基于多尺度热点机制的颗粒炸药冲击起爆模型研究

为获取含能材料反应起爆对材料不同层次微结构及微缺陷的敏感性机理，本项目考虑了含能晶体的晶格位错塞积-解理断裂及颗粒间接触力学损伤两类重要的热点起源，将不同尺度的热点局部化机制在模型中描述，选取与起爆过程相联系的细观物理量，将受力系统结果转化为化学反应所需要的输入数据，建立了多尺度的热点生成与冲击起爆耦合的数学模型，实现了晶格尺度的力-化学耦合。数值模拟研究颗粒炸药在强弱不同的冲击加载条件下热点演化对反应起爆作用机理。项目首次建立了颗粒炸药内不同尺度的热点(晶格位错缺陷与界面接触损伤)同时演化的理论框架，可用于研究不同冲击加载下颗粒炸药反应起爆的晶粒尺寸敏感性机理。本项目的研究成果有助于加深对含能材料热点及反应起爆耦合过程的细观和微观认识，对指导含能材料配方和结构设计、评价含能材料装药可靠性和使用安全性以及寿命预测等都具有非常重要的意义。

项目针对含能材料力学响应的细微观特性，以及化学反应由细微观发展到宏观的过程及机理，以颗粒炸药为主要研究对象进行了试验及理论模型研究。建立起颗粒炸药低速撞击响应的光学测试系统，可测得炸药颗粒变形、破碎、熔化、点火，直至爆燃的细观过程，不但获得颗粒及热点空间上的相互作用关系，而且描绘出各阶段在时间上先后关联的完整图像。基于颗粒集合的力化学过程所对应特征时间，提出撞击感度定量评价的新依据。.基于颗粒炸药撞击试验研究，首次建立了包含多种热点机制点火和宏观燃烧(摩擦、接触塑性、晶内破碎、熔化及化学反应热)的颗粒炸药撞击理论模型，获得热点温度演化及宏观燃烧剧烈程度受材料性质、局部表面条件、仪器刚性条件、输入撞击能量的影响规律。模型预测了点火发生的条件及形成大范围剧烈燃烧的临界条件。理论模型可有效取代昂贵的大量评价性实验。试验和理论研究表明：炸药撞击感度的定量评价是基于应该对材料细观结构及仪器规范定量表征前提下的响应过程量。.颗粒含能材料中热点的形成和聚合是形成燃烧转爆轰的关键。当压缩波在颗粒炸药床中传播，将伴随着晶粒的重新分布，颗粒发生接触变形/接触面摩擦/熔化/化学反应，晶内发生位错滑移变形和塞积。建立了多尺度热点机制的颗粒炸药冲击动力学模型，研究了颗粒含能材料压缩波与热点形成的相互关系、热点点火及起爆发生的条件。相同的加载条件下，HMX颗粒直径越大，局部接触区域温度越高，热传导效应越弱，化学反应越容易发生，颗粒炸药床整体感度越高。位错塞积热点随着晶粒尺寸增大而增大，但是，晶粒尺寸越小，位错塞积诱发的热点越难成长为真正的热点，易由热传导导致熄灭，虽然温度幅值足以诱发局部发生化学分解反应，如果热点尺寸太小且存在时间很短，并不能维持宏观燃烧。多尺度模型通过同时包含两种以上不同尺度热点机制，对阐释含能材料热点起爆细微观力-化学耦合机理有重要贡献。.建立了细观有限元数值模型，颗粒间考虑了热传导和热力耦合作用。利用ABAQUS软件进行了对称和随机分布的HMX颗粒床进行二维冲击加载的数值模拟，分析了单个颗粒的变形、应力和温度的分布以及演化过程，研究了低强度冲击加载条件下活塞速度、颗粒间的摩擦、颗粒内部孔洞缺陷、比热和屈服强度对HMX颗粒床的冲击加载响应的影响。颗粒炸药细观数值模型的研究，为更深入地研究复杂炸药材料奠定了基础。