弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型

 基于Kim的弹粘塑性单球壳塌缩模型,考虑PBX炸药中的粘结剂效应,假设炸药和粘结剂均为弹粘塑性材料,建立了弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型,给出了炸药球壳在冲击压力作用下的速度、应变、温度和化学反应速率的时空分布,以及新的热点反应速率理论表达式。把新的热点反应项与Kim的低压下慢反应项和张震宇提出的高压反应速率方程相结合,得到了新的冲击起爆三项式细观反应速率模型。把该模型加入DYNA2D中,模拟了PBX-9501炸药的一维冲击起爆过程,结果表明：该模型除了可以解释炸药颗粒度和孔隙度的影响外,还可以较好地描述粘结剂强度和含量对PBX炸药冲击起爆感度的影响。     

冲击加载下孔洞形成微射流的最大侵彻深度

应用二维弹塑性流体力学欧拉程序MEPH,研究冲击载荷作用下孔洞形成的微射流.主要关注孔洞微射流的形成过程,重点分析冲击压力及孔洞半径等因素对于孔洞微射流最大侵彻深度的影响.分析孔洞塌缩形成射流的空间速度分布特征,并应用非定常射流理论,对不同冲击压力及孔洞半径条件下,微射流的最大侵彻深度进行估算,估算结果与数值模拟结果符合较好.     

冲击加载和斜波加载下PBX炸药细观结构点火特性对比

基于有限元方法,采用Monte-Carlo法建立了考虑炸药颗粒尺寸、形状和位置随机分布的高聚物黏结炸药(PBX)的细观结构。计算分析了冲击加载和斜波加载下黏结剂、孔洞缺陷对PBX炸药细观结构点火特性的影响,研究发现黏结剂含量的增加有效提高了炸药的临界点火压力。相比冲击加载,斜波加载下PBX炸药的临界点火压力有明显提升。炸药内部的孔洞缺陷对临界点火压力的影响与加载方式相关,冲击加载下,孔洞缺陷降低了PBX炸药的临界点火压力;而斜波加载下,孔洞缺陷提高了PBX炸药的临界点火压力。     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.     

冲击作用下非均质炸药热点形成的离散元方法

用离散元方法模拟以HMX为基的塑料粘结炸药与HMX颗粒炸药在冲击载荷作用下的细观响应过程.结果表明对于HMX颗粒炸药,炸药颗粒界面处的温度及压力远高于颗粒内部;对于HMX为基的塑料粘结炸药,粘结剂处的温度及压力亦高于颗粒内部;两种冲击响应过程的对比分析表明,粘结剂有效地降低了炸药颗粒边界处的温度及压力.     

冲击加载下孔洞贯通的微观机理研究

利用分子动力学方法计算模拟了沿〈100〉晶向冲击加载下单晶铜中双孔洞的贯通过程.发现孔洞周围发射剪切型位错环是孔洞塌缩和增长的原因.在拉伸阶段,孔洞首先分别独立增长,随后其周围塑性变形区开始交叠和相互作用,最后两个孔洞开始直接贯通.这种贯通模式和实验对延性材料中孔洞贯通过程的显微观察结果一致.对四种不同θ值（θ为两个孔洞中心连线与冲击加载方向之间的夹角）的模型分别进行了计算模拟,发现在相同的冲击加载强度下,θ＝0°和θ＝30°的孔洞之间没有相互贯通; 关键词： 纳米孔洞 分子动力学 冲击加载 贯通     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

冲击作用下PBX炸药预制孔洞塌陷过程的实验探索

采用显微镜头、光纤传像束、高速相机相结合的拍摄方法,利用电爆炸驱动低速飞片技术和快响应热电偶测温技术,初步建立了毫米级小尺寸炸药冲击响应的测试方法,实现了对亚毫米尺度预制孔洞缺陷的实时动态观测,获得了固体炸药孔洞(直径500μm)动态塌陷过程的图像和温升历程,为开展热点形成、点火及成长过程的实验研究奠定了基础。     

设计脆性材料的冲击塑性

通过微结构设计提升脆性功能材料的冲击塑性, 将有助于避免或延缓失效的发生. 提出在脆性材料中植入特定的微小孔洞以改善其冲击塑性的设计方法. 采用一种能够定量表现脆性材料力学性质的格点-弹簧模型, 研究了孔洞排布方式对脆性材料冲击响应的影响. 孔洞随机排布的多孔脆性材料具有明显高于致密脆性材料的冲击塑性, 而设计规则的孔洞排布方式将有助于进一步提升脆性材料的冲击塑性. 对150 m/s活塞冲击下气孔率5%的多孔样品的介观变形特征分析表明, 孔洞规则排布的样品中孔洞贯通和体积收缩变形占主导, 而孔洞随机排布的样品中剪切裂纹长距离扩展和滑移与转动变形占主导. 尽管在宏观的Hugoniot应力-应变曲线上, 两种孔洞排布方式的样品都表现出三段式响应特征(线弹性阶段、塌缩变形阶段和滑移与转动变形阶段), 但孔洞规则排布时孔洞塌缩变形阶段对整体冲击塑性的贡献更大. 研究揭示的规则排布孔洞增强脆性材料冲击塑性的原理, 将有助于脆性材料冲击诱导功能失效的预防.     

冲击作用下纳米孔洞动力学行为的多尺度方法模拟研究

本文利用多尺度方法研究了包含孔洞金属材料在冲击加载条件下的动力学行为. 该多尺度方法结合了分子动力学和有限元方法,分子动力学方法运用于局部缺陷区域,而有限元方法运用于整个模型区域,两种方法之间使用桥尺度函数进行连接. 计算结果既包括了系统宏观的物理信息,如应变场、应力场、温度场等,也得到了微观原子的物理信息,如原子能量和位置坐标等. 结合以上的模拟结果,发现孔洞的坍塌与材料屈服强度和冲击强度有关,而孔洞坍塌和坍塌过程中对微喷射原子的压缩过程是形成局部热点的主要原因. 同时也发现孔洞坍塌形成的位错和局部热点可以导致局部绝热剪切带更容易形成. 关键词： 微孔洞 热点 冲击加载 多尺度方法     

Multi-scale method study of nano-void under the shock wave

The dynamic behavior of nano-void in metal Al under shock loading is simulated by using the multi-scale numerical simulation method. This method couples the molecular dynamics method used in local defect domain and the finite element method overall domain. The macroscopic failure of material is analyzed based on the microscopic dynamic behavior of nano-void. Our results show that the collapse of nano-void depends on the shock strength. Both a high and a low stress region are formed in the region of void after void collapse, whereas only a low stress region is formed under no collapse. The local hot spot is displayed in the temperature field, and a detailed analysis reveals that the hot point initiation is caused by recompression of atoms in void.     

激光聚变冲击波点火的热斑形成机制

通过对冲击波点火内爆过程的数值模拟分析点火热斑压缩及形成机制。分析了传统中心点火的内爆过程,热斑主要经历冲击波压缩和惯性压缩过程,点火主要通过惯性压缩来实现。并仔细分析了冲击波点火的内爆压缩过程,从内爆角度来看冲击波点火并不是压缩和点火分开的两步过程,点火冲击波实际参与压缩过程,点火冲击波对热斑的直接影响很有限,热斑仍然主要通过壳层的惯性压缩实现点火。利用惯性压缩的定标关系及冲击波碰撞对壳层影响规律分析了热斑增压的物理机制,冲击波点火是通过点火冲击波与回冲击波的碰撞来提高壳层的密度,从而实现热斑压力的提升。     

铝热剂反应性冲击热点分析

 采用激光粒度扫描仪测量了二元混合物铝热剂（Al+Fe₂O₃）原料的粒径分布,在电子显微镜下观察了铝颗粒、氧化铁颗粒的颗粒形状及两者按照化学配比混合后的颗粒接触状态。综合粒径分布和反应体系的化学配比关系,得到两种反应物的特征粒径和混合物的颗粒布局。根据特征粒径和颗粒布局,建立了该反应体系的等效细观模型,该细观模型能够保证得到与实际颗粒体系相一致的具有统计意义的孔穴结构。采用无网格粒子方法,数值模拟了铝热剂体系在不同冲击速度作用下,基本氧化铁颗粒排列形成的热点特征。研究表明,氧化铁三颗粒紧密排列的模式为形成单独热点的最基本排列,在平面冲击作用下,二元不同粒径的含能材料混合物形成热点的尺寸由初始孔穴尺寸确定,而热点温度受冲击速度影响较大。采用轻气炮对不同密度和配比的铝热剂进行了冲击点火实验,并将测量和数值计算结果进行了对比分析,结果表明,两者的定性结论吻合较好。     

A physically-based Mie–Grüneisen equation of state to determine hot spot temperature distributions

A physically-based form of the Mie–Grüneisen equation of state (EOS) is derived for calculating 1d planar shock temperatures, as well as hot spot temperature distributions from heterogeneous impact simulations. This form utilises a multi-term Einstein oscillator model for specific heat, and is completely algebraic in terms of temperature, volume, an integrating factor, and the cold curve energy. Moreover, any empirical relation for the reference pressure and energy may be substituted into the equations via the use of a generalised reference function. The complete EOS is then applied to calculations of the Hugoniot temperature and simulation of hydrodynamic pore collapse using data for the secondary explosive, hexanitrostilbene (HNS). From these results, it is shown that the choice of EOS is even more significant for determining hot spot temperature distributions than planar shock states. The complete EOS is also compared to an alternative derivation assuming that specific heat is a function of temperature alone, i.e. c_v(T). Temperature discrepancies on the order of 100–600 K were observed corresponding to the shock pressures required to initiate HNS (near 10 GPa). Overall, the results of this work will improve confidence in temperature predictions. By adopting this EOS, future work may be able to assign physical meaning to other thermally sensitive constitutive model parameters necessary to predict the shock initiation and detonation of heterogeneous explosives.     

电场引发的嵌有碳纳米管的黑索金复合材料分解模拟

以电场作为引燃条件对含能材料的分解过程进行了研究。利用黑索金(RDX)单晶结构，构建了镶嵌有碳纳米管(CNT)的黑索金(RDX)复合结构模型，利用反应分子动力学模拟研究了该材料在外电场下的响应。结果表明构建的复合结构在方向沿CNT 的匀强电场下，能够以CNT 为中心形成反应热点；随着热点的成长，形成了自发行进的燃烧层，可以分解掉整个体系。     

Density-based kinetics for mesoscale simulations of detonation initiation in energetic materials

In this work we present one- and two-dimensional mesoscale simulations of detonation initiation in energetic materials. We solve the reactive Euler equations, with the energy equation augmented by a power deposition term. The reaction rate at the mesoscale is modelled using a density-based kinetics scheme, adapted from standard ‘Ignition and Growth’ models. The deposition term is based on previous results of simulations of void collapse at the microscale, modelled at the mesoscale as hot spots. For an isolated hot spot in a homogeneous medium, it is found that a critical size of the hot spots exists. If the hot spots exceed the critical size, initiation of detonation can be achieved. For sub-critical hot-spot sizes, we show that it takes a collection of hot spots to achieve detonation. We also carry out two-dimensional mesoscale simulations of random packs of HMX crystals in a binder, and show that the transition between no detonation and detonation depends on the number density of the hot spots, the initial radius of the hot spot, the post-shock pressure of an imposed shock, and the amplitude of the power deposition term.     

Coulomb explosion of the hot spot of micropinches

It has been shown that the generation of hard X-ray radiation, electron beam, and high energy ions that have been detected in experiments on compressing pinches can be related to the Coulomb explosion of a micropinch hot spot, which is formed due to the outflow of the material. In the outflow process, the plasma temperature in the hot spot increases and conditions appear for the transition of electrons to the regime of continuous acceleration. The exit of runaway electrons from the hot spot region leads to the creation of a positive bulk charge, then to a Coulomb explosion. Conditions under which electrons pass to the continuous acceleration regime have been determined and estimates of the ion kinetic energy upon a Coulomb explosion have been obtained.     

冲击引起石墨→金刚石相转变机理的探讨

 通过对冲击引起石墨转变为金刚石两种相转变模型的比较和冲击波在疏松介质中传播特性的分析,研究了在冲击波阵面内形成热斑的机制和引起原子发生异常迁移的机制,进而探讨了在冲击波阵面内,在热斑区,石墨→金刚石的相变过程,以及卸载时金刚石的石墨化过程。     

激光冲击强化“残余应力洞”的形成机制

利用ABAQUS有限元软件进行了单个圆形高斯光斑的激光冲击强化数值模拟,分析材料表面光斑中心区域形成的"残余应力洞"现象,并通过分析材料的动态力学响应特征揭示了"残余应力洞"的形成机制。结果表明:在冲击波加载时,光斑边界处会产生很强的剪切应力,形成向四周传播的表面稀疏波和向材料内部传播的剪切波。当稀疏波同时传播到光斑中心,发生相遇、汇聚,使材料产生急剧的上下位移过程,造成冲击波加载塑性变形后的二次塑性变形。二次塑性变形中形成了较大的剪切塑性应变,并降低了冲击波加载阶段产生的轴向和径向塑性应变,使残余压应力降低,从而形成"残余应力洞"。