含能材料冲击起爆的计算机高效模拟算法研究

发布时间：2020-09-29 11:14

　　 含能材料在爆轰瞬间产生的压力可以高达几十万个大气压,内部温度达到几千摄氏度,而且爆轰产生的冲击波的速度高达十几千米每秒。这种极端高温高压下的物质和能量变化的信息难以通过实验获得,必须借助计算机模拟技术。由于经典分子动力学模拟方法不能处理爆轰反应过程中涉及到的化学键断裂以及原子重组情况,而高精度的量子动力学模拟计算量太大,仅适合于几个原子的小体系,因此本文采用半经验量子动力学模拟方法研究了含能材料冲击起爆的过程。由于半经验量子分子动力学模型DFTB的高效性,已广泛应用于团簇体系以及凝聚态物理化学性质等研究中。为了进一步提高DFTB模型对电子能量计算的精确性以及能够模拟冲击波加载的高温高压条件下的体系,本文在DFTB方法中结合了电荷自洽模块(SCC)和多尺度冲击技术(MSST)模块,随后采用新建立的SCC-DFTB-MSST半经验动力学模型模拟了水分子簇和黑索金炸药体系的爆轰过程,并与DFTB方法以及ReaxFF力场的经典分子动力学算法作比较,模拟结果表明该模型能够很好的拟合较高冲击波条件下的实验数据。本文主要的研究内容如下所示:(1)介绍了计算模拟中的量子分子动力学以及分子动力学模拟方法的研究进展、基本原理及其相关的技术。(2)详细阐述了用来模拟含能材料在冲击加载条件的一种高效的半经验量子分子动力学模型。采用了自洽密度泛函紧束缚方法(SCC-DFTB)来计算电子的结构信息,同时考虑到冲击波对模拟体系的影响,对原子运动轨迹的计算采用多尺度模拟技术。(3)在DFTB程序框架下实现了对冲击波的模拟计算,并将该算法应用于水分子和黑索金炸药体系的测试中。实验结果表明,该算法相比于采用DFTB以及ReaxFF反应力场的算法有更高的精度。
【学位单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TQ560.1
【部分图文】：

图2.1分子动力学工作方框图

周期性边界条件根据求解范围中粒子的分布情况来选择适当的模拟抽样区域如图2.2中的阴

领域半径该邻域列表在模拟计算的每一次迭代中都需要进行更新

【参考文献】

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本文编号：2829646