衝擊載荷作用下非均質炸藥熱點形成細觀模擬研究

《衝擊載荷作用下非均質炸藥熱點形成細觀模擬研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由劉超擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：衝擊載荷作用下非均質炸藥熱點形成細觀模擬研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉超
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

非均質炸藥熱點形成機理研究既是爆轟物理關注的一項重要研究內容，也是武器及工業用固體炸藥點火起爆的關鍵。非均質炸藥熱點形成過程屬於典型的非線性多尺度材料動態回響問題，往往伴隨著炸藥顆粒變形、表面燃燒、放能及材料物理、化學性質的突變。目前尚無法通過實驗和唯象理論研究對非均質炸藥熱點形成過程進行細緻描述。近年來，離散元法的套用擴展到多晶材料衝擊回響領域，並得到快速發展，為研究非均質炸藥的動態回響提供了一種有效手段。本課題擬採用離散元方法，對典型非均質炸藥熱點形成和演化過程進行系統的細觀尺度模擬研究。在數值模擬與理論分析的基礎上，揭示典型炸藥微結構熱點形成的細觀機理；確定典型微結構在不同載入條件下熱點形成的主要機制。通過本項目研究，可以更真實地描述非均質炸藥在細觀層次上的變形和熱點演化過程，為發展考慮微結構特徵的爆轟計算模型提供細觀力學依據，並可為其它細觀尺度現象研究提供模型和方法借鑑。

結題摘要

非均質炸藥熱點形成機理研究是武器物理與爆炸力學的一項重要研究內容。非均質炸藥在國防科技和國民經濟建設領域套用十分廣泛。熱點形成與演化研究是理解非均質炸藥點火起爆的關鍵，對於非均質炸藥套用過程中的安全性評估與災害預防具有十分重要的意義。熱點形成機理複雜，孔洞塌縮、炸藥顆粒邊界與雜質處密度間斷、剪下帶、氣泡絕熱壓縮、炸藥顆粒間摩擦等都可能形成熱點。影響熱點形成過程的因素眾多，炸藥自身的微結構、材料的物理化學性質、炸藥所處的物理環境及裝藥條件等均可能對熱點的形成、點火與增長過程產生重要影響。因此，自Mader提出非均質炸藥熱點起爆理論以來，眾多學者在這一領域開展了許多卓有成效的研究工作。 本項目基於並行自適應結構格線套用支撐軟體框架JASMIN,完成了離散元程式並行化，實現了具有典型炸藥微結構特徵的離散元模型構建功能,完成了能夠反映典型炸藥衝擊壓縮特性的單元間作用力模型與溫度計算模型程式模組編制。利用自主研發的並行離散元程式，模擬了受衝擊均質HMX炸藥的動力學回響過程，給出了HMX炸藥的衝擊雨貢紐關係，並與相關實驗及數值模擬結果進行了比較。完成了衝擊載荷作用下，含孔炸藥孔洞塌縮與熱點形成過程模擬，分析了孔洞塌縮過程中引起單元溫度升高的主要因素，給出了熱點形成的特徵時刻、位置及熱點區域的溫度-質量分布，獲得了孔洞塌縮過程中致使熱點形成的主導因素。系統研究了衝擊壓力、孔徑、孔洞間距離與孔洞形狀等因素對於熱點處溫度及分布的影響規律。模擬了不同衝擊壓力下顆粒炸藥與塑膠粘接炸藥的衝擊回響過程，獲得了非均質炸藥熱點形成的細觀特徵，分析了顆粒炸藥與PBX炸藥受衝擊過程中相關熱、力學量的變化規律，基於數值模擬結果對粘結劑的降敏作用原理進行了解讀。模擬了衝擊載荷作用下，含孔顆粒炸藥與含孔塑膠粘接炸藥的熱點形成過程，確定了特定條件下起主導作用的熱點形成機制。 本項目取得的研究成果可為爆轟理論建模提供必要的細觀力學基礎，可為武器設計與安全性評估的定性分析提供有益幫助，同時還能夠對非均質炸藥在國民經濟生產活動中的套用與災害防護起到重要的指導作用。此外，本項目所採用的研究方法還可為其它細觀尺度現象研究提供模型與方法借鑑。