过对破片单元质量进行累加以及对破片节点速度进行矢量求和的方法,实现了破片质量及速度的自动统计。统计结果表明,在t=200μs时刻,计算得到的破片场中破片数量为3840个,破片的最大速度为1517m/s,该统计结果与实验值吻合较好,验证了统计方法的有效性。运用所构建的宏细观跨尺度数值模拟方法,对爆炸载荷下40CrMnSiB钢细观组织的响应行为进行了研究。结果表明,40CrMnSiB钢细观组织具有良好的变形能力,这主要归因于铁素体较软,而其中弥散分布的硬质碳化物颗粒较为细小。由于两相力学性能差异较大,细观组织中应力应变分布并不均匀。在t=3.0μs时刻,铁素体中等效应力约为617MPa~958MPa,而其等效塑性应变值达到2~3左右;碳化物颗粒的变形程度极小,其内部等效应力达到1100MPa。研究还发现,呈“孤岛”状分布于铁素体基体中碳化物颗粒会对铁素体的变形起到“截断”作用,导致两相界面处产生严重的应变集中现象,容易引发材料的开裂。