PBX炸药颗粒粉压制过程细观力学行为的数值模拟研究

Polymer bonded explosive (PBX) is a high explosive material and its underlying structure-property relationship has been a hot research topic in this field. In this application, we suggest a multiscale modelling of the mechanical behaviour of PBX materials in pressing process and propose to develop a computer code based on the model. The multiscale modelling starts from microscale and go to macroscale step by step and the calculation results at lower level are used as input information for higher level calculation: Molecular dynamics (MD) simulation is used to solve different mechanical properties of bonded particles and viscoelastic polymer binder at microscale; Materials Point Method (MPM) approach is used at mesoscale to calculate the mechanical property variation of PBX with loading, and to determine the equations of state and the constitutive relations of the bonded material; Finite element method is employed to calculate the mechanical properties of PBX at macroscale and to compare the results with experimentally observations. In this project, we will construct a multiscale simulation platform based on these methods. This will provide a realistic tool for studying the mechanical behaviour of PBX materials in pressing process.

高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive, PBX)是一种重要的高性能炸药，其结构和性能的关系一直是炸药和材料科学领域重要的研究课题。本申请主要研究PBX压制过程中细观力学行为多尺度数值模拟计算的模型和开发相应的计算机程序。研究思路是，在微观尺度，用分子动力学（MD）模拟方法求解填充物颗粒和聚合物添加剂的各种性质，包括组分的状态方程和粘弹性的本构关系，这些性质作为参数输入到细观尺度的模拟计算；在细观尺度，采用物质点法（MPM）求解物质的力学性质，计算复合材料力学行为随受荷的变化，获得PBX的状态方程式和粘弹性的本构方程；在宏观尺度，基于细观尺度的计算结果应用有限元方法计算PBX的力学性能在各种实验条件下的变化，并与实验结果相比较。本项目研究成果可为研究PBX材料压制过程的力学行为提供一种有效的方法。

高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive, PBX)是一种重要的高性能炸药，其结构和性能的关系一直是炸药和材料科学领域重要的研究课题。本项目在 MPM 数值模拟方法的基础上，提出了PBX静态压制过程中力学性能的多尺度数值模拟方案：在微观尺度，用分子动力学（MD, Molecular Dynamics）模拟方法求解填充物颗粒和聚合物添加剂的各种性质，包括计算各组分的状态方程和粘弹性的本构关系；在细观尺度，以微观尺度模拟得到的参量为基础，采用物质点法（MPM，Material Point Method）求解PBX的各种力学性质，包括建立PBX的状态方程和本构关系，这些作为宏观尺度模拟计算的基础；在宏观尺度，基于细观尺度的计算结果应用有限元方法计算PBX的力学性能在各种实验条件下的变化。该方案的创新之处是从原子尺度的MD计算到宏观尺度的有限元计算，每一不同尺度计算所需的参量都可以由前一尺度的模拟计算得到。在此基础上，开发了相应的多尺度模拟PBX在静态压缩时力学性质变化的计算机程序，采用系统集成和软件开发相结合的方式，构建了从原子尺度至宏观尺度的多尺度计算模拟实验平台，并对以四亚甲基四硝铵 (octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine, 简称HMX)为炸药填充物，以F2311为粘结剂形成的PBX进行了MPM静态压缩时的细观尺度的模拟研究，模拟得到的PBX中颗粒的重排、变形和材料温度的变化情况与实验观察到的结果一致，模拟计算的密度值与实验结果对比误差小于5%；而模拟得到的温度和应力随样品中颗粒排列的分布是宏观实验方法无法观察到的。研究结果为在颗粒尺度理解该PBX静态压缩时力学行为的变化提供了理论依据，有望为PBX炸药压制生产工艺的研究提供理论指导。