《基於多尺度熱點機制的顆粒炸藥衝擊起爆模型研究》是依託北京理工大學，由吳艷青擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於多尺度熱點機制的顆粒炸藥衝擊起爆模型研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：吳艷青
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
為獲取含能材料反應起爆對材料不同層次微結構及微缺陷的敏感性機理，本項目考慮了含能晶體的晶格位錯塞積-解理斷裂及顆粒間接觸力學損傷兩類重要的熱點起源，將不同尺度的熱點局部化機制在模型中描述，選取與起爆過程相聯繫的細觀物理量，將受力系統結果轉化為化學反應所需要的輸入數據，建立了多尺度的熱點生成與衝擊起爆耦合的數學模型，實現了晶格尺度的力-化學耦合。數值模擬研究顆粒炸藥在強弱不同的衝擊載入條件下熱點演化對反應起爆作用機理。項目首次建立了顆粒炸藥內不同尺度的熱點(晶格位錯缺陷與界面接觸損傷)同時演化的理論框架，可用於研究不同衝擊載入下顆粒炸藥反應起爆的晶粒尺寸敏感性機理。本項目的研究成果有助於加深對含能材料熱點及反應起爆耦合過程的細觀和微觀認識，對指導含能材料配方和結構設計、評價含能材料裝藥可靠性和使用安全性以及壽命預測等都具有非常重要的意義。
結題摘要
項目針對含能材料力學回響的細微觀特性，以及化學反應由細微觀發展到巨觀的過程及機理，以顆粒炸藥為主要研究對象進行了試驗及理論模型研究。建立起顆粒炸藥低速撞擊回響的光學測試系統，可測得炸藥顆粒變形、破碎、熔化、點火，直至爆燃的細觀過程，不但獲得顆粒及熱點空間上的相互作用關係，而且描繪出各階段在時間上先後關聯的完整圖像。基於顆粒集合的力化學過程所對應特徵時間，提出撞擊感度定量評價的新依據。 基於顆粒炸藥撞擊試驗研究，首次建立了包含多種熱點機制點火和巨觀燃燒(摩擦、接觸塑性、晶內破碎、熔化及化學反應熱)的顆粒炸藥撞擊理論模型，獲得熱點溫度演化及巨觀燃燒劇烈程度受材料性質、局部表麵條件、儀器剛性條件、輸入撞擊能量的影響規律。模型預測了點火發生的條件及形成大範圍劇烈燃燒的臨界條件。理論模型可有效取代昂貴的大量評價性實驗。試驗和理論研究表明：炸藥撞擊感度的定量評價是基於應該對材料細觀結構及儀器規範定量表征前提下的回響過程量。 顆粒含能材料中熱點的形成和聚合是形成燃燒轉爆轟的關鍵。當壓縮波在顆粒炸藥床中傳播，將伴隨著晶粒的重新分布，顆粒發生接觸變形/接觸面摩擦/熔化/化學反應，晶內發生位錯滑移變形和塞積。建立了多尺度熱點機制的顆粒炸藥衝擊動力學模型，研究了顆粒含能材料壓縮波與熱點形成的相互關係、熱點點火及起爆發生的條件。相同的載入條件下，HMX顆粒直徑越大，局部接觸區域溫度越高，熱傳導效應越弱，化學反應越容易發生，顆粒炸藥床整體感度越高。位錯塞積熱點隨著晶粒尺寸增大而增大，但是，晶粒尺寸越小，位錯塞積誘發的熱點越難成長為真正的熱點，易由熱傳導導致熄滅，雖然溫度幅值足以誘發局部發生化學分解反應，如果熱點尺寸太小且存在時間很短，並不能維持巨觀燃燒。多尺度模型通過同時包含兩種以上不同尺度熱點機制，對闡釋含能材料熱點起爆細微觀力-化學耦合機理有重要貢獻。 建立了細觀有限元數值模型，顆粒間考慮了熱傳導和熱力耦合作用。利用ABAQUS軟體進行了對稱和隨機分布的HMX顆粒床進行二維衝擊載入的數值模擬，分析了單個顆粒的變形、應力和溫度的分布以及演化過程，研究了低強度衝擊載入條件下活塞速度、顆粒間的摩擦、顆粒內部孔洞缺陷、比熱和屈服強度對HMX顆粒床的衝擊載入回響的影響。顆粒炸藥細觀數值模型的研究，為更深入地研究複雜炸藥材料奠定了基礎。
