含能材料力学性能及损伤的细观尺度数值模拟

发布时间：2020-08-04 06:47

【摘要】：含能材料作为压制高聚物粘接炸药的关键材料,其力学性能和损伤对炸药的设计、制备、起爆性能和安全性能都具有重要影响。含能材料在压制过程中会发生形变、温升和应力变化等各种力学行为,而这些动态力学行为是导致炸药爆炸的源头。由于炸药的压制是在密闭的容器中进行,通过实验只能得到最终结果,中间过程很难被观察到。因此,采用数值计算方法模拟含能材料压制过程,分析压制过程中产生的力学性能成为研究含能材料力学性能的一种重要手段。目前常用的数值模拟方法有拉格朗日法和欧拉法,拉格朗日法在求解材料大变形问题时背景网格单元会发生严重的畸变和扭曲进而导致计算精度下降,欧拉法在计算大变形问题时不能清晰地表达材料边界构型。由于炸药晶体颗粒的粒径分布很广,在亚微米到毫米之间,在空间上属于细观尺度,因此采用细观尺度模型计算含能材料的力学性能有着重要的理论和应用价值。物质点法在计算过程中将材料离散为许多质点,这些质点携带了其所有的信息(位移、速度、应力等),质点在背景网格上的运动代表材料的形变,使用物质点法可以避免网格畸变问题,该方法非常适合处理材料大变形问题。因此,文中采用物质点法在细观尺度下模拟研究含能材料在压制过程中的形变、温度变化、应力变化及损伤情况。研究中发现了一些有意义的现象:结果显示压制过程中炸药颗粒重新排列,颗粒间的空隙不断减小且在相互挤压过程中向两侧移动;大颗粒表面和微小颗粒处的温度较其他部分明显升高,空隙处的温度相应较低,体系总体温度逐渐升高;体系内部的应力随着压制的进行逐渐升高并形成应力梯度,应力以网格形状从上至下传播。模拟得到的炸药密度与项目协作方提供的实验密度对比,结果表明在给定压力的情况下,模拟得到的密度与实验得到的密度误差小于5%,验证了模拟方法的有效性。最后研究颗粒内部的裂纹对压制过程的影响,模拟结果表明存在裂纹的颗粒容易被压破,压制带有缺陷的颗粒比压制完好的颗粒产生的内部应力小。本研究能够为压制炸药的工艺设计提供理论指导。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ560.1
【图文】：

网格图,拉格朗日,网格,欧拉法

图 2.1 拉格朗日网格2.1.2 欧拉法欧拉法也是一种网格方法，欧拉网格如图 2.2 所示[29]，这种算法采用固定在空间中的坐标系，网格固定不变，不随物质的移动而变形，它们之间发生运动，因此没有网格畸变问题。各时刻物理量都是在空间点上计算的。欧拉法比较适合模拟大变形问题，因此在计算流体力学中多采用欧拉法，早期用于冲击爆炸问题的流体力学程序也多采用欧拉方法。

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图 2.1 拉格朗日网格拉法法也是一种网格方法，欧拉网格如图 2.2 所示[29]，这种算法采用标系，网格固定不变，不随物质的移动而变形，它们之间发生格畸变问题。各时刻物理量都是在空间点上计算的。欧拉法比问题，因此在计算流体力学中多采用欧拉法，早期用于冲击爆程序也多采用欧拉方法。

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型建立方法.1(a)为 PBX 实际的细观结构图[34]，分析图中 PBX 的组成成晶体颗粒之间，晶体颗粒的大小不同、形状各异，分布无结构的复杂特性，很难直接建立细观结构的几何模型。因颗粒和粘接剂混合压制而成，如果在细观结构下研究 PBX 为合理的细观结构模型。的常用的模拟方法有代表性体积元(RVE)方法和圆形近似法整个复合材料体系看成是由于 RVE 周期性排列构成，圆形颗粒近似为圆形。由于物体在占据相同空间大小的情况下为了使得体系中 HMX 颗粒具有较高的填充率，本文采用圆似为圆形，如图 3.1(b)所示。

【参考文献】