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炸药冲击响应的二维细观离散元模拟
细观结构对炸药的冲击响应具有重要影响,颗粒尺度的数值模拟是目前研究这一问题的主要手段。
本文用离散元方法模拟了冲击作用下颗粒炸药和塑料粘结炸药中热点的形成和发展。
首先利用Voronoi拼图建立了可近似反映炸药实际细观结构的离散元几何模型。
相应地改进了离散元程序DM2,使之适应本文模拟的要求。
并改进了原有的法向作用力模型,即用换算后的Hugoniot关系取代原有的中心作用力关系,用物理的体积粘性取代原有的法向振荡阻尼。
此外,引入“代表体元”的概念对体应变和剪应变进行了新的定义和计算。
在此基础上,开展了炸药冲击响应的二维细观离散元模拟。
利用文献给出的物理参数,得到了基本合理的计算结果。
在可对比的算例中,热点的温度范围与文献给出的基本一致。
在本文的算例中,粘塑性变形是温度局域化的主要原因,而摩擦和体积粘性等机制影响很小。
通过对比颗粒炸药和塑料粘结炸药,发现粘结剂的缓冲作用可降低炸药颗粒的热点温度。
对不同几何形状炸药部件与固壁碰撞的模拟表明,加载方式和边界条件对热点的温度影响较大,而对热点的空间分布影响相对较小。
对孔洞塌缩的热点形成机制的计算结果表明,孔洞塌缩可使当地温度显著提高,温升主要是由于应力波对孔洞周围的加载—卸载—再加载导致炸药颗粒剧烈的粘塑性变形。
Through the reasonable organization of the production process, effective use of production resources to carry out production activities, to achieve the desired goal.炸药的起爆与感度正式版炸药的起爆与感度正式版下载提示：此安全管理资料适用于生产计划、生产组织以及生产控制环境中，通过合理组织生产过程，有效利用生产资源，经济合理地进行生产活动，以达到预期的生产目标和实现管理工作结果的把控。
文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用。
一、炸药的起爆每种炸药都具有相对的稳定性，要使它发生爆炸，必须提供一定的外界作用，供给足够的能量来激活一部分炸药分子。
激发炸药爆炸的过程就叫做起爆。
使炸药活化发生爆炸反应所需要的活化能称为起爆能。
起爆能主要有热能、机械能和爆炸能三种形式。
起爆能能否起爆炸药，不仅与起爆能的大小有关，而且还取决于能量的集中程度。
根据活化能理论，化学反应只是在具有活化能量的活化分子互相接触和碰撞时才能发生。
因此，为了使炸药起爆，就必须有足够的外部能量使炸药分子变为活化分子。
活化分子的数量越多，爆炸反应的速度也越高。
起爆时，外部能量转化为炸药的活化能，造成足够数量的活化分子，并因它们的互相接触、碰撞而发生爆炸反应。
二、炸药的感度炸药在外部能量的作用下起爆的难易程度叫做炸药的敏感度(或感度)。
炸药感度的高低用激起炸药爆炸反应所需的最小起爆能的多少来衡量。
所需的最小起爆能越小，表示炸药的感度越高，反之表示炸药的感度低。
炸药对不同形式的起爆能具有不同的感度。
如梯恩梯炸药，对机械作用的感度较低，但对电火花的感度则较高。
为研究不同形式起爆能起爆炸药的难易程度，将炸药感度分为：热感度、火焰感度、电火花感度、冲击感度、摩擦感度、射击感度、冲击波感度和爆轰波感度等。
DOI ：10.11883/bzycj-2018-0101基于PDV 的JOB-9003炸药爆轰反应区测量*覃锦程，裴红波，黄文斌，张 旭，郑贤旭，赵 锋（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621999）摘要： 炸药的反应区数据对爆轰过程的精密建模具有重要意义，为了得到JOB-9003炸药的反应区信息，采用光子多普勒测速仪（PDV ）对JOB-9003炸药的爆轰反应区进行了实验研究。
实验中利用火炮发射高速蓝宝石飞片冲击起爆被测炸药，在炸药后表面安装镀膜氟化锂（LiF ）窗口测量炸药一维稳态爆轰时的界面粒子速度，测试过程的时间分辨率小于1 ns ，测速相对不确定度小于2%。
通过读取界面粒子速度时程曲线的拐点来确定CJ 点，根据阻抗匹配公式计算炸药的CJ 压力。
研究结果表明，JOB-9003炸药界面粒子速度时程曲线上存在较为明显的拐点，JOB-9003炸药的化学反应时间为（11±2）ns ，对应的化学反应区宽度为（0.075±0.014）mm ，JOB-9003炸药的CJ 爆压为（35.6±0.9）GPa ，冯诺依曼（Von Neumann ）峰处的压力为（47.9±1.2）GPa 。
关键词： 爆轰反应区；HMX ；爆压；激光干涉法中图分类号： O381 国标学科代码： 13035 文献标志码： A炸药的爆轰反应区一般由ZND(Zeldovich-Von Neumann-Doring)模型进行描述，在ZND 模型中，冲击波作用下炸药的化学反应要历经一定的时间和空间，这一区间被称为反应区，反应区由无反应的先导冲击波和紧随其后的化学反应区构成，在化学反应区的末端是Chapman-Jouguet （CJ ）点，CJ 点连接了反应区和Taylor 波稀疏区，如图1所示。
测量炸药的爆轰反应区结构，一般包含测量CJ 点处的压力（爆压），Von Neumann （下文称VN ）峰压力，反应时间等，这些信息对理解炸药的爆轰反应过程、爆轰数值模拟等具有重要价值。
第28卷 第6期爆炸与冲击Vol.28,No.6 2008年11月EXPLOSION AND SHOC K WAV ES Nov.,2008 文章编号:100121455(2008)0620488206炸药冲击响应的二维细观离散元模拟3于继东,王文强,刘仓理,赵 峰,孙承纬(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳621900) 摘要:用离散元法在颗粒尺度模拟了塑料粘接炸药的冲击响应。
炸药的细观结构基于Voronoi拼图建成。
以含孔洞和不含孔洞的炸药模型为例,说明细观结构对热点的形成和分布有重要影响。
在这些算例中,粘塑性变形是温度局域化的主要原因,而摩擦和体积粘性等机制可以忽略。
关键词:爆炸力学;冲击响应;离散元方法;塑料粘接炸药;热点 中图分类号:O347.5;TD235 国标学科代码:130・35 文献标志码:A1 引 言 凝聚炸药在冲击作用下,由于细观不均匀性,某些局部区域的温度可以比平均温度高很多,成为首先发生反应的热点。
热点的形成、成长和相互作用是理解非均质炸药起爆的关键。
多年来尽管提出了多种热点机制,但是由于实验观测十分困难,在具体问题中,对于占主导地位的热点机制,常常只能推测,而难以确认[1]。
目前对于炸药在冲击作用下的细观响应特征,还只能通过数值模拟进行研究。
细观数值模拟可以展示细观结构特别是热点的演化,确定在不同问题中细观结构的影响和热点的主要机制,揭示从热点燃烧发展到流体动力学机制占主导地位的爆轰波的过程和爆轰波的结构,为建立可用于工程计算的宏观模型提供依据。
目前,我国基本上还未开展这方面工作。
国外已发表的工作主要是20世纪90年代以来,在美国几个国家实验室和大学进行的。
P.A.Conley等[2]用二维欧拉有限元程序模拟了HMX颗粒炸药和塑料粘结炸药的冲击起爆,研究了热点的演化,以及颗粒尺寸、颗粒间孔穴、有无粘结剂、粘结剂材料性质等因素的影响。
1、炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台（软件类★）1）名称、版本、功能模块、用途名称：炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台版本：3.4.1版组成及功能：（1）MAPS Platform 平台模块功能：a. 友好的建模功能：基于三维切图和分子片段；力场分配和建议优化功能;聚合物建模；晶体建模；表面建模；Mesoscale 建模；纳米结构建模；b. 方便的基于力场的计算分析功能：分子模拟过程的动画显示；结构（键长、键角和二面角等）和能量随时间变化曲线；扩散系数计算；径向分布函数；自由体积计算；相关系数计算；结构（键长、键角和二面角等）分布情况c. 支持Python语言脚本编写并可以提交任务功能：软件平台的GUI功能都可通过编写的Python 脚本来实现，并且通过组合脚本实现自动化管理计算任务的目的。
d. 提供友好的作业管理系统：可以进行监控作业的运行、跟踪、强制取消等任务（包括远程任务）。
特殊运行条件的控制也可以通过该系统实现。
可以与PBS 作业管理系统结合使用。
（2）MMPS Atomistic分子动力学计算模块功能：a.采用Newton移动方程描述原子、分子和宏观粒子的移动，可支持多种边界条件和约束条件：除了支持周期体系之外，还能处理非周期体系，包括固定边界条件、收缩边界条件和最小收缩边界条件。
b.拥有广泛的力场，包括：Amber、CHARMM、Dreding、Martin力场和EAM 势。
c.能处理液态、固态和气态的各种粒子系综。
可以模拟原子、聚合物、生物大分子、金属和粒状体系。
d.有效的处理部分带电系统的长程修正，RESPA多时间步积分和能处理非正交和金属体系。
e.能做结构优化，包括原子位置和胞体积，能做分子动力学计算，支持的系综有NVE、NVT和NPT。
f.预测多种性质并解释很多现象，如分子在聚合物中的扩散、溶解度参数和相容性、表面附着力、粘度、摩擦、有机物和无机物的密度。
g.可以实现自由电子动力学计算。
（3）MMPS-DPD 耗散粒子动力学计算模块功能：a. 采用Newton移动方程和指定的相互作用能描述我们研究的体系，并计算其运动轨迹，由此计算体系的各种性质。
b. 广泛应用于复杂液体模拟、胶束形成、块体聚合物形态预测、药物释放现象和很多其它。
c. 允许发生两个粒子的位置重叠（4）MAPS.Amorphous Builder无定形物建模模块功能：a.基于Monte Carlo技术结合反冲生长技术建立复杂单质或混合物的无定形结构。
界面或接口系统采用周期系统来解决。
b.可以建立与实验密度一致的刚体系统。
可以建立单质或混合物的模型，例如聚合物熔体、溶液、多相界面、表面和任意材料的多层结构模型。
c.可以通过该模块控制如何把选取的组分添加到模拟单胞中；也可以实现把某个单层物质添加到由两层平行“墙”组成的空隙中，并模拟限制系统；可以定义被排除的球形体积，控制分子摆放在表面的任意位置；用户可以结合上述功能完成需要的各种不同的形态学模型。
d.应用质量控制技术可以避免不合理的连接或渗透现象。
可以防止分子生长过程中的重叠，例如聚合物链和纳米颗粒在纳米复合材料的建模。
e.可以用来作为结构优化或者分子动力学模拟的输入，预测静态和动态性质：如扩散系数、渗透率、粘度、弹性性质及很多其它性质。
f.可以一步就产生高密度的聚合物如密度高达1.5 g/cm3 的Kapton 或者Polysulfonates。
（5）MAPS.Elastic Properties 预测材料弹性性质计算模块功能：基于分子动力学模拟的预测材料的弹性性质(预测材料的应力应变曲线、杨氏模量和泊松比)。
（6）MAPS.ReaxFF 反应动力学计算分析模块功能：采用经典分子动力学模拟手段研究大尺度反应体系和扩展观察时间。
分析ReaxFF 模拟得到的结果，如燃烧、氧化和聚合反应，研究不同因素对反应的影响，如温度、压强和组成。
（7）MAP.Cross-link Builder 交联结构建模模块功能：依靠分子模拟引擎建立cross-linked 聚合物模型（8）MAPS.ABINIT 密度泛函第一性原理计算模块功能：a.在密度泛涵理论框架内基于平面波赝势和平面波基组，能进行体系的结构优化和分子动力学计算，也能进行总能、电荷密度和电子结构计算。
b.可以得到很多性质，包括动力学矩阵、Born 有效电荷和介电张量。
它也可以处理激发态计算问题，如用TD-DFT 研究分子、多体微绕理论（GW 近似）研究固体。
非常适合解决固体物理、材料科学、化学和材料工程中的固体、分子、表面和界面问题。
c.可以计算声子频率、声子态密度和力常数；可以计算简协近似下的热动力学性质（9）MAPS.Towhee 蒙特卡洛计算模块功能：a.蒙特卡洛计算工具适合预测流体相平衡研究。
b.适用各种系综、支持多种力场和与固体的相互作用（包括多孔材料），c.使用 Grand Canonical Monte Carlo (GCMC)方法d.可用于吸附等温线、结合位、结合能、扩散途径及分子选择性的研究。
（10）MAPS.TeamFF 高精度力场模块功能：a.解决了力场计算中经常遇到的“缺少参数”的问题，可以对不同类型的中小分子直接从量子化学计算结果推导其力场参数，可由分子片段得到大分子或高分子的力场。
b.包含：（1）高精度力场数据库（2）根据量子化学计算结果模拟力场参数功能（3）分子动力学计算优化VDW参数（11）MAPS.NWChem 高效量子化学计算程序功能：a.标准的量子化学计算模块，计算效率高，能处理的分子很大，可以调用的CPU数目多大几十万个。
b.提供键长、键角、振动频率、光学性质（IR,RAMAN,UV-Vis）和其它性质，化学反应过程中能量变化，即过渡态搜索计算。
c.多尺度计算方法HF,DFT,TD-DFT,MP2，CCSD和CCSD(T)。
d.通过分子动力学计算动力学性质，并可以进行异构体搜索计算。
e.可以处理气相化学问题、各种化学反应（如均相催化），通过COSMO 模型可以考虑溶剂化效应。
f.采用RPA和Tamm-Dancoff方法计算激发态（单态和三态），包括CD 谱计算。
g.包含相对论效应；旋轨耦合。
用途：采用先进的多尺度材料模拟软件技术，可以用于建立宏观炸药性质和微观材料特性之间的相互关系。
这种关系的建立有助于清楚炸药制造影响因素中哪个是关键的，并能做到有效的提高炸药的整体性质。
多尺度模拟设计软件弥补了以往理论研究过于理想化和简化工作条件等诸多与实际偏离的缺陷。
可以计算高分子的物性，小分子和高分子凝聚状态和变化分析，研究分子反应机理，固体、表面、界面的电子结构计算。
2）功能要求1.具有很强扩展性的材料设计平台，提供一系列模拟模块，组成强有力的、高扩展性的材料设计环境。
2.提供3个用户界面，用户界面同时支持Windows和Linux操作系统；3.不限制服务器端并行度和同时可以提交的作业数。
4.分子动力学模块提供丰富的力场，包括Amber、CHARMM、Dreding、Martin力场和EAM势、MEAM、Tersoff、SW、Universal Force Field、CVFF、PCFF、OPLS、TIP4P 等。
5. 模拟平台支持用户二次开发，支持计算引擎修改。
6. 分子动力学计算模块要求支持的系综有NVE、NVT和NPT，可以考虑的边界条件种类丰富，如：固定边界条件、内缩边界条件、膨胀-内缩边界条件等。
7. 分子动力学计算模块要求可直接获得粘度、扩散系数等结果的分析功能。
8. 提供丰富的反应动力学计算分析功能，例如：化学反应分析、生成物跟踪分析等。
9. 可以构建交联结构模型。
10. 第一性原理计算模块要求可以直接进行声子谱计算功能，支持GW方法。
11. 蒙特卡洛计算模块要求支持NVT/NPT/uVT/Gibbs系综，支持CMBC方法。
12. 支持Python脚本语言。
3）新增的必要性A、研究任务和课题存在哪些关键技术难点；随着工业向研发更高附加值的产品及其更加复杂的工艺的方向发展，越来越需要深入了解复杂产品的结构特性和整个工艺过程对产品性质的影响。
随着物理学、材料学、化学和计算机技术的发展，我们关注对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构在原子层次上的设计已成为材料研究的主要内容，需要对功能材料研究到电子层次。
然而，原子层次的结构材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本大幅提高，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。
通过材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。
使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，使研究与材料开发更具方向性、前瞻性，可以大大提高研究效率。
B、描述本单位现有条件在哪些方面不能完成仿真、计算；本单位目前拥有的软件不能提供更加丰富的力场和反应动力学、材料的力学性质的模拟分析工作，同时目前的本单位不拥有蒙特卡洛计算方法的模拟软件。
并且我们希望能够在现有的最先进的计算模拟的方法上进行计算引擎的改动，以便达到在高效率的界面环境下，将来开展有自己特色的微观模拟工作。
C、拟选软件对解决关键技术难点所能起到的作用；MAPS 是材料模拟使用非常友好的软件，是成熟的商业软件，目前它所提供的各项计算引擎都是相关领域领先的被世界科研工作者认可的模拟引擎，其中的分子动力学力场是最全面的，反应动力学分析是最先进的，具备炸药在热、力作用下的反应动力学研究的最先进的功能；第一性原理计算功能是最早具备GW计算方法，同时是唯一可以在同一个软件包中完成电子结构计算和声子谱热力学性质计算的软件；蒙特卡洛计算模块是包含所有流行力场的计算模块；量子力学计算模块是计算效率非常高的，适用范围非常广泛的计算模块。
并且该平台提供高效率的无定形物建模以及交联结构建模工具，极大的提高了工作效率。
同时，模拟平台支持用户的二次开发，支持计算引擎修改。
此外还提供有方便高效的API接口，是基于python脚本语言的。
用户可以把自己开发的代码加入到模拟平台中，并且与模拟平台原有的其他计算引擎协同操作。
便于我们将来开展有自己特色的微观模拟工作。
D、为什么不能采取外协的方式完成；材料的模拟是当今流行的、先进的科研手段之一，因此当前非常有必要建立完整的炸药微观模拟平台，培养模拟技术人员和完成对学生的培养，建立起一支完整的模拟设计队伍。
如果采用外协方式，不方便学生进行熟练的操作，同时考虑到模拟硬件的资源紧张，外协方式可能导致科研模拟课题的延迟，同时考虑科研内容的保密性，也建议不采用外协的方式。
故新增1套炸药反应微观多尺度计算MAPS软件平台是十分必要的。
