冲击载荷作用下非均质炸药热点形成细观模拟研究

The investigation about hot-spot formation mechanism of heterogeneous explosives is an important research content for detonation physics, it's also the key for solid explosives ignition. The hot-spot formation process is a nonlinear multi-scale dynamic problem, coupled with grain deformation, surface burning, chemical energy release and material property change. Till now hot-spot formation process cann't be simulated aboratively by experiment or theory. Discrete element method (DEM) is used to model polymorphous material under shock loading in recent years, it provides a effective method to investigate the dynamical response of heterogeneous explosives. DEM is prepared to be used in this project, for systemically modeling hot-spot formation process of typical explosives meso-structure. Based on simulative result and theoretical analysis, the meso-mechanism of hot-spot formation in representative heterogeneous explosives will be elucidated; the main hot-spot formation mechanism of meso-structure under different shock loading will be proposed. Through this preject, the mesoscale deformation and hot-spot formation process of granular and plastic bonded explosives subjected to shock loading will be described realistically, meso-dynamical proof for meso-scope detonation model will be provided, reference for other mesoscale simutlation will be afforded.

非均质炸药热点形成机理研究既是爆轰物理关注的一项重要研究内容，也是武器及工业用固体炸药点火起爆的关键。非均质炸药热点形成过程属于典型的非线性多尺度材料动态响应问题，往往伴随着炸药颗粒变形、表面燃烧、放能及材料物理、化学性质的突变。目前尚无法通过实验和唯象理论研究对非均质炸药热点形成过程进行细致描述。近年来，离散元法的应用扩展到多晶材料冲击响应领域，并得到快速发展，为研究非均质炸药的动态响应提供了一种有效手段。本课题拟采用离散元方法，对典型非均质炸药热点形成和演化过程进行系统的细观尺度模拟研究。在数值模拟与理论分析的基础上，揭示典型炸药微结构热点形成的细观机理；确定典型微结构在不同加载条件下热点形成的主要机制。通过本项目研究，可以更真实地描述非均质炸药在细观层次上的变形和热点演化过程，为发展考虑微结构特征的爆轰计算模型提供细观力学依据，并可为其它细观尺度现象研究提供模型和方法借鉴。

非均质炸药热点形成机理研究是武器物理与爆炸力学的一项重要研究内容。非均质炸药在国防科技和国民经济建设领域应用十分广泛。热点形成与演化研究是理解非均质炸药点火起爆的关键，对于非均质炸药应用过程中的安全性评估与灾害预防具有十分重要的意义。热点形成机理复杂，孔洞塌缩、炸药颗粒边界与杂质处密度间断、剪切带、气泡绝热压缩、炸药颗粒间摩擦等都可能形成热点。影响热点形成过程的因素众多，炸药自身的微结构、材料的物理化学性质、炸药所处的物理环境及装药条件等均可能对热点的形成、点火与增长过程产生重要影响。因此，自Mader提出非均质炸药热点起爆理论以来，众多学者在这一领域开展了许多卓有成效的研究工作。.本项目基于并行自适应结构网格应用支撑软件框架JASMIN,完成了离散元程序并行化，实现了具有典型炸药微结构特征的离散元模型构建功能,完成了能够反映典型炸药冲击压缩特性的单元间作用力模型与温度计算模型程序模块编制。利用自主研发的并行离散元程序，模拟了受冲击均质HMX炸药的动力学响应过程，给出了HMX炸药的冲击雨贡纽关系，并与相关实验及数值模拟结果进行了比较。完成了冲击载荷作用下，含孔炸药孔洞塌缩与热点形成过程模拟，分析了孔洞塌缩过程中引起单元温度升高的主要因素，给出了热点形成的特征时刻、位置及热点区域的温度-质量分布，获得了孔洞塌缩过程中致使热点形成的主导因素。系统研究了冲击压力、孔径、孔洞间距离与孔洞形状等因素对于热点处温度及分布的影响规律。模拟了不同冲击压力下颗粒炸药与塑料粘接炸药的冲击响应过程，获得了非均质炸药热点形成的细观特征，分析了颗粒炸药与PBX炸药受冲击过程中相关热、力学量的变化规律，基于数值模拟结果对粘结剂的降敏作用原理进行了解读。模拟了冲击载荷作用下，含孔颗粒炸药与含孔塑料粘接炸药的热点形成过程，确定了特定条件下起主导作用的热点形成机制。.本项目取得的研究成果可为爆轰理论建模提供必要的细观力学基础，可为武器设计与安全性评估的定性分析提供有益帮助，同时还能够对非均质炸药在国民经济生产活动中的应用与灾害防护起到重要的指导作用。此外，本项目所采用的研究方法还可为其它细观尺度现象研究提供模型与方法借鉴。